多功能超聲波成像測井儀評價固井質量

羅鵬，姚振河，張傳舉，夏竹君，謝瑞永，李世舉

1.中海油能源發展股份有限公司 工程技術深圳分公司（廣東 深圳518064）2.中海油田服務股份有限公司 油田技術事業部（廣東 深圳518000）

關健詞 超聲波測井；成像測井儀；固井質量；測井解釋

0 引言

國外油田服務公司早已推出基于超聲脈沖反射測量技術進行套損檢測的儀器，采用不同頻率的超聲換能器，對不同型號的套管進行套損評價。斯倫貝謝公司最新一代的IsolationScanner儀器不但可以進行套損檢測，還可以針對第一界面及第二界面的水泥膠結質量作定量評價[1]。國內也有不少油田開發中應用超聲波測井技術[2-5]。

多功能超聲波成像測井儀（Multi-function Ultrasonic Imaging Logging Tool，MUIL）由中海油田服務股份有限公司自主研發[6-8]，不但可以對裸眼井進行掃描成像，而且可以進行套損檢測及固井質量評價。該儀器采用中心頻率分別為250 kHz、350 kHz及450 kHz的超聲換能器，可以滿足油氣田中絕大多數類型套管的損傷檢測及固井質量檢測，在南海東部的固井質量檢測方面，基本上取代了哈里伯頓公司的CAST-V儀器和斯倫貝謝公司的IBC測井儀。

1 多功能超聲波成像測井儀

1.1 測井原理

MUIL測井儀采用超聲波脈沖反射法測量原理，發射換能器為自發自收探頭，首先對發射探頭激勵一個超聲波脈沖信號，超聲波脈沖信號在流體中傳播然后入射到套管內壁，其中大部分聲波能量反射回來被換能器接收，剩余的則進入套管，聲波信號在套管與水泥環和套管與地層表面之間進行多次的反射。在每個表面都會有一些能量被反射，一些能量透射出去，能量的大小由兩種材料聲阻抗的差異決定。由于套管的聲阻抗和流體的聲阻抗為常數，所以套管內的信號以一定的速率衰減，信號的大小依賴于套管外面材料的聲阻抗。套管外面材料的聲阻抗越大，套管內的共振波幅度越小；反之亦然，利用套管共振波幅度的強弱可以評價套管外面材料的聲阻抗大小，進而對套管外固井質量進行評價。

1.2 儀器結構

MUIL測井儀的核心組成是電子線路短節和旋轉探頭組合短節兩部分，扶正器為輔助組成部分，如圖1所示。電子線路短節主要負責超聲換能器的激勵響應及井下數據的采集處理。聲系短節包含兩種超聲波換能器，泥漿波換能器和反射波換能器，每個換能器既能發射又能接收。泥漿換能器主要負責井眼中泥漿聲速的測量；反射波換能器主要負責成像測量，安裝在掃描旋轉探頭上，當高頻率聚集換能器向井壁發射超聲波脈沖并接收其反射回波時，旋轉探頭接收換能器繞井軸360°旋轉掃描，進行高分辨率數據采集，利用記錄的回波信息對套管壁或井壁進行成像，從而獲取套管壁或井壁的特征信息。

圖1 MUIL多功能超聲成像測井儀示意圖

旋轉探頭有A、B、C、D 4種型號：A型探頭直徑92.1 mm（35∕8″），適合177.8 mm（7″）套管；B型探頭直徑111.12 mm（43∕8″），適合177.8 mm（7″）和193.67 mm（75∕8″）套管；C型探頭直徑142.87 mm（55∕8″），適合219.07 mm(85∕8″)和244.47 mm(95∕8″)套管；D型探頭直徑177.8 mm（7″），適合244.47 mm(95∕8″)套管。通過更換不同尺寸的掃描探頭可以適應不同尺寸的井眼條件。

