套管波首波傳播時(shí)間在固井質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

郭同政 崔 光

(1.中石化勝利石油工程有限公司測井公司 山東 東營 257096 2.中石化西北油田分公司工程監(jiān)督中心 新疆 輪臺(tái) 841600)

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·試驗(yàn)研究·

套管波首波傳播時(shí)間在固井質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

郭同政1崔 光2

(1.中石化勝利石油工程有限公司測井公司 山東 東營 257096 2.中石化西北油田分公司工程監(jiān)督中心 新疆 輪臺(tái) 841600)

目前，固井質(zhì)量主要采用聲幅變密度(CBL/VDL)進(jìn)行評(píng)價(jià)。(CBL/VDL)測井中獲得的套管波首波傳播時(shí)間曲線(SRT)作為輔助曲線進(jìn)行固井質(zhì)量評(píng)價(jià)非常有效。文章介紹了套管波首波傳播時(shí)間的檢測、理論計(jì)算方法，并做了誤差原因分析。利用SRT進(jìn)行(CBL/VDL)測井質(zhì)量監(jiān)控，輔助快速地層進(jìn)行固井質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了闡述。

固井質(zhì)量評(píng)價(jià)；刻度；快速地層；套管波首波傳播時(shí)間

0 引 言

(CBL/VDL)測井在固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方面已得到廣泛的應(yīng)用，它可以提供給我們3 ft(非法定計(jì)量單位,1 ft= 304.8 mm，下同)和5 ft源距的聲幅和變密度，以及3 ft和5ft源距的套管波首波傳播時(shí)間。3 ft源距的聲幅主要用于第一界面的膠結(jié)評(píng)價(jià)，5 ft源距的變密度用于第二界面的評(píng)價(jià)。CBL與VDL的結(jié)合評(píng)價(jià)固井質(zhì)量的方法已經(jīng)非常成熟。SRT的應(yīng)用還有可探討之處，它是很有用的水泥膠結(jié)評(píng)價(jià)輔助資料，是測井質(zhì)量控制的重要指標(biāo)，可為(CBL/VDL)的解釋提供輔助。在快速地層固井質(zhì)量評(píng)價(jià)中有其特有的優(yōu)勢[1]，豐富了固井質(zhì)量評(píng)價(jià)手段。

1 (CBL/VDL)的采集

(CBL/VDL)測井儀采用單發(fā)雙收聲系采集水泥膠結(jié)信息,源距分別為3 ft和5 ft,其中3 ft源距接收換能器采用固定門采集套管波首波波峰幅度,經(jīng)過刻度后就是聲幅值；CBL測井的聲源主頻為20 kHz，套管波主頻為12.5 kHz～20 kHz,對(duì)應(yīng)周期為50 μs～80 μs[2]。這就是CBL測量的固定門寬，固定門位置由測井工程師根據(jù)自由套管波而定，將探測的波峰放在固定門中間。在該時(shí)間門內(nèi)，檢測的首波波峰幅度經(jīng)刻度后，就是CBL值，CBL用于第一界面的評(píng)價(jià)。

5 ft源距接收換能器能測量套管波及后續(xù)波，在時(shí)間軸上是從200 μs～1 200(或1 400) μs這一組約12～14個(gè)聲脈沖信號(hào)，測井系統(tǒng)把其正半周的幅度轉(zhuǎn)變成正比的灰度信號(hào)，那么連續(xù)測量就可以記錄到整條VDL曲線，VDL用于第二界面的評(píng)價(jià)。

2 套管波首波傳播時(shí)間的現(xiàn)場檢測

測井現(xiàn)場在測量CBL的同時(shí)，還可以檢測從發(fā)射換能器到接受換能器的SRT。SRT采用浮動(dòng)門測量，通過對(duì)套管波檢測電平設(shè)置門檻值，門檻值一般為自由套管聲幅的2%～10%，既低于自由套管聲幅又高于噪音水平，這樣，從發(fā)射換能器點(diǎn)火到接收到的峰前所經(jīng)歷的時(shí)間則為SRT，如圖1(b)所示。

圖1 套管波首波傳播時(shí)間檢測示意圖

3 套管波首波傳播時(shí)間的理論計(jì)算

聲波從發(fā)射換能器出發(fā)，以臨界角θ入射到套管內(nèi)壁，沿套管傳播，最后再以臨界角返回到井筒內(nèi)被接收換能器接收，如圖1(a)所示。設(shè)鉆井液聲波時(shí)差為Δtf(單位為μs/ft),則在臨界條件下有：

(1)

臨界入射波束在套管內(nèi)井液中傳播的縱向距離為x，則

(2)

令測量源距為L，套管波預(yù)測傳播時(shí)間tcps理論值為：

(3)

