磁测应力资料的测井解释方法研究

王忠义，李自平，杨雪冰，马文中，周志彬，齐向阳

（1.中国石油大庆钻探工程公司测井公司，黑龙江大庆163412；2.大庆油田第一采油厂，黑龙江大庆163001）

磁测应力资料的测井解释方法研究

王忠义1，李自平2，杨雪冰1，马文中1，周志彬1，齐向阳1

（1.中国石油大庆钻探工程公司测井公司，黑龙江大庆163412；2.大庆油田第一采油厂，黑龙江大庆163001）

磁测应力方法是一种可以直接测得钢套管内壁应力分布的新技术。磁测应力信息能够解释套损危险程度和水驱力的方向；套损危险程度与应力检测仪器的信号幅度和发生信号异常的极板数量成正比；应力信号的极性代表套管被挤压或拉伸方向，应力值与信号幅度成正比；由6个极板测量的数据信息构成的平面矢量图对解释分析套管受力方向及其相对大小具有实际意义。根据工程需要提出了视应力值的概念，应当从理论和实验2个方面探索磁测应力仪器的刻度方法，这对该项技术发展完善很重要。

生产测井；测井解释；套损；磁测应力；视应力；矢量；应力信息成像

0 引 言

套损的监测方法如多臂井径、超声电视和管子分析仪等传统技术所能检测到的都是已经发生形变或破损之后的状况［1］，属于被动检查。在采用常规的套损检测方法的同时已经开始尝试开展套损预测预报技术的应用。应力应变是油水井发生套管损坏前期主要物理信息的反映。磁测应力技术是近年来开发的一种应力信息测量手段，它可以直接测得钢套管内壁的应力分布状况。MST－Ⅱ油井套管应力检测仪器已经达到了工程应用的水平，目前已经开始应用于油田的套损监测预防，取得了一定的进展。磁测应力技术不论其机理还是应用方面还有许多需要研究探讨的内容，但是它反映物理信息的规律性和工程应用的可靠性已经得到多方证实。通过理论方法、室内实验和实际测井资料的分析已经初步研究总结出一套资料解释方法，它的应用对油田套损检测预报具有一定指导意义。

1 磁测应力测井仪器技术原理

油井套管应力测量仪器是利用铁磁体受外部力（张力、压力、扭力）作用时（包括温度变化），内部应力σ能引起导磁系统磁导率μ变化的特性，通过测量导磁系统的磁导率变化量Δμ进而检测铁磁体内部应力变化。磁导率的变化量Δμ与内应力σ之间有线性关系［2］

式中，λ0为初始磁致伸缩系数；μσ、μ0分别为材料有应力和无应力时的磁导率；σ为材料具有的内应力；Δμ＝μ0－μσ。

定义式（1）中的Δμ／μσ为磁应变，对于同一种材料，λ0、μ0是常数，则磁应变与应力成正比。

基于上述原理研制的套管应力检测系统包括井下应力测量仪器、地面采集控制系统、室内刻度校验系统等几部分内容。其中井下仪器是系统的核心。它包括控制与通讯短节、方位测量短节、多臂井径短节和应力测量短节等［3－4］。

在研究磁测应力的基础实验过程中标准工字型试件拉伸实验测量的应力方向是Z方向（平行拉力方向），对于拉伸条件下，内部产生正应力σz，测量系统输出值为正增长，完全符合材料力学的规定。

2 资料解释的方法研究

资料解释的目标是根据已知信息判定套损的危险程度、套管受力的方向，这对于用户检测套管受力状况、了解套损区的稳定性、确定油田合理的注水压力界限和放溢流等生产管理措施的安全界限等问题是很有意义的。

2.1 常规资料分析方法

依据材料力学的规定、有限元仿真、磁测应力的原理和基础实验的验证得出的规律，应力传感器输出的正信号对应着试件被拉伸，也就是材料力学中的正应力，即拉应力；应力传感器输出的负信号对应着试件被压缩，也就是材料力学中的压应力；在弹性范围内，应力传感器的信号输出与拉力成正比。

