超声固井质量评价方法改进及应用

侯振永,郝晓良,马焕英,李疾翎,赵捷,张洪洋

(中海油服油田技术事业部资料解释中心,河北燕郊065201)

0 引 言

井筒完整性对于油田的开发生产十分重要,影响井筒完整性的因素包括管柱完整性、水泥环质量和地层因素3个环节[1]。目前用于井筒完整性评价的技术包括机械式检测、电磁式检测及超声式检测[2]。机械式及电磁式检测技术最大的不足之处是只能对套管损伤进行检测,不能进行固井质量评价。

超声成像测井技术在近年已广泛应用在套管井工程测井中,超声成像是套管损伤和固井质量检测的关键技术之一,主要应对的问题是套管井井筒完整性评价[3]。一些油田服务公司早已推出基于超声脉冲的测井仪器。如斯伦贝谢公司推出的USI超声成像测井仪及哈里伯顿公司的CAST-V仪器[3-8]。2010年中海油服进行了多功能超声成像测井仪器的研制工作,多功能超声成像测井仪器(MUIL)采用超声脉冲回波检测技术,能够对套管损伤情况和固井质量情况进行评价。本文对MUIL固井质量评价方法的不足进行了分析,并提出多时域固井质量评价方法,同时建立了固井质量评价标准。

1 技术背景

超声成像测井是利用井壁或者套管内壁对超声波的反射特性来研究井身剖面[2-3]。

MUIL超声成像测井记录从井轴(声源)沿井壁横截面圆周方向上向井壁垂直入射、在井壁以及井壁外介质中各声学界面上的反射波。仪器有2种工作模式可供选择,成像模式可进行裸眼井或套管井内壁成像;全波模式可进行套损及水泥胶结质量评价。本文主要讨论MUIL仪器在套管井中的应用。

仪器主要由3部分组成,包括声系短节、发射及接收电路短节及方位短节。声系部分由一个能旋转的换能器构成,该换能器兼做发射探头和接收探头。声系分为不同频率的换能器,包括低频、中频、高频及聚焦4种类型,每种频率的探头分别有4种不同尺寸,可以满足不同套管尺寸的需要。旋转式超声换能器对井周进行螺旋式扫描,换能器以自发自收工作方式获得回波信号。回波信号包括反射波及共振波2部分信息,反射波的幅度和传播时间由套后水泥阻抗、钻井液特性和管柱内径决定,共振波的幅度则与套管外水泥胶结情况相关。将测量得到的声波数据上传至地面,经过数据预处理(包括深度校正、偏心校正、方位校正后),采用解释处理软件处理后,可用于套管损伤评价评价及套后声阻抗计算。套管损伤评价可以得到套管内壁成像、壁厚成像、套管内径及套管外径等信息,可以较好地评价套管的损伤情况。套后声阻抗计算可以得到第Ⅰ界面胶结成像,用于第Ⅰ界面水泥胶结质量评价。

2 技术分析

2.1 实验模拟

实验装置主要包括与测井仪器性能一致的换能器、仪表(示波器)、测量软件,与实际资料软件功能一致的实验资料处理软件及物质阻抗已知的固井质量模型、井段。

实验分为用7 in(1)非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同套管、9in套管固井,制作成固井质量模型,然后模拟测井,测量回波。另外用10.5、12 mm厚钢板代替7 in、9in套管固井,制作模型,测量回波,固井水泥密度1.1～2.1 g/cm3。并特别设计实施了固井第Ⅰ界面胶结良好、胶结差,固井第Ⅱ界面质量好、差的实验,其中对第Ⅰ界面固井差,设计实施了微环测量实验,以考察不同情况下的仪器响应特点。

2.2 资料分析

超声回波包括反射波和共振波2部分。

共振波是固井质量评价的关键,通过对比实验测量得到的共振波与理论计算的共振波,能够发现在纯共振波区域,实验测得的共振波与理论计算的共振波(红色)几乎一致。整个回波20 μs以后区域是单纯共振波,10～20 μs存在不稳定区域(见图1),出现反射波与共振波相互叠加现象。

