黃松峰

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163311)

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·開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)·

八扇區(qū)水泥密度-套管壁厚測(cè)井儀的研制及應(yīng)用

黃松峰

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163311)

摘要：介紹了一種研制的八扇區(qū)水泥密度-套管壁厚測(cè)井儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理及實(shí)際應(yīng)用情況。該儀器采用與俄羅斯引進(jìn)的八扇區(qū)水泥密度-套管壁厚測(cè)井儀相同的測(cè)井原理，利用伽馬射線散射法同時(shí)測(cè)量套管壁厚、扇區(qū)水泥環(huán)密度、平均水泥環(huán)密度及套管偏心率。該儀器采用遙測(cè)編碼信號(hào)傳輸方式，能夠與通用的生產(chǎn)測(cè)井地面系統(tǒng)兼容。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用證明儀器的功能和測(cè)量技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到引進(jìn)儀器的水平。

關(guān)鍵詞：水泥密度-套管壁厚測(cè)井儀；測(cè)量套管壁厚；伽馬射線；固井質(zhì)量

0引言

八扇區(qū)水泥密度-套管壁厚測(cè)井儀最早由俄羅斯烏法地球物理股份有限公司研制，國(guó)內(nèi)從1994年引進(jìn)。俄羅斯的СГДТ-HB型八扇區(qū)水泥密度-套管壁厚測(cè)井儀已經(jīng)在大慶油田應(yīng)用1 000多井次。該儀器在遼河、大港、河南、新疆等油田也都有規(guī)模應(yīng)用。由于引進(jìn)儀器價(jià)格昂貴，且維護(hù)困難，因此我們研制了八扇區(qū)水泥密度-套管壁厚測(cè)井儀。該儀器采用與俄羅斯СГДТ-100測(cè)井儀相同的測(cè)量原理，儀器的整體結(jié)構(gòu)、機(jī)械零部件、傳感器布局、信號(hào)處理與采集電路和信號(hào)傳輸電路等部分均為自主開(kāi)發(fā)，儀器的供電和信號(hào)傳輸方式與通用的生產(chǎn)測(cè)井地面系統(tǒng)兼容，使得該儀器能配接通用地面測(cè)井系統(tǒng)。該儀器的功能和測(cè)量技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到引進(jìn)儀器水平。

該儀器使用200 mCi(1 mCi=37×106Bq)的137Cs伽馬放射源發(fā)射伽馬射線，使用一個(gè)NaI(Tl)晶體近探測(cè)器和多個(gè)源距相同、周向排列的NaI(Tl)晶體遠(yuǎn)探測(cè)器來(lái)記錄散射伽馬射線，從而測(cè)量水泥密度及套管壁厚。儀器可以在140～168 mm套管井中使用，用途主要包括評(píng)價(jià)水泥膠結(jié)質(zhì)量、確定水泥返高和自由套管井段、區(qū)分不同水泥漿膠結(jié)井段、檢測(cè)套管損壞位置、檢查套管接箍與套管扶正器位置、測(cè)量套管相對(duì)于井壁的偏心率等，其優(yōu)勢(shì)是不受微環(huán)影響[1]。

1儀器的工作原理和結(jié)構(gòu)

1.1儀器的工作原理

八扇區(qū)水泥密度-套管壁厚測(cè)井儀中采用強(qiáng)度為200 mCi、能量662 keV的137Cs伽馬射線放射源，在儀器中圓錐形伽馬射線屏蔽體的約束下，該放射源向儀器周圍發(fā)射伽馬射線。這些伽馬射線與儀器周圍井內(nèi)介質(zhì)、套管、水泥環(huán)及地層發(fā)生多種反應(yīng)，儀器中屏蔽體后的NaI(Tl)晶體探測(cè)器用于接收散射的伽馬射線，探測(cè)器記錄到的計(jì)數(shù)率與儀器周圍介質(zhì)的徑向密度分布有關(guān)[2]。如圖1所示為儀器數(shù)值模擬模型的幾何示意圖：

