超聲波套損檢測室內試驗研究*

王向陽 韓金良 袁光杰 喬磊 王開龍 楊恒林 金根泰

(1. 中國石油集團工程技術研究院有限公司 2. 中石油煤層氣有限責任公司工程技術研究院)

0 引 言

近年來，中石油各個油氣田新增套損井數量明顯增多，井筒質量問題突出，截至2019年累積發現套損套變井占總油氣水井總數的15%，待治理套損套變井占總油氣水井總數的5%。大慶油田待治理套損套變井5 680口，其中4 220口井仍在維持生產，套損形式主要為注水開發引起的套管剪切或擠毀損壞[1-3]。在我國川渝地區，采用水平井分段壓裂體積改造技術開發頁巖氣[4-7]，但壓裂過程中天然裂縫和斷層剪切滑移誘發套管變形問題頻發，相關統計表明，川渝地區頁巖氣井套變率達27%。套變問題導致壓裂過程中橋塞不能順利下入等情況嚴重影響了后續作業的及時開展，甚至部分水平井段被迫合壓甚至丟段，嚴重影響了川渝地區頁巖氣的高效開發[8-11]。

針對我國油氣田出現的套損套變問題，需要結合套變機理對套管狀況進行檢測，以確定套管變形的位置、方位及變形程度，但目前缺乏適用于高精度的套損套變檢測手段。國內主要利用多臂井徑儀對套管進行檢測，可以測得多條沿油管內壁均勻分布的半徑曲線，但該技術無法確定套變方位，井筒覆蓋率相對較低，需要進行多次重復測量[12-15]；斯倫貝謝利用旋轉的換能器來生成和檢測脈沖回波，在每個深度產生36個獨立波形，獲得套損相關數據，但該儀器直徑和質量較大，不適合在水平井中應用。因此，本文利用超聲波成像技術研制了超聲波套損檢測儀器，對套損套變的位置、方位及變形程度進行精確測量，對套管損壞情況進行重點解剖，以查找套管損壞的薄弱環節，為下一步治理措施提供對策。

1 超聲波套損檢測系統

1.1 超聲波套損檢測儀器

超聲波具有方向性好、穿透能力強和測量精度高的特點，可對套管變形的位置、方位及變形程度進行精確測量，因此，研制超聲波套損形態檢測工具可提升套損形態精準檢測能力。超聲波套損檢測儀器總體結構主要分為存儲式電池倉、數據存儲與控制短節、電子儀短節、聲系短節和扶正器短節5大部分，如圖1所示。超聲波套損檢測儀器的主要功能參數如下。

儀器外徑52 mm，儀器總長5 200 mm，換能器轉速360～480 r/min，圖像分辨率每周大于315點，縱向分辨率2.08～8.33 mm，徑向分辨率0.50 mm，到時分辨率0.30 μs，工作電壓72 V(鋰電池供電)，系統最低功耗36 W，工作時間超過 8 h，存儲容量超過10 Gbit。

1—聲系短節；2—電子儀短節；3—扶正器短節；4—數據存儲與控制短節；5—存儲式電池倉。

1.2 超聲波套損檢測數據解釋

超聲換能器在電機的帶動下，以恒定速率連續旋轉掃描井壁，超聲換能器發出的聲波遇到井壁后反射，儀器接收并發出聲波，測量回波的到達時間和最大幅度，并將其數字化，所有信息存儲在數據存儲與控制短節中，通過軟件處理后來檢測套管的損傷、腐蝕或變形特征。超聲波套損檢測數據解釋如圖2所示。

QSPN：是換能器轉速曲線，顯示換能器在井下轉動快慢，曲線范圍0～10 r/s。

ECTY1：儀器偏心數據，即儀器圓心距離井眼圓心的距離，曲線范圍0.00～5.08 mm。

RADMAXC1：最大井徑，是套管內壁的最大半徑值，曲線范圍0.0～127.0 mm。

RADAVC1：平均井徑，是套管內壁的平均半徑值，曲線范圍0.0～127.0 mm。

RADMINC1：最小井徑，是套管內壁的最小半徑值，曲線范圍0.0～127.0 mm。

根據上述分析，現階段分布式儲能項目的經濟性主要影響因素包括：項目投資成本、當地峰谷電價差、峰谷平時段、電池壽命、儲能充放電方式、企業用電量、生產運行狀況和電池梯級利用及回收成本等。據統計數據顯示，廣東省、江蘇省、上海市等峰谷電價差較大的地區（一般電價差大于0.75元/kWh），儲能項目已具有經濟性，部分地區已建設較大規模的儲能示范項目[6]。

