如何減少聲幅-變密度（CBL-VDL）儀器刻度調(diào)用

許曉礦

中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 長(zhǎng)慶石油工程監(jiān)督公司（陜西 西安710008）

聲幅-變密度儀器測(cè)井是對(duì)固井質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)的重要方法[1]之一。固井質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到鉆井工程質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)，也是鉆井工程質(zhì)量的綜合體現(xiàn)，影響固井質(zhì)量的因素較多，主要因素有：①鉆井，如井身質(zhì)量，井斜套管不居中，裸眼井的井徑擴(kuò)大率和井身變化率等；②固井施工，固井施工不順、水泥質(zhì)量、固井液的配制等；③特殊情況下有時(shí)會(huì)在測(cè)固井質(zhì)量前進(jìn)行鉆塞，由于鉆塞在鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)可能會(huì)引起套管外環(huán)空中水泥環(huán)的破碎和界面微裂隙影響固井質(zhì)量；④測(cè)井資料采集精度影響固井質(zhì)量的準(zhǔn)確評(píng)估。下面就如何減少變密度儀器測(cè)井調(diào)用刻度問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 聲幅-變密度（CBL-VDL）儀器組成

聲幅-變密度儀器主要由電子線(xiàn)路部分和探頭（聲系）兩部分組成[1]，如圖1所示。

圖1 聲幅-變密度儀器測(cè)井示意

探頭有1個(gè)發(fā)射晶體和2個(gè)（3英尺、5英尺）接收晶體組成。由發(fā)射晶體產(chǎn)生聲源向井筒內(nèi)發(fā)射聲波，再有2個(gè)接收晶體接收沿井筒傳播的滑行波信號(hào)[2]。電子線(xiàn)路將接收到的微弱信號(hào)經(jīng)由電子線(xiàn)路放大器放大并送至地面系統(tǒng)處理記錄。

3英尺接收晶體測(cè)量的是首波幅度值。它的數(shù)值高低反映的是套管和水泥環(huán)之間第一膠結(jié)面的膠結(jié)情況，數(shù)值越低則膠結(jié)越好，反之膠結(jié)則越差。

5英尺接收晶體測(cè)量的是聲波的全波列。它反映水泥環(huán)和地層間第二膠結(jié)面的膠結(jié)情況，地層波信號(hào)越強(qiáng)則第二界面膠結(jié)越好，反之膠結(jié)則越差。

2 聲幅-變密度儀器的刻度方法

測(cè)井隊(duì)在用聲幅-變密度儀器進(jìn)行固井測(cè)井時(shí)，當(dāng)聲幅-變密度儀器下放到所測(cè)井的井筒內(nèi)，儀器操作工程師首先要在井筒內(nèi)尋找一段空套井段，找到空套井段后，將聲幅-變密度儀器地面接收系統(tǒng)的控制門(mén)調(diào)整到3英尺信號(hào)的首波位置，把信號(hào)的首波套在控制門(mén)內(nèi)，這時(shí)根據(jù)套管尺寸大小，調(diào)整聲幅-變密度儀器3英尺的首波輸出幅度值[3]，使首波信號(hào)的輸出幅度符合SY/T 5600—2016《石油電纜測(cè)井作業(yè)技術(shù)規(guī)范》所測(cè)套管尺寸要求。此值作為本次測(cè)井的標(biāo)準(zhǔn)刻度值，由此幅度的百分?jǐn)?shù)作為評(píng)估第一界面水泥膠結(jié)質(zhì)量的依據(jù)[4]。不同套管外徑刻度值參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 套管外徑刻度值參數(shù)表

3 聲幅-變密度資料的解釋

3.1 變密度3英尺（第一界面）聲幅測(cè)井資料的解釋

3英尺測(cè)井的相對(duì)幅度值為A，A=某井段井的測(cè)量幅度/自由套管的測(cè)井幅度（刻度值）×100%。A值的大小反映環(huán)空中水泥與套管形成的交界面（第一交界面）的膠結(jié)情況[5]，相對(duì)幅度A值越小，則固井質(zhì)量越好；反之，相對(duì)幅度A值越大，則固井質(zhì)量越差。

第一交界面的膠結(jié)情況（3英尺聲幅曲線(xiàn)），解釋標(biāo)準(zhǔn)將它劃分為3個(gè)等級(jí)，如圖2所示。①膠結(jié)質(zhì)量良好，相對(duì)幅度值A(chǔ)<16%；②膠結(jié)質(zhì)量中等，相對(duì)幅度值16%40%。

