第十一章 套管工程监测测井.ppt

1、第十一章第十一章套管工程检测测井套管工程检测测井图11-1中给出了工程测井常遇到的井身结构示意图。图图11-1 11-1 井身结构示意图井身结构示意图第一节第一节 油井的井身结构及井口装置油井的井身结构及井口装置1.1 井身结构井身结构 井身结构中的所有深度均从钻井时转盘补心面算起。套管下入长度和下入深度不一致，其差值是套管近地面一根的接箍面至转盘补心平面距离，即套管头至补心距；套管法兰距转盘方补心的距离称为套补距；油补距的长度是油管头法兰顶面(套管四通法兰顶面)到补心的距离。图图11-211-2油套补距及套管油套补距及套管头至补心距示意图头至补心距示意图1.2 井口深度及井口装置井口深度及井

2、口装置（1）井中深度）井中深度通常井口装置就是指采油树，如图11-3所示。图图11-3 11-3 井口装置示意图井口装置示意图1 1油管压力表；油管压力表；2 2清蜡闸门；清蜡闸门；4 4油嘴套；油嘴套；5 5出油管；出油管；6 6总闸门；总闸门；7 7套管闸门；套管闸门；8 8套管压力表；套管压力表；9 9套管；套管；1010油管油管 （2）井口装置）井口装置 以X-Y井径仪为例说明常用井径仪的工作原理。该仪器的结构如图11-4所示。测量时通过如图11-5所示的桥式电路把电阻变化转换成电压信号输出。图图11-4 X-Y11-4 X-Y井径仪工作原理井径仪工作原理图图12-5 12-5 桥式测

3、量线路示桥式测量线路示意图意图第二节第二节 井径测井井径测井2.1 测量原理测量原理 多臂井径仪由30、36、40和60个测量臂组成，测量的基本原理与X-Y井径仪相似，主要差别是测量臂数不同。多臂井径仪的优点是可以探测到套管不同方位上的形变。图11-6是36臂井径测井曲线，曲线变化显示在井深为1001米处套管严重变形，最小内径为90 mm，最大内径为159.5 mm，判断为套管严重变形，并存在穿透或破裂的可能性，需要进行修复。图图11-6 3611-6 36臂井径曲线臂井径曲线2.2 多臂井径仪多臂井径仪 套管与周围地层流体及套管内流体发生作用是导致腐蚀的主要原因。根据腐蚀原理，常见的腐蚀分为

4、电化学腐蚀、化学腐蚀、电化学和环境影响、电化学和机械共同作用产生的腐蚀。3.1 套管腐蚀原理套管腐蚀原理 第三节第三节 磁测井仪器磁测井仪器 管子分析仪是利用套管的电磁特性，通过测量仪器和漏磁通量获取套管内外腐蚀及穿孔状况的信息。图11-8是测量仪器的示意图，主要由上下两个极板组组成，每组六个极板组成，相位上两个极板组有一定重合。每个极板上有三个线圈（如图12-9所示），上、下两个线圈为漏磁通线圈，中间为涡流线圈。图图11-8 11-8 上下极板间的重叠上下极板间的重叠 图图11-9 11-9 线圈示意图线圈示意图 3.2 管子分析仪管子分析仪 测量时，电磁铁产生一磁场，与套管耦合后在套管缺陷

5、的附近产生磁力线的畸变，在缺陷的上部和下部有一个垂直于套管壁的磁通分量。这样在磁漏失线圈中会产生一个与正常磁通随深度的变化率有关的感应电流，该信号也是极板组内6个线圈中最大的，它表明套管在此处存在缺陷。上、下极板之间的涡流线圈探测套管内表面裂痕的高频电磁信号。套管内表面的损坏使感应磁场的分布发生畸变，因此涡流线圈中感应电流会发生变化，涡流线圈的探测深度为1mm，记录的信号是该组6个极板中最大的一个数值。（1）测量原理）测量原理 漏磁通测试对垂直于套管壁和进入井眼的磁力线分量的梯度较为敏感，因此缺陷的陡度越大，信号越强。测井记录到的信号是六个极板中幅度最大的信号。记录时，把上、下极板的响应保持3

