用于固井質量評價的聲波測井儀器的刻度和標定*

余 峰張秀梅劉西恩陳洪海林偉軍毛 捷

(1 中海油田服務股份有限公司油田技術研究院 河北 101149)

(2 中國科學院聲學研究所 聲場聲信息國家重點實驗室 北京 100190)

1 引言

近年來，國內的多個油田已經建成了一些固井質量刻度井群，可用于實現刻度標定多種聲波水泥膠結質量評價儀器，以及制定水泥膠結評價規范和標準[1－4]。目前，中海油服和中國科學院聲學研究所合作設計的固井質量刻度井群(12口井)也已經建成，刻度井的高度在9 m到10 m之間。新的刻度井群充分考慮了目前實際生產中遇到的問題，并在綜合研究多種因素對不同儀器測量響應的影響的基礎上建成，因此實現了利用最小的空間，最大程度的對多種固井質量評價儀器的測量性能進行標定和測試，并能夠根據儀器的測量響應修正或者提出新的固井質量檢測標準。

圖1 儀器測量性能標定流程Fig.1 The procedure in calibratingmeasurement performance of tools

為最大程度的發揮刻度井的作用，針對已經建成的刻度井群，制定了一系列的操作規程和標定規范。本文圍繞制定的標定方法和流程，以井群中某井的應用效果為例，介紹了對聲幅－變密度測井(CBL/VDL)和扇區水泥膠結測井(SBT)儀器的測量性能進行測試和標定的基本方法。

2 標定流程介紹

為了實現應用刻度井進行儀器測量性能的評價，需要制定一定的方法和步驟。根據目前的經驗結果，制定了圖1所示的標定流程示意圖。

以下對流程圖中幾個主要的步驟進行說明。

(1)超聲掃描儀檢測部分。超聲檢測的主要作用是對刻度井中水泥在深度和周向上的膠結情況進行精細直觀的展示，可用于定量評價建成的刻度井中水泥的實際膠結情況，并與設計結果進行對比。本部分利用自主研發的超聲檢測儀器來實現，儀器所使用的探頭可進行周向360°旋轉掃描，旋轉一周掃描200到400個點?？紤]到刻度井的膠結質量可能隨時間發生一些變化，檢測時間應為儀器下井標定之前的一周內。

(2)數值模擬部分。數值模擬的主要作用是根據儀器的測量原理，結合刻度井的實際膠結情況，對每口井中的儀器測量結果進行預測。預測結果與儀器實際的測量結果進行對比，可用于制定儀器的測量標定規范。數值模擬涉及聲波在三維非軸對稱介質中的傳播問題，該部分采用的模擬方法是柱坐標系下的三維交錯網格有限差分算法[5－6]。模擬過程中采用的參數嚴格按照儀器的工作測量原理、施工樣品檢測結果，以及超聲掃描儀器得到的水泥膠結情況來進行。

(3)儀器測量部分。本部分必須保證儀器在操作過程中嚴格按照操作規程和刻度井的使用規范來進行。為保證測量的結果盡可能的減小系統及操作誤差，需進行標定的儀器在每口刻度井中應重復測量3次以上。

此處需要特別指出，將流程圖中實際測量的結果與模擬結果進行對比時，需要考慮兩者之間的環境誤差。因此，實際使用過程中，針對某類型的儀器進行標定時，初次使用需要建立數值模擬與實際測量之間的修正關系，之后根據兩者的對比結果標定儀器的測量性能。另外，井況變化時，也需根據實時的參數變化情況，重新建立理論和實際測量之間的修正關系。

3 儀器的測量結果及標定

本節以應用刻度井群中某口井(稱為示例井)對CBL和SBT儀器的測量性能進行標定為例，說明對儀器測量性能進行標定的步驟和方法。其中，關于這兩種儀器的測量原理及各自的水泥膠結質量評價標準可參考文獻[4]。

3.1 示例刻度井介紹

圖2是示例井各層的結構示意圖。該井采用的固井水泥包括中等密度和高密度的水泥兩種，此處的水泥密度指水泥固化后的密度。自上而下各層的膠結狀態分別是:中等密度水泥下完全膠結、一界面(圖2中套管和水泥之間的界面)水泥分別存在180°和90°水泥膠結缺失的情況;高密度水泥下完全膠結、一界面水泥分別存在180°和90°水泥膠結缺失的情況。每個層段的有效高度為1.5 m，在刻度井的頂部留有約1.0 m的深度段，底部留有3.0 m的鼠洞，以方便實際儀器在該井中的操作。

圖2 示例井的結構示意圖Fig.2 The schematic diagram of the sample well

為保證建成后的刻度井最大程度的發揮預期的應用效果，每口井的基本結構和各部分的幾何和物理參數均來源于理論研究的結果。在施工建造的過程中，需實時對施工材料的聲學和物理參數進行測量。經過多次制作、取樣、測量和對比等步驟后，只有達到誤差允許范圍內的樣品才可用于最終的施工建造。一些施工材料的聲學參數測量結果見表1。

表1 刻度井中一些材料的聲學參數Table 1 Acoustical parameters of somematerial used in the calibration pits

刻度井建成后，需要對其膠結質量進行檢測，如果不達標，則需要重新建造。膠結質量的檢測通過利用自主研制的一套水泥膠結質量超聲檢測裝置來實現。針對施工材料的聲學參數檢測和建成后的水泥膠結質量的檢測是井群建造和應用中必不可少的一部分，這里統稱為質量檢測。

