基于聲幅測井的環空間隙流體類型判斷方法與實踐

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100020)(長江大學石油工程學院，非常規油氣湖北協同創新中心(長江大學)，湖北 武漢 430100)非常規油氣湖北協同創新中心(長江大學)，湖北 武漢 430100荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434023(荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434023)(中石油冀東油田分公司南堡油田作業區，河北 唐山 063004)

聲波測井是評價水泥膠結的主要手段，最常用最典型的測井方式是CBL/VDL測井。CBL測井是利用聲波在套管中的首波傳播幅度來定量判別水泥與套管膠結(第一界面)情況，VDL測井主要是測得聲波在套管、水泥、地層中傳播的波形，定性識別水泥與套管膠結、水泥與地層膠結(第二界面)情況。CET測井和USI測井主要是利用聲波定向垂直入射到套管，通過聲波透射到水泥、地層然后反射回井中被聲波探頭接收，根據反射波的幅度大小判別第一界面和第二界面水泥膠結情況[1～3]。上述測試方法并不能準確判斷界面產生間隙所在位置，同時也不能分辨界面間隙所含介質(油、氣、水)的具體情況。為此，筆者利用聲波的垂直入射和斜入射原理，設計和制作了一種評價水泥膠結的儀器。該儀器設計了垂直入射和斜入射探頭，其探頭能夠360°旋轉，可以判別不同方向、不同位置上的水泥膠結情況。室內通過制作水泥膠結模型，設計不同膠結情況，對儀器進行了測試。通過大量的試驗測試建立了油、氣、水介質的聲幅曲線圖版。

1 設備及模型的建立

1.1 試驗設備

1)室內采用CTS-8077PR 型脈沖發生接收儀、數字示波器和高速瞬態信號采集儀組成的模擬測井裝置，然后通過網線連接到電腦，利用高速瞬態信號采集儀專用軟件對接收信號進行采集。該儀器符合歐標 (EN12668:2000 ) 探頭測試系統要求，具有極低噪聲和寬頻帶的接收放大器，并由高性能方波脈沖發生器和高壓電路組成的先進發射電路[4]。

2)聲波測井裝置。該裝置長度為1200mm，安裝了旋轉刻度盤，可以在套管中任意角度旋轉。裝置的其中一側共設計了5個垂直套管的聲波探頭(1～5號)，每個探頭間距為170mm，1號探頭距頂部和5號距底部均為260mm，可以進行任意的發射和接收組合。另一側設計了3個斜入射探頭(6～8號)構成1個發射2個接收，即6號發射，7號和8號接收。6號探頭距頂部和8號探頭距底部均為295mm，6號和7號探頭間距為470mm，7號和8號探頭間距為140mm，接收到的聲波信號分別代表了不同方向、不同層位的地層膠結情況。

圖1 模型井扇區示意圖

圖2 室內設備聲幅測井示意圖

1.2 地層膠結模型制作

1)模型井分為6個扇區,如圖1所示。0～60°模擬自由套管(即圖中標識為“環空”)，60～120°模擬第一界面水泥膠結不好，水泥和套管之間有1mm的間隙，120～180°模擬第一界面水泥膠結不好，水泥和套管之間有3mm的間隙，180～240°模擬第二界面水泥膠結不好，水泥和地層之間有1mm的間隙，240～300°模擬第二界面水泥膠結不好，水泥和地層之間有3mm的間隙，300～360°模擬水泥完全膠結好(即圖中標識為“水泥環”)。模擬地層的直徑為300mm，內徑為215.9mm，高度為1200mm；套管內徑為121.44mm，外徑為139.7mm。

2)模擬聲幅測井，注水泥養護至12、24、48、96、120h后，將聲波探頭垂直放置在套管內，測試在3種不同的介質(油、氣、水)中聲幅曲線。具體操作如下：首先將套管和環空內全部充滿水，測試介質為水的聲幅曲線；然后將地層間隙和自由套管中的水去除，測試空氣介質的聲幅曲線；最后在環空中加入煤油，測試介質為油的聲幅曲線[5]。