圖2 3英尺聲幅曲線(xiàn)圖

3.2 第二交界面膠結(jié)情況資料的解釋

第一交界面與第二交界面采集的測(cè)井信息不同，第一交界面采集的信息為3英尺接收晶體接收的套管反射波的幅度，而第二交界面采集的是5英尺接收晶體接收的全波列信號(hào)。變密度儀器發(fā)射的聲波信號(hào)，在能量傳遞過(guò)程中存在有4種介質(zhì)，套管、水泥環(huán)、地層以及泥漿，不同的介質(zhì)具有不同的聲阻抗，因水泥對(duì)聲波能量衰減較大，聲波信號(hào)不易在水泥環(huán)中傳播[6]。因此水泥環(huán)的聲波信號(hào)很弱甚至可以忽略，故測(cè)得的變密度曲線(xiàn)上顯示的主要是套管波、地層波和泥漿波。

水泥與套管、地層膠結(jié)時(shí)，在不同的膠結(jié)情況下，套管波與地層波的強(qiáng)弱變化存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]。

3.2.1 自由套管井段（套管外無(wú)水泥）測(cè)井曲線(xiàn)

由于套管與泥漿的聲阻抗差別很大，這種情況下大部分聲能因無(wú)法耦合到地層中去，而是在套管中形成反射波[8]，反射回來(lái)被接收晶體所接收，故測(cè)得的套管波強(qiáng)，而測(cè)得的地層波則微弱或沒(méi)有。由于套管位置固定，聲速一定，所以套管波的首波時(shí)間相對(duì)固定，因此在測(cè)井圖面上顯示為一系列黑色直條紋（圖3）。

圖3 自由套管（空套）井段聲幅-變密度測(cè)井曲線(xiàn)

3.2.2 第一、二交界面均膠結(jié)良好的測(cè)井曲線(xiàn)

由于套管、水泥、地層它們之間的聲阻抗差別小，所以在水泥和套管、地層膠結(jié)良好時(shí)，聲波能量很容易經(jīng)套管、水泥環(huán)耦合到地層中去，套管中幾乎不形成反射波，因此在測(cè)得的變密度曲線(xiàn)圖上就顯示出套管波很弱或缺失，地層波很強(qiáng)[9]。因?yàn)椴煌牡貙勇暡▊鞑ニ俣炔灰粯樱栽谧兠芏葴y(cè)井曲線(xiàn)上顯示出的地層波為一系列連續(xù)彎曲的黑色條紋（圖4）。

圖4 第一二交界面均膠結(jié)良好變密度測(cè)井曲線(xiàn)

3.2.3 第一交界面膠結(jié)好、第二交界面膠結(jié)差的測(cè)井曲線(xiàn)

在第一交界面（套管和水泥環(huán)）膠結(jié)良好的情況下，由于水泥與套管的聲阻抗較接近，聲波能量不被套管反射，而是通過(guò)套管傳遞到水泥環(huán)，又因?yàn)榈诙唤缑娌?，聲阻抗差別大，聲能耦合性差，聲波在傳遞過(guò)程中大部分能量在水泥環(huán)中被衰減損失[10]，傳到地層中的聲波能量很小，所以變密度曲線(xiàn)套管波很弱，地層波也很弱（圖5）。

圖5 第一交界面膠結(jié)良好、第二交界面膠結(jié)較差的變密度測(cè)井曲線(xiàn)

4 固井質(zhì)量在測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井監(jiān)督檢查，目前大多數(shù)測(cè)井隊(duì)在測(cè)固井質(zhì)量時(shí)，聲幅-變密度儀器均采用調(diào)用刻度的方法進(jìn)行測(cè)井，調(diào)用的理由是儀器操作工程師找不到空套井段。如果沒(méi)有空套井段，聲幅-變密度儀器確實(shí)無(wú)法進(jìn)行刻度，但沒(méi)有空套井段的井并不是全部，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督調(diào)查發(fā)現(xiàn)大部分的井是有空套井段的，找不到的原因可能是沒(méi)有仔細(xì)找或沒(méi)有掌握尋找的方法，只是為了省事就直接調(diào)用以前測(cè)井的刻度進(jìn)行測(cè)井。調(diào)用刻度可以，但調(diào)用刻度是有規(guī)范要求的，即必須是同一支儀器的刻度，并且該儀器沒(méi)有進(jìn)行過(guò)維修更換過(guò)非線(xiàn)性電子元器件的情況下才能調(diào)用刻度。

儀器長(zhǎng)時(shí)間使用難免會(huì)存在儀器維修的問(wèn)題；另外，變密度儀器測(cè)井小隊(duì)使用也不固定，調(diào)用難免有誤。如果使用了不符合規(guī)定的刻度，或儀器維修后繼續(xù)調(diào)用原來(lái)刻度就不符合測(cè)井技術(shù)規(guī)范要求，這樣測(cè)得的變密度資料在精度上將要受到質(zhì)疑，從而會(huì)影響固井質(zhì)量的解釋。

要獲得準(zhǔn)確的變密度資料，測(cè)井時(shí)應(yīng)該盡量在本次施工井內(nèi)尋找空套井段，找到后在此空套井段進(jìn)行聲幅-變密度儀器刻度。通過(guò)監(jiān)督調(diào)查大部分的井是有空套位置，只是空套井段的長(zhǎng)短不等、位置不定。

