超聲固井質(zhì)量評價方法改進(jìn)及應(yīng)用

侯振永,郝曉良,馬煥英,李疾翎,趙捷,張洪洋

(中海油服油田技術(shù)事業(yè)部資料解釋中心,河北燕郊065201)

0 引 言

井筒完整性對于油田的開發(fā)生產(chǎn)十分重要,影響井筒完整性的因素包括管柱完整性、水泥環(huán)質(zhì)量和地層因素3個環(huán)節(jié)[1]。目前用于井筒完整性評價的技術(shù)包括機(jī)械式檢測、電磁式檢測及超聲式檢測[2]。機(jī)械式及電磁式檢測技術(shù)最大的不足之處是只能對套管損傷進(jìn)行檢測,不能進(jìn)行固井質(zhì)量評價。

超聲成像測井技術(shù)在近年已廣泛應(yīng)用在套管井工程測井中,超聲成像是套管損傷和固井質(zhì)量檢測的關(guān)鍵技術(shù)之一,主要應(yīng)對的問題是套管井井筒完整性評價[3]。一些油田服務(wù)公司早已推出基于超聲脈沖的測井儀器。如斯倫貝謝公司推出的USI超聲成像測井儀及哈里伯頓公司的CAST-V儀器[3-8]。2010年中海油服進(jìn)行了多功能超聲成像測井儀器的研制工作,多功能超聲成像測井儀器(MUIL)采用超聲脈沖回波檢測技術(shù),能夠?qū)μ坠軗p傷情況和固井質(zhì)量情況進(jìn)行評價。本文對MUIL固井質(zhì)量評價方法的不足進(jìn)行了分析,并提出多時域固井質(zhì)量評價方法,同時建立了固井質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)。

1 技術(shù)背景

超聲成像測井是利用井壁或者套管內(nèi)壁對超聲波的反射特性來研究井身剖面[2-3]。

MUIL超聲成像測井記錄從井軸(聲源)沿井壁橫截面圓周方向上向井壁垂直入射、在井壁以及井壁外介質(zhì)中各聲學(xué)界面上的反射波。儀器有2種工作模式可供選擇,成像模式可進(jìn)行裸眼井或套管井內(nèi)壁成像;全波模式可進(jìn)行套損及水泥膠結(jié)質(zhì)量評價。本文主要討論MUIL儀器在套管井中的應(yīng)用。

儀器主要由3部分組成,包括聲系短節(jié)、發(fā)射及接收電路短節(jié)及方位短節(jié)。聲系部分由一個能旋轉(zhuǎn)的換能器構(gòu)成,該換能器兼做發(fā)射探頭和接收探頭。聲系分為不同頻率的換能器,包括低頻、中頻、高頻及聚焦4種類型,每種頻率的探頭分別有4種不同尺寸,可以滿足不同套管尺寸的需要。旋轉(zhuǎn)式超聲換能器對井周進(jìn)行螺旋式掃描,換能器以自發(fā)自收工作方式獲得回波信號?；夭ㄐ盘柊ǚ瓷洳肮舱癫?部分信息,反射波的幅度和傳播時間由套后水泥阻抗、鉆井液特性和管柱內(nèi)徑?jīng)Q定,共振波的幅度則與套管外水泥膠結(jié)情況相關(guān)。將測量得到的聲波數(shù)據(jù)上傳至地面,經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理(包括深度校正、偏心校正、方位校正后),采用解釋處理軟件處理后,可用于套管損傷評價評價及套后聲阻抗計算。套管損傷評價可以得到套管內(nèi)壁成像、壁厚成像、套管內(nèi)徑及套管外徑等信息,可以較好地評價套管的損傷情況。套后聲阻抗計算可以得到第Ⅰ界面膠結(jié)成像,用于第Ⅰ界面水泥膠結(jié)質(zhì)量評價。

2 技術(shù)分析

2.1 實驗?zāi)M

實驗裝置主要包括與測井儀器性能一致的換能器、儀表(示波器)、測量軟件,與實際資料軟件功能一致的實驗資料處理軟件及物質(zhì)阻抗已知的固井質(zhì)量模型、井段。

實驗分為用7 in(1)非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同套管、9in套管固井,制作成固井質(zhì)量模型,然后模擬測井,測量回波。另外用10.5、12 mm厚鋼板代替7 in、9in套管固井,制作模型,測量回波,固井水泥密度1.1～2.1 g/cm3。并特別設(shè)計實施了固井第Ⅰ界面膠結(jié)良好、膠結(jié)差,固井第Ⅱ界面質(zhì)量好、差的實驗,其中對第Ⅰ界面固井差,設(shè)計實施了微環(huán)測量實驗,以考察不同情況下的儀器響應(yīng)特點(diǎn)。

2.2 資料分析

超聲回波包括反射波和共振波2部分。

共振波是固井質(zhì)量評價的關(guān)鍵,通過對比實驗測量得到的共振波與理論計算的共振波,能夠發(fā)現(xiàn)在純共振波區(qū)域,實驗測得的共振波與理論計算的共振波(紅色)幾乎一致。整個回波20 μs以后區(qū)域是單純共振波,10～20 μs存在不穩(wěn)定區(qū)域(見圖1),出現(xiàn)反射波與共振波相互疊加現(xiàn)象。

