油田套管损坏检测诊断技术

油田套管损坏检测诊断技术

管道内管道柱的结构变化测量用于检测套筒损伤变形的钻孔方法包括常规井径钻孔、超声波彩色成像孔和磁液钻孔。井径测井和超声波彩色成像测井只能检查套管内壁的变化,不能检查套管的腐蚀和厚度变化情况,并且超声波彩色成像测井还受井内介质的影响。磁测井方法有斯伦贝谢公司的PAT和ETT-D测井仪,哈里伯顿公司的PIT测井仪。PAT和PIT在功能上相近,可检查套管内壁的腐蚀及裂缝空洞,但不能给出套管外壁及厚度的变化,并且仪器外径大,使用受到限制。ETT-D测井仪由于发射正弦波的周期性,使接收的感生电动势也发生周期性的变化,不能区分内外管柱对感生电动势的影响,在多层管柱结构中测井时,仪器对外层管柱的壁厚和损坏虽然有显示,但不能给出理想的解释结果。多层管柱电磁探伤测井技术成功地解决了在油管内探测套管的厚度、腐蚀、变形等问题,可准确指示井下管柱结构、工具位置,并能探测套管以外的铁磁性物质(如套管扶正器、表层套管等)。目前,各油田套管损伤井呈逐年增多趋势,并向区域性发展,这将严重影响油田的产能。利用多层管柱电磁探伤测井技术,对于正确评价套管的损伤程度,加强井身结构的普查,确定套管损伤的原因,预防套损区域的扩大等方面将有其重要意义。管道柱内、管路磁场损害程度及管道厚度的测量电磁探伤仪的物理基础是法拉弟电磁感应定律。给发射线圈通以直流电,在螺线管周围产生一个稳定磁场,这个稳恒磁场在油管和套管中便产生感生电流。当断开直流电后,该感生电流在接收线圈中便产生一个随不同时间而衰减的感应电动势ε,即式中,ε为接收线圈的感应电动势;S为接收线圈总面积(S=KS1N,S1单一线圈面积、N为线圈匝数;K为磁常数);Φ为磁通量;B为磁场强度。磁探头的结构如图1所示,在铁芯上分别缠绕着发射线圈和接收线圈。当一个磁探头制作完成之后,参数S便成为仪器常数。给发射线圈提供一个恒定的正负直流脉冲,其幅度为V,脉冲宽度和脉冲间隔都是200ms,在脉冲间隔时间段,接收线圈完成对ε的测量。在直流时间段产生一定强度的磁场强度,在套管或油管中所产生感生电流的大小是由套管或油管的形状、位置及其材料的电磁参数决定的,而直流脉冲之后接收线圈中的磁场强度B和磁通量变化率dΦ受感生电流大小的影响,因此,接受线圈中感生电动势ε是套管或油管的形状、位置及其材料电磁特性的函数。1.在单套管柱结构下,其函数表达式为式中,T1为套管厚度;μ1为套管磁导率;σ1为套管电导率;D1为套管外经;tc为井内温度。靠近探头的管柱其参数下标标注“1”;远离探头的管柱其参数下标标注“2”,以下相同。在管柱无损伤情况下,就可根据公式(1)计算出套管厚度T1。套管因射孔、腐蚀、机械加工和撞击等原因造成套管磁导率的和电导率σ等参数发生改变,ε幅度值减小,由其计算出的厚度值随之减小。套管存在裂缝、挫断和孔洞时,导磁介质缺损,发生在套管上的感生电流减小,ε的幅度值减小,由其计算出的厚度值随之减小。根据其幅度值,可评价套管的破损程度,指出破损处是否还有铁磁性介质存在。套管在缩径或扩径的情况下,套管壁相对探头在几何位置上发生了变化,ε的幅度值相应地增加或减小,在没有损伤的情况下,套管厚度没有变化,反之套管厚度值减小。2.在双套管柱结构下其函数表达式为式中,ε为感生电动势;T1、T2为油管、套管厚度;μ1、μ2为油管、套管磁导率;σ1、σ2为油管、套管电导率;D1、D2为油管、套管外径;tc为井温;EX为内、外管相对位置几何校正系数。在油管、套管没有损伤和变形的情况下,此时测得感生电动势没有变化,由式(1)和式(2)计算出套管厚度也没有变化。在油管、套管或二者都有变形但管柱没有质量缺损,也没有电磁特性的改变,此时只是外径变大或缩小,测得感生电动势随之减小或增加,对其进行分析计算,可评价油或套管的变形程度,但厚度没有变化。在油管、套管或二者既有损伤又有变形的情况下,损坏管柱的磁导率、电导率或管壁厚度发生变化,测得的感生电动势幅度值也随之改变,由式(1)和式(2)可计算出管壁厚度的变化量,可评价油或套管的变形和质量缺损程度。在式(2)中,EX是多层管柱几何形状和几何位置的校正系数。如果只是油管和套管的相对位置发生变化而没有损伤,EX校正因ε的增减而造成厚度计算上的误差。仪器操作部分电磁探伤测井仪的井下仪器结构见图2。该仪器由上、下扶正器和仪器电路部分组成。仪器的电路部分包括温度探头、纵向探头A、横向探头B、纵向探头C和自然伽马探头,其中探头A、B、C用来检测套管的损伤和变形。温度探头用来检测井内流体温度场的变化,确定出液口的位置。