為了獲得準(zhǔn)確的變密度資料，自2021年3、4月份開(kāi)始，靖邊監(jiān)督部測(cè)井監(jiān)督做了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。35口井中有25口井有空套井段，占71.4%，空套井段長(zhǎng)度不等，有幾米至幾十米甚至上百米。有空套井段測(cè)井隊(duì)又沒(méi)有在所測(cè)井內(nèi)進(jìn)行變密度儀器刻度的主要原因有：

1）一般空套井段大部分均在所測(cè)井的上部，有的空套段距井口較近，因變密度儀器剛剛進(jìn)入泥漿，儀器聲系浸泡的時(shí)間較短，這時(shí)聲系的耦合性較差，變密度儀器接收到的首波信號(hào)很微弱，這時(shí)儀器輸出幅度自然很小甚至沒(méi)有幅度輸出。如果空套很短，只有幾米或幾十米自由套管段，電纜儀器在下放過(guò)程中很快就通過(guò)了空套井段，這樣操作工程師就發(fā)現(xiàn)不了空套的存在，會(huì)誤認(rèn)為沒(méi)有空套井段。因此測(cè)井工程師就調(diào)用原來(lái)刻度進(jìn)行測(cè)井，此情況較多。

2）由于固井結(jié)束后要將套管內(nèi)的水泥剔除掉，避免水泥在套管內(nèi)凝固，所以要注頂替漿。頂替漿有清水，也有泥漿。如果用泥漿做頂替，有時(shí)泥漿中會(huì)含有氣泡，這些氣泡在水泥候凝的禁止過(guò)程中，所有泥漿中的氣體都將滑脫上串聚集到井口井段（泥漿中含有氣泡的井段有時(shí)可長(zhǎng)達(dá)100～200 m），由于氣體對(duì)聲波信號(hào)有很強(qiáng)的衰減作用，這樣的情況下即使存在空套井段儀器也檢測(cè)不到，但這種情況較少發(fā)現(xiàn)。

5 解決方法

針對(duì)聲幅-變密度儀器尋找刻度井段的問(wèn)題，可采用以下方法解決：

1）將施工井的井筒液面灌滿(mǎn)至井口，當(dāng)變密度儀器聲系完全進(jìn)入液面后，讓變密度儀器停止在井口浸泡一段時(shí)間，讓聲系處于良好的耦合狀態(tài)，聲波信號(hào)正常后開(kāi)始以測(cè)量的速度下放儀器，監(jiān)測(cè)空套井段，發(fā)現(xiàn)空套井段后進(jìn)行儀器刻度。這種方法聲系浸泡時(shí)間會(huì)長(zhǎng)些，測(cè)井隊(duì)要耐心接受。

2）直接將儀器下放超過(guò)100 m的深度，這樣聲系在液柱壓力的情況下浸泡時(shí)間明顯縮短，浸泡過(guò)程將很快完成，當(dāng)聲系達(dá)到良好的耦合狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始上測(cè)查找空套井段，發(fā)現(xiàn)空套后將儀器在空套井段進(jìn)行刻度。這種方法的不足是在上測(cè)的過(guò)程中井筒液面會(huì)下降，所以在上測(cè)時(shí)要添加液面。

3）如果測(cè)固井時(shí)，鉆井隊(duì)沒(méi)有把連頂節(jié)卸掉就將連頂節(jié)灌滿(mǎn)液體，在連頂節(jié)內(nèi)刻度。在保證聲系處于良好的耦合狀態(tài)下，浸泡聲系可采用上述辦法進(jìn)行。

6 結(jié)論

聲幅-變密度儀器的刻度值是衡量變密度測(cè)井曲線(xiàn)的一個(gè)重要指標(biāo)，刻度值的準(zhǔn)確與否直接影響到變密度測(cè)井曲線(xiàn)的質(zhì)量，最終將導(dǎo)致對(duì)固井質(zhì)量是否正確評(píng)價(jià)、解釋。

其他測(cè)井儀器的刻度一般采用刻度器件給儀器一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行刻度，而變密度儀器是在施工井內(nèi)尋找一段空套井段作為標(biāo)準(zhǔn)，在空套井段進(jìn)行刻度，這是它的特殊之處。所以聲幅-變密度儀器刻度時(shí)，一定要確定儀器在空套井段內(nèi)進(jìn)行刻度，絕不能將混漿段或者是在低密度井段誤判成空井段進(jìn)行儀器刻度。

由于固井設(shè)計(jì)基本采用水泥返至地面，這確實(shí)給聲幅-變密度儀器測(cè)井刻度帶來(lái)不便。為了使變密度儀器的刻度準(zhǔn)確，測(cè)井儀器操作工程師要認(rèn)真、細(xì)致地做好刻度工作，不能草率調(diào)用刻度，確實(shí)需要調(diào)用刻度測(cè)井，也一定要按照測(cè)井技術(shù)規(guī)范進(jìn)行。