基于聲幅測(cè)井的環(huán)空間隙流體類型判斷方法與實(shí)踐

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100020)(長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，非常規(guī)油氣湖北協(xié)同創(chuàng)新中心(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢 430100)非常規(guī)油氣湖北協(xié)同創(chuàng)新中心(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢 430100荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434023(荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434023)(中石油冀東油田分公司南堡油田作業(yè)區(qū)，河北 唐山 063004)

聲波測(cè)井是評(píng)價(jià)水泥膠結(jié)的主要手段，最常用最典型的測(cè)井方式是CBL/VDL測(cè)井。CBL測(cè)井是利用聲波在套管中的首波傳播幅度來(lái)定量判別水泥與套管膠結(jié)(第一界面)情況，VDL測(cè)井主要是測(cè)得聲波在套管、水泥、地層中傳播的波形，定性識(shí)別水泥與套管膠結(jié)、水泥與地層膠結(jié)(第二界面)情況。CET測(cè)井和USI測(cè)井主要是利用聲波定向垂直入射到套管，通過(guò)聲波透射到水泥、地層然后反射回井中被聲波探頭接收，根據(jù)反射波的幅度大小判別第一界面和第二界面水泥膠結(jié)情況[1～3]。上述測(cè)試方法并不能準(zhǔn)確判斷界面產(chǎn)生間隙所在位置，同時(shí)也不能分辨界面間隙所含介質(zhì)(油、氣、水)的具體情況。為此，筆者利用聲波的垂直入射和斜入射原理，設(shè)計(jì)和制作了一種評(píng)價(jià)水泥膠結(jié)的儀器。該儀器設(shè)計(jì)了垂直入射和斜入射探頭，其探頭能夠360°旋轉(zhuǎn)，可以判別不同方向、不同位置上的水泥膠結(jié)情況。室內(nèi)通過(guò)制作水泥膠結(jié)模型，設(shè)計(jì)不同膠結(jié)情況，對(duì)儀器進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)大量的試驗(yàn)測(cè)試建立了油、氣、水介質(zhì)的聲幅曲線圖版。

1 設(shè)備及模型的建立

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

1)室內(nèi)采用CTS-8077PR 型脈沖發(fā)生接收儀、數(shù)字示波器和高速瞬態(tài)信號(hào)采集儀組成的模擬測(cè)井裝置，然后通過(guò)網(wǎng)線連接到電腦，利用高速瞬態(tài)信號(hào)采集儀專用軟件對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采集。該儀器符合歐標(biāo) (EN12668:2000 ) 探頭測(cè)試系統(tǒng)要求，具有極低噪聲和寬頻帶的接收放大器，并由高性能方波脈沖發(fā)生器和高壓電路組成的先進(jìn)發(fā)射電路[4]。

2)聲波測(cè)井裝置。該裝置長(zhǎng)度為1200mm，安裝了旋轉(zhuǎn)刻度盤(pán)，可以在套管中任意角度旋轉(zhuǎn)。裝置的其中一側(cè)共設(shè)計(jì)了5個(gè)垂直套管的聲波探頭(1～5號(hào))，每個(gè)探頭間距為170mm，1號(hào)探頭距頂部和5號(hào)距底部均為260mm，可以進(jìn)行任意的發(fā)射和接收組合。另一側(cè)設(shè)計(jì)了3個(gè)斜入射探頭(6～8號(hào))構(gòu)成1個(gè)發(fā)射2個(gè)接收，即6號(hào)發(fā)射，7號(hào)和8號(hào)接收。6號(hào)探頭距頂部和8號(hào)探頭距底部均為295mm，6號(hào)和7號(hào)探頭間距為470mm，7號(hào)和8號(hào)探頭間距為140mm，接收到的聲波信號(hào)分別代表了不同方向、不同層位的地層膠結(jié)情況。

圖1 模型井扇區(qū)示意圖

圖2 室內(nèi)設(shè)備聲幅測(cè)井示意圖

1.2 地層膠結(jié)模型制作

1)模型井分為6個(gè)扇區(qū),如圖1所示。0～60°模擬自由套管(即圖中標(biāo)識(shí)為“環(huán)空”)，60～120°模擬第一界面水泥膠結(jié)不好，水泥和套管之間有1mm的間隙，120～180°模擬第一界面水泥膠結(jié)不好，水泥和套管之間有3mm的間隙，180～240°模擬第二界面水泥膠結(jié)不好，水泥和地層之間有1mm的間隙，240～300°模擬第二界面水泥膠結(jié)不好，水泥和地層之間有3mm的間隙，300～360°模擬水泥完全膠結(jié)好(即圖中標(biāo)識(shí)為“水泥環(huán)”)。模擬地層的直徑為300mm，內(nèi)徑為215.9mm，高度為1200mm；套管內(nèi)徑為121.44mm，外徑為139.7mm。

2)模擬聲幅測(cè)井，注水泥養(yǎng)護(hù)至12、24、48、96、120h后，將聲波探頭垂直放置在套管內(nèi)，測(cè)試在3種不同的介質(zhì)(油、氣、水)中聲幅曲線。具體操作如下：首先將套管和環(huán)空內(nèi)全部充滿水，測(cè)試介質(zhì)為水的聲幅曲線；然后將地層間隙和自由套管中的水去除，測(cè)試空氣介質(zhì)的聲幅曲線；最后在環(huán)空中加入煤油，測(cè)試介質(zhì)為油的聲幅曲線[5]。

