超声脉冲回波测井信号影响因素数值模拟

吕秀梅,李瑞丰,冯逾

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司,黑龙江大庆163153)

0 引 言

基于声幅检测的固井质量评价测井可以满足常规固井质量评价需求,但由于周向分辨率最高为45°,测井显示胶结良好的井段也可能出现窜槽现象;另外在测井过程中由于仪器偏心可能导致接收声幅降低而造成固井质量评价结果偏乐观,造成固井质量评价的误判,在压裂层段等对固井质量要求较高情况下评价结果还需要进一步精细。套管损伤检测技术虽然可满足生产需要[1],但是在套损治理中发现套管损坏常常与固井质量问题同时存在,而固井质量评价与套管损伤相互独立,检查实效性较差、成本高。井壁超声脉冲回波测井技术利用超声波的传播特性和井壁对超声波的反射特性检测井身状况[2]。井壁超声脉冲回波测井在套管模式下利用超声波的透射和谐振特性,对接收的超声信号经过处理后,给出套管内径、壁厚、I界面的胶结情况等,实现套管状况和水泥状况的同时检测[3-4]。

本文借鉴姚贵锦等[5]研究的反射系数法套管-地层介质波阻抗反演方法,建立模型进行数值模拟,考察分析了声源主频,水泥特性,固井I、Ⅱ界面存在流体环等状况对信号的影响,取得了一些新的认识,对资料分析和应用提供了可借鉴的基础。

1 数值模拟模型和声源参数

本文采用传递矩阵法数值模拟脉冲回波测井波形。套管井是典型的层状介质,由于超声检测的频率高、波长短,通常把套管超声固井质量检测问题简化为平面多层介质超声波的反射问题。考虑一般情形,假定多层介质为钻井液、套管、流体、水泥、流体及地层6层介质组成(见图1),对于第Ⅰ和Ⅱ界面完全胶结情况,只要将相应的流体层厚度取值为零即可。各层介质密度、纵波速度和厚度分别为ρi、vi和hi(i=1,2,…,6)。水泥参数不变,考察流体环和地层参数影响时,为模拟井下套管井实际情况,6层平面分层介质声学和几何参数见表1。声源主频为395 MHz,在考察其他参数变化时,套管壁厚设为7.72 mm。图2给出了在图1模型下模拟得到的超声回波测井时域波形及其频谱,由时域波形、频谱以及由时域波列反演得到的声阻抗和套管壁厚,证明模型及参数设置正确。

图1 超声波入射平面多层介质模型

介质特性钻井液套管流体水泥流体地层密度/(g·cm-3)1.07.81.01.841.02.45速度/(m·s-1)150057001500330015003500厚度/mm295～110～1021～310～101000

图2 超声回波测量时域波形及其频谱

图3 不同套管壁厚数值模拟信号频谱

不同套管壁厚共振透射频率凹陷位置不同,由图3给的由数值模拟结果所做频谱可以看出,不同厚度套管共振透射频率差别较大:壁厚为10.5、9.2、7.7 mm和5.5 mm套管的共振透射频率分别在280、300、380 MHz和510 MHz附近。由数值模拟结果看,套管壁厚变化较大时,共振透射频率的差别较大,由于目前使用的井壁超声成像测井换能器的频带宽度较宽,一个换能器可以覆盖几种套管壁厚情况,但是对于特殊的薄壁管或者厚壁管,施工中要选择不同的换能器进行测井,以得到满意的测井资料。

