水平井扇区水泥胶结测井偏心校正技术

曾桂红

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司, 黑龙江 大庆 163453)

0 引 言

水平井分段大规模压裂方案设计过程中,除考虑砂体钻遇、储层物性、地应力分布等情况外,还需要关注待压裂井段的固井质量评价资料。国内外均采用适用于垂直井的水泥胶结测井技术[1]与水平井井下输送工艺组合对水平井段的固井质量作出评价。针对垂直井中使用的测井仪器刻度方法在水平井中不适应问题,研究了基于井孔声场数值模拟的扇区水泥胶结测井仪器等价刻度方法,解决了测井仪器在垂直段刻度、在水平段测量2种环境不匹配问题[2]。与垂直井段测井仪器居中相比,水平井段测井仪器向下偏心,造成了井孔声场的非对称[3],记录到的声场信息与固井质量之间的关系也发生变化,基于垂直井、仪器居中、对称声场模型的资料解释模型,不能适用于水平井、仪器偏心、非对称声场固井质量测井资料解释,问题的关键在于需要水平井段测井仪器的偏心校正技术。

1 测井仪器偏心对井孔声场的影响

1.1 测井仪器水平放置存在向下偏心现象

扇区水泥胶结测井仪器(SBT)长约6 m,外径86 mm,重量约95 kg。在垂直井和小角度斜井中,扇区水泥胶结测井仪器上的扶正器能够保证测井仪器的居中状态,但在水平井段和大斜度井段,仪器的声系部分刻槽隔声,强度变弱,在重力作用下会存在向下偏心现象。从地面观察,不管使用滚轮式扶正器还是钢片式扶正器,仪器声系部分明显向下弯曲。如果在水平井段仪器贴靠套管测井,取得的资料质量将会受到严重影响。

测井仪器在井下水平段的情况应与地面平放观察的情况相似,在垣平1-×井进行扇区水泥胶结测井(RIB)试验,RIB测井采用1发8收的扇区分区方式,记录8组沿仪器周围不同方位传播的回波。8组首波回波到时在垂直井段8扇区到时曲线紧密靠拢,到时基本一致,说明测井仪器处于居中状态;在水平井段8扇区到时曲线相对分散,到时存在明显差异,说明测井仪器处于偏心状态。这一试验证实了井下水平井段确实存在仪器偏心现象。

1.2 测井仪器偏心对井孔声场及资料解释的影响

图1 测井仪器平行偏心时3 ft接收距全波列

研究考虑平行偏心的影响。按照水平井井孔实际参数,建立柱状多层井孔声场理论模型,采用应力速度有限差分方法[4],计算自由套管状态、不同偏心距下的3 ft*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同接收距全波列(见图1),可以看出,仪器偏心对井孔声场的影响较大,随偏心距增大,套管波到时提前、套管波幅度降低。套管波幅度随偏心距的变化与文献[5]中得到的规律相同。本文计算采用的是柱状声源,文献[5]中采用的是点状声源,使得套管波幅度随偏心距变化的在数值上有所差异。

测井现场操作确定测量时窗时,注意套管波到时提前问题;偏心造成套管波幅度降低。资料解释方法是利用套管波幅度或通过其计算的水泥胶结指数(BI)评价固井质量的好中差。按照固井第Ⅰ界面解释标准,0.0≤BI<0.4解释为胶结差,0.4≤BI<0.8解释为胶结中等,0.8≤BI<1.0解释为胶结好,偏心造成套管波幅度低导致固井质量评价结果偏好、过于乐观。

2 解决仪器向下偏心思路与实现

2.1 测井仪器硬件扶正

声波测井仪器有钢片式扶正器,可从2个方面改善扶正效果:①选用支撑强度较大的轮式扶正器;②合理安排在输送装置与仪器形成的测井串中的位置,原则是扶正器位置靠近声系,使得测井声系部分尽量居中。在采用牵引器输送方式时,把高支撑强度、低运动阻力的轮式扶正器安装在扇区水泥胶结测井仪器的上部和下部,把扶正器的强度和弹性调节到满足仪器在井下相对居中、产生的额外阻力小于牵引器的输送力的要求,保证仪器顺利起下。保证仪器完全居中还需要进一步的软件校正。

