扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀及信號處理方法

金志宏

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南新鄉(xiāng))

扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀及信號處理方法

金志宏

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南新鄉(xiāng))

扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀器具備常規(guī)水泥膠結(jié)測井儀器(聲波變密度測井儀)的功能,而且能夠識(shí)別出水泥環(huán)徑向的局部缺失、微間隙等的固井質(zhì)量問題,能夠提供套管周圍全方位的水泥膠結(jié)狀況,更好地滿足固井質(zhì)量評價(jià)。文章闡述了扇區(qū)水泥膠結(jié)測井的基本原理,重點(diǎn)分析了扇區(qū)信號的測井方法和相關(guān)的信號處理方法。

水泥膠結(jié)測井儀;固井質(zhì)量評價(jià);扇區(qū)變密度;水泥環(huán);地面軟件設(shè)計(jì);扇區(qū)信號處理

0 引 言

固井質(zhì)量的準(zhǔn)確評價(jià)是正確使用油井和采取措施保護(hù)油井的關(guān)鍵,對油氣田勘探開發(fā)和產(chǎn)能建設(shè)具有十分重要的意義。早期的聲幅測井由于受微環(huán)隙、快速地層、水泥環(huán)厚度等因素的影響,測井資料易出現(xiàn)多解,常造成對固井質(zhì)量的錯(cuò)誤判判,目前聲幅測井已經(jīng)基本上被淘汰。聲波變密度測井技術(shù)有效彌補(bǔ)了聲幅測井的不足,可以較好地評價(jià)第一、第二界面的水泥膠結(jié)狀況,但是聲波變密度測井僅能提供套管周圍的平均測量結(jié)果,它不能對水泥環(huán)局部缺失或不均勻情況做出準(zhǔn)確評價(jià),在實(shí)際應(yīng)用中有很大的局限性[1]。

針對這一技術(shù)難題,阿特拉斯公司研發(fā)了六扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀,康普樂公司研發(fā)了八扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀。近年來大慶測井公司研究中心新研制了一套扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀器[2],可以同時(shí)提供了2 ft(1 ft=304.8 mm)源距的八個(gè)獨(dú)立扇區(qū)的聲波幅度;它可以準(zhǔn)確判定水泥環(huán)的局部缺失和不均勻的情況,是常規(guī)聲波變密度測井儀的理想替代品。二十二所實(shí)現(xiàn)了該儀器在SKD-3000地面系統(tǒng)上的配接[3]。由于扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀比常規(guī)CBL/VDL測井儀增加了扇區(qū)測量功能,本文重點(diǎn)分析了該儀器扇區(qū)信號相關(guān)的測井方法和信號處理方法。

1 扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀[4、5]

1.1 測量原理

扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀的設(shè)計(jì)是在常規(guī)CBL/VDL儀器上增加扇區(qū)的測量。儀器包括電子線路和聲系,其中聲系包括兩部分,一部分是常規(guī)CBL/VDL儀器的一個(gè)發(fā)射器和源距分別為3 ft、5 ft的兩個(gè)接收器,其工作頻率為20 kHz;另一部分是源距為2 ft的八組獨(dú)立扇區(qū),其工作頻率為100 kHz。

扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀的每組獨(dú)立扇區(qū)都有一個(gè)扇區(qū)發(fā)射換能器和對應(yīng)的扇區(qū)接收換能器。扇區(qū)發(fā)射換能器發(fā)射100 kHz聲脈沖時(shí),對應(yīng)的2 ft扇區(qū)接收換能器來接收回波信息。由扇區(qū)換能器各向異性的指向性來滿足每個(gè)獨(dú)立扇區(qū)探測范圍為45°角。該儀器對換能器的頻率響應(yīng)、一致性、指向性有嚴(yán)格要求,換能器的質(zhì)量直接影響著扇區(qū)信號的測井質(zhì)量。

1.2 信號調(diào)制

扇區(qū)工作頻率較高,其中心頻率在100kHz±10kHz之間。正常的測井電纜由于高頻信號嚴(yán)重的衰減和畸變,無法對100 kHz的扇區(qū)信號進(jìn)行有效傳輸。本扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀采用了幅度調(diào)制的基本思路,先對100 kHz的扇區(qū)信號進(jìn)行包絡(luò)檢波,得到一個(gè)低頻的包絡(luò)線,然后用一個(gè)20 kHz的調(diào)節(jié)器對這個(gè)包絡(luò)線進(jìn)行幅度調(diào)制,可以產(chǎn)生一個(gè)與包絡(luò)幅度成正比的調(diào)制信號,調(diào)制后的信號頻率為20 kHz,可直接用于電纜傳輸,如圖1所示。地面系統(tǒng)可以通過測量調(diào)制信號來恢復(fù)調(diào)制前扇區(qū)信號的峰值幅度。由實(shí)際測井效果表明利用該調(diào)制方法可靠、實(shí)用,而且扇區(qū)幅度信號失真度小。

