油氣儲層裂縫電磁探傷測井技術優化

2023-08-08 18:44:18崔延慶王倩李曉衛

粘接 2023年7期

崔延慶王倩李曉衛

摘要：為明確油井內套管和油管的損壞情況，提出一種油氣儲層裂縫電磁探傷測井技術。在對電磁探傷測井儀的物理基礎分析后，得到其結構構成和功能特點，對縱向探頭A、橫向探頭B和縱向探頭C的結構設置方式和特點分析后，得到探頭A應用在多層套管、縱向裂縫中最合適、探頭B應用在單層套管、橫向裂縫中最合適、探頭C應用在單層套管和縱向裂縫中最合適的結論。將其應用在實例分析中，探測不同類型的套管損壞情況，結果表明：實現了精準探測，可在人工不下井、不接觸的情況下獲取到套管的各項數據信息。

關鍵詞：油氣儲層裂縫；電磁探傷；測井技術；磁場強度

中圖分類號：TE927

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0128-04

Optimization of electromagnetic flaw detection logging technology for oil and gas reservoir fractures

CUI Yanqing，WANG Qian，LI Xiaowei

（Changqing Oilfield No.1 Oil Production Plant，Yanan 716000， Shaanxi China

）

Abstract：To clarify the damage situation of casing and tubing in oil wells，an electromagnetic flaw detection logging technology for oil and gas reservoir fractures was proposed.After analyzing the physical basis of the electromagnetic flaw detection logging tool，its structural composition and functional characteristics were obtained.After analyzing the structural settings and characteristics of longitudinal probe A，transverse probe B，and longitudinal probe C，the conclusions were drawn that probe A is the most suitable for multi-layer casing and longitudinal cracks，probe B is the most suitable for single-layer casing and transverse cracks，and probe C is the most suitable for single-layer casing and longitudinal cracks.Applying the proposed technology to case analysis to detect different types of casing damage，the results show that the proposed technology achieves precise detection and can obtain various data information of the casing without workers entering the well or in contact.

Key words：oil and gas reservoir fractures;electromagnetic flaw detection;logging technology;magnetic field intensity

提出了多項測井技術。如利用雙向門控循環單元神經網絡對測井曲線進行重構，在對測井序列當前數據和歷史數據進行關聯性分析和非線性映射關系分析后，利用智能補全技術實現對套管損壞的檢測［1］；利用三維聲波測井技術中的異性快速反演技術，從軸向、周向和徑向3個方向獲取油田的并周慢度成像，進而完成對套管損壞的檢測［2］。

為此，提出一種電磁探傷測井技術。實驗驗證3所提技術能正確檢測出不同類型的故障，提高對井身結構的普查力度。

1 電磁探傷測井技術

油氣儲層裂縫電磁探傷測井技術是一種應用于油氣勘探和生產中的測井技術。該技術主要是利用電磁波的傳播特性，通過探測儀器記錄測量地下儲層中的電磁波響應信號，以便了解儲層中存在的裂縫、孔洞等特征。

其可以測量儲層的垂直電導率和垂直磁導率，從而評估儲層中的電磁響應特征。該技術主要適用于水平井、水平分支井進行水平裂縫、垂直裂縫檢測，不僅能檢測儲層的裂縫情況，還能定位地下儲層產生的砂包等問題。

1.1 技術原理

電磁探傷測井儀的物理原理是法拉弟電磁感應原理［3］。通過在繞線螺線管中輸入一定量的直流電，線圈附近生成一個恒定的磁場，切斷直流電后，則會產生一種反向磁場，這種磁場在繞線螺線管上呈現出一種隨著時間增加而逐漸減少的感應電動勢（ε），表達式為：

