康建云, 張國軼, 劉丹陽, 彭華君

(中石化西南石油工程公司測井分公司, 四川 成都 610100)

0 引 言

深井、超深井的油氣勘探和開發(fā)采用雙層套管甚至多層套管的完井方式越來越普遍。受雙層套管聲波傳播路徑以及多個界面反射造成的波列疊加影響,雙層套管固井質(zhì)量評價一直是個難題。雙層套管固井CBL-VDL測井資料的可靠程度更是直接影響了固井質(zhì)量的評價。雙層套管CBL-VDL測井只有首波才真實反映了內(nèi)層套管與水泥環(huán)的膠結(jié)情況,第2、3道波雖然也為套管波,但極有可能為外層套管波和內(nèi)層套管波的疊加。實際操作中,當測量井段內(nèi)固井質(zhì)量較好、無自由套管,因首波幅度較小,以及測井對雙層套管內(nèi)、外層套管波疊加現(xiàn)象認識的不足,容易導致首波誤判而套第2甚至第3道波進行CBL-VDL測井,一定程度影響了測井資料的可靠性和固井質(zhì)量的評價。前人對雙層套管井聲傳播特征和固井質(zhì)量評價作過很多有益的分析,Tang X M等[1]詳細介紹了聲波測井的基本理論;黃文新等[2]用柱狀多層理論模型計算并繪制了不同膠結(jié)狀況下聲波全波波形圖,為雙層套管固井質(zhì)量評價提供了較好的依據(jù);聶建山等[3]通過分析各界面不同膠結(jié)狀況的波形特征,提出了雙層套管固井質(zhì)量評價方法。雙層套管固井質(zhì)量的評價方法較為成熟,但對雙層套管固井測井的影響因素及質(zhì)量控制研究較少。本文基于前人雙層套管井聲波傳播理論,將套首波和套第2道波得到的測井資料進行對比,闡述套第2道波進行CBL-VDL測井對測井資料和固井質(zhì)量評價的影響,為雙層套管固井的測井操作和固井質(zhì)量評價提供一定的依據(jù)。

1 雙層套管聲傳播特征

1.1 聲波在雙層套管中的傳播路徑

CBL-VDL測井儀一般采用單發(fā)雙收聲系,發(fā)射器T發(fā)射聲波頻率為20 kHz(周期為50 μs),源距分別為3 ft*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同和5 ft的2個接收器R1、R2,分別接收聲波沿套管滑行和地層反射回來的2個全波列。R1接收到的全波列首波信號幅度經(jīng)刻度后即為CBL值,R2接收到的全波列正半周的幅度轉(zhuǎn)變成正比的灰度信號即為VDL信號[4-6](見圖1)。

圖1 聲波在雙層套管中的傳播路徑示意圖

雙層套管內(nèi)層套管滑行波的傳播路徑為T—A—B—R1,外層套管滑行波的傳播路徑為T—A—C—D—B—R1。內(nèi)層套管波首波到達時間為

t1=D1×Δtf+L×Δtc

(1)

式中,D1為內(nèi)層套管直徑,m;L為源距,CBL波列源距3 ft取值0.914 4 m;Δtf為泥漿的聲波時差,取均值約為667 μs/m;Δtc為套管的聲波時差,取均值約為187 μs/m。

外層套管波首波到達時間為

t2=D1×Δtf+(D2-D1)×Δth+L×Δtc

(2)

式中,D2為外層套管直徑,m;Δth為水泥環(huán)的聲波時差,取經(jīng)驗值約為357 μs/m。

內(nèi)、外層套管首波到達時間差為(D2-D1)×Δth,以內(nèi)層193.7 mm套管、外層273.1 mm套管為例,內(nèi)、外層套管波到時差約為28 μs。全波列的前3道波列反映為套管波,若內(nèi)、外層套管波到時差約半個周期發(fā)生波列疊加后,接收器R1接收到的全波列只有首波幅度反映為內(nèi)層套管與水泥環(huán)的膠結(jié)情況,而第2、3道波為內(nèi)層套管波和外層套管波的綜合信息,一定程度上反映了外層套管與水泥環(huán)膠結(jié)情況[7-9]。

1.2 內(nèi)、外層套管波疊加對波列的影響

當內(nèi)層套管與水泥環(huán)膠結(jié)中-好(聲耦合較好)、外層套管與外層水泥環(huán)膠結(jié)差-中(聲耦合較差),外層套管波與內(nèi)層套管波易發(fā)生波列疊加現(xiàn)象。根據(jù)同心層狀地層模型,井外套管及套管外面的水泥層可以用井和地層介質(zhì)之間的同心圓柱層模擬;當水泥膠結(jié)情況不好時,可以用套管與水泥之間或水泥與地層之間加一液體層模擬[1-2]。儀器接收到反射波的聲壓,有

(3)

式中,r為井眼半徑;z為源距;s(ω)為聲源頻譜函數(shù);B1為與井中勢函數(shù)有關的非零常數(shù),可由邊界條件確定;I0為第Ⅰ類變型貝塞爾函數(shù);K為波數(shù)的軸向分量;Kcl為井內(nèi)流體縱波波數(shù)的徑向分量。

