石耀，郭海敏，李恒

（長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢430100）

王明朝，王迪

（中石油大慶鉆探工程公司測(cè)井二公司，吉林 松原138000）

張金海

（中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司，陜西 西安710077）

侯振學(xué)

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 燕郊065201）

套管完井是最普通和最常見(jiàn)的完井方式，由于井下環(huán)境復(fù)雜，套管往往在使用一段時(shí)間后會(huì)發(fā)生各種類(lèi)型的損壞。造成套管損壞的原因主要分為機(jī)械損傷和電化學(xué)損傷［1，2］。套管損壞一方面影響了油水井的生產(chǎn)效率，另一方面套變使得井間、層間壓力系統(tǒng)發(fā)生改變，對(duì)整個(gè)開(kāi)發(fā)區(qū)塊地層系統(tǒng)有很大影響，甚至影響到整個(gè)油田的可持續(xù)發(fā)展，因而套損套變監(jiān)測(cè)變得尤為重要。40臂井徑測(cè)井和電磁探傷測(cè)井技術(shù)是2種重要的套損檢測(cè)手段。40臂井徑測(cè)井是依靠測(cè)量臂與套管內(nèi)壁接觸，記錄套管內(nèi)井徑，并與套管公稱(chēng)內(nèi)徑對(duì)比或進(jìn)行成像分析確定是否發(fā)生套損。電磁探傷測(cè)井屬于磁測(cè)井系列，該技術(shù)利用電磁感應(yīng)原理［1］，測(cè)量并記錄套管（或油管）內(nèi)部感生電動(dòng)勢(shì)大小，經(jīng)過(guò)專(zhuān)用軟件計(jì)算，得到油管／套管壁厚，從而判斷套損套變。由于井徑測(cè)井和電磁探傷測(cè)井各有優(yōu)缺點(diǎn)，為此筆者將二者結(jié)合起來(lái)，以達(dá)到準(zhǔn)確識(shí)別并判斷套損套變類(lèi)型的目的。

1 40臂井徑測(cè)井原理及優(yōu)缺點(diǎn)分析

多臂井徑測(cè)井是較早發(fā)展起來(lái)的一種套損監(jiān)測(cè)技術(shù)。40臂井徑測(cè)井是井徑測(cè)井系列的一個(gè)重要組成部分。40臂測(cè)井儀器是接觸式測(cè)量?jī)x器，即通過(guò)井徑儀的測(cè)量臂與套管內(nèi)壁接觸，將套管內(nèi)壁變化轉(zhuǎn)為井徑測(cè)量臂徑向位移，通過(guò)井徑內(nèi)部的機(jī)械設(shè)計(jì)，即傳遞為推桿的直線(xiàn)位移，線(xiàn)性電位器或差動(dòng)變壓器輸出電位信號(hào)。該電位信號(hào)轉(zhuǎn)化為井徑信息儲(chǔ)存起來(lái)［3］。儀器的傳感器采用的是非接觸式位移傳感器，其特點(diǎn)是測(cè)量精度以及靈敏度都比較高，同時(shí)在儀器使用過(guò)程中傳感器不會(huì)有磨損，減少了傳感器的維修量，從而可以增加儀器的使用壽命。

圖1中所示的虛線(xiàn)部分為臂的收攏狀態(tài)，實(shí)線(xiàn)為張開(kāi)位置。由于彈簧的作用，使測(cè)臂緊貼井壁，當(dāng)井壁有變形時(shí)，測(cè)臂隨井壁的變形而張收，從而帶動(dòng)測(cè)桿的軸向移動(dòng)；彈簧的作用使位移傳感器測(cè)桿緊貼測(cè)量臂的端面，當(dāng)測(cè)桿軸向移動(dòng)時(shí)，測(cè)量臂做同步跟隨運(yùn)動(dòng)。由于測(cè)桿的軸向移動(dòng)使得位移傳感器輸出的波形峰值隨之變化。將位移傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大、整流濾波處理后，可以得到與套管內(nèi)徑有關(guān)的電壓，將該電壓通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字并傳輸給地面數(shù)控系統(tǒng)，再由地面數(shù)控系統(tǒng)將所得到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為套管內(nèi)徑。40臂井徑儀一次下井可以記錄40條套管內(nèi)半徑，通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件處理可得到套管內(nèi)壁成像圖［4］。

