章偉江

（杭州瑞利勘測(cè)設(shè)備科技有限公司，杭州，310012）

一種扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀及應(yīng)用

章偉江

（杭州瑞利勘測(cè)設(shè)備科技有限公司，杭州，310012）

闡述了一種SHRA扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀的結(jié)構(gòu)特性、技術(shù)指標(biāo)、基本原理。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，滿足固井質(zhì)量評(píng)價(jià)，節(jié)約了成本，并實(shí)現(xiàn)與warrior、530數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)配接。

水泥膠結(jié)測(cè)井；扇區(qū)；變密度；固井質(zhì)量

固井質(zhì)量的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)對(duì)油氣田的勘探開(kāi)發(fā)具有十分重要的意義，早期的聲波變密度測(cè)井由于受泥漿、微環(huán)間隙、快速地層、水泥環(huán)厚度等因素影響，不能對(duì)水泥環(huán)局部缺失或不均勻情況作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性[1-2]。扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井是目前檢測(cè)固井質(zhì)量最有效的測(cè)井儀器之一，它能沿著套管整個(gè)圓周縱向、橫向測(cè)量水泥膠結(jié)質(zhì)量，它可以同時(shí)測(cè)得信號(hào)的傳播時(shí)間，以及聲波的全波列信號(hào)，能準(zhǔn)確判斷出水泥的竄槽、水泥環(huán)的局部缺失等固井質(zhì)量問(wèn)題，以灰度圖的形式直觀地顯示套管和水泥環(huán)的膠結(jié)情況, 準(zhǔn)確評(píng)價(jià)第一界面存在的槽道、孔洞的位置、大小及分布情況；更好的滿足固井質(zhì)量評(píng)價(jià)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)使用的扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀有康普樂(lè)公司SBT(Secidr Bond Tool)、美國(guó)Tek-co公司RIB(Radius Incremented Bond)、阿特拉斯公司SBT （Segment Bond Tool）。通過(guò)對(duì)這三家公司儀器的在各油田使用情況，康普樂(lè)公司的SBT溫度等級(jí)不高，難以適應(yīng)深井和復(fù)雜井況；Tek-co公司RIB聲波發(fā)射能量不足，變密度VDL地層波不明顯；阿特拉斯公司SBT測(cè)井效果不錯(cuò)，但使用成本高，它是將6臂推靠到井壁進(jìn)行測(cè)量，容易受環(huán)境影響，特別隨著目前特種井鉆采技術(shù)的廣泛應(yīng)用，6臂SBT由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在大斜度井、定向水平井中由于井眼彎曲和儀器重力作用更容易堵卡，根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，不適應(yīng)于此類特種井的測(cè)量。鑒于此，我們自主研制了一種八扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀，克服上述的不足，并實(shí)現(xiàn)了與Warrior、530數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)的配接。

1 儀器結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1.1 儀器組成

SHRA扇區(qū)高分辨率聲波測(cè)井儀是530數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)下井儀器重要組成之一，該儀器除了測(cè)量聲波時(shí)差、普通的聲幅CBL(Cememt Bond Log)、變密度VDL(Varrible Density Log)[3]外，還增加了八扇區(qū)水泥膠結(jié)和溫度測(cè)量功能。儀器由上、下電子線路和聲系三大部分組成。聲系為單發(fā)六收陣列模式，發(fā)射探頭XMIT位于儀器底部，減少了對(duì)上部接收信號(hào)的干擾。接收換能器分別為SEC R用于八扇區(qū)測(cè)量，R5用于測(cè)量聲幅(CBL)，R1用于測(cè)量變密度(VDL)，同時(shí)R1～R5還可用來(lái)作高分辨率時(shí)差測(cè)井，接收源距分別為1.5 ft、3 ft(1 ft=30.48 cm) ，間距6 in(1 in=2.54 cm)，儀器組成如圖1所示。

圖1 儀器組成

1.2 技術(shù)參數(shù)

儀器外徑，Φ89 mm；儀器長(zhǎng)度，3461 mm ；重量，80 kg；儀器溫度和壓力等級(jí)，175℃、140 MPa；沖擊、振動(dòng)，50 g（11 ms）、5 g（10～60 Hz）三維；供電，250 VAC±10%、50～60 Hz；源距，1.5 ft、3 ft、5 ft；間距：6 in；套管時(shí)差，57±2 μs/ft；聲波分辨率，6點(diǎn)/ ft（在550 m/h時(shí)）；聲波精度， ± 5%；適用套管，114～318 mm (4.5 in～12.5 in)；換能器頻率，15～18 kHz；最高測(cè)速，700 m/h（時(shí)差模式）、550 m/h（CBL模式）。

2 儀器原理

該儀器有兩種測(cè)井模式，時(shí)差模式和CBL模式。在時(shí)差模式下：SHRA聲波測(cè)井儀由遙測(cè)儀器TGR發(fā)送一握手信號(hào)來(lái)控制發(fā)射電路及時(shí)序電路，由共用電子線路2發(fā)送接收選擇控制信號(hào)及增益控制信號(hào)來(lái)控制接收換能器的選擇及信號(hào)的增益。聲波信號(hào)輸出到TGR，經(jīng)功放后傳至地面系統(tǒng)。在CBL模式下：TGR每20 ms給SHRA提供一個(gè)握手信號(hào)，控制發(fā)射一次。地面下傳的控制命令經(jīng)信號(hào)處理電路解碼，用作接收選通。原理框圖見(jiàn)圖2。

