超聲脈沖回波測(cè)井信號(hào)影響因素?cái)?shù)值模擬

呂秀梅,李瑞豐,馮逾

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司,黑龍江大慶163153)

0 引 言

基于聲幅檢測(cè)的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)測(cè)井可以滿足常規(guī)固井質(zhì)量評(píng)價(jià)需求,但由于周向分辨率最高為45°,測(cè)井顯示膠結(jié)良好的井段也可能出現(xiàn)竄槽現(xiàn)象;另外在測(cè)井過程中由于儀器偏心可能導(dǎo)致接收聲幅降低而造成固井質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果偏樂觀,造成固井質(zhì)量評(píng)價(jià)的誤判,在壓裂層段等對(duì)固井質(zhì)量要求較高情況下評(píng)價(jià)結(jié)果還需要進(jìn)一步精細(xì)。套管損傷檢測(cè)技術(shù)雖然可滿足生產(chǎn)需要[1],但是在套損治理中發(fā)現(xiàn)套管損壞常常與固井質(zhì)量問題同時(shí)存在,而固井質(zhì)量評(píng)價(jià)與套管損傷相互獨(dú)立,檢查實(shí)效性較差、成本高。井壁超聲脈沖回波測(cè)井技術(shù)利用超聲波的傳播特性和井壁對(duì)超聲波的反射特性檢測(cè)井身狀況[2]。井壁超聲脈沖回波測(cè)井在套管模式下利用超聲波的透射和諧振特性,對(duì)接收的超聲信號(hào)經(jīng)過處理后,給出套管內(nèi)徑、壁厚、I界面的膠結(jié)情況等,實(shí)現(xiàn)套管狀況和水泥狀況的同時(shí)檢測(cè)[3-4]。

本文借鑒姚貴錦等[5]研究的反射系數(shù)法套管-地層介質(zhì)波阻抗反演方法,建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬,考察分析了聲源主頻,水泥特性,固井I、Ⅱ界面存在流體環(huán)等狀況對(duì)信號(hào)的影響,取得了一些新的認(rèn)識(shí),對(duì)資料分析和應(yīng)用提供了可借鑒的基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模擬模型和聲源參數(shù)

本文采用傳遞矩陣法數(shù)值模擬脈沖回波測(cè)井波形。套管井是典型的層狀介質(zhì),由于超聲檢測(cè)的頻率高、波長(zhǎng)短,通常把套管超聲固井質(zhì)量檢測(cè)問題簡(jiǎn)化為平面多層介質(zhì)超聲波的反射問題。考慮一般情形,假定多層介質(zhì)為鉆井液、套管、流體、水泥、流體及地層6層介質(zhì)組成(見圖1),對(duì)于第Ⅰ和Ⅱ界面完全膠結(jié)情況,只要將相應(yīng)的流體層厚度取值為零即可。各層介質(zhì)密度、縱波速度和厚度分別為ρi、vi和hi(i=1,2,…,6)。水泥參數(shù)不變,考察流體環(huán)和地層參數(shù)影響時(shí),為模擬井下套管井實(shí)際情況,6層平面分層介質(zhì)聲學(xué)和幾何參數(shù)見表1。聲源主頻為395 MHz,在考察其他參數(shù)變化時(shí),套管壁厚設(shè)為7.72 mm。圖2給出了在圖1模型下模擬得到的超聲回波測(cè)井時(shí)域波形及其頻譜,由時(shí)域波形、頻譜以及由時(shí)域波列反演得到的聲阻抗和套管壁厚,證明模型及參數(shù)設(shè)置正確。

圖1 超聲波入射平面多層介質(zhì)模型

介質(zhì)特性鉆井液套管流體水泥流體地層密度/(g·cm-3)1.07.81.01.841.02.45速度/(m·s-1)150057001500330015003500厚度/mm295～110～1021～310～101000