圖1　儀器數(shù)值模擬模型幾何示意圖

儀器中設(shè)計(jì)有長(zhǎng)、短兩種源距的伽馬射線探測(cè)器。根據(jù)短源距探測(cè)器的計(jì)數(shù)率，在井內(nèi)介質(zhì)縱向密度變化不大(1.0～1.4 g/cm3)的情況下，可以準(zhǔn)確計(jì)算出套管壁厚(等效套管密度徑向分布)和套管外介質(zhì)密度。根據(jù)八個(gè)周向排列的長(zhǎng)源距探測(cè)器的計(jì)數(shù)率，可以計(jì)算出扇區(qū)水泥環(huán)密度和套管偏心率。測(cè)井時(shí)，測(cè)井儀扶正下入固井后的套管井中，通用生產(chǎn)測(cè)井地面系統(tǒng)記錄儀器上傳信號(hào)，輸出一條套管壁厚計(jì)數(shù)曲線(即短源距探測(cè)器計(jì)數(shù))、八條扇區(qū)水泥密度計(jì)數(shù)曲線(即八個(gè)長(zhǎng)源距探測(cè)器的計(jì)數(shù))和一條自然伽馬計(jì)數(shù)曲線，為解釋提供數(shù)據(jù)[3]。

通過(guò)合理設(shè)計(jì)短源距探測(cè)器與放射源之間的屏蔽體，短源距探測(cè)器的計(jì)數(shù)率就可以主要反映套管壁厚的變化，對(duì)套管外水泥環(huán)密度變化不敏感：

ln(IS/IS,st)≈kk(tk,st-tk)

(1)

式中IS表示近探測(cè)器計(jì)數(shù)率，tk表示套管壁厚，下標(biāo)st表示標(biāo)準(zhǔn)條件下的值，kk是刻度系數(shù)，本儀器kk的值將在儀器研究過(guò)程中根據(jù)具體情況選定。八個(gè)遠(yuǎn)探測(cè)器的計(jì)數(shù)率不但與套管壁厚相關(guān)，還與套管外水泥密度、

鉆孔井徑、地層密度相關(guān)。設(shè)八個(gè)遠(yuǎn)探測(cè)器的平均計(jì)數(shù)率為IL,avg，有如下公式：

ln(IL,avg/IL,avg,st)=kt(tk,st-tk)+

(2)

式中，ρc表示水泥密度，ρf和dc分別表示地層密度和鉆孔井徑，下標(biāo)st表示標(biāo)準(zhǔn)條件下的值，kt和kρ是兩個(gè)刻度系數(shù)，就本儀器而言，kt、kρ將視儀器研究的具體情況而定。把利用公式(1)計(jì)算出的套管壁厚值、從裸眼井測(cè)井曲線上讀取的地層密度和鉆孔井徑值帶入公式(2)，可以計(jì)算出平均水泥密度。利用與公式(2)相似的公式，根據(jù)八個(gè)扇區(qū)遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率值，可以計(jì)算出八個(gè)扇區(qū)水泥密度。定義套管偏心率ε為：

(3)

其中tc,min和tc,max分別表示套管與井壁間的最小和最大距離，ε的變化范圍是從0(套管居中)到1(套管偏心)?？梢詮陌松葏^(qū)的四對(duì)遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)率中挑選出一對(duì)差異最大的計(jì)數(shù)率，最小計(jì)數(shù)率記為IL,min，最大計(jì)數(shù)率記為IL,max，使用下式計(jì)算套管偏心率ε：

(4)

從以上分析可知，根據(jù)儀器短源距探測(cè)器計(jì)數(shù)率和八個(gè)長(zhǎng)源距探測(cè)器計(jì)數(shù)率，可以解釋出套管壁厚、平均水泥環(huán)密度、八個(gè)扇區(qū)水泥環(huán)密度及套管偏心率[4]。

1.2儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儀器外徑、源距和屏蔽體形狀是影響儀器響應(yīng)規(guī)律的根本因素，為了做到與國(guó)外儀器兼容解釋模型及模型參數(shù)，本儀器設(shè)計(jì)外徑與國(guó)外儀器外徑相同，為100 mm。