圖1 共振波實驗與理論計算對比

MUIL儀器目前采用的阻抗計算方法是反射波后續(xù)15 μs共振波進(jìn)行聲阻抗計算,判斷套管外物質(zhì)狀態(tài)(見圖2)。通過以上實驗分析,MUIL選擇共振波區(qū)域時,可能存在不穩(wěn)定區(qū),反射波與共振波相互疊加,造成計算的聲阻抗偏小,對固井質(zhì)量評價存在影響。

圖2 MUIL阻抗計算方式

2.3 多時域固井質(zhì)量評價方法

共振波是衰減波,不同時域區(qū)間內(nèi),共振波幅度不一樣。固井前后共振波幅度改變,不同時域的幅度變化同樣不一致。因此,波形的不同時域的歸一化比值也是變化的,即計算的阻抗值是不一樣的。合適的取值區(qū)域是保證阻抗計算精度的因素之一。

由于共振波是衰減波,即使在單純的共振區(qū)域,其波形幅度也隨著時間不同發(fā)生變化,從不同的區(qū)域中取得共振波幅度,計算的阻抗結(jié)果并不相等,只是接近;為了充分利用共振波較長時間段的波形幅度改變,將共振波取值加寬,把共振區(qū)域分為不同的區(qū)域,分別用這些區(qū)域的幅度計算各自的阻抗,計算該波形的平均阻抗,盡可能消除干擾信號的影響。采用不同時域內(nèi)阻抗平均值進(jìn)行固井質(zhì)量評價,阻抗測量值有了明顯提高(見圖3、圖4)。在多時域法求得聲阻抗基礎(chǔ)上計算水泥膠結(jié)指數(shù)及膠結(jié)率,并給出相應(yīng)評價標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。

(1)

式中,IB為水泥膠結(jié)指數(shù);Zn,m為測量位置在n深度m角度阻抗值;Zw為水(流體)的阻抗值;Zs為固井水泥的阻抗,與水泥密度有關(guān)。

圖3 多時域分區(qū)法示意圖

圖4 不同時域計算聲阻抗

(2)

式中,NS為某一深度一周的固體數(shù)目;N為某一深度一周總的取樣數(shù)目。

表1 固井質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)

2.4 方法驗證

刻度井使用外徑規(guī)格為9.625 in的套管,采用的固井水泥密度為1.9 g/cm3,自上而下各層分別模擬第Ⅰ界面膠結(jié)良好,第Ⅱ界面存在2種不同厚度的水泥缺失;第Ⅱ界面膠結(jié)良好,第Ⅰ界面存在2種不同厚度的水泥缺失;以及完全膠結(jié)等5種不同膠結(jié)狀態(tài)的情況。水泥及水聲材料相關(guān)信息為水泥(平均值):聲波縱波速度3.856 km/s,密度2.20 g/cm3,聲阻抗8.50 MRayl(2)非法定計量單位,1 MRayl=106 Pa·s/m3,下同。水聲材料:聲波縱波速度1.746 km/s,密度0.956 g/cm3,聲阻抗1.669 MRayl。

分別采用原方法及新方法進(jìn)行固井評價,并對2種方法進(jìn)行對比。通過圖5可以看出,新方法計算聲阻抗精度更高,與水泥實際聲阻抗更加接近。膠結(jié)指數(shù)及膠結(jié)率曲線對固井質(zhì)量有很好的指示作用,與實際固井質(zhì)量情況對應(yīng)性良好,反映新固井質(zhì)量評價方法有較好的適用性。

圖5 方法對比

3 應(yīng)用實例

S井為中東油田一口生產(chǎn)井,目的層段采用7 in套管完井,固井水泥密度為2.0 g/cm3,理論聲阻抗為7.2 MRayl。測井目的主要是對該井的固井質(zhì)量情況進(jìn)行評價。對采集得到的測井資料采用2種不同的方法進(jìn)行了解釋處理。通過解釋結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),在膠結(jié)情況較差情況下,原方法與新方法結(jié)論基本一致;在膠結(jié)情況良好情況下,在2 370.0 m以下井段原方法顯示固井質(zhì)量中等,新方法顯示固井質(zhì)量為好,新方法與CBL/VDL對應(yīng)良好,反映新方法進(jìn)行固井質(zhì)量評價與水泥實際阻抗更加接近,聲阻抗、膠結(jié)指數(shù)及膠結(jié)率曲線同樣與CBL及VDL對應(yīng)性良好(見圖6),能較好地反映水泥膠結(jié)情況。

圖6 S井固井質(zhì)量評價處理結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)提出的多時域固井質(zhì)量評價方法彌補(bǔ)了原有固井質(zhì)量方法的不足,該方法計算結(jié)果更接近水泥真實聲阻抗,能更加準(zhǔn)確地反映水泥膠結(jié)情況。

(2)提出了切實可行的固井質(zhì)量評價規(guī)范,與CBL和VDL對應(yīng)性較好。

(3)固井質(zhì)量評價方法的完善為該儀器的現(xiàn)場應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)與保障。