利用阵列声波进行固井质量定量评价的方法及其应用

发布时间：2021-09-24

　　摘要声波法固井质量测井技术一般采用短源距测量方式测量套管波的幅度、衰减或套后声阻抗来进行固井质量评价，然而在油气田开发生产期间，用户往往提出地层声波信息和固井质量同时评价的要求，此时短源距测量方式已不能满足用户需求。在固井质量好的情况下，阵列声波测井能够得到地层声波信息，但对固井质量评价涉及较少。为满足客户需求，充分利用阵列波形中的信息，降低测井成本，本文基于阵列声波测井资料，开展了固井质量定量评价方法研究，首先数值模拟研究了不同固井质量情况下的阵列声波声场响应特征，然后利用阵列仪器多接收器的特点，引入了一种定量计算套管波衰减的方法，并结合常规固井质量CBL/VDL测井资料，建立了新的固井质量评价标准，实现了阵列声波固井质量的定量评价。通过处理现场测井资料，验证了该方法的正确性和有效性。

　　关键词阵列声波;套管波;衰减;固井质量;定量评价

　　0引言

　　固井质量评价是油气开发和生产中的一个重要环节，通常采用声波测井方法来评价套管井的水泥胶结程度。声波法固井质量测井技术目前主要包括声幅-变密度测井、扇区水泥胶结测井、自激自收超声成像和弯曲型兰姆波超声成像测井技术，通过测量套管导波的幅度和衰减率、管外环空介质的声阻抗、第二界面反射波等测井信息进行固井质量评价。现常用的声波法固井质量检测仪器均采用短源距的方式进行测量。应用最广的声幅(CBL/VDL)测井仪器采用3ft(91.44cm)源距测量套管波幅度评价固井第I界面胶结状态，在第I界面胶结好时，采用5ft(152.4cm)源距测量地层波定性评价固井第II界面胶结状态(谢荣华等，2019)。扇区水泥胶结测井采用贴井壁方式测量井周6个扇区的套管波衰减率，衰减率测量间距随套管内径的增大而增大，对于外径小于9.625in(244mm)的套管，短源距间距一般为0.65ft～0.73ft(即19.8cm～22.3cm)，长源距间距为1.3ft～1.46ft(即39.6cm～44.6cm)(张秀梅，2005)。超声成像利用超声换能器发射高频脉冲和接收发射回波的方式测量(魏涛，2010);弯曲型兰姆波超声成像测井技术主要是将脉冲回波技术与斜向入射弯曲型兰姆波技术结合，测量弯曲型兰姆波衰减率，短源距为0.82ft(25cm)，长源距为1.15ft(35cm)(HamawiM等，2007;MorrisCW等，2007)。短源距的测量方式有利于测量套管波幅度和衰减，评价套后固井质量，但短源距的测量方式不能得到地层声波时差信息。

　　近年来，随着声波技术的发展，用户希望在电缆阵列声波仪器上提过程中，能对上一开钻井井段进行固井质量的定量评价。斯伦贝谢公司和哈里伯顿公司提出利用阵列声波数据进行固井质量定量评价的方法(V.Pistre等，2014;YanWeiFeng等，2016;W.Izuhara等，2017)。然而，国内外在基于电缆长源距阵列声波资料进行固井质量评价方面，并没有相关研究。对此，本文基于阵列声波资料计算接收器阵列跨度内套管波衰减，并结合常规固井质量CBL/VDL测井资料，建立了新的固井质量评价标准，实现了对固井质量的定量评价。应用该方法处理现场测井资料，验证了该方法的正确性和有效性。

　　1、套管井阵列声波的传播特征

　　为了能够完整地模拟不同水泥胶结程度下的套管井阵列声波传播特征，我们利用等效水泥模量的方法，建立套管井声波测井模型，如图1所示，模型中井眼内充满流体，井外套管与套管外面的水泥环用井和无限大地层介质之间的同心圆柱层来模拟，其中，通过改变水泥环声学模量来实现水泥环胶结指数从0-1的渐变模拟，水泥环剪切模量M由式(1)给出。

　　为了验证该模拟方法的正确性，我们采用上述方法进行了数值模拟，并与实际数据进行了对比。根据现场操作实际情况，模型中的点声源和接收器阵列均位于井轴上，居中设置。声波波形理论模拟的方法和步骤参见《定量测井声学》(唐晓明等，2004)。其他参数(地层Ⅰ)均与实际情况相同：声源主频为8kHz，源距为3m，间距为0.1524m，模型的参数详见表1。模型数值模拟结果与实际测井资料对比结果如图2所示。

　　左图中第一道为套后GR曲线、套管接箍曲线，第二道为深度道，第三道为阵列声波全波列波形图及计算套管波幅度所用的时间窗口，第四道为阵列声波提取的纵波和横波时差曲线，第五道为声幅曲线(CBL)，第六道为利用声幅曲线计算得到的胶结指数(BI)曲线。右图中实线为实际测井数据，虚线为利用上述理论模拟出的数据，a图所对应的深度为2615.5m，该点的胶结指数为0.23;b图所对应的深度为2825.4m，该点的胶结指数为0.42;c图所对应的深度为3002.2m，该点的胶结指数为0.85。由图中可以看出在不同胶结情况下，理论模拟数据与实际测井数据拟合较好。验证了利用改变水泥环剪切模量的方法来模拟不同胶结程度下的套管波波形曲线的正确性。

　　采用上述等效模型，从高胶结指数到低胶结指数进行数值模拟，结果如图3所示，选择数个高低不等的等效模量值(如图3中实心点所示)，将离散模量值进行数值拟合得到连续曲线(如图3中实线所示)，结果显示在低胶结指数井段，水泥剪切模量随胶结程度变好而快速上升，在较高胶结指数井段，水泥剪切模量的上升趋势减缓，趋于平稳。由图3中结果可知，通过改变水泥模量可以全面地刻画水泥胶结程度的变化情况，便于后续计算套管波幅度与衰减情况，可用于获得更完整的水泥胶结指数。

