固井質(zhì)量評(píng)價(jià)影響因素分析

付志威 萬靜

長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院 湖北 武漢 430100

固井質(zhì)量檢查主要是水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)，即評(píng)價(jià)套管與水泥環(huán)（第一界面）、水泥環(huán)與地層（第二界面）的膠結(jié)情況[1]。固井質(zhì)量檢查主要目的是確保水泥漿在固井過程中正確地固化、密封并支撐井筒，維護(hù)井筒的完整性、并預(yù)防油氣和水的泄露。

1 固井質(zhì)量測(cè)井方法的基本原理

1.1 CBL/VDL 資料分析

通常情況下，用于水泥膠結(jié)測(cè)井的儀器采用單發(fā)雙收結(jié)構(gòu)，這兩個(gè)接收器分別被放置在離井口3英尺和5英尺的位置。儀器以大約20kHz的頻率發(fā)射聲波，并記錄聲波在井內(nèi)流體中沿著套管管壁傳播的時(shí)間和衰減情況[1]。在距離井口3英尺的位置，接收器記錄套管波幅度（CBL）和傳播時(shí)間，套管波幅度的衰減程度反映了套管與水泥環(huán)之間的剪切耦合情況。當(dāng)水泥膠結(jié)效果好時(shí)，套管波幅度較小，而在套管外是流體時(shí)，波的幅度較大?；谶@一現(xiàn)象，可以計(jì)算套管外部水泥的膠結(jié)情況。在5英尺處的接收器記錄變密度波形（VDL），用于更好地區(qū)分套管波和地層波。通過變密度波形評(píng)估水泥與地層的膠結(jié)情況，有助于探測(cè)竄槽和氣侵現(xiàn)象，這種方法直觀，且受泥漿的影響相對(duì)較小，從而顯著提升了其實(shí)用性[2]。

1.2 CBL/VDL 固井質(zhì)量特征提取

采用初至波檢測(cè)方法、現(xiàn)代譜分析方法等技術(shù)，從波形中提取了多項(xiàng)信息，這些信息反映了套管波、地層波、流體導(dǎo)波等所有成分的特征，充分利用了全波列中與水泥膠結(jié)有關(guān)的所有信息。由這些信息得到的結(jié)果有：Ⅰ界面膠結(jié)指數(shù)、Ⅱ界面膠結(jié)指數(shù)、環(huán)空水泥充填率、各種譜特征值及相關(guān)函數(shù)特征值等。

1.3 CBL/VDL 固井質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

固井質(zhì)量的評(píng)價(jià)通常通過CBL/VDL測(cè)井或聲幅測(cè)井來評(píng)價(jià)固井質(zhì)量。在國(guó)內(nèi)，測(cè)井解釋工程師會(huì)根據(jù)中國(guó)石油天然氣總公司的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)固井質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)論分為良好、中等（或合格）和差等級(jí)[3]。

中國(guó)石油天然氣總公司《鉆井手冊(cè)（甲方）》（1990年）[4]提出如下標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

表1 中國(guó)石油天然氣總公司行業(yè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 固井質(zhì)量的影響因素

2.1 儀器

2.1.1 儀器偏心

當(dāng)儀器存在偏心時(shí)，套管波到達(dá)接收器的時(shí)間會(huì)因不同方向上的傳播路徑而有所差異。這也意味著，最初的套管波只是在儀器附近方向上信號(hào)良好的首波疊加結(jié)果[5]。這種情況容易導(dǎo)致將固井質(zhì)量較差的井段錯(cuò)誤地判定為固井良好，進(jìn)而影響到測(cè)井值的準(zhǔn)確性，無法準(zhǔn)確反映I界面的固井情況[6]。

2.1.2 儀器刻度

在進(jìn)行CBL/VDL測(cè)井之前，選擇與目標(biāo)井段類型相同的自由套管，以獲取首波的開門時(shí)間、門寬、首波幅度值等[6]。首波振幅的準(zhǔn)確性直接依賴于自由套管的刻度。如果刻度不準(zhǔn)確，將直接導(dǎo)致首波振幅的誤差，從而影響最終的解釋結(jié)論。因此，確保使用準(zhǔn)確刻度的自由套管對(duì)于獲得準(zhǔn)確的首波振幅至關(guān)重要。

2.2 套管

2.2.1 套管尺寸

見圖1（a）和圖1（b）分別展示了套管波幅度與套管直徑以及套管厚度之間的關(guān)系。在圖1（a）表明隨著套管直徑的增大，聲波在套管內(nèi)傳播路徑會(huì)發(fā)生改變，從而使自由套管波幅度減小。隨著套管直徑的增加，鉆井液的層厚也相應(yīng)增加，導(dǎo)致聲能量的吸收量也隨之增大，除此之外，套管的厚度也在一定程度上影響著套管波的生成[7]。套管的直徑會(huì)影響變密度曲線的振幅曲線和首波到達(dá)時(shí)間。具體而言，大直徑套管的首波（套管波）會(huì)較晚到達(dá)，而小直徑套管的首波則會(huì)提前到達(dá)。

