多層管柱損傷電成像測(cè)井儀在鉆完井作業(yè)中的應(yīng)用

趙成龍，王俊石，孫帥帥，王瑞祥，高旸昭

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

引言

在海上油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，井槽的利用率尤為關(guān)鍵，這也就意味著，對(duì)低產(chǎn)低效井的治理，多依賴(lài)于老井槽進(jìn)行井筒棄置及側(cè)鉆作業(yè)。而在井筒棄置作業(yè)中，原井老套管的套損情況對(duì)于后續(xù)側(cè)鉆作業(yè)又起著指導(dǎo)作用。當(dāng)前渤海常用的套損測(cè)定方法，往往需要占用大量井口時(shí)間，且無(wú)法在作業(yè)前獲知套管損傷情況，不能對(duì)后期處理套管、選擇側(cè)鉆點(diǎn)等作業(yè)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(cè)鉆作業(yè)中，引入了多層管柱損傷電成像測(cè)井工具，對(duì)老井眼套管進(jìn)行套損測(cè)定。

1 多層管柱損傷電成像測(cè)井儀器簡(jiǎn)介

多層管柱損傷電成像測(cè)井儀（MDI-ONE）是新一代高精度智能數(shù)字化測(cè)井儀器，具體結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1，通過(guò)對(duì)井筒做“胃鏡”，不動(dòng)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(xù)油管、鉆桿等不同輸送方式，擺脫了水平井測(cè)井對(duì)爬行器的依賴(lài)，避免爬行器落井事故，提高現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)效，滿(mǎn)足復(fù)雜井況下的測(cè)井需求。

圖1 多層管柱損傷電成像測(cè)井儀結(jié)構(gòu)

1.1 工具原理

多層管柱損傷電成像測(cè)井儀（MDI-ONE）可以對(duì)高能電磁脈沖響應(yīng)變化進(jìn)行精細(xì)記錄，由于空氣對(duì)高能電磁脈沖響應(yīng)的衰減速率相較于金屬管的情況要快，故可以通過(guò)匹配測(cè)量和數(shù)值模擬的磁化衰減速率來(lái)評(píng)估儀器周?chē)慕饘俅嬖凇Ｈ绻麅x器周?chē)卸鄬犹坠?，則需要用到雙傳感器（短和長(zhǎng)），以確保可靠地檢測(cè)到多管柱的信息，并獨(dú)立區(qū)分每個(gè)管柱中的缺陷[1]。則近端管柱會(huì)在較早的時(shí)間做出響應(yīng)，而較遠(yuǎn)的管道會(huì)在較晚的時(shí)間做出響應(yīng)，此現(xiàn)象是檢測(cè)每個(gè)單獨(dú)管柱中的金屬的關(guān)鍵, 從而實(shí)現(xiàn)全井多層管柱的成像測(cè)井。能夠穿過(guò)油管檢測(cè)由于腐蝕或其他因素造成的金屬損失，并監(jiān)控套管穿孔情況，工作示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 多層管柱損傷電成像測(cè)井儀工作示意圖

MDI-ONE 電磁探傷成像測(cè)井儀的理論基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)定律。將模擬衰減與實(shí)際響應(yīng)進(jìn)行比較，可以計(jì)算出第一、第二管柱的壁厚[2]。實(shí)際測(cè)井過(guò)程中，對(duì)發(fā)射線(xiàn)圈接通直流電，將系統(tǒng)對(duì)磁干擾的響應(yīng)計(jì)算簡(jiǎn)化為計(jì)算接收線(xiàn)圈附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度，電磁場(chǎng)的形狀將描述為以下兩個(gè)方程式

式中：ε 為接受線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；S 為接收線(xiàn)圈總面積；S1為第一線(xiàn)圈面積；N 為線(xiàn)圈匝數(shù)；K 為磁滯常數(shù)；φ 為磁通量；B 為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

