張磊，韓耀圖，張羽臣，林家昱，竇蓬

1.中海石油（中國）有限公司 天津分公司 （天津 300459）2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室 （天津 300452）

在油田全壽命周期中，套管磨損、腐蝕、變形、穿孔及固井質(zhì)量不良等井筒完整性問題會嚴(yán)重影響油氣井完井建設(shè)和后期生產(chǎn)， 嚴(yán)重時誘發(fā)安全事故和極端環(huán)境問題[1-3]。 固井質(zhì)量評價對于海上平臺棄置尤為重要。 目前有多種測井儀器可用于評價固井質(zhì)量，如聲幅測井儀（CBL）、水泥膠結(jié)測井（SBT）、聲波-伽馬密度測井儀等[4-6]，但普遍存在識別方法單一、測量精度低等缺點，在評價低密度水泥固井質(zhì)量時效果較差[7-10]。 基于此背景，結(jié)合國內(nèi)首次應(yīng)用實例， 對中海油自主研發(fā)的新一代超聲蘭姆波成像測井儀在海上平臺棄置的應(yīng)用情況進行了綜合分析，并對其固井質(zhì)量評價精度進行了評價與驗證。

1 超聲蘭姆波成像測井儀的研制

1.1 工作原理

超聲蘭姆波成像測井儀（UCCS）采用超聲脈沖回波與撓曲波成像技術(shù)， 通過對超聲波脈沖回波和撓曲波波場的獨立測量， 實現(xiàn)對套管環(huán)空環(huán)境的描述以及對不同類型水泥固井質(zhì)量的評價[11-12]。 超聲蘭姆波成像測井儀的旋轉(zhuǎn)探頭共包括4 個換能器：1 個垂直入射的超聲波換能器位于儀器一側(cè)， 用于生產(chǎn)和檢測脈沖回波，可測量聲阻抗；另外3 個換能器位于儀器另一側(cè)并呈一定角度排列，1 個發(fā)射2個接收，可測量蘭姆波在套管中傳播時的衰減，如圖1 所示。

圖1 超聲蘭姆波成像測井儀的結(jié)構(gòu)

測井時， 旋轉(zhuǎn)探頭以7.5 rad/s 的速度旋轉(zhuǎn)，超聲波換能器向套管發(fā)射一個稍微發(fā)散的波束， 使套管轉(zhuǎn)入厚度共振模式， 提供1 個5°或10°的方位分辨率，從而在每個深度產(chǎn)生36 個或72 個獨立波形。撓曲波發(fā)射器同時發(fā)射高頻脈沖波束， 在套管內(nèi)激發(fā)撓曲振動模式。隨著高頻脈沖波束的傳播，該振動模式將聲能傳入環(huán)空； 聲能會在具有聲阻抗差異的界面（如水泥/地層界面）產(chǎn)生反射，以撓曲波的形式由套管回傳，從而將能量再傳向套管內(nèi)流體。

蘭姆波在不同水泥環(huán)情況下的傳播存在差異，因此結(jié)合蘭姆波衰減測量值以及聲阻抗， 可判斷套管后面的介質(zhì)狀態(tài)（氣體、液體或固體）。 其中，聲阻抗可通過超聲波換能器直接測量得到， 蘭姆波衰減值則需根據(jù)2 個接收器的間距及接收到的波幅度等進行計算，如圖2 所示。

圖2 遠(yuǎn)、近接收器接收到的蘭姆波

根據(jù)超聲蘭姆波成像測井儀大量實測數(shù)據(jù)，可得到測量點處套管外介質(zhì)形態(tài)， 進而確定每種介質(zhì)形態(tài)的覆蓋面積， 最終基于蘭姆波衰減與聲阻抗形成直觀、 易懂的固井質(zhì)量評價固-液-氣解釋圖版（圖3）。 從圖3 可看到，隨著聲阻抗及蘭姆波衰竭的逐漸增加，套管外介質(zhì)形態(tài)逐步由氣體轉(zhuǎn)化為液體，最終轉(zhuǎn)化為固體，固井質(zhì)量也隨之變好。

