固井質量評價影響因素分析

付志威 萬靜

長江大學地球物理與石油資源學院 湖北 武漢 430100

固井質量檢查主要是水泥環膠結質量評價，即評價套管與水泥環（第一界面）、水泥環與地層（第二界面）的膠結情況[1]。固井質量檢查主要目的是確保水泥漿在固井過程中正確地固化、密封并支撐井筒，維護井筒的完整性、并預防油氣和水的泄露。

1 固井質量測井方法的基本原理

1.1 CBL/VDL 資料分析

通常情況下，用于水泥膠結測井的儀器采用單發雙收結構，這兩個接收器分別被放置在離井口3英尺和5英尺的位置。儀器以大約20kHz的頻率發射聲波，并記錄聲波在井內流體中沿著套管管壁傳播的時間和衰減情況[1]。在距離井口3英尺的位置，接收器記錄套管波幅度（CBL）和傳播時間，套管波幅度的衰減程度反映了套管與水泥環之間的剪切耦合情況。當水泥膠結效果好時，套管波幅度較小，而在套管外是流體時，波的幅度較大。基于這一現象，可以計算套管外部水泥的膠結情況。在5英尺處的接收器記錄變密度波形（VDL），用于更好地區分套管波和地層波。通過變密度波形評估水泥與地層的膠結情況，有助于探測竄槽和氣侵現象，這種方法直觀，且受泥漿的影響相對較小，從而顯著提升了其實用性[2]。

1.2 CBL/VDL 固井質量特征提取

采用初至波檢測方法、現代譜分析方法等技術，從波形中提取了多項信息，這些信息反映了套管波、地層波、流體導波等所有成分的特征，充分利用了全波列中與水泥膠結有關的所有信息。由這些信息得到的結果有：Ⅰ界面膠結指數、Ⅱ界面膠結指數、環空水泥充填率、各種譜特征值及相關函數特征值等。

1.3 CBL/VDL 固井質量評價標準

固井質量的評價通常通過CBL/VDL測井或聲幅測井來評價固井質量。在國內，測井解釋工程師會根據中國石油天然氣總公司的標準對固井質量進行評價，結論分為良好、中等（或合格）和差等級[3]。

中國石油天然氣總公司《鉆井手冊（甲方）》（1990年）[4]提出如下標準（見表1）。

表1 中國石油天然氣總公司行業評價標準

2 固井質量的影響因素

2.1 儀器

2.1.1 儀器偏心

當儀器存在偏心時，套管波到達接收器的時間會因不同方向上的傳播路徑而有所差異。這也意味著，最初的套管波只是在儀器附近方向上信號良好的首波疊加結果[5]。這種情況容易導致將固井質量較差的井段錯誤地判定為固井良好，進而影響到測井值的準確性，無法準確反映I界面的固井情況[6]。

2.1.2 儀器刻度

在進行CBL/VDL測井之前，選擇與目標井段類型相同的自由套管，以獲取首波的開門時間、門寬、首波幅度值等[6]。首波振幅的準確性直接依賴于自由套管的刻度。如果刻度不準確，將直接導致首波振幅的誤差，從而影響最終的解釋結論。因此，確保使用準確刻度的自由套管對于獲得準確的首波振幅至關重要。

2.2 套管

2.2.1 套管尺寸

見圖1（a）和圖1（b）分別展示了套管波幅度與套管直徑以及套管厚度之間的關系。在圖1（a）表明隨著套管直徑的增大，聲波在套管內傳播路徑會發生改變，從而使自由套管波幅度減小。隨著套管直徑的增加，鉆井液的層厚也相應增加，導致聲能量的吸收量也隨之增大，除此之外，套管的厚度也在一定程度上影響著套管波的生成[7]。套管的直徑會影響變密度曲線的振幅曲線和首波到達時間。具體而言，大直徑套管的首波（套管波）會較晚到達，而小直徑套管的首波則會提前到達。

圖1 （a）套管波幅度與套管直徑關系 （b）套管波幅度與套管厚度關系

見圖1（b）展示了在自由套管情況下，套管波幅度與厚度之間的關系。從圖中可以看出，隨著套管厚度的增加，套管波幅度也相應增大。這意味著較厚的套管對聲波的傳播有更好的保護效果，減少了波的衰減程度。因此，在測井過程中，套管的厚度對套管波的幅度具有一定的影響[7]。

2.2.2 套管偏心

在進行聲幅測井時，套管的偏心距等于儀器的偏心距，而且這一結果也導致了低聲幅，誤判固井段固井效果良好。套管波的幅度變化見圖2，通過計算，在泥漿密度為1.89g/cm3時，偏心后套管波幅度增加為自由套管的31.25%，而泥漿密度為1.20g/cm3時，偏心后套管波幅度增加為自由套管的62.5%，所以，套管偏心會增強套管波，其影響是明顯的。在SBT測井中，最小衰減值明顯大于沒有居中的衰減值，表明SBT最小衰減值隨著套管偏心率的增加而減小[8]。

圖2 套管偏心與居中套管波頻譜

2.3 水泥

2.3.1 水泥凝侯時間

見圖3，該段變密度兩次測井變化較大，第2次所測變密度反映固井質量好于第1次，且在4400m以下井段第2次所測變密度反映固井質量為完全膠結，分析認為產生這種情況的原因是侯寧時間不同造成的，第1次測井時水泥并沒有完全凝固，使變密度反映固井差，第2次測井時水泥大部分都已凝固，因此變密度反映固井良好。如果井段存在未固化和封閉，聲幅曲線出現高振幅值，會造成誤判，所以一般在固井后24～48小時進行測井[6]。

