隨鉆聲波測井在大位移井固井評價中的應(yīng)用
——以東海平湖油氣田為例

許風(fēng)光，白玉洪

（1. 上海石油天然氣有限公司，上海 200041；2. 中石化海洋石油工程有限公司上海特殊作業(yè)分公司，上海 200137）

隨鉆聲波測井在大位移井固井評價中的應(yīng)用
——以東海平湖油氣田為例

許風(fēng)光1，白玉洪2

（1. 上海石油天然氣有限公司，上海 200041；2. 中石化海洋石油工程有限公司上海特殊作業(yè)分公司，上海 200137）

固井質(zhì)量的好壞是直接影響油氣開發(fā)效果的主要因素。大位移（大斜度）井和水平井固井質(zhì)量的評價更對測井帶來了極大的挑戰(zhàn)。平湖油氣田ZX1井是東海第一口大位移井，最大井斜達(dá)77.8°，水平位移達(dá)5.4 km，由于爬行器受限，無法進(jìn)行電纜固井質(zhì)量測量。通過多方調(diào)研和技術(shù)可行性論證，在國內(nèi)首次采用斯倫貝謝最新的隨鉆聲波測井儀（SonicScope 475）對ZX1井進(jìn)行了固井質(zhì)量的測量和評價，取得了良好的應(yīng)用效果。

固井質(zhì)量；隨鉆聲波測井；膠結(jié)指數(shù)；固井質(zhì)量定量膠結(jié)指數(shù)

水泥固井質(zhì)量是直接影響油氣田開發(fā)水平的主要因素。好的固井質(zhì)量，為油氣井射孔等作業(yè)及正常生產(chǎn)提供層間的液封能力，使油氣井的分層開采得到保障。而差的固井質(zhì)量，不能提供層間的液封能力，射孔后造成油氣井的非目的層產(chǎn)出，是油氣井投產(chǎn)初期產(chǎn)水的一個重要原因。因此，對固井質(zhì)量的測量和評價非常重要。固井質(zhì)量的評價是套管井必測的項(xiàng)目之一。固井質(zhì)量的評價技術(shù)從定性到半定量，再從定量到方位性評價，技術(shù)逐步完善，不斷滿足工程作業(yè)和生產(chǎn)的需要[1]。這些技術(shù)基本都是基于電纜測井發(fā)展起來，對于大斜度（大位移）井和水平井而言，固井質(zhì)量的評價屬于世界性難題。

海上油氣田的開發(fā)基本都是以依靠大斜度井和水平井。大位移井由于工程難度較大，在海上實(shí)施的較少。東海平湖油氣田ZX1井東海第一口大位移井，完鉆井深6 866 m，其中垂深3 156 m，水平位移5 350 m，水垂比1.7，最大井斜77.8°，為東海目前為止水直比最大的大位移井。該井主要目的層為平湖組P6 ～ P11層，地層壓力系數(shù)為0.98 ～ 0.17 MPa/100 m，地區(qū)低溫梯度分布范圍為3.07 ～ 4.02，計算井底溫度為120.4°，基本屬于常溫常壓地層。鉆井作業(yè)過程中面臨的諸多風(fēng)險，尾管固井采用“穿鞋帶帽”技術(shù)，規(guī)避固井過程中水泥漿漏失風(fēng)險，確保了固井質(zhì)量。

ZX1井固井質(zhì)量的測量對測井提出了更高的要求，由于井斜太大，軌跡太深，即使用全球最先進(jìn)的爬行器，電纜測井也無法進(jìn)行測量。通過多方調(diào)研和技術(shù)方案討論，采用斯倫貝謝最新推出的多極子隨鉆聲波測井技術(shù)進(jìn)行固井質(zhì)量的測量。

1 多極子隨鉆聲波儀器

斯倫貝謝公司最新推出了多極子隨鉆聲波儀器（SonicScope 475），可以提供與泥漿速度無關(guān)的縱波和橫波數(shù)據(jù)以及斯通利波信息。儀器可進(jìn)行單極和多極聲波測量模式（主要是四極子）（圖1）。48個接收器封裝在4個陣列中，每個陣列包含有12個接收器，每個接收器的間距為4 in（1 in = 2.54 cm），為行業(yè)內(nèi)最小。