圖3 固-液-氣解釋圖版

1.2 儀器創(chuàng)新點

超聲蘭姆波成像測井儀主要技術(shù)指標(biāo)如下：

可檢測套管厚度范圍：5~16 mm；

套管壁厚測量精度：±6%；

最小可檢測串槽和缺陷尺寸：30 mm；

聲阻抗分辨率：0.2 MRayl；

聲阻抗測量精度：±15 %；

徑向分辨率360 °；

最高工作溫度：175 °C；

最高工作壓力：140 MPa；

作業(yè)套管尺寸：139.7~339.725 mm（5.5～13.375 in）。

儀器可檢測套管厚度范圍為5~16 mm，聲阻抗測量精度為±15 %，徑向分辨率360°，可測量139.7~339.725 mm（5.5～13.375 in）套管的固井質(zhì)量。

超聲蘭姆波成像測井儀一次下井即可完成井壁成像、固井質(zhì)量評價等作業(yè)，主要功能有：能夠進行套管內(nèi)徑和厚度檢測；進行竄槽、缺陷評價；分析管外水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量；識別套管背后介質(zhì)類型；指示套管在井眼中位置； 有效解決低密度水泥固井質(zhì)量評價難題，并能指示套管偏心程度等。

2 應(yīng)用實例分析

2.1 C 平臺棄置情況簡介

海上某油田C 平臺設(shè)計壽命為10 年， 于1999年投產(chǎn)，共有4 口生產(chǎn)井。截至2007 年，平臺4 口生產(chǎn)井產(chǎn)出物全為水，無生產(chǎn)價值，且平臺設(shè)備長時間閑置導(dǎo)致設(shè)備及管道腐蝕嚴(yán)重，決定棄井。因此需要檢測固井質(zhì)量，指導(dǎo)切割作業(yè)。

C3 井為一口水平井，其井身結(jié)構(gòu)為Φ508 mm×224 m+Φ244.5 mm×1 101.15 m+Φ139.7 mm×1 715 m， 其中Φ244.5 mm 的表層套管水泥漿密度為1.6 g/cm3，屬于低密度水泥漿[13]。為選取固井質(zhì)量較好的井段進行套管切割， 首先利用水泥膠結(jié)測井（SBT）評價固井質(zhì)量。 結(jié)果顯示，井段固井質(zhì)量較差，響應(yīng)接近自由套管，無可選用切割套管井段，無法指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)。 因此，利用超聲蘭姆波成像測井儀對C3 井重新進行了固井質(zhì)量評價。

2.2 超聲蘭姆波成像測井固井質(zhì)量評價結(jié)果分析

將超聲蘭姆波成像測井得到的固井質(zhì)量評價結(jié)果與水泥膠結(jié)測井（SBT）評價結(jié)果進行了對比分析，見表1。 從表1 可看到：①C3 井49 m 以上，超聲蘭姆波成像測井判斷為液體，即為自由套管段，與水泥膠結(jié)測井（SBT）評價一致；②49~57 m，超聲蘭姆波成像測井判斷為過渡帶，水泥膠結(jié)測井判斷為自由套管或固井差；③57~160 m，超聲蘭姆波成像測井為固體響應(yīng)，聲阻抗和衰減值在全井段中最大，水泥膠結(jié)測井在此段判斷固井質(zhì)量顯示效果不好；④160~300 m，超聲蘭姆波成像測井仍為固體響應(yīng)，水泥膠結(jié)測井判斷為固井質(zhì)量差。

