扇區水泥膠結固井質量測井儀介紹及其應用分析

黃 琳 張嘉偉（中海油田服務股份有限公司，中國 北京 101149）

0 引言

自從1903年在美國加利福利亞州勞木波斯油田第一次采用水泥漿注入井眼進行固井作業以來，石油工業界就一直關注固井質量。實踐證明，利用地球物理測井可以迅速而經濟地檢查固井質量[1]。為了正確地分析試油結果，保證油氣的分層測試和分層開采，石油工業界不僅需要弄清水泥膠結縱向上的不均勻性，也需要了解其環向上的膠結不均勻性。在這種情況下，既具有較高縱向分辨能力也具有較高環向分辨能力的扇區水泥膠結測井（Segmented Bond Tool，簡稱SBT），就應運而生了[2]。從二十世紀九十年代初中國海洋石油測井公司引進SBT以來，就開始了其現場應用和固井質量評價方法的研究。經過數年的不懈努力，在固井質量評價方面積累了較豐富的現場經驗和一整套行之有效的方法。通過理論、實驗和大量的固井質量評價現場驗證資料的分析研究，在利用固井質量測井資料進行水泥環層間封隔能力評價研究等方面，取得了一系列重要研究成果，應用效果良好。

1 扇區水泥膠結固井質量測井儀簡介

1.1 儀器測量原理

圖1 扇區水泥膠結測井儀及其測量原理圖

測量部分。衰減率測量部分：由推靠臂支撐的六個滑板組成。每個滑板上都安裝一個聲波發射換能器（T）和一個聲波接收換能器（R）。滑板編號為奇數者（1、3、5）比偶數者（2、4、6）高出半個滑板長度，以便建立起螺旋狀的雙發雙收補償式套管波衰減率測量系統。衰減率測量間距隨套管內徑的增大而增大，對于外徑小于9.625英寸（244毫米）的套管，間距一般為 0.65～0.73 英尺（19.8～22.3 厘米）。VDL 測量部分：由一個發射換能器和一個接收換能器組成。這兩個換能器居于井軸，相互之間的距離（即源距）為5英尺[3]。

1.2 儀器主要測量參數介紹

扇區水泥膠結固井質量測井儀主要利用聲波原理進行相關測量，其主要的測量參數有以下幾種：補償聲波衰減率ATC、平均衰減率ATAV、最小衰減率ATMN、平均聲幅AMAV、水泥圖CEMENT MAP、相對方位角RB以及聲波變密度圖VDL等參數信息。下面分別對每種測量參數進行簡要介紹。

圖2 第一扇區換能器分布示意圖

首先介紹聲波衰減率ATC。圖2所示為儀器第一扇區換能器分布示意圖，由于儀器共有6個扇區，因此儀器總共可以測量6條補償式聲波衰減率曲線。對于第1扇區，衰減率測量值為

扇區水泥膠結固井質量測井儀是二十世紀九十年代初，由美國西方·阿特拉斯公司（Western Atlas）推出的新一代固井質量測井儀。它利用推靠臂把六個滑板(如圖1左側圖所示)推靠到套管內壁上，將管外環空環向上等分成六個扇區，分別考察每一個扇區的水泥膠結狀況，實現測量的高分辨率360°全方位覆蓋。該測井儀主要分兩個部分：聲波衰減率測量部分和VDL（Variable Density Log，即“變密度圖”）

式 （1）中，d為測量間距；ATSP為幾何擴散引起的聲波衰減；Aij為第i換能器（Ti）發射、第j換能器（Rj）接收的聲波幅度；對于第一扇區來說當i=1為上發射換能器發射或i=4為下發射換能器發射，j可以為2或3代表接收換能器Rj的型號。擴展到任意扇區n（n=1,2,…,6），衰減率ATC n的計算依此類推。衰減率的單位是dB/ft（或dB/m）。

下面再介紹儀器平均衰減率ATAV和最小衰減率ATMN。對于每一個深度點，都按式（2）計算ATAV，并從6個扇區的衰減率測量值中挑選出最小衰減率ATMN。

其中n為第n道扇區對應的聲波衰減率值。

儀器的平均聲幅AMAV由以上定義的平均衰減率按下式（4）換算而來的：

式（4）中，AMFP對應自由套管聲幅，單位mV，可查表得到；ATFP為自由套管衰減率，單位dB/ft或dB/m，由測井圖或查表得到。AMAV曲線的作用與常規固井質量測井的CBL曲線相同，代表導管固井的質量水平。