圖1 SonicScope 475井下儀器結(jié)構(gòu)圖

這些傳感器位于鉆鋌的外表面，并裝在保護(hù)套中。結(jié)合強(qiáng)大的井下功能（采集、存儲和計算），在傳感器中對高質(zhì)量的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化和記錄。源距被優(yōu)化處理，使不同測量模式下的信噪比達(dá)到最大化。發(fā)射傳感器在1 ～ 20 kHz的頻率范圍內(nèi)可以激化產(chǎn)生井眼單極和多極模式，最大耐溫150 ℃，最大耐壓30 000 psi（1 psi = 6.895 kPa）。儀器的電子線路短節(jié)可以進(jìn)行實(shí)時多極采集和處理，在鉆井和井底總成（BHA，Bottm Hole Assembly）起鉆時可以記錄單極高頻縱波和橫波、低頻斯通利波和多極橫波測量值。按照預(yù)選擇的時間順序，所有模式以1GB的存儲量記錄。聲波儀器要求在發(fā)射器和接收器之間使用一個專用的衰減器，這樣可以使儀器比BHA（井底總成）的其余部分稍靈活些。利用有限差分模擬對衰減器短節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，在不需對聲波儀器進(jìn)行折中處理的情況下也可以大大提高鉆鋌的剛性。

SonicScope隨鉆測井儀器采用了專用的模式進(jìn)行斯通利波測量，在遇見沖蝕帶之前可以保證獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。利用測得的波列數(shù)據(jù)可以對套管和地層之間的水泥膠結(jié)情況，即固井質(zhì)量進(jìn)行評價[2-4]。

2 固井質(zhì)量計算方法研究

目前，固井質(zhì)量測井采用聲幅測井法，即測量套管滑行波首波幅度。聲波變密度測井和套管外介質(zhì)聲阻抗為主要測量對象的聲脈沖反射測井。測量滑行波首波幅度的方法已經(jīng)發(fā)展到扇區(qū)測井方法，可以周向加縱向評價水泥膠結(jié)情況[5-6]。

固井質(zhì)量聲幅測井應(yīng)用比較廣，測量參數(shù)少，解釋方法也相對簡單。該方法以測量套管波首波幅度為對象，通過相對幅度C評價固井質(zhì)量。

評價標(biāo)準(zhǔn)：C≤20%，固井質(zhì)量良好；C = 20% ～ 40%，固井質(zhì)量中等；C≥40%，固井質(zhì)量不好。

針對相對幅度法的不足，采用水泥膠結(jié)指數(shù)（BI）法評價界面水泥固井質(zhì)量，即BI≥0.8，固井質(zhì)量良好；0.4≤BI≤0.8，固井質(zhì)量中等；BI≤0.4，固井質(zhì)量差。水泥膠結(jié)指數(shù)定義為：

式中：SATT = -6.64 lg ( SA ) + F ( CSIZ )；MASATT = ArB·X + C·X2+D·Y+ E·Y·X + F·Y2；X = lg ( CSTR ) ，Y = lg ( CTHI )；A、B、C、D、E、F在不同情況下分別為不同的常數(shù)。

MASATT = -6.64 lg ( MSA ) + F ( CSIZ ) （3）

以上兩種算法，考慮了水泥的抗壓強(qiáng)度（CSTR）、套管壁厚（CTHI），最小聲幅（MSA）和套管尺寸（CSIZ）。因此，水泥膠結(jié)指數(shù)（BI）一方面取決于水泥抗壓強(qiáng)度的準(zhǔn)確程度，另一方面取決于最小聲幅的選擇。根據(jù)諾謨圖（聲幅測井與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖版），最小聲幅的選擇也與水泥抗壓強(qiáng)度有關(guān)。因此在固井質(zhì)量測井前，對于水泥抗壓強(qiáng)度的了解非常必要，特別是要掌握一些特殊井的水泥抗壓強(qiáng)度，否則會使固井質(zhì)量的測井評價出現(xiàn)偏差。水泥膠結(jié)指數(shù)還與水泥類型有關(guān)，不同水泥類型聲幅測量值與膠結(jié)指數(shù)的遞減關(guān)系不同，如圖2所示。

圖2 不同水泥類型CBL聲幅與膠結(jié)指數(shù)的關(guān)系

利用隨鉆聲波獲得套管波和不同陣列接收器得到的儀器直達(dá)波聲波衰減信息，這些衰減信息可以全面定量評價固井質(zhì)量。隨鉆聲波測井定量評價固井質(zhì)量（QBI）計算方法與聲幅測井（CBL）類似。采用了聲波幅度和聲波衰減相結(jié)合的混合法來評價固井質(zhì)量。混合法根據(jù)膠結(jié)指數(shù)計算的敏感度，選擇采用不同的方法來計算結(jié)交指數(shù)。如圖3所示，當(dāng)膠結(jié)指數(shù)在較低的范圍時（QBI＜45%），采用聲波幅度法計算膠結(jié)指數(shù)；當(dāng)膠結(jié)指數(shù)在較大的范圍時（QBI＞55%），采用聲波衰減法來計算膠結(jié)指數(shù)。當(dāng)膠結(jié)指數(shù)處于中間范圍時（45%＜QBI＜55%），采用加權(quán)平均法計算膠結(jié)指數(shù)。顏色棒指示在計算不同深度井段的膠結(jié)指數(shù)時，根據(jù)敏感度采用不同的計算方法（紅色范圍時采用聲波衰減法計算，綠色范圍采用加權(quán)平均法計算，藍(lán)色范圍采用聲波幅度法計算）。敏感度是采用簡單求和模型，根據(jù)不同水泥性能（水泥聲阻抗）和套管厚度來計算。

