磁測應(yīng)力資料的測井解釋方法研究

王忠義，李自平，楊雪冰，馬文中，周志彬，齊向陽

（1.中國石油大慶鉆探工程公司測井公司，黑龍江大慶163412；2.大慶油田第一采油廠，黑龍江大慶163001）

磁測應(yīng)力資料的測井解釋方法研究

王忠義1，李自平2，楊雪冰1，馬文中1，周志彬1，齊向陽1

（1.中國石油大慶鉆探工程公司測井公司，黑龍江大慶163412；2.大慶油田第一采油廠，黑龍江大慶163001）

磁測應(yīng)力方法是一種可以直接測得鋼套管內(nèi)壁應(yīng)力分布的新技術(shù)。磁測應(yīng)力信息能夠解釋套損危險程度和水驅(qū)力的方向；套損危險程度與應(yīng)力檢測儀器的信號幅度和發(fā)生信號異常的極板數(shù)量成正比；應(yīng)力信號的極性代表套管被擠壓或拉伸方向，應(yīng)力值與信號幅度成正比；由6個極板測量的數(shù)據(jù)信息構(gòu)成的平面矢量圖對解釋分析套管受力方向及其相對大小具有實際意義。根據(jù)工程需要提出了視應(yīng)力值的概念，應(yīng)當從理論和實驗2個方面探索磁測應(yīng)力儀器的刻度方法，這對該項技術(shù)發(fā)展完善很重要。

生產(chǎn)測井；測井解釋；套損；磁測應(yīng)力；視應(yīng)力；矢量；應(yīng)力信息成像

0 引 言

套損的監(jiān)測方法如多臂井徑、超聲電視和管子分析儀等傳統(tǒng)技術(shù)所能檢測到的都是已經(jīng)發(fā)生形變或破損之后的狀況［1］，屬于被動檢查。在采用常規(guī)的套損檢測方法的同時已經(jīng)開始嘗試開展套損預(yù)測預(yù)報技術(shù)的應(yīng)用。應(yīng)力應(yīng)變是油水井發(fā)生套管損壞前期主要物理信息的反映。磁測應(yīng)力技術(shù)是近年來開發(fā)的一種應(yīng)力信息測量手段，它可以直接測得鋼套管內(nèi)壁的應(yīng)力分布狀況。MST－Ⅱ油井套管應(yīng)力檢測儀器已經(jīng)達到了工程應(yīng)用的水平，目前已經(jīng)開始應(yīng)用于油田的套損監(jiān)測預(yù)防，取得了一定的進展。磁測應(yīng)力技術(shù)不論其機理還是應(yīng)用方面還有許多需要研究探討的內(nèi)容，但是它反映物理信息的規(guī)律性和工程應(yīng)用的可靠性已經(jīng)得到多方證實。通過理論方法、室內(nèi)實驗和實際測井資料的分析已經(jīng)初步研究總結(jié)出一套資料解釋方法，它的應(yīng)用對油田套損檢測預(yù)報具有一定指導意義。

1 磁測應(yīng)力測井儀器技術(shù)原理

油井套管應(yīng)力測量儀器是利用鐵磁體受外部力（張力、壓力、扭力）作用時（包括溫度變化），內(nèi)部應(yīng)力σ能引起導磁系統(tǒng)磁導率μ變化的特性，通過測量導磁系統(tǒng)的磁導率變化量Δμ進而檢測鐵磁體內(nèi)部應(yīng)力變化。磁導率的變化量Δμ與內(nèi)應(yīng)力σ之間有線性關(guān)系［2］

式中，λ0為初始磁致伸縮系數(shù)；μσ、μ0分別為材料有應(yīng)力和無應(yīng)力時的磁導率；σ為材料具有的內(nèi)應(yīng)力；Δμ＝μ0－μσ。

定義式（1）中的Δμ／μσ為磁應(yīng)變，對于同一種材料，λ0、μ0是常數(shù)，則磁應(yīng)變與應(yīng)力成正比。

基于上述原理研制的套管應(yīng)力檢測系統(tǒng)包括井下應(yīng)力測量儀器、地面采集控制系統(tǒng)、室內(nèi)刻度校驗系統(tǒng)等幾部分內(nèi)容。其中井下儀器是系統(tǒng)的核心。它包括控制與通訊短節(jié)、方位測量短節(jié)、多臂井徑短節(jié)和應(yīng)力測量短節(jié)等［3－4］。