圖3是利用超聲檢測儀器對示例井進行掃描成像的結果，圖中可較為清晰的顯示一界面自上而下的粘接狀況。圖中左側的百分比數值為設計脫粘比例，右側的數值表示實際的脫粘比例。圖中的對比結果表明，施工完成后的刻度井各層段實測與設計脫粘比例的相對誤差均在10%以內，完成的水泥膠結刻度井質量基本符合設計要求。

圖4是CBL/VDL儀器在刻度井中的測量響應。圖中第一道標示的深度對應有效層段的深度，例如1.5m處是圖2中前兩層的交界面處的深度。圖中第二道為CBL的測量結果，圖中顯示的是套管波的相對聲幅，即測量點處的套管幅度與自由套管處的套管幅度的比值。提取某些深度點上實際測量的數據，并將其與數值模擬的結果進行對比，可以得到圖5。圖中表明，數值模擬與儀器的實際測量響應隨深度的變化具有較好的一致性。其中，兩者之間的誤差隨深度的變化結果多數在5%以內?？紤]到數值模擬和實際測量之間的環境誤差等因素，初步認為如果兩者誤差在5%以內，則此時的儀器測量性能較好。

圖3 示例井中超聲掃描成像的結果Fig.3 The results from ultrasonic scanning imaging in the sample well

圖4 示例井中CBL/VDL的實際測量結果Fig.4 Themeasured results from CBL/VDL tools in the sample well

圖5 示例井中模擬和測量得到的CBL結果的對比Fig.5 Comparison of simulated and measured results of CBL tool in the sample well

由于示例井的有效層段的高度為1.5 m，而VDL 的源距較大(約 1.52 m，合 5.0 ft)，因此無法完成對VDL的測量性能進行定量刻度，需要在刻度井群中其他的井中進行。但是，如果CBL的測量結果準確，則結合儀器的測量原理，可以對VDL灰度圖像的結果進行初步的判定。

圖6 示例井中SBT的測量結果Fig.6 Themeasured results from SBT tool in the sample well

本節結合SBT在示例井中的測量結果，介紹應用刻度井判定該儀器測量性能的方法。圖6是儀器在示例井中的測量結果，其中第2道依次為六個極板的補償聲波衰減率(簡稱ATC，即Attenuation compensated的縮寫)，補償聲波衰減率的大小反映了套管井中一界面的水泥膠結狀態，衰減率越小，則表示膠結質量越差;反之，則表示膠結質量較好。關于該儀器的測量原理以及補償衰減率的定義和計算公式較為復雜，具體可參考文獻[4]第五章的介紹。圖6中的第三道是根據第二道的測量值進行成像顯示的結果。同樣的，圖像中顏色較淺的地方表示一界面膠結質量較差，較深的地方代表膠結質量較好。

類似的，在充分掌握SBT儀器的測量原理和儀器結構后，結合質量檢測中給出的刻度井各層材料的參數及粘接狀況，我們可以應用數值模擬的方法得到六個極板接收到的聲場全波信號，進而得到聲幅的補償衰減率和環向上的灰度成像結果。圖7是數值模擬得到的補償衰減率及成像結果。

圖7 示例井中SBT的模擬結果Fig.7 The simulated results of SBT tool in the sample well

將SBT儀器測量性能的標定分為三個層次。首先根據儀器在環向膠結均勻的層段(如示例井中第一和第四層)測量的結果判斷6個極板的工作性能及其一致性。根據圖6及圖3中對儀器在第一和第四層段的測量結果，認為6個極板的工作性能良好，一致性也較好。其次，將SBT第三道的灰度成像結果與超聲掃描的成像結果(圖3)進行對比，可以初步判定本次SBT測量的效果。兩者的對比結果表明，SBT儀器的成像圖中可以較明顯的顯示水泥缺失的信息，水泥缺失的深度位置和角度大小與超聲掃描結果基本一致。最后，對每個層段上各極板上補償衰減率的實際測量和數值模擬結果進行對比，得到表2。

表2 6個極板衰減率的測量和模擬結果的對比Table 2 Com parison ofmeasured and simulated results of the attenuation com pensated of the six p lates

此處需要說明，由于實際的測量條件與數值模擬存在差別，例如，當水泥在環向上存在一定角度的缺失時，模擬計算中每個極板的方位很難與儀器在實際操作過程中的情況一致，所以每個極板的測量值難以用某一具體的數字來判定。

文中給出的評價流程和針對這兩種儀器制定的測量性能評價標準是一些經驗總結的結果，在刻度井群以后的使用過程中會根據實際情況進行實時調整，以制定更為合理和完善的方法和步驟。

4 結論

在吸收和借鑒國內外固井質量刻度井工作的基礎上，中海油服目前已經建成了一批用于固井質量評價和套損檢測的刻度井，可用于對多種固井質量評價儀器和套損成像檢測儀器的測量性能進行測試和評價。在刻度井群的設計和施工前后，都包括大量的基礎研究和質量測試工作，這些都充分保障了建造的刻度井群能夠達到預期的應用效果。

本文以刻度井群中一口刻度井的基本應用情況為例，介紹了應用刻度井對固井質量評價儀器進行測試和標定的基本方法和步驟，文中涉及的儀器主要是CBL/VDL和SBT兩種。結果表明，結合質量測試、數值模擬和實際測量的響應進行的標定流程，可用于實現儀器測量性能的初步定量標定。

特別的，根據國內外以往建造刻度井的經驗，刻度井中一些層段的膠結狀態可能隨時間的推移發生變化。因此，在刻度井使用的過程中需要定期維護和檢測，并根據實際情況進行調整，以制定更為合理和完善的評價體系。

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