陣列聲波測(cè)井評(píng)價(jià)儲(chǔ)氣庫(kù)大直徑套管固井質(zhì)量

傅永強(qiáng)，陳建波，劉可可，王天雨，麻超，劉似晏

（中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司遼河分公司，遼寧 盤(pán)錦 124010）

0 引 言

地下儲(chǔ)氣庫(kù)是將采出天然氣通過(guò)管道輸送到用戶附近，通過(guò)井把天然氣重新注入地下能夠保存氣體的空間，從而形成一種人工天然氣藏。中國(guó)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫(kù)，先后在大港、華北、金壇、遼河、長(zhǎng)慶等地區(qū)開(kāi)展了地下儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)技術(shù)研究與實(shí)踐。隨著地下儲(chǔ)氣庫(kù)在國(guó)內(nèi)高速發(fā)展，為保證地下儲(chǔ)氣庫(kù)井的大排量高速注采，在鉆井及完井設(shè)計(jì)中采用大尺寸井身結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致建設(shè)工程難度大[1-4]。地下儲(chǔ)氣庫(kù)的完整性評(píng)價(jià)是保障其安全生產(chǎn)運(yùn)行的關(guān)鍵，評(píng)價(jià)的對(duì)象包括地質(zhì)構(gòu)造、井筒和地面設(shè)備等。在大流量注采工況下，地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采使井筒承受大壓差交變載荷，極易出現(xiàn)固井水泥環(huán)破裂、部分井環(huán)空出現(xiàn)帶壓，導(dǎo)致天然氣泄漏，危及地下儲(chǔ)氣庫(kù)的安全生產(chǎn)。因此，固井質(zhì)量評(píng)價(jià)在地下儲(chǔ)氣庫(kù)工程評(píng)價(jià)中顯得尤為重要。大直徑水平井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)在保障地下儲(chǔ)氣庫(kù)高效運(yùn)行的同時(shí)，也給固井評(píng)價(jià)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的固井質(zhì)量測(cè)井方法仍然是聲幅-變密度測(cè)井，該方法通過(guò)測(cè)量源距為3 ft** 非法定計(jì)量單位，1 ft=12 in= 0.304 8 m，下同的套管波首波幅度和源距為5 ft的全波列變密度，評(píng)價(jià)套管與水泥環(huán)膠結(jié)面（Ⅰ界面）和水泥環(huán)與地層膠結(jié)面（Ⅱ界面）的膠結(jié)情況。喬文孝等[5]研究了套管直徑對(duì)聲波測(cè)井的影響，研究結(jié)果表明，對(duì)于自由套管井段的聲波測(cè)井，當(dāng)套管直徑增大時(shí)，套管波首波幅度減小、視到時(shí)增大、主頻明顯降低，在設(shè)計(jì)和制造套管井聲波測(cè)井儀器時(shí)應(yīng)盡量使用寬頻帶聲波換能器。這也證明了套管尺寸對(duì)直接采集的聲幅曲線有較大的影響，為避免套管尺寸和壓井液密度對(duì)聲幅曲線產(chǎn)生影響，可通過(guò)測(cè)量聲幅與自由套管聲幅的比值對(duì)聲幅進(jìn)行刻度，并獲得聲幅曲線。但地下儲(chǔ)氣庫(kù)固井水泥返至地表，無(wú)法獲得當(dāng)前測(cè)量環(huán)境的自由套管聲幅，這種消除環(huán)境因素的評(píng)價(jià)方式在現(xiàn)場(chǎng)中無(wú)法使用。胡文祥等[6]通過(guò)對(duì)套管外不同聲速的3 種地層在不同膠結(jié)情況下的長(zhǎng)源距聲波資料進(jìn)行時(shí)頻分析，認(rèn)為長(zhǎng)源距全波資料可以采用套管波首波幅度和頻率信息評(píng)價(jià)Ⅰ界面和管外水泥充填情況。Wang 等[7]認(rèn)為超聲成像在特定的超聲頻率范圍內(nèi)采用新的定向發(fā)射器能評(píng)價(jià)Ⅱ界面。Van 等[8]提出了新的超聲成像方法，Haldorsen 等[9]提出了利用新儀器對(duì)雙層套管的評(píng)價(jià)方法，這些新的方法均受套管偏心和膠結(jié)界面的粗糙程度影響。Tubman等[10-11]數(shù)值模擬各種水泥膠結(jié)狀況對(duì)聲波測(cè)井波形的影響，指出套管和水泥環(huán)之間存在流體環(huán)，這使套管波首波幅度變大、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致淹沒(méi)后續(xù)的地層波信息。大尺寸套管的使用和慢速地層增加了固井質(zhì)量的評(píng)價(jià)難度，導(dǎo)致傳統(tǒng)的聲幅-變密度測(cè)井不能客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)固井質(zhì)量。

