超声兰姆波成像测井仪在海上平台弃置的应用

张磊，韩耀图，张羽臣，林家昱，窦蓬

1.中海石油（中国）有限公司 天津分公司 （天津 300459）2.海洋石油高效开发国家重点实验室 （天津 300452）

在油田全寿命周期中，套管磨损、腐蚀、变形、穿孔及固井质量不良等井筒完整性问题会严重影响油气井完井建设和后期生产， 严重时诱发安全事故和极端环境问题[1-3]。 固井质量评价对于海上平台弃置尤为重要。 目前有多种测井仪器可用于评价固井质量，如声幅测井仪（CBL）、水泥胶结测井（SBT）、声波-伽马密度测井仪等[4-6]，但普遍存在识别方法单一、测量精度低等缺点，在评价低密度水泥固井质量时效果较差[7-10]。 基于此背景，结合国内首次应用实例， 对中海油自主研发的新一代超声兰姆波成像测井仪在海上平台弃置的应用情况进行了综合分析，并对其固井质量评价精度进行了评价与验证。

1 超声兰姆波成像测井仪的研制

1.1 工作原理

超声兰姆波成像测井仪（UCCS）采用超声脉冲回波与挠曲波成像技术， 通过对超声波脉冲回波和挠曲波波场的独立测量， 实现对套管环空环境的描述以及对不同类型水泥固井质量的评价[11-12]。 超声兰姆波成像测井仪的旋转探头共包括4 个换能器：1 个垂直入射的超声波换能器位于仪器一侧， 用于生产和检测脉冲回波，可测量声阻抗；另外3 个换能器位于仪器另一侧并呈一定角度排列，1 个发射2个接收，可测量兰姆波在套管中传播时的衰减，如图1 所示。

图1 超声兰姆波成像测井仪的结构

测井时， 旋转探头以7.5 rad/s 的速度旋转，超声波换能器向套管发射一个稍微发散的波束， 使套管转入厚度共振模式， 提供1 个5°或10°的方位分辨率，从而在每个深度产生36 个或72 个独立波形。挠曲波发射器同时发射高频脉冲波束， 在套管内激发挠曲振动模式。随着高频脉冲波束的传播，该振动模式将声能传入环空； 声能会在具有声阻抗差异的界面（如水泥/地层界面）产生反射，以挠曲波的形式由套管回传，从而将能量再传向套管内流体。

兰姆波在不同水泥环情况下的传播存在差异，因此结合兰姆波衰减测量值以及声阻抗， 可判断套管后面的介质状态（气体、液体或固体）。 其中，声阻抗可通过超声波换能器直接测量得到， 兰姆波衰减值则需根据2 个接收器的间距及接收到的波幅度等进行计算，如图2 所示。

图2 远、近接收器接收到的兰姆波

根据超声兰姆波成像测井仪大量实测数据，可得到测量点处套管外介质形态， 进而确定每种介质形态的覆盖面积， 最终基于兰姆波衰减与声阻抗形成直观、 易懂的固井质量评价固-液-气解释图版（图3）。 从图3 可看到，随着声阻抗及兰姆波衰竭的逐渐增加，套管外介质形态逐步由气体转化为液体，最终转化为固体，固井质量也随之变好。

图3 固-液-气解释图版

1.2 仪器创新点

超声兰姆波成像测井仪主要技术指标如下：

可检测套管厚度范围：5~16 mm；

套管壁厚测量精度：±6%；

最小可检测串槽和缺陷尺寸：30 mm；

声阻抗分辨率：0.2 MRayl；

声阻抗测量精度：±15 %；

径向分辨率360 °；

最高工作温度：175 °C；

最高工作压力：140 MPa；

作业套管尺寸：139.7~339.725 mm（5.5～13.375 in）。

仪器可检测套管厚度范围为5~16 mm，声阻抗测量精度为±15 %，径向分辨率360°，可测量139.7~339.725 mm（5.5～13.375 in）套管的固井质量。

超声兰姆波成像测井仪一次下井即可完成井壁成像、固井质量评价等作业，主要功能有：能够进行套管内径和厚度检测；进行窜槽、缺陷评价；分析管外水泥环胶结质量；识别套管背后介质类型；指示套管在井眼中位置； 有效解决低密度水泥固井质量评价难题，并能指示套管偏心程度等。

2 应用实例分析

2.1 C 平台弃置情况简介

海上某油田C 平台设计寿命为10 年， 于1999年投产，共有4 口生产井。截至2007 年，平台4 口生产井产出物全为水，无生产价值，且平台设备长时间闲置导致设备及管道腐蚀严重，决定弃井。因此需要检测固井质量，指导切割作业。