Nominal-OD：名義井徑，輸入的套管標稱外徑值(半徑)，曲線范圍1.0～76.2 mm。

CASING：根據名義井徑與最大井徑顯示的套管形狀截面圖，表示最大內壁損失，左右對稱。

DEPT：深度，表示對應的井深數據，比例尺1∶200。

TIME：時間，對應的測井時間。

RAMP：反射波幅度圖，套管內壁一圈反射波幅度成像圖(每圈315點，360°平均分布)，幅度體現套管內壁表面特征(均一、部分腐蝕或孔洞等)，顏色淺代表反射面質地硬且光滑，顏色深代表反射面不光滑。曲線單位為mV，表示信號電壓值。

RTIM：反射波到時圖，套管內壁一圈反射波到時成像圖，到時體現套管內壁井徑、套變或腐蝕等形狀特征，顏色淺代表到時短，顏色深代表到時長。曲線單位為us。

圖2 超聲波套損檢測數據解釋Fig.2 Ultrasonic casing damage detection data interpretation

1.3 測量原理

超聲波套損檢測原理示意圖如圖3所示。超聲波探頭發出超聲波，經過套管壁面反射進行接收，通過測量回波的到達時間和聲速來計算探頭距離套管的距離，即井徑分辨率。超聲探頭每轉1圈，等間隔采集315個數據點，根據套管內徑計算圓周長，可以得出每個采樣點之間的距離，即儀器的周向分辨率。在旋轉過程中，儀器上提，形成套管內壁的螺旋掃描線，根據換能器每圈轉速與儀器上提速度，可以計算出螺旋線間隔，即儀器的縱向分辨率。

圖3 超聲波套損檢測原理示意圖Fig.3 Ultrasonic casing damage detection principle

2 超聲波套損檢測儀器室內模擬試驗

2.1 方案設計

本試驗通過超聲波套損檢測儀器對射孔孔眼套管和變形套管進行室內模擬試驗，研究超聲波套損檢測儀器成像效果，為套損檢測儀器下一步現場試驗提供依據。采用外徑139.7 mm，內徑114.3 mm，壁厚12.7 mm，長8.8 m的套管進行試驗。套管下部利用等孔徑射孔方式進行螺旋射孔，射孔孔眼共12個。套管上部利用中石油管材研究所的非常規油氣井管柱模擬試驗系統進行擠壓變形處理，擠壓變形后內徑為90.0 mm，擠壓變形長度為0.4 m，射孔孔眼和擠壓變形處理完成后將兩段套管焊接組裝成長8.8 m的套管，將套管底部封死，并向套管內部灌滿清水，模擬井下測量環境。同時將套管傾斜10°，模擬井斜角80°水平井。圖4為螺旋射孔套管和擠壓變形套管實物圖。

圖4 螺旋射孔套管和擠壓變形套管Fig.4 Spiral perforated casing and compression deformation casing

2.2 試驗步驟

(1)對長8.8 m的?139.7 mm具有孔洞和擠壓變形特征的套管底部應用加工的堵頭進行密封，將套管內灌滿清水，在套管與地面傾斜10°的情況下將套管固定并進行試驗。