儀器的水泥圖（CEMENT MAP）由各扇區衰減率曲線進行插值求出，將實測聲波衰減率賦予5級灰度。衰減率越高，對應的灰度級別就越高，在水泥圖上顏色越深。水泥圖上最高級灰度（顏色最深）代表水泥膠結良好，最低級灰度（白色）代表水泥膠結差，其余依此類推。水泥圖直觀顯示水泥環與套管之間（第一界面）的膠結狀況。再配合儀器加速度計求得的扇區相對方位角RB曲線，該曲線顯示第1扇區中心方位對于井眼低邊的相對方位角。結合該曲線能夠反映儀器在井中各個方位角對應的水泥膠結質量。配合聲波變密度圖VDL，該圖由源距為5英尺的單極子聲波波形繪制而成。色調越深，反映聲波幅度越高。通過VDL上的套管波、地層縱波和地層橫波可定性判斷第一界面、第二界面（水泥環與地層之間）的水泥膠結狀況[4]。

1.3 水泥膠結扇區固井質量測井儀主要優勢

水泥膠結扇區固井質量測井儀目前已經廣泛應用在導管固井質量的檢測中，其主要優勢有如下幾點：

1）縱向分辨能力較高

聲波衰減率曲線起伏，反映水泥縱向膠結不均勻。曲線平直，則反映水泥環縱向膠結均勻。由于測量間距很小（7英寸即0.18米左右），儀器衰減率曲線縱向分辨率較高。由實驗得知，根據儀器測井資料可識別出0.2米的水泥環縱向不均勻膠結。

2）環向分辨能力高并可確定水泥溝槽方位

大量實驗表明，根據儀器測井資料可識別出小至20°的水泥溝槽，條件有利時甚至可以識別出15°的水泥溝槽。此為該儀器相對于CBL（聲波幅度測井）儀器的突出的優越性之一。假設在重量為29磅/英尺、外徑為7英寸的套管井段，良好膠結的水泥強度為2000psi。由式（1）～式（4）可計算水泥溝槽對應的聲波幅度理論值。當溝槽所張圓心角大于140°，AMAV＞15%。由此可以推斷，根據相當于AMAV的CBL曲線,識別不了低于140°的溝槽。因為如果溝槽小于140°，CBL＜15%，按石油行業標準應評價為膠結“良好”。根據方位角RB曲線還可確定水泥溝槽方位。如果水泥圖已經過RB方位校正，那么水泥圖的圖示方位（橫向比例尺為0°～360°）顯示相對于井眼低邊的方位角之差。例如，當SBT測井圖深度增大方向為自上至下時，水泥圖的左邊緣、右邊緣（分別為 0°和 360°）對應井眼的低邊，而其中心線（180°）是井眼的高邊。

3）易于測井刻度

SBT儀器用以反映固井質量的主要測井信息是聲波衰減率。由計算公式（1）可知，聲波衰減率與每一個接收換能器處的聲波幅度沒有直接關系，而與遠、近接收換能器處的聲波幅度之比有關。換句話說，在任一深度處的任何扇區，只要遠、近接收換能器處的聲幅之比測量準確，就都可以得到準確的衰減率值。所以，它不再必須有自由套管井段來進行儀器刻度。這樣CBL測井作業中無法解決的尾管固井質量測井刻度難題也就不存在了。

4）易于質量控制

SBT測量六個扇區的套管時差，并給出最大套管時差DTMX和最小套管時差DTMN。如果儀器良好居中，六個扇區對應的圓心角都十分精確地接近60°，那么套管時差十分接近標準的套管時差值57微秒/英尺，且DTMX和DTMN的差異很?。ㄒ话慵s為3～4微秒/英尺）。但是當測井儀器由于井斜等原因明顯偏離井軸時，高側的推靠臂處于松弛擴張狀態，高側扇區的圓心角將明顯大于60°，測得的套管時差將明顯大于57微秒/英尺；而低側的推靠臂處于受壓收縮狀態，低側扇區的圓心角將明顯小于60°，測得的套管時差將明顯小于57微秒/英尺。在儀器明顯偏心的情況下，貼井壁聲波測量間距發生不能容忍的偏差，衰減率測量值將是錯誤的，對應的最大與最小套管時差之差（DTMX-DTMN）＞6微秒/英尺。另一方面，由于SBT為貼井壁測量且源距較小，套管波起跳明顯，無論在哪一種水泥膠結狀況下，DTMX和DTMN測量值都相當穩定。因此這兩條曲線能很好地指示儀器的居中狀況[5]。由式（1）可知，每一扇區都要檢測4個套管波幅度，所以每一深度點需檢測4×6共24個套管波幅度。如果操作員沒有能夠讓套管波檢測窗口很好地跟蹤每個套管波的第一正峰，也會出現 （DTMXDTMN）＞6微秒/英尺的情況。這時，衰減率檢測也將是有問題的。所以，（DTMX-DTMN）大小又可指示檢測窗口設置是否正確。從以上可知SBT利用套管時差能清楚地反映衰減率測量的質量。