本文利用陣列聲波單極波列數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算套管波衰減率，在頻域內(nèi)分析套管波、地層波，統(tǒng)計(jì)其出現(xiàn)頻數(shù)，并分析慢速斯通利波隨頻率的變化；利用這些與界面膠結(jié)和填充率緊密相關(guān)的參數(shù)對(duì)大直徑套管固井質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)聲幅-變密度測(cè)井對(duì)大直徑套管固井質(zhì)量評(píng)價(jià)的缺陷與不足。

1 大直徑套管聲波的波形特征

聲波在大直徑套管環(huán)境中傳播，其在井筒流體中傳播距離更長(zhǎng)，在自由套管條件下，套管尺寸越大，套管波首波幅度越低。采用聲幅-變密度儀器（源距為3 ft）記錄不同套管尺寸的自由套管波形，將從大到小套管的波列按順序偏移300 mV后進(jìn)行比較（見(jiàn)圖1），可以觀察到，隨套管尺寸增加，套管波首波幅度明顯變小。在Ⅰ界面評(píng)價(jià)中，聲幅測(cè)井采用自由套管刻度，隨著套管尺寸變大，其對(duì)Ⅰ界面膠結(jié)程度的分辨能力變低。

圖1 常規(guī)聲幅與套管尺寸變化關(guān)系

在大套管和慢速地層井況下，短源距接收器記錄的套管波位置清晰，但套管后續(xù)波、地層縱波、斯通利波在時(shí)域內(nèi)互相疊加。隨源距增大，記錄的各類波在時(shí)域內(nèi)逐漸分離，且斯通利波振相占主要地位。圖2是套管直徑為339.7 mm、地層為慢速地層時(shí)的變密度對(duì)比圖，將陣列聲波儀器記錄的源距為12 ft的變密度與聲幅-變密度儀器記錄的源距為5 ft的變密度進(jìn)行對(duì)比，可以觀察到陣列聲波儀器采用數(shù)字增益技術(shù)，其幅度動(dòng)態(tài)范圍和采集波列時(shí)長(zhǎng)優(yōu)于聲幅-變密度儀器；源距5 ft的變密度的波峰、波谷與深度軸平行，不能區(qū)分套管后續(xù)波與地層波；在陣列聲波記錄的源距為12 ft的變密度圖中可明顯觀察到套管首波、地層波、斯通利波等，說(shuō)明陣列聲波測(cè)井評(píng)價(jià)固井質(zhì)量具有極大的優(yōu)勢(shì)，能夠清晰區(qū)分套管波、地層波、斯通利波等。