圖2 SHRA扇區(qū)聲波總方框圖

儀器信號(hào)上傳總時(shí)序：儀器一個(gè)總的工作循環(huán)分為11個(gè)周期，同步頭為先負(fù)后正，分別是八個(gè)扇區(qū)、3 ft、校驗(yàn)、5 ft周期。每個(gè)周期前接收一次對(duì)應(yīng)的530命令，并在530握手信號(hào)下降沿出現(xiàn)后延遲400 μs開(kāi)始，握手信號(hào)出現(xiàn)的間隔為20 ms。見(jiàn)圖3。

圖3 總時(shí)序

儀器發(fā)射、接收時(shí)序：儀器在每個(gè)周期同步頭后100 μs時(shí)開(kāi)始發(fā)射；八扇區(qū)信號(hào)在8個(gè)扇區(qū)周期同步頭后200～450 μs間接收；3 ft、5 ft信號(hào)分別在其周期同步頭后250 μs～1.3 ms間接收；校驗(yàn)信號(hào)出現(xiàn)在校驗(yàn)周期同步頭后400～500 μs間接收；溫度信號(hào)出現(xiàn)在校驗(yàn)周期同步頭后600～1200 μs之間，它以600 μs處為0℃基準(zhǔn)，每1℃向后位移3 μs，寬度為10 μs的負(fù)脈沖；伽瑪、中子信號(hào)在每個(gè)周期同步頭后的3.3～19 ms間接收，伽瑪為負(fù)脈沖、中子信號(hào)為正脈沖。見(jiàn)圖4。

圖4 發(fā)射、接收時(shí)序

3 測(cè)量原理及實(shí)例

發(fā)射探頭距扇區(qū)接收探頭的源距1.5 ft，距接收探頭R5、R1的源距分別為3 ft和5 ft，溫度探頭TEMP在聲系的最下端。發(fā)射探頭由兩個(gè)徑向極化的全電極換能器組成。扇區(qū)接收探頭是由8對(duì)徑向探頭組成，每個(gè)探頭覆蓋套管周長(zhǎng)的45o徑向范圍，將圓周分為八個(gè)扇區(qū)。而且距發(fā)射探頭只有1.5 ft，因此，水泥膠結(jié)中井周各方位很小的問(wèn)題都很容易被發(fā)現(xiàn)。扇區(qū)膠結(jié)圖的陰影等級(jí)及解釋方法如圖5、表1所示。

圖5 扇區(qū)膠結(jié)圖的陰影級(jí)

表 1灰度等級(jí)解釋方法

33 fftt、 55 ff tt接收探頭分別接收聲幅（CBL）、變密度（VDL）信號(hào)。CBL是反映第一界面套管的首波幅度隨深度變化的曲線[4]，在自由套管中首波幅度標(biāo)定為100%，以此計(jì)算在水泥膠結(jié)套管中實(shí)測(cè)的首波幅度的衰減率，得到第一界面的膠結(jié)指數(shù)。VDL可以定性分析反映第二界面膠結(jié)質(zhì)量好壞。當(dāng)?shù)诙缑婺z結(jié)好時(shí)，在VDL中有明顯清晰的地層波明暗條紋。VDL曲線中有弱的套管波和強(qiáng)的地層波時(shí)，證明兩個(gè)界面都膠結(jié)良好。對(duì)于地層間竄槽，如果是由于水泥和地層之間膠結(jié)不好所致，CBL是測(cè)不出來(lái)的，VDL可根據(jù)地層波和套管波的明暗條紋定性的判斷竄槽層段。

八扇區(qū)膠結(jié)成像圖在管外有水泥膠結(jié)呈黑色，反之呈白色。 聲幅 、變密度曲線在管外有水泥膠結(jié)聲幅數(shù)值低、地層波信息強(qiáng)，反之無(wú)水泥膠結(jié)或水泥膠結(jié)不理想。圖6為測(cè)井曲線實(shí)例，圖中2962～2964 m顯示套管外水泥膠結(jié)質(zhì)量較差，扇區(qū)最大、最小、平均的聲幅曲線與常規(guī)3 ft聲幅曲線有一定的對(duì)應(yīng)性，灰度圖像呈淺白，水泥膠結(jié)質(zhì)量顯示直觀明顯。

圖6 測(cè)井曲線灰度圖像

4 結(jié)束語(yǔ)

扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀是新一代徑向固井質(zhì)量評(píng)價(jià)測(cè)井儀器，它可以從水泥環(huán)徑向和縱向兩個(gè)方向來(lái)評(píng)價(jià)水泥膠結(jié)質(zhì)量，包含了聲幅變密度測(cè)井的所有信息，并能詳細(xì)地評(píng)價(jià)第一界面在360o的膠結(jié)情況，為分析儲(chǔ)層管外水泥膠結(jié)狀況奠定了良好的基礎(chǔ)；扇區(qū)聲波源距短，測(cè)量結(jié)果不受快速地層的影響，并適合井內(nèi)各種流體。扇區(qū)儀器可與陀螺測(cè)斜儀配接而獲取了方位信息，可直觀發(fā)現(xiàn)井下水泥環(huán)中出現(xiàn)的空洞或裂縫，井下生產(chǎn)作業(yè)隊(duì)對(duì)可能造成竄槽的具體層面、方位進(jìn)行射孔，填補(bǔ)水泥，這將大大地節(jié)約生產(chǎn)成本。

[1] 趙晨光. 八扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井技術(shù)及應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報(bào), 2009,31(1):237-239.

[2] 金志宏. 扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井及信號(hào)處理方法[J].石油儀器，2010, 24(5):15-17.

[3] 章成廣. 聲波測(cè)井原理與應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2009.

[4] 洪有密. 測(cè)井原理與綜合解釋[M].北京:石油大學(xué)出版社,1993.