改善声成像仪器套管探伤效果的方法探讨

刘波 孟坚

【摘要】针对井周声波成像仪器（CBIL）在进行套管探伤过程中存在分辨率低、探头聚焦效果差、影响因素多等问题，从探头设计、参数选择、操作方法等方面探讨改善声成像测井效果和成像质量的有效方法。通过采用适合的探头、选择正确的参数、提高扫描速率与良好的操作方法，提高声成像测井仪器的应用水平。为以后声成像仪器在套管探伤中的应用提供参考。

【关键词】声成像 套管 测井 换能器

井周声波成像（CBIL）测井是目前最先进的测井技术之一，它是利用超声波对井壁进行扫描并根据井壁回波幅度和传播时间进行成像测井。利用声成像测井进行套管探伤的方法可以直接获得套管图像，更直观的确定套管变形位置、射孔孔眼位置；检查对套管爆炸整形后的套管形状；确定套管断裂位置等，但由于其主要是针对裸眼井测井设计，价格昂贵，且存在图像分辨率低、探头聚焦效果差、影响因素多等缺点，目前国内利用井周声波成像仪器（CBIL）进行套管探伤的应用较少。

本文以阿特拉斯公司引进的1671EB/MB CBIL井周声波成像测井系统为代表简要介绍声成像系统的组成、原理和应用。探讨了影响声成像测井效果的主要因素和改善成像质量的有效途径。

1 声成像（CBIL）测井原理

井周声波成像测井是由下井仪器电机带动一个旋转式半球形聚焦换能器绕井轴旋转同时向井壁发射较短的超声波脉冲，脉冲沿井眼钻井液传播，被井壁反射，且返回换能器，再利用回波的信息进行成像从而获取井壁的有关信息。回波幅度及回波时间是测得的两个基本量：回波幅度与岩石声阻抗成正比，不同声阻抗的物质、表面的粗糙程度不同，对声波的反射也就能力不同：回波时间是换能器到井壁距离和钻井液的纵波速度的严格函数，其反映井眼形态。因此根据超声图像就可直观地判断井壁情况。

2 影响测井效果主要因素

（1）声系特性：包括换能器特性、探头旋转速率、数据采样率、声系机电结构等，这些决定了超声成象的固有分辨率；

（2）井眼特性：包括测量距离变化、井壁表面结构、井眼倾斜等这些会不同程度地影响成象效果；

（3）井液状态：包括洗井液性能、套管液固有吸收和固相颗粒（或气泡）情况、射孔或井漏处的地层性质等，这些往往会导致测井资料质量不合格；

（4）仪器操作：包括在测井过程中参数的选择、测速的控制、通过调整声波的门坎、门延和增益来识别首波，这些决定了能否达到最佳的聚焦效果；

（5）其它因素：包括仪器温度性能、电路与探头阻抗匹配性能、信号采集数字化精度以及图像处理技术等。

3 改善成像质量的主要途径

3.1 选择适合的探头，提高成像质量

任何换能器都有其特点和局限性，应根据测量对象的不同和要求不同，选用合适的换能器或换能器组合，其基本原则是要兼顾空间分辨率、井眼探测距离和泥浆适应性。声成像仪器﹙CBIL﹚通常采用的换能器是两个250kHz的球面聚焦换能器，直径分别是1.5in（38.1mm）和2.0in（50.8mm），这两种换能器的最佳探测范围分别是5.5—10﹙in﹚和9.25—12﹙in﹚，由于其主要是针对裸眼测井所设计，而在套管井（ 套管外径通常在4.7in-8.9in范围）中，如果用1.5in或2.0in的换能器检测套管变形和射孔效果，噪声干扰大，很难达到最佳聚焦效果。套管井由于要求分辨率更高，而且测量环境较好（ 井径小且比较规则），可以选择频率较高、尺寸较小的聚焦型探头。通过与北京杰威斯特石油科技公司合作，更换一个直径为1.25in﹙31.8mm）；频率为250 kHz，其最佳探测范围为4.75—6﹙in﹚的球面聚焦换能器来解决聚焦效果的问题。

3.2 降低井眼因素的影响

（1）避免仪器在井下发生旋转，可以选择在声成像仪器的上部连接防转仪器。

（2）仪器扶正器的合适与否对声成像测井效果也有很大影响，应根据不同的套管状况设计安装合适的上、下扶正器，确保在各种情况下仪器能够处于比较好的居中状态。

（3）声成像仪器所测量的最大及最小井径，是依据流体声速计算得出的，由于是声波井径，因而会受到很多因素的影响，在井壁干净的情况下，较可靠，但在井壁不干净时则容易出现误差；同时井壁不干净也会对仪器产生拉卡，从而影响资料的质量，故测井作业前最好对井进行热洗或刮井。

3.3 避免井液的影响

超声波在井液中的衰减是由泥浆的固有吸收和固相颗粒（或气泡）散射两部分组成。套管液密度越大，超声波衰减越大，探测灵敏度则下降。通常井下仪在套管液密度较大或井液中含有气泡的情况下，超声波衰减和散射特别明显。往往不能接收回波或只能接收到非常微弱的回波，而导致测井资料质量不合格。因此测井前的洗井和替换泥浆是必要的。

3.4 优良的操作方法，获得最佳探测效果

3.4.1 参数选择

参数是所要处理的信息进行量化的变量，测井系统中参数的量化是将人的判断转化成计算机可以处理的过程，因此对每一个参数精确把握是获得最佳探测效果的保障。根据具体的情况来选择合适的参数：

在PROCESSING PARAMMETER STAUS处理参数窗口中根据仪器性能和套管情况选择井眼尺寸、自动增益、流体换能器直径、流体测量方式等参数，应该注意的是FIXED FLUID SLOWNESS流体中超声波固定速度要尽量精确，我们可以在进行测井前做测前刻度时测得超声波在井下流体的真实速度。因为在测井过程中流体探头被不明物体堵住或损坏时，系统将自动将流体速度默认为固定值进行处理。这样在特殊情况下能尽量符合井下流体的真实状态。

3.4.2 优化采样参数，提高分辨率

影响声成像分辨率的另一重要因素是测井采样率。声成像测井采用旋转探头探测回波信号，其井内运动轨迹为螺旋状上升或下降，其纵向采样间距取决于测井速度和旋转扫描速率，周向采样间距取决于信号采样率和井眼大小，因此其纵向和周向的分辨率常常是不一样的。

井周波声成像（CBIL）拥有多个的采样率参数选择尽可能选择较高的采样率，同时保证低测速下的平稳提升，能有效加大垂向（ 深度方向）采样密度，应用表明测井图像分辨率将会大大提高。

3.4.3 首波的识别和调节

井周声波成像测井和数字声波测井一样，都需要通过手动调节声波的门坎、门延和增益来识别首波。不同的是声成像测井是流体波和反射波两个换能器同时工作，因此要同时保证两个探头都能正确识别首波才能获得理想的资料。

4 总结

由于更换的国产换能器精度和聚焦效果很难达到要求，以及其主要是针对裸眼井测井所设计，因此提高仪器性能是改善声成像测井资料质量的前提。但从应用的效果来看，通过分析影响因素、总结测井经验以及优良的施工和操作方法，能有效降低干扰、提高分辨率、改善测井效果和成像质量。在以后的应用中还应不断加强图像化处理技术，提供信息量更加丰富的三维立体图像。为提高声成像仪器在套管探伤的应用水平提供更多有效的方法途径。