1.3 信號時(shí)序

扇區(qū)水泥膠結(jié)測井一般采用組合測井,能夠與自然伽馬、磁定位儀組合下井,CCL信號利用不同纜芯傳輸,自然伽馬和波形信號利用同纜芯分時(shí)傳輸,其信號時(shí)序如圖2所示。每個(gè)信號的小周期為25.6 ms,12個(gè)小周期為一個(gè)大周期;每個(gè)大周期里除扇區(qū)8是先正后負(fù)(+10 V/-5 V)的同步外,其他小周期均為先負(fù)后正(-10 V/+5 V)的同步。

圖1 扇區(qū)信號調(diào)制前、后示意圖

圖2 信號時(shí)序圖

1.4 測井曲線

扇區(qū)水泥膠結(jié)測井可以提供常規(guī)水泥膠結(jié)測井具備的3 ft聲幅、5 ft變密度全波列,并由此計(jì)算出的衰減系數(shù)及膠結(jié)指數(shù)等參數(shù);也可以同時(shí)提供2 ft源距的八個(gè)扇區(qū)聲波幅度、平均扇區(qū)聲幅AAVG、最小扇區(qū)聲幅AMIN、最大扇區(qū)聲幅AMAX;根據(jù)八個(gè)扇區(qū)聲幅可制作出套管外水泥膠結(jié)狀況分布的直觀圖像。綜合考慮各種資料可以更有效地對第一、第二水泥膠結(jié)面做出準(zhǔn)確評價(jià)。

2 扇區(qū)信號處理方法

2.1 信號時(shí)序同步方法

為了實(shí)現(xiàn)信號的同步測量,調(diào)整地面信號處理卡的門延在截止時(shí)間范圍內(nèi)(門延為允許檢測到兩個(gè)同步信號的最小時(shí)間間隔),門延應(yīng)為24 ms～25.6 ms;調(diào)整信號處理卡的通道增益,以便得到幅度合適的波形信號。一旦檢測到同步信號立即啟動(dòng)A/D進(jìn)行為時(shí)1 ms的波形采集,然后延遲0.6 ms后啟動(dòng)GR脈沖計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)22.4 ms后停止計(jì)數(shù)并進(jìn)入下個(gè)小周期的截止時(shí)間,開始檢測下個(gè)同步信號,依次循環(huán)。我們由采集的波形數(shù)據(jù),根據(jù)第八扇區(qū)同步信號先正后負(fù)的特性,可以分辨出第八扇區(qū),也就確定了整個(gè)大周期的信號時(shí)序。

2.2 扇區(qū)聲幅計(jì)算方法

在地面信號處理卡穩(wěn)定地檢測到同步信號并采集到幅度合適的波形信號后,進(jìn)行調(diào)整扇區(qū)計(jì)算參數(shù),圖3中V表示測量的扇區(qū)信號,bs、bw、fs、fw依次為基線開門、基線門寬、首波開門、首波門寬。通過調(diào)整fs、fw來選擇首波(圖中陰影部分),并在首波前選擇一段穩(wěn)定基線。如果套管尺寸變化了,聲波傳播路徑發(fā)生改變,首波開門時(shí)間也就發(fā)生變化,需要重新刻度和調(diào)整計(jì)算參數(shù),否則測量的聲幅曲線就不能準(zhǔn)確反映扇區(qū)的第一膠結(jié)面和水泥膠結(jié)質(zhì)量。

圖3 扇區(qū)信號計(jì)算參數(shù)示意圖

扇區(qū)水泥膠結(jié)測井中利用扇區(qū)聲波首波的平均值作為對應(yīng)扇區(qū)的聲幅測量信號。實(shí)踐表明利用首波平均值作為測量值比利用首波的峰值穩(wěn)定、可靠,且線性關(guān)系好,更能準(zhǔn)確反映出套管外水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量。

扇區(qū)聲幅信號刻度為兩點(diǎn)線性刻度,儀器在空氣中為低刻度點(diǎn),儀器在自由套管中為高刻度點(diǎn)。扇區(qū)聲幅曲線的工程值一般用mV來作為單位,例如5.5 in(1 in=25.4 mm)的套管對應(yīng)的低、高刻度點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)工程值依次為5 mV、95 mV。

設(shè)Vm為測量的扇區(qū)的測量信號,P為標(biāo)準(zhǔn)工程值,K和B為刻度計(jì)算得到的乘、加因子,A為測井時(shí)計(jì)算的扇區(qū)聲幅曲線;8個(gè)扇區(qū)處理方法相同,i=1,2,…,8,下同,計(jì)算公式如下:

