吳銘德, 喬文孝, 魏濤, 李長文, 何峰江, 劉青昕

(1.中國石油咨詢中心, 北京 100724; 2.中國石油大學(xué)(北京), 北京 102249; 3.中海油田服務(wù)股份有限公司, 北京 101149; 4.中國石油集團測井有限公司, 陜西 西安 710077; 5.格威石油儀器有限公司, 陜西 西安 710077; 6.中國石油大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司, 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

對于油氣井封固性,在國際上有不同的定義。筆者認為,由井口裝置、油管及井下工具、套管及管外水泥環(huán)等組成一個完整、完好的系統(tǒng),使得從地層產(chǎn)出的流體或是向地層注入的流體只能在該系統(tǒng)所限定的流通通道中流動,而不發(fā)生任何形式的泄漏或竄槽,使油氣井在整個生命周期中處于安全良好的狀態(tài)。油氣井的這一特性就是油氣井封固性。油氣井封固性有3個要素:①完整性;②完好性;③具有使流體在限定的流通通道內(nèi)流動的功能。

油氣井封固性測井(Well Integrity Logging)是檢測油氣井封固性的一種測井技術(shù)。油氣井在進行固井作業(yè)中下入套管和注水泥以后,必須進行固井質(zhì)量測井。固井以后,在對下部井段的鉆井以及在油氣井開采過程和注水井的注入過程中,各種因素都可能對油氣井封固性造成傷害,如井下流體對油管和套管的腐蝕,鉆具及井下工具起下過程中對管柱的磨損和撞擊,射孔(高能氣體壓裂)、壓裂、酸化、油井出砂、地層蠕變或油田注水等導(dǎo)致地下應(yīng)力不平衡的種種因素。當油氣井的傷害到了一定程度,油氣井和注入井的正常生產(chǎn)受到影響,就需要進行封固性測井。又如在儲氣庫中,要求隔一定時間就要對氣井進行封固性測井。因此,對油氣井封固性測井的需求延續(xù)到油氣井的整個生命周期。

油氣井以及注入井封固性破壞是造成油氣井減產(chǎn)、注入效率降低、油氣井和注入井停產(chǎn)甚至報廢的重要因素之一。封固性測井能及時發(fā)現(xiàn)并判定井下管柱和水泥環(huán)出現(xiàn)的問題,使人們能夠采取相應(yīng)的技術(shù)措施,保持油氣井產(chǎn)量及注入井的注入量,延長井的生命周期,阻止油氣向地下“賊層”流失。封固性測井能及時發(fā)現(xiàn)井下存在的問題和事故隱患,對于提高油氣田開發(fā)效益、防止井下事故、防止環(huán)境污染有重要意義。

進入21世紀,封固性測井越來越受到石油公司的重視。經(jīng)分析,幾次造成人員傷亡和重大經(jīng)濟損失的惡性油氣井事故,是封固性存在問題造成的。鑒于對環(huán)境保護的要求越來越高,已有幾個國家制訂了標準規(guī)范和法規(guī)[1],要求對某些類型的井必須進行封固性測井。海上油氣資源、深部油氣資源、頁巖油氣、致密油氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)等也對封固性測井提出了更高的要求。

在涉及油氣井封固性的幾個環(huán)節(jié)中,從測井角度,人們所關(guān)注的主要是井下管柱和水泥環(huán)這2個環(huán)節(jié)。因此,可以將油氣井封固性測井分為套損檢測和固井質(zhì)量測井2類。按照測量原理,油氣井封固性測井通常采用機械、電磁、聲波、放射性、光學(xué)等物理方法。

1 套損檢測技術(shù)

套損檢測技術(shù)是確定套管損傷井段并對套管腐蝕和破裂情況進行測量和評價的技術(shù),套損檢測技術(shù)是油氣井封固性測井技術(shù)的重要內(nèi)容之一。習(xí)慣上所說的套損檢測也包括對油管等其他井下管串和工具的檢測。機械測量和電磁測量技術(shù)在套損檢測中占有重要地位,超聲回波測量也有一定的應(yīng)用。

1.1 機械力學(xué)檢測技術(shù)

1.1.1 多臂井徑成像測井儀

多臂井徑成像測井儀可以探測油管和套管上的腐蝕坑、小孔和細小損傷以及套管上的射孔孔眼等,對測井資料進行處理,可以繪制出套管檢測成像圖。這是一種簡單直觀、可信度高的管柱內(nèi)壁檢測儀器。這種測井方法在套損檢測中應(yīng)用廣泛[2]。但是,該儀器檢測結(jié)果無法反映套管外壁的腐蝕和損傷情況,也不能反映套管壁厚的變化情況。當套管有嚴重結(jié)垢或結(jié)臘時,測井結(jié)果會受到影響。

1.1.2 套管應(yīng)力磁記憶測井儀

磁記憶檢測的基本原理:處于地磁環(huán)境下的鐵制構(gòu)件受外部載荷作用時,其內(nèi)部會發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向,并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成最大的漏磁場變化。通過漏磁場法向分量的測定,可以準確推斷工件的應(yīng)力集中部位[3]。

在一些老油田,有批量油井的套管在某些層段發(fā)生變形和損傷。為了掌握套管受力情況,中國石油大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司根據(jù)磁記憶檢測原理開發(fā)出套管應(yīng)力磁記憶測井儀,該儀器用8個推靠臂將傳感器推向套管內(nèi)壁,可測定8個方向上的套管所受應(yīng)力情況。套管應(yīng)力磁記憶測井儀與多臂井徑成像測井儀組合應(yīng)用,可以在套管未變形或已經(jīng)變形情況下測量套管的磁記憶響應(yīng)異常區(qū)域,并可以指示出套管受力方向。如果套管應(yīng)力磁記憶測井資料上有異常而多臂井徑成像測井資料上沒有異常,說明套管已受到異常外力,但還未發(fā)生變形。如果兩種測井資料上同時顯示出異常,說明套管已受到異常外力,而且已經(jīng)發(fā)生變形。這些信息為油田套損預(yù)警及防治提供了重要依據(jù)。套管應(yīng)力磁記憶測井儀分辨率為地磁場強度的1/40,該技術(shù)判斷套管異常應(yīng)力集中區(qū)的準確率達到90%以上。