40臂井徑儀器的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精確度比較高，測(cè)井曲線(xiàn)反映出的套管變形狀況比較詳細(xì)。經(jīng)過(guò)專(zhuān)用軟件處理可以還原為套管內(nèi)壁成像圖，解釋人員可直接觀察套管內(nèi)壁情況。另一方面，該儀器在下井時(shí)還可以記錄一條方位曲線(xiàn)（相對(duì)方位），根據(jù)該套損方位曲線(xiàn)，通過(guò)專(zhuān)用處理軟件，可以將40條井徑曲線(xiàn)還原到各自相對(duì)固定的方位（儀器開(kāi)始測(cè)量時(shí)各測(cè)量臂所在方位），能準(zhǔn)確地確定套管發(fā)生套損，例如孔洞，裂縫所在方位。缺點(diǎn)是井徑測(cè)井只能測(cè)量套管內(nèi)壁變化情況，對(duì)于常見(jiàn)的套管外壁損傷，多層套管損傷無(wú)法測(cè)量。此外，這種機(jī)械接觸式測(cè)量?jī)x受井中環(huán)境影響較大，一定程度上減小了測(cè)量結(jié)果的精度。例如井筒中有異物，可能會(huì)導(dǎo)致儀器測(cè)量臂難以自由張開(kāi)，還可能將井筒異物反應(yīng)為套損的特點(diǎn)，導(dǎo)致誤判等。

40臂井徑儀器得到的40條套管內(nèi)半徑曲線(xiàn)可用來(lái)確定套管的變形、錯(cuò)斷、彎曲、內(nèi)壁腐蝕等。X1井前期只進(jìn)行了40臂井徑測(cè)井，得到了40臂井徑曲線(xiàn)（圖2中第6道），處理得到了三維管柱圖（圖2中第7、8道），可以看到，在深度2390～2400m井段，40臂井徑曲線(xiàn)抖動(dòng)頻繁，呈雜亂無(wú)章形態(tài)；從管柱三維圖也可發(fā)現(xiàn)，套管內(nèi)壁凹凸不平，因此解釋人員判斷該井段套管出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的腐蝕。后經(jīng)過(guò)電磁探傷測(cè)井，得到了縱向A探頭（長(zhǎng)探頭）的A2、A4曲線(xiàn)，橫向B探頭的B1曲線(xiàn)，縱向C探頭（短探頭）的C2曲線(xiàn)（圖2中第2道），以及通過(guò)計(jì)算得到的視平均壁厚曲線(xiàn)（圖2中第3道），發(fā)現(xiàn)在2390～2400m井段，套管并未發(fā)生金屬丟失情況，即套管質(zhì)地并未發(fā)生明顯變化，判斷該段套管沒(méi)有發(fā)生腐蝕。該種情況下誤判是由40臂井徑測(cè)井的原理限制造成的。

2 電磁探傷測(cè)井原理及優(yōu)缺點(diǎn)分析

EMDS－42電磁探傷測(cè)井儀屬于磁測(cè)井系列，其理論基礎(chǔ)是法拉第電磁感應(yīng)定律，即變化的電場(chǎng)在周?chē)臻g產(chǎn)生磁場(chǎng)。變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)：

式中：ε為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V；Φ為磁通量，Wb；t為時(shí)間，s；S為線(xiàn)圈截面積，m2；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A／m。

當(dāng)鋼管（油套管）厚度變化或存在缺陷時(shí)，ε將發(fā)生變化，通過(guò)分析和計(jì)算，在單、雙層管柱結(jié)構(gòu)下，可判斷管柱的裂縫和孔洞，得到管柱的壁厚。

單層管柱結(jié)構(gòu)

雙層管柱結(jié)構(gòu)