利用上面的公式可以計(jì)算出8個(gè)扇區(qū)的聲幅曲線,同時(shí)計(jì)算出8個(gè)扇區(qū)聲幅曲線的平均聲幅、最大聲幅、最小聲幅,為現(xiàn)場的直觀快速解釋提供了的很好的參考信息。

2.3 扇區(qū)灰度成像[6]

通過扇區(qū)聲幅曲線,可以判斷某個(gè)分區(qū)的水泥膠結(jié)質(zhì)量。為了更直觀的顯示水泥環(huán)分布信息,我們把8條扇區(qū)聲幅曲線用圖像來表示,以套管徑向周圍位置為橫坐標(biāo),以深度為縱坐標(biāo),水泥膠結(jié)的質(zhì)量用顏色深淺來代表。圖像中的每一點(diǎn)均由對應(yīng)位置的扇區(qū)聲幅幅度來選擇對應(yīng)的灰度圖例。扇區(qū)水泥膠結(jié)測井中的灰度等級的解釋方法和灰度圖例見表1和圖4。

表1 灰度等級的解釋方法

圖4 扇區(qū)灰度等級與圖例

地面軟件設(shè)計(jì)中,利用二次樣條函數(shù)對8個(gè)扇區(qū)聲幅數(shù)值進(jìn)行徑向插值后再繪制剖面展開圖像,效果比較好,避免了直接利用徑向僅有的8個(gè)數(shù)據(jù)等分繪制出現(xiàn)的臺(tái)階;同時(shí)對徑向、縱向兩個(gè)方向進(jìn)行平滑濾波,避免了原始圖像中由于測量信號中的噪聲干擾帶來的毛刺、麻點(diǎn),實(shí)際測井圖像顯示效果如圖5所示。

圖5 扇區(qū)測井灰度圖像

這種表示水泥膠結(jié)程度的灰度圖像,能夠直觀地顯示出套管周圍的水泥膠結(jié)有無溝槽及膠結(jié)程度,并可以了解到溝槽的大小、形狀和位置。

3 結(jié) 論

扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀是目前檢測固井質(zhì)量最有效的測井儀器之一,它可以從水泥環(huán)徑向和縱向兩個(gè)方向來評價(jià)水泥膠結(jié)質(zhì)量。同時(shí),測井資料豐富,評價(jià)固井質(zhì)量準(zhǔn)確、直觀、效果好,可以準(zhǔn)確判斷出水泥的竄槽、水泥環(huán)的局部缺失等固井質(zhì)量問題;扇區(qū)的源距短,測量結(jié)果不受快速地層的影響;適合于各種流體的井內(nèi)測井,包括重泥漿和含氣井液;儀器偏心對測量結(jié)果影響不大,安裝扶正器后可用于水平井測井。

扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀沒有方位測量信息,由于儀器自轉(zhuǎn)而無法準(zhǔn)確的判斷出水泥環(huán)缺失、間隙的具體方位。如果能采用數(shù)字遙傳技術(shù),可以有效地消除電纜對測量信號的影響,不但可以提高了測量精度,也可以增強(qiáng)了儀器組合能力,這也正是扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀的發(fā)展趨勢。

[1] 蘇遠(yuǎn)大.地層聲速對固井質(zhì)量評價(jià)的影響及消除方法[J].石油鉆探技術(shù),2005,33(4)

[2] 陳羽中霄,張彥梅,劉紅星.八扇區(qū)水泥膠結(jié)儀測井方法及應(yīng)用[J].石油儀器,2009,23(5)

[3] 中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所.SKD-3000數(shù)控測井儀操作手冊.2006(資料)

[4] 張 俊,夏宏南,張清華,等.幾種固井質(zhì)量評價(jià)測井方法分析[J].石油地質(zhì)與工程,2008,22(5)

[5] 王愛民.扇區(qū)水泥膠結(jié)測井儀及在套管井中的應(yīng)用[J].測井技術(shù),2003,28(4)

[6] 洪有密.測井原理與綜合解釋[M].東營:中國石油大學(xué)出版社,1993

Segmented bond tool and its segmented signal processing method.

Jin Zhihong.

The segmented bond tool can not only provide all functions of the acoustic variable density logging tool(CBL/VDL),but also identify cement channels or voids.The segmented bond logging can supply a global scope assessment of the cement bonding around the borehole,therefore it satisfies cement evaluation well.The paper introduces the fundamental principle of the segmented cement bond logging,and analyses the segmented signal processing method.

cement bond logging tool;cement evaluation;acoustic variable density logging;cement sheath;surface software design;segmented signal processing

P631.8+3

B

1004-9134(2010)05-0015-03

金志宏,男,1979年生,工程師,2001年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)地球探測與信息技術(shù)專業(yè),現(xiàn)在中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所從事數(shù)控測井軟件開發(fā)。郵編:453003

2010-02-04編輯梁保江)

PI,2010,24(5):15～17

·開發(fā)設(shè)計(jì)·