测井仪器测量值必须经过刻度标定等工程值转换给出测量结果。但是，由于目前技术条件的限制没有制作出标准的刻度器，也没有可用的残余应力测量和标定的标准仪器，这就给磁测应力方法和仪器的标定造成了困难。目前对MST－Ⅱ油井套管应力检测仪的刻度标定只能是相对值，其测量结果应当称作视应力值。尽管如此，这一结果对反映套损的实际状况非常有用。MST－Ⅱ油井套管应力检测仪所能提供的是1条方位曲线、1条自然伽马曲线和6条相隔60°的应力曲线。它们能够描述出钢套管的应力分布、受力方向及其弯曲形态，为用户提供参考。根据实际应用情况总结出应力曲线解释预测方法与标准如下。

（1）基线的确定。把目的层附近应力起伏小、相对平稳的层段的应力值作为基线。

（2）绝对方位校正。测井曲线的方位值是0号应力极板所对应的参考井位置，需要加上它的参考井方位坐标进行绝对方位校正。

（3）应力满幅度确定。把已经发生塑性变形部位的应力值做为满幅度值Sa，它代表最大应力异常。

（4）受力性质判别。外壁受到挤压（套管内壁轴向拉伸）应力曲线为正异常，反之为负异常；该异常值是指其相对于基值；套管受到剪切作用或剪切变形，应力曲线为对称分布的正、负异常。

（5）应力幅度判别。应力幅度分为3级，幅度与套管应变程度成正比。变形部位异常出现极大值满幅度Sa；Sb＝0.6Sa；Sc＝0.3Sa；宽度大于0.3m。套管接头处应力曲线均为尖脉冲异常。

（6）方位的判别。套管应力测井曲线解释应以其6个极板的组合特征为主要依据。

式中，θ0是0号极板与参考井的夹角；θc是参考井的坐标；θx是当前位置的坐标。

（7）套损程度判断。套损分为高度、中度和轻度危险3个级别。高度危险情况下会有5个以上极板出现应力异常，且有2个Sa极大值出现，这种情况基本已经发生套损；把3个以上极板同时有明显应力异常且幅度较大情况（有2个Sa以上）中度危险时，套管处于弹性与塑性变形的临界状态，非常容易发生套损；轻度危险是指有3个极板出现应力异常，但是幅度不大的情况。

由于套管残余应力、井下工况环境等多因素影响，在判断套损的问题时还需要考虑多条应力曲线的信息综合判断，即曲线组合特征解释法；同时，依据套损机理研究成果，配合油田井区套损资料、井径资料和其他地层资料等给予综合解释，这对于提高套管应力信息的使用效果和预测套损都十分重要。

根据上述幅度差异法判断套损的程序流程见图1。图2是N－××－221井的测井资料。该井2004年4月14日完井，固井水泥返高763.0m，油页岩标准层7 4 8.5～7 5 8.5m，磁测应力测量井段为644.0～857.5m。该井750.0～756.0m测量井段磁测应力曲线异常幅度较大，其中2号极板的应力曲线幅度变化最大，4号极板采集的应力曲线幅度变化最异常（见图2），其中1、2、3号极板应力曲线按测井方向曲线由负异常变为正异常，说明套管内壁受力由压应力变为拉应力；4、5号极板应力曲线为正异常变化，说明套管内壁受拉应力，根据0号极板方位北东330°计算，该测量井段套管受力为东向挤压力。从资料上看，已经有5个以上极板有大幅度应力异常，属于高度危险。结合井径曲线的变化特征分析，该井段套管可能发生整体微小位移。

图1 幅值差异法计算流程图

图3是N－××－P27井的784～789m井段的测井资料，从左图的应力曲线中明显反映出它的优势，在该段对应的井径曲线无反映，但是有4个应力臂反映明显，同时它的邻层780m附近发生套损，此段应是中度危险段。

图2 N－××－221井套管应力曲线与井径曲线对比

2.2 平面矢量分析解释模式

平面360°的力学测量与分析对解决油井套管受力问题有很好的效果，实践证明这种方法更具有实际意义。MST－Ⅱ油井套管应力检测仪提供了平面间隔60°的6个方向（6个极板）的应力数据。按矢量分析的规则，其方向和大小构成了一个标准的矢量图——力－圆截面图。通过对重点层位进行“力－圆截面图”分析，用户可以看出该层位受力方向和相对大小，其结果对指导注水开发和修改生产方案有一定实际意义。图4是大庆某采油厂××－143井838m井段的力－圆截面图。该图直观地给出了该井目的层受力方向和相对大小，经核实与该区块的水驱和套损情况吻合。