圖2 超聲回波測(cè)量時(shí)域波形及其頻譜

圖3 不同套管壁厚數(shù)值模擬信號(hào)頻譜

不同套管壁厚共振透射頻率凹陷位置不同,由圖3給的由數(shù)值模擬結(jié)果所做頻譜可以看出,不同厚度套管共振透射頻率差別較大:壁厚為10.5、9.2、7.7 mm和5.5 mm套管的共振透射頻率分別在280、300、380 MHz和510 MHz附近。由數(shù)值模擬結(jié)果看,套管壁厚變化較大時(shí),共振透射頻率的差別較大,由于目前使用的井壁超聲成像測(cè)井換能器的頻帶寬度較寬,一個(gè)換能器可以覆蓋幾種套管壁厚情況,但是對(duì)于特殊的薄壁管或者厚壁管,施工中要選擇不同的換能器進(jìn)行測(cè)井,以得到滿意的測(cè)井資料。

2 井壁超聲信號(hào)影響因素分析

2.1 固井Ⅰ界面流體環(huán)對(duì)測(cè)井結(jié)果的影響

井壁超聲回波測(cè)井利用聲阻抗進(jìn)行固井質(zhì)量評(píng)價(jià),當(dāng)套管與地層間的水泥環(huán)膠結(jié)狀況不同時(shí),接收回波和計(jì)算的聲阻抗就會(huì)有所不同。利用圖1模型,通過改變第3層介質(zhì)水層厚度模擬固井Ⅰ界面(套管-水泥界面)存在流體環(huán)情況。數(shù)值模擬考察發(fā)現(xiàn),當(dāng)套管與水泥之間沒有完全膠結(jié)而存在流體環(huán)時(shí),最大回波幅度會(huì)下降(見圖4)。流體環(huán)厚度為0代表完全膠結(jié),此時(shí)最大幅度為0.81 mV,套管與水泥之間存在流體環(huán),幅度就會(huì)下降,并且最大幅度不會(huì)隨著流體環(huán)厚度的增加而變化。Ⅰ界面存在流體環(huán)時(shí),聲阻抗也會(huì)下降(見圖5)。無流體環(huán)時(shí),密度為1.84 g/cm3,聲速3 300 m/s的水泥聲阻抗為6.85 MRayl(1)非法定計(jì)量單位,1 Rayl=0.1 Pa·s/m3,下同,存在流體環(huán)時(shí),聲阻抗下降到2 MRayl左右(由于阻抗反演精度原因,阻抗值有波動(dòng))。由數(shù)值模擬數(shù)據(jù)得到的阻抗結(jié)果可以看出,只要Ⅰ界面存在流體環(huán),測(cè)井得到的阻抗值就反映的是流體。

圖4 最大回波幅度隨Ⅰ界面流體環(huán)變化

圖5 聲阻抗隨Ⅰ界面流體環(huán)厚度變化

為考察Ⅰ界面存在流體環(huán)時(shí)對(duì)套管壁厚測(cè)井解釋結(jié)果的影響,進(jìn)行了不同流體環(huán)條件下的共振透射譜分析。數(shù)值模擬及反演結(jié)果發(fā)現(xiàn):Ⅰ界面膠結(jié)好、微環(huán)和膠結(jié)差情況下,共振透射窗位置不變,凹陷深度隨著流體環(huán)厚度略有變化,但不會(huì)影響共振透射頻率確定,不會(huì)影響套管壁厚解釋結(jié)果。

2.2 固井Ⅱ界面流體環(huán)對(duì)測(cè)井結(jié)果的影響

利用圖1模型,通過改變第5層介質(zhì)厚度模擬Ⅱ界面(水泥-地層界面)存在流體環(huán)情況,數(shù)值模擬接收全波顯示,Ⅱ界面存在流體環(huán)對(duì)最大回波幅度及第一回波沒有影響,影響主要體現(xiàn)在后續(xù)回波出現(xiàn)位置及幅度(見圖6)。圖7給出的是Ⅱ界面流體環(huán)0～10 mm厚度時(shí)的最大回波幅度提取結(jié)果,由圖7也可以看出,最大回波幅度與流體的存在及流體環(huán)厚度無關(guān),接收回波最大幅度只反映Ⅰ界面位置的膠結(jié)情況。