圖3 凝侯時間影響固井評價

2.3.2 水泥環厚度

見圖4（左），圖中的橫坐標表示水泥環的厚度，縱坐標表示經實測地層波刻度后的地層波幅度（菱形是模擬值，方形是實測值）。數值模擬并擬合了6種水泥環厚度下的地層波幅度，從圖中可以看出存在極小的誤差，驗證了實驗的可行性。在完全膠結好的情況下，地層波幅度隨著水泥環厚度的增加而減小，而且，減小的幅度會越來越趨于平緩[7]。

圖4 完全膠結時地層波幅度與水泥環厚度關系（5ft，泥巖）

見圖4（右），四種巖性地層波幅度的校正圖版，進一步驗證了準確性。為了方便刻度，縱坐標為相對幅度，刻度的幅度以各自巖性最大值歸一化，圖中水泥漿密度為1890kg/m3，套管厚為19mm。并建立了校正公式如表2所示。

表2 地層波幅度水泥環厚度校正關系

當水泥環厚度大于2cm時，對水泥固井測井曲線的影響為固定值，小于2cm時，水泥環厚度越薄，水泥固井測井曲線值越高，需參考對井徑曲線進行檢測[6]。

2.3.3 水泥密度

在評價Ⅰ界面水泥膠結質量中，套管波幅度是一個刻度值。所以，研究自由套管波的影響因素，并制作校正圖版具有重要的現實意義。如在實際鉆井中可能會產生擴井或者縮井。模擬了四種泥漿密度時套管波幅度隨流體環隙變化的關系見圖5，圖中的套管波幅度是一個相對的比值，其分母是數值模擬的各泥漿密度對應的套管波幅度最大值，擬合關系見表2。從圖中可看出，隨著流體環隙的增大，套管波幅度增加，但當流體環隙超過40mm以后，套管波幅度隨泥漿密度的變化趨于穩定。此外，從圖中還可以看出，在相同環隙寬度下，低密度泥漿的套管波幅度值會比高密度泥漿的值大[9]。

圖5 套管波幅度隨流體環隙寬度的關系（3ft）

2.3.4 水泥微環間隙

當水泥凝侯時，體積會收縮，產生的壓力，新套管上的油漆或套管上的油脂都會使套管與水泥之間形成微環間隙，使聲波衰減值更小，進而無法準確識別地層波。當間隙的寬度在0.1mm左右，不會形成竄槽，但會對套管波的幅度造成影響，使其變大。為了更加準確的了解實水泥膠結的實際情況，需要采用加壓測固井聲幅和變密度[10]。當環隙寬度很小時，套管波幅度就有很大的變化，基本和自由套管情況差不多[7]。當存在微環隙時，根據固井水泥密度不同，套管波幅度下降到自由套管的（35～65）%，由此CBL幅度在（35～70）%之間，有可能存在微環隙。

2.3.5 水泥扇形缺失

隨著水泥扇形缺角的減小，SBT 衰減值增大。當水泥扇形缺角小于某一臨界角時，SBT 衰減值波動，不能區分其膠結情況[11]。另外，當有泥漿氣侵時，聲波能量會大大衰減，使得不良井段出現低值，造成誤判[6]。

2.4 地層巖性

2.4.1 快地層

在快地層套管井中，地層波與I界面的時間差非常小，甚至比套管波早到達接收器，導致了疊加和重疊。從而將地層波誤認為套管波，造成對I界面固井質量的誤判[12]。為了避免這種情況，我們可以在提取套管波信息之前對波形進行濾波處理，然后再使用常規的解釋方法來評價固井質量。通過濾波處理，可以將地層波進行削弱或抑制，從而使套管波的輪廓更加清晰。這樣，我們就能夠更準確地識別和分析套管波，并對固井質量進行合理的評估。這種濾波處理的方法在實際工程中被廣泛采用，可以提高對套管波的解釋準確性，并減少對I界面固井質量的誤判。

2.4.2 慢地層

由于慢速地層的聲傳播速度較低，變密度圖上界面處的地層波不明顯。在第I界面膠結良好的情況下，變密度圖上出現信號弱的層段。所以在測井解釋時，要結合地層的性質來判斷。在實際工作中，利用裸眼井的聲波數據，能夠更有效地對這種地層情況進行辨別。在更大的擴徑時也會造成II界面信號的減弱[12]。

不同的地層巖性會對自由套管波產生不同的影響，首波套管波到達時間和幅度并不隨地層巖性而變化，而是主要與井眼情況和套管有關。這意味著在判斷地層巖性時，首波套管波的到達時間和幅度并不能提供明確的信息。然而，在快速地層中，我們可以很容易地區分套管波和高頻偽瑞利波。一般而言，地層波的主頻率相對較低，而套管波的主頻率相對較高。因此，為了準確判斷地層巖性，我們可以通過觀察波形和頻譜的特征，特別是套管波和地層波的主頻率差異來進行識別。這可以幫助我們避免誤判，并準確評估地層的屬性和特性。

2.4.3 孔隙度和滲透率差異較大的地層

如在泥巖地層中，水化凝結過程和溫度變化迅速，界面處容易形成小裂縫，地層井徑變化較大，而水泥環厚度的不均勻會改變井內的聲場。在高孔高滲透性地層中，水泥漿能滲透到地層中，不易產生小裂縫。在砂巖、泥巖地層進行聲波振幅或變密度測井時，GR與CBL之間往往存在良好的正相關或負相關關系，這是由于地層巖性變化導致的孔隙度和滲透率的影響[13]。

3 結束語

總體而言，為了提高固井的質量，我們需要在施工過程中嚴格遵循標準和規范，并在評估和監測各種因素方面進行仔細的考慮。通過使用CBL/VDL測井或聲振幅測井技術，我們可以全面了解固井的質量狀況，并采取適當的措施來改善固井效果。這將有助于確保井筒的完整性和固井性能的持久性。