扇區水泥膠結測井儀DTMN、DTMX分開原因分析

孟繁宇，宛文宇，王曉帥，肖雷雷

(中海油服油田技術事業部塘沽作業公司，天津 300459)

0 引言

CBMT(Cement Bond Mapping Tool)扇區水膠結成像測井儀，貝克阿特拉斯公司常稱作1424或者SBT(Segmented Bond Tool)。它的主要功能是檢測固井作業中套管與地層之間灌入水泥膠結質量，以及探測地層中孔道縫隙的聲幅類測井儀器。每次下井作業中可測量固井作業中的6個扇區水泥膠結質量分布圖、聲幅曲線和密度圖。成像級水泥圖圖示直觀、易于理解和人性化。CBMT扇區水泥膠結儀器測量參數分為輔助參數、聲波信號測量。輔助參數有 CHV、GR、FLASKTEMP、CCL、SSN、LSN，這些參數的測量采用AD轉換或計數的方式。聲波信號分為極板信號和VDL信號。極板信號經過AD轉換，并求得首波幅度和到達時間或時差后送到地面。VDL信號進行全波列采集，并把采集的結果傳送到地面。CBMT61XA儀器在井周上均勻分布6個支撐臂，通過支撐臂上極板的接收與發射探頭實現對井周水泥的微小裂縫識別。

但是，據目前作業情況看，測井過程中經常會遇到DTMN和DTMX兩條質控曲線分開現象，而導致DTMN和DTMX分開實質上就是極板率衰減曲線ACT值出現偏小或歸零的問題。通過此文分析可以幫助現場人員快速定位問題的原因，便于后續作業的完成，也可為儀修工程師故障判斷提供方向性指導。

1 衰減率計算原理

CBMT儀器打開支撐臂后整體呈燈籠裝，在360°圓周方向每隔60°安裝一個極板，每個極板上有2個規格型號相同的壓電陶瓷發射探頭和1個同向類型的接收探頭。兩個發射探頭由于發射脈沖上存在一定延時，起到了能量補償作用。6個極板的發射探頭和接收探頭，作業時緊貼在井壁上，6個極板上的總計12個壓電陶瓷換能器不停的被激發使之發出聲音，該聲音通過套管及水泥環的傳播及發散，最后通過接收極板接收到不同幅度的聲波信號。通過對6條衰減率曲線的計算，可得到6個扇區內的套管水泥膠結質量圖[1-3]。

首先，我們要明確一個概念，如果從水泥圖上看到某個扇區出現衰減率回零的情況，往往我們會認為就是該極板出現了問題，其實并不是這樣，如圖1所示，為CBMT61XA儀器6個扇區極板展開平面圖。

T1號-T6號為儀器發射探頭，R1號-R6號為儀器接收探頭。CBMT儀器產生600 V高壓脈沖后，經過32芯接頭傳送至每個極板的發射探頭上，通過壓電效應將電信號轉化為聲波信號，激發后的聲波信號經水泥環反射至接收探頭處。套管與地層間的水泥固井質量越好，激發的聲波信號越容易沿地層向深處發散，R1號-R6號探頭收到聲波信號就越微弱，反之亦然，套管和地層之間水泥膠結的不好，散射的聲幅信號就越強烈。通過此原理計算出聲幅信號的衰減量，就可以判斷出固井作業的好壞。

為了抵消掉不同探頭的整體差異性，采用同一極板兩次發射并接收方式。以T1、R2、R3、T4為例，當第一組極板探頭工作時，第二組和第三組接收探頭測量其下行聲幅，直達距離記做A12 和A13，相同的探頭被兩次激發，通過接收信號的計算出的衰減率只與幅度比值存在關聯。所以，發射探頭到接收探頭衰減率計算不受發射探頭強度的影響，最后結論值只取決于壓電陶瓷的靈敏度，具體如圖2所示。

圖2 下行套管波衰減率計算

套管波的衰減率計算為公式(1)：

當第四組極板發射探頭工作時，第二組和第三組探頭作為接探頭時測量其聲幅，直達距離記做A42和A43。同樣，該衰減率計算不受發射探頭強度的影響，最后結論值只取決于壓電陶瓷的靈敏度，具體如圖3所示。

圖3 上行套管波衰減率計算

套管波的衰減率為公式(2)：

公式(1)中的α1和公式(2)中α2進行相加求和，最后得出衰減率計算公式(3)：

可以看到，一個扇區衰減率的計算牽扯到4個極板，而且扇區的編號與極板編號沒有對應關系，所以出現衰減率偏小或回零的扇區可能并不是對應極板出了問題。

2 分析手段

如果在現場作業遇到了DTMN和DTMX分開或ACT值歸零的現象，需要借助兩個工具，第一個就是show2D，信息內部含有所有subcycle信息，顯示了12個SUBCYCLE的所有信息，包括T(發射)、N(近接收)、F(遠 接收)、N-DELAY(近接收延遲)、N-TH(近接收門檻)、N-GAIN(近接收增益)、N-WIDTH(近接收窗長)、F-DELAY(遠 接 收 延遲)、F-TH(遠 接 收 門檻)、F-GAIN(遠接收增益)、F-WIDTH(遠接收窗長)，最下面一行是用來修改所有12個SUBCYCLE的內容的，在可編輯的框內輸入要修改的值即可完成對12個SUBCYCLE的對應內容的修改。