6、60ms可以得到增强曲线，从增强曲线上可以看到明显的尖峰。用漏磁通测试的总壁厚度与电磁测厚测井曲线组合，可以定量给出金属总损失的评价。图图11-1011-10漏磁通试验漏磁通试验 （2）磁通量漏失测试）磁通量漏失测试 与正常套管感应磁场的正常分量相比，套管内侧损坏会使感应磁场的正常分量发生畸变，表现为漏磁通线圈中感应电流差值的变化，探测的深度大约为1mm，最终记录的信号是六个极板中幅度最大的。如果缺陷只在上极板组或下极板组上出现，由于极板覆盖，所探测的只是单个极板组探测的宽度。图图11-1111-11涡流测试涡流测试 （3）涡流测试）涡流测试 电磁测厚仪测量的示意图如图12-13所示仪器测量的

7、基本原理如图12-14所示。发射线圈L1与接收线圈L2之间的距离为L。图图1 11 1-1 13 3电电磁磁测测厚厚仪仪 图图1 11 1-1 14 4电电路路原原理理方方框框图图 3.3 磁测井仪器磁测井仪器（1）测量原理）测量原理 如果发射线圈发射的是高频信号（大于20kHz），电磁波在套管内的传播即为谐振腔的一部分，高频信号在套管内壁产生涡流，涡流的产生使高频交变磁通的能量发生损耗。因此谐振腔回路输出的信号幅度将发生变化，由于高频的趋肤效应，输出信号的幅度是线圈与套管内表面距离（井径）的函数。因此利用高频工作区可以得到井径信息。（2）井径测量）井径测量 ETT-D仪器的结构如图11-15

8、所示。ETT-D型电磁测厚仪采用了三种工作频率，使用中频测量套管的电磁特性，使用低频测量套管壁厚度，使用高频测量套管的直径。图图11-15 ETT-D11-15 ETT-D探头结构示意图探头结构示意图（3）电磁测厚仪（）电磁测厚仪（ETT）噪声测井仪的结构如图11-17所示，探测器部分的结构如图11-18所示。图图1 11 1-1 17 7 噪噪声声井井下下仪仪器器结结构构示示意意图图图图1 11 1-1 18 8噪噪声声测测井井仪仪示示意意图图第四节第四节 噪声测井噪声测井4.1 测量原理测量原理 图11-19、图11-20、图11-21分别是单相水、单相气和气水两相流动的频谱特性实验曲线，

9、实验由贝克阿特拉斯公司完成，图中显示，单相水和单相气的频谱相似，噪声最大幅度都出现在1000 Hz2000 Hz范围内。图图11-1911-19单相水流动的噪声单相水流动的噪声频谱频谱图图11-2111-21气在水中流动的气在水中流动的噪声频谱噪声频谱 图图11-20 11-20 单相气流动的噪声频谱单相气流动的噪声频谱4.2 流体的频谱特性流体的频谱特性 噪声测井时由于仪器移动会产生声音因此都采用定点记录，在每个深度点上记录四个数据。两个测点的距离先选为36m，测量后对重要部位要使用0.3m左右间隔进行重新测量，以获得更详细的资料。测井结束后，对记录到的数据先进行电缆衰减校正，校正图版如图1

10、1-26所示。图图1 11 1-2 26 6电电缆缆线线性性校校正正因因子子 4.3 噪声测井过程及应用噪声测井过程及应用 固井失败的主要后果是会导致渗透层之间流体的渗流。因此固井质量评价是工程测井中重要的一个作业，发现问题应及时修补。目前用于评价固井质量的测井主要有声幅测量（CBL）或叫水泥胶结测井、声波变密度测井及水泥评价测井（CET）。第五节第五节 固井评价测井固井评价测井 声幅测井时记录沿套管传播的声波幅度（滑行波），以此来判断水泥胶结的好坏。固井声幅测井的下井仪器如图11-29所示。接收器接收的典型声幅信号如图11-30所示。图图11-29 11-29 水泥胶结测井水泥胶结测井 图图

11、11-30 11-30 两种典型的声幅信号两种典型的声幅信号 5.1 声幅测井声幅测井(1)套管厚度套管厚度 套管越厚，声幅衰减越小 (2)水泥环和仪器偏心水泥环和仪器偏心 水泥的密度越大，水泥的抗压强度越高，其声阻抗与套管的差异就越小，套管波的幅度将变小。在水泥密度一定的条件下，水泥环越厚，声波幅度越小。当厚度大于2 cm时，套管波的幅度将降至最小且保持不变；仪器偏心时，声波沿不同的路径到达接收器，此时记录到的首波到达时间不同，实验表明，当仪器偏离中心0.25英寸时，首波幅度将减小二分之一。因此，测井时应使仪器居中测量。(3)测井时间测井时间 水泥凝固20小时后，水泥抗压强度达到标称值的80

