多層管柱損傷電成像測井儀在鉆完井作業中的應用

趙成龍，王俊石，孫帥帥，王瑞祥，高旸昭

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300459；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459）

引言

在海上油氣田開發過程中，井槽的利用率尤為關鍵，這也就意味著，對低產低效井的治理，多依賴于老井槽進行井筒棄置及側鉆作業。而在井筒棄置作業中，原井老套管的套損情況對于后續側鉆作業又起著指導作用。當前渤海常用的套損測定方法，往往需要占用大量井口時間，且無法在作業前獲知套管損傷情況，不能對后期處理套管、選擇側鉆點等作業方案的決策起到較早的資料支持。故在渤海某油田P6/P7 井的側鉆作業中，引入了多層管柱損傷電成像測井工具，對老井眼套管進行套損測定。

1 多層管柱損傷電成像測井儀器簡介

多層管柱損傷電成像測井儀（MDI-ONE）是新一代高精度智能數字化測井儀器，具體結構圖見圖1，通過對井筒做“胃鏡”，不動管柱的情況下了解多層管柱腐蝕情況，可以使用電纜、鋼絲、連續油管、鉆桿等不同輸送方式，擺脫了水平井測井對爬行器的依賴，避免爬行器落井事故，提高現場施工時效，滿足復雜井況下的測井需求。

圖1 多層管柱損傷電成像測井儀結構

1.1 工具原理

多層管柱損傷電成像測井儀（MDI-ONE）可以對高能電磁脈沖響應變化進行精細記錄，由于空氣對高能電磁脈沖響應的衰減速率相較于金屬管的情況要快，故可以通過匹配測量和數值模擬的磁化衰減速率來評估儀器周圍的金屬存在。如果儀器周圍有多層套管，則需要用到雙傳感器（短和長），以確保可靠地檢測到多管柱的信息，并獨立區分每個管柱中的缺陷[1]。則近端管柱會在較早的時間做出響應，而較遠的管道會在較晚的時間做出響應，此現象是檢測每個單獨管柱中的金屬的關鍵, 從而實現全井多層管柱的成像測井。能夠穿過油管檢測由于腐蝕或其他因素造成的金屬損失，并監控套管穿孔情況，工作示意圖見圖2。

圖2 多層管柱損傷電成像測井儀工作示意圖

MDI-ONE 電磁探傷成像測井儀的理論基礎是電磁感應定律。將模擬衰減與實際響應進行比較，可以計算出第一、第二管柱的壁厚[2]。實際測井過程中，對發射線圈接通直流電，將系統對磁干擾的響應計算簡化為計算接收線圈附近的磁場強度，電磁場的形狀將描述為以下兩個方程式

式中：ε 為接受線圈的感應電動勢；S 為接收線圈總面積；S1為第一線圈面積；N 為線圈匝數；K 為磁滯常數；φ 為磁通量；B 為磁場強度。

當作業儀器確定后，接收線圈總面積S 即為一個常量，當發射線圈被施加直流電后，由于電磁感應現象，會產生一個磁場（式中B 表示），在工具串的移動過程中，套管或油管會切割磁場中的磁感線，從而產生感應電動勢，而這個感應電動勢被接收線圈記錄后，即為ε 值[3]。

由于實際操作中全井測井速度一致，故產生的電動勢僅由切割磁感線的管柱本身的形狀與位置有關。

當工具測量管柱為一層套管時，ε 可以進行如下表述

式中：T1為套管柱的厚度；μ1為套管柱的磁導率；σ1為套管柱的電導率；D1為套管柱的外徑；Tc為井溫。

在油井的注水或生產過程中，生產油管、套管會存在不同程度的壁厚變薄、開裂、變形、穿孔等現象，這種現象統稱為管柱損傷。在管柱發生損傷的情況下，會導致套管柱的厚度、套管柱的磁導率、套管柱的電導率、套管柱的外徑等數據與出廠時的數據有著明顯差異。伴隨著套管損傷情況的加重，多層管柱損傷電成像測井儀所測得的ε 值也會隨之變小[4]。

當工具過油管測井或測量多層套管套損時，ε 可以進行如下表述

式中：T1，T2為第一層、第二次被測管材的厚度；μ1，μ2為第一層、第二次被測管材的磁導率；σ1，σ2為第一層、第二次被測管材的電導率；D1，D2為第一層、第二次被測管材的外徑；EX 為內、外管相對位置幾何校正系數。

類似地，在使用多層管柱損傷電成像測井儀進行多層管柱測井時，由于管柱存在扭曲、變形所導致的相對位置差，故需在單層計算的基礎上加入內、外管相對位置幾何校正系數（EX）值，校正因ε 計算值的偏差導致的套管、油管厚度上的計算偏差。

