崔延慶 王倩 李曉衛(wèi)

摘 要：為明確油井內(nèi)套管和油管的損壞情況，提出一種油氣儲(chǔ)層裂縫電磁探傷測(cè)井技術(shù)。在對(duì)電磁探傷測(cè)井儀的物理基礎(chǔ)分析后，得到其結(jié)構(gòu)構(gòu)成和功能特點(diǎn)，對(duì)縱向探頭A、橫向探頭B和縱向探頭C的結(jié)構(gòu)設(shè)置方式和特點(diǎn)分析后，得到探頭A應(yīng)用在多層套管、縱向裂縫中最合適、探頭B應(yīng)用在單層套管、橫向裂縫中最合適、探頭C應(yīng)用在單層套管和縱向裂縫中最合適的結(jié)論。將其應(yīng)用在實(shí)例分析中，探測(cè)不同類(lèi)型的套管損壞情況，結(jié)果表明：實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)探測(cè)，可在人工不下井、不接觸的情況下獲取到套管的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息。

關(guān)鍵詞：油氣儲(chǔ)層裂縫；電磁探傷；測(cè)井技術(shù)；磁場(chǎng)強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TE927

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2023）07-0128-04

Optimization of electromagnetic flaw detection logging technology for oil and gas reservoir fractures

CUI Yanqing，WANG Qian，LI Xiaowei

（Changqing Oilfield No.1 Oil Production Plant，Yanan 716000， Shaanxi China

）

Abstract：To clarify the damage situation of casing and tubing in oil wells，an electromagnetic flaw detection logging technology for oil and gas reservoir fractures was proposed.After analyzing the physical basis of the electromagnetic flaw detection logging tool，its structural composition and functional characteristics were obtained.After analyzing the structural settings and characteristics of longitudinal probe A，transverse probe B，and longitudinal probe C，the conclusions were drawn that probe A is the most suitable for multi-layer casing and longitudinal cracks，probe B is the most suitable for single-layer casing and transverse cracks，and probe C is the most suitable for single-layer casing and longitudinal cracks.Applying the proposed technology to case analysis to detect different types of casing damage，the results show that the proposed technology achieves precise detection and can obtain various data information of the casing without workers entering the well or in contact.

Key words：oil and gas reservoir fractures;electromagnetic flaw detection;logging technology;magnetic field intensity

提出了多項(xiàng)測(cè)井技術(shù)。如利用雙向門(mén)控循環(huán)單元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)測(cè)井曲線(xiàn)進(jìn)行重構(gòu)，在對(duì)測(cè)井序列當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析和非線(xiàn)性映射關(guān)系分析后，利用智能補(bǔ)全技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)套管損壞的檢測(cè)［1］；利用三維聲波測(cè)井技術(shù)中的異性快速反演技術(shù)，從軸向、周向和徑向3個(gè)方向獲取油田的并周慢度成像，進(jìn)而完成對(duì)套管損壞的檢測(cè)［2］。

為此，提出一種電磁探傷測(cè)井技術(shù)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3所提技術(shù)能正確檢測(cè)出不同類(lèi)型的故障，提高對(duì)井身結(jié)構(gòu)的普查力度。

1 電磁探傷測(cè)井技術(shù)

油氣儲(chǔ)層裂縫電磁探傷測(cè)井技術(shù)是一種應(yīng)用于油氣勘探和生產(chǎn)中的測(cè)井技術(shù)。該技術(shù)主要是利用電磁波的傳播特性，通過(guò)探測(cè)儀器記錄測(cè)量地下儲(chǔ)層中的電磁波響應(yīng)信號(hào)，以便了解儲(chǔ)層中存在的裂縫、孔洞等特征。

其可以測(cè)量?jī)?chǔ)層的垂直電導(dǎo)率和垂直磁導(dǎo)率，從而評(píng)估儲(chǔ)層中的電磁響應(yīng)特征。該技術(shù)主要適用于水平井、水平分支井進(jìn)行水平裂縫、垂直裂縫檢測(cè)，不僅能檢測(cè)儲(chǔ)層的裂縫情況，還能定位地下儲(chǔ)層產(chǎn)生的砂包等問(wèn)題。

