田延妮，戴家才，陈 猛，杨国锋，秦 昊，黄文奥

(西南石油大学地球科学与技术学院 四川 成都 610500)

0 引 言

随着油田开发进入中后期，套管损坏程度加重，水泥胶结质量逐渐变差，管外流体窜槽、漏失等较为严重的井下问题频繁出现，极大地降低了油气产出效率，影响了油田整体开发效果，因此，快速准确定位井下漏失点成为现在急需解决的重点与难点。而频谱噪声测井技术是在水力学湍流理论和流体声学基础上发展起来的一种测井新技术，通过对噪声信号频率和幅度分析来准确锁定套管井窜槽和漏失部位，评价窜槽和漏失部位流体的流量。其测井仪器简单，操作方便，可实现过油套环空测试，以测量精度高、探测深度大、记录范围广的优点成为定位油套管泄漏和油藏流动单元的有力工具，可有效解决生产测井中管外窜槽、漏失等问题。

早在二十世纪70年代初期，国内发现了存在于气井中的井下噪声[1]，但普遍认为噪声测井不能有效地区分油水层，导致该技术在国内没有成为常用的测井方法而投入现场使用，使得后续研究较少。徐寿年于1980年首次通过漏失模拟器进行试验，归纳得出孔道型漏失产生噪声的频率和幅度特性，并对漏失频谱和压力梯度、流速之间的关系进行了总结，完成了鉴别管外漏失层位、识别漏失类型等方面的实际应用[2]，为后续频谱噪声测井研究打下了良好的基础。

近年来各油田引进国外的噪声测井仪器(如俄罗斯TSH型噪声测井仪)，均是通过分析噪声频谱分布规律，确定套管外漏失或窜槽情况[3]。随着噪声测井技术研究的不断深入，针对噪声测井数据全面性的需求显得更加迫切。大庆油田同其他研究单位合作，研制了TPH型环空噪声测井仪并在青海油田应用了9井次[4]。该仪器首次采用频谱测井技术，可实现过油套环空测试。但在实际测量中存在问题，如采用测井绞车下放仪器，存在噪声信号的衰减，并且当测井井段超过100 m后，仪器将自动复位进行重新计算。在对比各测井仪器现场使用情况后，青海油田于2017年从国外引进频谱噪声测井技术，首次采用存储式噪声测井技术，井下仪器设计自带电源，加长了测量井段，可获取235～30 000 Hz的声波数据，具有较高的分辨率。在22次的现场应用中取得了良好效果，对注水井井下生产状况进行了准确诊断[5]。

图1 噪声频率及幅度响应图

1 频谱噪声测井原理

当流体或气体通过介质时，流动和元件振动都会产生噪声，通常在高速湍流中可以听到由内摩擦、气体鼓泡和相滑移产生的流体噪声。TGT公司的频谱噪声测井仪High-Definition broadband noise logging tool (SNL-HD)可捕获由井眼、套管、断层、裂缝和岩石基质等产生的10～60 000 Hz的噪声，对一组时域内的噪声进行处理，产生的数字化声波由1 024个时间道组成[6]。每个探测点记录约50个噪声样本，滤除不相关噪声后，以彩色频谱的形式处理成512个频率道。在频谱噪声测井中，噪声的振幅和频率为两个独立的参数，噪声振幅取决于压差、流速和流体类型，频率取决于通道孔径。小孔径通道会产生中高频噪声，大孔径通道则会产生低频噪声[7]。噪声频谱分析的关键是仪器的响应值，噪声幅度用彩色图谱表示，如图1所示。红色表示高振幅噪声，黄色、绿色、蓝色、紫色为低振幅噪声，按降序排列，白色为工具阈值以下的噪声[8]。对噪声频谱进行频率等级的初步分析可判断出流体的产生位置，流体沿油、套管流动会产生低频噪声，流经射孔段、油套管损坏部位及水泥环中的裂缝孔径一般出现中频噪声，储层流动则属于高频噪声[9-10]。

频谱噪声测井仪结构如图2所示，内部含有一个高灵敏度的水听器，其核心是一个置于油腔中的压电晶体传感器[11]。水听器可把弱信号放大7 000倍，并转换成电信号存储在内置内存中。仪器被放在特定深度，记录这一深度上的噪声振幅，数据处理模块将其分解为与流动类型有关的频率特性[12]。噪声采用定点测量的方式，避免了工具运动的影响，极大地提高了频谱噪声测井的统计可靠性。噪声解释需要对点测数据和包含点测位置的连续测井数据进行合成与分析，点测数据可判断噪声情况，连续测井数据用来确定点测数据的深度，在点测数据之间形成过渡段数据。

图2 频谱噪声测井仪器示意图

在井下，普通点的采集间隔一般为2～3 m，测量时间为45～60 s，每秒钟记录一个噪声样本(持续时间约4.3 ms)。在重点关注的异常区域内采集间隔一般为1 m，测量时间为2～3 min[13]。除了噪声测量仪器之外，仪器通常还包括一个温度传感器。井筒中的温度如果没有受到干扰，则温度曲线与地温梯度剖面相同。频谱噪声测井仪在向下的道次中连续地测量温度，向上通过期间进行定点的频谱噪声测量[14]。

2 井下噪声的产生及类型

在一定的压力梯度下，流体在狭窄的孔道里流动会产生噪声，研究噪声的频率和幅度特征，可以确定管外流体的流动位置及其类型[2]。流体按其流动方式可分为层流和湍流。单相流动以湍流噪声为主，而层流产生的噪声一般可以忽略。设孔道内径为D，平均流速为V，流体密度为ρ，运动粘度为μ，则

(1)