图1 共振波实验与理论计算对比

MUIL仪器目前采用的阻抗计算方法是反射波后续15 μs共振波进行声阻抗计算,判断套管外物质状态(见图2)。通过以上实验分析,MUIL选择共振波区域时,可能存在不稳定区,反射波与共振波相互叠加,造成计算的声阻抗偏小,对固井质量评价存在影响。

图2 MUIL阻抗计算方式

2.3 多时域固井质量评价方法

共振波是衰减波,不同时域区间内,共振波幅度不一样。固井前后共振波幅度改变,不同时域的幅度变化同样不一致。因此,波形的不同时域的归一化比值也是变化的,即计算的阻抗值是不一样的。合适的取值区域是保证阻抗计算精度的因素之一。

由于共振波是衰减波,即使在单纯的共振区域,其波形幅度也随着时间不同发生变化,从不同的区域中取得共振波幅度,计算的阻抗结果并不相等,只是接近;为了充分利用共振波较长时间段的波形幅度改变,将共振波取值加宽,把共振区域分为不同的区域,分别用这些区域的幅度计算各自的阻抗,计算该波形的平均阻抗,尽可能消除干扰信号的影响。采用不同时域内阻抗平均值进行固井质量评价,阻抗测量值有了明显提高(见图3、图4)。在多时域法求得声阻抗基础上计算水泥胶结指数及胶结率,并给出相应评价标准(见表1)。

(1)

式中,IB为水泥胶结指数;Zn,m为测量位置在n深度m角度阻抗值;Zw为水(流体)的阻抗值;Zs为固井水泥的阻抗,与水泥密度有关。

图3 多时域分区法示意图

图4 不同时域计算声阻抗

(2)

式中,NS为某一深度一周的固体数目;N为某一深度一周总的取样数目。

表1 固井质量评价标准

2.4 方法验证

刻度井使用外径规格为9.625 in的套管,采用的固井水泥密度为1.9 g/cm3,自上而下各层分别模拟第Ⅰ界面胶结良好,第Ⅱ界面存在2种不同厚度的水泥缺失;第Ⅱ界面胶结良好,第Ⅰ界面存在2种不同厚度的水泥缺失;以及完全胶结等5种不同胶结状态的情况。水泥及水声材料相关信息为水泥(平均值):声波纵波速度3.856 km/s,密度2.20 g/cm3,声阻抗8.50 MRayl(2)非法定计量单位,1 MRayl=106 Pa·s/m3,下同。水声材料:声波纵波速度1.746 km/s,密度0.956 g/cm3,声阻抗1.669 MRayl。

分别采用原方法及新方法进行固井评价,并对2种方法进行对比。通过图5可以看出,新方法计算声阻抗精度更高,与水泥实际声阻抗更加接近。胶结指数及胶结率曲线对固井质量有很好的指示作用,与实际固井质量情况对应性良好,反映新固井质量评价方法有较好的适用性。

图5 方法对比

3 应用实例

S井为中东油田一口生产井,目的层段采用7 in套管完井,固井水泥密度为2.0 g/cm3,理论声阻抗为7.2 MRayl。测井目的主要是对该井的固井质量情况进行评价。对采集得到的测井资料采用2种不同的方法进行了解释处理。通过解释结果对比发现,在胶结情况较差情况下,原方法与新方法结论基本一致;在胶结情况良好情况下,在2 370.0 m以下井段原方法显示固井质量中等,新方法显示固井质量为好,新方法与CBL/VDL对应良好,反映新方法进行固井质量评价与水泥实际阻抗更加接近,声阻抗、胶结指数及胶结率曲线同样与CBL及VDL对应性良好(见图6),能较好地反映水泥胶结情况。

图6 S井固井质量评价处理结果

4 结 论

(1)提出的多时域固井质量评价方法弥补了原有固井质量方法的不足,该方法计算结果更接近水泥真实声阻抗,能更加准确地反映水泥胶结情况。

(2)提出了切实可行的固井质量评价规范,与CBL和VDL对应性较好。

(3)固井质量评价方法的完善为该仪器的现场应用提供了理论基础与保障。