圖3 視衰減與膠結(jié)指數(shù)的關(guān)系圖

3 ZX1井固井質(zhì)量評價

ZX1井井斜從 39.5 ～ 71°，9 5/8 in套管深度至5 500 m，7 in套管深度至井底近7 000 m，如圖4所示。套管外徑7 in，套管密度29 lbm/ft，泥漿密度1.2 g/cm3，為油基泥漿 （220 μs/ft）。為了準(zhǔn)確校深，必須進(jìn)行伽馬測井，隨鉆伽馬測量必須開泵模式進(jìn)行，但是開泵之后又會對聲波質(zhì)量測井造成一定影響。本次測井采用開泵下測一定深度的自然伽馬曲線，測量井段的長度以和裸眼井測量的自然伽馬對比相關(guān)性較好為準(zhǔn)，以減少測量井段，節(jié)省占有平臺作業(yè)時間。采用上提關(guān)泵數(shù)據(jù)存儲模式進(jìn)行聲波數(shù)據(jù)的測量，以降低開泵噪音對隨波聲波測井的影響，提高聲波采集的質(zhì)量。

圖4 ZX1井井深結(jié)構(gòu)圖

采集過程中儀器不旋轉(zhuǎn)，采集過程中控制測井速度不超過270 m/h，聲波資料記錄速度2 s，確保采集質(zhì)量和效率。根據(jù)混合法對本井的固井質(zhì)量進(jìn)行了定量評價。從視衰減與膠結(jié)指數(shù)關(guān)系圖（圖3）中可以看出，QBI固井質(zhì)量指數(shù)在0.9 ～ 1（水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)90% ～ 100%）之間時敏感度較差，即固井質(zhì)量水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過90%時，定量評價固井質(zhì)量的結(jié)果誤差較大。

圖5為ZX1井定量膠結(jié)指數(shù)成果圖。第五道中，QB1_HYB為混合法計算的膠結(jié)指數(shù)，QBI_ ATT是衰減膠結(jié)指數(shù)，QBI_AMP是振幅膠結(jié)指數(shù)，SPL_BILL是低于截止值的拼接膠結(jié)指數(shù)，SPL_ BIUL是高于截止值的拼接膠結(jié)指數(shù)。第六道中，AMP_R1是接收器1振幅，AMP_NOISE是噪音振幅。第七道為固井質(zhì)量變密度成果圖。

在雙層套管井段，該井段（藍(lán)色標(biāo)志層段）主要采用聲幅法計算QBI，計算結(jié)果顯示，該段的水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本低于30%，大部分井段水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅有10%左右。從變密度圖上也可以看出，套管波能量很強(qiáng)，地層波比較弱，顯示套管環(huán)空基本沒有水泥，膠結(jié)情況很差。

圖5 ZX1井固井質(zhì)量綜合評價成果圖

在綠色標(biāo)注井段，QBI計算值在0 ～ 40%之間，膠結(jié)情況也比較差。在5 552 ～ 5 940 m井段，QBI計算值在30% ～ 50%之間，根據(jù)加權(quán)平均值法計算的膠結(jié)指數(shù)；變密度圖上，套管波較強(qiáng)，地層波也較弱，總體顯示膠結(jié)情況也不好。在5 940 ～ 6 235 m井段，QBI計算值在50% ～ 80%之間，其中粉色色標(biāo)層段為根據(jù)聲波衰減法計算的膠結(jié)指數(shù)；變密度圖上，套管波較弱，地層波較強(qiáng)，總體顯示固井質(zhì)量合格。在粉色標(biāo)注井段，QBI計算值在60% ～ 100%之間，根據(jù)聲波衰減法計算的膠結(jié)指數(shù)，棕色色標(biāo)層段為QBI值大于90%的低可信度層段；變密度圖上，套管波弱，地層波強(qiáng)，總體顯示固井質(zhì)量良好。從6 500 m至井底，屬于我們的主要目的層段（氣層射孔層段），QBI計算值在80% ～ 100%之間，計算方法原則同上，變密度上套管波很弱，地層波很強(qiáng)，總體顯示固井質(zhì)量優(yōu)。

總之，從上往下，固井質(zhì)量逐漸變好。雙層套管井段，固井質(zhì)量較差，在后續(xù)完井中又進(jìn)行了擠水泥作業(yè)。在主要的氣層射孔井段，固井質(zhì)量優(yōu)良，能為生產(chǎn)射孔提供良好的封隔能力，阻止氣體上竄。射孔后，產(chǎn)氣量6 500 m3/h，折算日產(chǎn)氣15.6×104m3。