5）測井響應不受快速地層以及外層套管的干擾，易于求取膠結率

研究表明，當水泥環厚度≥19毫米時，任何地層波傳播時間都大于套管波傳播時間。SBT貼壁衰減率測量不會受到任何快速地層的干擾，也不受外層套管（在雙層套管井段）的影響。在7英寸和9-5/8英寸套管井中，這個條件一般能夠得到滿足。石油工程方面關心的水泥膠結率可以利用SBT測井的平均衰減率ATAV直接求取：

其中，ATFP自由套管的聲波衰減率；ATexc為水泥膠結良好處的聲波衰減率。

6）根據全波列信息評價第二界面膠結狀況

SBT居中聲源5英尺源距的VDL可用于定性地評價第二界面膠結狀況。SBT還可以測量并記錄貼井壁全波波形。對理論和實驗得到的貼井壁波形進行分析對比如圖3所示，套管波只反映第一界面膠結狀況，不反映第二界面的膠結情況。分析研究進一步指出，緊跟在套管波之后的水泥環界面反射波的低頻組分，對第一界面第二界面均膠結良好、第二界面膠結不好，以及自由套管這三種情況相當敏感，因而可用于第二界面評價[6]。

圖3 SBT貼井壁聲波的頻譜圖

表1 各種水泥膠結狀況下的SBT實驗波形低頻（33－47kHz）響應

上表1為各種水泥膠結狀況下的SBT實驗波形低頻（33-47kHz）響應，其中明確指出了目前各種水泥膠結情況下的質量判斷標準，對評價水泥膠結固井質量有明確的指導作用?？偟膩碚f衰減率越高（或聲波幅度越低），VDL套管波越弱而地層波越清晰，則反映水泥膠結越好,反之則差[4]。

圖4 BZ-X-X井5439－5476米SBT和CBL測井圖

2 應用實例介紹

在渤海BZ-X-X井中7英寸（177.8毫米）套管井內5439米～5476米測量所得SBT與CBL測井圖如圖4所示，其中5450.5米～5463.0米井段ATMN≤3.1dB/ft，雖然局部AMAV較低，但這些地方均為ATAVATMN＞2.0dB/m。經程序處理的SBT評價成果表如下表2所示，在5456.0米～5458.0米井段識別出溝槽，溝槽中心對于井眼低邊的相對方位角為 210°～270°，寬度約 80°，溝槽處水泥強度很低（＜23psi）。

表2 固井質量SBT評價成果表

上圖4中5455.0米～5455.0米以及5459.0米～5490.0米兩井段的層間封隔性能評價結論均為：竄通。后續針對上述水泥溝槽進行了實際驗證，證實這兩段之間確實存在管外竄通。在該溝槽井段CBL/VDL測井相對聲幅為2.8～9.0%。查詢相應解釋圖板得到水泥強度為1000～2200psi，可評價為水泥膠結優～良。

3 結束語

成功的固井質量評價可省去數目巨大的補擠水泥作業費用，節約寶貴的作業時間，同時減少地層污染，防止層間油氣水竄通，有助于正確認識地層孔隙流體性質以及有助于評價產能等，具有十分重要的意義[7]。水泥膠結扇區固井質量測井使固井質量評價技術向前邁進了一大步，在中國海上油氣勘探開發中發揮著越來越重要的作用。

［1］張維平,馬貴福.俄羅斯固井質量測井儀及解釋方法[M].北京:石油工業出版社,1998.

［2］齊奉忠,袁進平.提高調整井固井質量的技術與認識[J].鉆采工藝,2002,25（5）：6-8.

［3］中海油田服務股份有限公司扇區固井質量測井儀相關技術資料[Z].

［4］薛梅,楚澤涵,李艷華,等.對固井質量解釋評價若干問題的探討[J].測井技術,2000,24(6):470-475.

［5］劉繼生,王克協,等.水泥-地層界面膠結質量綜合評價方法及其應用[J].測井技術,2000,24(5):340-344.

［6］劉繼生,王克協,謝榮華,等.套管-水泥界面微間隙的檢測方法及其應用[J].測井技術,2002,26(5):399-401.

［7］楚譯涵,鞠曉東,葉元芳,編譯.聲波測井[M].北京:石油工業出版社,1986.