張曉誠，李 進，韓耀圖，霍宏博，李疾翎，范子濤，郭明龍

(1.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，天津 300459；2.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459；3.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；4.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300459)

0 引 言

在油氣井開采過程中，受地層蠕變、地應(yīng)力變化、腐蝕流體和固井質(zhì)量等多種因素的影響，在井下服役的套管會發(fā)生變形、腐蝕穿孔、破裂、脫扣等損壞，嚴(yán)重影響油氣井正常作業(yè)與生產(chǎn)[1-5]。準(zhǔn)確檢測套管損壞(簡稱“套損”)位置及損壞方式是油氣井套損原因分析及治理的關(guān)鍵，目前常用的套損檢測手段主要有機械式多臂井徑儀檢測、漏磁檢測和噪聲檢測[6-11]。機械式檢測方式不受介質(zhì)影響，分辨率及檢測精度高，但該方式只能檢測套管內(nèi)壁的損壞，無法檢測套管外壁及外層套管的損壞；漏磁檢測的優(yōu)點在于對小缺陷尺寸敏感，但對大規(guī)模的腐蝕不敏感，同時僅可檢測內(nèi)層套管，不適用于多層套管的套損檢測；噪聲檢測主要通過檢測管柱總厚度的方式判斷套損，檢測過程不受介質(zhì)影響，但該方式在多層管柱檢測中的應(yīng)用效果欠佳。近年來，渤海油田部分老油田開發(fā)進入中后期[12]，油井套損率逐年增加[13-16]，受限于現(xiàn)有套損檢測技術(shù)手段存在的上述不足，亟需研發(fā)新的套損檢測裝備和技術(shù)以滿足渤海油田生產(chǎn)過程中的套損檢測需求。

1 超聲蘭姆波成像測井儀

1.1 儀器結(jié)構(gòu)及參數(shù)

超聲蘭姆波成像測井儀基于脈沖回波和撓曲波成像技術(shù)進行測井，利用垂直入射及共振波進行套損檢測與評價，儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。超聲蘭姆波成像測井儀的核心部件旋轉(zhuǎn)掃描頭由4個探頭構(gòu)成，分別為遠接收探頭、近接收探頭、垂直入射探頭和發(fā)射探頭，其中：垂直入射探頭位于旋轉(zhuǎn)掃描頭的一側(cè)，用于超聲脈沖回波的產(chǎn)生與接收檢測，屬于自發(fā)自收探頭；另外3個探頭位于旋轉(zhuǎn)掃描頭的另一側(cè)，成一定傾斜角度排列，掃描頭底端的探頭用于撓曲波(即蘭姆波)的發(fā)射，掃描頭上端的2個探頭為接收探頭，用于接收經(jīng)套管、水泥環(huán)或地層反射回來的蘭姆波，并檢測其衰減幅值，以達到測井的目的。該超聲蘭姆波測井儀成像屬于B型顯示，采用零階反對稱的漏蘭姆波進行測井，采用蘭姆波逆時偏移成像方法進行測井成像[17-19]。

圖1 超聲蘭姆波成像測井儀結(jié)構(gòu)圖

超聲蘭姆波成像測井儀主要技術(shù)指標(biāo)如表1和表2所示。

表1 超聲蘭姆波成像測井儀環(huán)境及機械指標(biāo)

表2 超聲蘭姆波成像測井儀測量指標(biāo)

1.2 套損評價原理

利用圖1中的垂直入射探頭產(chǎn)生的脈沖回波進行測井，通過垂直入射探頭記錄的套管表面反射波及后續(xù)共振波兩項信息結(jié)合起來實現(xiàn)套損評價，具體原理為：垂直入射探頭為自發(fā)自收探頭，不斷地向套管、水泥環(huán)和地層發(fā)送脈沖回波，脈沖回波的入射角為0°，中心頻率為420 kHz，脈沖回波在套管表面反射形成反射波，同時脈沖波進入套管后，在套管中激起共振產(chǎn)生共振波。超聲脈沖回波檢測原理如圖2所示。由于套管自然諧振頻率與套管壁厚成反比，因此在垂直入射探頭接收共振波后，可按式(1)由初始回波厚度諧振響應(yīng)得到套管厚度：

圖2 超聲脈沖回波檢測原理

(1)

式中：H為套管壁厚；V為聲波在套管中的傳播速率；f為采集到的共振波頻率。

同時，根據(jù)聲波傳播時間和套管厚度測量結(jié)果，計算出套管的內(nèi)徑和外徑。反射波波形的最大幅度可指示套管的內(nèi)壁粗糙度，從而可評價套管腐蝕、變形等套損情況。

