固井质量检测影响因素分析

姚江源,李 玮,唐 军

(长江大学地球物理与石油资源学院,湖北荆州 434023)

固井质量检测影响因素分析

姚江源,李 玮,唐 军

(长江大学地球物理与石油资源学院,湖北荆州 434023)

固井质量评价的准确与否对油田的开发与生产具有重要意义。影响固井质量评价的因素很多,导致固井质量评价结果存在多解性。对新疆测井公司的四口刻度井的实验数据进行对比分析,总结了串槽角度、水泥密度以及地层岩性等不同情况下接收声波波列的幅度、频率的变化趋势,得到了相关校正方法。

固井质量;串槽角度;水泥密度;地层岩性

目前国内各大油田主要采用CBL/VDL(水泥胶结/声波变密度测井)来检测固井质量,即用套管波的相对幅度来评价Ⅰ界面,即套管与水泥胶结界面的固井质量;用地层波的相对幅度来评价Ⅱ界面,即地层与水泥胶结界面的固井质量。但套管波幅度不仅受Ⅰ界面固井质量的影响,还受水泥密度、仪器偏心、源距大小等因素的影响;地层波幅度只能在Ⅰ界面胶结较好时进行探测接受,并除了易受Ⅱ界面固井质量影响外,还受地层岩性的较大影响。这些都使得固井质量的定量准确评价存在不定性。关于固井质量评价的理论研究,许多学者都开展了有益的工作。郑志友等在固井水泥胶结声波测井声学机理探讨中提出:水泥环声阻抗是影响固井质量的本质因素;章成广等[1]在低密度固井质量声波测井评价方法研究中提出:低密度水泥曲线变化幅度小,评价标准要相应降低;江万哲等[2]在固井Ⅱ界面定量评价新方法研究中对地层波的到达时间,地层波信号的提取与能量计算进行了研究。这些研究对提高声波测井固井质量评价水平是有意义的,但是对于现场固井质量评价的符合率仍有待提高。例如当串槽流体为水或油时,套管波幅度与串槽角度并不是线性关系,在串槽角度等于180°时,套管波仍然幅度很小,因此容易误判为Ⅰ界面胶结好,而在实际解释中很少考虑到串槽流体这一因素。本文通过对四口刻度井的实验数据分析,得到套管波幅度与串槽角度的关系,不同串槽角度下水泥密度对套管波的影响以及地层岩性对地层波频率的影响。

1 刻度井基本信息

一号刻度井的基本情况为:套管直径Ф139.7 mm,套管壁厚7.72 mm,水泥浆密度1.89 g/cm3,水泥环厚度38 mm,Ⅰ、Ⅱ界面均完全胶结,顶层2 m为自由套管,从上往下地层岩性依次为泥岩、砂油、砂水、灰岩、花岗岩,其结构见图1;二号刻度井的基本情况为:套管直径Ф177.8 mm,套管壁厚9.19 mm,水泥环厚度32 mm,其他结构与一号井一样;三号刻度井的基本情况为:套管直径Ф139.7 mm,套管壁厚7.72 mm,水泥浆密度1.89 g/cm3,,水泥环厚度38 mm,胶结状况:Ⅰ界面360°、180°、90°、45°、22.5°五种未胶结状况;底层2 m 100%完全胶结及套管偏心情况。Ⅱ界面100%胶结,其基本情况见图2;四号刻度井除了水泥密度为1.20 g/cm3外,其他情况与三号井一致。

2 固井质量评价影响因素

2.1 串槽角度

正确地识别水泥串槽是固井质量评价的重要内容,对实际的生产具有重要意义。由声波在两种介质的分界面上各参数的定义,可得到固井质量评价参数[6]:

式中,Z2为串槽流体的波阻抗值;Z1为套管的波阻抗值。

由以上两个式子可知,与套管外侧接触的介质的波阻抗Z2越大,β越小,α越大,声波能量将会更多地透射进入套管外侧介质中。由于水泥环的波阻抗远远大于地层孔隙流体(油、气、水)的波阻抗,因此当存在水泥串槽时的套管波声波幅值会明显大于完全胶结好时的套管波声波幅值。对三号刻度井和四号刻度井套管波幅度与串槽角度的关系进行研究分析,结果见图3。

从图3可以得出,在串槽流体为水时,无论是高密度水泥固井还是低密度水泥固井,当串槽角度小于180°时,套管波幅度随串槽角度变化不明显;当串槽角度大于180°时,套管波幅度随串槽角度的变化趋势才开始显现。归一化套管波幅度与串槽角度的关系可近似的用二次函数表示,具体的函数关系见表1。

表1 套管波幅度与串槽角度的关系

在识别水泥串槽时应考虑串槽流体的性质:当串槽流体为油或水时,串槽流体的波阻抗不能近似为0,因此套管波的能量仍然有一部分透射到串槽流体中,这时用相对幅度法来判断Ⅰ界面固井质量是不合适的。图3中当串槽角度为180°时,归一化套管波幅度仅为16%;当串槽流体为天然气时,由于天然气的波阻抗与空气相当近似为0,因此在这种情况下可以用相对幅度法来判断Ⅰ界面的固井质量。