圖6 不同厚度Ⅱ界面流體環(huán)情況下接收回波

圖7 最大回波幅度隨Ⅱ界面流體環(huán)厚度變化

圖8 聲阻抗隨Ⅱ界面流體環(huán)厚度變化

利用接收回波反演聲阻抗結(jié)果見圖8。水泥與套管、地層完全膠結(jié)時(shí),聲阻抗為6.85 MRayl,當(dāng)出現(xiàn)1 mm流體環(huán)時(shí),阻抗降到1.0 MRayl附近。流體環(huán)厚度增加以后,反演得到的聲阻抗略有變化。除流體環(huán)厚度為2 mm阻抗有偏離以外,其他厚度流體環(huán)時(shí)的聲阻抗都在1.0～2.5 MRayl,在固井質(zhì)量評(píng)價(jià)中評(píng)價(jià)為膠結(jié)差。

與Ⅰ界面存在流體環(huán)數(shù)值模擬及反演結(jié)果綜合分析可知,不管是Ⅰ界面還是Ⅱ界面,只要存在未膠結(jié)情況,聲阻抗都能夠正確的反應(yīng)出來。因此利用超聲回波測(cè)井進(jìn)行固井質(zhì)量評(píng)價(jià)能夠得到整個(gè)套管地層環(huán)形空間的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

Ⅰ界面膠結(jié)良好狀態(tài)下考察了Ⅱ界面流體環(huán)對(duì)共振透射窗位置及凹陷深度影響(見圖9)。Ⅱ界面存在流體環(huán)時(shí),共振透射凹陷較為復(fù)雜,隨流體環(huán)厚度增加,譜凹陷有所增加。因此在利用共振透射頻率確定套管壁厚時(shí)不能單純的給出一個(gè)最大凹陷位置,需要更復(fù)雜的技術(shù)來進(jìn)行確定以給出準(zhǔn)確的套管壁厚。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn):無論Ⅰ界面、Ⅱ界面膠結(jié)狀態(tài)如何,反射信號(hào)頻譜均有明顯、可識(shí)別的凹陷,即Ⅰ界面、Ⅱ界面膠結(jié)狀態(tài)不影響套管壁厚反演。

圖9 回波頻譜隨Ⅱ界面流體環(huán)厚度變化

2.3 水泥環(huán)厚度對(duì)測(cè)井結(jié)果的影響

考察水泥環(huán)厚度對(duì)超聲回波的影響可以了解套管偏心是否會(huì)影響固井質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。在圖1模型中令第3層和第5層流體環(huán)厚度為0,即完全膠結(jié)情況下,改變第4層介質(zhì)厚度模擬不同水泥環(huán)厚度情況。水泥環(huán)厚度從10 mm變化到18 mm數(shù)值模擬結(jié)果見圖10。由圖10可以看出,改變水泥環(huán)厚度對(duì)接收回波影響非常小,不同厚度水泥環(huán)情況下回波幾乎完全重合,由回波反演的聲阻抗也沒有變化。由考察結(jié)果看出,超聲脈沖回波測(cè)井結(jié)果不受水泥環(huán)厚度影響。

圖10 水泥環(huán)厚度對(duì)接收回波影響

2.4 地層參數(shù)變化對(duì)測(cè)井結(jié)果的影響

利用圖1所示模型,第3層和第5層厚度都設(shè)置為零,模擬完全膠結(jié)情況,考察不同地層聲速和阻抗對(duì)回波和反演水泥聲阻抗的影響。進(jìn)行正演模擬發(fā)現(xiàn)超聲脈沖回波測(cè)井反射回波后半段幅度與地層縱波速度及聲阻抗存在定量關(guān)系。在固井質(zhì)量良好且水泥參數(shù)不變的情況下,反射回波后半段幅度隨地層縱波速度的增大而增大(見圖11)。

