声波电磁管外窜槽检测系统设计

安百新，杨 玲，石 琼，蔡增田，王 昕，党 博

（1.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司 石油工程技术研究院，山东 东营 257000；2.西安石油大学 陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西 西安 710065）

0 引 言

随着油气井勘探开发的不断深入，储层管外窜通或地层窜通的油水井日益增多，容易造成注采失衡，导致油井产量下降，严重影响油气田的开发和经济效益。因此，对管外窜通情况进行高精度检测是评价管外窜漏、制定封窜堵漏措施的有效手段。目前，国内外找窜找漏方法主要有井温法、声波法、电磁法、同位素法、中子寿命法和噪声法。经过多年的研究，上述方法在管外窜槽检测方面均取得了一定的成果，但通常都是单项测量，工期较长、效率较低。文献[10]将噪声-流量测井与堵漏工具组合，在获取井下各深度处噪声和流量数据的同时，利用堵漏工具坐封在任意深度，可准确定位井筒管漏。文献[11]提出了多组合找漏找窜测井方法，将井温、流量、示踪剂和氧活化水流等多种测井方法进行组合，可获取较多的地层和井况信息，测量范围大、精度较高。但以上方法探测深度较浅，且无法判断窜通具体类型。

针对以上问题，本文提出了一种基于声波电磁传感器的管外窜槽测试系统。将超声波传感器测取的套外水泥胶结情况及井筒内的流体特性和电磁传感器测取的套后储层电阻率相结合，通过对组合式探测系统的软硬件进行设计，可实现储层串层的综合解释和窜槽位置的定性评价，最大程度避免误判、漏判。

1 基于声波电磁传感器的管外窜槽检测原理

1.1 电磁传感器套外地层电阻率检测原理

建立瞬变电磁套外介质检测模型如图1所示。将发射线圈和接收线圈均绕制在磁芯上，形成电磁传感器，通过给发射线圈施加瞬变激励，在发射间隙利用接收线圈接收二次场，通过二次场信息可对包括套管、水泥环、套后地层在内的多层介质电阻率信息进行反演。

图1 瞬变电磁套外介质检测模型

基于法拉第电磁感应定律，通过求解亥姆霍兹方程，电磁传感器接收的感应电动势可写为：

式中：为采样时间；为收发距离；为地层电阻率；D为阶G-S逆拉普拉斯变换的积分系数；为激励的关断时间。可以看出，当采样时间和探头结构固定时，接收线圈感应电动势只与地层电阻率有关，因此，可以通过接收响应对套外介质的电阻率进行判断。此外，由于二次涡流扩散随时间变化呈指数衰减特性，早期主要对应浅部地层信息，晚期主要对应深部地层信息，将早晚期结合，全时间域分析可以获得较为全面的套外地层介质信息。

1.2 声波传感器套外介质径向分界面检测原理

声波测井通过测取油水井第一界面和第二界面的水泥胶结情况，实现管外窜槽的评价。利用阵列发射声系和4个接收声系组成声波传感器，发射声系和接收声系均采用压电陶瓷换能器。在井下探测过程中，利用接收声系接收由套管波和水泥环波以及水泥波和地层波引起的折射波的幅度，通过判断接收幅度的衰减速率或频率的变化等声学特性，可有效区分套外介质径向分界面。

通过求解波动函数，可得井中(,)处产生的声压表达式为：

式中：()为声源频谱，=2π，为声源主频；'(,,)为单极子声源对应的第一类变形贝塞尔函数的系数，为波数。可以看出，接收声压与井中测量位置和声波传播时间有关，当传播时间固定时，可根据接收声压对声波传播时间对应分界面处的胶结情况进行判断。声波幅值越小，套管与水泥环之间胶结越好；声波幅值越大，胶结越差。

2 声波电磁套外储层探测系统设计

2.1 系统总体设计

声波电磁套外储层探测系统整体结构如图2a）所示，主要包含声波测试短节、电磁测试短节和遥传短节三部分。其中，遥传短节主要由电源、时序控制模块、电缆通信模块和曼码总线通信模块组成，用于仪器供电、控制命令的下发以及测试信号的采集和存储。图2b）和图2c）分别为电磁测试短节和声波测试短节的结构图。