1.2 電磁套損檢測儀

電磁套損檢測儀器在套損檢測中占有重要地位,按照其應(yīng)用的具體方法劃分,有漏磁通測量、渦流測量和脈沖渦流測量等3種。

1.2.1 磁測井儀

早期的電磁測厚儀(也稱磁測井儀)發(fā)射較低頻率(如16 Hz)的電磁波,可根據(jù)接收信號的相位移計算出套管厚度[2]。

1.2.2 漏磁通類測井儀器

Baker Hughes公司的管子剖面測井儀Vertilog[4]同時應(yīng)用漏磁通測量和近場渦流測量,儀器將幾個極板推靠到套管壁,儀器極板一側(cè)的激勵線圈產(chǎn)生10 kHz的電磁場,在套管內(nèi)壁上產(chǎn)生渦流,測量信號主要反映套管內(nèi)壁約1 mm深度范圍內(nèi)的腐蝕或損傷;極板另一側(cè)為漏磁通測量線圈,其測量信號同套管損傷的深度成正比。該類儀器可以測量管柱內(nèi)壁和外壁的腐蝕和損傷。

Baker Hughes公司的管子剖面測井儀已經(jīng)形成系列,可適應(yīng)各種不同井下條件的測井需求,如大直徑、小直徑管和對腐蝕損傷情況進行精細描述等。該儀器對于沿著儀器運動方向有顯著變化的套管損傷的反映能力較強,而對于沿著儀器運動方向變化不明顯的腐蝕和損傷(如套管上的軸向破損、管柱機械變形和套管均勻腐蝕等)反映能力有所降低。

1.2.3 遠場渦流類套損檢測儀

Schlumberger公司的電磁管子掃描測井儀(EM Pipe Scanner)[5],以遠場渦流和近場渦流進行套損檢測。在儀器上部裝有18個弓形彈簧片,全部收攏時的直徑為2.3 in*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同,彈簧片上裝有測量傳感器。在儀器上部的芯軸位置裝有8 kHz高頻發(fā)射線圈Txh;在儀器中部裝有8.5～70 Hz的低頻發(fā)射線圈Txl,在其上下方各裝有1對低頻接收線圈;在儀器下部,裝有1個發(fā)射線圈Txc和1對接收線圈,采用100 Hz～100 kHz之間的3個頻率測量套管電磁特性。

(1) 遠場測量。利用低頻發(fā)射線圈Txl和上下2對接收線圈,在較大源距的遠場渦流測量狀態(tài)下,測得套管平均總厚度;利用低頻發(fā)射線圈Txl和18個極板上的傳感器測得套管厚度成像。

(2) 近場測量。利用高頻發(fā)射線圈Txh和18個極板上的傳感器測量高分辨率套管內(nèi)壁成像,將近場測量得到的二維套管高分辨率成像和遠場測量得到的二維套管厚度成像對比,可以區(qū)分出套管腐蝕損傷發(fā)生在外表面還是在內(nèi)表面;利用儀器下部的發(fā)射線圈和1對接收線圈測量套管的電磁特性。

該類儀器的主要優(yōu)點是可以對內(nèi)層管柱的內(nèi)壁、外壁和金屬總厚度等進行較為精細的定量評價。但是,對外層管柱只能進行定性描述。

1.2.4 脈沖渦流類測井儀

格威石油儀器有限公司生產(chǎn)的電磁探傷測井儀采用脈沖渦流測量技術(shù)(PEC,或稱瞬變電磁測量技術(shù))。儀器采用2組探頭,長探頭用于探測內(nèi)、外層套管,短探頭僅僅探測內(nèi)層套管。

向發(fā)射線圈通以可編程控制的直流電流,在井內(nèi)及各層管柱中建立起恒定的磁場。關(guān)斷發(fā)射電流后,各層管柱中會產(chǎn)生感生電流,繼而產(chǎn)生二次場。在接收線圈中檢測到感生電動勢ε[6]

(1)

式中,I(ω)為激勵電流的頻域;C為儀器常數(shù);Z(ω,r,σ,μ)為系統(tǒng)的傳輸函數(shù)。該傳輸函數(shù)與電流的頻率ω、管柱半徑r、材料的電導(dǎo)率σ和磁導(dǎo)率μ有關(guān)。在發(fā)射截止后1 ms開始進行采集,測量信號的動態(tài)范圍約為100 dB;在多層套管情況下,反映外層套管的信號很微弱,需降低噪聲,提高信噪比。

通過對雙套管模型的理論仿真,接收信號在不同時刻對內(nèi)外層套管厚度變化的敏感性不同。定性解釋根據(jù)接收信號中異常信號出現(xiàn)的位置確定套管的減薄或腐蝕是發(fā)生在內(nèi)層套管上還是外層套管上。定量評價采用反演方法,探頭響應(yīng)可表示為

(2)

式中,σ為套管電導(dǎo)率;μ為套管磁導(dǎo)率;h1、h2分別為內(nèi)外層套管的厚度變化量;tn為采樣時間;I為供電電流。構(gòu)造目標函數(shù)

(3)

圖1是某井應(yīng)用實例。井下管串為3.5 in油管和7 in套管,儀器在油管中對油管和套管進行探傷。圖1中第1道為電磁探傷測井變密度圖。第2道為管柱厚度曲線,EMmisfit和Thickmisfit是電磁和厚度反演的目標函數(shù)值,為相對量;Eμ是套管相對磁導(dǎo)率;Eσ是套管電導(dǎo)率;CSGthickness是實測套管厚度;CSGnom,thick是套管厚度標稱值。第3道為伽馬曲線和管柱腐蝕示意圖。從第1道的變密度顯示圖上可以定性確定,管柱腐蝕主要發(fā)生在7 in套管;第2道右側(cè)的藍色直線為7 in套管厚度標稱值,紅色曲線為7 in套管厚度計算值?？梢钥闯?在一些井段,7 in套管有嚴重腐蝕。

