油气储层裂缝电磁探伤测井技术优化

崔延庆 王倩 李晓卫

摘 要：为明确油井内套管和油管的损坏情况，提出一种油气储层裂缝电磁探伤测井技术。在对电磁探伤测井仪的物理基础分析后，得到其结构构成和功能特点，对纵向探头A、横向探头B和纵向探头C的结构设置方式和特点分析后，得到探头A应用在多层套管、纵向裂缝中最合适、探头B应用在单层套管、横向裂缝中最合适、探头C应用在单层套管和纵向裂缝中最合适的结论。将其应用在实例分析中，探测不同类型的套管损坏情况，结果表明：实现了精准探测，可在人工不下井、不接触的情况下获取到套管的各项数据信息。

关键词：油气储层裂缝；电磁探伤；测井技术；磁场强度

中图分类号：TE927

文献标志码：A

文章编号：1001-5922（2023）07-0128-04

Optimization of electromagnetic flaw detection logging technology for oil and gas reservoir fractures

CUI Yanqing，WANG Qian，LI Xiaowei

（Changqing Oilfield No.1 Oil Production Plant，Yanan 716000， Shaanxi China

）

Abstract：To clarify the damage situation of casing and tubing in oil wells，an electromagnetic flaw detection logging technology for oil and gas reservoir fractures was proposed.After analyzing the physical basis of the electromagnetic flaw detection logging tool，its structural composition and functional characteristics were obtained.After analyzing the structural settings and characteristics of longitudinal probe A，transverse probe B，and longitudinal probe C，the conclusions were drawn that probe A is the most suitable for multi-layer casing and longitudinal cracks，probe B is the most suitable for single-layer casing and transverse cracks，and probe C is the most suitable for single-layer casing and longitudinal cracks.Applying the proposed technology to case analysis to detect different types of casing damage，the results show that the proposed technology achieves precise detection and can obtain various data information of the casing without workers entering the well or in contact.

Key words：oil and gas reservoir fractures;electromagnetic flaw detection;logging technology;magnetic field intensity

提出了多項测井技术。如利用双向门控循环单元神经网络对测井曲线进行重构，在对测井序列当前数据和历史数据进行关联性分析和非线性映射关系分析后，利用智能补全技术实现对套管损坏的检测［1］；利用三维声波测井技术中的异性快速反演技术，从轴向、周向和径向3个方向获取油田的并周慢度成像，进而完成对套管损坏的检测［2］。

为此，提出一种电磁探伤测井技术。实验验证3所提技术能正确检测出不同类型的故障，提高对井身结构的普查力度。

1 电磁探伤测井技术

油气储层裂缝电磁探伤测井技术是一种应用于油气勘探和生产中的测井技术。该技术主要是利用电磁波的传播特性，通过探测仪器记录测量地下储层中的电磁波响应信号，以便了解储层中存在的裂缝、孔洞等特征。

其可以测量储层的垂直电导率和垂直磁导率，从而评估储层中的电磁响应特征。该技术主要适用于水平井、水平分支井进行水平裂缝、垂直裂缝检测，不仅能检测储层的裂缝情况，还能定位地下储层产生的砂包等问题。

1.1 技术原理

电磁探伤测井仪的物理原理是法拉弟电磁感应原理［3］。通过在绕线螺线管中输入一定量的直流电，线圈附近生成一个恒定的磁场，切断直流电后，则会产生一种反向磁场，这种磁场在绕线螺线管上呈现出一种随着时间增加而逐渐减少的感应电动势（ε），表达式为：

ε=-dφdt（1）

dφ=dS·B（2）

式中：ε，φ表示磁通量；t表示时间；S表示绕线线圈的截面；B表示生成的恒定磁场强度。

当油田套管损坏或管壁厚度发生变化时，ε的值也会随之发生变化。根据以往经验可知，单层管柱和双层管柱的壁厚不同，针对壁厚进行分析可以判断套管是否发生损坏。

对单层管柱的结构进行分析后，得到感应电动势ε1的函数表达式：

ε1=f1（h1，μ1，σ1，D1，Tj）（3）

式中：f1表示函数系数;h1表示管柱壁厚;μ1、σ1分别表示管柱的磁导率和电导率;D1表示管柱最外圈直径的大小;Tj表示油井内温度。

再对双层管柱进行分析，得到其感应电动势ε2的函数表达：

ε2=f2（h1，h2，σ1，σ2）（4）

式中：h1和h2分别表示管柱和套管的管柱壁厚;μ1和μ2分别表示管柱σ1和σ2套管的磁导率;σ1、σ2分别表示油管和套管的电导率。

在式（3）和式（4）中，磁导率、电导率以及管柱壁厚是对ε1和ε2贡献最大的3个值，磁导率和电导率通常情况下是已知的，通过Tj完成校正，进而可推导出h1和h2的值。

1.2 结构及特点分析

电磁探伤测井仪由2个扶正器和5个功能不同的探头组成，具体结构如图1所示。

由图1可知，在该仪器中，探头A探测范围最大，可分析计算单、双层管柱的壁厚、探测管柱是否发生纵向裂缝以及腐蚀等损壞情况。探头C可用来分析计算单层管柱壁厚、判断内管是否发生腐蚀［4］以及检测内管是否出现纵向裂缝。探头B为横向探头，与管柱轴线为垂直关系，可用来分析计算内管壁厚、检测内管是否发生横向裂缝、变形和错断等损坏情况。

1.3 磁探头设置方式

由于3种探头的用途各不相同，所以在设置方式上也有着一定的差异性，具体如图2（a）、（b）、（c）所示。

1.3.1 纵向长轴探头A

对比图2（a）和图2（b），可以发现探头A与探头C的结构设置方式非常接近，但是探头A的长度要远远大于探头C的长度。由于探头A的线圈截面法向方向与管柱轴向方向［5］之间呈垂直关系，因此探头A被称作是纵向长轴探头。