套管波首波時(shí)間理論計(jì)算值與現(xiàn)場測量存在一定差別。

理論計(jì)算的SRT是套管壁厚范圍內(nèi)沿套管軸向傳播的真正滑行波，其能量是很弱的，也就是測井波列上的初至，而實(shí)際測井的套管波是波在套管壁厚范圍內(nèi)一次和二次，三次反射波的疊加，四次以上的反射波到達(dá)時(shí)間延遲較多。測井現(xiàn)場記錄的套管波首波到達(dá)時(shí)間較理論值大半個(gè)(25 μs～40 μs)或一個(gè)周期(50 μs～80 μs)。

4 套管波首波傳播時(shí)間的應(yīng)用

4.1 質(zhì)量控制

CBL/VDL測井要求儀器居中和以一定速度平穩(wěn)運(yùn)行，刻度是測井資料質(zhì)量保證的關(guān)鍵，所以，作為刻度時(shí)的質(zhì)量監(jiān)測曲線SRT顯得尤為重要。

當(dāng)儀器以標(biāo)準(zhǔn)測速正常運(yùn)行時(shí)，SRT一般比較平穩(wěn)，當(dāng)SRT小于正常測量狀態(tài)下的SRT 4 μs時(shí)，認(rèn)為CBL/VDL測量存在質(zhì)量問題，應(yīng)當(dāng)采取措施改進(jìn)測量。

圖2 a井聲幅刻度曲線

圖2為a井7 in自由套管聲幅刻度曲線，此段為典型的自由套管，測量的3 ft的SRT應(yīng)當(dāng)在285 μs，由圖中可以發(fā)現(xiàn)，變密度存在波形疊加，聲幅出現(xiàn)周期擺動(dòng)，SRT在285 μs上下波動(dòng)，分析原因?yàn)閮x器在井內(nèi)出現(xiàn)周期擺動(dòng)，檢查發(fā)現(xiàn)測速太快所致，降低測速，測井質(zhì)量明顯改善。所以，作為測井質(zhì)量控制手段，現(xiàn)場記錄套管波首波時(shí)間非常必要。

4.2 偏心量的計(jì)算和聲幅的校正

圖3 儀器偏心對(duì)SRT和CBL的影響

盡管(CBL/VDL)的測量要求儀器居中，可有些情況還是不能保證居中，比如水平井和大斜度井，由于儀器偏心會(huì)對(duì)測井資料質(zhì)量產(chǎn)生影響，這就要求對(duì)由于偏心對(duì)資料質(zhì)量的影響有明確的認(rèn)識(shí)。利用SRT可以實(shí)現(xiàn)對(duì)受偏心影響的聲幅校正。

儀器偏心前后如圖3所示，圖中Δr為偏心距，單位，ft。Δtf為井筒內(nèi)泥漿時(shí)差，Δtcs為套管時(shí)差。采用射線法可以導(dǎo)出偏心比居中時(shí)，套管波提前到達(dá)時(shí)間,Δt:

(4)

由公式可見，SRT的減小量與儀器偏心距成正比。儀器偏心會(huì)使SRT變短，聲幅幅度變小，變密度會(huì)出現(xiàn)波列疊加現(xiàn)象。相關(guān)資料表明，當(dāng)偏心距為6.35 mm時(shí)，聲幅幅度比完全居中時(shí)將下降50%；偏心距為25.40 mm時(shí)，聲幅幅度比完全居中時(shí)下降75%。

所以，在實(shí)際測井中，根據(jù)SRT減小量，即可求出偏心距，根據(jù)偏心距可以對(duì)聲幅進(jìn)行偏心影響校正，在斜井中，由于儀器常常存在偏心，導(dǎo)致套管波首波時(shí)間減小，根據(jù)減小量可以判斷聲幅受到了偏心的影響而減小，如果沒有這點(diǎn)認(rèn)識(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)把固結(jié)不好的井段解釋為固結(jié)好，所以，利用套管波時(shí)間的減小對(duì)聲幅進(jìn)行校正，這點(diǎn)在斜井固井質(zhì)量評(píng)價(jià)中顯得非常重要。

圖4為一斜井實(shí)際測井資料。圖中測井井段井斜28度，穩(wěn)斜。本井為7 in的套管，從變密度看近乎自由套管，此段聲幅為30%，按解釋標(biāo)準(zhǔn)，固井質(zhì)量為中等，而變密度資料來看，此段固井質(zhì)量為差，所以，此段聲幅明顯測低了，SRT值為273 μs，遠(yuǎn)小于直井同類套管285 μs的套管波首波時(shí)間。顯然，聲幅低由于儀器在斜井偏心所致。所以，在斜井用聲幅解釋第一界面膠結(jié)程度時(shí)，要參考VDL和SRT。

圖4 斜井CBL/VDL測井圖

4.3 快速地層對(duì)SRT的影響

當(dāng)固井井段出現(xiàn)時(shí)差小于套管時(shí)差的地層時(shí)，我們就定義為快速地層。比如灰?guī)r地層，其聲波時(shí)差一般為50 μs/ft左右，小于套管的聲波時(shí)差57 μs/ft。在快速低層CBL/VDL記錄采樣中地層波首波到達(dá)時(shí)間與套管波到達(dá)時(shí)間基本相同甚至超前,使得套管波與地層波相互疊加,表現(xiàn)為聲幅值增大,造成第Ⅰ界面膠結(jié)質(zhì)量差的錯(cuò)誤判斷, 所以傳統(tǒng)的以聲幅評(píng)價(jià)固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法受到了限制。但對(duì)VDL 評(píng)價(jià)則無較大的影響。