12、%以上，可以进行测井。否则，水泥与套管胶结较差。（1）影响声幅的主要因素）影响声幅的主要因素 为了消除以上各因素对套管首波的影响，常采用声波幅度相对幅度进行解释，即：引进的CBL仪器把套管的直径、壁厚、水泥抗压强度综合起来利用胶结指数（BI）评价胶结效果，式中为C相对幅度，A为目的层段的声波幅度值，A0为自由套管的声波幅度值，Amin表示100%胶结井段的套管波的首波幅度。解释时通常认为：BI=1 胶结好；1.0 BI 0.8 胶结良好；0.8 BI 0.6 胶结中等；0.6 BI 0.3 胶结不好；BI 0.3 胶结差，出现窜槽。（11-13）（11-16）（2）资料分析）资料分析变密度测井

13、原理如图11-39所示。图图1 11 1-3 39 9 变变密密度度测测井井原原理理5.2 声波变密度测井声波变密度测井（1）测井原理）测井原理(1)(1)、自由套管、自由套管 在自由套管井段，大部分声波能量沿套管传播，传到地层中的声波能量非常小。因此在变密度图上出现强套管波信号，声波在套管壁上反复振荡形成前6至8个波全是套管波。传播时间稍有增加，套管波幅度变小，变密度曲线在接箍处有人字纹显示。(2)(2)、水泥与套管及地层绞结良好、水泥与套管及地层绞结良好 在水泥与地层胶结都好的井段，因为水泥与钢管的声阻抗很接近，大部分声波能量穿过套管及水泥环进入地层传播。因此，在变密度图上套管波信号很弱或

14、不存在，而地层波信号很强。甚至某些快速地层的地层波会出现在套管的位置上。（2）资料解释）资料解释1(3)、水泥与地层胶结差，与套管胶结好、水泥与地层胶结差，与套管胶结好 在这种情况下，大部分声波能量穿过套管水泥环界面进入泥环，但传到地层中的声波能量很小，声波能量在水泥环中被衰减损耗。因此在变密度图上套管波信号很弱，以致E1幅度在检测电平之下，使传播时的测量将由触发，使得首波到达时间曲线（TT2）摇摆不定，此波称为周波踊跃。（2）资料解释）资料解释2 图11-44是CET测量原理结构图。声系有八个声波换能器，采用螺旋式排列，可以对套管进行扫描，在360度的圆周上形成45度的扇形面，超声波换能器可

15、同时发射和接收八个声波信号。图图11-44 11-44 水泥评价测井仪测量原理水泥评价测井仪测量原理5.3 水泥评价测井仪水泥评价测井仪（1）测量原理）测量原理 CET的仪器中，8个测量晶体纵向排列在2英尺的距离上，每个探头的外径为4英寸或3.375英寸，另外还有第九个晶体装在最下部，它把传播时间转换成距离（精度0.1 mm），由此可以确定仪器的相对方位，并得出相距45的8个视半径值，并进一步计算出4个套管直径和一条平均井径，最后计算其椭圆度（最大直径和最小直径的比值），作为衡量套管变形、损坏、崩塌的一个较灵敏的指标。(1)、仪器测量的特点 a、减小微裂环的影响 b、天然气效应识别 (2)、与

16、CBL、VDL相比，CET有以下优点：a、用八个换能器可以进行沿径向的水泥胶结评价；b、确定管外流体的抗压强度；c、可以消除微环的影响；d、可以消除环境影响：快速地层到达波、天然气效应、双 套管等。e、可以确定井眼的几何信息：套管椭圆度；损坏程度等。（2）现场测量与资料处理）现场测量与资料处理 若没有CET仪器，必须采用CBL、VDL仪器时，需要采用加压的办法进行测试。微裂缝是指套管外壁与水泥之间存在极小的环空间，一般只有0.1mm厚。产生微环空的原因有以下三种：(1)、热热致致微微环环空空：在水泥凝固时释放热量，使套管受热膨胀。固井后，温度降低，套管收缩，从而导致的环空间隙，这就是热致微环空