2.2 扇区水泥胶结测井软件校正方法

扇区水泥胶结测井有2、3、5 ft 共3组换能器,分析测井声系传感器空间排布特点,发射器与8扇区接收器连线基本重合于发射器与3 ft接收器线连线,8发8收传感器组源距较小(2 ft),且不同方位传感器接收的波到时与幅度对仪器偏心最为敏感。可利用这些确定偏心程度,对水泥胶结质量解释的关键参数3 ft接收的套管波幅度进行偏心校正。

2.2.1 利用八扇区到时、幅度反演仪器偏心程度

利用有限差分模拟软件对非对称声场进行了大量的模拟计算,对仪器偏心时扇区水泥胶结测井八扇区套管波的到时和幅度分析发现,仪器偏心,扇区套管波到时具有很好的规律性。图2(a)为仪器偏心模型,角度θ为换能器与偏心方向的夹角,dr为仪器偏心距,数字1～8为8对扇区换能器编号。数值模拟自由套管、不同偏心距下扇区水泥胶结测井各方位换能器接收的全波列,提取首波到时及幅度。图2(b)给出了首波到时随换能器方位变化情况,极坐标径向为到时(ms),周向为换能器方位(°),偏心距分别为2、6、10、14、18 mm。

图2 不同偏心距下扇区水泥胶结测井首波到时随换能器方位的变化规律

图2中,仪器居中时提取的各方位首波到时相同(黑线园),仪器偏心后,到时随方位的变化正好给出一个偏心的圆,其偏心程度正比于仪器的偏心距。这与经验认识相符合,因为夹角越大,换能器更靠近套管的中心、越远离套管壁,套管波在井中流体中走时越长,套管波到时的变化呈现出夹角越大到时越晚(极限为180°),对不同的偏心距离,套管波到时的变化都呈现相似的规律,偏心距离越大,这一规律越明显。水泥环胶结状况(这是未知的、待反演的信息)对不同方位的换能器接收的套管波到时影响很小,可以忽略,套管波到时作为偏心程度反演研究首选对象。

分别采用8扇区套管波到时、幅度2个测井信息进行仪器偏心距(dr)反演,对合成数据的偏心系数反演结果见表1,利用到时信息反演误差均为0,利用幅度信息反演偏心距离误差最大为2 mm。

表1 合成数据仪器偏心距离反演结果

2.2.2 套管波幅度与仪器偏心程度的量化关系及偏心校正

针对自由套管模型,利用有限差分方法模拟计算不同偏心距下扇区水泥胶结测井仪器3 ft接收器接收的全波列,读取套管波首波幅度,见图3中黑线。可以看出,居中状态(偏心距为0 mm)套管波幅度最大,随偏心距的增大,套管波幅度值单调降低。为探究本文柱源模型数值模拟结果与文献[5]中用点源模拟结果规律相同、但数值上存在差异问题,对3 ft套管波幅度随偏心距离变化进行了实验研究(见图3)。图3中红、绿、蓝线分别为3个模型井实验结果,偏心实验结果和数值模拟结果相互印证,充分说明了模拟结果及实验结果的正确性。

图3 3 ft接收器偏心实验结果和数值模拟结果对比

上述数值模拟分析及偏心实验均得到了3 ft声幅随偏心系数的变化规律,对图3中所有数据进行拟合得扇区水泥胶结测井仪器偏心校正系数函数为

f(dr)=p1dr3+p2dr2+p3dr+p4

(1)

式中,dr为仪器偏心距,mm;p1=1.296e-5,p2=-2.768e-4,p3=-3.239e-2,p4=0.9992。

仪器偏心校正利用扇区水泥胶结测井8扇区测井套管波幅度或到时信息,反演测井深度点仪器偏心系数dr,带入偏心校正系数函数f(dr),实测3 ft声幅除以校正系数值就为仪器居中状态下3 ft声幅值,利用归位之后的3 ft声幅值计算水泥胶结指数BI,按照现行的水泥胶结质量评价标准解释。

