扇区水泥胶结测井仪及信号处理方法

金志宏

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南新乡)

扇区水泥胶结测井仪及信号处理方法

金志宏

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南新乡)

扇区水泥胶结测井仪器具备常规水泥胶结测井仪器(声波变密度测井仪)的功能,而且能够识别出水泥环径向的局部缺失、微间隙等的固井质量问题,能够提供套管周围全方位的水泥胶结状况,更好地满足固井质量评价。文章阐述了扇区水泥胶结测井的基本原理,重点分析了扇区信号的测井方法和相关的信号处理方法。

水泥胶结测井仪;固井质量评价;扇区变密度;水泥环;地面软件设计;扇区信号处理

0 引 言

固井质量的准确评价是正确使用油井和采取措施保护油井的关键,对油气田勘探开发和产能建设具有十分重要的意义。早期的声幅测井由于受微环隙、快速地层、水泥环厚度等因素的影响,测井资料易出现多解,常造成对固井质量的错误判判,目前声幅测井已经基本上被淘汰。声波变密度测井技术有效弥补了声幅测井的不足,可以较好地评价第一、第二界面的水泥胶结状况,但是声波变密度测井仅能提供套管周围的平均测量结果,它不能对水泥环局部缺失或不均匀情况做出准确评价,在实际应用中有很大的局限性[1]。

针对这一技术难题,阿特拉斯公司研发了六扇区水泥胶结测井仪,康普乐公司研发了八扇区水泥胶结测井仪。近年来大庆测井公司研究中心新研制了一套扇区水泥胶结测井仪器[2],可以同时提供了2 ft(1 ft=304.8 mm)源距的八个独立扇区的声波幅度;它可以准确判定水泥环的局部缺失和不均匀的情况,是常规声波变密度测井仪的理想替代品。二十二所实现了该仪器在SKD-3000地面系统上的配接[3]。由于扇区水泥胶结测井仪比常规CBL/VDL测井仪增加了扇区测量功能,本文重点分析了该仪器扇区信号相关的测井方法和信号处理方法。

1 扇区水泥胶结测井仪[4、5]

1.1 测量原理

扇区水泥胶结测井仪的设计是在常规CBL/VDL仪器上增加扇区的测量。仪器包括电子线路和声系,其中声系包括两部分,一部分是常规CBL/VDL仪器的一个发射器和源距分别为3 ft、5 ft的两个接收器,其工作频率为20 kHz;另一部分是源距为2 ft的八组独立扇区,其工作频率为100 kHz。

扇区水泥胶结测井仪的每组独立扇区都有一个扇区发射换能器和对应的扇区接收换能器。扇区发射换能器发射100 kHz声脉冲时,对应的2 ft扇区接收换能器来接收回波信息。由扇区换能器各向异性的指向性来满足每个独立扇区探测范围为45°角。该仪器对换能器的频率响应、一致性、指向性有严格要求,换能器的质量直接影响着扇区信号的测井质量。

1.2 信号调制

扇区工作频率较高,其中心频率在100kHz±10kHz之间。正常的测井电缆由于高频信号严重的衰减和畸变,无法对100 kHz的扇区信号进行有效传输。本扇区水泥胶结测井仪采用了幅度调制的基本思路,先对100 kHz的扇区信号进行包络检波,得到一个低频的包络线,然后用一个20 kHz的调节器对这个包络线进行幅度调制,可以产生一个与包络幅度成正比的调制信号,调制后的信号频率为20 kHz,可直接用于电缆传输,如图1所示。地面系统可以通过测量调制信号来恢复调制前扇区信号的峰值幅度。由实际测井效果表明利用该调制方法可靠、实用,而且扇区幅度信号失真度小。

1.3 信号时序

扇区水泥胶结测井一般采用组合测井,能够与自然伽马、磁定位仪组合下井,CCL信号利用不同缆芯传输,自然伽马和波形信号利用同缆芯分时传输,其信号时序如图2所示。每个信号的小周期为25.6 ms,12个小周期为一个大周期;每个大周期里除扇区8是先正后负(+10 V/-5 V)的同步外,其他小周期均为先负后正(-10 V/+5 V)的同步。

图1 扇区信号调制前、后示意图

图2 信号时序图

1.4 测井曲线

扇区水泥胶结测井可以提供常规水泥胶结测井具备的3 ft声幅、5 ft变密度全波列,并由此计算出的衰减系数及胶结指数等参数;也可以同时提供2 ft源距的八个扇区声波幅度、平均扇区声幅AAVG、最小扇区声幅AMIN、最大扇区声幅AMAX;根据八个扇区声幅可制作出套管外水泥胶结状况分布的直观图像。综合考虑各种资料可以更有效地对第一、第二水泥胶结面做出准确评价。

2 扇区信号处理方法

2.1 信号时序同步方法

为了实现信号的同步测量,调整地面信号处理卡的门延在截止时间范围内(门延为允许检测到两个同步信号的最小时间间隔),门延应为24 ms～25.6 ms;调整信号处理卡的通道增益,以便得到幅度合适的波形信号。一旦检测到同步信号立即启动A/D进行为时1 ms的波形采集,然后延迟0.6 ms后启动GR脉冲计数,计数22.4 ms后停止计数并进入下个小周期的截止时间,开始检测下个同步信号,依次循环。我们由采集的波形数据,根据第八扇区同步信号先正后负的特性,可以分辨出第八扇区,也就确定了整个大周期的信号时序。