17、。(2)、工工程程致致微微环环空空：它分两种情况，一是在固井过程中由于某种原因需要加压作业，完工后，压力取消，出现微环空；二是固井后，由于再次钻井，水泥环受振动而产生微环空。(3)、次生微环空、次生微环空：由于固井前后静液柱压力变化产生的微环空。（3）裂缝的加压测试）裂缝的加压测试 井下超声电视测井又称三维井壁超声成像测井，是利用超声波的传播物和井壁对超声波的反射性质研究井身剖面的。既可用于裸眼井，又可用于套管井。测井结果以图像形式给出。利用计算机图像处理技术对回波幅度及时间信息进行处理，可以以三维、二维方式显示出套管的立体图、纵横截面图，并可同时测出声波井径曲线。仪器的核心是一个压电晶体换能

18、器，测井时向井臂发射2MHz的超声波换能器，同时接收套管反射的回波，同时探头沿井柱旋转扫描。第六节第六节 井下超声电视测井井下超声电视测井仪器测量原理图如图11-56所示 图图1 11 1-5 56 6 G GC CT T测测量量原原理理 第七节第七节 连续测斜仪连续测斜仪7.1 仪器结构仪器结构 图图11-59 11-59 三自由度陀螺仪三自由度陀螺仪示意图示意图 陀螺仪是连续测斜仪的关键单元，三自由度陀螺仪结构如图11-59所示。框架上的圆盘高速旋转，并可以在任意位置移动，但陀螺仪的旋转轴保持固定，中心圆盘的高速旋转能使陀螺仪轴指向一个固定的方向，该方向为连续测斜仪的参考方向。当外力（地球

19、自转和机械不平衡）对陀螺仪的圆盘施加一个力矩时，陀螺仪圆盘沿与施加力矩成90度的方向运动，并开始进行进动运动，通过测量进动速度确定该力距的大小。它有三个自由轴，即、轴，陀螺电机绕轴以2150r/min逆时针高速旋转，同时内框架可绕轴转动。外框架也可绕轴转动，三个轴互相垂直并交于一点，这一点正是陀螺的重心，这样陀螺的自重就不至于在各轴上产生重力矩，从而保证其定轴特性。7.2 陀螺仪陀螺仪 连续测斜仪在测井前的车间刻度包括以下两个方面：(1)、测量加速计和陀螺仪的增益和截距；(2)、测量陀螺仪的质量不平衡、气体动力摩擦以及旋转轴与加速度计 X 轴之间的共线误差等陀螺仪的缺陷。在测井现场进行的刻度包

20、括：(1)、对陀螺轴定位并使它指向正北；(2)、在选定的方向上对陀螺轴定位；(3)、必须计算校正量以对地球自转效应进行补偿。7.3 刻度及现场测量刻度及现场测量 1 测井仪经刻度后，把仪器下井并开始测井，下测和上测过程中记录测井曲线，用闭合度对上下测曲线进行对比。闭合度小就说明测井质量好，上测与下测的井筒轨迹、井斜以及井筒变化率的重复性好。现场测井完成后，资料处理计算顺序如下：(1)、用刻度数据和纬度计算地球的自转分量，由此把陀螺仪保持在地球基准面的一个固定方向上；(2)、使用上测和下测的张力值计算电缆的拉伸长度和校正后的深度；(3)、使用刻度数据校正机械缺陷。使用加速度计测井数据计算井斜、方

21、位和深度数据。并由此给出井筒的轨迹。7.3 刻度及现场测量刻度及现场测量 2 连续测斜仪的成果显示如表所示，表中包括深度、北向偏移、东向偏移，井眼狗腿程度、方位及井斜。成果下部输入数据为输入参数。7.4 应用实例应用实例 如图11-68所示。每个放射性标志物中有一个100mCi的Cs137放射性源，它发射663KeV的单能伽马射线。利用选发射孔枪把这些标志物射进地层，射入深度较大，以便不受套管/水泥系统的影响，但也不能太深，太深了FSMT探测不出清晰的放射性脉冲。图图11-68 FSMT11-68 FSMT测井仪示意图测井仪示意图第八节第八节 沉降监测测井沉降监测测井8.1 测量原理测量原理