第二個則是通過在軟件控制窗口內的數字波形窗口，該窗口主要用來修改顯示和數字波形相關的一些參數，主要包括 START TIME、SIMPLE PERIOD、SUBCYCLE NO、TRANSMITTER、RECEIVER、GAIN、NO OF SAMPLES的內容顯示和修改選擇dual模式，并在SUBCYCLE NO里輸入想觀察的suncycle號。

接下來觀察waveshow里的波形及其首波提取窗，觀察是否正常，這個一般在測井時也可以用來觀察套管參數是否輸入正確。

3 分析過程

CBMT儀器作業過程中，若質控曲線出現問題，如DTMN，DTMX質控曲線分離，ACT衰減率歸零等問題后，第一時間要從波形窗口中查看12subcycle中是哪個子集出現了問題。

下面的例子是在某井進行的SBT測井，為了暴露問題，故意在本該放扶正器的VDL部分不加扶正器，于是在1 200 m處(該處井斜稍大，達到了20°左右)，遇到了以下情況，如圖4所示。

圖4 某井subcycle信息

從圖4中可以看到所有涉及到5號極板的信號幅度都不正常：首先5號極板作為發射時，例如5號發射，4,3號接收、5號發射，6,1號接收時，這些subcycle的無論近幅度還是遠幅度都偏低，明顯低于1-2,3、4-3,2等其他subcycle幅值。另外，5號極板作為接收時，尤其可以觀察到5號極板作為近接收時，例如6號發射，5、4接收，4號發射，5、6接收時，其近接收幅度甚至低于遠接收幅度，正常情況下這種情況是很少出現的。

從上面的情況可以看出來，5號極板數據是不正常的。這時候，我們需要分析是由于貼靠的原因還是由于5號極損壞原因導致上述情況。

首先，假如是因為極板本身損壞造成的，那么我們可以通過地面控制軟件中的digitiazed wave form參數來進行測試。在該窗口中選擇single模式依次輸入開始時間輸入40，SAMPLE PERIOD輸入為1 μs，發射和接收換能器編號即輸入有問題的那個極板上的發射和接收(比如5號極板)，增益則從0一直設置到21，如果波形變化確實由小到大，幅度正常，則可以說明極板工作是正常的。

如果我們確認極板工作正常，那么我們就要懷疑是否由于貼靠原因而引起的工作異常。接下來我們要觀察與5號極板相關的極板采集信息，

在圖4中我們發現與5號極板相關的N AMP和F AMP值都偏低，而且N GAIN和F GAIN都偏大，可以說明與5號極板相關的信號較正常值偏低，同時發現在區間，RB值并無明顯變化，通過上述信息，我們可以判定該次故障是由于極板與井壁之間貼靠不好，極板發射和接收都偏弱導致的。

最后還可以通過dual模式，進一步確認是因為貼靠不好而導致的問題所在。

在dual模式下，如果套管參數一定，通過在PIPE模式下輸入套管參數，即可計算出遠近探頭首波到達時間。而此次故障中，5號極板的近探頭和遠探頭首波位置都比其他正常極板偏遠，即到時偏大。該井套管尺寸為0.244 m，故遠延遲為91.844 μs，而從上面波形中可以看到實際到達的遠到時為132 μs，已經遠遠超過了通過遠延遲可以搜索到首波的范圍，如圖5所示，遠到時肯定搜索不正確，其遠幅度也就不會正確了。

圖5 dual模式波形

上述情況就可以說明5號極板的貼靠有問題，即其與套管內壁的貼靠不夠緊密，導致所有與5號極板相關的subcycle都會有問題。正如在本文第二部分衰減率計算公可以得出，如果其中某一極板出現問題，那么與之相關的4個扇區都可能會出現問題，而不是我們通常理解的，某一扇區出了問題是相應的極板出了問題。即如果5號極板損壞或貼靠不好，會導致6個與5號極板相關的subcycle出現問題，從而導致2、3、4、5衰減率計算出現錯誤，出現偏小或者歸零的現象。如圖6所示，可以看到，ATC2、ATC3、ATC4、ATC5在同樣的深度位置都出現不正常的變小甚至回零，尤以3、4最為明顯，因為這兩個扇區的每個subcycle里都牽涉到5號極板。

圖6 各扇區衰減率示意圖

4 結語

根據本文的分析可知，如果某一扇區衰減率出了問題，與之左右相關聯的4塊極板均可能存在損壞或貼靠問題，而不是通常理解的扇區號對應極板號問題。通過本文提供的方法可以幫助現場操作人員，迅速判斷出若存在上述問題是由于極板本身損壞還是貼靠原因導致的故障，或者直接判斷出是某一塊極板存在問題，可以提高扇區水泥膠結測井儀在固井質量作業中的成功率，改善扇區水泥膠結測井儀資料合格率。