超聲波成像測井儀在刻度井群的試驗分析

楊 藝,劉 恒,王安慶,李海軍

(1.中國石油測井有限公司西南分公司 重慶 4000212.中國石油西南油氣田分公司勘探事業(yè)部 四川 成都 610000)

0 引 言

CAST-I井周超聲波成像測井儀在固井質(zhì)量評價和套損檢測中有廣泛的應用，前人的研究主要集中在CAST-I井周超聲波成像測井儀的應用和理論分析上，胡來福[1]等人在2004年對儀器信號的影響因素及其在油田中的應用進行了分析，總結(jié)了儀器的適用條件和所能解決的地質(zhì)問題，指出該儀器在超聲波固井質(zhì)量評價和裸眼井井壁成像等方面具有較好的應用效果；秦建國[2]等人在2011年以套管井測井為例介紹了該儀器的儀器結(jié)構(gòu)、測量原理以及在套管檢查、固井質(zhì)量評價中的應用，結(jié)果表明該儀器在套管檢查、低密度水泥固井質(zhì)量評價等方面具有良好的應用效果；李超[3]等人在2015年針對井周聲波掃描儀從理論上分析了產(chǎn)生非常規(guī)現(xiàn)象的各種因素。對于各種非常規(guī)現(xiàn)象的影響因素與井眼內(nèi)流體聲阻抗的差異程度結(jié)合典型的現(xiàn)場資料進行了驗證。CAST-I測井的影響因素較多，需要通過對實際測量的刻度井數(shù)據(jù)進行分析，以明確CAST-I測井的聲阻抗閾值、測量精度和適用范圍。

1 CAST-I儀器簡介

CAST-I井周超聲波成像測井儀是哈里伯頓公司新一代的成像測井儀，它經(jīng)歷了CAST-V、CAST-F兩代的升級改造，主要在LOG-IQ系統(tǒng)上配套使用。該儀器分辨率高、應用成本較低、資料解釋直觀，適合套管井中的套管損傷檢測和固井質(zhì)量評價等應用，相比傳統(tǒng)的聲幅變密度固井測井儀，CAST-I可提供的信息是360°井周成像，能更直觀地顯示管外竄槽的具體位置[4]。

CAST-I井周超聲波成像測井儀掃描頭包括2個超聲換能器，同時具有發(fā)射、接收功能。第1個換能器安裝在底部旋轉(zhuǎn)掃描頭內(nèi)，掃描頭旋轉(zhuǎn)一周，在套管井中測量時每周掃描35～90點；第2個是泥漿換能器，用來測量井眼中的流體聲速，作為計算井眼井壁內(nèi)徑尺寸的參數(shù)[5]。

CAST-I在套管模式下記錄4種測量數(shù)據(jù)：傳播時間、回波幅度、諧振計數(shù)、諧振衰減。傳播時間是從聲波換能器發(fā)射到回波能量最高峰值到達所經(jīng)歷的時間，與套管內(nèi)徑大小有關(guān)；回波幅度反映回波能量的大小，與套管內(nèi)表面阻抗有關(guān)；諧振衰減率用來計算用于固井質(zhì)量評價的聲阻抗；諧振頻率用來計算套管壁厚度。

在CAST-I用作固井質(zhì)量評價時，作為接收器的換能器最初接收到來自套管內(nèi)壁的返回信號及隨后到達的隨指數(shù)衰減的信號，其指示了套管的膠結(jié)情況。膠結(jié)狀況差時衰減慢，膠結(jié)狀況好時衰減快，這由套管和水泥的耦合情況決定[1]。CAST-I在聲阻抗測量原理、性能方面與斯倫貝謝公司IBC儀器相當，但不具備套管偏心程度評價能力[6]。