圖1 某井2層管柱損傷反演的示例成果圖

實測資料顯示,該電磁探傷測井儀能夠有效發(fā)現(xiàn)多層套管的損傷情況并進行定量評價。

電磁探傷測井儀器與多臂井徑成像測井儀組合,以多臂井徑成像測井精細描述套管變形和內(nèi)壁腐蝕損傷,以電磁探傷測井重點反映套管外壁損傷、管壁厚度變化以及外層套管損傷,在套損檢測中可起到很好的效果。

1.3 聲波套損檢測儀

1.3.1 超聲成像測井儀

超聲成像測井儀基于超聲脈沖反射測量方法,根據(jù)超聲波回波幅度和旅行時間對套管內(nèi)壁腐蝕變形進行成像,探頭工作頻率0.5～1.5 MHz。超聲成像測井采用短余振寬帶探頭和全波形信號采集可以進一步分析套管厚度變化和套管外壁腐蝕變形情況,進而實現(xiàn)套管三維成像。超聲成像測井儀的優(yōu)點是所測圖像的分辨率很高,其缺點是當井內(nèi)為重泥漿以及井內(nèi)流體含氣時,測井質(zhì)量大受影響。

1.3.2 幾種新型超聲測井儀

(1) 超聲前視測井儀的概念性樣機。中國石油集團測井有限公司的超聲前視測井儀概念性樣機將超聲探頭置于測井儀器前端,向儀器前方發(fā)射超聲波脈沖,并采用相控陣聲波技術(shù)實現(xiàn)超聲掃描,可以對儀器前方異常情況(套管擠壓變形、井下落物魚頂)進行探測。與光學(xué)套損檢測儀相比,超聲前視測井儀可以在井液為不透明的鉆井泥漿等條件下進行測井。

(2) 相控陣聲波防砂篩管檢測儀樣機。國外研制出相控陣聲波防砂篩管檢測儀樣機。在采用繞絲防砂篩管的油井內(nèi),外部的繞絲受出砂沖刷,容易受損。研究應(yīng)用相控陣聲波技術(shù)探測管外繞絲的受損情況。

1.4 其他套損檢測儀

(1) 套管陰極保護測井儀。Schlumberger公司的套管陰極保護測井儀對套管腐蝕情況進行監(jiān)測以判斷陰極保護的效果,確定是否需要采取補救措施。儀器將4組帶電極的推靠器推靠到井壁進行測量。

(2) 光學(xué)套損檢測儀。光學(xué)套損檢測儀利用井下攝像儀在井下攝像,通過電纜或光纜將信號傳輸?shù)降孛?處理后得到井下圖像。鏡頭焦距可調(diào),采用不沾油涂層和光源后置技術(shù)使圖像更清晰,廣角鏡頭在水中視角可達55°。光學(xué)套損檢測儀有的用電纜,有的用鋼絲繩,有的用光纜進行測井,將其同其他測井儀器相組合進行套損檢測,可取得更好效果。當井內(nèi)流體不透明時,這種儀器無法應(yīng)用。

2 固井質(zhì)量測井技術(shù)

2.1 聲波固井質(zhì)量測井儀

套管外的水泥環(huán)必須滿足支撐套管和達到層間水力封隔這2項基本要求[7]。聲波固井質(zhì)量測井技術(shù)可分為水泥膠結(jié)類測井和水泥聲阻抗類測井2大類。首先問世的是利用在套管中傳播的蘭姆波對稱模式探測水泥環(huán)質(zhì)量的水泥膠結(jié)類測井,繼而是水泥聲阻抗類測井。為解決輕質(zhì)水泥固井評價難題,近年來又發(fā)展了超聲斜入射基于蘭姆波反對稱模式的過套管聲波成像測井。

2.1.1 聲幅測井儀

聲幅測井是最早的聲波水泥膠結(jié)測井[8],出現(xiàn)于20世紀50年代中期,發(fā)射頻率20 kHz左右,但不久就發(fā)現(xiàn)聲幅測井曲線受快速地層和儀器偏心等因素的影響。

2.1.2 聲波/變密度測井儀

20世紀60年代推出聲波/變密度(CBL/VDL)測井,既測量聲幅CBL,又將全波列記錄成變密度圖VDL。這種測井方法在大多情況下可以有效地對固井質(zhì)量進行合理的評價并估算出水泥膠結(jié)強度;在水泥環(huán)同套管膠結(jié)良好的前提下,從VDL圖上的地層波分析中可以間接推測水泥環(huán)同地層的膠結(jié)情況。從聲波/變密度測井技術(shù)面世到現(xiàn)在,它一直是中國油田固井質(zhì)量檢測的主要測井方法,也一直是評價固井質(zhì)量是否合格、是否優(yōu)質(zhì)的重要依據(jù)。應(yīng)該指出,將這種傳統(tǒng)測井方法作為評判固井質(zhì)量檢測是否合格、優(yōu)質(zhì)的唯一標準是有問題的。中國每年完成的15 000口井的固井質(zhì)量合格率都在98%以上,但是,每年都有上千口油氣井由于固井質(zhì)量問題而不能進行正常的測試和生產(chǎn)[7]。

聲波/變密度測井與聲幅測井一樣,無探測水泥溝槽能力[9-10]。這樣,根據(jù)聲波/變密度測井資料判斷固井質(zhì)量為合格甚至是優(yōu)質(zhì)的井,仍然存在著油氣水通過水泥環(huán)中的溝槽發(fā)生竄槽的潛在風險。在國內(nèi)外一些高壓油氣井中,這一風險轉(zhuǎn)變成為事實,釀成重大事故。對于重點井、深井、高壓油氣井等,在進行聲波/變密度測井之外,必須加測其他項目,諸如增加對水泥溝槽具有探測能力的測井項目等。

