在油田开发进人中后期阶段, 通常采用注水的方法来稳定油气产量, 但由于注水压力与破裂压力的不平衡很容易导致套管破损；且地层应力的各向异性^[1]及井内外液体的化学腐蚀等作用, 也是影响套管变形、腐蚀的因素。因此套损检测为油气的稳产增产起着重要作用。国外油田服务公司早已推出基于超声脉冲反射法的测井仪器, 如Halliburton公司的CAST-F仪器, 采用不同频率的超声换能器, 对不同型号的套管均可进行套损评价^[2]。Schlumberger公司的Isolation Scanner仪器不但可以进行套损检测, 还可以针对一界面及二界面的水泥胶结质量作定量评价^[3]。

近几年, 国内的科研单位在超声波反射测井的测量理论、数值模拟方法、实验室测量等方面^[4-7]展开工作, 但有关超声波反射测井仪器开发及应用评价方面的研究鲜有报道。中国石油2004年推出了多参数超声工程测井仪^{[8, 9]}, 该仪器可评价套损及水泥胶结质量, 但未见该仪器更多现场实际应用的报道。中海油田服务股份有限公司于2009年推出ECBI井周声波成像测井仪^[10], 该仪器可在裸眼井中旋转扫描, 对井壁表面进行高分辨率成像, 但无法实现套损评价及高分辨率水泥胶结质量评价。中海油田服务股份有限公司于2011年自主研制出多功能超声波成像测井仪（MUIL, Multifunctional Ultrasonic Imaging Logging Tool) ^[11], 该仪器不但可以对裸眼井进行扫描成像, 而且还可以对套管厚度及水泥胶结情况作定量评价, 现场实测资料初步证实该仪器的换能器特性、电子线路耐温性及可靠性, 波形处理方法, 均达到了国外同类仪器的水平。

本文首先介绍超声脉冲反射法测量原理, 对MUIL仪器实测的波形进行分析。然后对MUIL仪器现场实测裸眼井及套管井资料进行处理, 分别从裸眼井井壁成像、套管厚度评价及水泥胶结质量评价几个方面进行分析, 说明该仪器具有实现上述功能的能力。

超声脉冲反射法测量时, 发射换能器为自发自收探头, 首先对发射探头激励一个超声波脉冲信号。声波脉冲信号在流体中传播然后人射到套管内。其中大部分声波能量反射回来被换能器接收。剩余的声波能量进人套管, 声波信号在套管与水泥环和套管与地层表面之间进行多次的反射。在每个表面, 都会有一些能量被反射, 一些能量透射出去, 能量的大小是由两种材料声阻抗的差异决定的。由于套管的声阻抗和流体的声阻抗为常数, 所以套管内的信号是以一定的速率衰减, 信号的大小依赖于套管外面材料的声阻抗。套管外面材料的声阻抗越大, 套管内的共振波幅度越小；反之, 套管外面材料的声阻抗越小, 套管内的共振波幅度越大。利用套管共振波幅度的强弱可以评价套管外面材料的声阻抗大小, 进而对套管外水泥胶结质量进行评价。同时, 利用套管共振波及声波在套管中的纵波传播速度可以评价套管厚度。

MUIL仪器采用了超声脉冲反射法的测量原理, 图 1为MUIL仪器的测井示意图, 测量时仪器位于充满泥桨液体的套管中, 依靠扶正器的作用尽量保证仪器居中, 最外层为无限大地层, 地层与套管之间为水泥环。通过仪器扫旋转上升不断采集沿井眼纵向和径向大量井壁介质信息, 再经过数据处理, 得到套管厚度及水泥胶结状况等信息。

图 1(Fig. 1)

图 1 MUIL仪器测量原理示意图

图 2为MUIL仪器探头发射一次超声脉冲信号现场采集的波形及其频谱图。由图可见, 依次到达接收探头的分别是套管内壁的反射波、套管的共振波及套管内壁的二次反射波。波形的频谱曲线有明显的谱陷特征, 且谱陷对应的频率即为套管的共振频率。

图 2(Fig. 2)

图 2 实测波形及其频谱图

图 3为MUIL仪器在某套管井某深度处扫描一周记录的波形, 探头扫描一周共采集60道波形。由图可见, 该仪器一周采集的波形与图 2中单道波形形态相似, 波形信噪比良好, 换能器依次接收到同样为套管内壁的反射波、套管的共振波、及套管内壁的二次反射波。每道波形首波的到时有明显差异, 原因是测井过程中, 虽然扶正器对仪器的居中起到一定的作用, 但是仍不能消除仪器偏心的影响, 所以对成果图像进行偏心校正是必不可少的。

图 3(Fig. 3)

图 3 仪器扫描一周记录的波形

对图 3中的每道波形分别进行频谱分析得到其频谱曲线, 如图 4所示。由图可见, 每道频谱曲线中谱陷对应的频率略有差异, 且峰值的幅度也不尽相同。这是由于套管一周各个方向上的套管厚度及水泥胶结状况不完全一致。对MUIL仪器扫描一周记录的每道波形进行波形处理, 就可以得到一周的套管厚度及该深度处的水泥胶结质量信息；对整个测量井段的波形进行处理, 就可以得到测量井段的套损情况及水泥胶结质量状况。

图 4(Fig. 4)

图 4 仪器扫描一周波形的频谱曲线

MUIL仪器裸眼井成像测井模式与传统的井周声波扫描成像测量原理基本一致, 均采用高频聚焦换能器向井壁发射超声脉冲并接收其反射回波, 同时换能器绕井轴360度旋转扫描, 进行高分辨率数据采集, 利用记录的回波信息对井壁进行成像, 从而获得井壁的地质构造信息。回波幅度的变化通常反映的是地层声阻抗的差异, 如地层的岩性、层理、裂缝、孔洞等地质构造均有不同的回波响应。回波传播时间的变化通常反映了井径的变化, 利用回波到时的差异可以实现高分辨率井径成像。

