超聲蘭姆波成像測井儀在海上平臺棄置的應用

張磊，韓耀圖，張羽臣，林家昱，竇蓬

1.中海石油（中國）有限公司 天津分公司 （天津 300459）2.海洋石油高效開發國家重點實驗室 （天津 300452）

在油田全壽命周期中，套管磨損、腐蝕、變形、穿孔及固井質量不良等井筒完整性問題會嚴重影響油氣井完井建設和后期生產， 嚴重時誘發安全事故和極端環境問題[1-3]。 固井質量評價對于海上平臺棄置尤為重要。 目前有多種測井儀器可用于評價固井質量，如聲幅測井儀（CBL）、水泥膠結測井（SBT）、聲波-伽馬密度測井儀等[4-6]，但普遍存在識別方法單一、測量精度低等缺點，在評價低密度水泥固井質量時效果較差[7-10]。 基于此背景，結合國內首次應用實例， 對中海油自主研發的新一代超聲蘭姆波成像測井儀在海上平臺棄置的應用情況進行了綜合分析，并對其固井質量評價精度進行了評價與驗證。

1 超聲蘭姆波成像測井儀的研制

1.1 工作原理

超聲蘭姆波成像測井儀（UCCS）采用超聲脈沖回波與撓曲波成像技術， 通過對超聲波脈沖回波和撓曲波波場的獨立測量， 實現對套管環空環境的描述以及對不同類型水泥固井質量的評價[11-12]。 超聲蘭姆波成像測井儀的旋轉探頭共包括4 個換能器：1 個垂直入射的超聲波換能器位于儀器一側， 用于生產和檢測脈沖回波，可測量聲阻抗；另外3 個換能器位于儀器另一側并呈一定角度排列，1 個發射2個接收，可測量蘭姆波在套管中傳播時的衰減，如圖1 所示。

圖1 超聲蘭姆波成像測井儀的結構

測井時， 旋轉探頭以7.5 rad/s 的速度旋轉，超聲波換能器向套管發射一個稍微發散的波束， 使套管轉入厚度共振模式， 提供1 個5°或10°的方位分辨率，從而在每個深度產生36 個或72 個獨立波形。撓曲波發射器同時發射高頻脈沖波束， 在套管內激發撓曲振動模式。隨著高頻脈沖波束的傳播，該振動模式將聲能傳入環空； 聲能會在具有聲阻抗差異的界面（如水泥/地層界面）產生反射，以撓曲波的形式由套管回傳，從而將能量再傳向套管內流體。

蘭姆波在不同水泥環情況下的傳播存在差異，因此結合蘭姆波衰減測量值以及聲阻抗， 可判斷套管后面的介質狀態（氣體、液體或固體）。 其中，聲阻抗可通過超聲波換能器直接測量得到， 蘭姆波衰減值則需根據2 個接收器的間距及接收到的波幅度等進行計算，如圖2 所示。

圖2 遠、近接收器接收到的蘭姆波

根據超聲蘭姆波成像測井儀大量實測數據，可得到測量點處套管外介質形態， 進而確定每種介質形態的覆蓋面積， 最終基于蘭姆波衰減與聲阻抗形成直觀、 易懂的固井質量評價固-液-氣解釋圖版（圖3）。 從圖3 可看到，隨著聲阻抗及蘭姆波衰竭的逐漸增加，套管外介質形態逐步由氣體轉化為液體，最終轉化為固體，固井質量也隨之變好。

圖3 固-液-氣解釋圖版

1.2 儀器創新點

超聲蘭姆波成像測井儀主要技術指標如下：

可檢測套管厚度范圍：5~16 mm；

套管壁厚測量精度：±6%；

最小可檢測串槽和缺陷尺寸：30 mm；

聲阻抗分辨率：0.2 MRayl；

聲阻抗測量精度：±15 %；

徑向分辨率360 °；

最高工作溫度：175 °C；

最高工作壓力：140 MPa；

作業套管尺寸：139.7~339.725 mm（5.5～13.375 in）。

儀器可檢測套管厚度范圍為5~16 mm，聲阻抗測量精度為±15 %，徑向分辨率360°，可測量139.7~339.725 mm（5.5～13.375 in）套管的固井質量。

超聲蘭姆波成像測井儀一次下井即可完成井壁成像、固井質量評價等作業，主要功能有：能夠進行套管內徑和厚度檢測；進行竄槽、缺陷評價；分析管外水泥環膠結質量；識別套管背后介質類型；指示套管在井眼中位置； 有效解決低密度水泥固井質量評價難題，并能指示套管偏心程度等。

2 應用實例分析

2.1 C 平臺棄置情況簡介

海上某油田C 平臺設計壽命為10 年， 于1999年投產，共有4 口生產井。截至2007 年，平臺4 口生產井產出物全為水，無生產價值，且平臺設備長時間閑置導致設備及管道腐蝕嚴重，決定棄井。因此需要檢測固井質量，指導切割作業。

