石耀，郭海敏，李恒

（長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢430100）

王明朝，王迪

（中石油大慶鉆探工程公司測井二公司，吉林 松原138000）

張金海

（中國石油集團(tuán)測井有限公司，陜西 西安710077）

侯振學(xué)

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 燕郊065201）

套管完井是最普通和最常見的完井方式，由于井下環(huán)境復(fù)雜，套管往往在使用一段時間后會發(fā)生各種類型的損壞。造成套管損壞的原因主要分為機械損傷和電化學(xué)損傷［1，2］。套管損壞一方面影響了油水井的生產(chǎn)效率，另一方面套變使得井間、層間壓力系統(tǒng)發(fā)生改變，對整個開發(fā)區(qū)塊地層系統(tǒng)有很大影響，甚至影響到整個油田的可持續(xù)發(fā)展，因而套損套變監(jiān)測變得尤為重要。40臂井徑測井和電磁探傷測井技術(shù)是2種重要的套損檢測手段。40臂井徑測井是依靠測量臂與套管內(nèi)壁接觸，記錄套管內(nèi)井徑，并與套管公稱內(nèi)徑對比或進(jìn)行成像分析確定是否發(fā)生套損。電磁探傷測井屬于磁測井系列，該技術(shù)利用電磁感應(yīng)原理［1］，測量并記錄套管（或油管）內(nèi)部感生電動勢大小，經(jīng)過專用軟件計算，得到油管／套管壁厚，從而判斷套損套變。由于井徑測井和電磁探傷測井各有優(yōu)缺點，為此筆者將二者結(jié)合起來，以達(dá)到準(zhǔn)確識別并判斷套損套變類型的目的。

1 40臂井徑測井原理及優(yōu)缺點分析

多臂井徑測井是較早發(fā)展起來的一種套損監(jiān)測技術(shù)。40臂井徑測井是井徑測井系列的一個重要組成部分。40臂測井儀器是接觸式測量儀器，即通過井徑儀的測量臂與套管內(nèi)壁接觸，將套管內(nèi)壁變化轉(zhuǎn)為井徑測量臂徑向位移，通過井徑內(nèi)部的機械設(shè)計，即傳遞為推桿的直線位移，線性電位器或差動變壓器輸出電位信號。該電位信號轉(zhuǎn)化為井徑信息儲存起來［3］。儀器的傳感器采用的是非接觸式位移傳感器，其特點是測量精度以及靈敏度都比較高，同時在儀器使用過程中傳感器不會有磨損，減少了傳感器的維修量，從而可以增加儀器的使用壽命。

圖1中所示的虛線部分為臂的收攏狀態(tài)，實線為張開位置。由于彈簧的作用，使測臂緊貼井壁，當(dāng)井壁有變形時，測臂隨井壁的變形而張收，從而帶動測桿的軸向移動；彈簧的作用使位移傳感器測桿緊貼測量臂的端面，當(dāng)測桿軸向移動時，測量臂做同步跟隨運動。由于測桿的軸向移動使得位移傳感器輸出的波形峰值隨之變化。將位移傳感器的輸出信號經(jīng)過差動放大、整流濾波處理后，可以得到與套管內(nèi)徑有關(guān)的電壓，將該電壓通過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字并傳輸給地面數(shù)控系統(tǒng)，再由地面數(shù)控系統(tǒng)將所得到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為套管內(nèi)徑。40臂井徑儀一次下井可以記錄40條套管內(nèi)半徑，通過專業(yè)軟件處理可得到套管內(nèi)壁成像圖［4］。

40臂井徑儀器的優(yōu)點是測量精確度比較高，測井曲線反映出的套管變形狀況比較詳細(xì)。經(jīng)過專用軟件處理可以還原為套管內(nèi)壁成像圖，解釋人員可直接觀察套管內(nèi)壁情況。另一方面，該儀器在下井時還可以記錄一條方位曲線（相對方位），根據(jù)該套損方位曲線，通過專用處理軟件，可以將40條井徑曲線還原到各自相對固定的方位（儀器開始測量時各測量臂所在方位），能準(zhǔn)確地確定套管發(fā)生套損，例如孔洞，裂縫所在方位。缺點是井徑測井只能測量套管內(nèi)壁變化情況，對于常見的套管外壁損傷，多層套管損傷無法測量。此外，這種機械接觸式測量儀受井中環(huán)境影響較大，一定程度上減小了測量結(jié)果的精度。例如井筒中有異物，可能會導(dǎo)致儀器測量臂難以自由張開，還可能將井筒異物反應(yīng)為套損的特點，導(dǎo)致誤判等。