ε=-dφdt（1）

dφ=dS·B（2）

式中：ε，φ表示磁通量；t表示時間；S表示繞線線圈的截面；B表示生成的恒定磁場強度。

當油田套管損壞或管壁厚度發生變化時，ε的值也會隨之發生變化。根據以往經驗可知，單層管柱和雙層管柱的壁厚不同，針對壁厚進行分析可以判斷套管是否發生損壞。

對單層管柱的結構進行分析后，得到感應電動勢ε1的函數表達式：

ε1=f1（h1，μ1，σ1，D1，Tj）（3）

式中：f1表示函數系數;h1表示管柱壁厚;μ1、σ1分別表示管柱的磁導率和電導率;D1表示管柱最外圈直徑的大小;Tj表示油井內溫度。

再對雙層管柱進行分析，得到其感應電動勢ε2的函數表達：

ε2=f2（h1，h2，σ1，σ2）（4）

式中：h1和h2分別表示管柱和套管的管柱壁厚;μ1和μ2分別表示管柱σ1和σ2套管的磁導率;σ1、σ2分別表示油管和套管的電導率。

在式（3）和式（4）中，磁導率、電導率以及管柱壁厚是對ε1和ε2貢獻最大的3個值，磁導率和電導率通常情況下是已知的，通過Tj完成校正，進而可推導出h1和h2的值。

1.2 結構及特點分析

電磁探傷測井儀由2個扶正器和5個功能不同的探頭組成，具體結構如圖1所示。

由圖1可知，在該儀器中，探頭A探測范圍最大，可分析計算單、雙層管柱的壁厚、探測管柱是否發生縱向裂縫以及腐蝕等損壞情況。探頭C可用來分析計算單層管柱壁厚、判斷內管是否發生腐蝕［4］以及檢測內管是否出現縱向裂縫。探頭B為橫向探頭，與管柱軸線為垂直關系，可用來分析計算內管壁厚、檢測內管是否發生橫向裂縫、變形和錯斷等損壞情況。

1.3 磁探頭設置方式

由于3種探頭的用途各不相同，所以在設置方式上也有著一定的差異性，具體如圖2（a）、（b）、（c）所示。

1.3.1 縱向長軸探頭A

對比圖2（a）和圖2（b），可以發現探頭A與探頭C的結構設置方式非常接近，但是探頭A的長度要遠遠大于探頭C的長度。由于探頭A的線圈截面法向方向與管柱軸向方向［5］之間呈垂直關系，因此探頭A被稱作是縱向長軸探頭。

探頭A的發射線圈和接收線圈線徑、線圈纏繞匝數和截面長度，都要比探頭B和探頭C大很多。將能量較低的直流電脈沖接入到發射線圈中，會迅速在線圈周圍形成一個強勢且穩定的磁場。通過電磁滲透原理［6］可知，當磁力線經由油管進入到套管中時，油管和套管上分別會生成一個符合右手安培定則［7］的感生電流I1和I2，作用方向圖2（a）中給出了標示。將直流電脈沖與發射線圈分離開，I1和I2在原磁場強度的影響下，生成一個二次磁場，強度較原磁場［8］小很多，可直接被接收線圈接收。這一過程產生的感應電動勢是I1和I2綜合作用［9-10］的結果。

在套管或油管電磁特性發生改變的情況下，I1和I2的值會受到一定的影響，從而發生改變。在油管或套管出現明顯損壞的情況下，例如腐蝕、孔洞、裂縫等，感生電流I1和I2會立即從管壁電路［11-12］中脫離出來，以此控制感應電動勢的變化幅度。

1.3.2 縱向短軸探頭C

探頭C的設置方式與探頭A完全相同，只是在線圈匝數、截面直徑長度以及探頭長度等方面要比探頭A小，圖2（b）為探頭C的結構設置方式［13］。

探頭C無論是在探測原理上還是設置方式上都與探頭A最為相似。二者之間不同的是，探頭C的長度要小于探頭A，由此生成的磁場強度也要低于探頭A，無法探測雙層管柱中的第2層管柱，僅針對單層管柱或者縱向裂縫探測比較有效。