1.3 套管居中度計算模型

基于超聲蘭姆波在水泥環(huán)、套管、泥漿等不同介質(zhì)中傳播速率不同的原理，利用超聲蘭姆波測井儀接收探頭接收到的直達蘭姆波與二界面回波的時間差，可計算套管與井壁之間的水泥環(huán)厚度，然后由井周360°厚度差異可計算套管居中度。超聲蘭姆波和二界面回波路徑如圖3所示，其中：αf為蘭姆波入射角度；α為蘭姆波的出射角度；v為蘭姆波在水泥環(huán)內(nèi)的傳播速率；Δd為水泥環(huán)厚度；vs為蘭姆波在套管內(nèi)的傳播速率；vf為蘭姆波在泥漿內(nèi)的傳播速率。超聲蘭姆波的發(fā)射頻率為420 kHz，入射角為33°，采用該入射角主要考慮到入射角度變化對接收探頭接收到的聲波幅值的影響。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射角為33°時反射波幅度具有高值響應(yīng)，易于測量，同時在該角度下蘭姆波對套管外側(cè)介質(zhì)的響應(yīng)幅值差異最明顯，角度較大會降低蘭姆波的靈敏度[20]。

圖3 超聲蘭姆波和二界面回波路徑示例

套管居中度分析模型如下：

蘭姆波在水泥環(huán)中的傳播時間為

(2)

式中：tv為蘭姆波在水泥環(huán)內(nèi)的傳播時間。

蘭姆波在套管內(nèi)的傳播時間ts為

(3)

由Snell定律可知：

(4)

將式(2)～式(4)化簡，可得

(5)

式中：Δt為二界面回波與直達蘭姆波的傳播時間差。

因此，水泥環(huán)厚度計算式為

(6)

在測井過程中，超聲蘭姆波旋轉(zhuǎn)掃描頭會對井壁進行360°掃描，按式(1)～式(6)可得井周任意位置的水泥環(huán)厚度，則套管在井眼中的居中度ε為

(7)

式中：Δdmin為井周最小水泥環(huán)厚度；Δdmax為井周最大水泥環(huán)厚度。

由式(7)可知：當(dāng)套管完全貼壁時，Δdmin=0 m，此時套管居中度為0；當(dāng)套管完全居中時，Δdmin=Δdmax，此時套管居中度為100%。

2 試驗井測試分析

按照海上油田常用的7英寸套管和9-5/8英寸套管標(biāo)準(zhǔn)制作試驗?zāi)Ｐ?，通過室內(nèi)試驗井測試套損檢測結(jié)果。試驗套管模型長12～13 m，如圖4所示。檢驗超聲蘭姆波成像測井儀對套管縱向刻槽、厚度變化和橫向刻槽的測井響應(yīng)，測試結(jié)果如圖5所示。

圖4 試驗套管模型

圖5 試驗井套損檢測響應(yīng)結(jié)果

由圖5可知，超聲蘭姆波成像測井結(jié)果可清晰地顯示縱向刻槽、厚度變化和橫向刻槽，成像測井響應(yīng)特征明顯。尤其在套管厚度檢測方面，可通過壁厚成像和歸一化幅度值精確反應(yīng)出所測套管的厚度變化。不同套管厚度(8 mm、9 mm、10 mm和11 mm)檢測響應(yīng)在測井解釋曲線中成臺階狀曲線。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

3.1 X井基本情況

X井為曹妃甸油田館陶組的一口8-1/2英寸裸眼水平生產(chǎn)井，采用三開井身結(jié)構(gòu)：一開16英寸井眼鉆進至井深400.00 m，下13-3/8英寸套管至398.81 m；二開12-1/4英寸井眼設(shè)計鉆進至井深2 771.39 m，下9-5/8英寸套管至2 769.00 m；三開8-1/2英寸井眼設(shè)計鉆進至井深3 310.00 m，設(shè)計裸眼段長541.00 m。該井完井方式采用8-1/2英寸裸眼+6-5/8英寸優(yōu)質(zhì)篩管簡易防砂，防砂精度為120 μm，下入普通合采生產(chǎn)管柱。X井館陶組儲層孔隙度分布為18%～30%，平均為26%，滲透率為1～4 000 mD，平均為727 mD，具有中高孔-高滲的特征，屬于帶氣頂和底水的構(gòu)造油藏，地層壓力系數(shù)為1.01，壓力梯度為0.97 MPa/100 m，溫度梯度為3.54 ℃/100 m，屬正常壓力和溫度系統(tǒng)。

