康建云, 張國(guó)軼, 劉丹陽, 彭華君

(中石化西南石油工程公司測(cè)井分公司, 四川 成都 610100)

0 引 言

深井、超深井的油氣勘探和開發(fā)采用雙層套管甚至多層套管的完井方式越來越普遍。受雙層套管聲波傳播路徑以及多個(gè)界面反射造成的波列疊加影響,雙層套管固井質(zhì)量評(píng)價(jià)一直是個(gè)難題。雙層套管固井CBL-VDL測(cè)井資料的可靠程度更是直接影響了固井質(zhì)量的評(píng)價(jià)。雙層套管CBL-VDL測(cè)井只有首波才真實(shí)反映了內(nèi)層套管與水泥環(huán)的膠結(jié)情況,第2、3道波雖然也為套管波,但極有可能為外層套管波和內(nèi)層套管波的疊加。實(shí)際操作中,當(dāng)測(cè)量井段內(nèi)固井質(zhì)量較好、無自由套管,因首波幅度較小,以及測(cè)井對(duì)雙層套管內(nèi)、外層套管波疊加現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的不足,容易導(dǎo)致首波誤判而套第2甚至第3道波進(jìn)行CBL-VDL測(cè)井,一定程度影響了測(cè)井資料的可靠性和固井質(zhì)量的評(píng)價(jià)。前人對(duì)雙層套管井聲傳播特征和固井質(zhì)量評(píng)價(jià)作過很多有益的分析,Tang X M等[1]詳細(xì)介紹了聲波測(cè)井的基本理論;黃文新等[2]用柱狀多層理論模型計(jì)算并繪制了不同膠結(jié)狀況下聲波全波波形圖,為雙層套管固井質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了較好的依據(jù);聶建山等[3]通過分析各界面不同膠結(jié)狀況的波形特征,提出了雙層套管固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。雙層套管固井質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法較為成熟,但對(duì)雙層套管固井測(cè)井的影響因素及質(zhì)量控制研究較少。本文基于前人雙層套管井聲波傳播理論,將套首波和套第2道波得到的測(cè)井資料進(jìn)行對(duì)比,闡述套第2道波進(jìn)行CBL-VDL測(cè)井對(duì)測(cè)井資料和固井質(zhì)量評(píng)價(jià)的影響,為雙層套管固井的測(cè)井操作和固井質(zhì)量評(píng)價(jià)提供一定的依據(jù)。

1 雙層套管聲傳播特征

1.1 聲波在雙層套管中的傳播路徑

CBL-VDL測(cè)井儀一般采用單發(fā)雙收聲系,發(fā)射器T發(fā)射聲波頻率為20 kHz(周期為50 μs),源距分別為3 ft*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同和5 ft的2個(gè)接收器R1、R2,分別接收聲波沿套管滑行和地層反射回來的2個(gè)全波列。R1接收到的全波列首波信號(hào)幅度經(jīng)刻度后即為CBL值,R2接收到的全波列正半周的幅度轉(zhuǎn)變成正比的灰度信號(hào)即為VDL信號(hào)[4-6](見圖1)。

圖1 聲波在雙層套管中的傳播路徑示意圖

雙層套管內(nèi)層套管滑行波的傳播路徑為T—A—B—R1,外層套管滑行波的傳播路徑為T—A—C—D—B—R1。內(nèi)層套管波首波到達(dá)時(shí)間為

t1=D1×Δtf+L×Δtc

(1)

式中,D1為內(nèi)層套管直徑,m;L為源距,CBL波列源距3 ft取值0.914 4 m;Δtf為泥漿的聲波時(shí)差,取均值約為667 μs/m;Δtc為套管的聲波時(shí)差,取均值約為187 μs/m。

外層套管波首波到達(dá)時(shí)間為

t2=D1×Δtf+(D2-D1)×Δth+L×Δtc

(2)

式中,D2為外層套管直徑,m;Δth為水泥環(huán)的聲波時(shí)差,取經(jīng)驗(yàn)值約為357 μs/m。

內(nèi)、外層套管首波到達(dá)時(shí)間差為(D2-D1)×Δth,以內(nèi)層193.7 mm套管、外層273.1 mm套管為例,內(nèi)、外層套管波到時(shí)差約為28 μs。全波列的前3道波列反映為套管波,若內(nèi)、外層套管波到時(shí)差約半個(gè)周期發(fā)生波列疊加后,接收器R1接收到的全波列只有首波幅度反映為內(nèi)層套管與水泥環(huán)的膠結(jié)情況,而第2、3道波為內(nèi)層套管波和外層套管波的綜合信息,一定程度上反映了外層套管與水泥環(huán)膠結(jié)情況[7-9]。