圖11 超聲回波隨地層參數(shù)變化

圖12 地層聲阻抗與最大幅度關(guān)系

圖13 地層縱波速度與最大幅度關(guān)系

模擬不同地層聲阻抗和地層縱波速度情況下接收超聲回波85 μs以后回波幅度變化,分析發(fā)現(xiàn)85 μs后最大幅度隨著聲阻抗和縱波速度的增加而增加,存在指數(shù)關(guān)系。圖12、圖13給出了聲阻抗和地層縱波速度與后半段最大回波幅度的關(guān)系曲線及相應(yīng)的擬合關(guān)系式?？梢钥闯鰯M合曲線與實(shí)際數(shù)值模擬數(shù)據(jù)之間誤差很小,在最大幅度—聲阻抗擬合中,相關(guān)系數(shù)為0.999 89,誤差小于0.01%;在最大幅度—縱波速度擬合中,相關(guān)系數(shù)為0.999 68,誤差小于0.01%。因此根據(jù)回波測(cè)井得到的后半段的最大幅度就可以確定地層的聲阻抗和地層縱波速度。

在完全膠結(jié)情況下,通過對(duì)全波處理可以得到與地層相關(guān)的信息,油田注水開發(fā)以后,由于泥巖浸水會(huì)導(dǎo)致縱波速度變化,如果能夠在后續(xù)的超聲回波法固井質(zhì)量評(píng)價(jià)中,在完全膠結(jié)井段對(duì)超聲回波進(jìn)行全波分析,可以了解地層縱波速度變化,從而了解泥巖浸水等變化。

2.5 井內(nèi)流體密度對(duì)測(cè)井結(jié)果的影響

超聲脈沖回波測(cè)井類固井質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)采用的換能器聲源頻率均較高,為進(jìn)一步明確井內(nèi)流體對(duì)信號(hào)衰減影響,數(shù)值模擬了不同流體密度對(duì)接收信號(hào)影響。圖14給出了流體密度從1.0～1.7 g/cm3范圍內(nèi)接收全波及最大幅度變化,由圖14可以看出,隨著流體密度增加幅度變化較大。由表2的幅度降低看出,當(dāng)流體密度達(dá)到1.4時(shí),信號(hào)最大幅度降低了27%,流體密度達(dá)到1.7時(shí),信號(hào)幅度降低42%。由于流體密度增加使整個(gè)全波有明顯衰減,影響聲阻抗和共振透射譜的計(jì)算結(jié)果從而對(duì)解釋結(jié)果造成影響,因此超聲回波測(cè)井時(shí)井內(nèi)流體密度不能過大。

圖14 井內(nèi)流體密度對(duì)超聲信號(hào)影響

流體密度/(g·cm-3)1.01.051.11.151.21.31.41.51.61.7最大幅度/mV0.870.860.820.780.750.680.630.590.550.51幅度降低/%00.65.59.9142127323742

3 結(jié) 論

(1)利用6層介質(zhì)模型可以模擬不同膠結(jié)情況下脈沖回波測(cè)井響應(yīng),模擬結(jié)果可用于指導(dǎo)超聲脈沖回波測(cè)井技術(shù)應(yīng)用和資料解釋分析。

(2)影響因素考察結(jié)果表明:固井Ⅰ界面和Ⅱ界面存在流體、沒有完全膠結(jié)時(shí),利用回波信號(hào)反演得到的水泥聲阻抗均顯示為流體聲阻抗,小于常規(guī)水泥固結(jié)時(shí)的固體聲阻抗。結(jié)果證明超聲脈沖回波測(cè)井不僅能檢測(cè)Ⅰ界面膠結(jié)狀態(tài),而且反映整個(gè)環(huán)形空間的膠結(jié)狀態(tài)。

(3)在Ⅰ界面和Ⅱ界面膠結(jié)良好的狀況下,脈沖回波測(cè)井的回波后半段幅度與地層巖性有關(guān)。幅度隨著地層聲阻抗和縱波速度的增加呈指數(shù)增加,在提取有效信號(hào)的基礎(chǔ)上可以根據(jù)接收回波后半段幅度判斷聲速及力學(xué)參數(shù)變化。