多层管柱损伤电成像测井仪在钻完井作业中的应用

赵成龙，王俊石，孙帅帅，王瑞祥，高旸昭

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300459；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459）

引言

在海上油气田开发过程中，井槽的利用率尤为关键，这也就意味着，对低产低效井的治理，多依赖于老井槽进行井筒弃置及侧钻作业。而在井筒弃置作业中，原井老套管的套损情况对于后续侧钻作业又起着指导作用。当前渤海常用的套损测定方法，往往需要占用大量井口时间，且无法在作业前获知套管损伤情况，不能对后期处理套管、选择侧钻点等作业方案的决策起到较早的资料支持。故在渤海某油田P6/P7 井的侧钻作业中，引入了多层管柱损伤电成像测井工具，对老井眼套管进行套损测定。

1 多层管柱损伤电成像测井仪器简介

多层管柱损伤电成像测井仪（MDI-ONE）是新一代高精度智能数字化测井仪器，具体结构图见图1，通过对井筒做“胃镜”，不动管柱的情况下了解多层管柱腐蚀情况，可以使用电缆、钢丝、连续油管、钻杆等不同输送方式，摆脱了水平井测井对爬行器的依赖，避免爬行器落井事故，提高现场施工时效，满足复杂井况下的测井需求。

图1 多层管柱损伤电成像测井仪结构

1.1 工具原理

多层管柱损伤电成像测井仪（MDI-ONE）可以对高能电磁脉冲响应变化进行精细记录，由于空气对高能电磁脉冲响应的衰减速率相较于金属管的情况要快，故可以通过匹配测量和数值模拟的磁化衰减速率来评估仪器周围的金属存在。如果仪器周围有多层套管，则需要用到双传感器（短和长），以确保可靠地检测到多管柱的信息，并独立区分每个管柱中的缺陷[1]。则近端管柱会在较早的时间做出响应，而较远的管道会在较晚的时间做出响应，此现象是检测每个单独管柱中的金属的关键, 从而实现全井多层管柱的成像测井。能够穿过油管检测由于腐蚀或其他因素造成的金属损失，并监控套管穿孔情况，工作示意图见图2。

图2 多层管柱损伤电成像测井仪工作示意图

MDI-ONE 电磁探伤成像测井仪的理论基础是电磁感应定律。将模拟衰减与实际响应进行比较，可以计算出第一、第二管柱的壁厚[2]。实际测井过程中，对发射线圈接通直流电，将系统对磁干扰的响应计算简化为计算接收线圈附近的磁场强度，电磁场的形状将描述为以下两个方程式

式中：ε 为接受线圈的感应电动势；S 为接收线圈总面积；S1为第一线圈面积；N 为线圈匝数；K 为磁滞常数；φ 为磁通量；B 为磁场强度。

当作业仪器确定后，接收线圈总面积S 即为一个常量，当发射线圈被施加直流电后，由于电磁感应现象，会产生一个磁场（式中B 表示），在工具串的移动过程中，套管或油管会切割磁场中的磁感线，从而产生感应电动势，而这个感应电动势被接收线圈记录后，即为ε 值[3]。

由于实际操作中全井测井速度一致，故产生的电动势仅由切割磁感线的管柱本身的形状与位置有关。

当工具测量管柱为一层套管时，ε 可以进行如下表述

式中：T1为套管柱的厚度；μ1为套管柱的磁导率；σ1为套管柱的电导率；D1为套管柱的外径；Tc为井温。

在油井的注水或生产过程中，生产油管、套管会存在不同程度的壁厚变薄、开裂、变形、穿孔等现象，这种现象统称为管柱损伤。在管柱发生损伤的情况下，会导致套管柱的厚度、套管柱的磁导率、套管柱的电导率、套管柱的外径等数据与出厂时的数据有着明显差异。伴随着套管损伤情况的加重，多层管柱损伤电成像测井仪所测得的ε 值也会随之变小[4]。

当工具过油管测井或测量多层套管套损时，ε 可以进行如下表述

式中：T1，T2为第一层、第二次被测管材的厚度；μ1，μ2为第一层、第二次被测管材的磁导率；σ1，σ2为第一层、第二次被测管材的电导率；D1，D2为第一层、第二次被测管材的外径；EX 为内、外管相对位置几何校正系数。

类似地，在使用多层管柱损伤电成像测井仪进行多层管柱测井时，由于管柱存在扭曲、变形所导致的相对位置差，故需在单层计算的基础上加入内、外管相对位置几何校正系数（EX）值，校正因ε 计算值的偏差导致的套管、油管厚度上的计算偏差。

