基于声幅测井的环空间隙流体类型判断方法与实践

(中海油研究总院有限责任公司，北京 100020)(长江大学石油工程学院，非常规油气湖北协同创新中心(长江大学)，湖北 武汉 430100)非常规油气湖北协同创新中心(长江大学)，湖北 武汉 430100荆州嘉华科技有限公司，湖北 荆州 434023(荆州嘉华科技有限公司，湖北 荆州 434023)(中石油冀东油田分公司南堡油田作业区，河北 唐山 063004)

声波测井是评价水泥胶结的主要手段，最常用最典型的测井方式是CBL/VDL测井。CBL测井是利用声波在套管中的首波传播幅度来定量判别水泥与套管胶结(第一界面)情况，VDL测井主要是测得声波在套管、水泥、地层中传播的波形，定性识别水泥与套管胶结、水泥与地层胶结(第二界面)情况。CET测井和USI测井主要是利用声波定向垂直入射到套管，通过声波透射到水泥、地层然后反射回井中被声波探头接收，根据反射波的幅度大小判别第一界面和第二界面水泥胶结情况[1～3]。上述测试方法并不能准确判断界面产生间隙所在位置，同时也不能分辨界面间隙所含介质(油、气、水)的具体情况。为此，笔者利用声波的垂直入射和斜入射原理，设计和制作了一种评价水泥胶结的仪器。该仪器设计了垂直入射和斜入射探头，其探头能够360°旋转，可以判别不同方向、不同位置上的水泥胶结情况。室内通过制作水泥胶结模型，设计不同胶结情况，对仪器进行了测试。通过大量的试验测试建立了油、气、水介质的声幅曲线图版。

1 设备及模型的建立

1.1 试验设备

1)室内采用CTS-8077PR 型脉冲发生接收仪、数字示波器和高速瞬态信号采集仪组成的模拟测井装置，然后通过网线连接到电脑，利用高速瞬态信号采集仪专用软件对接收信号进行采集。该仪器符合欧标 (EN12668:2000 ) 探头测试系统要求，具有极低噪声和宽频带的接收放大器，并由高性能方波脉冲发生器和高压电路组成的先进发射电路[4]。

2)声波测井装置。该装置长度为1200mm，安装了旋转刻度盘，可以在套管中任意角度旋转。装置的其中一侧共设计了5个垂直套管的声波探头(1～5号)，每个探头间距为170mm，1号探头距顶部和5号距底部均为260mm，可以进行任意的发射和接收组合。另一侧设计了3个斜入射探头(6～8号)构成1个发射2个接收，即6号发射，7号和8号接收。6号探头距顶部和8号探头距底部均为295mm，6号和7号探头间距为470mm，7号和8号探头间距为140mm，接收到的声波信号分别代表了不同方向、不同层位的地层胶结情况。

图1 模型井扇区示意图

图2 室内设备声幅测井示意图

1.2 地层胶结模型制作

1)模型井分为6个扇区,如图1所示。0～60°模拟自由套管(即图中标识为“环空”)，60～120°模拟第一界面水泥胶结不好，水泥和套管之间有1mm的间隙，120～180°模拟第一界面水泥胶结不好，水泥和套管之间有3mm的间隙，180～240°模拟第二界面水泥胶结不好，水泥和地层之间有1mm的间隙，240～300°模拟第二界面水泥胶结不好，水泥和地层之间有3mm的间隙，300～360°模拟水泥完全胶结好(即图中标识为“水泥环”)。模拟地层的直径为300mm，内径为215.9mm，高度为1200mm；套管内径为121.44mm，外径为139.7mm。

2)模拟声幅测井，注水泥养护至12、24、48、96、120h后，将声波探头垂直放置在套管内，测试在3种不同的介质(油、气、水)中声幅曲线。具体操作如下：首先将套管和环空内全部充满水，测试介质为水的声幅曲线；然后将地层间隙和自由套管中的水去除，测试空气介质的声幅曲线；最后在环空中加入煤油，测试介质为油的声幅曲线[5]。