　　利用图3中的水泥剪切模量随胶结程度的变化关系，本文还对低速地层(地层Ⅱ)进行了数值模拟，参数详见表1，模拟结果如图4所示，从上到下用剪切模量依次减少来胶结质量依次变差的情况，可以看到套管波幅度依次增强，说明该模拟方法同样也适用于软地层模型中。对于低密度水泥和快速地层以及高密度水泥和慢速地层等情况将在后续的研究中进一步讨论。

　　2、阵列声波固井质量评价方法

　　前常用的固井质量评价技术主要基于短源距测量方式所得声波资料，且评价方法及处理评价技术比较成熟，借鉴短源距测量方式下的固井质量评价方法，我们基于电缆长源距阵列声波资料提出了一种新的固井质量评价方法。

　　3、建立固井质量评价标准

　　利用上述方法建立了阵列声波固井质量评价标准。统计分析了某区域8口套管井的声波测井资料，其中每口井中同时测量了阵列声波测井资料和声幅测井CBL/VDL资料，采用上述方法对8口井的阵列声波测井资料进行处理，获得8口井的阵列衰减曲线，并且结合现场常用固井质量评价标准，即当CBL<15%时，水泥胶结良好，当15%30%时，水泥胶结较差。将所得套管波阵列衰减曲线与其对应的CBL曲线进行交会，结果如图6所示。当水泥环胶结较好(CBL<15%)时，套管波衰减值较大，均大于1.25;当水泥环胶结中等(15%30%)时，套管波衰减值均小于0.65。因此，可将基于套管波衰减的固井质量评价标准进行如下定义，即当套管波衰减值大于1.25时，水泥环胶结质量良好;当套管波衰减值处于大于0.65小于或等于1.25之间时，水泥环胶结中等;当套管波衰减值小于0.65时，水泥环胶结质量较差。

　　4、现场资料处理实例

　　4.1固井质量差套管井实例

　　为了初步验证上述新方法及固井质量评价标准的正确性及有效性，本文给出了I井套管段阵列声波现场数据处理实例，处理结果如图7所示。图中第一道为套后GR曲线、套管接箍曲线;第二道为本井VDL波形图;第三道为深度道;第四道为阵列声波全波列波形图及计算套管波幅度所用的时间窗口;第五道为CBL曲线;第六道为采用本文新方法计算的套管波衰减曲线及两条固井质量评价标准曲线。为了验证处理结果的正确性，将其与CBL曲线进行对比，套管波衰减曲线与CBL曲线具有良好的相关性。在整个井段内，VDL波形及阵列声波全波列波形中，首波为能量较强、速度最快的套管波，CBL声幅值均大于40%，套管波衰减曲线均小于0.65，说明本井水泥环胶结不好，固井质量差，同时也说明在固井质量差情况下的套管井中，利用本文新方法计算所得套管波衰减曲线，可以有效地进行固井质量评价，初步验证了该方法的正确性及有效性。下面的例子说明，当固井质量中等或者良好的情况下，该方法也可以有效评价固井质量。

　　4.2固井质量中等和良好套管井实例

　　为进一步验证新方法在固井质量中等或良好套管井中的应用效果，本文给出了II井中的套管段阵列声波现场数据处理实例，井段为2770~3200m，处理结果如图8所示。图中第一道为套后GR曲线、套管接箍曲线;第二道为本井VDL波形图;第三道为深度道;第四道为阵列声波全波列波形图及计算套管波幅度所用的时间窗口;第五道为CBL曲线;第六道为采用本文新方法计算的套管波衰减曲线及两条固井质量评价标准曲线。为了验证处理结果的正确性，将其与CBL曲线进行对比，套管波衰减曲线与CBL曲线具有良好的相关性。在2750~2930m井段，CBL声幅值约20%~40%，套管波衰减曲线在0.65~1.25之间，固井质量中等;在2930~3130m大部分井段处，CBL声幅值小于10%，套管波衰减曲线大于1.25，固井质量好;在3130~3150m井段，CBL声幅值约20%~40%，套管波衰减曲线小于0.65，固井质量差;在3150~3160m井段，CBL声幅值小于10%，套管波衰减曲线大于1.25，固井质量好;在3160~3200m井段，CBL声幅值约40%，套管波衰减曲线值小于0.65，固井质量差。本井处理结果说明，在固井质量中等或良好的套管井中，利用本文新方法计算所得套管波衰减曲线，均可以有效地进行固井质量评价，最终验证了该方法的正确性及有效性。

　　5、结论

　　对于阵列声波测井开展套管井固井质量评价，理论数值模拟和现场数据处理表明阵列波形中的套管波敏感于水泥胶结质量。利用阵列声波测井仪器多接收器的特点，提出了一种计算套管波衰减的方法，并结合常规固井质量CBL/VDL测井资料，建立了新的固井质量评价标准，从而实现了阵列声波固井质量的定量评价。运用该标准，套管波衰减曲线可以很好地反映水泥环胶结情况，具体表现为：当套管波衰减值大于1.25时，水泥环胶结质量良好;当套管波衰减值处于大于0.65小于或等于1.25之间时，水泥环胶结质量中等;当套管波衰减值小于0.65时，水泥环胶结质量较差。通过处理不同水泥环胶结情况下的套管井阵列声波现场资料，验证了该方法的正确性及有效性。本文为采用套管井阵列声波资料进行固井质量评价提供了一种有效的工具。——论文作者：张聪慧1祁晓1张广栋2†张璋1尹璐1

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