1.2 內(nèi)、外層套管波疊加對(duì)波列的影響

當(dāng)內(nèi)層套管與水泥環(huán)膠結(jié)中-好(聲耦合較好)、外層套管與外層水泥環(huán)膠結(jié)差-中(聲耦合較差),外層套管波與內(nèi)層套管波易發(fā)生波列疊加現(xiàn)象。根據(jù)同心層狀地層模型,井外套管及套管外面的水泥層可以用井和地層介質(zhì)之間的同心圓柱層模擬;當(dāng)水泥膠結(jié)情況不好時(shí),可以用套管與水泥之間或水泥與地層之間加一液體層模擬[1-2]。儀器接收到反射波的聲壓,有

(3)

式中,r為井眼半徑;z為源距;s(ω)為聲源頻譜函數(shù);B1為與井中勢(shì)函數(shù)有關(guān)的非零常數(shù),可由邊界條件確定;I0為第Ⅰ類變型貝塞爾函數(shù);K為波數(shù)的軸向分量;Kcl為井內(nèi)流體縱波波數(shù)的徑向分量。

1.2.1 內(nèi)、外層套管波疊加導(dǎo)致的波列前移現(xiàn)象

圖2為內(nèi)、外層套管波發(fā)生疊加時(shí)經(jīng)計(jì)算的聲波波形及簡(jiǎn)化理論模型,其中圖2(a)雙層套管模型為內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)好而外層套管水泥環(huán)膠結(jié)差且內(nèi)外層套管波到時(shí)相差約半個(gè)周期;單層套管模型為套管直徑與雙層套管的內(nèi)層套管直徑一樣,且水泥完全膠結(jié)好。從單層套管聲波波形可以看出,在約300 μs時(shí)出現(xiàn)了能量非常弱的套管波,400 μs和550 μs左右出現(xiàn)了地層縱波和橫波,波形特征明顯;而雙層套管模型聲能的傳播途徑主要為內(nèi)層套管→內(nèi)層水泥環(huán)→外層套管,大部分聲能在外層套管中傳播,因此內(nèi)層套管波列幅度很小,外層套管波列較強(qiáng)。外層套管波首波到達(dá)時(shí)間約為325 μs,內(nèi)、外層套管波疊加而成的波列相對(duì)于單層套管聲波波形而言,首波缺失,第2、3道波出現(xiàn)了明顯的前移現(xiàn)象。

圖2 內(nèi)、外層套管波疊加的計(jì)算聲波波形及簡(jiǎn)化模型

1.2.2 內(nèi)、外層套管波疊加導(dǎo)致的波列畸變現(xiàn)象

圖2(b)雙層套管模型為內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等,外層套管水泥環(huán)膠結(jié)差且內(nèi)、外層套管波到時(shí)差大于半個(gè)周期;單層套管模型為套管直徑與雙層套管的內(nèi)層套管直徑一樣,且套管與水泥環(huán)膠結(jié)中等。單層套管聲波波形顯示,約300 μs時(shí)出現(xiàn)了較小的套管波波列,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),約550 μs時(shí)出現(xiàn)了地層橫波。而雙層套管模型因內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等,內(nèi)層套管和水泥環(huán)的聲耦合一般,聲能部分在內(nèi)層套管中傳播,內(nèi)層套管波有一定幅度,部分聲能沿內(nèi)層套管→內(nèi)層水泥環(huán)→外層套管傳播,聲波能量衰減較大,外層套管波幅度較小。內(nèi)、外層套管波疊加而成的波列相對(duì)于單層套管聲波波形其首波到達(dá)時(shí)間基本一致,第2道波出現(xiàn)了明顯的畸變現(xiàn)象。

實(shí)際測(cè)井資料中的內(nèi)、外層套管波疊加導(dǎo)致波列前移或者畸變的現(xiàn)象也比較常見。××2井272～297 m井段一開固井CBL-VDL資料顯示該段外層套管與水泥環(huán)膠結(jié)中-差,二開固井CBL-VDL資料顯示內(nèi)層套管與水泥環(huán)膠結(jié)程度中等,內(nèi)、外層套管波發(fā)生了波列疊加現(xiàn)象,第2道波前移現(xiàn)象明顯(見圖3)。

圖3 ××2井內(nèi)、外層套管波疊加導(dǎo)致的波列前移現(xiàn)象

××2井1 144～1 151 m井段資料顯示外層套管水泥環(huán)中等膠結(jié),內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等,內(nèi)、外層套管波的疊加導(dǎo)致第2道波發(fā)生了明顯的畸變現(xiàn)象(見圖4,圖4中全波列均用的是5 ft變密度波列,內(nèi)、外層套管波疊加對(duì)3 ft聲幅波列的影響是一樣的)。