1.3 主要技術指標

MUIL測井儀的主要技術指標：工具耐溫350℉（175℃），耐壓137.9 MPa（20 000 psi），工具直徑92 mm，總長3.911 m，質量98 kg，可檢測套管厚度范圍為0.5～2 cm；套管壁厚測量精度為±6%；最小可檢測串槽和缺陷尺寸3 cm；聲阻抗分辨率0.2 Mrayl；聲阻抗測量精度±15%；測井速度3.05 m∕min(10 ft∕min)；垂直分辨率6.35 mm(0.25")。

1.4 測量模式

MUIL測井儀有2種工作模式：成像模式和全波模式，測井作業時3個不同的服務表可供選擇，兩種模式可以同時進行；在測井作業過程中，安裝在旋轉頭上的超聲波探頭沿井壁做360°高速旋轉，采集井壁信息。

成像模式可以在裸眼井和套管井中測量，超聲波探頭每隔1.5°進行一次超聲波發射并接收回波信號，旋轉一周共采集240道波形，在井下電路中，將采集的波形進行實時處理，生成反射波幅度和反射波的二維圖像，反映裸眼井井壁或套管井內壁幅度成像和內徑成像。

全波模式適合在套管中測量，超聲波探頭每隔6°進行一次超聲波發射并接收回波信號，旋轉一周共采集60道波形，并實時傳送到地面系統，地面系統經過實時處理，計算套管壁厚評價套損，計算套后聲阻抗評價固井質量。

1.5 偏心校正

MUIL測井儀對儀器居中要求十分嚴格，如果儀器偏心過大，聲波傾斜入射，返回波形嚴重變形，不能反映真實的井下狀況。為解決此問題，中海油服先后制作了8種規格12套偏心器具，進行了大量的儀器偏心與傾斜入射試驗，發現儀器偏心時主要特征有：①到達時間、波形幅度與偏心角呈規律變化；②偏心嚴重位置出現“假阻抗”。

通過研究，總結了不同偏心情況下波形變化及測量參數的變化規律，并進行偏心校正研究，圖2為偏心校正原理圖，對177.8 mm（7″）和244.47 mm(95∕8″)的套管校正方法計算公式如下。

式中:U1為探頭原始波形的電壓幅度，V；U為校正后探頭接收的電壓幅度，V；L為儀器偏心距離，mm；α為測點A到儀器中心線與正東的夾角，°；θ為測點A到儀器中心線及套管中心線的夾角，°。

通過實驗研究，得出了不同規格套管不同測量源距時儀器允許偏心指標（表1），對偏心狀態控制和資料質量進行規范。

圖2 偏心校正原理圖

表1 MUIL測井儀允許偏心距可控范圍

1.6 室內實驗

中海油服在室內開展了不同密度的固井水泥聲波阻抗測試實驗，不同規格的套管外采用不同密度的固井水泥石膠結后，對不同密度的固井水泥進行聲阻抗測量。從圖3可以看出，當水泥密度大于1.4 g∕cm3時，紅色點基本上成一條直線，將其進行線性回歸，得出聲阻抗隨水泥密度變化的關系式。該圖版可作為標準對MUIL測井儀進行標準化刻度，為MUIL測井儀推廣應用提供了現場資料質控依據和水泥膠結評價依據。

圖3 不同固井水泥石密度-聲阻抗關系

1.7 現場操作要求

1）核實測量項目，是否需要測量陀螺數據及掛接爬行器。

2）核實測量套管尺寸、測量長度，不同的套管需要準備不同的旋轉頭。

3）收集井溫、泥漿比重、井隊打撈油管作業日報、射孔段、封隔器深度、刮管鉆具下入深度、地層伽馬資料、套管磅級等資料，并重點關注同一外徑的套管是否有不同的磅級。

4）MUIL測井儀對扶正要求嚴格，根據套管內徑尺寸調整套管滾輪扶正器的大小，建議斜井段滾輪扶正器內徑調至比套管內徑稍大，直井段可以比套管內徑稍小，儀器入井之前檢查可調滾輪扶正器的彈片，螺絲的緊固情況。