該儀器檢測到的響應具有復雜的時間特性，不能以簡單的分析方式建模，這使得盡管多層管柱測井概念提出多年，但仍處于擱置狀態。隨著計算機速度和多核并行計算技術的最新進展，實現了對復雜響應的精確數值建模，并分別確定了多層管柱的金屬含量。除了各層的厚度分布圖之外，多層管柱損傷電成像測井儀工具還根據差異來生成差分（DELTA）數據模板，在數值模型和實際響應之間進行可視化[5]。

1.2 儀器參數

多層管柱損傷電成像測井儀器性能優良，具有高耐壓、高耐溫、高耐H2S 的特點，滿足渤海油田絕大多數井下工況的使用。測量精度范圍覆蓋常用油套管尺寸，并且工具最大外徑僅43 mm，具體見表1。而渤海油田常用的生產油管最小尺寸為2-7/8"，即62 mm，多層管柱損傷電成像測井儀器滿足常用油管的通過要求，工具的實用性較強。

表1 多層管柱損傷電成像測井儀技術參數

1.3 同類型工具對比

表2 為多層管柱損傷電成像測井儀與其他渤海地區常用的同類型測井儀器的對比。通過對比可以看出，多層管柱損傷電成像測井儀輸送方式更加多樣性，涵蓋電纜、鋼絲、鉆具、連續油管等輸送方式，由送入方式即可確定，該測井方法不受井斜等因素的影響，可以將工具串順利下放至測井井段，且儀器電池可工作70 h 以上。全新的聲系加上高集成化的電路設計，使得儀器總長做到1.8 m，較短的儀器長度大大降低了儀器在井內發生脆性變形及螺旋屈曲的可能，在測試水平井和大斜度井時有更好的通過性和穩定性。并且該工具滿足360°周向探測的同時，測量精度高于同類型測井儀器，且測井速度達到6 m/min，極大程度地縮短了測井作業時間，提高了作業時效。

表2 多層管柱損傷電成像測井儀與同類型儀器對比

2 應用實例

該技術分別在P6/P7 井中予以應用，使用效果良好，由于P7 井后續側鉆作業對老井套管承壓性能要求較高，故在P7 井的棄井作業中，為了驗證多層管柱損傷電成像測井方法的精確程度，起出原井生產管柱后，通過多功能超聲成像測井技術對套管損傷進行再次測定，意圖通過兩套儀器及兩種不同的測井方式進行對比，從而判定多層管柱損傷電成像測井方法得出的結論是否正確，兩種測井所得結果見圖3、圖4。

圖3 P7 井超聲蘭姆波測套管損傷示意

圖4 P7 井過油管測套管損傷示意

多功能超聲成像測井儀（MUIL）是一種超聲波測井儀器，采用超聲脈沖回波檢測方法，可進行裸眼井井眼和套管井管柱內壁、套管壁厚、井周360°第一界面水泥膠結質量評價。儀器有成像模式和全波模式兩種工作模式可供選擇，成像模式可完成裸眼井井壁聲波成像，聲波探頭依次向套管內壁發射聲脈沖，然后由同一探頭接收從套管反射的聲波。每一次聲脈沖發射都在套管內壁產生強的反射波，除了反射波以外，另一部分聲波折射進入套管，以縱波的形式在套管的內外壁之間交替反射，使套管產生局部的“厚度振動”，從而確定套管厚度，計算套管損傷情況。

實際作業過程中，多功能超聲成像測井儀順利下放到位，出井后通過對測量段內部分井段垂直探頭和斜入射探頭測量的波形曲線回放，最終計算得出，相同井段內兩次不同方法測量的套損結果基本一致，再次驗證多層管柱損傷電成像測井方法的可靠性。

3 推廣與使用前景

多層管柱損傷電成像測井技術可以實現一次入井，完成過生產油管對7"和9-5/8"等不同尺寸套管的測井，而且可以使用電纜、鋼絲、連續油管、鉆桿等不同輸送方式。后續可以進一步對作業工序進行優化，在實際使用中，可以由棄井工序中的刮管洗井作業管柱攜帶測井工具串入井，完成測井工作，擺脫了大位移（大斜度）和水平井測井對爬行器的依賴，降低了作業風險，提高現場施工時效，滿足復雜井況下的測井需求。

隨著渤海油田開發進入中后期，由于海上油氣田開發的特殊性，需盡量提高井槽利用率，低產低效井治理問題則尤為凸顯。多層管柱損傷電成像測井可以為后續的井筒棄置及側鉆作業提供準確的資料支持，尤其是在大位移（大斜度）和水平井測井擁有廣闊的應用前景。