在研究磁測應(yīng)力的基礎(chǔ)實驗過程中標準工字型試件拉伸實驗測量的應(yīng)力方向是Z方向（平行拉力方向），對于拉伸條件下，內(nèi)部產(chǎn)生正應(yīng)力σz，測量系統(tǒng)輸出值為正增長，完全符合材料力學的規(guī)定。

2 資料解釋的方法研究

資料解釋的目標是根據(jù)已知信息判定套損的危險程度、套管受力的方向，這對于用戶檢測套管受力狀況、了解套損區(qū)的穩(wěn)定性、確定油田合理的注水壓力界限和放溢流等生產(chǎn)管理措施的安全界限等問題是很有意義的。

2.1 常規(guī)資料分析方法

依據(jù)材料力學的規(guī)定、有限元仿真、磁測應(yīng)力的原理和基礎(chǔ)實驗的驗證得出的規(guī)律，應(yīng)力傳感器輸出的正信號對應(yīng)著試件被拉伸，也就是材料力學中的正應(yīng)力，即拉應(yīng)力；應(yīng)力傳感器輸出的負信號對應(yīng)著試件被壓縮，也就是材料力學中的壓應(yīng)力；在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力傳感器的信號輸出與拉力成正比。

測井儀器測量值必須經(jīng)過刻度標定等工程值轉(zhuǎn)換給出測量結(jié)果。但是，由于目前技術(shù)條件的限制沒有制作出標準的刻度器，也沒有可用的殘余應(yīng)力測量和標定的標準儀器，這就給磁測應(yīng)力方法和儀器的標定造成了困難。目前對MST－Ⅱ油井套管應(yīng)力檢測儀的刻度標定只能是相對值，其測量結(jié)果應(yīng)當稱作視應(yīng)力值。盡管如此，這一結(jié)果對反映套損的實際狀況非常有用。MST－Ⅱ油井套管應(yīng)力檢測儀所能提供的是1條方位曲線、1條自然伽馬曲線和6條相隔60°的應(yīng)力曲線。它們能夠描述出鋼套管的應(yīng)力分布、受力方向及其彎曲形態(tài)，為用戶提供參考。根據(jù)實際應(yīng)用情況總結(jié)出應(yīng)力曲線解釋預(yù)測方法與標準如下。

（1）基線的確定。把目的層附近應(yīng)力起伏小、相對平穩(wěn)的層段的應(yīng)力值作為基線。

（2）絕對方位校正。測井曲線的方位值是0號應(yīng)力極板所對應(yīng)的參考井位置，需要加上它的參考井方位坐標進行絕對方位校正。

（3）應(yīng)力滿幅度確定。把已經(jīng)發(fā)生塑性變形部位的應(yīng)力值做為滿幅度值Sa，它代表最大應(yīng)力異常。

（4）受力性質(zhì)判別。外壁受到擠壓（套管內(nèi)壁軸向拉伸）應(yīng)力曲線為正異常，反之為負異常；該異常值是指其相對于基值；套管受到剪切作用或剪切變形，應(yīng)力曲線為對稱分布的正、負異常。

（5）應(yīng)力幅度判別。應(yīng)力幅度分為3級，幅度與套管應(yīng)變程度成正比。變形部位異常出現(xiàn)極大值滿幅度Sa；Sb＝0.6Sa；Sc＝0.3Sa；寬度大于0.3m。套管接頭處應(yīng)力曲線均為尖脈沖異常。

（6）方位的判別。套管應(yīng)力測井曲線解釋應(yīng)以其6個極板的組合特征為主要依據(jù)。

式中，θ0是0號極板與參考井的夾角；θc是參考井的坐標；θx是當前位置的坐標。

（7）套損程度判斷。套損分為高度、中度和輕度危險3個級別。高度危險情況下會有5個以上極板出現(xiàn)應(yīng)力異常，且有2個Sa極大值出現(xiàn)，這種情況基本已經(jīng)發(fā)生套損；把3個以上極板同時有明顯應(yīng)力異常且幅度較大情況（有2個Sa以上）中度危險時，套管處于彈性與塑性變形的臨界狀態(tài)，非常容易發(fā)生套損；輕度危險是指有3個極板出現(xiàn)應(yīng)力異常，但是幅度不大的情況。