1.3 声幅测井的基本原理

图2是套管井声幅测井示意图。探头垂直放置，根据几何声学分析声波在套管井中传播，可估算出声波传播途径及套管波、直达波到达时间。通过计算套管波的到达时间，可确定这一时间段内声幅幅度的大小，从而得到套管与水泥环胶结质量检测结果。

2 声幅曲线

2.1 不同环空间隙声幅曲线

试验发现相邻2个直探头组合相对效果最好，第一、二界面水泥胶结更为清楚。相邻声波探头之间距离是0.34m，套管波到时大约在106μs，直达波到时在234μs左右。图3中从上至下，分别为自由套管、第一界面间隙、第二界面间隙和完全胶结的声幅曲线图。图3中有2个声波到时窗，左边窗内为获取反映第一界面水泥胶结的声波信号，声波到时区间为106～170μs，右边窗内为获取反映第二界面水泥胶结的声波信号，声波到时区间为170～234μs。可以看出第一界面间隙和第二界面间隙的声波振幅比完全胶结的大，比自由套管的小[6]。

图3 相邻探头测试不同环空间隙与固井胶结质量声幅曲线对比

2.2 不同胶结情况下不同介质声幅曲线

在界面胶结处分别充填水、油、气3种介质，测试其声波波形。根据声波波形分析，分别提取与第一、二界面水泥胶结有关的声幅幅度，找出声幅幅度与水、油、气之间关系。试验结果如图4所示。在自由套管、第一界面间隙以及第二界面间隙不同介质中，空气介质中的声幅幅度最大，油介质中次之，水介质中最小。

3 水泥石胶结及油气水介质的识别

在测井中，相对幅度是待判井段声幅幅度与自由套管声幅幅度的比值。当相对幅度小于20%时，说明井段水泥胶结良好；相对幅度大于40%时，说明井段水泥胶结不好；相对幅度在20%～40%时，说明井段水泥胶结中等。

利用胶结指数法判别水泥胶结情况，公式如下：

式中：B为水泥胶结指数，其范围为0～1；Cmax为自由套管声幅幅度，mV；Cmin为水泥完全胶结好声幅幅度，mV；C为待判井段声幅幅度，mV。

当胶结指数为0.8～1时，表示固井胶结质量好；当胶结指数为0.7～0.8时，表示胶结质量一般；而胶结指值小于0.7时，表示胶结质量差[7]。

试验结果表明，判断水泥胶结情况时，相对幅度和胶结指数相反，相对幅度越小，胶结指数越大，水泥完全胶结好；反之，相对幅度越大，胶结指数越小，水泥胶结不好。

图4 不同胶结情况下在水、油、气中的声波波形

通过测试模型井声波波形，分别提取与第一、二界面水泥胶结有关的声幅幅度以及相对幅度、胶结指数。表1为水、油、气识别的波形参考值。由表1可以看出，水、油、气的各参数是有差异的。通过拟合发现，声幅幅度与界面间隙有较好的相关性(见表2)。

表1 流体性质识别的参考值

表2 间隙与声幅幅度拟合公式

注：L为界面间隙，cm；A为声波测井幅度，mV；R为相关系数。

4 结论

1)通过制作不同胶结情况水泥环胶结模型，测量声波波形中能清楚地观测到套管波、水泥环波以及直达波，纵向上能反映模型井从底部到顶部的水泥胶结，能够准确判断第一、二界面胶结质量。

2)利用声波相对幅度和胶结指数定量判断第一界面和第二界面水泥胶结质量。通过在界面胶结处分别充填水、油、气3种介质，得出间隙中所含流体性质识别的参考值。

3)建立了声波测井幅度与水泥胶结间隙的关系，结果表明它们之间有较好的相关性。