2.2 水泥密度

不同密度的水泥对应不同的波阻抗值,一般情况下,高密度水泥的波阻抗值大于低密度水泥的波阻抗值,因此高密度水泥与套管的声耦合性要好于低密度水泥。则在胶结程度相同的情况下,用高密度水泥胶结的套管波幅值比用低密度水泥胶结的套管波幅值低。章成广等[1]在对低密度水泥固井声波测井评价的研究中认为:在源距3 ft,水泥密度为1.3 g/cm3时套管波幅度降到自由套管的67%,对于低密度水泥固井可认为Ⅰ界面水泥胶结是好的,而高密度水泥套管波幅度要降到20%以下才认为Ⅰ界面水泥胶结时好的,并且给出了不同水泥密度的套管波声幅校正公式。但这只考虑了完全胶结的情况,若存在水泥串槽时,套管外介质的波阻抗值可认为是串槽流体和水泥的波阻抗值的加权平均,串槽角度越大,水泥所占的比重就越小,由水泥密度不同造成的套管波幅度差异就越小。根据对三号刻度井和四号刻度井的对比(见图4)分析可发现:

1)在任何串槽角度的情况下,低密度水泥胶结的套管波幅值都大于高密度水泥胶结的套管波幅值。

2)在串槽角度较小的情况下,套管波幅值A的差异主要由水泥密度不同导致,因此A(1.2)/A(1.89)较大;随着串槽角度的增大,水泥密度对套管波的影响逐渐减小,A(1.2)/A(1.89)趋于1。因此在低串槽角度(<90°)的情况下必须考虑水泥密度对套管波的影响。

2.3 地层岩性

地层岩性对固井质量的评价的影响主要体现在快速地层对首波幅度的影响和不同地层岩性对地层波的频率和幅度的影响。

2.3.1 快速地层对首波幅度的影响

把传播时间小于57.9μs/ft的地层看作是快速地层[4],声波传播的速度大于或基本等于套管的声传播速度,因此地层波可能先于套管波到达接收器。仪器记录的套管波信息实际上是地层波和套管波叠加之后的综合信息,因此首波幅值较大。此时若仍然用相对幅度法来判断胶结质量则会得到错误的解释。由于能够很容易地从自由套管的全波列波形中得到套管波的频率,因此可以采用滤波的方法提取套管波信息,再用常规的测井解释方法得到正确的解释。鉴于快速地层的特殊性,在对其进行固井质量评价时要综合考虑套管波幅度、套管波到达时间和波列的频率[3]。

2.3.2 不同地层岩性对地层波频率的影响

地层波的识别和提取是固井质量评价中的一个难题,地层波信息的准确提取对Ⅱ界面的评价具有重要意义。一般提取地层波信息的方法是采用频谱方法进行带通滤波。通过对一号刻度井和三号刻度井进行频率分析,得到不同地层岩性的主频,见图5。从图5中可看出:泥岩、砂油岩、花岗岩、灰岩的声波传播速度依次增加,其对应的地层波频率也相应地增加,可以认为地层波的频率与地层的声波传播速度存在某种正相关关系。套管直径增大会使井内泥浆对声波的吸收作用增强,尤其是对低频成分的吸收,因此套管直径增大会使地层波中的高频部分相对突出。在低速地层中,套管直径增大会使地层波频率明显提高。在泥岩层段,一号刻度井和二号刻度井的地层频率差异最大,砂油岩、花岗岩、灰岩的地层波频率依次增加,对应的地层波频率的差异逐渐减小。

3 结 论

1)影响固井质量评价的因素很多,其中低密度水泥固井,存在水泥串槽以及快速地层均可能使套管波的幅度增加。在进行固井质量评价时,要充分考虑这些因素,以免做出错误的评价。

2)在识别串槽时要考虑串槽流体,当串槽流体是天然气时,可以用常规的相对幅度法来评价固井质量;当串槽流体是油或水时,不能用相对幅度法来评价固井质量。

3)地层波的频率与地层的声波传播速度有某种正相关的关系,源距或套管直径的增加会突出地层波的高频成分。

[1] 章成广,李维彦.低密度固井质量声波测井评价方法研究[J].石油天然气学报,2005,27(4):450-454.

[2] 江万哲,田鑫,章成广.固井二界面定量新方法研究[J].内蒙古石油化工,2006(4):87-89.

[3] 李维彦,章成广,江万哲,等.影响固井质量评价效果的因素分析[J].工程地球物理学报,2006,3(2):103-107.

[4] 高义兵,刘其斌,刘子平,等.固井质量的测井评价及影响因素分析[J].国外测井技术,2008,23(3):40-42.

[5] 张树宇.固井质量检测中影响CBL/VDL测井精度原因分析[J].质量管理与质量监督,2009(10):78-80.

[6] 郑友志.固井水泥胶结声波测井声学机理探讨[J].天然气工业,2009,29(8):50-53.

Analysis of Factors in Cementing Quality Evaluation

YAO Jiang-yuan,LI Wei,TANG Jun
(School of Geophysics and Oil Resources,Yangtze University,Jingzhou 434023,Hubei,China)

The accuracy of cementing quality evaluation is of significant importance to oil field development and production.The result of cementing quality evaluation is affected by various factors,leading to the existence ofmultiple solutions to the resultof cementing quality evaluation.In this paper,we analyzed the experimental data of fourwells in Xinjiang Logging Company,carefully summed up the trend of the amplitude value and the frequency of acoustic signalwith the changing of the channeling angle,cement density and formation lithology,and concluded some relevant compensation technique correctormethod.

cementing quality;channeling angle;cement density;formation lithology

TE256

B

1008-9446(2010)04-0015-04

2010-11-16

姚江源(1989-),男,湖北荆州市人,长江大学地球物理与石油资源学院在读本科生,主要从事岩石物理,声波测井的研究。