聲波變密度測井技術在煤層氣資源普查中的應用

摘 要：煤層氣資源普查項目中，當鉆孔完鉆并下套管后，需要把套管與井壁間的環形空間用水泥進行封固，以防止井眼垮塌及滲透層之間的相互串通。由于固井的效果受井深、溫度、井眼尺寸、添加劑、水泥類型等諸多因素的影響，對于某些井段即使使用最佳方案進行固井作業，也可能出現竄槽。固井失敗的主要后果是會導致滲透層之間流體的滲流，或導致鉆孔報廢。因此，固井質量評價是工程測井中重要的手段之一。固井質量評價的主要測井方法有\"聲波變密度測井\"、\"聲幅測井\"等。本文主要就聲波變密度測井技術的應用原理及該技術在昭通地區煤層氣資源普查項目中的實際應用展開探討，并做數據分析，為煤層氣資源普查中固井質量檢查提供實際依據及經驗。

關鍵詞：煤層氣資源普查；聲波變密度；固井質量

1 引言

煤層氣資源作為我國現階段極具潛力的新型可采資源，對未來國民經濟的發展有著非常重大的意義。因此，對區域煤層氣資源進行普查是現階段十分必要的手段。在煤層氣資源普查項目中，固井質量檢查能夠準確判斷鉆孔固井質量的等級，能為煤層氣排采提供重要的技術依據[1]。

聲波變密度測井技術是固井質量檢查中的一項重要手段，它能檢查水泥與套管之間的膠結情況；檢查水泥與地層之間的膠結情況；能找出套管外的竄槽部位；能判斷水泥的返高位置。該技術已經在昭通煤層氣資源普查項目發揮重要作用，為煤層氣排采提供了可靠的技術輔助支持，已經成為煤層氣普查項目中的一種重要的地球物理方法手段。

2 聲波變密度測井的原理

2.1 聲波在介質中的傳播

聲波由一種介質向另一種介質傳播，在兩種介質形成的界面上，將發生聲波的反射和折射。反射波的幅值取決于兩種介質的聲阻抗。聲阻抗（Z）就是介質密度（ρ）和聲波在該介質中的傳播速度（v）的乘積（Z=ρ·v）。如圖1左邊所示，為聲波在介質中傳播示意圖。兩種介質的聲阻抗差越大，聲能量就越不易從介質1傳導到介質2中去。通過界面在介質2中的傳播的折射波的能量就越小。如果兩介質聲阻抗相近，聲波幾乎能形成折射波通過界面在介質2中傳播，這時反射波的能量就非常小。

圖1 聲波在介質中傳播及滑行波概念示意圖

2.2 滑行波的概念

當介質1中的聲波速度v1小于介質2中的聲波速度v2時，當大到某一角度時，為直角，此時折射波將沿著界面在介質2中傳播，這樣的折射波在聲波測井中叫滑行波，或稱首波或頭波，此時的入射角叫臨界角。如圖1右邊所示。

并且，介質中波所傳播的個點都可以看成新的波源，稱為子波源；可以認為每個子波源都可以向各個方向發出微弱的波，稱為子波；這種子波是以所在介質的聲波速度傳播的[2]。

2.3 聲波測量原理

發射器發射出聲波后，一部分聲波在套管中以滑行波的方式沿套管傳播，形成套管波，另一部分會產生折射到水泥環中傳播，還有一部分穿過水泥環傳入地層，分別形成水泥環波、地層波。聲波在介質中傳播，其幅度會逐漸衰減，聲波幅度的衰減在聲波頻率一定的情況下，是和介質密度、彈性等因素相關的。通過測量聲波幅度的衰減變化來認識地層特點以及水泥膠結環情況等。如圖2所示，為聲波測量原理。

發射器到第一個接收器的源距為3英尺（0.91m），如圖3所示。測得的曲線為CBL（水泥膠結）曲線，CBL測量的是套管波的幅度。由于傳播的路徑和穿過的介質基本固定，因此波的衰減與介質的吸收及不同介質界面上的反射系數有關。如果水泥環與套管外壁膠結好，由于水泥環的聲阻抗與套管的差別小，聲波傳入水泥環，套管波的首波幅度低。如果水泥環與套管膠結不好，其中殘留有泥漿，致使兩者的聲阻抗差別大，反射系數大，大部分聲波能量沿套管傳播，套管波的首波幅度大。如果套管外只有泥漿或空氣時，套管波首波幅度與水泥環膠結好的首波相比，其幅度可增加4～5倍，因此可根據CBL測得的聲波幅度曲線來判斷水泥固井質量的好壞。

2.4 CBL（水泥膠結）曲線的應用：判斷第一界面的固井質量

使用聲波相對幅度的大小來判斷固井質量。聲波相對幅度=A目的/A泥漿*100%（A目的：目的井段的聲波幅度；A泥漿：套管外是泥漿，即自由套管井段的聲波幅度）。通常，相對幅度越小，固井質量越好；相反，相對幅度越大，固井質量越差。一般將固井質量劃分為三個等級：①：膠結質量好，相對幅度<20%；②膠結質量中等，相對幅度：20%～40%；③膠結質量不好，相對幅度>40%。