式(1)中，Re为雷诺数；D为孔道内径，ft；V为平均流速，ft /s；ρ为流体密度，lb /ft3；μ为运动粘度，lb /ft·s。其中，1 ft=0.304 8 m，1ft /s=0.304 8 m/s，1lb /ft3=16.02 kg/m3。当Re<2 000时，流体呈层流；当Re>3 000时，流体呈湍流。

一般情况下，井筒内产生湍流噪声表明该位置流速发生了变化，流体动能的损耗增加，产生的噪声幅度也随之变大。流体速度变化通常发生在产出口、泄漏口、注水位置等。因此，不同位置发生速度变化，幅度曲线上将有不同的峰值噪声。通过对井筒中由流体流动产生的自然噪声的测量，研究其频率和幅度特征，同时结合管柱结构、注水、射孔位置等相关数据，可以初步掌握噪声特性、了解井筒的工程状况[15]。按照流动类型，井下噪声源可分为四类[16]，见表1。

表1 井下噪声类型及特征

1)管中流动

这类噪声是由井眼流动引起油套管振动产生的，通常频率范围在1 kHz以下。钻孔会产生低频噪声，通常能被人耳捕捉到。如果钻孔压力低于鼓泡点，溶解气开始释放并产生5 kHz的噪声，在上升到地面时会下降到1 kHz。

2)完井工具

这类噪声是由射孔、油管鞋、封隔器和套管泄漏等产生的，频率通常在1～3 kHz。由于相邻频带内的井眼噪声具有一定的掩盖作用，完井噪声不具有明显的区域性。当射孔效果差或封隔器、套管出现泄漏，完井因素会产生异常高的跳跃式噪声，这些噪声在频谱上非常明显，可能会与油藏裂缝相混淆。

3)套管窜槽

套管后发生的窜槽流动具有清晰的顶底边界，在频谱上显示为垂向上独立的窄频带。由于窜槽位置的大小和结构会发生变化，产生的噪声谱可能会偏离垂直线。当通过孔径增大处时，窜槽流动可能产生周期性的破坏作用，产生的低频率与钻孔噪声相近。

4)储层流动

这类噪声是流体流经孔隙吼道和裂缝产生的，垂向上具有清晰的顶底边界，但没有径向上的定位。储层裂缝产生的噪声通常在3～8 kHz，大的裂缝可能会下降到1 kHz，与完井因素产生的噪声互相干扰。正常储层流动会产生10～20 kHz的噪声，所占频率范围较大；致密储层在超声范围内产生噪音(>20 kHz)；在渗透率小于1 mD的极致密地层中，只有气体才能通过，产生频率范围广的噪音(>30 kHz)[17]。

3 现场应用

频谱噪声测井数据综合解释是以噪声的频率及幅度为主要依据，以温度曲线为辅，结合管柱结构、注水情况、井史数据等动态监测数据，对油套管漏失、管外窜槽、封隔器漏等情况进行定性分析，作出符合井的实际情况和井下流动状态的准确解释。频谱噪声测井在国内多井次的应用中均取得了不错的效果。

位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡上的A井为一口采油井，基础数据、管柱结构数据见表2和表3。该井于2010年9月投产，初期日产液5.93 m3，日产油3.31 t，含水33.6%。2018年1月含水突升至100%，产出水矿化度升为8 183 mg/L，日产液由3.15 m3上升至5.04 m3，当月进行隔采，隔采位置1859.7 m，隔采后日产液2.79 m3，日产油1.28 t，含水45.4%，有效期短。2018年2月封隔器失效，再于5月、6月分别实施隔采无效，累计产油7 475 t，累计产水3 265 m3。为了从源头解决套破后对该井产能的影响并保持井筒的完整性，运用频谱噪声测井方法，精确找出套管漏点位置。

表2 A井基础数据表

表3 A井管柱结构数据表

本次测量依据基础数据表中短套深度(1 732.47 ～1 734.97 m)进行校深。频谱噪声测井测量深度为1 300 ～1 775 m，其中1 541.3 ～1 528.6 m、1 510 ～1 502 m为重点关注区域，采用加密取点，取点密度为每一米一个点。1 614 ～1 588 m每两米一个点，其余井段每三米一个点。

频谱噪声测井中因为注水停顿一段时间后进行打压，导致整体资料噪声能量差异较大。如图3所示，整体分为3段：1)底部上提至1 529 m为注水阶段；2)1 529 m至1 429.5 m为无注水阶段；3)1 429.5 m上提为继续注水打压阶段。所以频谱资料显示为第一阶段噪声幅度最强，第二阶段最弱，第三阶段居中。根据频谱噪声资料，在1 537.4 ～1 538.48 m处存在明显的泄漏噪声，同时观察温度曲线，存在异常点与泄漏点深度吻合。1 643.05～1 646.06 m和1 657.3～1 660.23 m处存在高频信号(35～55 kHz)，由于噪声测井上未观测到管内流体流动的能量变化，故判断为地层信号而不是泄漏点。

图3 频谱噪声测井全局综合解释图

4 结 论

1)相比于其他测井方法，频谱噪声测井技术的优点在于不与套管外流体连通的情况下，可实现对套管外流体流动的准确定位，可适用于裸眼井及套管井，但油水层识别效果较弱。

2)频谱噪声测井采取定点测量的方式，避免了工具运动影响测量效果，但导致测井时间较长，实际应用中多结合井温测井方法进行综合资料解释，可为异常井况的全面分析提供准确的资料。

3)目前，国内对频谱噪声测井技术尚处于定性研究阶段，建议与高精度温度测井及井下流量测井相结合以获取更加丰富的噪声特性参数，实现井下流体速度及流量的定量化解释。