C3 井為一口水平井，其井身結構為Φ508 mm×224 m+Φ244.5 mm×1 101.15 m+Φ139.7 mm×1 715 m， 其中Φ244.5 mm 的表層套管水泥漿密度為1.6 g/cm3，屬于低密度水泥漿[13]。為選取固井質量較好的井段進行套管切割， 首先利用水泥膠結測井（SBT）評價固井質量。 結果顯示，井段固井質量較差，響應接近自由套管，無可選用切割套管井段，無法指導現場作業。 因此，利用超聲蘭姆波成像測井儀對C3 井重新進行了固井質量評價。

2.2 超聲蘭姆波成像測井固井質量評價結果分析

將超聲蘭姆波成像測井得到的固井質量評價結果與水泥膠結測井（SBT）評價結果進行了對比分析，見表1。 從表1 可看到：①C3 井49 m 以上，超聲蘭姆波成像測井判斷為液體，即為自由套管段，與水泥膠結測井（SBT）評價一致；②49~57 m，超聲蘭姆波成像測井判斷為過渡帶，水泥膠結測井判斷為自由套管或固井差；③57~160 m，超聲蘭姆波成像測井為固體響應，聲阻抗和衰減值在全井段中最大，水泥膠結測井在此段判斷固井質量顯示效果不好；④160~300 m，超聲蘭姆波成像測井仍為固體響應，水泥膠結測井判斷為固井質量差。

表1 超聲蘭姆波成像測井（UCCS）與水泥膠結測井（SBT）結果對比

進一步選取30~70 m 井段進行水泥膠結測井與超聲蘭姆波成像測井固井質量解釋成果圖的對比分析，如圖4 所示。 其中：①左側為水泥膠結測井解釋圖，該圖第1 道信息為深度數據；第2 道顯示6 個極板的聲波幅度衰減； 第3 道為平均聲波幅度衰減曲線、最小及最大聲波幅度衰減曲線、聲波平均幅度曲線；第4 道為水泥膠結質量成像圖；第5 道為聲波變密度圖。 ②右側為超聲蘭姆波成像測井解釋成果圖，第1 道信息為蘭姆波衰減值，存在最大值、最小值、平均值3 條曲線，數值越大表明衰減越大；第2道為衰減成像圖，越接近紅色表明衰減值越大；第3道為聲阻抗曲線，數值越大表明聲阻抗越大；第4 道為聲阻抗圖，越接近紅色表明值越大；第5 道為平均衰減、聲阻抗曲線；第6 道為氣液固（S-L-G）指示道，紅色代表氣體，藍色代表液體，綠色代表固體。

圖4 水泥膠結測井（SBT）與超聲蘭姆波成像測井（UCCS）固井質量解釋成果對比圖

從圖4 可以看出： ①30~50 m 井段水泥膠結測井顯示套管波強而無地層波的存在， 解釋為無水泥膠結[14]；而超聲蘭姆波成像測井蘭姆波衰減值為0.4 dB/cm、聲阻抗值為1.7 MRayl，兩值均較小，表明水泥外介質為液體，并未封固水泥。②50~58 m 井段水泥膠結測井仍顯示為無水泥膠結； 而超聲蘭姆波成像測井蘭姆波衰減值為0.9 dB/cm、 聲阻抗值為2.5 MRayl，表明該井段為固體，但由于此處為混漿過渡段，密度更低，水泥膠結測井無法識別。 ③58~70 m井段水泥膠結測井顯示有水泥膠結，但深色較少，表明固井質量中等； 而超聲蘭姆波成像測井蘭姆波衰減值為1.9 dB/cm、聲阻抗值為3 MRayl，表明套管外為固體，但S-L-G 指示道存在紅色區域，認為該處水泥缺失。 綜合水泥膠結測井與超聲蘭姆波成像測井固井質量解釋成果， 推薦套管切割深度為60~70 m。

2.3 現場結果驗證

C3 井套管實際切割深度為60~70 m，套管切割后回收斷面如圖5 所示。從切割后回收的實物看，本段部分一界面固井質量良好， 超聲蘭姆波成像測井測量顯示大部分為固體（綠色），而少部分為水泥缺失（紅色），與實物符合度高。而水泥膠結測井在此處雖然解釋為中等，但顯示效果不好，原因是水泥膠結測井徑向分辨率小（60°），且采用單一衰減率方法分析判斷精度較低[15]，無法滿足低密度水泥漿的評價。綜上認為， 超聲蘭姆波成像測井儀進行固井質量評價時，與實際情況符合度較高，評價效果較好，尤其適用于低密度水泥漿固井的井。

圖5 套管切割后回收斷面圖

3 結論

1）超聲蘭姆波成像測井儀采用超聲脈沖回波與撓曲波成像技術， 通過對超聲波脈沖回波和撓曲波波場的獨立測量，可對套管進行360°全井眼覆蓋并成像顯示，聲阻抗測量精度為±15%，徑向分辨率高。

2）基于蘭姆波衰減測量值及聲阻抗形成的固-液-氣解釋圖版，可以確定套管外介質形態，尤其適用于低密度水泥漿的固井質量評價。C3 井測量實例表明， 評價結果與現場套管切割后回收斷面符合度高，驗證了其檢測精度，為后續套管切割作業提供了可靠依據。

3）超聲蘭姆波成像測井儀是新興的固井測量儀器，對低密度水泥漿固井質量評價效果較好，可進一步推廣到其他油田進行固井質量檢測與評價。