1.1 技術(shù)原理

電磁探傷測(cè)井儀的物理原理是法拉弟電磁感應(yīng)原理［3］。通過(guò)在繞線(xiàn)螺線(xiàn)管中輸入一定量的直流電，線(xiàn)圈附近生成一個(gè)恒定的磁場(chǎng)，切斷直流電后，則會(huì)產(chǎn)生一種反向磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)在繞線(xiàn)螺線(xiàn)管上呈現(xiàn)出一種隨著時(shí)間增加而逐漸減少的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（ε），表達(dá)式為：

ε=-dφdt（1）

dφ=dS·B（2）

式中：ε，φ表示磁通量；t表示時(shí)間；S表示繞線(xiàn)線(xiàn)圈的截面；B表示生成的恒定磁場(chǎng)強(qiáng)度。

當(dāng)油田套管損壞或管壁厚度發(fā)生變化時(shí)，ε的值也會(huì)隨之發(fā)生變化。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可知，單層管柱和雙層管柱的壁厚不同，針對(duì)壁厚進(jìn)行分析可以判斷套管是否發(fā)生損壞。

對(duì)單層管柱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后，得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε1的函數(shù)表達(dá)式：

ε1=f1（h1，μ1，σ1，D1，Tj）（3）

式中：f1表示函數(shù)系數(shù);h1表示管柱壁厚;μ1、σ1分別表示管柱的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率;D1表示管柱最外圈直徑的大小;Tj表示油井內(nèi)溫度。

再對(duì)雙層管柱進(jìn)行分析，得到其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε2的函數(shù)表達(dá)：

ε2=f2（h1，h2，σ1，σ2）（4）

式中：h1和h2分別表示管柱和套管的管柱壁厚;μ1和μ2分別表示管柱σ1和σ2套管的磁導(dǎo)率;σ1、σ2分別表示油管和套管的電導(dǎo)率。

在式（3）和式（4）中，磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率以及管柱壁厚是對(duì)ε1和ε2貢獻(xiàn)最大的3個(gè)值，磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率通常情況下是已知的，通過(guò)Tj完成校正，進(jìn)而可推導(dǎo)出h1和h2的值。

1.2 結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)分析

電磁探傷測(cè)井儀由2個(gè)扶正器和5個(gè)功能不同的探頭組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，在該儀器中，探頭A探測(cè)范圍最大，可分析計(jì)算單、雙層管柱的壁厚、探測(cè)管柱是否發(fā)生縱向裂縫以及腐蝕等損壞情況。探頭C可用來(lái)分析計(jì)算單層管柱壁厚、判斷內(nèi)管是否發(fā)生腐蝕［4］以及檢測(cè)內(nèi)管是否出現(xiàn)縱向裂縫。探頭B為橫向探頭，與管柱軸線(xiàn)為垂直關(guān)系，可用來(lái)分析計(jì)算內(nèi)管壁厚、檢測(cè)內(nèi)管是否發(fā)生橫向裂縫、變形和錯(cuò)斷等損壞情況。

1.3 磁探頭設(shè)置方式

由于3種探頭的用途各不相同，所以在設(shè)置方式上也有著一定的差異性，具體如圖2（a）、（b）、（c）所示。

1.3.1 縱向長(zhǎng)軸探頭A

對(duì)比圖2（a）和圖2（b），可以發(fā)現(xiàn)探頭A與探頭C的結(jié)構(gòu)設(shè)置方式非常接近，但是探頭A的長(zhǎng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探頭C的長(zhǎng)度。由于探頭A的線(xiàn)圈截面法向方向與管柱軸向方向［5］之間呈垂直關(guān)系，因此探頭A被稱(chēng)作是縱向長(zhǎng)軸探頭。