圖4 ××2井內(nèi)、外層套管波疊加導(dǎo)致的波列畸變現(xiàn)象

1.3 雙層套管固井對(duì)測(cè)井操作的要求

實(shí)際操作中套第2道波進(jìn)行測(cè)井不僅可能導(dǎo)致測(cè)值不準(zhǔn),難以反映內(nèi)層套管與水泥環(huán)的膠結(jié)情況,而且由于內(nèi)、外層套管波疊加導(dǎo)致的波列前移和畸變現(xiàn)象,也難以保證準(zhǔn)確的套第2道波,更是直接影響了測(cè)井資料的可靠性。

雙層套管CBL-VDL測(cè)井準(zhǔn)確套首波是取得可靠、高質(zhì)量的資料的關(guān)鍵。儀器刻度首先需計(jì)算好內(nèi)層套管波首波到達(dá)時(shí)間,使用合適增益使首波較易識(shí)別但又不至于限幅,并盡量減小門寬寬度(以免套到因內(nèi)、外層套管波疊加而導(dǎo)致的波列前移的第2道波)。CBL波列套管波首波到達(dá)時(shí)間的計(jì)算參考式(1),常用套管的波列首波到達(dá)時(shí)間見表1。

表1 常見套管首波到達(dá)時(shí)間表

2 雙層套管固井套首波與套第2道波測(cè)井資料對(duì)比

2.1 套第2道波測(cè)井資料的獲得

進(jìn)行測(cè)井資料對(duì)比井的選擇原則是測(cè)井儀器居中良好(排除因儀器偏心導(dǎo)致的波列扭曲變形的影響)、測(cè)井資料質(zhì)量高、雙層套管段有自由套管,且聲幅曲線有高、中、低值(水泥環(huán)與內(nèi)層套管膠結(jié)好、中、差兼顧)。套第2道波聲幅變密度測(cè)井資料采用曲線回放方式獲得,操作時(shí)根據(jù)套管直徑設(shè)定好波至?xí)r間和固定門寬,使聲幅曲線準(zhǔn)確套住第2道套管波,并在雙層套管自由套管井段重新刻度,刻度值與套首波時(shí)基本保持一致。通過回放獲得的聲幅變密度測(cè)井資料與測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)套首波取得的資料進(jìn)行對(duì)比,以期得出套第2道波測(cè)井在不同情況下對(duì)CBL測(cè)值及固井質(zhì)量評(píng)價(jià)的影響。

2.2 套首波與套第2道波測(cè)井資料對(duì)比

××2井273～307 m井段內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等,外層套管水泥環(huán)膠結(jié)中—差,內(nèi)、外層套管波均較強(qiáng),變密度全波列顯示內(nèi)、外層套管波有較明顯的疊加作用,第2、3道波前移現(xiàn)象明顯,套第2道波測(cè)井CBL值明顯高于套首波時(shí)的CBL(見圖5)。

圖5 ××2井套首波和套第2道波測(cè)井資料對(duì)比圖

××3井367～400 m井段內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)好,外層套管水泥環(huán)膠結(jié)差-中等,內(nèi)層套管波微弱,外層套管波較強(qiáng),變密度全波列顯示內(nèi)、外層套管波疊加作用明顯,第2、3道波明顯前移,基本反映為外層套管波(第2道波與外層首波在形態(tài)上也具有一定的相似性)。套第2道波聲幅曲線值略高于套首波的聲幅值(見圖6)。

圖6 ××3井套首波和套第2道波測(cè)井資料對(duì)比圖

2.3 內(nèi)、外層套管波疊加的幾種情況及對(duì)CBL曲線的影響

內(nèi)、外層套管波疊加可能出現(xiàn)的幾種情況,①自由套管:當(dāng)內(nèi)層套管為自由套管,聲波能量?jī)H沿內(nèi)層套管傳播,不存在內(nèi)、外層套管波的疊加作用,第2、3道波反映內(nèi)層套管波;②內(nèi)中差外好:內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等或差,外層套管水泥環(huán)膠結(jié)好,聲波能量主要沿內(nèi)層套管傳播,外層套管波極微弱,內(nèi)、外層套管波的疊加作用可忽略,第2、3道波主要反映內(nèi)層套管波;③內(nèi)外均好:內(nèi)、外層套管與水泥環(huán)均膠結(jié)好,大部分聲波能量沿地層傳播,內(nèi)、外層套管波均極弱,可以不考慮內(nèi)外層套管波的疊加作用;④內(nèi)中外中差:內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等,外層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等或差,內(nèi)、外層套管波疊加較為明顯,第2、3道波可能出現(xiàn)前移,也有可能出現(xiàn)疊加后波形畸變的現(xiàn)象;⑤內(nèi)好外中差:內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)好,外層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等或差,內(nèi)層套管波極微弱,第2、3道波基本上反映外層套管波,并會(huì)出現(xiàn)第2、3道波前移現(xiàn)象[6-8]。