2.1.3 分扇區(qū)聲幅型水泥膠結(jié)測井儀

分扇區(qū)水泥膠結(jié)測井有1個10～20 kHz發(fā)射探頭、1組距發(fā)射探頭1.5 ft或3 ft的扇區(qū)接收探頭組(小直徑套管用6扇區(qū),其他套管用8扇區(qū))、1個無定向3 ft接收探頭和1個5 ft無定向接收探頭。儀器可測得6條或8條分扇區(qū)水泥膠結(jié)曲線,據(jù)此作出扇區(qū)水泥膠結(jié)成像圖,從成像圖上可以看到水泥在周向的膠結(jié)情況,從而具備了探測水泥溝槽能力。此外,儀器記錄3 ft源距聲幅曲線,5 ft源距接收探頭接收全波列并繪制成VDL圖[11]。

這類儀器目前在中國應(yīng)用不太廣泛,而國外廣泛應(yīng)用的都是小直徑過油管測井儀器,這些儀器受到儀器直徑的限制,用5 ft接收探頭所測的變密度測井的質(zhì)量不太理想,對第II界面的判斷受到影響。

2.1.4 分扇區(qū)衰減率型水泥膠結(jié)測井儀

Baker Hughes公司的Segmented Bond Tool(SBT)和中海油服的CBMT都屬于分扇區(qū)衰減率型水泥膠結(jié)測井儀。這種測井將6個滑板推向套管壁,每個滑板上有1個發(fā)射探頭和2個接收探頭,進行聲波補償衰減測量。發(fā)射探頭頻率80～100 kHz。該儀器的探頭緊貼套管內(nèi)壁,在重泥漿以及泥漿含氣等情況下仍能進行測量。SBT能夠?qū)Φ贗界面周向水泥膠結(jié)質(zhì)量進行評價,但無法對第II界面周向膠結(jié)質(zhì)量進行評價[12-13]。這種儀器具有探測水泥溝槽能力。

Baker Hughes最近推出Integrity eXplorerTM服務(wù),所用的儀器利用推靠器將6個滑板推向套管壁,滑板上裝有采用電磁和聲波原理的探頭。聲波探頭用于進行水泥膠結(jié)測井。這種測井技術(shù)特別適用于井筒內(nèi)為氣體的井。不必壓井,就可以在氣井內(nèi)進行水泥膠結(jié)測井,這對于在儲氣庫進行周期性的封固性測井有重大意義,對于氣井和二氧化碳井,可以大大減少因壓井所需的費用和時間。各種心軸型聲波測井儀在井內(nèi)流體中含有氣體的情況下很難進行測井。

2.1.5 相控陣水泥膠結(jié)測井儀

中國石油大學(xué)(北京)提出了具有三維輻射特性的相控圓弧陣換能器[14-17]方案,并將聲波相控圓弧陣技術(shù)引入水泥膠結(jié)測井。目前中國成功研發(fā)了AABT1和AABT2等2種型號的相控陣水泥膠結(jié)測井儀[18],其中AABT1是中國石油大學(xué)(北京)與中國石油集團測井有限公司聯(lián)合開發(fā)的。AABT1型儀器聲系有2組圓弧陣聲波發(fā)射器和源距分別為3 ft和5 ft的2個單極子接收器[見圖2(a)]。相控圓弧陣聲波發(fā)射器分別向8個方向掃描發(fā)射聲波脈沖,每完成1周掃描發(fā)射,2個接收器各接收8道波形信號。AABT2型儀器聲系由相控線陣聲波發(fā)射器和源距分別為3 ft和5 ft的2個8單元相控圓弧陣接收站組成[見圖2(b)]。相控線陣聲波輻射器每發(fā)射1次脈沖聲波,每個相控圓弧陣接收站各測得對應(yīng)于8個方位的8道波形信號。AABT儀器可以同時取得CBL/VDL測井資料,儀器工作頻率12～18 kHz,深度采樣間隔0.1 m。

圖2 相控陣水泥膠結(jié)測井儀聲系結(jié)構(gòu)示意圖

利用配套軟件提取測得波形數(shù)據(jù)中所包含的套管波和地層波的幅度、波速和衰減等信息,可計算出不同方位、不同源距的套管波幅度和地層波幅度以及不同方位的套管波聲衰減系數(shù)。根據(jù)這些資料,結(jié)合正演理論研究和實驗研究成果,可以繪出反映第I界面膠結(jié)情況的扇區(qū)水泥膠結(jié)成像圖和反映第II界面膠結(jié)情況的扇區(qū)水泥膠結(jié)成像圖,從而對水泥膠結(jié)質(zhì)量進行很好的評價[19]。

該儀器已測井10余口,資料經(jīng)處理得到第I界面膠結(jié)成像圖和地層波幅度方位成像圖。在第I界面膠結(jié)良好的井段,可以從地層波幅度方位成像圖上了解第II界面的膠結(jié)情況。圖3為反映某井第I、第II界面膠結(jié)狀況的現(xiàn)場應(yīng)用實例。圖3中第3道為相對方位(藍色曲線)和8個方位的地層波幅度曲線;第4道為地層波幅度方位成像圖(反映第II界面膠結(jié)狀況和地層性質(zhì)的周向不均勻性);第5道為套管波幅度方位成像圖(反映第I界面膠結(jié)情況);第6道為等效聲幅曲線(黑線)和8條地層波幅度曲線及其均值曲線(藍色);第7道為3 in源距波形及其包絡(luò)線;第8道為5 in源距波形的變密度圖。由圖3,在1 900～1 912 m井段套管波幅度較小,說明第I界面膠結(jié)良好;1 900～1 908 m井段地層波幅度較大,說明該井段的第II界面膠結(jié)質(zhì)量良好;1 908～1 912 m井段地層波幅度較小,說明該井段的第II界面膠結(jié)質(zhì)量不是太好。

圖3 某井1 897～1 940 m井段第I、第II界面綜合成像圖

這種創(chuàng)新型儀器有以下特點:①可測得CBL/VDL,其源距、間距和所用頻率與傳統(tǒng)的CBL/VDL相一致;②采用相控陣技術(shù),已測資料其扇區(qū)水泥膠結(jié)成像圖優(yōu)于八扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀和分扇區(qū)衰減率型水泥膠結(jié)測井儀的成像圖;③在第I界面膠結(jié)良好的前提下可以得到第II界面的水泥膠結(jié)成像圖;④將電路直接裝入聲系內(nèi),大大提高了儀器的信噪比和可靠性;⑤AABT2型儀器結(jié)構(gòu)更為簡單,有望大幅度降低制造成本,而且其所測資料在經(jīng)過處理后,有望得到8個扇區(qū)上的衰減率信息。