5）在測量之前需壓井至安全狀態，起出生產管柱，并下入合適的刮管器刮管及大排量洗井。

6）MUIL測井儀下放，在接近井底時，不得高速下放或探底，防止損壞超聲探頭。

7）MUIL測井儀的電機轉速靠直流電的大小來控制。測井過程中，應該實時觀察電機的轉速并做調整；工作時環境指標不能超過儀器的極限壓力、溫度及電氣指標范圍。

1.8 現場質量控制

1）方位刻度：當儀器串中有方位儀器時，將MUIL儀器方位對準方位儀器高邊，進行方位校正。

2）井徑刻度：MUIL測量時，可以得到超聲波到達井壁的時間，如果再得到超聲波在井液中速度，便可計算出井壁的內徑。井徑刻度是為了減小此一計算過程中的誤差。建議在井內100 m以下的深度進行刻度，停車保持儀器靜止在某深度點，并確定儀器探頭不在套管的節箍處。

3）重復測量：在混漿段或自由套管井段或固井質量相對較差的井段測量重復曲線至少50 m，重復曲線與主曲線的圖像特征應基本一致。

4）套管節箍信號明顯無缺失，聲阻抗曲線變化與聲波變密度套管波顯示應有相關性。

5）當懷疑套管和水泥之間存在微環帶時，應加壓再測一次，與未加壓時作比較。

2 解釋方法

2.1 膠結指數法

MUIL多功能超聲波成像測井儀記錄的高分辨率井周回波信息，用多時域法分析處理能計算套管外水泥的聲阻抗Z(n,m)，利用公式（4）計算出水泥膠結指數BI(n,m)。

式中：BI(n,m)為測量位置在n深度m角度水泥膠結指數；Z(n,m)為測量位置在n深度m度阻抗值，Mrayl；Zwat為水（流體）的阻抗值，取1.5 Mrayl；Zs為固井水泥的阻抗，與水泥漿密度有關，見圖3。

根據膠結指數確定固井質量評價標準：BI＞0.6膠結好，0.6＞BI＞0.35膠結中等，BI＜0.35膠結差。

2.2 聲阻抗法

MUIL測井儀實測信息分析處理得到的套管外水泥的聲阻抗Z(n,m)，可以計算出在n深度的最大聲阻抗值Zm、最小聲阻抗值Zn、平均聲阻抗值Zp，中海油服結合MUIL測井儀的實驗數據和實際測井資料，建立了利用平均聲阻抗值Zp評價第一界面固井質量的評價標準（表2），根據表2繪制了聲阻抗Zp與第一界面固井質量的關系圖版（圖4）。圖4紅色區域為水泥膠結優良（膠結好），橙色區域為水泥膠結中等，綠色區域為水泥膠結不合格（膠結差），黃色區域為異常區域。根據該圖版可以快速評價第一界面固井質量。

表2聲阻抗值與第一界面固井質量的關系水泥密度∕(g·cm-3)2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2平均聲阻抗值Z p∕Mrayl膠結好＞5.7＞5.4＞5.0＞4.5＞4.2＞3.9＞3.7＞3.3＞2.9.＞2.6＞2.4膠結中等4～5.7 3.8～5.4 3.5～5.0 3.25～4.5 3.2～4.2 3.0～3.9 2.7～3.7 2.5～3.3 2.4～2.9 2.2～2.6 2.0～2.4膠結差＜4＜3.8＜3.5＜3.25＜3.25＜3＜2.7＜2.5＜2.4＜2.2＜2