图2 基于声波电磁传感器的管外窜槽检测系统结构图

电磁传感器部分采用2个纵向主探头+4个横向辅探头+套管磁化装置的多分量探测模式，温度探头可对井下温度进行实时监测。声波测试短节采用3个纵向发射声系和4个接收声系进行探测，其中，发射和接收声系分别采用YTG-4N型和YTG-5N型压电陶瓷换能器，谐振频率为18～20 kHz，静电容为26 000（1±20%）pF，极化方向为银或镍电极径向极化。隔声体短节可有效衰减发射直达波的干扰，以便接收声系准确测取套管、水泥环和地层波信号。电磁测试短节和声波测试短节之间通过螺纹连接。

2.2 硬件电路设计

基于声波电磁传感器的管外窜槽检测系统电路部分主要包括发射驱动电路、分段衰减积分放大电路、井下耦合电路、前置放大电路、DC-DC输出级滤波电路、有源低通滤波器、伽马测量电路、温度测量电路、电源电路、信号放大电路等，其电路系统框图如图3所示。

图3 硬件电路系统框图

利用电磁测试短节和声波测试短节的发射驱动电路分别给电磁发射探头和声波发射声系发射信号，利用AD7656采集电磁接收探头和声波接收声系接收到的井下电阻率信息和声幅信息。首先对采集到的数据进行编码，然后通过耦合变压器将其耦合至单芯电缆上，并传至地面处理模块，地面处理模块通过耦合变压器提取耦合在单芯电缆中的测试信号，并实现信号的处理。

2.3 地面软件设计

地面控制系统通过单芯电缆为井下探测系统供电，井下探测系统将测取的电阻率、声幅、温度、伽马等信息传至地面控制系统进行预处理，再通过USB线连接至上位机软件实现误差校正、结果解释、曲线绘制、图形编辑等精细化处理。其中，地面控制软件采用LabVIEW编程，其上位机显示界面如图4所示。

图4 上位机软件界面

如图4所示，设计的基于声波电磁传感器的管外窜槽检测系统可实时显示电磁传感器测取的电阻率信息和声波传感器测取的声幅等信息，通过对电阻率信息和声波传感器测试信息联合处理，可获取管外窜槽位置和窜槽类型。软件可实现感应电动势和声幅曲线的实时在线显示以及数据保存、数据回放等功能。

3 基于声波电磁传感器的多参数联合解释方法

电磁法可根据涡流扩散时间将包括套管、水泥环和地层在内的多层介质逐层分离解释。但由于探测范围为2～3 m空间内，地层介质的体积占绝大多数，地层响应信号的强度要强于水泥环响应信号。但是，从探测距离来看，水泥环在地层之前，这种情况下，瞬变电磁法在逐层分离时无法有效剥离水泥环。

然而，利用声波过套管探测的声幅信息可清晰区分水泥第一界面和第二界面的特性。因此，只有将两种传感器测取的井下多参数联合解释，才可获取较为全面的井下窜通信息。井下多参数联合解释方法流程如图5所示。

图5 井下多参数联合解释方法流程

4 实验与分析

为了验证所提出的基于声波电磁传感器的管外窜槽检测系统的性能，在现河采油厂通61-202井和通61-斜205井分别开展现场测试。其中，通61-斜205井射开层上部（1 489.5～1 492 m）无水泥环。测试过程中，电磁和声波测试短节均可正常工作，且数据传输稳定。

分别对通61-202井无窜槽井段（62～106 m）和通61-斜205井窜槽井段（1 480～1 524 m）进行处理分析，得到的解释结果分别如图6a）和图6b）所示。

分析图6a）可以看出，该井在62～106 m井段套管质量良好，第一界面良好，第二界面较差。但需要说明的是，由于该井段不存在窜层现象，因此仅能证明声波电磁复合式探测系统具备验证套管、水泥环、套外地层等多层复杂结构的能力。图6b）中，1 489.5～1 503 m第一界面胶结质量较差，其中，电磁探测电阻率显示该井在射开层（1 489.5～1 492 m）存在高阻油层，且1 489.5～1 503 m声幅和声波变密度曲线明显降低，有水淹特征，综上所述，该井在1 489.5～1 503 m存在窜层。

图6 声波电磁管外窜检测结果

5 结 语

针对开发后期的油水井窜通问题，本文提出了一种基于声波电磁传感器的管外窜槽检测系统。基于电磁法和声波法井下探测模型，采用声波电磁传感器，通过设计复合式检测系统的硬件、软件以及地面处理模块，结合声波电磁一体化解释算法，可对油水井管外窜槽情况进行高精度检测和评价。现场实验结果表明，本文提出的方法可准确评价油水井窜通情况，对油田精细开发、套损防控具有重要意义。