2.1.6 水泥聲阻抗類測井儀

水泥聲阻抗類測井儀垂直向套管發(fā)射脈沖,換能器的工作頻率設(shè)定在套管共振頻率(取決于套管壁厚)附近,為200～700 kHz。分析聲脈沖引起的套管共振回波可以計算套管壁厚并求得與套管外壁相接觸之介質(zhì)的聲阻抗,從而獲知其物理狀態(tài)(氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài))。在早期的儀器中,探頭為螺旋狀排列,以后采用旋轉(zhuǎn)探頭方式進行測井,形成當代的超聲掃描成像測井儀。

中海油田服務(wù)股份有限公司2013年推出多功能超聲成像測井儀器MUIL。該儀器的成像模式可用于裸眼和套管內(nèi)壁成像,方位采樣間隔為1.5°;全波模式用于內(nèi)壁成像、套厚和固井質(zhì)量檢測,方位采樣間隔為6°。針對不同的套管外徑,儀器采用不同尺寸掃描探頭,以便得到最佳的套損檢測和水泥聲阻抗探測效果。該儀器在國外服務(wù)近30井次。

考慮到套管檢測和水泥環(huán)評價對聲波探頭及頻率有不同的要求,中國石油集團測井有限公司的超聲掃描成像測井儀在聲系旋轉(zhuǎn)探頭中封裝2個背向放置自發(fā)自收換能器,1個用于套管檢測,1個用于水泥膠結(jié)評價。

水泥聲阻抗類測井的優(yōu)點是縱向和徑向采樣率高、周向覆蓋率高,可以得到清晰的圖像,用于水泥膠結(jié)評價和發(fā)現(xiàn)竄槽等封固性問題。其缺點是受重泥漿、含氣泥漿、套管變形、儀器不居中等因素的影響較大。

2.1.7 水泥環(huán)封隔掃描成像測井儀

與傳統(tǒng)水泥膠結(jié)類測井利用對稱蘭姆波原理不同,Schlumberger公司的水泥環(huán)封隔掃描成像測井儀Isolation Scanner(IBC)利用蘭姆波的反對稱蘭姆波即彎曲波,采用斜入射聲波激勵方式,工作頻率200～300 kHz,入射角度30°～40°。

Isolation Scanner采用旋轉(zhuǎn)探頭組件,在旋轉(zhuǎn)探頭組件的一側(cè)安裝了垂直入射和接收的超聲成像探頭,應(yīng)用超聲反射法檢測環(huán)空介質(zhì)聲阻抗;在旋轉(zhuǎn)探頭組件的另一側(cè)安裝了單發(fā)雙收的斜入射蘭姆波測量探頭組,進行泄漏蘭姆波衰減測量,對水泥膠結(jié)進行精細評價。為了適應(yīng)不同內(nèi)徑套管的測量需要,配置了不同直徑的旋轉(zhuǎn)探頭,以盡量減小探頭組同套管壁的間隙[20]。

這種測井方法可以在低比重水泥固井的條件下,對油氣井封固性進行很好的評價,測井資料經(jīng)處理可得到套管探測成果和水泥環(huán)探測成果。水泥環(huán)探測成果圖中包括聲阻抗圖、衰減率圖、固液氣圖、管外環(huán)空水力竄通圖等[7]。將超聲成像得到的聲阻抗測井資料同蘭姆波測井得到的資料進行綜合處理和解釋,可以更好地進行固井質(zhì)量評價;固液氣圖上對流體和固體有正確顯示;管外環(huán)空水力竄通圖顯示了管外環(huán)空彼此溝通的流體部分。

這種儀器成功識別管外環(huán)空的物理狀態(tài),解決了低比重水泥的水泥環(huán)評價難題,并提供流體竄通通道的清晰圖像。但是,該測井服務(wù)價格昂貴,在水平井中測井對儀器居中的要求較高。

2.1.8 噪聲測井儀

流體在通道截面積發(fā)生明顯變化處流動出現(xiàn)紊流,產(chǎn)生具有一定能量和頻率特性的聲波,通常稱為井下噪聲。在油氣開采期間定點測量管外環(huán)空噪聲,可探測管外流體竄槽。

傳統(tǒng)的噪聲測井儀以頻率截止值分別為200、600、1 000 Hz和2 000 Hz分4個頻道記錄噪聲幅度。國外研制的新型噪聲能譜測井儀能夠記錄8 Hz～60 kHz范圍內(nèi)的噪聲能譜。研究表明,噪聲強度與液體流速有關(guān),而噪聲能譜主要與流體通道的特性有關(guān)。測井資料解釋中除了找到噪聲發(fā)生的位置以外,還能通過噪聲能譜來判斷井下噪聲是由何種因素引起的。

2.2 伽馬密度固井質(zhì)量測井儀

伽馬密度固井質(zhì)量測井采儀用240 mCi的137Cs放射性源,裝有3組探頭。源距最小的伽馬探測器用于測量套管壁厚;源距為0.42 m的伽馬探測器組有6個伽馬探頭,在同一平面內(nèi)沿360°方位均勻分布,用于探測不同方位管外環(huán)空的介質(zhì)密度;源距為0.72 m的伽馬探測器用于地層對比和校深,該探測器還可用于探測套管偏心程度。對測井資料進行處理可以得到套管外充填物質(zhì)密度和套管壁厚,并可計算出套管偏心率。八扇區(qū)測井儀通過水泥環(huán)密度變化的測量,對溝槽、孔洞的解釋具有獨特的優(yōu)勢,并且該測量方式受雙層套管、微環(huán)隙、溝槽、快速地層等影響較小,有利于提高解釋評價結(jié)果的準確性。