1.2.1 內(nèi)、外層套管波疊加導致的波列前移現(xiàn)象

圖2為內(nèi)、外層套管波發(fā)生疊加時經(jīng)計算的聲波波形及簡化理論模型,其中圖2(a)雙層套管模型為內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)好而外層套管水泥環(huán)膠結(jié)差且內(nèi)外層套管波到時相差約半個周期;單層套管模型為套管直徑與雙層套管的內(nèi)層套管直徑一樣,且水泥完全膠結(jié)好。從單層套管聲波波形可以看出,在約300 μs時出現(xiàn)了能量非常弱的套管波,400 μs和550 μs左右出現(xiàn)了地層縱波和橫波,波形特征明顯;而雙層套管模型聲能的傳播途徑主要為內(nèi)層套管→內(nèi)層水泥環(huán)→外層套管,大部分聲能在外層套管中傳播,因此內(nèi)層套管波列幅度很小,外層套管波列較強。外層套管波首波到達時間約為325 μs,內(nèi)、外層套管波疊加而成的波列相對于單層套管聲波波形而言,首波缺失,第2、3道波出現(xiàn)了明顯的前移現(xiàn)象。

圖2 內(nèi)、外層套管波疊加的計算聲波波形及簡化模型

1.2.2 內(nèi)、外層套管波疊加導致的波列畸變現(xiàn)象

圖2(b)雙層套管模型為內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等,外層套管水泥環(huán)膠結(jié)差且內(nèi)、外層套管波到時差大于半個周期;單層套管模型為套管直徑與雙層套管的內(nèi)層套管直徑一樣,且套管與水泥環(huán)膠結(jié)中等。單層套管聲波波形顯示,約300 μs時出現(xiàn)了較小的套管波波列,持續(xù)時間較長,約550 μs時出現(xiàn)了地層橫波。而雙層套管模型因內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等,內(nèi)層套管和水泥環(huán)的聲耦合一般,聲能部分在內(nèi)層套管中傳播,內(nèi)層套管波有一定幅度,部分聲能沿內(nèi)層套管→內(nèi)層水泥環(huán)→外層套管傳播,聲波能量衰減較大,外層套管波幅度較小。內(nèi)、外層套管波疊加而成的波列相對于單層套管聲波波形其首波到達時間基本一致,第2道波出現(xiàn)了明顯的畸變現(xiàn)象。

實際測井資料中的內(nèi)、外層套管波疊加導致波列前移或者畸變的現(xiàn)象也比較常見。××2井272～297 m井段一開固井CBL-VDL資料顯示該段外層套管與水泥環(huán)膠結(jié)中-差,二開固井CBL-VDL資料顯示內(nèi)層套管與水泥環(huán)膠結(jié)程度中等,內(nèi)、外層套管波發(fā)生了波列疊加現(xiàn)象,第2道波前移現(xiàn)象明顯(見圖3)。

圖3 ××2井內(nèi)、外層套管波疊加導致的波列前移現(xiàn)象

××2井1 144～1 151 m井段資料顯示外層套管水泥環(huán)中等膠結(jié),內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等,內(nèi)、外層套管波的疊加導致第2道波發(fā)生了明顯的畸變現(xiàn)象(見圖4,圖4中全波列均用的是5 ft變密度波列,內(nèi)、外層套管波疊加對3 ft聲幅波列的影響是一樣的)。

圖4 ××2井內(nèi)、外層套管波疊加導致的波列畸變現(xiàn)象

1.3 雙層套管固井對測井操作的要求

實際操作中套第2道波進行測井不僅可能導致測值不準,難以反映內(nèi)層套管與水泥環(huán)的膠結(jié)情況,而且由于內(nèi)、外層套管波疊加導致的波列前移和畸變現(xiàn)象,也難以保證準確的套第2道波,更是直接影響了測井資料的可靠性。

雙層套管CBL-VDL測井準確套首波是取得可靠、高質(zhì)量的資料的關鍵。儀器刻度首先需計算好內(nèi)層套管波首波到達時間,使用合適增益使首波較易識別但又不至于限幅,并盡量減小門寬寬度(以免套到因內(nèi)、外層套管波疊加而導致的波列前移的第2道波)。CBL波列套管波首波到達時間的計算參考式(1),常用套管的波列首波到達時間見表1。

表1 常見套管首波到達時間表

2 雙層套管固井套首波與套第2道波測井資料對比

2.1 套第2道波測井資料的獲得

進行測井資料對比井的選擇原則是測井儀器居中良好(排除因儀器偏心導致的波列扭曲變形的影響)、測井資料質(zhì)量高、雙層套管段有自由套管,且聲幅曲線有高、中、低值(水泥環(huán)與內(nèi)層套管膠結(jié)好、中、差兼顧)。套第2道波聲幅變密度測井資料采用曲線回放方式獲得,操作時根據(jù)套管直徑設定好波至時間和固定門寬,使聲幅曲線準確套住第2道套管波,并在雙層套管自由套管井段重新刻度,刻度值與套首波時基本保持一致。通過回放獲得的聲幅變密度測井資料與測井現(xiàn)場套首波取得的資料進行對比,以期得出套第2道波測井在不同情況下對CBL測值及固井質(zhì)量評價的影響。