當(dāng)作業(yè)儀器確定后，接收線(xiàn)圈總面積S 即為一個(gè)常量，當(dāng)發(fā)射線(xiàn)圈被施加直流電后，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)（式中B 表示），在工具串的移動(dòng)過(guò)程中，套管或油管會(huì)切割磁場(chǎng)中的磁感線(xiàn)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)被接收線(xiàn)圈記錄后，即為ε 值[3]。

由于實(shí)際操作中全井測(cè)井速度一致，故產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)僅由切割磁感線(xiàn)的管柱本身的形狀與位置有關(guān)。

當(dāng)工具測(cè)量管柱為一層套管時(shí)，ε 可以進(jìn)行如下表述

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

在油井的注水或生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)油管、套管會(huì)存在不同程度的壁厚變薄、開(kāi)裂、變形、穿孔等現(xiàn)象，這種現(xiàn)象統(tǒng)稱(chēng)為管柱損傷。在管柱發(fā)生損傷的情況下，會(huì)導(dǎo)致套管柱的厚度、套管柱的磁導(dǎo)率、套管柱的電導(dǎo)率、套管柱的外徑等數(shù)據(jù)與出廠時(shí)的數(shù)據(jù)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(cè)井儀所測(cè)得的ε 值也會(huì)隨之變小[4]。

當(dāng)工具過(guò)油管測(cè)井或測(cè)量多層套管套損時(shí)，ε 可以進(jìn)行如下表述

式中：T1，T2為第一層、第二次被測(cè)管材的厚度；μ1，μ2為第一層、第二次被測(cè)管材的磁導(dǎo)率；σ1，σ2為第一層、第二次被測(cè)管材的電導(dǎo)率；D1，D2為第一層、第二次被測(cè)管材的外徑；EX 為內(nèi)、外管相對(duì)位置幾何校正系數(shù)。

類(lèi)似地，在使用多層管柱損傷電成像測(cè)井儀進(jìn)行多層管柱測(cè)井時(shí)，由于管柱存在扭曲、變形所導(dǎo)致的相對(duì)位置差，故需在單層計(jì)算的基礎(chǔ)上加入內(nèi)、外管相對(duì)位置幾何校正系數(shù)（EX）值，校正因ε 計(jì)算值的偏差導(dǎo)致的套管、油管厚度上的計(jì)算偏差。

該儀器檢測(cè)到的響應(yīng)具有復(fù)雜的時(shí)間特性，不能以簡(jiǎn)單的分析方式建模，這使得盡管多層管柱測(cè)井概念提出多年，但仍處于擱置狀態(tài)。隨著計(jì)算機(jī)速度和多核并行計(jì)算技術(shù)的最新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜響應(yīng)的精確數(shù)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(cè)井儀工具還根據(jù)差異來(lái)生成差分（DELTA）數(shù)據(jù)模板，在數(shù)值模型和實(shí)際響應(yīng)之間進(jìn)行可視化[5]。

1.2 儀器參數(shù)

多層管柱損傷電成像測(cè)井儀器性能優(yōu)良，具有高耐壓、高耐溫、高耐H2S 的特點(diǎn)，滿(mǎn)足渤海油田絕大多數(shù)井下工況的使用。測(cè)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(jiàn)表1。而渤海油田常用的生產(chǎn)油管最小尺寸為2-7/8"，即62 mm，多層管柱損傷電成像測(cè)井儀器滿(mǎn)足常用油管的通過(guò)要求，工具的實(shí)用性較強(qiáng)。

表1 多層管柱損傷電成像測(cè)井儀技術(shù)參數(shù)