(2)將超聲波成像儀器按照存儲式電池倉、數據存儲與控制短節、電子儀短節、扶正器短節及聲系短節進行連接，長度共5.2 m。

(3)接通電源，進行聯調測試，確認儀器狀態正常，配置儀器參數，開始試驗。

(4)將儀器放入井筒內，保持探頭與井筒底面0.5 m的高度。

(5)用牽引繩以恒定速度(1.2 m/min)緩慢拉升儀器，拉升過程中保持儀器居中，拉升7 m之后停止。

(6)儀器下放同步驟(5)，并按照步驟(5)進行重復測量。

(7)將套管順時針旋轉45°、90°并進行重復測量。

(8)拆卸儀器，讀取超聲波套損檢測數據并進行分析，形成三維柱面圖像。

3 試驗結果與分析

3.1 射孔孔眼檢測結果分析

圖5為射孔孔眼的成像解釋結果。采用超聲波套損檢測儀器對含12個螺旋射孔孔眼套管進行超聲波檢測，并對射孔孔眼的大小特征進行精確測量。由反射波幅度圖(RAMP)和反射波到時圖(ARADC)可以看出，超聲波套損檢測儀器對射孔孔眼大小和位置特征有明顯的反映，可清晰地看到螺旋狀排列的射孔，同時形成套管柱三維柱狀圖像，據此可以直觀地觀察射孔孔眼特征。根據超聲波套損檢測成像原理，超聲探頭每轉1圈，等間隔采集315個數據點，由套管內徑計算圓周長，得出每個數據點之間的距離，試驗所用套管外徑139.7 mm，內徑114.3 mm，內壁周長359.1 mm，套管內部近似為圓形，圓周上每個點間隔為1.14 mm。因此計算得到12個射孔孔眼的直徑，射孔孔眼解釋結果如表1所示。12個射孔孔眼直徑在5.0～8.7 mm之間，與實際孔眼直徑誤差低于5%。因此，通過超聲波套損檢測儀器可以對油氣井套管射孔孔眼進行高精度的檢測成像。

圖5 射孔孔眼的成像解釋結果Fig.5 maging interpretation result of perforation

表1 射孔孔眼的解釋結果Table 1 Interpretation result of perforation

3.2 套管變形檢測結果分析

圖6為變形套管的成像解釋結果。圖6中的套管測井曲線對變形套管的變形程度和變形方位進行了精確體現。首先，通過套管橢圓度曲線(OVAL)可以看出，擠壓變形位置橢圓度明顯增大為40%。其次，通過套管內徑最大值和最小值曲線可以看出，擠壓變形位置兩條曲線向對應兩極擴展，套管內徑最大值為145.0 mm，套管內徑最小值為90.0 mm；通過井眼內徑二維曲線(ARAD)可以看出，套管規則位置其二維曲線為圓形，擠壓變形位置則為橢圓狀。最后，通過回波幅度曲線(RAMP)和回波到時曲線(ARADC)可以看出，擠壓變形位置曲線呈現波峰波谷交替出現的情況；結合橢圓內超聲波反射原理可以看出，橢圓長軸和短軸處回波幅度和回波到時最大，隨著角度變化，超聲波遇到套管壁面發生散射，回波幅度和回波到時逐漸變小，擠壓變形位置回波幅度曲線和回波到時曲線呈現峰值交替出現的現象。通過以上4類測井曲線分析，明確了超聲波套損檢測儀器可以對變形套管的變形程度進行精確評價，變形后套管內徑最小值為90.0 mm。

圖6 變形套管的成像解釋結果Fig.6 Imaging interpretation result of deformed casing

超聲波套損檢測儀器存儲與控制短節中帶有重力加速度計，具備高邊方位測量功能。通過井眼內徑二維曲線可以看出，紅色線條代表套管的高邊方位，橢圓的短軸代表套管受擠壓的方向，因此超聲波套損檢測儀器可以對變形套管的變形方位進行精確評價，套管受擠壓變形的方位為105°。

4 結 論

(1)研制了超聲波套損形態檢測儀器，利用該儀器對不同套損狀況的套管進行了室內模擬試驗，試驗結果表明，該儀器可對射孔孔眼和變形套管進行檢測，儀器聲波幅度、聲波到時圖像和三維柱狀圖像穩定可靠，提升了套損形態精準檢測能力，為儀器井下作業奠定了良好的基礎。

(2)采用該儀器對射孔套管進行精準檢測，對射孔孔眼的大小、位置和角度等信息進行了精準解釋；針對外徑139.7 mm、內徑114.3 mm、壁厚12.7 mm的射孔孔眼套管檢測精度可以達到1.14 mm，測量誤差小于5%。

(3)采用該儀器對變形套管進行了精準檢測，對變形套管的變形程度和方位信息進行了精準解釋；針對外徑139.7 mm、內徑114.3 mm、壁厚12.7 mm的套管，通過4種解釋結果得到套管最小內徑為90.0 mm，擠壓變形的方位為105°。