外層套管與水泥環(huán)的膠結(jié)狀況很大程度上決定了內(nèi)、外層套管波是否會(huì)發(fā)生疊加作用。①、②、③的3種情況為自由套管或者外層套管水泥環(huán)膠結(jié)好,不存在或者可忽略內(nèi)、外層套管的疊加作用, 前

3道波列均反映內(nèi)層套管波,套首波和套第2道波測(cè)井對(duì)CBL曲線影響不明顯;④和⑤的2種情況為外層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等或差,由于內(nèi)、外層套管波的疊加作用,第2、3道波可能出現(xiàn)前移、畸變現(xiàn)象,套首波和套第2道波測(cè)井CBL曲線差別較大,且普遍表現(xiàn)為套第2道波聲幅值高于套首波時(shí)的聲幅值。

2.4 套第2道波測(cè)井對(duì)單層套管CBL曲線的影響

在資料對(duì)比過程中發(fā)現(xiàn),若套第2道波回放測(cè)井采用和套首波時(shí)相同的增益,雙層自由套管段采用基本一致的刻度會(huì)導(dǎo)致單層套管處的聲幅值整體偏低(可能由于雙層套管井段因存在多個(gè)反射界面,界面聲阻抗大,造成第2道波能量在雙層套管井段大于相同膠結(jié)程度的單層套管),特別是對(duì)單層套管固井質(zhì)量中等-差的井段影響較大,套第2道波容易導(dǎo)致固井質(zhì)量差的井段表現(xiàn)為固井質(zhì)量中等,固井質(zhì)量中等表現(xiàn)為固井質(zhì)量?jī)?yōu)的假象,從而造成單層套管的固井質(zhì)量解釋偏好的情況。

3 結(jié) 論

(1) 當(dāng)內(nèi)層套管與水泥環(huán)膠結(jié)中—好、外層套管與外層水泥環(huán)膠結(jié)差—中,外層套管波與內(nèi)層套管波易發(fā)生波列疊加現(xiàn)象。波列疊加對(duì)內(nèi)層套管波首波沒有影響,但第2、3道波由于疊加作用相對(duì)內(nèi)層套管波會(huì)出現(xiàn)前移或者畸變現(xiàn)象。

(2) 雙層套管井段聲幅變密度測(cè)井資料只有首波幅度反映內(nèi)層套管與水泥環(huán)的膠結(jié)情況,套第2道波測(cè)井會(huì)導(dǎo)致雙層套管內(nèi)、外層套管波發(fā)生疊加的井段聲幅值偏高,單層套管井段聲幅值整體偏低,影響了固井質(zhì)量的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

(3) 雙層套管聲幅變密度測(cè)井準(zhǔn)確套住首波是取得可靠、高質(zhì)量資料的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn):

[1] Tang X M, Cheng C H. Quantitative Borehole Acoustic Methods [M]. San Diego: Elsevier Science Publishing Co. Inc., 2004.

[2] 黃文新, 章成廣, 胡文祥, 等. 雙層套管井中聲波波形分析 [J]. 測(cè)井技術(shù), 1993, 17(3): 190-196.

[3] 聶建山, 段艷麗, 吳艷冰, 等. 雙層套管固井水泥膠結(jié)波形特征分析 [J]. 大慶石油地質(zhì)與開發(fā), 2012, 31(2): 133-136.

[4] 李艷華, 楚澤涵, 薛梅. 聲波頻率對(duì)CBL/VDL型水泥膠結(jié)測(cè)井儀評(píng)價(jià)結(jié)果影響的分析 [J]. 大慶石油地質(zhì)與開發(fā), 1999, l8(6): 48-50.

[5] 楊林, 劉士安, 孫林平. 水泥膠結(jié)測(cè)井存在的問題和建議 [J]. 測(cè)井技術(shù), 2004, 28(增刊): 19-22.

[6] 朱世和, 李哲, 周武, 等. 遼河測(cè)井公司固井質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù) [J]. 測(cè)井技術(shù), 2004, 28(增刊): 13-18.

[7] 戴月祥, 何峰江, 王存田, 等. 固井水泥在不同充填狀況下的測(cè)井響應(yīng)分析 [J]. 測(cè)井技術(shù), 2009, 33(6): 579-623.

[8] 李俊舫, 李繼峰, 張延沛, 等. 復(fù)雜套管井固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用 [J]. 石油天然氣學(xué)報(bào), 2005, 27(5): 743-744.

[9] 毛海濤, 吳波. 影響聲波變密度測(cè)井評(píng)價(jià)固井質(zhì)量的因素 [J]. 新疆石油地質(zhì), 2010, 31(3): 314-317.