圖1 （a）套管波幅度與套管直徑關(guān)系 （b）套管波幅度與套管厚度關(guān)系

見圖1（b）展示了在自由套管情況下，套管波幅度與厚度之間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著套管厚度的增加，套管波幅度也相應(yīng)增大。這意味著較厚的套管對(duì)聲波的傳播有更好的保護(hù)效果，減少了波的衰減程度。因此，在測(cè)井過程中，套管的厚度對(duì)套管波的幅度具有一定的影響[7]。

2.2.2 套管偏心

在進(jìn)行聲幅測(cè)井時(shí)，套管的偏心距等于儀器的偏心距，而且這一結(jié)果也導(dǎo)致了低聲幅，誤判固井段固井效果良好。套管波的幅度變化見圖2，通過計(jì)算，在泥漿密度為1.89g/cm3時(shí)，偏心后套管波幅度增加為自由套管的31.25%，而泥漿密度為1.20g/cm3時(shí)，偏心后套管波幅度增加為自由套管的62.5%，所以，套管偏心會(huì)增強(qiáng)套管波，其影響是明顯的。在SBT測(cè)井中，最小衰減值明顯大于沒有居中的衰減值，表明SBT最小衰減值隨著套管偏心率的增加而減小[8]。

圖2 套管偏心與居中套管波頻譜

2.3 水泥

2.3.1 水泥凝侯時(shí)間

見圖3，該段變密度兩次測(cè)井變化較大，第2次所測(cè)變密度反映固井質(zhì)量好于第1次，且在4400m以下井段第2次所測(cè)變密度反映固井質(zhì)量為完全膠結(jié)，分析認(rèn)為產(chǎn)生這種情況的原因是侯寧時(shí)間不同造成的，第1次測(cè)井時(shí)水泥并沒有完全凝固，使變密度反映固井差，第2次測(cè)井時(shí)水泥大部分都已凝固，因此變密度反映固井良好。如果井段存在未固化和封閉，聲幅曲線出現(xiàn)高振幅值，會(huì)造成誤判，所以一般在固井后24～48小時(shí)進(jìn)行測(cè)井[6]。

圖3 凝侯時(shí)間影響固井評(píng)價(jià)

2.3.2 水泥環(huán)厚度

見圖4（左），圖中的橫坐標(biāo)表示水泥環(huán)的厚度，縱坐標(biāo)表示經(jīng)實(shí)測(cè)地層波刻度后的地層波幅度（菱形是模擬值，方形是實(shí)測(cè)值）。數(shù)值模擬并擬合了6種水泥環(huán)厚度下的地層波幅度，從圖中可以看出存在極小的誤差，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的可行性。在完全膠結(jié)好的情況下，地層波幅度隨著水泥環(huán)厚度的增加而減小，而且，減小的幅度會(huì)越來越趨于平緩[7]。

圖4 完全膠結(jié)時(shí)地層波幅度與水泥環(huán)厚度關(guān)系（5ft，泥巖）

見圖4（右），四種巖性地層波幅度的校正圖版，進(jìn)一步驗(yàn)證了準(zhǔn)確性。為了方便刻度，縱坐標(biāo)為相對(duì)幅度，刻度的幅度以各自巖性最大值歸一化，圖中水泥漿密度為1890kg/m3，套管厚為19mm。并建立了校正公式如表2所示。

表2 地層波幅度水泥環(huán)厚度校正關(guān)系

當(dāng)水泥環(huán)厚度大于2cm時(shí)，對(duì)水泥固井測(cè)井曲線的影響為固定值，小于2cm時(shí)，水泥環(huán)厚度越薄，水泥固井測(cè)井曲線值越高，需參考對(duì)井徑曲線進(jìn)行檢測(cè)[6]。

2.3.3 水泥密度

在評(píng)價(jià)Ⅰ界面水泥膠結(jié)質(zhì)量中，套管波幅度是一個(gè)刻度值。所以，研究自由套管波的影響因素，并制作校正圖版具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。如在實(shí)際鉆井中可能會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)井或者縮井。模擬了四種泥漿密度時(shí)套管波幅度隨流體環(huán)隙變化的關(guān)系見圖5，圖中的套管波幅度是一個(gè)相對(duì)的比值，其分母是數(shù)值模擬的各泥漿密度對(duì)應(yīng)的套管波幅度最大值，擬合關(guān)系見表2。從圖中可看出，隨著流體環(huán)隙的增大，套管波幅度增加，但當(dāng)流體環(huán)隙超過40mm以后，套管波幅度隨泥漿密度的變化趨于穩(wěn)定。此外，從圖中還可以看出，在相同環(huán)隙寬度下，低密度泥漿的套管波幅度值會(huì)比高密度泥漿的值大[9]。