1.3 同類(lèi)型工具對(duì)比

表2 為多層管柱損傷電成像測(cè)井儀與其他渤海地區(qū)常用的同類(lèi)型測(cè)井儀器的對(duì)比。通過(guò)對(duì)比可以看出，多層管柱損傷電成像測(cè)井儀輸送方式更加多樣性，涵蓋電纜、鋼絲、鉆具、連續(xù)油管等輸送方式，由送入方式即可確定，該測(cè)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(cè)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(shè)計(jì)，使得儀器總長(zhǎng)做到1.8 m，較短的儀器長(zhǎng)度大大降低了儀器在井內(nèi)發(fā)生脆性變形及螺旋屈曲的可能，在測(cè)試水平井和大斜度井時(shí)有更好的通過(guò)性和穩(wěn)定性。并且該工具滿(mǎn)足360°周向探測(cè)的同時(shí)，測(cè)量精度高于同類(lèi)型測(cè)井儀器，且測(cè)井速度達(dá)到6 m/min，極大程度地縮短了測(cè)井作業(yè)時(shí)間，提高了作業(yè)時(shí)效。

表2 多層管柱損傷電成像測(cè)井儀與同類(lèi)型儀器對(duì)比

2 應(yīng)用實(shí)例

該技術(shù)分別在P6/P7 井中予以應(yīng)用，使用效果良好，由于P7 井后續(xù)側(cè)鉆作業(yè)對(duì)老井套管承壓性能要求較高，故在P7 井的棄井作業(yè)中，為了驗(yàn)證多層管柱損傷電成像測(cè)井方法的精確程度，起出原井生產(chǎn)管柱后，通過(guò)多功能超聲成像測(cè)井技術(shù)對(duì)套管損傷進(jìn)行再次測(cè)定，意圖通過(guò)兩套儀器及兩種不同的測(cè)井方式進(jìn)行對(duì)比，從而判定多層管柱損傷電成像測(cè)井方法得出的結(jié)論是否正確，兩種測(cè)井所得結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 P7 井超聲蘭姆波測(cè)套管損傷示意

圖4 P7 井過(guò)油管測(cè)套管損傷示意

多功能超聲成像測(cè)井儀（MUIL）是一種超聲波測(cè)井儀器，采用超聲脈沖回波檢測(cè)方法，可進(jìn)行裸眼井井眼和套管井管柱內(nèi)壁、套管壁厚、井周360°第一界面水泥膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)。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(nèi)壁發(fā)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(fā)射都在套管內(nèi)壁產(chǎn)生強(qiáng)的反射波，除了反射波以外，另一部分聲波折射進(jìn)入套管，以縱波的形式在套管的內(nèi)外壁之間交替反射，使套管產(chǎn)生局部的“厚度振動(dòng)”，從而確定套管厚度，計(jì)算套管損傷情況。

實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，多功能超聲成像測(cè)井儀順利下放到位，出井后通過(guò)對(duì)測(cè)量段內(nèi)部分井段垂直探頭和斜入射探頭測(cè)量的波形曲線(xiàn)回放，最終計(jì)算得出，相同井段內(nèi)兩次不同方法測(cè)量的套損結(jié)果基本一致，再次驗(yàn)證多層管柱損傷電成像測(cè)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(cè)井技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一次入井，完成過(guò)生產(chǎn)油管對(duì)7"和9-5/8"等不同尺寸套管的測(cè)井，而且可以使用電纜、鋼絲、連續(xù)油管、鉆桿等不同輸送方式。后續(xù)可以進(jìn)一步對(duì)作業(yè)工序進(jìn)行優(yōu)化，在實(shí)際使用中，可以由棄井工序中的刮管洗井作業(yè)管柱攜帶測(cè)井工具串入井，完成測(cè)井工作，擺脫了大位移（大斜度）和水平井測(cè)井對(duì)爬行器的依賴(lài)，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)效，滿(mǎn)足復(fù)雜井況下的測(cè)井需求。

隨著渤海油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，由于海上油氣田開(kāi)發(fā)的特殊性，需盡量提高井槽利用率，低產(chǎn)低效井治理問(wèn)題則尤為凸顯。多層管柱損傷電成像測(cè)井可以為后續(xù)的井筒棄置及側(cè)鉆作業(yè)提供準(zhǔn)確的資料支持，尤其是在大位移（大斜度）和水平井測(cè)井擁有廣闊的應(yīng)用前景。