C3 井为一口水平井，其井身结构为Φ508 mm×224 m+Φ244.5 mm×1 101.15 m+Φ139.7 mm×1 715 m， 其中Φ244.5 mm 的表层套管水泥浆密度为1.6 g/cm3，属于低密度水泥浆[13]。为选取固井质量较好的井段进行套管切割， 首先利用水泥胶结测井（SBT）评价固井质量。 结果显示，井段固井质量较差，响应接近自由套管，无可选用切割套管井段，无法指导现场作业。 因此，利用超声兰姆波成像测井仪对C3 井重新进行了固井质量评价。

2.2 超声兰姆波成像测井固井质量评价结果分析

将超声兰姆波成像测井得到的固井质量评价结果与水泥胶结测井（SBT）评价结果进行了对比分析，见表1。 从表1 可看到：①C3 井49 m 以上，超声兰姆波成像测井判断为液体，即为自由套管段，与水泥胶结测井（SBT）评价一致；②49~57 m，超声兰姆波成像测井判断为过渡带，水泥胶结测井判断为自由套管或固井差；③57~160 m，超声兰姆波成像测井为固体响应，声阻抗和衰减值在全井段中最大，水泥胶结测井在此段判断固井质量显示效果不好；④160~300 m，超声兰姆波成像测井仍为固体响应，水泥胶结测井判断为固井质量差。

表1 超声兰姆波成像测井（UCCS）与水泥胶结测井（SBT）结果对比

进一步选取30~70 m 井段进行水泥胶结测井与超声兰姆波成像测井固井质量解释成果图的对比分析，如图4 所示。 其中：①左侧为水泥胶结测井解释图，该图第1 道信息为深度数据；第2 道显示6 个极板的声波幅度衰减； 第3 道为平均声波幅度衰减曲线、最小及最大声波幅度衰减曲线、声波平均幅度曲线；第4 道为水泥胶结质量成像图；第5 道为声波变密度图。 ②右侧为超声兰姆波成像测井解释成果图，第1 道信息为兰姆波衰减值，存在最大值、最小值、平均值3 条曲线，数值越大表明衰减越大；第2道为衰减成像图，越接近红色表明衰减值越大；第3道为声阻抗曲线，数值越大表明声阻抗越大；第4 道为声阻抗图，越接近红色表明值越大；第5 道为平均衰减、声阻抗曲线；第6 道为气液固（S-L-G）指示道，红色代表气体，蓝色代表液体，绿色代表固体。

图4 水泥胶结测井（SBT）与超声兰姆波成像测井（UCCS）固井质量解释成果对比图

从图4 可以看出： ①30~50 m 井段水泥胶结测井显示套管波强而无地层波的存在， 解释为无水泥胶结[14]；而超声兰姆波成像测井兰姆波衰减值为0.4 dB/cm、声阻抗值为1.7 MRayl，两值均较小，表明水泥外介质为液体，并未封固水泥。②50~58 m 井段水泥胶结测井仍显示为无水泥胶结； 而超声兰姆波成像测井兰姆波衰减值为0.9 dB/cm、 声阻抗值为2.5 MRayl，表明该井段为固体，但由于此处为混浆过渡段，密度更低，水泥胶结测井无法识别。 ③58~70 m井段水泥胶结测井显示有水泥胶结，但深色较少，表明固井质量中等； 而超声兰姆波成像测井兰姆波衰减值为1.9 dB/cm、声阻抗值为3 MRayl，表明套管外为固体，但S-L-G 指示道存在红色区域，认为该处水泥缺失。 综合水泥胶结测井与超声兰姆波成像测井固井质量解释成果， 推荐套管切割深度为60~70 m。

2.3 现场结果验证

C3 井套管实际切割深度为60~70 m，套管切割后回收断面如图5 所示。从切割后回收的实物看，本段部分一界面固井质量良好， 超声兰姆波成像测井测量显示大部分为固体（绿色），而少部分为水泥缺失（红色），与实物符合度高。而水泥胶结测井在此处虽然解释为中等，但显示效果不好，原因是水泥胶结测井径向分辨率小（60°），且采用单一衰减率方法分析判断精度较低[15]，无法满足低密度水泥浆的评价。综上认为， 超声兰姆波成像测井仪进行固井质量评价时，与实际情况符合度较高，评价效果较好，尤其适用于低密度水泥浆固井的井。

图5 套管切割后回收断面图

3 结论

1）超声兰姆波成像测井仪采用超声脉冲回波与挠曲波成像技术， 通过对超声波脉冲回波和挠曲波波场的独立测量，可对套管进行360°全井眼覆盖并成像显示，声阻抗测量精度为±15%，径向分辨率高。

2）基于兰姆波衰减测量值及声阻抗形成的固-液-气解释图版，可以确定套管外介质形态，尤其适用于低密度水泥浆的固井质量评价。C3 井测量实例表明， 评价结果与现场套管切割后回收断面符合度高，验证了其检测精度，为后续套管切割作业提供了可靠依据。

3）超声兰姆波成像测井仪是新兴的固井测量仪器，对低密度水泥浆固井质量评价效果较好，可进一步推广到其他油田进行固井质量检测与评价。