放射性水泥膠結(jié)測井儀經(jīng)常與聲幅測井儀器組合使用。放射性水泥膠結(jié)測井對微環(huán)沒有響應(yīng),而聲幅測井儀要受微環(huán)影響,所以二者結(jié)合還可識別微環(huán)。圖4是某井的水泥固井質(zhì)量測井解釋綜合圖。在885 m附近,聲波顯示水泥固結(jié)較差,而放射性顯示水泥填充良好。由此提示,此處有微間隙的影響。

2.3 固井質(zhì)量測井面臨的主要難題

聲波測井在固井質(zhì)量測井中占絕大多數(shù),但聲波測井普遍受第I界面微間隙的不利影響。在第I界面出現(xiàn)微間隙的情況下,主要測井響應(yīng)都會或多或少出現(xiàn)假象,且無法校正;其次,水泥環(huán)第II界面是管外環(huán)空封隔性的最薄弱環(huán)節(jié),只能根據(jù)VDL進行定性評價,對其定量評價是固井質(zhì)量測井尚未取得突破的技術(shù)障礙;再次,水平井井底沉沙和測井儀器偏心構(gòu)成了難以克服的技術(shù)難題。

3 封固性測井模擬試驗條件和資料處理軟件

3.1 固井質(zhì)量測井模擬試驗條件

為了開展封固性測井研究和對測井儀器進行評價,中國石油天然氣集團公司、中國石油化工集團公司和中國海洋石油總公司均分別設(shè)計建造了套損模擬井群和固井質(zhì)量測井實驗井群。

建造實驗井可以實現(xiàn)全尺寸物理模擬,主要目的:①固井質(zhì)量測井儀器刻度;②考察測井儀器的探測能力;③根據(jù)已知水泥膠結(jié)狀況、模型聲學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù),采集固井質(zhì)量測井數(shù)據(jù)并加以分析,進行固井質(zhì)量評價方法研究。

3.1.1 中海油服套損檢測模型實驗井

圖4 某井聲幅變密度和放射性水泥膠結(jié)測井解釋成果圖

2013年,中海油田服務(wù)股份有限公司建立了外徑分別為7 in和9.625 in的2口套損檢測模型實驗井。實驗井設(shè)計了通孔(包括變孔徑通孔和不同孔密通孔)、不同孔徑的盲孔、不同寬度和長度的縱向槽、不同弧長的內(nèi)壁橫向槽、不同套管壁厚等,以模擬套管上不同長度、不同寬度的縱向裂縫和橫向裂縫以及不同大小、不同深度的孔洞,通過模型實驗測量與資料分析,確定2種規(guī)格套管不同損傷情況下不同探測套損測井儀器測量分辨率和壁厚測量精度。

3.1.2 固井質(zhì)量測井模型實驗井

在固井質(zhì)量測井模擬實驗井中對不同套管尺寸、水泥漿密度、第I界面膠結(jié)缺失、第II界面膠結(jié)缺失、套管偏心、雙層套管等情況進行實體模擬。

(1) 中海油服固井質(zhì)量測井實驗井群。2013年,中海油田服務(wù)股份有限公司建立了1套固井質(zhì)量測井實驗井群(見表1)。建造固井質(zhì)量測井模型實驗井群的最初目的是為各種固井質(zhì)量測井儀器和固井質(zhì)量評價方法研究建立實驗場所。

表1 中海油服固井質(zhì)量測井實驗井群

注:模擬5°、7.5°和15°主要是為多功能超聲成像測井MUIL實驗建造

在該井群中,1號～6號井底部1.5 m模擬套管偏心,7號井模擬了快、中、慢速地層條件,11號井模擬了快、中速地層條件;除了11號井外,所有7 in套管井水泥環(huán)厚度均為21 mm,所有9.625 in套管井水泥環(huán)厚度均為35 mm;每個模型井高度均為9.5 m,井眼直徑0.311 m。

(2) 中國主要的固井質(zhì)量測井實驗井(群)。中國很多油田都建立了固井質(zhì)量測井實驗井(見表2)。這些實驗井多數(shù)是為解決油田急需的儀器測試和固井質(zhì)量評價方法研究服務(wù)的。這些投入大量資金、精力和智慧建造的測試裝置,是中國測井行業(yè)寶貴的硬件財富,應(yīng)努力把這些實驗井維護好、保養(yǎng)好,測井同行應(yīng)當互通有無,充分發(fā)揮這些實驗井的重要作用。

表2 中國各主要固井質(zhì)量測井實驗井(群)

注:遼河油田模擬了水泥環(huán)0.1、0.2、0.4 m縱向膠結(jié)不均勻和雙層套管水泥膠結(jié)情況;大慶油田、西部鉆探和中海油服模擬了套管偏心

(3) 目前固井質(zhì)量刻度井(群)的作用與局限性?？潭染M了不同密度水泥固井膠結(jié)良好、第I界面和第II界面水泥溝槽、自由套管、縱向水泥不均勻膠結(jié)和各種不同巖性地層等,為推動我國固井質(zhì)量評價技術(shù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用:①可用于刻度標定固井質(zhì)量測井儀;②這些全尺寸模擬實驗井的最大好處是可通過測井儀器采集固井質(zhì)量已知的測井響應(yīng),有利于固井質(zhì)量評價方法和處理軟件深入研究及制定水泥膠結(jié)評價規(guī)范和標準;③便于評估固井質(zhì)量測井儀器的探測能力。

這些刻度井(群)也存在明顯的技術(shù)局限性:①因石料采集手段和運輸手段限制,無法模擬較松軟的地層,也無法模擬徑向尺寸足夠大的地層;②因加工制作工藝限制,無法模擬井液漸變污染,無法模擬泥餅條件下的固井;③最重要的是無法模擬實際不同產(chǎn)層之間水泥環(huán)的各種層間封隔狀況。