3.2 X井作業(yè)復(fù)雜情況描述

X井在下刮管洗井管柱時，下鉆至52.0 m處，遇阻3 t，左右搖晃管柱，緩慢通過。隨后，下防砂管柱至同樣深度，篩管引鞋通過此處，遇阻4 t，上下活動通過。起甩防砂服務(wù)管柱至同樣深度，過提近20 t，多次上下活動，同時搖晃鉆桿，順利通過。結(jié)合該深度的遇阻情況，查套管表，發(fā)現(xiàn)在52.2 m處有一個套管接箍，初步懷疑該套管接箍異常。

防砂管柱下入到位，頂替裸眼段泥漿至頂部封隔器以上300.0 m。然后，坐封頂部封隔器，驗卡瓦已張開。在下壓5 t位置，固井泵環(huán)空打壓驗封，排量為550 L/min，壓力最高上漲至260 psi，持續(xù)打壓10 min壓力不再上漲，觀察井口環(huán)空無返出，停泵后壓力穩(wěn)定在230 psi。

檢查地面流程，確認(rèn)無誤。對相關(guān)地面管匯試壓：500 psi×5 min，1 000 psi×15 min，壓力不降，放壓至零。再次導(dǎo)通驗封流程，泥漿泵環(huán)空打壓驗封，排量為300 L/min，壓力穩(wěn)定在200 psi。5 min后提排量至600 L/min，壓力穩(wěn)定在260 psi，持續(xù)打壓50 min，累計泵入完井液30 m3，其間檢查地面流程及井口無漏點。停泵后，觀察井口有少量液體返出，持續(xù)10 min后停止?，F(xiàn)場判斷頂部封隔器的膠筒動作不到位或“O”圈失效，造成液體擠入地層。

匯報基地，重新打壓坐封頂部封隔器，最高打壓至3 000 psi，導(dǎo)通驗封流程，環(huán)空打壓，現(xiàn)象不變。重新打壓至3 450 psi，壓力突降，球座剪切。正轉(zhuǎn)管柱，脫手服務(wù)工具。替入完井液，導(dǎo)通試擠流程，泥漿泵環(huán)空反擠工作液：排量為300 L/min，壓力穩(wěn)定在174 psi；排量為600 L/min，壓力穩(wěn)定在204 psi。參數(shù)及停泵后環(huán)空回吐現(xiàn)象與環(huán)空驗封時基本一致，停泵；測井筒靜態(tài)漏失量為0.5 m3/h，起出防砂服務(wù)工具，發(fā)現(xiàn)頂部封隔器坐封工具最上面1道密封圈磨損嚴(yán)重，另外3道密封圈完好。

基于上述作業(yè)現(xiàn)象，現(xiàn)場判斷是頂部封隔器膠皮密封不嚴(yán)導(dǎo)致環(huán)空無法穩(wěn)壓，因此決定再下一個頂部封隔器，在原頂部封隔器上方坐封。第二個頂部封隔器下鉆到位后，固井泵打壓至3 000 psi坐封頂部封隔器，驗卡瓦已張開。

在下壓5 t位置，固井泵環(huán)空打壓驗封，排量為600 L/min，壓力最高上漲至450 psi，持續(xù)打壓10 min壓力不再上漲，觀察井口環(huán)空無返出，停泵后壓力穩(wěn)定在260 psi。在下壓10 t位置，泥漿泵環(huán)空打壓驗封，排量為300 L/min，壓力穩(wěn)定在260 psi。5 min后提排量至600 L/min，壓力穩(wěn)定在400 psi，持續(xù)打壓12 min，累計泵入完井液7.2 m3，其間檢查地面流程及井口無漏點。停泵后，觀察井口環(huán)空有少量液體返出，持續(xù)10 min后停止。與防砂管柱的頂封驗封對比，排量均為600 L/min，泵壓較之前高1.0 MPa，但現(xiàn)象與之前一樣，驗封不成功。

匯報基地，正轉(zhuǎn)管柱，脫手服務(wù)工具。固井泵打壓剪切球座，測井筒靜態(tài)漏失量為0.2 m3/h，起鉆。

由上述現(xiàn)象可知，X井環(huán)空試壓無法穩(wěn)壓的原因不在于封隔器密封問題，因為2個封隔器坐封后出現(xiàn)完全相同的現(xiàn)場。此時，懷疑9-5/8英寸套管鞋以上可能存在漏點。隨后，起鉆至井口，采用固井泵往套管頭翼閥試擠，排量為1.3 bbl(1 bbl≈0.159 m3)，泵壓為7～9 psi，井筒液面上漲明顯，停固井泵后，環(huán)空液面轉(zhuǎn)為微降。再次開泵，井筒液面再次上漲明顯。