自然伽马探头探测井身周围自然伽马强度,用于地质校深。探针接头设置前文叙及该仪器有纵向长轴探头A、横向探头B和纵向短轴探头C,根据探测方式和探测范围的需要,这3个探头的设置方式及使用特点各不相同,按检测线圈和管柱的相对位置分类,探头A属内通式变压器互感线圈,探头B属放置式变压器互感线圈,探头C也属内通式变压器互感线圈。1.直流电脉冲下产生的磁场特点如图3所示,探头A线圈截面的法向方向和管柱的轴向方向(井轴的轴线方向)平行,其长度大于C探头,故称之纵向长轴探头。探头A的线圈截面直径,发射和接收线圈的线径,线圈的匝数都大于B、C探头。当发射线圈通以短时间的直流电脉冲时,在线圈周围产生很强的稳定磁场,根据导体中的电磁渗透理论,其磁力线穿过油管进入套管,在油管和套管壁上分别产生环电流I1和I2,I1和I2的方向遵循右手安培定则,方向如图4所示。在直流电脉冲结束之后,I1和I2为克服原磁场强度的衰减而产生次生磁场,次生磁场在接收线圈中产生感生电动势ε,感生电动势ε是I1和I2共同作用的结果。在油管或套管的电磁特性发生变化时,感生电流I1、I2的大小发生改变;当油管或套管出现孔洞、裂缝,特别是纵向裂缝(相同长度的裂缝,纵缝切断感生电流在管壁上的回路远大于横缝),将切断感生电流I1、I2在管壁上的回路,这些都能改变感生电动势ε的幅度。2.接头的探测原理探头C在设置上和探头A相似,但其线圈的直径、匝数及探头长度都小于探头A,图4为探头C的设置及探测原理示意图。由发射线圈产生的磁场强度弱,只能探测第1层管柱(如果是单层管柱,第1层管柱就是套管;如果是多层管柱,第1层管柱指油管,第2层管柱就是套管),探测原理与探头A相同。3.管道内产生的深探头B的缠绕方式和探头C类似,其不同处是线圈轴线方向和管柱的轴线方向垂直,因此称其为横向探头。图5为探头B的设置及探测原理示意图。发射线圈产生的磁场强度比较弱,其磁力线只能穿过第1层管管柱,在管柱壁上感应出涡流感生电流I1,接收线圈检测由I1产生的感应电动势ε。当管壁上的损伤部位进入探头的探测区域时,特别是裂缝,将切断感生电流的回路,都影响感生电流的强度,从而影响感应电动势的幅度。值得说明的是,由于探头只能按某一固定方向扫描,横缝要比纵缝落入探测区的几率大得多,因此,探头B主要用来探测横缝。对A、B和C探头探测到的感应电动势用分时记录的方式分别录取9条、4条和5条测井曲线,并对这些曲线进行综合分析,最后解释出油管和套管的变形、裂缝、腐蚀及壁厚的变化情况。模型井的测试结果1.接头的结构和厚度图6是在不同壁厚双层管柱内的测试曲线。内层管柱是油管,外层管柱是3节不同厚度的套管,其中厚度为5.0mm、6.5mm的2节管柱是用外径140mm的标准套管加工而成的,下方是外径140mm的标准套管。UUA3、UUA2、UUA1、UUC1、UUB1分别是探头A、C、B的测试曲线,TEXP、TNKT分别是油管和套管的厚度曲线。UUA3、UUA2有厚度变化显示,TEXP没有变化。TNKT有厚度变化,其在厚度为5.0mm的管柱段变化明显,是因套管在加工时破坏了材料的导磁性所致。2.外缝面型3.在外径168mm,壁厚为9mm的管柱壁上设置了纵缝、横缝和斜缝(见图7)。在图7的上部是2条纵缝,缝长都是0.8m,上面的缝宽7mm,下面的缝宽3mm,探头A曲线Ua-5和探头C曲线Uc-4在2个纵缝位置都有明显的负异常,探头B曲线Ub-4有异常显示、Ub-1有微弱的显示,但不如前2条曲线明显。在7m和8m的位置上是2条长度120mm的横缝;在9m和10m的的位置上是2条长度120mm的斜缝,与井轴成60°角,横缝和斜缝Ub-4有明显的异常值,但Ua-5和Uc-4没有反映。覆岩初始井段腐蚀情况1.测井实例1图8是江苏油田富9×井电磁探伤测井的部分测井曲线图。在2176～2193m井段内三组探头测得的曲线UUa1、UUb1、UUc1及厚度曲线TEXP的幅度低于下面井段的幅度值,并且有明显的幅度变化说明该井段套管已经腐蚀,其中在2188～2192m处是严重腐蚀,套管壁厚只有2mm左右。井温曲线TEMP在此处无异常显示证实套管无漏矢。该井的其它井段也有不同程度的腐蚀和裂缝。2.测井实例2图9是江苏油田陈3-3×井电磁探伤测井的部分测井曲线图。1158～1168m处油管有缩径显示,解释为油管弯曲,其中曲线TNKT和TEXP分别是油管和套管的厚度曲线。多层管柱电磁探伤测井多层管柱电磁探伤采用分时记录技术,将3组磁探头获取的管柱信息进行量化处理,对记录的19条曲线进行综合分析解释,最后给出井内各层管柱的损伤结果