表1 超聲蘭姆波成像測井（UCCS）與水泥膠結(jié)測井（SBT）結(jié)果對比

進一步選取30~70 m 井段進行水泥膠結(jié)測井與超聲蘭姆波成像測井固井質(zhì)量解釋成果圖的對比分析，如圖4 所示。 其中：①左側(cè)為水泥膠結(jié)測井解釋圖，該圖第1 道信息為深度數(shù)據(jù)；第2 道顯示6 個極板的聲波幅度衰減； 第3 道為平均聲波幅度衰減曲線、最小及最大聲波幅度衰減曲線、聲波平均幅度曲線；第4 道為水泥膠結(jié)質(zhì)量成像圖；第5 道為聲波變密度圖。 ②右側(cè)為超聲蘭姆波成像測井解釋成果圖，第1 道信息為蘭姆波衰減值，存在最大值、最小值、平均值3 條曲線，數(shù)值越大表明衰減越大；第2道為衰減成像圖，越接近紅色表明衰減值越大；第3道為聲阻抗曲線，數(shù)值越大表明聲阻抗越大；第4 道為聲阻抗圖，越接近紅色表明值越大；第5 道為平均衰減、聲阻抗曲線；第6 道為氣液固（S-L-G）指示道，紅色代表氣體，藍(lán)色代表液體，綠色代表固體。

圖4 水泥膠結(jié)測井（SBT）與超聲蘭姆波成像測井（UCCS）固井質(zhì)量解釋成果對比圖

從圖4 可以看出： ①30~50 m 井段水泥膠結(jié)測井顯示套管波強而無地層波的存在， 解釋為無水泥膠結(jié)[14]；而超聲蘭姆波成像測井蘭姆波衰減值為0.4 dB/cm、聲阻抗值為1.7 MRayl，兩值均較小，表明水泥外介質(zhì)為液體，并未封固水泥。②50~58 m 井段水泥膠結(jié)測井仍顯示為無水泥膠結(jié)； 而超聲蘭姆波成像測井蘭姆波衰減值為0.9 dB/cm、 聲阻抗值為2.5 MRayl，表明該井段為固體，但由于此處為混漿過渡段，密度更低，水泥膠結(jié)測井無法識別。 ③58~70 m井段水泥膠結(jié)測井顯示有水泥膠結(jié)，但深色較少，表明固井質(zhì)量中等； 而超聲蘭姆波成像測井蘭姆波衰減值為1.9 dB/cm、聲阻抗值為3 MRayl，表明套管外為固體，但S-L-G 指示道存在紅色區(qū)域，認(rèn)為該處水泥缺失。 綜合水泥膠結(jié)測井與超聲蘭姆波成像測井固井質(zhì)量解釋成果， 推薦套管切割深度為60~70 m。

2.3 現(xiàn)場結(jié)果驗證

C3 井套管實際切割深度為60~70 m，套管切割后回收斷面如圖5 所示。從切割后回收的實物看，本段部分一界面固井質(zhì)量良好， 超聲蘭姆波成像測井測量顯示大部分為固體（綠色），而少部分為水泥缺失（紅色），與實物符合度高。而水泥膠結(jié)測井在此處雖然解釋為中等，但顯示效果不好，原因是水泥膠結(jié)測井徑向分辨率?。?0°），且采用單一衰減率方法分析判斷精度較低[15]，無法滿足低密度水泥漿的評價。綜上認(rèn)為， 超聲蘭姆波成像測井儀進行固井質(zhì)量評價時，與實際情況符合度較高，評價效果較好，尤其適用于低密度水泥漿固井的井。

圖5 套管切割后回收斷面圖

3 結(jié)論

1）超聲蘭姆波成像測井儀采用超聲脈沖回波與撓曲波成像技術(shù)， 通過對超聲波脈沖回波和撓曲波波場的獨立測量，可對套管進行360°全井眼覆蓋并成像顯示，聲阻抗測量精度為±15%，徑向分辨率高。

2）基于蘭姆波衰減測量值及聲阻抗形成的固-液-氣解釋圖版，可以確定套管外介質(zhì)形態(tài)，尤其適用于低密度水泥漿的固井質(zhì)量評價。C3 井測量實例表明， 評價結(jié)果與現(xiàn)場套管切割后回收斷面符合度高，驗證了其檢測精度，為后續(xù)套管切割作業(yè)提供了可靠依據(jù)。

3）超聲蘭姆波成像測井儀是新興的固井測量儀器，對低密度水泥漿固井質(zhì)量評價效果較好，可進一步推廣到其他油田進行固井質(zhì)量檢測與評價。