图 5给出MUIL测井仪在某井测量的井壁成像成果曲线（测量井段为2 350 ~ 2 370 m)。图中第三道为幅度成像曲线, 第四道为旅行时成像曲线。由图可见, 该测量段包含了丰富的地质构造信息, 其中2 350 ~ 2 356 m深度段的地层, 反射波的幅度曲线和到时曲线与其他测量井段有明显的差异, 这反映了地层岩性的变化。整个测量段中幅度成像曲线中清晰可见若干条形状规则、平缓的正弦波曲线, 这是层界面的典型标志。在该井2 361 m深度处, 幅度成像曲线中还可以观察到类似于圆形状的白色斑点, 说明此处的回波幅度很弱, 同时在到时曲线显示为黑色斑点, 说明回波的到时比较晚, 这种地质构造特征是孔洞的表征。

图 5(Fig. 5)

图 5 MUIL仪器在某裸眼井测量的内壁成像成果图

MUIL仪器在套管井进行套损评价时采用三种不同频率的平面高频换能器进行测量。探头的中心频率分别为250、350、450 kHz, 每种频率的换能器测量一定范围内的套管厚度, 三种频率探头可以覆盖总的套管厚度为5 ~ 16 mm, 可以满足油井不同厚度套管的测量需要。每种频率的探头分别对应几种不同尺寸的探头, 用以满足不同的套管内径尺寸的测量需要。

图 6为该仪器在某实验井测量的套管厚度成果图, MUIL仪器可每旋转一周采集60道波形, 由于无法全部绘制, 仅在图中第三、第四、第五、第六道显示了仪器在井周四个方位的测量原始波形曲线, 第七道为处理后的套管最小厚度曲线、最大厚度曲线及平均厚度曲线, 图中第八道为处理得到的套管厚度成像图。由图可见, 原始波形中首波为套管内壁的反射波, 幅度最强, 随后到达的为套管的共振波, 幅度较弱, 由于仪器偏心的影响, 随着深度的变化, 首波的到时也不一致。图中第八道的厚度成像曲线色标中, 白色表示套管的标准厚度, 绿色表示套管厚度变薄, 且颜色越深表示腐蚀的越严重, 蓝色表示套管厚度变厚, 且颜色越深表示套管厚度增加的越多。已知该井套管的标准厚度为11.99 mm, 由套管厚度曲线可见, 计算的套管平均厚度曲线与套管的标准厚度曲线基本一致。在1 353 ~ 1 358 m井段范围内, 测量的套管最大厚度与最小厚度的差别在3 mm右。在厚度成像曲线中也清晰可见某方位的套管壁厚变薄, 说明有一定的腐蚀, 而某部分的套管厚度略有增加, 说明套管可能有污染, 套管壁附着一定结垢导致厚度增加。

图 6(Fig. 6)

图 6 MUIL仪器在某实验井实测波形及套管厚度测量结果

MUIL仪器在进行套损评价测量时, 对测量到的套管共振波进行处理, 就可以同时进行水泥胶结质量评价。该仪器水泥胶结质量评价原理是利用了套管后材料的声阻抗数值的差异, 由于气体、液体、固体材料有不同的声阻抗的差异, 从而导致测量的套管共振波幅度也不同, 进而可以计算套管后材料的声阻抗。同时, 该仪器具有很高的周向分辨率, 测量时根据实际工程需要, 可以选择合适的周向采样率, 该仪器每周最少可以进行60次采集, 最多可达到100次采集, 所以仪器的周向分辨率最高为3.6度。

图 7为MUIL仪器在某井现场实测量水泥胶结质量评价成果图, 图中分别绘制了水泥声阻抗成像曲线；最大声阻抗曲线、最小声阻抗曲线及平均声阻抗曲线；气体、液体、固体含量曲线等。由图 7(a)可见, 平均声阻抗曲线数值大约在1.7 MRayls, 由于纯水的声阻抗为1.5MRayls, 所以该测量井段接近于自由套管, 液体的质量分数接近100%, 而固体的接近0%。由图 7(b)可见, 平均声阻抗曲线数值大约在2.5 M Rayls, 大于纯水的声阻抗而小于一般水泥的声阻抗, 所以绝大部分的测量井段为混浆段, 水泥胶结质量一般, 液体、固体的质量分数相当。同时由声阻抗的成像图可见, 井周不同方位的水泥声阻抗分布不均匀, 某些方位处的声阻抗数值较大, 水泥胶结质量很好, 所以MUIL仪器测量的水泥胶结质量有很好的周向分辨率。由图 7(c)可见, 平均声阻抗数值大约在3.8 M Rayls, 由于一般水泥的声阻抗大于3 M Rayls, 所以该测量井段水泥胶结质量良好, 固体的质量分数接近100%, 而液体的接近0%。声阻抗的成像图表明, 井周不同方位的水泥声阻抗分布较为均匀。

图 7(Fig. 7)

图 7 MUIL仪器在某井测量的水泥胶结质量评价成果图

分析了多功能超声波成像测井仪器在实际裸眼井及套管井中的实测效果。

该仪器采用超声脉冲反射法测量套管内壁的反射波及套管内的共振波, 利用反射波幅度及到时信息对井眼内壁成像, 利用共振波频率特性评价套管外一界面水泥声阻抗。

该仪器具有很高的周向分辨能力, 这种优势在处理现场资料过程中得以体现。仪器采用一周最高为100次的超声波脉冲进行数据采集, 其测量的周向分辨率可达3.6度, 远高于CBL、SBT等常规水泥胶结质量评价仪的测量分辨率。