表1 相關(guān)介質(zhì)時(shí)差

4.4 利用5 ft與3 ft套管波首波到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行快速地層評(píng)價(jià)

本文分析以8.5 in井眼，7 in套管固封灰?guī)r井段的測井實(shí)例。利用5 ft和3 ft源距SRT的差值，可以定性評(píng)價(jià)快速地層固井質(zhì)量。

圖5中6 790 m以下為灰?guī)r地層，地層時(shí)差50 μs/ft。實(shí)際測量的5 ft源距首波到達(dá)時(shí)間為280 μs，3 ft源距套管波到達(dá)時(shí)間380 μs。

對(duì)于固結(jié)不好的地層，環(huán)空被泥漿充填，傳遞到地層的能量很弱，接受器接受的基本是套管波能量，地層的影響可以不考慮[3]，5 ft與3 ft源距SRT差則為套管時(shí)差乘于5 ft源距與3 ft源距差，為114 μs。

對(duì)于固結(jié)好的地層，3 ft源距SRT(T3)為2倍(泥漿中傳播時(shí)間+套管壁厚傳播時(shí)間+水泥環(huán)間傳播時(shí)間)+灰?guī)r地層傳播時(shí)間t3(設(shè)傳播路徑長為L3)。

5 ft源距SRT(T5)為2倍(泥漿中傳播時(shí)間+套管壁厚傳播時(shí)間+水泥環(huán)間傳播時(shí)間)+灰?guī)r地層傳播時(shí)間T5(設(shè)傳播路徑為長L5)。L5-L3=2 ft。

T5-T3=(L5-L3)×灰?guī)r地層時(shí)差=2 ft×50 μs/ft=100 μs。

所以，對(duì)于灰?guī)r地層，如果固結(jié)很好，5 ft與3 ft源距SRT差基本穩(wěn)定在100 μs左右，固結(jié)不好，5 ft與3 ft源距首波傳播時(shí)間差基本穩(wěn)定在114 μs左右。這種判斷方法，消除了鉆井液、套管、水泥環(huán)對(duì)傳播時(shí)間的影響，只是源距差2 ft井段內(nèi)快地層傳播時(shí)間的平均，只與地層速度和膠結(jié)程度有關(guān)。圖5中,6 790 m以下,CBL為40%,常規(guī)的解釋為固結(jié)差,綜合資料分析,此段為灰?guī)r地層,聲幅高為地層波信號(hào)超前所致,T5-T3=100 μs，評(píng)價(jià)固井質(zhì)量為優(yōu)。

圖5 快速地層實(shí)例

5 結(jié)論及建議

作為(CBL/VDL)評(píng)價(jià)固井質(zhì)量的有力輔助手段，SRT在測井質(zhì)量監(jiān)控，偏心影響校正方面都起到了一定的效果，特別是對(duì)快地層固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方面，在傳統(tǒng)的解釋方法容易出現(xiàn)誤解的情況下，利用與套內(nèi)泥漿傳播時(shí)間無關(guān)的5 ft源距與3 ft源距SRT差判斷快地層固結(jié)程度更便捷和實(shí)用。

建議每次測井都對(duì)SRT記錄，特別是在快地層，可為測井解釋提供盡量多的參考資料。

[1] 齊奉忠，申瑞臣，李 萍.固井質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)探討[J].石油鉆探技術(shù)，2005.33(2)：38-39.

[2] 魏 濤.油氣井固井質(zhì)量評(píng)價(jià)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010：127-129.

[3] 王連起.碳酸鹽快速地層固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究[J].測井技術(shù)，2005.29(2)：154-155.

The Application of Casing Head Wave Propagation Time in Cementing Quality Evaluation

GUO Tongzheng1CUI Guang2

(1.WellLoggingCompany,ShengliPetroleumEngineeringCO.LTDofSINOPEC,Dongying,Shandong257096,China

2.EngineeringSupervisionCenterNorthwestOilfieldCompanyofSINOPEC，Luntai,Xinjiang841600，China)

The cementation quality evaluation is currently based on acoustic amplitude variable density logging, of which the SRT as an additional curve is very effective. In this paper, the detection and theoretical calculation method of SRT is introduced, and the error analysis is done. Furthermore, the quality monitoring on acoustic amplitude variable density logging and cementing quality evaluation with auxiliary fast formation is also suggested.

cementing quality evaluation，calibration，fast formation，casing head wave propagation time

郭同政，男，1974年生，1997畢業(yè)于江漢石油學(xué)院地球物理測井專業(yè)，現(xiàn)任中石化勝利石油工程有限公司測井公司巴州分公司經(jīng)理。E-mail:450351869@qq.com

TE256;TB52

A

2096-0077(2015)02-0029-04

2014-07-28 編輯：馬小芳)