1.3 聲幅測(cè)井的基本原理

圖2是套管井聲幅測(cè)井示意圖。探頭垂直放置，根據(jù)幾何聲學(xué)分析聲波在套管井中傳播，可估算出聲波傳播途徑及套管波、直達(dá)波到達(dá)時(shí)間。通過(guò)計(jì)算套管波的到達(dá)時(shí)間，可確定這一時(shí)間段內(nèi)聲幅幅度的大小，從而得到套管與水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果。

2 聲幅曲線

2.1 不同環(huán)空間隙聲幅曲線

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相鄰2個(gè)直探頭組合相對(duì)效果最好，第一、二界面水泥膠結(jié)更為清楚。相鄰聲波探頭之間距離是0.34m，套管波到時(shí)大約在106μs，直達(dá)波到時(shí)在234μs左右。圖3中從上至下，分別為自由套管、第一界面間隙、第二界面間隙和完全膠結(jié)的聲幅曲線圖。圖3中有2個(gè)聲波到時(shí)窗，左邊窗內(nèi)為獲取反映第一界面水泥膠結(jié)的聲波信號(hào)，聲波到時(shí)區(qū)間為106～170μs，右邊窗內(nèi)為獲取反映第二界面水泥膠結(jié)的聲波信號(hào)，聲波到時(shí)區(qū)間為170～234μs。可以看出第一界面間隙和第二界面間隙的聲波振幅比完全膠結(jié)的大，比自由套管的小[6]。

圖3 相鄰探頭測(cè)試不同環(huán)空間隙與固井膠結(jié)質(zhì)量聲幅曲線對(duì)比

2.2 不同膠結(jié)情況下不同介質(zhì)聲幅曲線

在界面膠結(jié)處分別充填水、油、氣3種介質(zhì)，測(cè)試其聲波波形。根據(jù)聲波波形分析，分別提取與第一、二界面水泥膠結(jié)有關(guān)的聲幅幅度，找出聲幅幅度與水、油、氣之間關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。在自由套管、第一界面間隙以及第二界面間隙不同介質(zhì)中，空氣介質(zhì)中的聲幅幅度最大，油介質(zhì)中次之，水介質(zhì)中最小。

3 水泥石膠結(jié)及油氣水介質(zhì)的識(shí)別

在測(cè)井中，相對(duì)幅度是待判井段聲幅幅度與自由套管聲幅幅度的比值。當(dāng)相對(duì)幅度小于20%時(shí)，說(shuō)明井段水泥膠結(jié)良好；相對(duì)幅度大于40%時(shí)，說(shuō)明井段水泥膠結(jié)不好；相對(duì)幅度在20%～40%時(shí)，說(shuō)明井段水泥膠結(jié)中等。

利用膠結(jié)指數(shù)法判別水泥膠結(jié)情況，公式如下：

式中：B為水泥膠結(jié)指數(shù)，其范圍為0～1；Cmax為自由套管聲幅幅度，mV；Cmin為水泥完全膠結(jié)好聲幅幅度，mV；C為待判井段聲幅幅度，mV。

當(dāng)膠結(jié)指數(shù)為0.8～1時(shí)，表示固井膠結(jié)質(zhì)量好；當(dāng)膠結(jié)指數(shù)為0.7～0.8時(shí)，表示膠結(jié)質(zhì)量一般；而膠結(jié)指值小于0.7時(shí)，表示膠結(jié)質(zhì)量差[7]。

試驗(yàn)結(jié)果表明，判斷水泥膠結(jié)情況時(shí)，相對(duì)幅度和膠結(jié)指數(shù)相反，相對(duì)幅度越小，膠結(jié)指數(shù)越大，水泥完全膠結(jié)好；反之，相對(duì)幅度越大，膠結(jié)指數(shù)越小，水泥膠結(jié)不好。

圖4 不同膠結(jié)情況下在水、油、氣中的聲波波形

通過(guò)測(cè)試模型井聲波波形，分別提取與第一、二界面水泥膠結(jié)有關(guān)的聲幅幅度以及相對(duì)幅度、膠結(jié)指數(shù)。表1為水、油、氣識(shí)別的波形參考值。由表1可以看出，水、油、氣的各參數(shù)是有差異的。通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)，聲幅幅度與界面間隙有較好的相關(guān)性(見(jiàn)表2)。

表1 流體性質(zhì)識(shí)別的參考值

表2 間隙與聲幅幅度擬合公式

注：L為界面間隙，cm；A為聲波測(cè)井幅度，mV；R為相關(guān)系數(shù)。

4 結(jié)論

1)通過(guò)制作不同膠結(jié)情況水泥環(huán)膠結(jié)模型，測(cè)量聲波波形中能清楚地觀測(cè)到套管波、水泥環(huán)波以及直達(dá)波，縱向上能反映模型井從底部到頂部的水泥膠結(jié)，能夠準(zhǔn)確判斷第一、二界面膠結(jié)質(zhì)量。

2)利用聲波相對(duì)幅度和膠結(jié)指數(shù)定量判斷第一界面和第二界面水泥膠結(jié)質(zhì)量。通過(guò)在界面膠結(jié)處分別充填水、油、氣3種介質(zhì)，得出間隙中所含流體性質(zhì)識(shí)別的參考值。

3)建立了聲波測(cè)井幅度與水泥膠結(jié)間隙的關(guān)系，結(jié)果表明它們之間有較好的相關(guān)性。