40臂井徑儀器得到的40條套管內(nèi)半徑曲線可用來確定套管的變形、錯斷、彎曲、內(nèi)壁腐蝕等。X1井前期只進(jìn)行了40臂井徑測井，得到了40臂井徑曲線（圖2中第6道），處理得到了三維管柱圖（圖2中第7、8道），可以看到，在深度2390～2400m井段，40臂井徑曲線抖動頻繁，呈雜亂無章形態(tài)；從管柱三維圖也可發(fā)現(xiàn)，套管內(nèi)壁凹凸不平，因此解釋人員判斷該井段套管出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的腐蝕。后經(jīng)過電磁探傷測井，得到了縱向A探頭（長探頭）的A2、A4曲線，橫向B探頭的B1曲線，縱向C探頭（短探頭）的C2曲線（圖2中第2道），以及通過計算得到的視平均壁厚曲線（圖2中第3道），發(fā)現(xiàn)在2390～2400m井段，套管并未發(fā)生金屬丟失情況，即套管質(zhì)地并未發(fā)生明顯變化，判斷該段套管沒有發(fā)生腐蝕。該種情況下誤判是由40臂井徑測井的原理限制造成的。

2 電磁探傷測井原理及優(yōu)缺點分析

EMDS－42電磁探傷測井儀屬于磁測井系列，其理論基礎(chǔ)是法拉第電磁感應(yīng)定律，即變化的電場在周圍空間產(chǎn)生磁場。變化的磁場產(chǎn)生電場：

式中：ε為感應(yīng)電動勢，V；Φ為磁通量，Wb；t為時間，s；S為線圈截面積，m2；B為磁場強度，A／m。

當(dāng)鋼管（油套管）厚度變化或存在缺陷時，ε將發(fā)生變化，通過分析和計算，在單、雙層管柱結(jié)構(gòu)下，可判斷管柱的裂縫和孔洞，得到管柱的壁厚。

單層管柱結(jié)構(gòu)

雙層管柱結(jié)構(gòu)

式中：d為套管厚度，m；μ為套管磁導(dǎo)率，H／m；σ為套管電導(dǎo)率，S／m；D為套管外徑，m；d1、d2分別為內(nèi)、外管柱的厚度，m；μ1、μ2分別為內(nèi)、外管柱的磁導(dǎo)率，H／m；σ1、σ2分別為內(nèi)、外管柱的電導(dǎo)率，S／m；D1、D2分別為內(nèi)、外管柱的外徑，m。

在正常情況下，μ、σ、D和t都已知，只有d未知。因此，測得ε1、ε2時，就可以得到d1、d2（即公式（2）、（3）的聯(lián)立解），此時計算出管壁厚度是損壞部位的均勻壁厚（視平均壁厚）［4，5］。

圖2 X1井測井解釋成果圖

EMDS－42電磁探傷測井儀由多個探頭和上、下扶正器及相關(guān)電路組成（見圖3）。其中，井溫探頭用來檢測井內(nèi)流體溫度場的變化，確定出液口的位置；自然伽馬探頭用于探測井身周圍自然伽馬強度；探頭A、B、BB、C用于檢測套管損傷。

圖3 EMDS－42電磁探傷測井儀示意圖

測井時由地面系統(tǒng)給發(fā)射線圈一個恒定的正直流脈沖，整個周期為480ms。480ms分為2個發(fā)射周期和2個測量周期，供給發(fā)射探頭的是一個強直流脈沖，斷開供電電流的時間（120ms），在接收線圈中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢，并且感應(yīng)電動勢幅度呈指數(shù)衰減，探頭A、B、C在不同時間進(jìn)行信息采集，可獲得內(nèi)、外管柱的技術(shù)狀況。理論分析表明，如果鋼管的厚度越大，感應(yīng)電動勢的衰減就緩慢，反之，感應(yīng)電動勢的衰減就較快。感應(yīng)電動勢衰減較快的時間段來自內(nèi)管柱的變化，衰減緩慢的時間段主要表示內(nèi)、外管柱的變化。在內(nèi)管柱初步確定以后，影響感應(yīng)電動勢衰減的因素就是外管柱。因此在感應(yīng)電動勢的衰減過程中，利用該方法可把內(nèi)、外管柱對測量的影響區(qū)別開。

電磁探傷測井儀電磁探傷儀的主要優(yōu)點是儀器外徑小，可過油管測量。它利用電磁感應(yīng)原理，是非接觸式儀器，能夠檢測多層管柱的損壞情況。儀器的小直徑使得儀器通過性較好，測井成功率大大提高，并且可以在正常生產(chǎn)的情況下進(jìn)行測井，測量結(jié)果不受井內(nèi)泥漿類型、套管壁上的石蠟等井內(nèi)物質(zhì)的影響。電磁探傷是通過套管（或油管）中的感應(yīng)電動勢大小來探測套管的質(zhì)地是否發(fā)生變化的，但是在實際生產(chǎn)中，由于各種工程操作，例如注水開發(fā)，地層運動應(yīng)力作用等導(dǎo)致套管發(fā)生較大機械變形，這種機械形變并未伴隨著鋼套管的金屬性質(zhì)的變化，該種情況下，電磁探傷將無法識別出套損是否存在。另外，電磁探傷測井得到的多條感應(yīng)電動勢曲線經(jīng)過處理得到的套管壁厚是套管的平均壁厚，即視平均壁厚，無法具體反映套管具體在哪個方位出現(xiàn)了金屬丟失。以上存在的問題是由于電磁探傷測井原理本身造成的，難以消除。

