第十一章 套管工程监测测井

第十一章套管工程检测测井图11-1中给出了工程测井常遇到的井身结构示意图。图11-1井身结构示意图第一节油井的井身结构及井口装置1.1井身结构井身结构中的所有深度均从钻井时转盘补心面算起。套管下入长度和下入深度不一致，其差值是套管近地面一根的接箍面至转盘补心平面距离，即套管头至补心距；套管法兰距转盘方补心的距离称为套补距；油补距的长度是油管头法兰顶面(套管四通法兰顶面)到补心的距离。图11-2油套补距及套管头至补心距示意图1.2井口深度及井口装置（1）井中深度通常井口装置就是指采油树，如图11-3所示。图11-3井口装置示意图1—

油管压力表；2—清蜡闸门；4—油嘴套；5—出油管；6—总闸门；7—套管闸门；8—套管压力表；9—套管；10—油管（2）井口装置以X-Y井径仪为例说明常用井径仪的工作原理。该仪器的结构如图11-4所示。测量时通过如图11-5所示的桥式电路把电阻变化转换成电压信号输出。图11-4X-Y井径仪工作原理图12-5桥式测量线路示意图第二节井径测井2.1测量原理多臂井径仪由30、36、40和60个测量臂组成，测量的基本原理与X-Y井径仪相似，主要差别是测量臂数不同。多臂井径仪的优点是可以探测到套管不同方位上的形变。图11-6是36臂井径测井曲线，曲线变化显示在井深为1001米处套管严重变形，最小内径为90mm，最大内径为159.5mm，判断为套管严重变形，并存在穿透或破裂的可能性，需要进行修复。图11-636臂井径曲线2.2多臂井径仪套管与周围地层流体及套管内流体发生作用是导致腐蚀的主要原因。根据腐蚀原理，常见的腐蚀分为电化学腐蚀、化学腐蚀、电化学和环境影响、电化学和机械共同作用产生的腐蚀。3.1套管腐蚀原理第三节磁测井仪器管子分析仪是利用套管的电磁特性，通过测量仪器和漏磁通量获取套管内外腐蚀及穿孔状况的信息。图11-8是测量仪器的示意图，主要由上下两个极板组组成，每组六个极板组成，相位上两个极板组有一定重合。每个极板上有三个线圈（如图12-9所示），上、下两个线圈为漏磁通线圈，中间为涡流线圈。图11-8上下极板间的重叠图11-9线圈示意图3.2管子分析仪测量时，电磁铁产生一磁场，与套管耦合后在套管缺陷的附近产生磁力线的畸变，在缺陷的上部和下部有一个垂直于套管壁的磁通分量。这样在磁漏失线圈中会产生一个与正常磁通随深度的变化率有关的感应电流，该信号也是极板组内6个线圈中最大的，它表明套管在此处存在缺陷。上、下极板之间的涡流线圈探测套管内表面裂痕的高频电磁信号。套管内表面的损坏使感应磁场的分布发生畸变，因此涡流线圈中感应电流会发生变化，涡流线圈的探测深度为1mm，记录的信号是该组6个极板中最大的一个数值。（1）测量原理漏磁通测试对垂直于套管壁和进入井眼的磁力线分量的梯度较为敏感，因此缺陷的陡度越大，信号越强。测井记录到的信号是六个极板中幅度最大的信号。记录时，把上、下极板的响应保持360ms可以得到增强曲线，从增强曲线上可以看到明显的尖峰。用漏磁通测试的总壁厚度与电磁测厚测井曲线组合，可以定量给出金属总损失的评价。图11-10漏磁通试验（2）磁通量漏失测试与正常套管感应磁场的正常分量相比，套管内侧损坏会使感应磁场的正常分量发生畸变，表现为漏磁通线圈中感应电流差值的变化，探测的深度大约为1mm，最终记录的信号是六个极板中幅度最大的。如果缺陷只在上极板组或下极板组上出现，由于极板覆盖，所探测的只是单个极板组探测的宽度。图11-11涡流测试（3）涡流测试电磁测厚仪测量的示意图如图12-13所示仪器测量的基本原理如图12-14所示。发射线圈L1与接收线圈L2之间的距离为L。图11-13电磁测厚仪图11-14电路原理方框图3.3磁测井仪器（1）测量原理如果发射线圈发射的是高频信号（大于20kHz），电磁波在套管内的传播即为谐振腔的一部分，高频信号在套管内壁产生涡流，涡流的产生使高频交变磁通的能量发生损耗。因此谐振腔回路输出的信号幅度将发生变化，由于高频的趋肤效应，输出信号的幅度是线圈与套管内表面距离（井径）的函数。因此利用高频工作区可以得到井径信息。（2）井径测量ETT-D仪器的结构如图11-15所示。ETT-D型电磁测厚仪采用了三种工作频率，使用中频测量套管的电磁特性，使用低频测量套管壁厚度，使用高频测量套管的直径。图11-15ETT-D探头结构示意图（3）电磁测厚仪（ETT）噪声测井仪的结构如图11-17所示，探测器部分的结构如图11-18所示。图11-17噪声井下仪器结构示意图图11-18噪声测井仪示意图第四节噪声测井4.1测量原理图11-19、图11-20、图11-21分别是单相水、单相气和气水两相流动的频谱特性实验曲线，实验由贝克阿特拉斯公司完成，图中显示，单相水和单相气的频谱相似，噪声最大幅度都出现在1000Hz～2000Hz范围内。