2 刻度井群測試項目概況

在河北省三河市燕郊開發(fā)區(qū)的刻度井群一共選取了10口井，開展了在7 in套管(1 in=25.4 mm)、9in套管中不同水泥密度情況下的CAST-I、CBL居中及偏心等15項測試內(nèi)容，取得了豐富的試驗成果。在1#、3#、5#、7#、8#、10#，6口固井刻度井中進行了CAST-I快速超聲波成像測井。在1#～10#固井刻度井中進行了CAST-I快速超聲波成像測井，其中在6#井中增加了2次不同尺寸的偏心扶正器測試。在6#井中完成了聲幅測井儀器測試，包括1次居中，2次不同尺寸的偏心扶正器測試。測試項目匯總?cè)绫?所示。

表1 刻度井群測試項目匯總

3 測量數(shù)據(jù)分析

3.1 通過溝槽精度分析確定水泥阻抗閾值

在CAST-I數(shù)據(jù)解釋中，主要通過氣和水泥的阻抗閾值，并結(jié)合方差阻抗值，分成了氣、水、污染水泥和水泥四類。合適的水泥阻抗閾值，會使得解釋結(jié)果更加符合實際情況。在LOG-IQ系統(tǒng)中水泥阻抗閾值選取的默認值是2.7，將低聲阻抗膠結(jié)差的物質(zhì)劃分到了液體范圍內(nèi)，經(jīng)研究固井聲阻抗值主要集中在4.5～8.5之間(以某重點探井聲阻抗的直方圖統(tǒng)計為例，如圖1所示)，采用3.8將低聲阻抗的物質(zhì)歸到溝槽范圍較為合適。

可以看出，10#刻度井使用默認閾值2.7進行處理，溝槽角度明顯偏小，并且沒有解釋出15°的溝槽，而采用閾值3.8處理得到的結(jié)果與實際模型更加接近(如圖2)。

圖1 四川盆地某重點探井實際測量聲阻抗直方圖統(tǒng)計

圖2 10#刻度井采用不同水泥阻抗閾值的溝槽精度對比

當水泥阻抗閾值選取3.8時，通過定量分析可得，設計溝槽角度60°，測試溝槽角度為58°，測量誤差3.33%；設計溝槽角度30°，測試溝槽角度為24°，測量誤差20.00%；設計溝槽角度15°，測試溝槽角度為12°，測量誤差20.00%。所以刻度后選取的水泥阻抗閾值能較精確的測量溝槽角度，但有一定的誤差，通常偏小。

3.2 儀器偏心影響分析

根據(jù)刻度井的設計及保存完整性，選取6#井進行偏心影響分析。

3.2.1 儀器偏心設計

偏心的第二種情況(簡稱偏心2)：2號偏心扶正器外徑217 mm，與套管間隙共2.5 mm，儀器中軸線距套管內(nèi)壁，短邊93 mm，長邊124 mm，偏心率0.75(儀器外徑92 mm，半徑46 mm)。

3.2.2 CAST-I儀器偏心影響分析

在6#刻度井利用CAST-I儀器進行儀器偏心(分別在居中、偏心率0.85和偏心率0.75的情況下)測量，結(jié)果如圖3所示。

圖3 6#刻度CAST-I測井成果對比圖

從上圖可以看出，測量值與偏心程度呈負相關(guān)關(guān)系，偏心率越大，測量值越小，甚至出現(xiàn)假的“氣充填”特征。將3種偏心情況下的6#刻度井按段進行劃分，并對數(shù)據(jù)利用定量分析軟件分別統(tǒng)計生成了6組儀器偏心度與測量溝槽角度誤差的數(shù)值(不包括刻度井頂部和無溝槽井段的數(shù)據(jù))，按儀器偏心度的增大進行排列，形成了反映兩者關(guān)系的交會圖，如圖4所示。

圖4 刻度井儀器偏心度與測量溝槽角度誤差交會圖

從圖中可以看出，兩者成正相關(guān)關(guān)系，其可為儀器偏心條件下的測井資料在環(huán)空水泥溝槽角度的解釋評價應用方面提供資料可信度的參考：儀器偏心度小于0.2 in，最大誤差小于4%，測量可靠度較高；儀器偏心度0.2～0.6 in，最大誤差小于10%，仍然具備較好的可靠性和參考價值[6]。