探頭A的發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈線(xiàn)徑、線(xiàn)圈纏繞匝數(shù)和截面長(zhǎng)度，都要比探頭B和探頭C大很多。將能量較低的直流電脈沖接入到發(fā)射線(xiàn)圈中，會(huì)迅速在線(xiàn)圈周?chē)纬梢粋€(gè)強(qiáng)勢(shì)且穩(wěn)定的磁場(chǎng)。通過(guò)電磁滲透原理［6］可知，當(dāng)磁力線(xiàn)經(jīng)由油管進(jìn)入到套管中時(shí)，油管和套管上分別會(huì)生成一個(gè)符合右手安培定則［7］的感生電流I1和I2，作用方向圖2（a）中給出了標(biāo)示。將直流電脈沖與發(fā)射線(xiàn)圈分離開(kāi)，I1和I2在原磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響下，生成一個(gè)二次磁場(chǎng)，強(qiáng)度較原磁場(chǎng)［8］小很多，可直接被接收線(xiàn)圈接收。這一過(guò)程產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是I1和I2綜合作用［9-10］的結(jié)果。

在套管或油管電磁特性發(fā)生改變的情況下，I1和I2的值會(huì)受到一定的影響，從而發(fā)生改變。在油管或套管出現(xiàn)明顯損壞的情況下，例如腐蝕、孔洞、裂縫等，感生電流I1和I2會(huì)立即從管壁電路［11-12］中脫離出來(lái)，以此控制感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化幅度。

1.3.2 縱向短軸探頭C

探頭C的設(shè)置方式與探頭A完全相同，只是在線(xiàn)圈匝數(shù)、截面直徑長(zhǎng)度以及探頭長(zhǎng)度等方面要比探頭A小，圖2（b）為探頭C的結(jié)構(gòu)設(shè)置方式［13］。

探頭C無(wú)論是在探測(cè)原理上還是設(shè)置方式上都與探頭A最為相似。二者之間不同的是，探頭C的長(zhǎng)度要小于探頭A，由此生成的磁場(chǎng)強(qiáng)度也要低于探頭A，無(wú)法探測(cè)雙層管柱中的第2層管柱，僅針對(duì)單層管柱或者縱向裂縫探測(cè)比較有效。

1.3.3 橫向探頭B

探頭B的繞線(xiàn)方式與探頭A和探頭C大體上相同，唯一不同的就是線(xiàn)圈軸線(xiàn)方向與管柱軸向方向之間為垂直關(guān)系，因此該探頭也被稱(chēng)為橫向探頭。圖2（c）展示了探頭B的結(jié)構(gòu)設(shè)置方式。由探頭B發(fā)射線(xiàn)圈生成的磁場(chǎng)強(qiáng)度整體上偏弱，無(wú)法對(duì)雙層管柱的第二層管柱進(jìn)行探測(cè)，只能對(duì)單層管柱或者雙層管柱的第一層管柱進(jìn)行渦流感生電流I1的獲取，接收線(xiàn)圈只能對(duì)I1生成的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行探測(cè)和接收［14-16］。

當(dāng)探頭B探測(cè)到發(fā)生損壞的管柱或油管，尤其是裂縫損壞時(shí)，會(huì)立即從電流回路中脫離出來(lái)，從而在某種程度上影響了渦流感生電流I1值的大小，進(jìn)一步影響了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化幅度。在此要特別指出的是，探頭只能在一個(gè)固定的方向上進(jìn)行探測(cè)，而橫向裂縫損壞情況被探測(cè)到的概率要比縱向裂縫大。因此，探頭B的探測(cè)重點(diǎn)是在橫向裂縫上。

將探頭A、探頭C以及探頭B探測(cè)到的管柱或

油管感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以分時(shí)記錄的方式繪制成測(cè)井曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)這些曲線(xiàn)進(jìn)行分析，判斷油管和套管是否出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