2 井壁超声信号影响因素分析

2.1 固井Ⅰ界面流体环对测井结果的影响

井壁超声回波测井利用声阻抗进行固井质量评价,当套管与地层间的水泥环胶结状况不同时,接收回波和计算的声阻抗就会有所不同。利用图1模型,通过改变第3层介质水层厚度模拟固井Ⅰ界面(套管-水泥界面)存在流体环情况。数值模拟考察发现,当套管与水泥之间没有完全胶结而存在流体环时,最大回波幅度会下降(见图4)。流体环厚度为0代表完全胶结,此时最大幅度为0.81 mV,套管与水泥之间存在流体环,幅度就会下降,并且最大幅度不会随着流体环厚度的增加而变化。Ⅰ界面存在流体环时,声阻抗也会下降(见图5)。无流体环时,密度为1.84 g/cm3,声速3 300 m/s的水泥声阻抗为6.85 MRayl(1)非法定计量单位,1 Rayl=0.1 Pa·s/m3,下同,存在流体环时,声阻抗下降到2 MRayl左右(由于阻抗反演精度原因,阻抗值有波动)。由数值模拟数据得到的阻抗结果可以看出,只要Ⅰ界面存在流体环,测井得到的阻抗值就反映的是流体。

图4 最大回波幅度随Ⅰ界面流体环变化

图5 声阻抗随Ⅰ界面流体环厚度变化

为考察Ⅰ界面存在流体环时对套管壁厚测井解释结果的影响,进行了不同流体环条件下的共振透射谱分析。数值模拟及反演结果发现:Ⅰ界面胶结好、微环和胶结差情况下,共振透射窗位置不变,凹陷深度随着流体环厚度略有变化,但不会影响共振透射频率确定,不会影响套管壁厚解释结果。

2.2 固井Ⅱ界面流体环对测井结果的影响

利用图1模型,通过改变第5层介质厚度模拟Ⅱ界面(水泥-地层界面)存在流体环情况,数值模拟接收全波显示,Ⅱ界面存在流体环对最大回波幅度及第一回波没有影响,影响主要体现在后续回波出现位置及幅度(见图6)。图7给出的是Ⅱ界面流体环0～10 mm厚度时的最大回波幅度提取结果,由图7也可以看出,最大回波幅度与流体的存在及流体环厚度无关,接收回波最大幅度只反映Ⅰ界面位置的胶结情况。

图6 不同厚度Ⅱ界面流体环情况下接收回波

图7 最大回波幅度随Ⅱ界面流体环厚度变化

图8 声阻抗随Ⅱ界面流体环厚度变化

利用接收回波反演声阻抗结果见图8。水泥与套管、地层完全胶结时,声阻抗为6.85 MRayl,当出现1 mm流体环时,阻抗降到1.0 MRayl附近。流体环厚度增加以后,反演得到的声阻抗略有变化。除流体环厚度为2 mm阻抗有偏离以外,其他厚度流体环时的声阻抗都在1.0～2.5 MRayl,在固井质量评价中评价为胶结差。

与Ⅰ界面存在流体环数值模拟及反演结果综合分析可知,不管是Ⅰ界面还是Ⅱ界面,只要存在未胶结情况,声阻抗都能够正确的反应出来。因此利用超声回波测井进行固井质量评价能够得到整个套管地层环形空间的综合评价结果。

Ⅰ界面胶结良好状态下考察了Ⅱ界面流体环对共振透射窗位置及凹陷深度影响(见图9)。Ⅱ界面存在流体环时,共振透射凹陷较为复杂,随流体环厚度增加,谱凹陷有所增加。因此在利用共振透射频率确定套管壁厚时不能单纯的给出一个最大凹陷位置,需要更复杂的技术来进行确定以给出准确的套管壁厚。数值模拟发现:无论Ⅰ界面、Ⅱ界面胶结状态如何,反射信号频谱均有明显、可识别的凹陷,即Ⅰ界面、Ⅱ界面胶结状态不影响套管壁厚反演。