3.2 固井質(zhì)量測井評價方法

中國早期的固井質(zhì)量評價主要依賴于聲幅測井,從20世紀70年代開始逐步應(yīng)用CBL/VDL測井資料。通過長期應(yīng)用實踐和方法研究,各個油田形成了具有鮮明特色的固井質(zhì)量評價方法和評價指標。在中國大部分油田現(xiàn)場,早期聲幅A評價指標多數(shù)為A≤20%,優(yōu)(良好);20%40%,不合格(差)。1990年,中國石油天然氣總公司組織編寫《鉆井手冊(甲方)》,該手冊推薦的固井質(zhì)量評價指標為CBL在10%～15%以下,固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì);CBL低于或等于30%,固井質(zhì)量合格;CBL>30%,固井質(zhì)量不合格[21]。在層間封隔評價過程中,VDL是第II界面膠結(jié)狀況定性評價的依據(jù)。這種評價方法在低密度水泥固井、薄壁套管、厚壁套管、快速地層和水泥溝槽井段,很可能誤評價。

為解決該問題,以便充分利用油田常規(guī)的CBL/VDL測井資料和SBT測井資料評價固井質(zhì)量,研究建立了聲幅和衰減率隨套管尺寸變化而變的水泥膠結(jié)和水泥環(huán)層間封隔評價指標體系;同時,提出了快速地層、外層套管以及與地層孔滲性能相關(guān)(見圖5)的測井響應(yīng)的識別、水泥膠結(jié)評價和層間封隔定性的評價方法,規(guī)定在候凝時間不足和微間隙大于0.1 mm這2種情況下不能用水泥膠結(jié)測井評價固井質(zhì)量[22]。

圖5 滲透性地層井段的CBL/VDL測井和驗竄

進入21世紀,中國油氣勘探開發(fā)形勢和技術(shù)變化很大,高壓氣井、調(diào)整井、水平井、低密度水泥固井等數(shù)量越來越多;逐步推廣使用了伽馬密度測井、分扇區(qū)聲幅測井、水泥聲阻抗類測井和IBC測井;固井評價經(jīng)驗越來越豐富,相關(guān)研究成果逐漸增多,例如,研究并應(yīng)用了調(diào)整井固井和低密度水泥固井的評價方法等。此外,針對固井質(zhì)量測井響應(yīng)的多解性,提出了利用地質(zhì)、鉆井、固井以及其他測井資料的固井質(zhì)量綜合評價方法。

測井專家和固井專家通力合作,在深入研究和總結(jié)的基礎(chǔ)上,編寫并發(fā)布了中國固井質(zhì)量測井資料驗收和固井質(zhì)量評價方法的石油行業(yè)標準[22-23]。

固井質(zhì)量測井評價軟件是評價技術(shù)水平的體現(xiàn)之一。在中國石油天然氣集團公司的一體化測井資料處理軟件平臺CIFLog的基礎(chǔ)上,大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司開發(fā)出國內(nèi)有代表性的套管井測井資料處理軟件CIFLog-Smart 1.0,軟件中包含有封固性測井資料處理等3個軟件包,已處理測井資料數(shù)萬井次。

3.3 固井質(zhì)量評價的主要難題

從油氣勘探開發(fā)形勢和降本增效高標準要求出發(fā),固井質(zhì)量評價方法還存在很多技術(shù)問題,如水平井段、高溫高壓、致密砂巖氣煤層氣頁巖氣等固井后對層間封隔、壓裂效果和井口帶壓的評價,油氣田開發(fā)中后期調(diào)整井固井和深水油氣井固井的水泥環(huán)層間封隔評價等,都是石油測井界亟待研究解決的重大技術(shù)難題,目前在這些方面的評價方法只是初步的,甚至帶有明顯的探索性質(zhì)。

4 油氣井封固性測井技術(shù)的要求

進入21世紀以來,石油工業(yè)面臨著“低、深、海、非”四大技術(shù)需求,即低滲透、深層、海洋和非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)的技術(shù)需求。這些需求加上越來越高的環(huán)保要求,對油氣井封固性測井提出了更高的要求。

(1) 溫度指標從175 ℃提升到200 ℃,甚至達到230 ℃。

(2) 壓力指標從140 MPa提升到160 MPa,甚至到180 MPa。

(3) 大套管井測井及評價,過去主要是在5 in或7 in套管內(nèi)進行油氣井封固性測井,現(xiàn)在要求在9 in甚至16 in的套管內(nèi)進行測井。

(4) 外層套管的腐蝕和損傷也會對油氣井封固性產(chǎn)生嚴重影響,多層管柱封固性測井及評價成為當前比較突出的技術(shù)要求。

(5) 大斜度井和水平井測井要求儀器居中,必要時在資料處理中采用偏心校正技術(shù)。

(6) 為了確定油氣井封固性問題,往往需要多種測井儀器相組合,對儀器組合能力及信號傳輸能力提出了更高要求。

(7) 油田測井作業(yè)實踐有時要求連接電纜進行實時測井,有時要求連接鋼絲繩進行存儲式測井,也會有要求一支儀器能實時測量和存儲兩用。

(8) 特殊套管測井需求。隨著鍍層套管與塑料防腐套管的擴大應(yīng)用,對某些儀器應(yīng)考慮在這些井內(nèi)測井時控制測臂在套管上的壓力。

(9) 采用低比重水泥漿進行固井的封固性測井需求。

(10) 環(huán)境保護以及海上油氣資源、深部油氣資源、非常規(guī)油氣資源開發(fā)使油氣井封固性測井需求量大幅增加。

(11) 深部油氣勘探開發(fā)和海上油氣勘探開發(fā)的展開,對中高端油氣井封固性測井的需求將會呈增長趨勢。

現(xiàn)場實踐表明,對油氣井封固性的理論研究和測井資料處理研究等都需進一步加強。

5 結(jié)束語

(1) 油氣井封固性測井能發(fā)現(xiàn)并判定井下管柱和水泥環(huán)的問題,對于維持油氣井產(chǎn)量、延長油氣井生命周期、防止油氣井事故、防止環(huán)境污染等有重要意義,油氣井封固性測井在國外受重視程度越來越高,應(yīng)該進一步提高中國對油氣井封固性測井的重視程度。