2.5 VDL（變密度測井）曲線的應用：判斷第二界面的固井質量

CBL（水泥膠結）測量的是套管波的首波幅度。首波幅度的大小取決于水泥與套管外壁的膠結程度，因此只能解決第一界面（套管外壁與水泥環的界面）的問題，而水泥環與井壁（水泥環與地層）之間是否膠結良好，即第二界面的問題是無法解決的。

第二個接收器源距為5英尺（1.52m），如圖4所示。接受的是變密度測井（VDL）的測井曲線，可以接受套管波、水泥環波、及地層波，可以檢查套管井第一、第二界面的膠結程度。測量時將聲波幅度的大小轉變為光輝度的強弱，黑色的深淺信號表示信號幅度的大小，因為測量時只保留信號幅度的正半周，將負半周去掉，所以資料顯示為黑白相間的條紋。

VDL（變密度測井）顯示為黑白相間的條帶狀記錄（輝度記錄）。條帶的寬度和亮度取決于聲幅的大小及聲信號的頻率，條帶的相對位置取決于地層性質。聲波幅度越大，黑色條帶越黑，通過黑白條帶的亮暗就可以知道套管波、地層波的幅度，這兩個幅度分別反映了第一、第二界面的膠結情況。在前十幾個波中，前四個波與套管波有關，第五個至第八個波與地層波有關[3]。如圖5所示。

3 聲波變密度測井的施工要求及資料分析

3.1 施工要求

①根據套管尺寸，選擇通徑為Φ116mm或者Φ150mm通徑至目的井段以下30米，確保井筒通暢，測量井段井液為清水或泥漿（不含氣泡）；②熱清水洗井，將管內的臟物和死油洗出；

3.2 資料分析

在水泥返高以上的這一段套管成為自由套管。測井時，該段的聲波幅度最大，以此作為CBL的評定標準，因此能夠做到半定量解釋。

3.2.1 自由套管

在自由套管井段，由于套管外無水泥，界面聲阻抗差別大，所以套管波反射很強，大部分聲波能量沿套管傳播，傳到地層中的聲波能量很小，地層波較弱或沒有。因此在變密度圖上出現強套管波信號，聲波在套管壁上反復震蕩形成前6至8個波全是套管波。變密度相線的差別不大，基本是均勻分布，在套管接箍位置傳播時間稍有增加，套管波幅度變小，變密度曲線在接箍處有人字紋顯示。CBL（水泥膠結）聲幅為高幅值。如圖6所示。

3.2.2 水泥與套管和地層膠結都良好

在水泥與地層膠結都好的井段，因為套管和固結水泥的差別較小，套管與水泥的聲阻抗很接近，大部分聲波能量穿過套管及水泥環進入地層傳播。因此，在變密度圖上套管信號很弱或不存在，圖中已看不見，而地層信號很強。甚至某些地層的地層波會出現在套管的位置上。CBL（水泥膠結）聲幅為低幅值。如圖7所示。

3.2.3 水泥與套管膠結好，與地層膠結差

在這種情況下，因為套管和固結水泥的差別較小，大部分聲波能量不在套管上反射而是穿過套管與水泥環的界面進入水泥環，由于聲波能量在水泥環中很大地衰減損耗，傳到地層中的聲波能量很小。所以變密度套管波很弱，地層波也很弱[4]。如圖8所示。

4 聲波變密度測井技術在昭通地區煤層氣資源普查中的應用

在昭通地區煤層氣資源普查項目中，根據鉆井施工程序和測井設計要求，對礦區內的兩口鉆孔進行了固井質量檢查測井。主要對固井質量進行了檢查，評價了水泥膠結情況，進行了深度較深等工作。經過資料解釋，如圖9所示為自由套管的聲波變密度曲線。由圖可以看出在水泥面返離位置以上曲線幅度最大；深度由淺到深、曲線幅度由高向低變化處為水泥返高面位置；在套管外水泥膠結良好處，曲線幅度為低值。

如圖10所示，聲波能量被水泥環和套管消耗一部分能量，大部分聲波能量傳入地層，因此造成套管波偏弱、地層波較強。由此可以得出結論：水泥與套管膠結較好，與地層膠結良好（即第一界面膠結較好，第二界面膠結良好）。

5 結束語

固井質量的好壞，直接影響煤層氣井的開發，在昭通地區煤層氣資源普查項目固井質量檢查測井中，聲波變密度這種測井方法簡單易行，易于解釋，既能反映第一界面（套管與水泥環）膠結情況，又能提供第二界面（水泥環與地層）膠結信息，完全能夠達到工程設計及實際應用的要求，為煤層氣的勘查開發提供了一種重要的技術支持手段。

參考文獻

[1]張新民.中國煤層氣技術可采資源潛力[M].上海：科學出版社，2010，2-6.

[2]尉中良，鄒長春.地球物理測井[M].北京：地質出版社，2005，65-77.

[3]彭蘇萍，孔煒，等.煤田反演的聲波測井曲線重構[J].北京工業職業技術學院院報，2003，2（4）：11-16.

[4]關春杰，杜玉峰，等.聲波測井的應用[J].煤炭技術，2003，22（1）：15-18.