22、图11-69是一测井示意图，若地层无沉降，则两个测量峰值在同一深度上，地层沉降后小于，且两个放射性尖峰不再重合。图图11-69 11-69 双探测器测井仪的理想情形双探测器测井仪的理想情形 8.2 双探测器测井仪双探测器测井仪 四探测测井仪测量有两个主要优点：一是对每对放射性标志物的间距进行四次独立的测量；二是探测器间的距离可近似等于放射性标志物之间的间距，可以降低仪器和电缆不均匀运动而引起的测量误差。图11-71是四探测器测井仪的测量示意图。图图1 11 1-7 71 1 四四探探测测器器测测井井仪仪测测井井的的正正常常情情况况 8.3 四探测器测井仪四探测器测井仪 磁性定位器属于磁测井系列

23、，主要用于深度控制确定井下工具的下入深度，在定位、射孔中应用广泛。图11-72是磁性定位器的基本结构，核心是一对磁极相对的磁钢和线圈。磁性定位器测得的信号如图中e的所示（套管接箍），磁定位器通常分为两种，一种是过油管定位器，外径为25mm；另一种外径为64 mm，主要用于在套管中的测量。图图11-72 11-72 磁性定位器结构及工作示意图磁性定位器结构及工作示意图 9.1 磁性定位器磁性定位器 第九节第九节 其它工程测井其它工程测井 卡点指示器的基本原理是以硬磁性材料在弹性变形时退磁的性质为基础的。井下仪器由磁性定位器和注磁线圈组成，下接一引爆装置，以便测出卡点后立即引爆。测井前，把仪器下到

24、预计被卡的井段内，首先测一条管柱结构基线。第二次下井，在每根钻杆接箍之间注磁，做上一个磁记号，并在该井段记录第二条注磁曲线。之后给钻杆加以最大允许拉力或扭转力，使钻杆产生弹性变形，然后在该井段再次测量得到第三条曲线（消磁曲线）。将三次测量曲线进行对比，即可判断被卡的深度，被卡井段的钻杆信号保持不变，未卡井段信号消失或大大减小。图11-73是一测井实例。图中A为原始接箍信号，B为注磁信号，从第三条曲线中可以确定卡点位置在1978m处。图图11-7311-73卡点指示曲线示意图卡点指示曲线示意图9.2 卡点指示器卡点指示器 人为向井中注入放射性同位素，注入前后分别进行伽马测井，并对测井结果进行对比

25、，就可以检查出窜流的位置。图11-74是一口注水井定时法探测串槽测井的实例。异常a、c、e、h显示同位素随注入水在套管中向下流动的情形。进入3号砂层的活化水，一部分向地层深部渗流，这时由i、m、e异常位置的稳定读数可知，另一部分沿水泥环向上窜到4号砂层中去了，异常f、j、n、v清楚地显示了这一窜流过程。该井射孔底部是2号砂层，但由异常l、p可见注入水沿射孔孔眼流进水泥环后向下窜入1号砂层；2号砂层对应位置没见到放射性异常，说明该层由于涡流使一部分同位素示踪剂残积下来所致。图图11-74 11-74 测井示意图测井示意图 9.3 放射性示踪管外流动探测放射性示踪管外流动探测 由于出砂后的自然伽马

26、曲线强度小于出砂前的强度，因此出砂前后所测的自然伽马曲线将出现幅度差，幅度差越大，说明出砂越严重。出砂的主要原因，一是注入水或地层水使胶结物被溶解或是被约束在砂子周围的水膜中的水被释放；二是油层压力降低改变了上覆地层压力由此影响粒间的胶结，三是拖曳力增大拉动砂子产出。目前，检查出砂、防砂效果的方法有：9.4 出砂检测出砂检测（1）自然伽马测井法）自然伽马测井法 地层出砂后，形成孔隙和孔穴，说明套管与地层胶结变差，如果进行声幅测井，则会发现套管波首波幅度变大而地层波幅度变小。而防砂时，情况正好相反。因此通过分析出砂、防砂前后两次所测的声波测井曲线，即可检查出砂地层及防砂效果。因为地层中水、油温度高，所以一般显示为正异常。如果在出砂产液层注入水，则该层为负异常。如果是产气层，出砂井段在温度曲线上也显示为负异常。防砂时是将低温砂浆压入砂层，形成人工低温层，因而在井温曲线上出现负异常，压入的砂浆越多，负异常越大。所以防砂前后两次所测井温曲线进行对比，可以检查出砂井段及防砂效果。（2）声波测井法）声波测井法（3）温度测井法）温度测井法