2.2 套首波與套第2道波測井資料對比

××2井273～307 m井段內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等,外層套管水泥環(huán)膠結(jié)中—差,內(nèi)、外層套管波均較強,變密度全波列顯示內(nèi)、外層套管波有較明顯的疊加作用,第2、3道波前移現(xiàn)象明顯,套第2道波測井CBL值明顯高于套首波時的CBL(見圖5)。

圖5 ××2井套首波和套第2道波測井資料對比圖

××3井367～400 m井段內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)好,外層套管水泥環(huán)膠結(jié)差-中等,內(nèi)層套管波微弱,外層套管波較強,變密度全波列顯示內(nèi)、外層套管波疊加作用明顯,第2、3道波明顯前移,基本反映為外層套管波(第2道波與外層首波在形態(tài)上也具有一定的相似性)。套第2道波聲幅曲線值略高于套首波的聲幅值(見圖6)。

圖6 ××3井套首波和套第2道波測井資料對比圖

2.3 內(nèi)、外層套管波疊加的幾種情況及對CBL曲線的影響

內(nèi)、外層套管波疊加可能出現(xiàn)的幾種情況,①自由套管:當內(nèi)層套管為自由套管,聲波能量僅沿內(nèi)層套管傳播,不存在內(nèi)、外層套管波的疊加作用,第2、3道波反映內(nèi)層套管波;②內(nèi)中差外好:內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等或差,外層套管水泥環(huán)膠結(jié)好,聲波能量主要沿內(nèi)層套管傳播,外層套管波極微弱,內(nèi)、外層套管波的疊加作用可忽略,第2、3道波主要反映內(nèi)層套管波;③內(nèi)外均好:內(nèi)、外層套管與水泥環(huán)均膠結(jié)好,大部分聲波能量沿地層傳播,內(nèi)、外層套管波均極弱,可以不考慮內(nèi)外層套管波的疊加作用;④內(nèi)中外中差:內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等,外層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等或差,內(nèi)、外層套管波疊加較為明顯,第2、3道波可能出現(xiàn)前移,也有可能出現(xiàn)疊加后波形畸變的現(xiàn)象;⑤內(nèi)好外中差:內(nèi)層套管水泥環(huán)膠結(jié)好,外層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等或差,內(nèi)層套管波極微弱,第2、3道波基本上反映外層套管波,并會出現(xiàn)第2、3道波前移現(xiàn)象[6-8]。

外層套管與水泥環(huán)的膠結(jié)狀況很大程度上決定了內(nèi)、外層套管波是否會發(fā)生疊加作用。①、②、③的3種情況為自由套管或者外層套管水泥環(huán)膠結(jié)好,不存在或者可忽略內(nèi)、外層套管的疊加作用, 前

3道波列均反映內(nèi)層套管波,套首波和套第2道波測井對CBL曲線影響不明顯;④和⑤的2種情況為外層套管水泥環(huán)膠結(jié)中等或差,由于內(nèi)、外層套管波的疊加作用,第2、3道波可能出現(xiàn)前移、畸變現(xiàn)象,套首波和套第2道波測井CBL曲線差別較大,且普遍表現(xiàn)為套第2道波聲幅值高于套首波時的聲幅值。

2.4 套第2道波測井對單層套管CBL曲線的影響

在資料對比過程中發(fā)現(xiàn),若套第2道波回放測井采用和套首波時相同的增益,雙層自由套管段采用基本一致的刻度會導致單層套管處的聲幅值整體偏低(可能由于雙層套管井段因存在多個反射界面,界面聲阻抗大,造成第2道波能量在雙層套管井段大于相同膠結(jié)程度的單層套管),特別是對單層套管固井質(zhì)量中等-差的井段影響較大,套第2道波容易導致固井質(zhì)量差的井段表現(xiàn)為固井質(zhì)量中等,固井質(zhì)量中等表現(xiàn)為固井質(zhì)量優(yōu)的假象,從而造成單層套管的固井質(zhì)量解釋偏好的情況。

3 結(jié) 論

(1) 當內(nèi)層套管與水泥環(huán)膠結(jié)中—好、外層套管與外層水泥環(huán)膠結(jié)差—中,外層套管波與內(nèi)層套管波易發(fā)生波列疊加現(xiàn)象。波列疊加對內(nèi)層套管波首波沒有影響,但第2、3道波由于疊加作用相對內(nèi)層套管波會出現(xiàn)前移或者畸變現(xiàn)象。

(2) 雙層套管井段聲幅變密度測井資料只有首波幅度反映內(nèi)層套管與水泥環(huán)的膠結(jié)情況,套第2道波測井會導致雙層套管內(nèi)、外層套管波發(fā)生疊加的井段聲幅值偏高,單層套管井段聲幅值整體偏低,影響了固井質(zhì)量的準確評價。

(3) 雙層套管聲幅變密度測井準確套住首波是取得可靠、高質(zhì)量資料的關鍵。

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