式中：d為套管厚度，m；μ為套管磁導(dǎo)率，H／m；σ為套管電導(dǎo)率，S／m；D為套管外徑，m；d1、d2分別為內(nèi)、外管柱的厚度，m；μ1、μ2分別為內(nèi)、外管柱的磁導(dǎo)率，H／m；σ1、σ2分別為內(nèi)、外管柱的電導(dǎo)率，S／m；D1、D2分別為內(nèi)、外管柱的外徑，m。

在正常情況下，μ、σ、D和t都已知，只有d未知。因此，測(cè)得ε1、ε2時(shí)，就可以得到d1、d2（即公式（2）、（3）的聯(lián)立解），此時(shí)計(jì)算出管壁厚度是損壞部位的均勻壁厚（視平均壁厚）［4，5］。

圖2 X1井測(cè)井解釋成果圖

EMDS－42電磁探傷測(cè)井儀由多個(gè)探頭和上、下扶正器及相關(guān)電路組成（見(jiàn)圖3）。其中，井溫探頭用來(lái)檢測(cè)井內(nèi)流體溫度場(chǎng)的變化，確定出液口的位置；自然伽馬探頭用于探測(cè)井身周?chē)匀毁ゑR強(qiáng)度；探頭A、B、BB、C用于檢測(cè)套管損傷。

圖3 EMDS－42電磁探傷測(cè)井儀示意圖

測(cè)井時(shí)由地面系統(tǒng)給發(fā)射線(xiàn)圈一個(gè)恒定的正直流脈沖，整個(gè)周期為480ms。480ms分為2個(gè)發(fā)射周期和2個(gè)測(cè)量周期，供給發(fā)射探頭的是一個(gè)強(qiáng)直流脈沖，斷開(kāi)供電電流的時(shí)間（120ms），在接收線(xiàn)圈中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并且感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅度呈指數(shù)衰減，探頭A、B、C在不同時(shí)間進(jìn)行信息采集，可獲得內(nèi)、外管柱的技術(shù)狀況。理論分析表明，如果鋼管的厚度越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的衰減就緩慢，反之，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的衰減就較快。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減較快的時(shí)間段來(lái)自?xún)?nèi)管柱的變化，衰減緩慢的時(shí)間段主要表示內(nèi)、外管柱的變化。在內(nèi)管柱初步確定以后，影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減的因素就是外管柱。因此在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的衰減過(guò)程中，利用該方法可把內(nèi)、外管柱對(duì)測(cè)量的影響區(qū)別開(kāi)。

電磁探傷測(cè)井儀電磁探傷儀的主要優(yōu)點(diǎn)是儀器外徑小，可過(guò)油管測(cè)量。它利用電磁感應(yīng)原理，是非接觸式儀器，能夠檢測(cè)多層管柱的損壞情況。儀器的小直徑使得儀器通過(guò)性較好，測(cè)井成功率大大提高，并且可以在正常生產(chǎn)的情況下進(jìn)行測(cè)井，測(cè)量結(jié)果不受井內(nèi)泥漿類(lèi)型、套管壁上的石蠟等井內(nèi)物質(zhì)的影響。電磁探傷是通過(guò)套管（或油管）中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小來(lái)探測(cè)套管的質(zhì)地是否發(fā)生變化的，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，由于各種工程操作，例如注水開(kāi)發(fā)，地層運(yùn)動(dòng)應(yīng)力作用等導(dǎo)致套管發(fā)生較大機(jī)械變形，這種機(jī)械形變并未伴隨著鋼套管的金屬性質(zhì)的變化，該種情況下，電磁探傷將無(wú)法識(shí)別出套損是否存在。另外，電磁探傷測(cè)井得到的多條感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)處理得到的套管壁厚是套管的平均壁厚，即視平均壁厚，無(wú)法具體反映套管具體在哪個(gè)方位出現(xiàn)了金屬丟失。以上存在的問(wèn)題是由于電磁探傷測(cè)井原理本身造成的，難以消除。