圖2 5 ft與12 ft變密度對(duì)比圖（軟地層）

理論模擬與實(shí)際的資料分析表明，Ⅰ界面和Ⅱ界面的膠結(jié)情況嚴(yán)重影響聲波測(cè)井的波形特征。當(dāng)I界面和II界面耦合良好時(shí)，常規(guī)地層套管井中的斯通利波強(qiáng)度比裸眼井中的斯通利波強(qiáng)很多，而其縱波（P）、橫波（S）以及偽瑞利波振幅遠(yuǎn)小于裸眼井相應(yīng)值，套管井中各波的到時(shí)也稍微提前，但套管和水泥層的存在并不影響P波和S波的測(cè)量；慢速地層中，套管對(duì)聲波影響更大，與常規(guī)地層相似，占主導(dǎo)地位的振相仍為斯通利波，P波速度可測(cè)，而無(wú)S波。綜上所述，斯通利波主要受剛度很強(qiáng)的鋼套管控制，而對(duì)套管外地層并不敏感[12]。

圖3為軟地層在不同套管尺寸情況下陣列聲波測(cè)量的源距為12 ft的變密度圖。從圖3可以看出，無(wú)明顯的套管波，地層縱波明顯，斯通利波能量大，斯通利波振相占主導(dǎo)地位；隨套管尺寸的增加，各波到時(shí)變大，但并不影響套管波和地層波速度計(jì)算結(jié)果。因此，在大直徑套管井筒中，陣列聲波的單極波列在時(shí)域內(nèi)從幅度和到時(shí)可清晰劃分套管波與地層波，能夠利用套管波衰減率、對(duì)波列進(jìn)行時(shí)頻分析獲得套管波和地層波的數(shù)量，可用于評(píng)價(jià)Ⅰ、Ⅱ界面膠結(jié)指數(shù)[13]；同時(shí)利用時(shí)頻分析獲得慢速斯通利波隨頻率的變化，評(píng)價(jià)套管與地層間液體環(huán)厚度[14]，為綜合評(píng)價(jià)固井質(zhì)量提供客觀可靠的資料。

圖3 不同尺寸套管陣列聲波變密度對(duì)比圖（軟地層）

2 陣列聲波測(cè)井評(píng)價(jià)固井質(zhì)量的方法

2.1 基于套管波衰減率的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

聲幅-變密度測(cè)井評(píng)價(jià)固井質(zhì)量是采用3 ft源距的聲幅與自由套管聲幅比值評(píng)價(jià)I界面、5 ft變密度地層波能量評(píng)價(jià)II界面，該方法同樣可應(yīng)用于陣列聲波評(píng)價(jià)固井質(zhì)量。地下儲(chǔ)氣庫(kù)固井水泥返至地面，無(wú)自由套管，不能采用自由套管刻度的聲幅評(píng)價(jià)固井質(zhì)量，可采用套管波衰減率進(jìn)行固井質(zhì)量評(píng)價(jià)。聲發(fā)射換能器產(chǎn)生的聲波，在從近接收器沿著套管傳播至遠(yuǎn)接收器的過(guò)程中，單位距離發(fā)生的套管波幅度減小，從而得到套管波衰減率。通過(guò)提取陣列聲波各接收器第1個(gè)套管波幅度，得到不同間距套管波幅度，利用套管波幅度與接收器間距可評(píng)價(jià)套管波衰減率，相鄰接收器間的套管波衰減率為

式中，α為套管波衰減率，dB/m；X為接收器間距，m；Ai、Ai+1為接收器提取的套管波首波幅度，該首波幅度為原始記錄。

通過(guò)陣列的組合可獲得同一深度多組相鄰接收器的套管波衰減率，對(duì)其進(jìn)行累計(jì)取均值，獲得縱向高分辨率的可靠性評(píng)價(jià)結(jié)果。從式 （1）可見(jiàn)，套管波衰減率由源距以及相鄰2個(gè)接收器的套管波幅度取對(duì)數(shù)的斜率確定，也可采用多接收器套管波幅度取對(duì)數(shù)，并采用線性回歸斜率法獲得套管波衰減率，避免了聲幅-變密度測(cè)井評(píng)價(jià)Ⅰ界面需要自由套管刻度的要求。