2.2 扇区声幅计算方法

在地面信号处理卡稳定地检测到同步信号并采集到幅度合适的波形信号后,进行调整扇区计算参数,图3中V表示测量的扇区信号,bs、bw、fs、fw依次为基线开门、基线门宽、首波开门、首波门宽。通过调整fs、fw来选择首波(图中阴影部分),并在首波前选择一段稳定基线。如果套管尺寸变化了,声波传播路径发生改变,首波开门时间也就发生变化,需要重新刻度和调整计算参数,否则测量的声幅曲线就不能准确反映扇区的第一胶结面和水泥胶结质量。

图3 扇区信号计算参数示意图

扇区水泥胶结测井中利用扇区声波首波的平均值作为对应扇区的声幅测量信号。实践表明利用首波平均值作为测量值比利用首波的峰值稳定、可靠,且线性关系好,更能准确反映出套管外水泥环的胶结质量。

扇区声幅信号刻度为两点线性刻度,仪器在空气中为低刻度点,仪器在自由套管中为高刻度点。扇区声幅曲线的工程值一般用mV来作为单位,例如5.5 in(1 in=25.4 mm)的套管对应的低、高刻度点标准工程值依次为5 mV、95 mV。

设Vm为测量的扇区的测量信号,P为标准工程值,K和B为刻度计算得到的乘、加因子,A为测井时计算的扇区声幅曲线;8个扇区处理方法相同,i=1,2,…,8,下同,计算公式如下:

利用上面的公式可以计算出8个扇区的声幅曲线,同时计算出8个扇区声幅曲线的平均声幅、最大声幅、最小声幅,为现场的直观快速解释提供了的很好的参考信息。

2.3 扇区灰度成像[6]

通过扇区声幅曲线,可以判断某个分区的水泥胶结质量。为了更直观的显示水泥环分布信息,我们把8条扇区声幅曲线用图像来表示,以套管径向周围位置为横坐标,以深度为纵坐标,水泥胶结的质量用颜色深浅来代表。图像中的每一点均由对应位置的扇区声幅幅度来选择对应的灰度图例。扇区水泥胶结测井中的灰度等级的解释方法和灰度图例见表1和图4。

表1 灰度等级的解释方法

图4 扇区灰度等级与图例

地面软件设计中,利用二次样条函数对8个扇区声幅数值进行径向插值后再绘制剖面展开图像,效果比较好,避免了直接利用径向仅有的8个数据等分绘制出现的台阶;同时对径向、纵向两个方向进行平滑滤波,避免了原始图像中由于测量信号中的噪声干扰带来的毛刺、麻点,实际测井图像显示效果如图5所示。

图5 扇区测井灰度图像

这种表示水泥胶结程度的灰度图像,能够直观地显示出套管周围的水泥胶结有无沟槽及胶结程度,并可以了解到沟槽的大小、形状和位置。

3 结 论

扇区水泥胶结测井仪是目前检测固井质量最有效的测井仪器之一,它可以从水泥环径向和纵向两个方向来评价水泥胶结质量。同时,测井资料丰富,评价固井质量准确、直观、效果好,可以准确判断出水泥的窜槽、水泥环的局部缺失等固井质量问题;扇区的源距短,测量结果不受快速地层的影响;适合于各种流体的井内测井,包括重泥浆和含气井液;仪器偏心对测量结果影响不大,安装扶正器后可用于水平井测井。

扇区水泥胶结测井仪没有方位测量信息,由于仪器自转而无法准确的判断出水泥环缺失、间隙的具体方位。如果能采用数字遥传技术,可以有效地消除电缆对测量信号的影响,不但可以提高了测量精度,也可以增强了仪器组合能力,这也正是扇区水泥胶结测井仪的发展趋势。

[1] 苏远大.地层声速对固井质量评价的影响及消除方法[J].石油钻探技术,2005,33(4)

[2] 陈羽中霄,张彦梅,刘红星.八扇区水泥胶结仪测井方法及应用[J].石油仪器,2009,23(5)

[3] 中国电子科技集团公司第二十二研究所.SKD-3000数控测井仪操作手册.2006(资料)

[4] 张 俊,夏宏南,张清华,等.几种固井质量评价测井方法分析[J].石油地质与工程,2008,22(5)

[5] 王爱民.扇区水泥胶结测井仪及在套管井中的应用[J].测井技术,2003,28(4)

[6] 洪有密.测井原理与综合解释[M].东营:中国石油大学出版社,1993

Segmented bond tool and its segmented signal processing method.

Jin Zhihong.

The segmented bond tool can not only provide all functions of the acoustic variable density logging tool(CBL/VDL),but also identify cement channels or voids.The segmented bond logging can supply a global scope assessment of the cement bonding around the borehole,therefore it satisfies cement evaluation well.The paper introduces the fundamental principle of the segmented cement bond logging,and analyses the segmented signal processing method.

cement bond logging tool;cement evaluation;acoustic variable density logging;cement sheath;surface software design;segmented signal processing

P631.8+3

B

1004-9134(2010)05-0015-03

金志宏,男,1979年生,工程师,2001年毕业于中国石油大学(华东)地球探测与信息技术专业,现在中国电子科技集团公司第二十二研究所从事数控测井软件开发。邮编:453003

2010-02-04编辑梁保江)

PI,2010,24(5):15～17

·开发设计·