探头A的发射线圈和接收线圈线径、线圈缠绕匝数和截面长度，都要比探头B和探头C大很多。将能量较低的直流电脉冲接入到发射线圈中，会迅速在线圈周围形成一个强势且稳定的磁场。通过电磁渗透原理［6］可知，当磁力线经由油管进入到套管中时，油管和套管上分别会生成一个符合右手安培定则［7］的感生电流I1和I2，作用方向图2（a）中给出了标示。将直流电脉冲与发射线圈分离开，I1和I2在原磁场强度的影响下，生成一个二次磁场，强度较原磁场［8］小很多，可直接被接收线圈接收。这一过程产生的感应电动势是I1和I2综合作用［9-10］的结果。

在套管或油管电磁特性发生改变的情况下，I1和I2的值会受到一定的影响，从而发生改变。在油管或套管出现明显损坏的情况下，例如腐蚀、孔洞、裂缝等，感生电流I1和I2会立即从管壁电路［11-12］中脱离出来，以此控制感应电动势的变化幅度。

1.3.2 纵向短轴探头C

探头C的设置方式与探头A完全相同，只是在线圈匝数、截面直径长度以及探头长度等方面要比探头A小，图2（b）为探头C的结构设置方式［13］。

探头C无论是在探测原理上还是设置方式上都与探头A最为相似。二者之间不同的是，探头C的长度要小于探头A，由此生成的磁场强度也要低于探头A，无法探测双层管柱中的第2层管柱，仅针对单层管柱或者纵向裂缝探测比较有效。

1.3.3 横向探头B

探头B的绕线方式与探头A和探头C大体上相同，唯一不同的就是线圈轴线方向与管柱轴向方向之间为垂直关系，因此该探头也被称为横向探头。图2（c）展示了探头B的结构设置方式。由探头B发射线圈生成的磁场强度整体上偏弱，无法对双层管柱的第二层管柱进行探测，只能对单层管柱或者双层管柱的第一层管柱进行涡流感生电流I1的获取，接收线圈只能对I1生成的感应电动势进行探测和接收［14-16］。

当探头B探测到发生损坏的管柱或油管，尤其是裂缝损坏时，会立即从电流回路中脱离出来，从而在某种程度上影响了涡流感生电流I1值的大小，进一步影响了感应电动势的变化幅度。在此要特别指出的是，探头只能在一个固定的方向上进行探测，而横向裂缝损坏情况被探测到的概率要比纵向裂缝大。因此，探头B的探测重点是在横向裂缝上。

将探头A、探头C以及探头B探测到的管柱或

油管感应电动势，以分时记录的方式绘制成测井曲线，通过对这些曲线进行分析，判断油管和套管是否出现损坏现象。

2 实例应用分析

利用上述提到的电磁探伤测井技术，在某油田内展开实例应用分析。选取某一套管，利用该技术探测后绘制出测井曲线，经过分析后给出套管的损坏类型和具体位置。

2.1 探测套管是否存在射孔孔眼

当套管没有出现射孔孔眼时，感应电动势会按照指数形式逐渐衰减；而当套管出现射孔孔眼时，感应电动势的衰减曲线会偏离正常指数衰减曲线。利用该技术对套管射孔孔眼进行探测，绘制了如图3所示的测井曲线。

从图3中可以很明显地看到感应电动势衰减曲线在深度为1 675 m附近发生突变，证明在此段套管结构出现了射孔孔眼。

2.2 对油管腐蚀、孔洞的探测

利用该技术对油管的腐蚀和孔洞等损坏情况进行探测，绘制了如图4所示的测井曲线。

从图4中的曲线变化情况可以发现，纵向探头和横向探头的感应电动势都出现了明显地衰减现象，但是大多数都保持了有规律地变化，说明油管不存在孔洞。通过观察壁厚曲线可以看出，油管深度大于255 m后，套管厚度变小，说明底部明显出现了变薄的现象，因此怀疑此处油管发生了腐蚀或穿孔。

2.3 对管柱变形的探测

利用该技术对管柱变形进行探测，绘制的测井曲线如图5所示。

从图5中可以看出，描述内层管柱的感应电动势曲线出现了明显的异常情况，而描述外层管柱的感应电动势曲线走势整体没有出现较大的偏离。因此可以说明，在1 985.0～1 994.8 m处，油管出现了严重的变形。

2.4 对管柱下深的探测

利用该技术对管柱下深现象进行探测，绘制的测井曲线如图6所示。

从图6中的感应电动势曲线变化情况可以得出结论，管柱下深的高度为102 m，表层套管下入的深度为115.4 m。

3 结语

针对多层管柱和单层管柱，选取电磁探伤测井仪中的不同探头对其进行有针对性的损坏部位探测。探头A和探头C属于纵向探头，探头A主要作用于多层管柱，探头C则主要倾向于单层管柱，二者探测的都是纵向裂缝。探头B属于横向探头，探测的区域面积要比探头A和探头C大一些，对于横向裂缝探测效果更佳，但是磁场强度较小，仅能探测单层管柱或者双层管柱中的第一层管柱。利用分时记录的方式将上述3个探头探测到的信息绘制成测井曲线，通过对测井曲线的分析判断套管和油管是否出现损坏现象。通过在某油田展开实例分析，结果表明，所提技术可探测到不同类型的损坏情况。同时，也可探测到多层管柱中每一层管柱的壁厚，进而确定管柱是否出现腐蚀或穿孔等损坏，节省了工人下入井内检查的时间和费用，在一定程度上提高了油田的生产效率。

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