由于套管殘余應(yīng)力、井下工況環(huán)境等多因素影響，在判斷套損的問題時還需要考慮多條應(yīng)力曲線的信息綜合判斷，即曲線組合特征解釋法；同時，依據(jù)套損機理研究成果，配合油田井區(qū)套損資料、井徑資料和其他地層資料等給予綜合解釋，這對于提高套管應(yīng)力信息的使用效果和預(yù)測套損都十分重要。

根據(jù)上述幅度差異法判斷套損的程序流程見圖1。圖2是N－××－221井的測井資料。該井2004年4月14日完井，固井水泥返高763.0m，油頁巖標準層7 4 8.5～7 5 8.5m，磁測應(yīng)力測量井段為644.0～857.5m。該井750.0～756.0m測量井段磁測應(yīng)力曲線異常幅度較大，其中2號極板的應(yīng)力曲線幅度變化最大，4號極板采集的應(yīng)力曲線幅度變化最異常（見圖2），其中1、2、3號極板應(yīng)力曲線按測井方向曲線由負異常變?yōu)檎惓＃f明套管內(nèi)壁受力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力；4、5號極板應(yīng)力曲線為正異常變化，說明套管內(nèi)壁受拉應(yīng)力，根據(jù)0號極板方位北東330°計算，該測量井段套管受力為東向擠壓力。從資料上看，已經(jīng)有5個以上極板有大幅度應(yīng)力異常，屬于高度危險。結(jié)合井徑曲線的變化特征分析，該井段套管可能發(fā)生整體微小位移。

圖1 幅值差異法計算流程圖

圖3是N－××－P27井的784～789m井段的測井資料，從左圖的應(yīng)力曲線中明顯反映出它的優(yōu)勢，在該段對應(yīng)的井徑曲線無反映，但是有4個應(yīng)力臂反映明顯，同時它的鄰層780m附近發(fā)生套損，此段應(yīng)是中度危險段。

圖2 N－××－221井套管應(yīng)力曲線與井徑曲線對比

2.2 平面矢量分析解釋模式

平面360°的力學測量與分析對解決油井套管受力問題有很好的效果，實踐證明這種方法更具有實際意義。MST－Ⅱ油井套管應(yīng)力檢測儀提供了平面間隔60°的6個方向（6個極板）的應(yīng)力數(shù)據(jù)。按矢量分析的規(guī)則，其方向和大小構(gòu)成了一個標準的矢量圖——力－圓截面圖。通過對重點層位進行“力－圓截面圖”分析，用戶可以看出該層位受力方向和相對大小，其結(jié)果對指導注水開發(fā)和修改生產(chǎn)方案有一定實際意義。圖4是大慶某采油廠××－143井838m井段的力－圓截面圖。該圖直觀地給出了該井目的層受力方向和相對大小，經(jīng)核實與該區(qū)塊的水驅(qū)和套損情況吻合。

與常規(guī)的測井資料解釋分析方法相比，目前平面矢量分析解釋模式在力－圓截面圖制作方面麻煩，一旦實現(xiàn)軟件自動圖像生成后就比較簡單，同時該方法形象直觀，用戶易于接受。它將是一種值得探索推廣的解釋模式。

圖3 南××－P27井套管應(yīng)力曲線與井徑曲線對比

圖4 ××－143井838m井段平面矢量分析圖

2.3 磁測應(yīng)力方法與資料的特點

對套管損壞的應(yīng)力特征反映明顯；曲線形態(tài)與套管受力趨勢一一對應(yīng)；通過資料分析可以描述出鋼套管的彎曲形態(tài)；對無宏觀形變但是也有套損危險的應(yīng)力異常部位也有明顯反映，這是其他測井方法無法做到的。