与常规的测井资料解释分析方法相比，目前平面矢量分析解释模式在力－圆截面图制作方面麻烦，一旦实现软件自动图像生成后就比较简单，同时该方法形象直观，用户易于接受。它将是一种值得探索推广的解释模式。

图3 南××－P27井套管应力曲线与井径曲线对比

图4 ××－143井838m井段平面矢量分析图

2.3 磁测应力方法与资料的特点

对套管损坏的应力特征反映明显；曲线形态与套管受力趋势一一对应；通过资料分析可以描述出钢套管的弯曲形态；对无宏观形变但是也有套损危险的应力异常部位也有明显反映，这是其他测井方法无法做到的。

3 应力信息成像技术探讨

受力分析成像也是力学分析中常用的输出显示方式之一。磁测应力曲线形成方位成像图的方法是将6条磁测应力曲线数据按照方位布置在一个二维平面上，纵向对应深度，横向对应角度。横向布置像素按照6条磁测应力曲线插值得到。像素颜色的选取采用用户设定相对变动区间的方式进行，以避免磁测视应力值的局部漂移导致方位成像图的颜色变化不显著，造成分辨困难；同时，用户可以在关注区间观察套管视应力的相对变化。参照应力云图的显示方式，正、负异常和色彩的对应关系是红、黄、绿、天蓝、深蓝等，正异常越大色彩越亮，越红；负异常越大色彩越暗。

图5是程序实现流程图；图6是N－××－P33井735m段磁测应力曲线方位成像图法的处理结果。从处理输出的结果看，图像显示方式形象、直观。但是在实际的处理过程中需要加入许多人工的辅助调整，自动化程度较低。另外，在成像方式的处理过程中参考信息、可信度和处理标准等还有待统一，目前只能是一种初级模式。

4 结 论

（1）经过20多口井的生产实践，证明该方法和解释流程具有较好的可操作性，解释结果可以满足工程地质需要。

（2）需要进一步研究认识动态过程和残余应力对磁测应力测量机理与规律的影响，逐步寻求工程应用的有效刻度方法。

（3）需要深入研究应力成像技术，提高磁测应力技术的应用水平。

磁测应力技术是一门成长中的科学技术，不论理论方法还是测井工程应用的实际经验都需要不断探索总结，必须像核磁共振等其他技术在石油行业的应用过程一样按照“实践、认识，再实践、再认识”辩证规律去开发应用这一技术。

［1］ 戴月祥，雪伟，陈风梅，等.套管井测井新技术及其应用［C］∥中国石油天然气集团公司科技发展部.第三届测井新技术交流会论文集［M］.北京：石油工业出版社，2007：172－179.

［2］ 王威，王社良.利用逆磁致伸缩效应检测钢铁结构应力状态［J］.建筑技术开发，2005，32（1）.

［3］ 王忠义，马文中，周志彬，等.油井套管应力检测仪器研制与应用［J］.测井技术，2007，31（2）：163－166.

［4］ 王忠义，陈国华，马文中，等.一种判断油井钢套管应力分布状况的磁敏检测方法：中国，CN01138879.X［P］.2001－12－18

Study on Interpretation Method of Magnetism－stress Log Data

WANG Zhongyi1，LI Ziping2，YANG Xuebing1，MA Wenzhong1，ZHOU Zhibin1，QI Xiangyang1
（1.Logging Company of Daqing Drilling Engineering Corporation，CNPC，Daqing，Heilongjiang 163412，China；2.No.1Oil Production Plant，Daqing Oilfield，Daqing，Heilonhjiang 163001，China）

Magnetism－stress logging is a new technology which can directly measure stress－distribution of steel casing.The log data can be used to estimate degree of casing damages and direction of waterflood pressure.The degree of casing damage is in direct proportion to the signal amplitude of the MST－Ⅱcasing stress detector and numbers of polar plates with abnormal signals.The polarity of the stress signal indicates the extruded or stretched direction of the casings.The stress value is directy proportional to the signal amplitude.The plane vector chart with 6polar plate measuring data may be used to interprete the degree of the casing damages.Imaging processing of the magnetism－stress logs is a new trend.Calibration methods will be studied in theories and with experiments.A new concept of apparent stress is suggested here.

production logging，log interpretation，casing damage，magnetism－stress，apparent stress，vector，stress data imaging

TE257.1 文献标识码：A

2011－06－21 本文编辑 李总南）

张少程，男，1939年生，从事射孔、测井技术研究工作。