圖5 套管波幅度隨流體環(huán)隙寬度的關(guān)系（3ft）

2.3.4 水泥微環(huán)間隙

當(dāng)水泥凝侯時(shí)，體積會(huì)收縮，產(chǎn)生的壓力，新套管上的油漆或套管上的油脂都會(huì)使套管與水泥之間形成微環(huán)間隙，使聲波衰減值更小，進(jìn)而無法準(zhǔn)確識(shí)別地層波。當(dāng)間隙的寬度在0.1mm左右，不會(huì)形成竄槽，但會(huì)對(duì)套管波的幅度造成影響，使其變大。為了更加準(zhǔn)確的了解實(shí)水泥膠結(jié)的實(shí)際情況，需要采用加壓測(cè)固井聲幅和變密度[10]。當(dāng)環(huán)隙寬度很小時(shí)，套管波幅度就有很大的變化，基本和自由套管情況差不多[7]。當(dāng)存在微環(huán)隙時(shí)，根據(jù)固井水泥密度不同，套管波幅度下降到自由套管的（35～65）%，由此CBL幅度在（35～70）%之間，有可能存在微環(huán)隙。

2.3.5 水泥扇形缺失

隨著水泥扇形缺角的減小，SBT 衰減值增大。當(dāng)水泥扇形缺角小于某一臨界角時(shí)，SBT 衰減值波動(dòng)，不能區(qū)分其膠結(jié)情況[11]。另外，當(dāng)有泥漿氣侵時(shí)，聲波能量會(huì)大大衰減，使得不良井段出現(xiàn)低值，造成誤判[6]。

2.4 地層巖性

2.4.1 快地層

在快地層套管井中，地層波與I界面的時(shí)間差非常小，甚至比套管波早到達(dá)接收器，導(dǎo)致了疊加和重疊。從而將地層波誤認(rèn)為套管波，造成對(duì)I界面固井質(zhì)量的誤判[12]。為了避免這種情況，我們可以在提取套管波信息之前對(duì)波形進(jìn)行濾波處理，然后再使用常規(guī)的解釋方法來評(píng)價(jià)固井質(zhì)量。通過濾波處理，可以將地層波進(jìn)行削弱或抑制，從而使套管波的輪廓更加清晰。這樣，我們就能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別和分析套管波，并對(duì)固井質(zhì)量進(jìn)行合理的評(píng)估。這種濾波處理的方法在實(shí)際工程中被廣泛采用，可以提高對(duì)套管波的解釋準(zhǔn)確性，并減少對(duì)I界面固井質(zhì)量的誤判。

2.4.2 慢地層

由于慢速地層的聲傳播速度較低，變密度圖上界面處的地層波不明顯。在第I界面膠結(jié)良好的情況下，變密度圖上出現(xiàn)信號(hào)弱的層段。所以在測(cè)井解釋時(shí)，要結(jié)合地層的性質(zhì)來判斷。在實(shí)際工作中，利用裸眼井的聲波數(shù)據(jù)，能夠更有效地對(duì)這種地層情況進(jìn)行辨別。在更大的擴(kuò)徑時(shí)也會(huì)造成II界面信號(hào)的減弱[12]。

不同的地層巖性會(huì)對(duì)自由套管波產(chǎn)生不同的影響，首波套管波到達(dá)時(shí)間和幅度并不隨地層巖性而變化，而是主要與井眼情況和套管有關(guān)。這意味著在判斷地層巖性時(shí)，首波套管波的到達(dá)時(shí)間和幅度并不能提供明確的信息。然而，在快速地層中，我們可以很容易地區(qū)分套管波和高頻偽瑞利波。一般而言，地層波的主頻率相對(duì)較低，而套管波的主頻率相對(duì)較高。因此，為了準(zhǔn)確判斷地層巖性，我們可以通過觀察波形和頻譜的特征，特別是套管波和地層波的主頻率差異來進(jìn)行識(shí)別。這可以幫助我們避免誤判，并準(zhǔn)確評(píng)估地層的屬性和特性。

2.4.3 孔隙度和滲透率差異較大的地層

如在泥巖地層中，水化凝結(jié)過程和溫度變化迅速，界面處容易形成小裂縫，地層井徑變化較大，而水泥環(huán)厚度的不均勻會(huì)改變井內(nèi)的聲場(chǎng)。在高孔高滲透性地層中，水泥漿能滲透到地層中，不易產(chǎn)生小裂縫。在砂巖、泥巖地層進(jìn)行聲波振幅或變密度測(cè)井時(shí)，GR與CBL之間往往存在良好的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由于地層巖性變化導(dǎo)致的孔隙度和滲透率的影響[13]。

3 結(jié)束語

總體而言，為了提高固井的質(zhì)量，我們需要在施工過程中嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并在評(píng)估和監(jiān)測(cè)各種因素方面進(jìn)行仔細(xì)的考慮。通過使用CBL/VDL測(cè)井或聲振幅測(cè)井技術(shù)，我們可以全面了解固井的質(zhì)量狀況，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砀纳乒叹Ч?。這將有助于確保井筒的完整性和固井性能的持久性。