3 應用實例

3.1 MUIL測井儀單獨測井，評價水泥膠結情況

在南海東部完井時，選用MUIL測井儀單獨測井，評價第一界面水泥膠結情況，既滿足固井質量評價要求，又降低測試成本。以惠州某區A井為例，該井測量井段為恩平組和文昌組，鉆頭尺寸為311.15 mm（12?"），套管尺寸為244.47 mm(9?")，固井水泥漿密度為1.39 g∕cm3，在3 402.0～3 448.0 m井段，平均聲阻抗值Zp為3.1 Mrayl，膠結指數為0.58，根據解釋標準綜合評價第一界面膠結好-中等。在3 448.0～3 477.0 m井段，平均聲阻抗值為4.2 Mrayl，膠結指數BI為0.78，根據解釋標準綜合評價第一界面膠結好。在3 477.0～3 495.0 m井段，平均聲阻抗值為3.2 Mrayl，膠結指數BI為0.63，根據標準綜合評價第一界面膠結好-中等。

圖4 平均聲阻抗與第一界面固井質量關系

3.2 組合測井，評價水泥膠結情況

在南海東部重點探井中，選用MUIL測井儀與CBL∕VDL組合測井，評價第一、第二界面水泥膠結情況，代替斯倫貝謝公司的IBC測井儀，可降低測試成本。以恩平某區B井為例，該井測量井段為韓江組，鉆頭尺寸為311.15 mm（12?"），套管尺寸為244.47 mm（9?"），固井水泥漿密度為1.88 g∕cm3，圖5為MUIL測井儀在B井測量的水泥膠結固井質量評價成果圖，圖中第一道為GR-CCL，第二道為深度，第三道為裸眼電阻率，第四道為測井解釋結論，第五道為聲阻抗曲線（最大、最小、平均聲阻抗曲線），第六道為聲阻抗成像，第七道為套管外氣體、液體、固體含量，第八道為膠結指數，第九道為固井質量評價結論，第十道為CBL聲幅，第十一道為VDL變密度。從圖5可以看出，在1 675.0～1 735.0 m井段，平均聲阻抗值為4.0 Mrayl，膠結指數BI為0.61，局部0.56，根據解釋標準綜合評價第一界面膠結好，局部好-中等。MUIL測井曲線的變化趨勢與CBL曲線基本一致。VDL顯示該井段套管波缺失，地層波條紋清晰，局部稍弱，綜合評價第二界面膠結好，局部好-中等。整體上MUIL測井曲線與CBL∕VDL曲線相關性好。

3.3 MUIL測井儀評價第一界面固井溝槽

在南海東部開發井大部分為定向井，井斜角大于45°時，受重力的影響套管很難居中，導致固井時易出現水泥膠結中等或膠結差，甚至出溝槽，形成竄槽通道，影響后期生產。選用MUIL測井儀能準確評價第一界面水泥膠結存在的溝槽分布情況（圖6），指導后期開發。

圖5 B井MUIL測井成果圖

圖6 C井MUIL測井顯示竄槽實例

以流花某區C井為例，該井為定向井，最大井斜54.77°∕3 110.0 m，鉆頭尺寸為311.15 mm（12?"），套管尺寸為244.47 mm（9?"），套管下深為3 097.94 m，固井水泥漿密度為1.9 g∕cm3。圖6中井段井斜51.47°，整體膠結中等，在2 813.0～2 821.0 m井段，第五道中最小聲阻抗呈低值，最大與最小聲阻抗曲線分離明顯，第六道中出現明顯的藍色條帶，第七道中套管外液體含量明顯增加，這是典型的溝槽特征，綜合解釋為竄槽井段。

4 結論

1）MUIL測井儀的超聲成像測井模式能夠得到套管外介質聲阻抗的二維、三維圖像，實現第一界面水泥膠結評價并識別水泥膠結形成的溝槽，MUIL測井儀與CBL∕VDL組合測井可以實現套管井第一、第二界面的固井質量評價。

2）總結的現場操作要求和質量控制方法，提高了MUIL測井資料質量；根據膠結指數法和聲阻抗法建立的固井質量解釋標準及圖版，實現了固井質量現場快速評價。

3）在南海東部MUIL測井儀，逐步取代了IBC測井儀評價固井質量，降低了測試成本。