(2) 石油工業(yè)低滲透、深層、海洋和非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)的技術(shù)需求以及儲氣庫周期性檢測對油氣井封固性測井提出了更高的技術(shù)需求,推動了封固性測井技術(shù)的發(fā)展。

(3) 各油田在油氣井封固性方面呈現(xiàn)的問題不同,采用的封固性測井的系列也有所不同。對于套管檢測,多臂井徑同電磁類測井相結(jié)合能取得較好效果;對于固井質(zhì)量評價,聲幅/變密度測井仍是固井質(zhì)量測井的重要內(nèi)容,但是,將聲幅/變密度測井作為評價固井質(zhì)量合格或是優(yōu)質(zhì)的唯一標準是不合理的,建議加上具備分區(qū)水泥膠結(jié)測井的測井內(nèi)容。另外,水泥膠結(jié)類測井同水泥聲阻抗類測井或是伽馬密度測井相結(jié)合也是比較合理的組合。對于重點井、超深井、海上深井等,應(yīng)根據(jù)實際情況,安排一些高端的固井質(zhì)量測井項目。

(4) 脈沖渦流類電磁探傷測井在多層管柱檢測方面顯示出獨到的優(yōu)勢;超聲掃描成像測井、基于斜入射蘭斯姆波的水泥膠結(jié)測井、相控陣聲波技術(shù)等在固井質(zhì)量評價方面展示出良好的發(fā)展前景。

(5) 建議中國測井界加強油氣井封固性測井理論研究、將數(shù)值模擬研究適當?shù)膶嶓w模型實驗相結(jié)合;深化探頭、聲系結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計研究;建立配套的刻度標準井、加強封固性測井資料處理和固井質(zhì)量綜合評價方法研究。

致謝:齊寶權(quán)、劉恒、高炳燕、林有娣、趙陽陽等在資料收集和示例提供方面做了大量工作,為本文的寫成創(chuàng)造了有利條件,特此致謝。

參考文獻:

[1] 鄭有成, 張果, 游曉波, 等. 油氣井完整性與完整性管理 [J]. 鉆采工藝, 2008, 30(9): 6-9, 1.

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

[3] 黃松嶺, 李路明, 汪來富, 等. 用金屬磁記憶方法檢測應(yīng)力分布 [J]. 無損檢測, 2002, 34(5): 212-214.

[4] Dominic Dieseru. Evaluating Well Integrity [Z]. Baker Hughes.

[5] Irlec Alexandra Acuna, Alan Monsegue, Thilo M Brill, et al. Scanning for Downhole Corrosion [J]. Oilfield Review, 2010, Spring: 42-50.

[6] Marvin Rourke. Algorithm Development and Case Study for a 111/16 in Pulsed Eddy Current Casing Inspection Tool [C]∥SPWLA 55th Annual Logging Symposium, 2014.

[7] 魏濤. 油氣井固井質(zhì)量測井評價 [M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2010.

[8] 李世平, 李建國, 于東. 國內(nèi)固井質(zhì)量檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析 [J]. 石油鉆探技術(shù), 2008, 36(5): 84-86.

[9] 王梅英, 劉繼生, 呂秀梅, 等. 固井質(zhì)量綜合評價技術(shù)與聲波變密度測井技術(shù)對比分析 [J]. 測井技術(shù), 2011, 35(2): 176-179.

[10] 齊奉忠, 申瑞臣, 李萍. 固井質(zhì)量評價技術(shù)討論 [J]. 石油鉆探技術(shù), 2005, 33(2): 37-40.

[11] 陳翀霄, 張彥梅, 劉紅星. 八扇區(qū)水泥膠結(jié)儀測井方法及應(yīng)用 [J]. 石油儀器, 2009, 23(5): 68-72.

[12] Bigelow EL, Domangue EJ, Lester RA. A New and Innovative Technology for Cement Evaluation [C]∥ 65th Annual Technical Conference and Exhibition of the Society of Petroleum Engineers, New Orleans, LA, 23-26 September, 1990.

[13] Alexei Bolshakov, Vladimir Dubinsky, Xiao Ming Tang, et al. Casing Resonant Radial Flexural Modes in Cement Bond Evaluation: US, 7681450 [P]. 2010-03-23.

[14] 楊哲, 喬文孝, 鞠曉東. 基于CPLD的聲波相控圓弧陣控制邏輯設(shè)計 [J]. 計算機測量與控制, 2006, 14(12): 1646-1648.

[15] 喬文孝, 鞠曉東, 車小花. 可用于聲波測井的相控圓弧陣聲波輻射器 [J]. 測井技術(shù), 2009, 33(1): 22-25.

[16] 喬文孝, 車小花, 鞠曉東, 等. 聲波測井相控圓弧陣及其輻射指向性 [J]. 地球物理學(xué)報, 2008, 51(3): 939-946.

[17] 車小花, 喬文孝, 鞠曉東. 相控圓弧陣聲波輻射器在井旁地層中產(chǎn)生的聲場特征 [J]. 石油學(xué)報, 2010, 31(3): 343-346.

[18] 盧俊強, 鞠曉東, 喬文孝, 等. 方位聲波測井儀電子系統(tǒng)設(shè)計 [J]. 測井技術(shù), 2011, 35(3): 284-287.

[19] Che Xiaohua, Qiao Wenxiao, Wang Ruijia, et al. Numerical Simulation of an Acoustic Field Generated by a Phased Arc Array in a Fluid-filled Cased Borehole [J]. Pet Sci, 2014, 11(3): 385-390.

[20] 湯宏平, 張海濤, 李高仁, 等. IBC套后成像測井在水平井中的應(yīng)用 [J]. 石油天然氣學(xué)報, 2012, 34(8): 88-93, 98.

[21] 鉆井手冊(甲方)編寫組. 鉆井手冊(甲方) [M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 1990.

[22] 石油鉆井工程專業(yè)標準化委員會. SY/T 6592—2004固井質(zhì)量評價方法 [S]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2004.

[23] 石油工業(yè)標準化技術(shù)委員會石油測井專業(yè)標準化委員會. SY/T 6641—2006固井水泥膠結(jié)測井資料處理和及解釋規(guī)范 [S]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2006.