通過40臂井徑曲線形態(tài)觀察以及三維成像圖發(fā)現(xiàn)，X2井套管在2446～2467m井段的井徑曲線雜亂無章，有些位置甚至超出了套管的公稱外徑（圖4），因而判斷該井段套管出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，甚至出現(xiàn)套管穿孔破裂情況。后通過加測電磁探傷測井發(fā)現(xiàn)，除縱向C2探頭曲線有抖動外，其余各探頭曲線較為正常，視平均壁厚曲線也較為平滑，說明部分套管內(nèi)壁發(fā)生了腐蝕，但沒有出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕乃至套管穿孔破裂的情況。通過對該段套管部分的井徑截圖面觀察發(fā)現(xiàn)，該處井徑曲線發(fā)生嚴(yán)重抖動的主要原因是套管受地層應(yīng)力作用發(fā)生了橢變，加上輕微腐蝕，從而使井徑曲線呈現(xiàn)雜亂無章的形態(tài)。

圖4 X2井測井解釋成果圖

3 兩種測井優(yōu)勢互補及實際應(yīng)用分析

通過以上分析，由于40臂井徑測井和電磁探傷測井原理上的特點，導(dǎo)致2種套損監(jiān)測方式都有一定局限性。針對井下環(huán)境復(fù)雜多變、套損套變類型難以精確確定的情況，筆者將40臂井徑測井和電磁探傷測井結(jié)合起來，相互彌補各自局限性，發(fā)揮各自優(yōu)點，達(dá)到了準(zhǔn)確確定套損套變發(fā)生的位置、方位、類型等。

如圖5所示，從40臂井徑曲線及電磁探傷各探頭探測到的感應(yīng)電動勢曲線上都可以看出，在2341m附近出現(xiàn)明顯異常，由于已知該層段位于射孔層，因此可以確定射孔造成的孔洞確實存在；結(jié)合40臂井徑測井的井徑三維圖，即可確定射孔所在的準(zhǔn)確方位。

圖5 X3井測井解釋成果圖

圖6中40臂井徑曲線及三維圖顯示，在深度2145～2156m井段部分曲線形態(tài)異常，三維成像圖顯示套管一側(cè)發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)縮，電磁探傷各探頭探測到的感應(yīng)電動勢曲線平滑，表明套管并無金屬丟失情況發(fā)生。由于40臂井徑曲線異常出現(xiàn)和消失都是突變而來，因此綜合分析認(rèn)為，40臂儀器在該層段部分測量臂遇阻未能正常打開，從而導(dǎo)致曲線形態(tài)異常，最終判斷該段套管為正常套管。

圖6 X4井測井解釋成果圖

4 結(jié)論與建議

1）40臂井徑測量儀能夠準(zhǔn)確定位套損套變發(fā)生的深度、方位以及嚴(yán)重程度，但只能探測內(nèi)層管柱套損情況，對于多層管柱的損傷無法全部檢測出來。

2）電磁探傷測井儀能夠探測多層管柱的損傷，能夠檢測出套管細(xì)微裂縫、孔洞等，但其無法確定損傷具體方位。

3）將40臂井徑測井與電磁探傷測井結(jié)合起來，不僅能夠精確定位套損套變發(fā)生類型、程度，還能夠定位套損套變具體方位，而且能夠判斷多層套管損傷情況，二者相互印證實現(xiàn)優(yōu)勢互補，達(dá)到了準(zhǔn)確判斷定位套損的目的。

［1］郭海敏.現(xiàn)代生產(chǎn)測井導(dǎo)論 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2003.

［2］周瑞芬，陳再峰，魏建民.多臂井徑成像測井解釋方法 ［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報，2005，29（4）：107～111.

［3］宋杰.40獨立臂井徑成像測井儀在套損檢查中的應(yīng)用 ［J］.測井技術(shù)，2003，27（2）：155～158.

［4］陳福利，柴細(xì)元，金勇，等.多臂井徑測井檢測套損及其評價方法 ［J］.測井技術(shù)，2005，29（1）：79～81.

［5］彭原平，謝曉峰，王曉龍，等.EMDS－TM－42TS電磁探傷測井儀模型井測井與評價 ［J］.國外測井技術(shù)，2006，21（5）：56～63.

［6］王曉龍.新一代EMDS－42型電磁探傷測井儀的特征及應(yīng)用實例 ［J］.國外測井技術(shù)，2005，（5）：65～71.

［7］嚴(yán)正國，趙琳，王飛，等.電磁探傷測井技術(shù)及其進(jìn)展 ［J］.石油儀器，2012，26（6）：41～43.

［8］伊鵬，張鳳銳，劉鑄.電磁探傷測井儀在套損檢測中的應(yīng)用于分析 ［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2012，31（1）：121～124.