1.3 聲幅測井的基本原理

圖2是套管井聲幅測井示意圖。探頭垂直放置，根據幾何聲學分析聲波在套管井中傳播，可估算出聲波傳播途徑及套管波、直達波到達時間。通過計算套管波的到達時間，可確定這一時間段內聲幅幅度的大小，從而得到套管與水泥環膠結質量檢測結果。

2 聲幅曲線

2.1 不同環空間隙聲幅曲線

試驗發現相鄰2個直探頭組合相對效果最好，第一、二界面水泥膠結更為清楚。相鄰聲波探頭之間距離是0.34m，套管波到時大約在106μs，直達波到時在234μs左右。圖3中從上至下，分別為自由套管、第一界面間隙、第二界面間隙和完全膠結的聲幅曲線圖。圖3中有2個聲波到時窗，左邊窗內為獲取反映第一界面水泥膠結的聲波信號，聲波到時區間為106～170μs，右邊窗內為獲取反映第二界面水泥膠結的聲波信號，聲波到時區間為170～234μs?？梢钥闯龅谝唤缑骈g隙和第二界面間隙的聲波振幅比完全膠結的大，比自由套管的小[6]。

圖3 相鄰探頭測試不同環空間隙與固井膠結質量聲幅曲線對比

2.2 不同膠結情況下不同介質聲幅曲線

在界面膠結處分別充填水、油、氣3種介質，測試其聲波波形。根據聲波波形分析，分別提取與第一、二界面水泥膠結有關的聲幅幅度，找出聲幅幅度與水、油、氣之間關系。試驗結果如圖4所示。在自由套管、第一界面間隙以及第二界面間隙不同介質中，空氣介質中的聲幅幅度最大，油介質中次之，水介質中最小。

3 水泥石膠結及油氣水介質的識別

在測井中，相對幅度是待判井段聲幅幅度與自由套管聲幅幅度的比值。當相對幅度小于20%時，說明井段水泥膠結良好；相對幅度大于40%時，說明井段水泥膠結不好；相對幅度在20%～40%時，說明井段水泥膠結中等。

利用膠結指數法判別水泥膠結情況，公式如下：

式中：B為水泥膠結指數，其范圍為0～1；Cmax為自由套管聲幅幅度，mV；Cmin為水泥完全膠結好聲幅幅度，mV；C為待判井段聲幅幅度，mV。

當膠結指數為0.8～1時，表示固井膠結質量好；當膠結指數為0.7～0.8時，表示膠結質量一般；而膠結指值小于0.7時，表示膠結質量差[7]。

試驗結果表明，判斷水泥膠結情況時，相對幅度和膠結指數相反，相對幅度越小，膠結指數越大，水泥完全膠結好；反之，相對幅度越大，膠結指數越小，水泥膠結不好。

圖4 不同膠結情況下在水、油、氣中的聲波波形

通過測試模型井聲波波形，分別提取與第一、二界面水泥膠結有關的聲幅幅度以及相對幅度、膠結指數。表1為水、油、氣識別的波形參考值。由表1可以看出，水、油、氣的各參數是有差異的。通過擬合發現，聲幅幅度與界面間隙有較好的相關性(見表2)。

表1 流體性質識別的參考值

表2 間隙與聲幅幅度擬合公式

注：L為界面間隙，cm；A為聲波測井幅度，mV；R為相關系數。

4 結論

1)通過制作不同膠結情況水泥環膠結模型，測量聲波波形中能清楚地觀測到套管波、水泥環波以及直達波，縱向上能反映模型井從底部到頂部的水泥膠結，能夠準確判斷第一、二界面膠結質量。

2)利用聲波相對幅度和膠結指數定量判斷第一界面和第二界面水泥膠結質量。通過在界面膠結處分別充填水、油、氣3種介質，得出間隙中所含流體性質識別的參考值。

3)建立了聲波測井幅度與水泥膠結間隙的關系，結果表明它們之間有較好的相關性。