通過(guò)40臂井徑曲線(xiàn)形態(tài)觀察以及三維成像圖發(fā)現(xiàn)，X2井套管在2446～2467m井段的井徑曲線(xiàn)雜亂無(wú)章，有些位置甚至超出了套管的公稱(chēng)外徑（圖4），因而判斷該井段套管出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，甚至出現(xiàn)套管穿孔破裂情況。后通過(guò)加測(cè)電磁探傷測(cè)井發(fā)現(xiàn)，除縱向C2探頭曲線(xiàn)有抖動(dòng)外，其余各探頭曲線(xiàn)較為正常，視平均壁厚曲線(xiàn)也較為平滑，說(shuō)明部分套管內(nèi)壁發(fā)生了腐蝕，但沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕乃至套管穿孔破裂的情況。通過(guò)對(duì)該段套管部分的井徑截圖面觀察發(fā)現(xiàn)，該處井徑曲線(xiàn)發(fā)生嚴(yán)重抖動(dòng)的主要原因是套管受地層應(yīng)力作用發(fā)生了橢變，加上輕微腐蝕，從而使井徑曲線(xiàn)呈現(xiàn)雜亂無(wú)章的形態(tài)。

圖4 X2井測(cè)井解釋成果圖

3 兩種測(cè)井優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)及實(shí)際應(yīng)用分析

通過(guò)以上分析，由于40臂井徑測(cè)井和電磁探傷測(cè)井原理上的特點(diǎn)，導(dǎo)致2種套損監(jiān)測(cè)方式都有一定局限性。針對(duì)井下環(huán)境復(fù)雜多變、套損套變類(lèi)型難以精確確定的情況，筆者將40臂井徑測(cè)井和電磁探傷測(cè)井結(jié)合起來(lái)，相互彌補(bǔ)各自局限性，發(fā)揮各自?xún)?yōu)點(diǎn)，達(dá)到了準(zhǔn)確確定套損套變發(fā)生的位置、方位、類(lèi)型等。

如圖5所示，從40臂井徑曲線(xiàn)及電磁探傷各探頭探測(cè)到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線(xiàn)上都可以看出，在2341m附近出現(xiàn)明顯異常，由于已知該層段位于射孔層，因此可以確定射孔造成的孔洞確實(shí)存在；結(jié)合40臂井徑測(cè)井的井徑三維圖，即可確定射孔所在的準(zhǔn)確方位。

圖5 X3井測(cè)井解釋成果圖

圖6中40臂井徑曲線(xiàn)及三維圖顯示，在深度2145～2156m井段部分曲線(xiàn)形態(tài)異常，三維成像圖顯示套管一側(cè)發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)縮，電磁探傷各探頭探測(cè)到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線(xiàn)平滑，表明套管并無(wú)金屬丟失情況發(fā)生。由于40臂井徑曲線(xiàn)異常出現(xiàn)和消失都是突變而來(lái)，因此綜合分析認(rèn)為，40臂儀器在該層段部分測(cè)量臂遇阻未能正常打開(kāi)，從而導(dǎo)致曲線(xiàn)形態(tài)異常，最終判斷該段套管為正常套管。

圖6 X4井測(cè)井解釋成果圖

4 結(jié)論與建議

1）40臂井徑測(cè)量?jī)x能夠準(zhǔn)確定位套損套變發(fā)生的深度、方位以及嚴(yán)重程度，但只能探測(cè)內(nèi)層管柱套損情況，對(duì)于多層管柱的損傷無(wú)法全部檢測(cè)出來(lái)。

2）電磁探傷測(cè)井儀能夠探測(cè)多層管柱的損傷，能夠檢測(cè)出套管細(xì)微裂縫、孔洞等，但其無(wú)法確定損傷具體方位。

3）將40臂井徑測(cè)井與電磁探傷測(cè)井結(jié)合起來(lái)，不僅能夠精確定位套損套變發(fā)生類(lèi)型、程度，還能夠定位套損套變具體方位，而且能夠判斷多層套管損傷情況，二者相互印證實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，達(dá)到了準(zhǔn)確判斷定位套損的目的。

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