因此，現(xiàn)場確定9-5/8英寸套管存在明顯的漏點，在套管頭翼閥試擠過程中，能連通井筒。同時，結(jié)合刮管洗井管柱和防砂管柱下入過程中的管柱阻卡現(xiàn)象，初步確定套管漏點位置在52.0 m附近。為進一步明確9-5/8英寸套損形式和情況，現(xiàn)場決定采用超聲蘭姆波成像測井儀進行套損檢測。

3.3 超聲蘭姆波測井結(jié)果分析與驗證

采用超聲蘭姆波成像測井儀對X井0～85.0 m井段進行套算檢測，從檢測波形曲線來看，52.0 m附近波形異于其他，表現(xiàn)為波幅降低、到時延長，如圖6所示。35.0 m以上井筒內(nèi)為空氣，采集不到波形，52.0 m附近異常波形反映該處套管狀態(tài)異常，該井套損成像解釋成果如圖7所示。

圖6 X井套損檢測波形圖

由圖7可知，在52.1～53.1 m井段，聲波幅度成像呈現(xiàn)明顯淺色，到時成像呈現(xiàn)黑色，即該測量段聲波幅度降低，到達時間延長，從而導(dǎo)致計算套管內(nèi)徑異常。結(jié)合測井顯示的52.1～53.1 m上下接箍位置(40.2 m、64.4 m)及套管長度，判斷52.1～53.1 m測量段為接箍附近，綜合分析認(rèn)為52.1～53.1 m接箍附近套管異常。該異常的具體工程現(xiàn)象及導(dǎo)致該異常的原因從超聲蘭姆波成像測井方面難以界定，如套管腐蝕損傷、脫扣、變形等均可導(dǎo)致該現(xiàn)象，但從測井響應(yīng)來看52.5 m、53.1 m處與接箍響應(yīng)類似，且52.5～53.1 m信號異常，回波幅度較低。同時，由于該井套管下入時間短，尚未投入生產(chǎn)，因此套管腐蝕的原因完全可以排除。綜合套損檢測響應(yīng)和分析，認(rèn)為52.1～53.1 m井段發(fā)生套管脫扣的可性能最大。

圖7 X井套損成像解釋成果圖

在得到上述套損檢測結(jié)論后，現(xiàn)場決定將52.1 m以上套管拔出井筒，然后下入新的套管進行對扣作業(yè)。上提防噴器組，拆、甩油管四通和變徑法蘭。組下9-5/8英寸套管撈矛至36.0 m，上提套管，過提5 t后套管被提活，充分發(fā)生套管脫扣的情況。起出9-5/8英寸套管，觀察最后一根套管公扣端破損嚴(yán)重：一處破損缺口長為13 cm、寬為2.5 cm；另一處破損缺口長為3 cm、寬為1 cm。其他部分絲扣基本完好。具體如圖8所示。上述現(xiàn)象充分證明超聲蘭姆波成像測井儀在X井套損檢測和評價中的正確性，為該井復(fù)雜情況處理措施提供很好的決策依據(jù)。

圖8 起出后的9-5/8英寸套管照片

起出9-5/8英寸套管后，組下回接套管管柱：5根9-5/8英寸套管(1Cr-L80，47 lb-ft，1 lb-ft≈1.356 3 N·m，偏梯形螺紋接箍)+大小頭+變扣+5-1/2英寸短鉆桿。緩慢下放至53.1 m，遇阻0.5 t，確認(rèn)探到魚頂，套管鉗反轉(zhuǎn)套管1.5圈，懸重突然恢復(fù)正常且有明顯下行現(xiàn)象，立即緩慢下放套管并正轉(zhuǎn)上扣至9 500 lb-ft，累計正轉(zhuǎn)9圈，下行0.12 m。過提15 t，并穩(wěn)定5 min，套管柱無明顯上移，確認(rèn)對扣回接成功。

4 結(jié) 論

(1)超聲蘭姆波成像測井儀主要原理是基于脈沖回波和撓曲波成像技術(shù)進行測井，利用垂直入射探頭記錄的套管表面反射波及后續(xù)共振波進行套損檢測與評價，通過直達蘭姆波與二界面回波在不同介質(zhì)中的傳播速率差異計算環(huán)空水泥環(huán)厚度，從而實現(xiàn)套管居中度的分析。

(2)超聲蘭姆波成像測井儀成功應(yīng)用于曹妃甸油田X井套損檢測，為該井的復(fù)雜情況處理措施提供了決策依據(jù)，成功指導(dǎo)了該井的作業(yè)。

(3)應(yīng)用表明，超聲蘭姆波成像測井儀套損檢測精度高。同時，該儀器還可用于套管環(huán)空介質(zhì)檢測、低密度水泥環(huán)固井質(zhì)量評價，可為油田射孔、棄井作業(yè)、套管處理等作業(yè)方案提供決策依據(jù)，推廣應(yīng)用前景廣闊。