八扇區(qū)水泥密度-套管壁厚測(cè)井儀的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，圖中左面是儀器上部，右面是儀器下部。儀器的上、下各配有一個(gè)工程測(cè)井用標(biāo)準(zhǔn)滾輪式扶正器，要求扶正器扶正效果較好，以保證儀器居中測(cè)量。

圖2　八扇區(qū)水泥密度-套管壁厚測(cè)井儀結(jié)構(gòu)圖

儀器上部包括自然伽馬探測(cè)器(含封裝后的Na(Tl)晶體、光電倍增管和光電倍增管分壓電阻)，開(kāi)關(guān)電源(儀器電路供電電源與光電倍增管高壓電源)，信號(hào)處理與遙測(cè)傳輸電路，第1、3、5、7扇區(qū)伽馬射線探測(cè)器和套管壁厚伽馬射線探測(cè)器。儀器中部為過(guò)渡短節(jié)、屏蔽體與放射源倉(cāng)。儀器下部包括第2、4、6、8扇區(qū)伽馬射線探測(cè)器及相應(yīng)信號(hào)處理電路。如圖2中下方橫截面圖所示，八個(gè)扇區(qū)的伽馬射線探測(cè)器(儀器上部和下部各四個(gè))按一定角度一個(gè)的方式在儀器截面周向上均勻分布[5]。儀器中采用鉛材料制成多個(gè)屏蔽體，以保證近探測(cè)器主要響應(yīng)套管壁厚變化、各個(gè)扇區(qū)遠(yuǎn)探測(cè)器只接收本扇區(qū)的水泥密度信號(hào)。

2關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

該儀器能同時(shí)測(cè)量套管壁厚、扇區(qū)水泥環(huán)密度、平均水泥環(huán)密度及套管偏心率。為了實(shí)現(xiàn)這幾種測(cè)井目的，采用與СГДТ-100測(cè)井儀相同的測(cè)量原理，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中主要解決了以下關(guān)鍵技術(shù)。

1)采用鉛材料制成多個(gè)屏蔽體，保證近探測(cè)器主要響應(yīng)套管壁厚變化，各個(gè)扇區(qū)遠(yuǎn)探測(cè)器只接收本扇區(qū)水泥密度信號(hào)。

2)各扇區(qū)的探測(cè)器在儀器截面周向上均勻分布的設(shè)計(jì)，使得儀器具有更大的徑向探測(cè)范圍。

3)放射源的快速裝卸及可靠連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4)設(shè)計(jì)了給十個(gè)伽馬射線探測(cè)器同時(shí)供電的高溫大功率2 kV高壓電源，提高了儀器的測(cè)量精度及穩(wěn)定性。

5)信號(hào)的遙測(cè)傳輸技術(shù)中采用單片機(jī)軟件編碼，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，降低了儀器功耗。

3應(yīng)用情況

3.1該儀器與俄羅斯儀器的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

該儀器與俄羅斯引進(jìn)的СГДТ-100型八扇區(qū)水泥密度-套管壁厚測(cè)井儀進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，兩支儀器的測(cè)量曲線對(duì)比如圖3所示。從測(cè)井曲線可知，在840 m到765 m井段的測(cè)量中，從840 m到800 m，水泥膠結(jié)質(zhì)量較好，反應(yīng)8個(gè)扇區(qū)水泥密度的8條伽馬計(jì)數(shù)曲線基本重合在一起。從800 m到785 m，水泥膠結(jié)質(zhì)量較差，其中5個(gè)扇區(qū)尤為明顯，反應(yīng)在曲線上的情況就是5條伽馬計(jì)數(shù)曲線發(fā)散。研制儀器在測(cè)量結(jié)果上與俄羅斯儀器的反應(yīng)基本一致。在800 m的短套上，兩支儀器響應(yīng)也都一致。

圖3　研制儀器與俄羅斯儀器測(cè)量對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以認(rèn)為研制儀器與俄羅斯儀器在八個(gè)扇區(qū)水泥密度及套管壁厚測(cè)量結(jié)果的響應(yīng)基本一致。