该仪器检测到的响应具有复杂的时间特性，不能以简单的分析方式建模，这使得尽管多层管柱测井概念提出多年，但仍处于搁置状态。随着计算机速度和多核并行计算技术的最新进展，实现了对复杂响应的精确数值建模，并分别确定了多层管柱的金属含量。除了各层的厚度分布图之外，多层管柱损伤电成像测井仪工具还根据差异来生成差分（DELTA）数据模板，在数值模型和实际响应之间进行可视化[5]。

1.2 仪器参数

多层管柱损伤电成像测井仪器性能优良，具有高耐压、高耐温、高耐H2S 的特点，满足渤海油田绝大多数井下工况的使用。测量精度范围覆盖常用油套管尺寸，并且工具最大外径仅43 mm，具体见表1。而渤海油田常用的生产油管最小尺寸为2-7/8"，即62 mm，多层管柱损伤电成像测井仪器满足常用油管的通过要求，工具的实用性较强。

表1 多层管柱损伤电成像测井仪技术参数

1.3 同类型工具对比

表2 为多层管柱损伤电成像测井仪与其他渤海地区常用的同类型测井仪器的对比。通过对比可以看出，多层管柱损伤电成像测井仪输送方式更加多样性，涵盖电缆、钢丝、钻具、连续油管等输送方式，由送入方式即可确定，该测井方法不受井斜等因素的影响，可以将工具串顺利下放至测井井段，且仪器电池可工作70 h 以上。全新的声系加上高集成化的电路设计，使得仪器总长做到1.8 m，较短的仪器长度大大降低了仪器在井内发生脆性变形及螺旋屈曲的可能，在测试水平井和大斜度井时有更好的通过性和稳定性。并且该工具满足360°周向探测的同时，测量精度高于同类型测井仪器，且测井速度达到6 m/min，极大程度地缩短了测井作业时间，提高了作业时效。

表2 多层管柱损伤电成像测井仪与同类型仪器对比

2 应用实例

该技术分别在P6/P7 井中予以应用，使用效果良好，由于P7 井后续侧钻作业对老井套管承压性能要求较高，故在P7 井的弃井作业中，为了验证多层管柱损伤电成像测井方法的精确程度，起出原井生产管柱后，通过多功能超声成像测井技术对套管损伤进行再次测定，意图通过两套仪器及两种不同的测井方式进行对比，从而判定多层管柱损伤电成像测井方法得出的结论是否正确，两种测井所得结果见图3、图4。

图3 P7 井超声兰姆波测套管损伤示意

图4 P7 井过油管测套管损伤示意

多功能超声成像测井仪（MUIL）是一种超声波测井仪器，采用超声脉冲回波检测方法，可进行裸眼井井眼和套管井管柱内壁、套管壁厚、井周360°第一界面水泥胶结质量评价。仪器有成像模式和全波模式两种工作模式可供选择，成像模式可完成裸眼井井壁声波成像，声波探头依次向套管内壁发射声脉冲，然后由同一探头接收从套管反射的声波。每一次声脉冲发射都在套管内壁产生强的反射波，除了反射波以外，另一部分声波折射进入套管，以纵波的形式在套管的内外壁之间交替反射，使套管产生局部的“厚度振动”，从而确定套管厚度，计算套管损伤情况。

实际作业过程中，多功能超声成像测井仪顺利下放到位，出井后通过对测量段内部分井段垂直探头和斜入射探头测量的波形曲线回放，最终计算得出，相同井段内两次不同方法测量的套损结果基本一致，再次验证多层管柱损伤电成像测井方法的可靠性。

3 推广与使用前景

多层管柱损伤电成像测井技术可以实现一次入井，完成过生产油管对7"和9-5/8"等不同尺寸套管的测井，而且可以使用电缆、钢丝、连续油管、钻杆等不同输送方式。后续可以进一步对作业工序进行优化，在实际使用中，可以由弃井工序中的刮管洗井作业管柱携带测井工具串入井，完成测井工作，摆脱了大位移（大斜度）和水平井测井对爬行器的依赖，降低了作业风险，提高现场施工时效，满足复杂井况下的测井需求。

随着渤海油田开发进入中后期，由于海上油气田开发的特殊性，需尽量提高井槽利用率，低产低效井治理问题则尤为凸显。多层管柱损伤电成像测井可以为后续的井筒弃置及侧钻作业提供准确的资料支持，尤其是在大位移（大斜度）和水平井测井拥有广阔的应用前景。