图11-19单相水流动的噪声频谱图11-21气在水中流动的噪声频谱图11-20单相气流动的噪声频谱4.2流体的频谱特性噪声测井时由于仪器移动会产生声音因此都采用定点记录，在每个深度点上记录四个数据。两个测点的距离先选为3～6m，测量后对重要部位要使用0.3m左右间隔进行重新测量，以获得更详细的资料。测井结束后，对记录到的数据先进行电缆衰减校正，校正图版如图11-26所示。图11-26电缆线性校正因子4.3噪声测井过程及应用固井失败的主要后果是会导致渗透层之间流体的渗流。因此固井质量评价是工程测井中重要的一个作业，发现问题应及时修补。目前用于评价固井质量的测井主要有声幅测量（CBL）或叫水泥胶结测井、声波变密度测井及水泥评价测井（CET）。第五节固井评价测井声幅测井时记录沿套管传播的声波幅度（滑行波），以此来判断水泥胶结的好坏。固井声幅测井的下井仪器如图11-29所示。接收器接收的典型声幅信号如图11-30所示。图11-29水泥胶结测井图11-30两种典型的声幅信号5.1声幅测井(1)套管厚度套管越厚，声幅衰减越小(2)水泥环和仪器偏心水泥的密度越大，水泥的抗压强度越高，其声阻抗与套管的差异就越小，套管波的幅度将变小。在水泥密度一定的条件下，水泥环越厚，声波幅度越小。当厚度大于2cm时，套管波的幅度将降至最小且保持不变；仪器偏心时，声波沿不同的路径到达接收器，此时记录到的首波到达时间不同，实验表明，当仪器偏离中心0.25英寸时，首波幅度将减小二分之一。因此，测井时应使仪器居中测量。(3)测井时间水泥凝固20小时后，水泥抗压强度达到标称值的80%以上，可以进行测井。否则，水泥与套管胶结较差。（1）影响声幅的主要因素为了消除以上各因素对套管首波的影响，常采用声波幅度相对幅度进行解释，即：引进的CBL仪器把套管的直径、壁厚、水泥抗压强度综合起来利用胶结指数（BI）评价胶结效果，式中为C相对幅度，A为目的层段的声波幅度值，A0为自由套管的声波幅度值，Amin表示100%胶结井段的套管波的首波幅度。解释时通常认为：BI=1胶结好；1.0>BI>0.8胶结良好；0.8>BI>0.6胶结中等；0.6>BI>0.3胶结不好；BI<0.3胶结差，出现窜槽。（11-13）（11-16）（2）资料分析变密度测井原理如图11-39所示。图11-39变密度测井原理5.2声波变密度测井（1）测井原理(1)、自由套管在自由套管井段，大部分声波能量沿套管传播，传到地层中的声波能量非常小。因此在变密度图上出现强套管波信号，声波在套管壁上反复振荡形成前6至8个波全是套管波。传播时间稍有增加，套管波幅度变小，变密度曲线在接箍处有人字纹显示。(2)、水泥与套管及地层绞结良好在水泥与地层胶结都好的井段，因为水泥与钢管的声阻抗很接近，大部分声波能量穿过套管及水泥环进入地层传播。因此，在变密度图上套管波信号很弱或不存在，而地层波信号很强。甚至某些快速地层的地层波会出现在套管的位置上。（2）资料解释1(3)、水泥与地层胶结差，与套管胶结好在这种情况下，大部分声波能量穿过套管水泥环界面进入泥环，但传到地层中的声波能量很小，声波能量在水泥环中被衰减损耗。因此在变密度图上套管波信号很弱，以致E1幅度在检测电平之下，使传播时的测量将由触发，使得首波到达时间曲线（TT2）摇摆不定，此波称为周波踊跃。（2）资料解释2图11-44是CET测量原理结构图。声系有八个声波换能器，采用螺旋式排列，可以对套管进行扫描，在360度的圆周上形成45度的扇形面，超声波换能器可同时发射和接收八个声波信号。图11-44水泥评价测井仪测量原理5.3水泥评价测井仪（1）测量原理CET的仪器中，8个测量晶体纵向排列在2英尺的距离上，每个探头的外径为4英寸或3.375英寸，另外还有第九个晶体装在最下部，它把传播时间转换成距离（精度0.1mm），由此可以确定仪器的相对方位，并得出相距45°的8个视半径值，并进一步计算出4个套管直径和一条平均井径，最后计算其椭圆度（最大直径和最小直径的比值），作为衡量套管变形、损坏、崩塌的一个较灵敏的指标。(1)、仪器测量的特点a、减小微裂环的影响b、天然气效应识别(2)、与CBL、VDL相比，CET有以下优点：a、用八个换能器可以进行沿径向的水泥胶结评价；b、确定管外流体的抗压强度；c、可以消除微环的影响；d、可以消除环境影响：快速地层到达波、天然气效应、双套管等。e、可以确定井眼的几何信息：套管椭圆度；损坏程度等。（2）现场测量与资料处理若没有CET仪器，必须采用CBL、VDL仪器时，需要采用加压的办法进行测试。微裂缝是指套管外壁与水泥之间存在极小的环空间，一般只有0.1mm厚。产生微环空的原因有以下三种：