3.2該儀器與八扇區(qū)聲波測(cè)井儀對(duì)比實(shí)驗(yàn)

該儀器還與八扇區(qū)聲波測(cè)井儀進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)井曲線如圖4所示。從圖可知在766 m時(shí)，研制儀器測(cè)量的水泥密度變小，說(shuō)明水泥膠結(jié)質(zhì)量變差。固放磁儀器測(cè)得的水泥返高也在766 m，二者測(cè)得的結(jié)果相同。此外，研制儀器還測(cè)出了755.12 m、733.46 m的套管壁厚變化情況，具體為從7.72 mm到9.17 mm再到6.20 mm。

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明了該儀器測(cè)得的資料與聲波儀器基本吻合，但二者資料互補(bǔ)更具有說(shuō)明性，能綜合反映水泥固井質(zhì)量。

4結(jié)束語(yǔ)

八扇區(qū)水泥密度-套管壁厚測(cè)井儀的研制成功，解決了引進(jìn)儀器價(jià)格高、數(shù)量少及維修配件到貨不及時(shí)(俄羅斯電子元器件無(wú)國(guó)內(nèi)兼容產(chǎn)品)的問(wèn)題，同時(shí)把儀器的供電和信號(hào)傳輸方式設(shè)計(jì)成與通用測(cè)井地面系統(tǒng)

圖4　該儀器與八扇區(qū)聲波測(cè)井儀在n1-2cxb027井測(cè)量對(duì)比圖

兼容的工作方式，使該儀器能直接配接通用生產(chǎn)測(cè)井地面系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)井，簡(jiǎn)化了儀器的應(yīng)用難度，擴(kuò)大了使用范圍。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)際的測(cè)井應(yīng)用，研制的八扇區(qū)水泥密度-套管壁厚測(cè)井儀的性能得到了檢驗(yàn)，證明了該儀器具有較好的可靠性、重復(fù)性和一致性，該儀器完全能夠替代進(jìn)口儀器，能夠?qū)λ喙叹|(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

該文在撰寫(xiě)過(guò)程中得到了大慶測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司鄭華博士的大力幫助,在此表示誠(chéng)摯的謝意!

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 鄭華. СГДТ水泥密度-套管壁厚測(cè)井解釋新模型[J]. 測(cè)井技術(shù)，2000,24(4):243-252.

[2] 郭海敏.生產(chǎn)測(cè)井導(dǎo)論[M]. 北京:石油工業(yè)出版社,2003:125-126.

[3] 楚澤涵. 聲波測(cè)井理論[M].北京:石油工業(yè)出版社,1985:86-88.

[4] HotWell.Radial Increment Bond Tool Field Operation Manual[M].2005:41-42.(資料)

[5] SCIENTIFIC DATA SYSTEMS,INC.Warrior Software V7.0 Field Operations Manual[M].2005:43-44.(資料)

Development and Application of One Eight-Sector Cement Density and Casing Thickness Logging Tool

HUANG Songfeng

(DaqingLoggingandTestingServicesCompany,Daqing,Heilongjiang163311,China)

Abstract：The eight-sector cement density and casing thickness logging tool was developed, and its structure characteristics, working principles and applications were introduced. The principles are adopted same as the Russian СГДТ-100 logging tool, which use the Gamma ray scattering to detect the casing thickness, the cement sheath density and the casing eccentricity. The Manchester code was applied to transit the logging data to surface equipment, and was compatible with the ground normal logging system. The well site test results show that the function and the measurement technique index of the tool reaches the level of the imported instrument.

Key words:cement density-casing thickness logging tool; casing thickness detection; Gamma ray； cement bond quality

(收稿日期：2014-11-08編輯：屈憶欣)

中圖法分類號(hào)：P631.8+17

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-0077(2016)01-0018-04

第一作者簡(jiǎn)介：黃松峰，男，1979年生，工程師，2001年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院電子儀器及測(cè)量技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)在大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司從事生產(chǎn)測(cè)井研發(fā)與制造工作。E-mail：dlts_huangsf@petrochina.com.cn