利用上述提到的電磁探傷測(cè)井技術(shù)，在某油田內(nèi)展開(kāi)實(shí)例應(yīng)用分析。選取某一套管，利用該技術(shù)探測(cè)后繪制出測(cè)井曲線(xiàn)，經(jīng)過(guò)分析后給出套管的損壞類(lèi)型和具體位置。

2.1 探測(cè)套管是否存在射孔孔眼

當(dāng)套管沒(méi)有出現(xiàn)射孔孔眼時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)按照指數(shù)形式逐漸衰減；而當(dāng)套管出現(xiàn)射孔孔眼時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的衰減曲線(xiàn)會(huì)偏離正常指數(shù)衰減曲線(xiàn)。利用該技術(shù)對(duì)套管射孔孔眼進(jìn)行探測(cè)，繪制了如圖3所示的測(cè)井曲線(xiàn)。

從圖3中可以很明顯地看到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線(xiàn)在深度為1 675 m附近發(fā)生突變，證明在此段套管結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了射孔孔眼。

2.2 對(duì)油管腐蝕、孔洞的探測(cè)

利用該技術(shù)對(duì)油管的腐蝕和孔洞等損壞情況進(jìn)行探測(cè)，繪制了如圖4所示的測(cè)井曲線(xiàn)。

從圖4中的曲線(xiàn)變化情況可以發(fā)現(xiàn)，縱向探頭和橫向探頭的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都出現(xiàn)了明顯地衰減現(xiàn)象，但是大多數(shù)都保持了有規(guī)律地變化，說(shuō)明油管不存在孔洞。通過(guò)觀(guān)察壁厚曲線(xiàn)可以看出，油管深度大于255 m后，套管厚度變小，說(shuō)明底部明顯出現(xiàn)了變薄的現(xiàn)象，因此懷疑此處油管發(fā)生了腐蝕或穿孔。

2.3 對(duì)管柱變形的探測(cè)

利用該技術(shù)對(duì)管柱變形進(jìn)行探測(cè)，繪制的測(cè)井曲線(xiàn)如圖5所示。

從圖5中可以看出，描述內(nèi)層管柱的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線(xiàn)出現(xiàn)了明顯的異常情況，而描述外層管柱的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線(xiàn)走勢(shì)整體沒(méi)有出現(xiàn)較大的偏離。因此可以說(shuō)明，在1 985.0～1 994.8 m處，油管出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形。

2.4 對(duì)管柱下深的探測(cè)

利用該技術(shù)對(duì)管柱下深現(xiàn)象進(jìn)行探測(cè)，繪制的測(cè)井曲線(xiàn)如圖6所示。

從圖6中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線(xiàn)變化情況可以得出結(jié)論，管柱下深的高度為102 m，表層套管下入的深度為115.4 m。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)多層管柱和單層管柱，選取電磁探傷測(cè)井儀中的不同探頭對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性的損壞部位探測(cè)。探頭A和探頭C屬于縱向探頭，探頭A主要作用于多層管柱，探頭C則主要傾向于單層管柱，二者探測(cè)的都是縱向裂縫。探頭B屬于橫向探頭，探測(cè)的區(qū)域面積要比探頭A和探頭C大一些，對(duì)于橫向裂縫探測(cè)效果更佳，但是磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，僅能探測(cè)單層管柱或者雙層管柱中的第一層管柱。利用分時(shí)記錄的方式將上述3個(gè)探頭探測(cè)到的信息繪制成測(cè)井曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)測(cè)井曲線(xiàn)的分析判斷套管和油管是否出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。通過(guò)在某油田展開(kāi)實(shí)例分析，結(jié)果表明，所提技術(shù)可探測(cè)到不同類(lèi)型的損壞情況。同時(shí)，也可探測(cè)到多層管柱中每一層管柱的壁厚，進(jìn)而確定管柱是否出現(xiàn)腐蝕或穿孔等損壞，節(jié)省了工人下入井內(nèi)檢查的時(shí)間和費(fèi)用，在一定程度上提高了油田的生產(chǎn)效率。

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