(1)、热致微环空：在水泥凝固时释放热量，使套管受热膨胀。固井后，温度降低，套管收缩，从而导致的环空间隙，这就是热致微环空。

(2)、工程致微环空：它分两种情况，一是在固井过程中由于某种原因需要加压作业，完工后，压力取消，出现微环空；二是固井后，由于再次钻井，水泥环受振动而产生微环空。

(3)、次生微环空：由于固井前后静液柱压力变化产生的微环空。（3）裂缝的加压测试井下超声电视测井又称三维井壁超声成像测井，是利用超声波的传播物和井壁对超声波的反射性质研究井身剖面的。既可用于裸眼井，又可用于套管井。测井结果以图像形式给出。利用计算机图像处理技术对回波幅度及时间信息进行处理，可以以三维、二维方式显示出套管的立体图、纵横截面图，并可同时测出声波井径曲线。仪器的核心是一个压电晶体换能器，测井时向井臂发射2MHz的超声波换能器，同时接收套管反射的回波，同时探头沿井柱旋转扫描。第六节井下超声电视测井仪器测量原理图如图11-56所示图11-56GCT测量原理第七节连续测斜仪7.1仪器结构图11-59三自由度陀螺仪示意图陀螺仪是连续测斜仪的关键单元，三自由度陀螺仪结构如图11-59所示。框架上的圆盘高速旋转，并可以在任意位置移动，但陀螺仪的旋转轴保持固定，中心圆盘的高速旋转能使陀螺仪轴指向一个固定的方向，该方向为连续测斜仪的参考方向。当外力（地球自转和机械不平衡）对陀螺仪的圆盘施加一个力矩时，陀螺仪圆盘沿与施加力矩成90度的方向运动，并开始进行进动运动，通过测量进动速度确定该力距的大小。它有三个自由轴，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轴，陀螺电机绕Ⅲ轴以2150r/min逆时针高速旋转，同时内框架可绕Ⅱ轴转动。外框架也可绕Ⅰ轴转动，三个轴互相垂直并交于一点，这一点正是陀螺的重心，这样陀螺的自重就不至于在各轴上产生重力矩，从而