2.2 基于頻率域套管波與地層波分析的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

分析頻率與時(shí)差關(guān)系的方法很多，Nolte等[15]利用加權(quán)頻譜相干法分析出撓曲波頻散獲得的橫波時(shí)差具有穩(wěn)定性好、精度高的優(yōu)點(diǎn)，該方法也可以用于其他波的時(shí)頻分析。本次研究采用該方法對(duì)大直徑套管井中陣列聲波波列進(jìn)行頻率—時(shí)差關(guān)系分析，圖4為典型固井質(zhì)量差和固井質(zhì)量好的陣列聲波頻率—時(shí)差分布圖。圖 4 （a）為膠結(jié)差的頻率—時(shí)差分布圖，觀察到在12 ～20 kHz頻帶內(nèi)套管波明顯，在4 ～6 kHz頻帶內(nèi)出現(xiàn)少量地層波。圖 4 （b）為膠結(jié)好的頻率—時(shí)差分布圖，觀察到在整個(gè)頻段內(nèi)無(wú)套管波，在8 ～12 kHz頻帶內(nèi)地層波數(shù)量多。這說(shuō)明通過(guò)套管波與地層波在頻帶內(nèi)出現(xiàn)的頻次可以評(píng)價(jià)固井質(zhì)量，即可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)套管波及地層波在各頻帶出現(xiàn)頻次評(píng)價(jià)I、II界面膠結(jié)特性。同時(shí)也表明了在膠結(jié)差的情況下，通過(guò)分析陣列聲波頻率—時(shí)差分布譜也能獲得地層波時(shí)差，只是出現(xiàn)的頻帶較低、帶寬較窄。

圖4 不同固井質(zhì)量頻率—時(shí)差分布圖

固井水泥返高以上井段，套管與地層之間無(wú)水泥充填膠結(jié)，為自由套管，在自由套管層段，只能接收到大量的套管波，不能接收到地層波；I、II界面膠結(jié)好，水泥充填率高，則只出現(xiàn)地層波，可通過(guò)套管波和地層波出現(xiàn)的頻次來(lái)定性劃分固井質(zhì)量級(jí)別。通過(guò)分析，套管波和地層波在各頻帶出現(xiàn)的頻次累計(jì)接近于一個(gè)穩(wěn)定的常數(shù)，利用這一特征，計(jì)算I、II界面膠結(jié)指數(shù)為

式中，Nca為套管波在各頻帶累計(jì)頻次；Nfm為地層波各頻帶累計(jì)頻次；Nmax為套管波和地層波最大累計(jì)頻次。利用式（2）和式（3）計(jì)算I、II界面膠結(jié)指數(shù)，可對(duì)固井質(zhì)量進(jìn)行I、II界面分級(jí)評(píng)價(jià)。

2.3 基于慢速斯通利波的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

Wang等[16]利用多物理場(chǎng)建模與仿真模型分析套管浸入水中、井筒自由套管、套管與地層完全膠結(jié)、液體環(huán)位于套管與水泥環(huán)間、液體環(huán)位于水泥環(huán)內(nèi)和液體環(huán)位于水泥環(huán)與地層間等多種情況下，陣列聲波測(cè)井在不同源距接收器接收到的波列。套管外無(wú)膠結(jié)、液體環(huán)位于Ⅰ界面或Ⅱ界面以及水泥環(huán)內(nèi)時(shí)出現(xiàn)慢速斯通利波，當(dāng)套管壁厚為常數(shù)，外徑與內(nèi)徑比越大，慢速斯通利波速度對(duì)管外液體環(huán)厚度越敏感，且慢速斯通利波速度與液體環(huán)厚度和慢速斯通利波頻率都相關(guān)，Wang等[16]建立了三者之間的關(guān)系圖版，從理論和仿真模型論證了慢速斯通利波能夠反映管外液體環(huán)厚度。