4 結(jié)論

ZX1井是東海的第一口大位移井，在鉆井過程克服了諸多工程難題，創(chuàng)下了多個東海之最。其中利用隨鉆聲波測井進(jìn)行大位移井固井質(zhì)量評價更是國內(nèi)首次，并且了取得了很好的應(yīng)用效果。

（1）隨鉆聲波測井儀（SonicScope 475）采用上提不旋轉(zhuǎn)模式進(jìn)行了聲波數(shù)據(jù)采集，既保證聲波測井質(zhì)量，又確保了采集速度，提高了效率，節(jié)省了平臺時耗。

（2）本井中，隨鉆聲波測井（SonicScope 475）總體數(shù)據(jù)采集質(zhì)量良好，信噪比較高。在固井質(zhì)量定量評價（QBI）中，采用混合法計算膠結(jié)指數(shù)，充分利用了聲波的聲幅和衰減信息，針對不同的層段，采用與之相適合的計算方法，確保了計算結(jié)果的精確和合理，并對后續(xù)完井工作及射孔作業(yè)提供了較可靠的實(shí)施依據(jù)。

（3）隨鉆聲波測井儀（SonicScope 475）是斯倫貝謝最新的推出的隨鉆測井儀器，代表著隨鉆聲波測井當(dāng)前的發(fā)展水平，并在國內(nèi)首次用于大位移井固井質(zhì)量的評價，取得了較好的應(yīng)用效果。

（4）儀器更新?lián)Q代，技術(shù)日新月異，只要充分利用新技術(shù)，并把平湖的生產(chǎn)作業(yè)需求與之完美結(jié)合，發(fā)揮出新技術(shù)的最大潛力，并指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際，才能體現(xiàn)新技術(shù)的最大價值，也是科技創(chuàng)新的最終目的。

[1]《測井學(xué)》編寫組. 測井學(xué)[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社，1998： 129-138， 580-590.

[2]PISTRE V， KINOSHITA T， BLYTH M， et al. Attenuation-Based Quantitative Cement Bond Index with LWD Sonic： A Novel Approach Applicable to all Casing and Cement Cases[C]// SPE Annual Technical Conference and Exhibition. The Netherlands：Society of Petroleum Engineers， 2014.

[3]WATANABE S， IZUHARA W， PISTRE V， et al. Reliability Indication of Quantitative Cement Evaluation with Lwd Sonic[C]// The 20th Formation Evaluation Symposium of Japan. Chiba，Japan： Society of Petrophysicists and Well-Log Analysts， 2014.

[4]BLYTH M P， HUPP D， WHYTE I， et al. LWD Sonic Cement Logging： Benefits， Applicability， and Novel Uses for Assessing Well Integrity[R]. SPE 163461， 2013.

[5]唐軍， 章成廣， 張碧星， 等. 基于聲波—變密度測井的固井質(zhì)量評價方法[J]. 石油勘探與開發(fā)， 2016， 43（3）： 469-475.

[6]齊奉忠， 申瑞臣， 李萍. 固井質(zhì)量評價技術(shù)探討[J]. 石油鉆探技術(shù)， 2005， 33（2）： 37-40.

Application of Acoustic LWD to Evaluation of Well Cementing Quality of Extended Reach Well—Taking Pinghu Oil and Gas Field in East China Sea as an Example

XU Fengguang1, BAI Yuhong2
（1. Shanghai Petroleum CO. LTD., Shanghai 200041, China; 2. Shanghai Special Operation Division of SINOPEC Offshore Oilfield Engineering Company, Shanghai 200137, China）

The cementing quality is the main factor which affects directly the effect of oil and gas development. The evaluation on cementing quality in extended reach well (high angle) and horizontal well has brought great challenges to well logging. The ZX1 well in Pinghu oil and gas field is the first ERW in East China Sea, with the maximum deviation of 77.8 degrees, and the horizontal displacement of 5.4 km. Due to the limitation of the crawler, wireline logging cannot be used to measure the cementing quality. Through investigations and technical feasibility demonstration, the latest acoustic LWDT of Schlumberger (SonicScope 475) has been used to measure and evaluate the cementing quality for ZX1 wells firstly in China, and good application results has been obtained.

Cementing quality; acoustic logging while drilling; cementation index; QBI

P631.8

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2016.04.076

1008-2336（2016）04-0076-05

2016-08-30；改回日期：2016-09-18

上海市科技攻關(guān)項(xiàng)目“平湖油氣田深部高溫高壓油氣藏勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究”（14DZ1207700）。

許風(fēng)光，男，1981年生，高級工程師，碩士，地球探測與信息技術(shù)專業(yè)，從事地球物理測井解釋評價和巖石物理技術(shù)研究工作。

E-mail：xufg@shpc.com.cn。