3 ft声幅随偏心距dr单调且近似线性变化,不会存在较大误差,声幅校正的精度取决于偏心距的反演精度。根据前述偏心距反演数值模拟考察情况可知,硬件扶正将偏心距控制在18 mm以内时,偏心距最大反演误差2 mm,对应3 ft声幅校正误差为6.3%,这在工程上可以接受。

3 偏心校正技术应用情况

将基于扇区水泥胶结测井仪器的偏心校正方法编制成软件,作为一个预处理模块嵌在固井质量评价测井解释软件中。从2007年底开始,在南272-平××等81口水平井固井质量测井资料解释中应用,解决了水平井声波固井质量测井中仪器偏心问题,固井质量解释结果更加合理。

南272-平××井,2009年3月进行扇区水泥胶结测井。水平井段选择不同胶结状况的3段,分析说明仪器偏心距反演及套管波首波幅度校正情况(见图4)。在水平井段检测到的偏心距均小于8 mm,这说明对仪器串采取的硬扶正措施是有效的。在胶结好、胶结中等、胶结差井段对套管波幅度进行偏心校正,校正量明显(图4中蓝线CBL为校正前、红线CBLcor为校正后),校正前后计算的水泥胶结指数BI有着明显的差别(图4中蓝线BI为校正前、红线BIcor为校正后)。同样按照固井第Ⅰ界面解释标准,部分井段将得出完全不同的结论。同等胶结状态下,仪器偏心造成套管波幅度偏低,导致固井质量评价结果偏好,这是仪器偏心造成的假象。经偏心校正后,套管波幅度较校正前高,表面上看,偏心校正技术评价固井质量偏严,但这确是对实际井下情况的真实反映。

水平井扇区水泥胶结测井偏心校正技术已广泛应用于生产实际。对2009、2010年水平井固井质量现场试验(50口)的测井评价结果进行统计,测井井段总计62 703 m,其中固井质量评价好井段占46.8%,中等41.3%,差11.9%。这一结果得到了大庆油田相关部门的认同。

图4 南272-平××井水平段仪器偏心距及校正前后声幅值、水泥胶结指数对比

4 结 论

(1) 在水平井段,扇区水泥胶结测井仪器存在明显向下偏心现象,对固井质量评价结果的准确性影响较大。

(2) 扇区水泥胶结测井8扇区源距小,不同方位传感器接收的波到时与幅度对仪器偏心敏感,可用于仪器偏心距反演。

(3) 扇区水泥胶结测井仪器3 ft接收器套管波首波幅度随偏心距的增大而降低,通过对套管波幅度与仪器偏心程度数据拟合,可得扇区水泥胶结测井仪器偏心校正系数。

(4) 应用扇区水泥胶结测井偏心校正技术,对南272-平××等81口水平井测井曲线处理解释,水平井段固井质量评价结果更接近井下实际情况。

参考文献:

[1] 乔贺堂. 生产测井原理及资料解释 [M]. 北京: 石油工业出版社, 1992: 190-204.

[2] 董兰芳. 扇区水泥胶结测井仪在水平井中刻度方法及应用效果分析 [J]. 测井技术, 2015, 39(3): 335-338.

[3] Song RuoLong, Liu JiSheng, Lv XiuMei, et al. Effects of Tool Eccentralization on Cement-bond-log Measurements: Numerical and Experimental Results [J]. Geophysics, 2013, 78(4): 181-191.

[4] 刘继生. 套管井轴对称与非轴对称声场数值模拟及固井质量综合评价方法研究 [D]. 长春: 吉林大学, 2000: 16-51.

[5] Smolen. Cased Hole and Production Log Evaluation [M]. Tulsa, Oklahoma: Pennwell Publishing Co., 1996: 161-163.