本次研究在4種不同的套管尺寸（177.8、244.5、339.7、508.0 mm）下對(duì)陣列聲波儀器采集的單極資料進(jìn)行頻率—時(shí)差頻譜分析，陣列聲波采集的實(shí)際測(cè)井資料從時(shí)域和頻率—時(shí)差關(guān)系均觀察到慢斯通利波的出現(xiàn)（見(jiàn)圖5）。圖 5 （a）展示了固井質(zhì)量較好的情況下，因慢速斯通利波主要集中在3 ～7 kHz，采用該頻帶對(duì)8個(gè)陣列接收器波列進(jìn)行濾波后與原始波列進(jìn)行對(duì)比，可以更清晰地在波列圖上觀察到2個(gè)速度不同的斯通利波的變化。圖 5 （b）為頻率—時(shí)差分布圖，可以明顯觀察到慢速斯通利波時(shí)差隨頻率增大逐漸變小的特征，與理論模擬結(jié)果一致。

圖5 慢速斯通利波時(shí)差分析圖

利用Wang等[16]研究的套管外液體環(huán)厚度、頻率和慢速斯通利波理論關(guān)系圖版，選擇在陣列聲波單極上慢速斯通利波明顯、且慢速斯通利波時(shí)差對(duì)不同液體環(huán)厚度分辨能力強(qiáng)的3 ～7 kHz頻段作為評(píng)價(jià)液體環(huán)厚度的頻段（見(jiàn)圖6），計(jì)算液體環(huán)厚度。利用加權(quán)譜相關(guān)法，對(duì)在3 ～7 kHz頻帶內(nèi)的斯通利波進(jìn)行提取，獲得其隨頻率變化的特征，利用慢速斯通利波與頻率關(guān)系獲得套管外流體環(huán)厚度，流體環(huán)厚度與環(huán)空間厚度的比值為環(huán)空水泥充填率。

圖6 慢速斯通利波時(shí)差與頻率和液體環(huán)厚度圖

3 應(yīng)用實(shí)例

遼河油田雙6地下儲(chǔ)氣庫(kù)井采用大直徑井身設(shè)計(jì)，五開(kāi)鉆完井（見(jiàn)圖7），固井評(píng)價(jià)的套管尺寸包括177.8、244.5、339.7、508.0 mm，尤其在表層、中完套管的尺寸達(dá)508.0 mm和339.7 mm，表層及中完井段地層為慢速地層。聲幅-變密度儀器采集的變密度僅能觀察到套管波信號(hào)及部分后續(xù)波信號(hào)，未觀察到明顯的地層信號(hào)，僅能評(píng)價(jià)Ⅰ界面，不能對(duì)環(huán)空水泥及Ⅱ界面進(jìn)行評(píng)價(jià)；且管外微環(huán)隙的存在對(duì)聲幅影響很大，導(dǎo)致僅用聲幅進(jìn)行固井質(zhì)量評(píng)價(jià)的結(jié)果指示固井質(zhì)量差。

圖7 雙6-HX套管結(jié)構(gòu)示意圖

基于陣列聲波單極測(cè)井資料和上述討論的3種固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，利用雙6地下儲(chǔ)氣庫(kù)中的多口大直徑井筒中采集的陣列聲波單極資料進(jìn)行固井質(zhì)量評(píng)價(jià)。利用套管波衰減率評(píng)價(jià)Ⅰ界面膠結(jié)、頻率域套管波與地層波出現(xiàn)頻數(shù)評(píng)價(jià)Ⅰ、Ⅱ界面膠結(jié)，慢速斯通利波隨頻率變化評(píng)價(jià)套管外流體環(huán)厚度，均取得了較好的效果。

以雙51-HX井855 ～1 000 m井段聲幅-變密度與陣列聲波評(píng)價(jià)成果為例（見(jiàn)圖8）進(jìn)行分析對(duì)比。該段地層為館陶組，地層巖性為疏松砂礫巖，縱波時(shí)差主要集中在125.0 μs·ft-1左右，為典型的慢速地層。鉆頭尺寸444.5 mm，套管外徑339.7 mm，水泥返至地表。