图9 回波频谱随Ⅱ界面流体环厚度变化

2.3 水泥环厚度对测井结果的影响

考察水泥环厚度对超声回波的影响可以了解套管偏心是否会影响固井质量评价结果。在图1模型中令第3层和第5层流体环厚度为0,即完全胶结情况下,改变第4层介质厚度模拟不同水泥环厚度情况。水泥环厚度从10 mm变化到18 mm数值模拟结果见图10。由图10可以看出,改变水泥环厚度对接收回波影响非常小,不同厚度水泥环情况下回波几乎完全重合,由回波反演的声阻抗也没有变化。由考察结果看出,超声脉冲回波测井结果不受水泥环厚度影响。

图10 水泥环厚度对接收回波影响

2.4 地层参数变化对测井结果的影响

利用图1所示模型,第3层和第5层厚度都设置为零,模拟完全胶结情况,考察不同地层声速和阻抗对回波和反演水泥声阻抗的影响。进行正演模拟发现超声脉冲回波测井反射回波后半段幅度与地层纵波速度及声阻抗存在定量关系。在固井质量良好且水泥参数不变的情况下,反射回波后半段幅度随地层纵波速度的增大而增大(见图11)。

图11 超声回波随地层参数变化

图12 地层声阻抗与最大幅度关系

图13 地层纵波速度与最大幅度关系

模拟不同地层声阻抗和地层纵波速度情况下接收超声回波85 μs以后回波幅度变化,分析发现85 μs后最大幅度随着声阻抗和纵波速度的增加而增加,存在指数关系。图12、图13给出了声阻抗和地层纵波速度与后半段最大回波幅度的关系曲线及相应的拟合关系式。可以看出拟合曲线与实际数值模拟数据之间误差很小,在最大幅度—声阻抗拟合中,相关系数为0.999 89,误差小于0.01%;在最大幅度—纵波速度拟合中,相关系数为0.999 68,误差小于0.01%。因此根据回波测井得到的后半段的最大幅度就可以确定地层的声阻抗和地层纵波速度。

在完全胶结情况下,通过对全波处理可以得到与地层相关的信息,油田注水开发以后,由于泥岩浸水会导致纵波速度变化,如果能够在后续的超声回波法固井质量评价中,在完全胶结井段对超声回波进行全波分析,可以了解地层纵波速度变化,从而了解泥岩浸水等变化。

2.5 井内流体密度对测井结果的影响

超声脉冲回波测井类固井质量评价技术采用的换能器声源频率均较高,为进一步明确井内流体对信号衰减影响,数值模拟了不同流体密度对接收信号影响。图14给出了流体密度从1.0～1.7 g/cm3范围内接收全波及最大幅度变化,由图14可以看出,随着流体密度增加幅度变化较大。由表2的幅度降低看出,当流体密度达到1.4时,信号最大幅度降低了27%,流体密度达到1.7时,信号幅度降低42%。由于流体密度增加使整个全波有明显衰减,影响声阻抗和共振透射谱的计算结果从而对解释结果造成影响,因此超声回波测井时井内流体密度不能过大。

图14 井内流体密度对超声信号影响

流体密度/(g·cm-3)1.01.051.11.151.21.31.41.51.61.7最大幅度/mV0.870.860.820.780.750.680.630.590.550.51幅度降低/%00.65.59.9142127323742

3 结 论

(1)利用6层介质模型可以模拟不同胶结情况下脉冲回波测井响应,模拟结果可用于指导超声脉冲回波测井技术应用和资料解释分析。

(2)影响因素考察结果表明:固井Ⅰ界面和Ⅱ界面存在流体、没有完全胶结时,利用回波信号反演得到的水泥声阻抗均显示为流体声阻抗,小于常规水泥固结时的固体声阻抗。结果证明超声脉冲回波测井不仅能检测Ⅰ界面胶结状态,而且反映整个环形空间的胶结状态。

(3)在Ⅰ界面和Ⅱ界面胶结良好的状况下,脉冲回波测井的回波后半段幅度与地层岩性有关。幅度随着地层声阻抗和纵波速度的增加呈指数增加,在提取有效信号的基础上可以根据接收回波后半段幅度判断声速及力学参数变化。