超声波成像测井技术在套管井中的应用

超声波成像测井技术在套管井中的应用

摘要：超声波成像测井仪利用超声波撞击套管内壁，根据超声波的反射原理，通过记录各个界面的反射波，并对其进行复杂的处理后，可得出水泥的声阻抗，套管壁厚，套管内径（相当于40臂井径）等参数，以此获得直观的高分辨率的水泥评价和套管腐蚀图像。本文主要介绍超声波成像测井技术的基本原理及其在固井质量检测和套管检测方面的应用。

关键词：超声波成像测井套管井换能器

前言

随着油田勘探开发的不断深入，水平井、侧钻井、大斜度井的逐年增加，对固井完井工作提出了越来越高的要求，同时对固井质量的检测技术也提出了更高的要求。由于油田开发后期的难度加大，对窜槽井和套损井的精密检测也变得尤为重要，常规的检测手段（如声幅等）已不能适应高准确度和高分辨率的要求。超声波成像测井是在早期的井下电视基础上发展起来的，但它采用了以下措施改善了成像质量和分辨率，满足了各种套管井复杂情况的需要。

（1）通过改进超声换能器的布局，将换能器与钻井液直接接触，减小了信号的衰减；

（2）通过改进换能器，提高了仪器在高密度钻井液中的适应能力。

（3）通过增大采样点数，提高了仪器的成像分辨率。

（4）采用多种尺寸的扫描头和多种频率的换能器，以适应不同尺寸的套管。

基本原理

超声波成像测井仪（环周声波扫描CAST-V），利用在一个高速旋转的扫描头上安装的换能器发射超声波撞击套管内壁，根据超声波的反射原理，通过记录各个界面的反射波，并对其进行复杂的处理后，可得出水泥的声阻抗，套管壁厚，套管内径（相当于40臂井径）等参数，以此获得直观的高分辨率的水泥评价和套管腐蚀图像，对固井质量和套管状况作出更为直观准确的判断。

如图一所示，仪器的换能器既是发射器又是接收器，换能器（这时作为发射器）发射一个超声波脉冲，通过流体传到流体与套管界面，大部能量被反射回换能器（这时作为接收器），另一部分能量折射穿过套管到达套管与水泥界面，同样反射回一部分能量被接收器探测到，其折射与反射能量的多少取决于界面两侧物质的声阻抗差异。这些脉冲在套管内来回反射，引起套管的谐振。接收这些谐振信号并记录下来，对其进行复杂的处理后，可以得出高分辨率的水泥胶结评价和套管腐蚀图像。

图二是胶结好和胶结不好的指数衰减图，可以看出，胶结不好的套管要衰减得慢得多。而且接收器首先探测到的是高幅度的反射首波信号，其后跟着的是按套管内信号的衰减速率取决于套管外物质的声阻抗。

图一CAST-V的超声波在套管井中的传播图

图二超声波脉冲响应图

仪器在套管中一边高速旋转，一边发射超声波，每一转可接收到100道反射回的声波幅度和时差信号，利用这些信号可计算出声阻抗，水泥压实强度，传输时间，套管壁厚等有用的参数来指导下一步工作。

仪器指标

HALLIBURTON公司生产的环周声波扫描测井仪能在不同套管尺寸的

井中取得优等的资料，其具体参数指标如下：

长度：5.44米

重量：142.4公斤

耐温：177°C

耐压：137MPa

适应井眼：4.5in――12.7in

垂直分辨率：0.25in

测量参数：井径、反射幅度、声阻抗、套管壁厚、井斜相对方位、流

体传播时间、压实强度、泥浆声阻抗等

扫描头尺寸：3-5/8in、4-3/8in、5-5/8in、7in

换能器频率：250kHz、350kHz、450kHz

应用

目前环周声波扫描在套管井测井中主要用于水泥胶结评价和套管检查。

1．水泥胶结评价

通过对换能器接收的回声信号进行分析，可得出水泥的声阻抗，由于

水泥胶结程度不同其声阻抗是不一样的，从某种意义上说，它相当于声幅

变密度测井，但提供的信息是360°井周成像，可更为直观的显示管外窜

槽的具体位置。

图三水泥胶结评价实际测井图

2．套管检查

由于套管壁的自然谐振频率近似的与套管壁厚成反比，因此由厚度谐振响应可得到套管厚度；同时根据声波传播时间和套管厚度测量结果可计算出套管的内径和外径；而波形的最大幅度又是套管内表面粗糙度的定性指示。通过对以上参数的分析，我们可以用来进行（1）套管腐蚀的识别、定位和定量评价；

（2）评价由作业、打捞或塑性地层引起的套管损坏；

（3）根据剩余套管厚度评价腐蚀或损坏情况；

（4）套管内部或外部的金属损失；

（5）确定和识别射孔层段；

（6）指示套管剖面和重量的变化。

局限性

该仪器功能强大，但由于声波传播的特殊性以及仪器自身的特点限制，具有以下局限性：（1）不能在空气井或气侵井中测井。

（2）泥浆粘度不宜过大，否则扫描头无法转动。

（3）测速较慢，取决于扫描头转速。

（4）在大斜度井中，必须保持良好的居中测量，否则将影响仪器转动及成像质量。

参考文献：

〔1〕中国石油天然气集团公司测井重点实验室. 测井新技术培训教材. 北京：石油工业出版社，2004

〔2〕贾文玉，田素月，孙耀庭等. 成像测井技术与应用. 北京：石油工业出版社，2000 〔3〕HALLIBURTON .CAST-V CASED HOLE FIELD OPERATIONS MANUAL.

USA:1996（资料）

〔4〕HALLIBURTON .CAST-V SERVICE MANUAL. USA:1997（资料）