3.3 微環(huán)隙影響分析

微環(huán)隙是指由于水泥凝固時的壓力，新套管上的油漆或套管上的油脂、測井前的井下作業(yè)等都會使套管與水泥之間產(chǎn)生微小間隙，此間隙一般寬0.1 mm左右，不會造成竄槽，但卻會使套管波波幅變大，形同膠結(jié)不好[7]。

根據(jù)對9#刻度井(如圖5)的分析，1 mm以上的微環(huán)隙會使測量的聲阻抗值明顯降低，從正常阻抗值7.5～13.5降低到1.1～2.6；0.1mm的微環(huán)隙會使測量聲阻抗值從正常阻抗值7.5～13.5降低到5.9～8.3，降低程度沒有1 mm微環(huán)隙那么明顯，對水泥膠結(jié)程度的判斷基本沒有影響；CAST-I能較準確的解釋評價出一界面大于1 mm的微環(huán)隙，探測不到二界面的微環(huán)隙。

圖5 9#刻度井各層剖面結(jié)構(gòu)示意圖與CAST-I測井成果圖

3.4 CAST-I對第二界面評價效果分析

本次試驗還通過7#刻度井和10#刻度井對第二界面水泥膠結(jié)的評價效果進行了研究。如圖6所示，7#刻度井為7 in套管，內(nèi)徑157.07 mm，壁厚10.36 mm，水泥密度1.9 g/cm3，水泥環(huán)厚19 mm。其外圍為不同巖性，測井結(jié)果反映了不同密度的泥巖、砂巖地層對CAST-I測量結(jié)果的影響。綜合分析認為，地層密度變化對CAST-I測井無影響，固井質(zhì)量顯示差的地方是刻度井老化所致。

圖6 7#刻度井各層剖面結(jié)構(gòu)示意圖與CAST-I測井成果圖

如圖7所示，10#刻度井為7 in套管，內(nèi)徑157.07 mm，壁厚10.36 mm，水泥密度1.9 g/cm3，水泥環(huán)厚19 mm，外圍為砂巖。該刻度井測井結(jié)果反映了第二界面的水泥膠結(jié)情況對CAST-I測量結(jié)果的影響。綜合分析認為，第二界面水泥膠結(jié)情況對CAST-I測井評價無影響。

圖7 10#刻度井各層剖面結(jié)構(gòu)示意圖與CAST-I測井成果圖

上述結(jié)果與CAST-I測量原理相一致，CAST-I只能反映第一界面的膠結(jié)情況，探測不到第二界面水泥膠結(jié)情況，同時第二界面水泥膠結(jié)情況和地層巖性變化對CAST-I評價第一界面沒有影響。

4 結(jié) 論

1)CAST-I儀器居中的情況下，確定了水泥阻抗閾值3.8并進行解釋評價，其結(jié)果與實驗井井筒各項設計(溝槽角度、膠結(jié)質(zhì)量等)基本一致，但測量溝槽角度比設計角度略微偏小。

2)儀器的偏心對測量值的影響總體呈負相關(guān)關(guān)系。CAST-I測量值與偏心程度呈負相關(guān)關(guān)系，偏心率越大，測量值越小，甚至出現(xiàn)假的“氣充填”特征。

3)一界面1 mm以上的微環(huán)隙對測量值的影響非常大，0.1 mm的微環(huán)隙會使測量聲阻抗值顯著降低，但對水泥膠結(jié)程度的判斷基本沒有影響；二界面微環(huán)隙對CAST-I沒有影響。

4)CAST-I測量結(jié)果只能反映第一界面的膠結(jié)情況，不能探測第二界面的水泥膠結(jié)情況，同時第二界面水泥膠結(jié)情況和地層巖性變化對CAST-I評價第一界面沒有影響。