圖8 雙51-HX井聲幅-變密度與單極波列評(píng)價(jià)固井質(zhì)量圖

從圖8中可以看出常規(guī)聲幅數(shù)值均在10%及以下，指示固井質(zhì)量好，但5 ft變密度卻觀察到波列整體上與深度平行，為明顯的套管后續(xù)波，未觀察到明顯的地層波，常規(guī)聲幅-變密度評(píng)價(jià)的Ⅰ界面膠結(jié)好，Ⅱ界面未膠結(jié)，顯然與固井工程施工觀察到的結(jié)果存在矛盾。而陣列聲波12 ft變密度圖可以觀察到在多數(shù)井段無(wú)套管波，明顯觀察到地層波。利用陣列聲幅評(píng)價(jià)的Ⅰ界面套管波衰減率與利用套管波量評(píng)價(jià)的Ⅰ界面膠結(jié)指數(shù)，這2種方法得到的結(jié)果具有良好的對(duì)應(yīng)性；地層波評(píng)價(jià)的Ⅱ界面膠結(jié)指數(shù)多數(shù)在90%以上，指示該井段Ⅱ界面總體膠結(jié)良好；根據(jù)慢速斯通利波計(jì)算的液體環(huán)多數(shù)約1.0 mm，整段水泥充填率均在99%以上，指示該段地層水泥充填率高。僅在875 ～885 m、950 ～965 m、995 ～1 000 m這3個(gè)井段有明顯的套管波且套管后續(xù)波很明顯，套管波衰減率均小于5.2 dB/ft，指示Ⅰ界面膠結(jié)差，利用套管波頻數(shù)計(jì)算的Ⅰ界面膠結(jié)指數(shù)約50%，同樣指示出Ⅰ界面膠結(jié)差；這3個(gè)井段的Ⅱ界面膠結(jié)指數(shù)均在80%以上，管外液體環(huán)在1.0 ～2.0 mm，略有增大，綜合判斷為Ⅱ界面膠結(jié)好。綜合分析該井段固井質(zhì)量，Ⅰ、Ⅱ界面總體膠結(jié)好。通過(guò)多角度的綜合分析評(píng)價(jià)，為該井提供了客觀、準(zhǔn)確的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。

4 結(jié) 論

（1）陣列聲波單極波列在大直徑套管中記錄的聲波振幅范圍大且頻率動(dòng)態(tài)范圍廣，在大直徑井筒、慢速地層環(huán)境下，通過(guò)套管井陣列聲波評(píng)價(jià)固井I、II界面膠結(jié)質(zhì)量，彌補(bǔ)了常規(guī)聲幅-變密度在大直徑井筒條件下的不足。

（2）利用陣列聲波的套管波衰減率、套管波和地層縱波出現(xiàn)頻數(shù)，并結(jié)合慢速斯通利波時(shí)差與頻率關(guān)系，能夠客觀地評(píng)價(jià)Ⅰ、Ⅱ界面膠結(jié)程度和管外水泥充填情況。

（3）在固井質(zhì)量較差的井段，采集的陣列聲波資料也能提取地層波的速度信息，在一些惡劣井筒環(huán)境下（大直徑井筒、長(zhǎng)水平井等），因環(huán)境和施工原因?qū)е略诼阊劬胁杉暡ㄙY料難度大。通過(guò)固井后采集陣列聲波資料，利用頻率—時(shí)差分析的方法提取時(shí)差并評(píng)價(jià)固井質(zhì)量，可提高作業(yè)時(shí)效和降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

（4）利用3種固井質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法從多角度評(píng)價(jià)大直徑井筒固井質(zhì)量，互相印證評(píng)價(jià)，效果較好。采用頻域套管波、地層波分析Ⅰ、Ⅱ界面膠結(jié)及慢斯通利波評(píng)價(jià)水泥充填率的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法也可用于常規(guī)直徑套管的固井質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)分析。