1.3.3 橫向探頭B

探頭B的繞線方式與探頭A和探頭C大體上相同，唯一不同的就是線圈軸線方向與管柱軸向方向之間為垂直關系，因此該探頭也被稱為橫向探頭。圖2（c）展示了探頭B的結構設置方式。由探頭B發射線圈生成的磁場強度整體上偏弱，無法對雙層管柱的第二層管柱進行探測，只能對單層管柱或者雙層管柱的第一層管柱進行渦流感生電流I1的獲取，接收線圈只能對I1生成的感應電動勢進行探測和接收［14-16］。

當探頭B探測到發生損壞的管柱或油管，尤其是裂縫損壞時，會立即從電流回路中脫離出來，從而在某種程度上影響了渦流感生電流I1值的大小，進一步影響了感應電動勢的變化幅度。在此要特別指出的是，探頭只能在一個固定的方向上進行探測，而橫向裂縫損壞情況被探測到的概率要比縱向裂縫大。因此，探頭B的探測重點是在橫向裂縫上。

將探頭A、探頭C以及探頭B探測到的管柱或

油管感應電動勢，以分時記錄的方式繪制成測井曲線，通過對這些曲線進行分析，判斷油管和套管是否出現損壞現象。

2 實例應用分析

利用上述提到的電磁探傷測井技術，在某油田內展開實例應用分析。選取某一套管，利用該技術探測后繪制出測井曲線，經過分析后給出套管的損壞類型和具體位置。

2.1 探測套管是否存在射孔孔眼

當套管沒有出現射孔孔眼時，感應電動勢會按照指數形式逐漸衰減；而當套管出現射孔孔眼時，感應電動勢的衰減曲線會偏離正常指數衰減曲線。利用該技術對套管射孔孔眼進行探測，繪制了如圖3所示的測井曲線。

從圖3中可以很明顯地看到感應電動勢衰減曲線在深度為1 675 m附近發生突變，證明在此段套管結構出現了射孔孔眼。

2.2 對油管腐蝕、孔洞的探測

利用該技術對油管的腐蝕和孔洞等損壞情況進行探測，繪制了如圖4所示的測井曲線。

從圖4中的曲線變化情況可以發現，縱向探頭和橫向探頭的感應電動勢都出現了明顯地衰減現象，但是大多數都保持了有規律地變化，說明油管不存在孔洞。通過觀察壁厚曲線可以看出，油管深度大于255 m后，套管厚度變小，說明底部明顯出現了變薄的現象，因此懷疑此處油管發生了腐蝕或穿孔。

2.3 對管柱變形的探測

利用該技術對管柱變形進行探測，繪制的測井曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，描述內層管柱的感應電動勢曲線出現了明顯的異常情況，而描述外層管柱的感應電動勢曲線走勢整體沒有出現較大的偏離。因此可以說明，在1 985.0～1 994.8 m處，油管出現了嚴重的變形。

2.4 對管柱下深的探測

利用該技術對管柱下深現象進行探測，繪制的測井曲線如圖6所示。

從圖6中的感應電動勢曲線變化情況可以得出結論，管柱下深的高度為102 m，表層套管下入的深度為115.4 m。

3 結語

針對多層管柱和單層管柱，選取電磁探傷測井儀中的不同探頭對其進行有針對性的損壞部位探測。探頭A和探頭C屬于縱向探頭，探頭A主要作用于多層管柱，探頭C則主要傾向于單層管柱，二者探測的都是縱向裂縫。探頭B屬于橫向探頭，探測的區域面積要比探頭A和探頭C大一些，對于橫向裂縫探測效果更佳，但是磁場強度較小，僅能探測單層管柱或者雙層管柱中的第一層管柱。利用分時記錄的方式將上述3個探頭探測到的信息繪制成測井曲線，通過對測井曲線的分析判斷套管和油管是否出現損壞現象。通過在某油田展開實例分析，結果表明，所提技術可探測到不同類型的損壞情況。同時，也可探測到多層管柱中每一層管柱的壁厚，進而確定管柱是否出現腐蝕或穿孔等損壞，節省了工人下入井內檢查的時間和費用，在一定程度上提高了油田的生產效率。

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