多功能超聲成像測井儀在工程測井中的應用

許明亮，任大明，黃焌淞，萬禧煌，牛 朋

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300459；2. 中海油田服務股份有限公司天津分公司 天津300459)

0 引 言

油田投產后，任何一口井出現完好性故障都會帶來巨大的損失——導致停產、環境污染、維修成本增加或導致事故。地質運動、腐蝕和侵蝕均可以造成井完好性破壞。定期的井完好性測量不僅節約時間、金錢和資源，而且通過快速查明異常并確定采取糾正性的維修措施，就可以減少污染和潛在的嚴重事故[1]。由于良好的水泥層間封隔可以實現油氣區高效率生產并避免滲水，如何準確經濟地對生產時期的水泥膠結質量進行評價對井完好性評價具有重要的意義。目前，常用的完好性檢測手段多為單功能測量，如機械測量(多臂井徑測井儀MIT 等)、電磁測量(電磁探傷儀器MTT、EMDS、MID-K 等)和超聲波壁厚描測量(UTT 等)[2-5]，僅能提供套管內徑或壁厚變化，在組合測井時可以對管子損傷進行較全面的評價。但這些方法均針對管子損傷，如果需要了解套后水泥膠結變化情況還需要另外進行CBL、VDL 或SBT/RBT測井等[6]，作業時效差且成本高。

1 測量原理

MUIL 由光纖方位短節、發射與接收電路和聲系短節(旋轉探頭)組成。旋轉探頭既是聲源也是接收探頭，采用自發自收的測量方式，受聲學特性影響，對不同規格的套管選用不同頻率的探頭[7]。

MUIL 測量采用居中旋轉掃描的方式，記錄從超聲聲源向井壁垂直入射后，在井壁以及井壁外介質中各聲學界面上的反射波和管壁內形成的共振波。圖1為MUIL 儀器的測量原理示意圖，可分別進行全波模式和成像模式測量，全波模式同時完成套管損傷和水泥膠結質量評價，主要用于高精度套管損傷評價。

圖1 MUIL測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of MUIL measurement

儀器測量時，聲波探頭向套管內壁發射超聲脈沖，每次超聲脈沖發射都會在套管內壁產生較強的反射，由探頭接收并記錄這些反射波的到達時間和幅度信息，通過對反射波的到達時間和幅度信息的處理，可以獲取套管內徑，這是套損評價的重要參數之一。

聲波在經過每種介質接觸面時部分能量發生反射、部分能量發生折射進入不同介質，傳播出去的能量大小取決于兩種材料的聲阻抗差異及耦合程度。因套管和流體的聲阻抗為常數，所以套管內的信號是以一定的速率衰減，衰減速度依賴于套管外材料的聲阻抗。套管外材料的聲阻抗越大，套管內的共振波幅度越小；反之，套管外材料的聲阻抗越小，套管內的共振波幅度越大。利用套管共振波幅度的強弱可以評價套管外材料的聲阻抗大小，進而對套管外水泥膠結質量進行評價。圖2 為自由套管與水泥膠結良好的聲波對比示意。

圖2 自由套管與水泥膠結良好聲波示意Fig.2 Waveform of good cementation between free casing and cement

2 應用實例

目前MUIL 主要用于套損和固井質量評價。除識別套管內外壁常見損傷外，其超高的分辨率可以通過反射波幅度變化對射孔等特殊現象進行精確描述；此外也對第一界面特殊的固井細節如串珠、溝糟等進行清晰描繪。該儀器先后在國內海上油田及阿聯酋進行了多次作業，應用效果良好。

2.1 套損評價

油套管損傷評價中，管子剩余厚度是一個十分重要的評價指標。在管子壁厚達到一定厚度時，超聲波在管子中可以順利形成共振波，通過反射波幅度變化及共振波衰減速度，MUIL 可以對管子內外壁及壁厚變化進行準確描述。但受超聲波特性限制，其在較薄的管子中不能發生共振現象，此時就需要結合機械式套損檢測儀器如多臂井徑成像儀(MIT)等對管子損傷情況進行綜合評價分析。

2.1.1 老井套管腐蝕——疑似穿孔位置檢測

2.1.2 不同材質套管的腐蝕檢測

圖3 A井MUIL與MIT套損評價結果對比Fig.3 Comparison of MUIL and MIT logging for well A

圖4 B井MUIL與MIT套損評價結果對比Fig.4 Comparison of MUIL and MIT logging for well B

2.1.3 射孔孔眼識別MUIL 測井除了用于常規套管損傷評價外，還用于對一些特殊損傷形狀的描述。

當套管內壁光滑、無損傷時，回波幅度較大且變化較小，但是套管內壁出現損傷時，回波幅度將相應降低，降低程度隨損傷程度增強而增大。回波幅度降低在幅度成像上呈亮色顯示，亮色區域的形狀及大小可直觀地反映損傷形狀及大小。

圖5 為阿聯酋C 井7"套管段的MUIL 測井成果，第4 道回波幅度存在明顯、形狀規則且規律出現的單相位亮斑，平均4～5 亮斑/ft(25.4 mm)，這一特征與該井完井時單相位、5 孔/ft(25.4 mm)的射孔情況完全吻合，測井結果得到了用戶的高度認可。

圖5 C井8750-8765ft射孔孔眼識別Fig.5 Single-phase perforation identification of 8750-8765ft of well C

2.2 固井質量評價

根據聲波測量原理，通過MUIL 回波波列進行處理，可以得到套后介質的聲阻抗信息，進而可以對套后物質狀態進行判別。此外MUIL 采用360°旋轉掃描的方式進行測量，結合方位信息，可以更加直觀、全面地反映套后水泥膠結情況。

圖6 D井MUIL測井固井質量評價成果圖Fig.6 Cement bond evaluation of well D by MUIL

圖6 為南海油田D 井的MUIL 測井固井質量評價成果，方位以井眼高邊為準，可以清晰看出井眼高邊從“串珠”向“溝槽”的發展過程。

3 結論與認識

①多功能超聲成像測井儀采用井周旋轉掃描對套管損傷和固井質量同時進行高分辨率的測量，費用低，時效性強。

②受超聲波測井原理及儀器尺寸所限，多功能超聲成像測井儀僅能對部分套管厚度進行準確測定；通過與多臂井徑成像測井結合，套損評價更加準確。

③多功能超聲成像測井儀較常規固井質量評價測井，覆蓋范圍更密，可以對第一界面固井細節進行精細描述。