3 應(yīng)力信息成像技術(shù)探討

受力分析成像也是力學分析中常用的輸出顯示方式之一。磁測應(yīng)力曲線形成方位成像圖的方法是將6條磁測應(yīng)力曲線數(shù)據(jù)按照方位布置在一個二維平面上，縱向?qū)?yīng)深度，橫向?qū)?yīng)角度。橫向布置像素按照6條磁測應(yīng)力曲線插值得到。像素顏色的選取采用用戶設(shè)定相對變動區(qū)間的方式進行，以避免磁測視應(yīng)力值的局部漂移導致方位成像圖的顏色變化不顯著，造成分辨困難；同時，用戶可以在關(guān)注區(qū)間觀察套管視應(yīng)力的相對變化。參照應(yīng)力云圖的顯示方式，正、負異常和色彩的對應(yīng)關(guān)系是紅、黃、綠、天藍、深藍等，正異常越大色彩越亮，越紅；負異常越大色彩越暗。

圖5是程序?qū)崿F(xiàn)流程圖；圖6是N－××－P33井735m段磁測應(yīng)力曲線方位成像圖法的處理結(jié)果。從處理輸出的結(jié)果看，圖像顯示方式形象、直觀。但是在實際的處理過程中需要加入許多人工的輔助調(diào)整，自動化程度較低。另外，在成像方式的處理過程中參考信息、可信度和處理標準等還有待統(tǒng)一，目前只能是一種初級模式。

4 結(jié) 論

（1）經(jīng)過20多口井的生產(chǎn)實踐，證明該方法和解釋流程具有較好的可操作性，解釋結(jié)果可以滿足工程地質(zhì)需要。

（2）需要進一步研究認識動態(tài)過程和殘余應(yīng)力對磁測應(yīng)力測量機理與規(guī)律的影響，逐步尋求工程應(yīng)用的有效刻度方法。

（3）需要深入研究應(yīng)力成像技術(shù)，提高磁測應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用水平。

磁測應(yīng)力技術(shù)是一門成長中的科學技術(shù)，不論理論方法還是測井工程應(yīng)用的實際經(jīng)驗都需要不斷探索總結(jié)，必須像核磁共振等其他技術(shù)在石油行業(yè)的應(yīng)用過程一樣按照“實踐、認識，再實踐、再認識”辯證規(guī)律去開發(fā)應(yīng)用這一技術(shù)。

［1］ 戴月祥，雪偉，陳風梅，等.套管井測井新技術(shù)及其應(yīng)用［C］∥中國石油天然氣集團公司科技發(fā)展部.第三屆測井新技術(shù)交流會論文集［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007：172－179.

［2］ 王威，王社良.利用逆磁致伸縮效應(yīng)檢測鋼鐵結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2005，32（1）.

［3］ 王忠義，馬文中，周志彬，等.油井套管應(yīng)力檢測儀器研制與應(yīng)用［J］.測井技術(shù)，2007，31（2）：163－166.

［4］ 王忠義，陳國華，馬文中，等.一種判斷油井鋼套管應(yīng)力分布狀況的磁敏檢測方法：中國，CN01138879.X［P］.2001－12－18

Study on Interpretation Method of Magnetism－stress Log Data

WANG Zhongyi1，LI Ziping2，YANG Xuebing1，MA Wenzhong1，ZHOU Zhibin1，QI Xiangyang1
（1.Logging Company of Daqing Drilling Engineering Corporation，CNPC，Daqing，Heilongjiang 163412，China；2.No.1Oil Production Plant，Daqing Oilfield，Daqing，Heilonhjiang 163001，China）

Magnetism－stress logging is a new technology which can directly measure stress－distribution of steel casing.The log data can be used to estimate degree of casing damages and direction of waterflood pressure.The degree of casing damage is in direct proportion to the signal amplitude of the MST－Ⅱcasing stress detector and numbers of polar plates with abnormal signals.The polarity of the stress signal indicates the extruded or stretched direction of the casings.The stress value is directy proportional to the signal amplitude.The plane vector chart with 6polar plate measuring data may be used to interprete the degree of the casing damages.Imaging processing of the magnetism－stress logs is a new trend.Calibration methods will be studied in theories and with experiments.A new concept of apparent stress is suggested here.

production logging，log interpretation，casing damage，magnetism－stress，apparent stress，vector，stress data imaging

TE257.1 文獻標識碼：A

2011－06－21 本文編輯 李總南）

張少程，男，1939年生，從事射孔、測井技術(shù)研究工作。