曾桂紅

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司, 黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

水平井分段大規(guī)模壓裂方案設(shè)計(jì)過(guò)程中,除考慮砂體鉆遇、儲(chǔ)層物性、地應(yīng)力分布等情況外,還需要關(guān)注待壓裂井段的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)資料。國(guó)內(nèi)外均采用適用于垂直井的水泥膠結(jié)測(cè)井技術(shù)[1]與水平井井下輸送工藝組合對(duì)水平井段的固井質(zhì)量作出評(píng)價(jià)。針對(duì)垂直井中使用的測(cè)井儀器刻度方法在水平井中不適應(yīng)問(wèn)題,研究了基于井孔聲場(chǎng)數(shù)值模擬的扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀器等價(jià)刻度方法,解決了測(cè)井儀器在垂直段刻度、在水平段測(cè)量2種環(huán)境不匹配問(wèn)題[2]。與垂直井段測(cè)井儀器居中相比,水平井段測(cè)井儀器向下偏心,造成了井孔聲場(chǎng)的非對(duì)稱(chēng)[3],記錄到的聲場(chǎng)信息與固井質(zhì)量之間的關(guān)系也發(fā)生變化,基于垂直井、儀器居中、對(duì)稱(chēng)聲場(chǎng)模型的資料解釋模型,不能適用于水平井、儀器偏心、非對(duì)稱(chēng)聲場(chǎng)固井質(zhì)量測(cè)井資料解釋,問(wèn)題的關(guān)鍵在于需要水平井段測(cè)井儀器的偏心校正技術(shù)。

1 測(cè)井儀器偏心對(duì)井孔聲場(chǎng)的影響

1.1 測(cè)井儀器水平放置存在向下偏心現(xiàn)象

扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀器(SBT)長(zhǎng)約6 m,外徑86 mm,重量約95 kg。在垂直井和小角度斜井中,扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀器上的扶正器能夠保證測(cè)井儀器的居中狀態(tài),但在水平井段和大斜度井段,儀器的聲系部分刻槽隔聲,強(qiáng)度變?nèi)?在重力作用下會(huì)存在向下偏心現(xiàn)象。從地面觀察,不管使用滾輪式扶正器還是鋼片式扶正器,儀器聲系部分明顯向下彎曲。如果在水平井段儀器貼靠套管測(cè)井,取得的資料質(zhì)量將會(huì)受到嚴(yán)重影響。

測(cè)井儀器在井下水平段的情況應(yīng)與地面平放觀察的情況相似,在垣平1-×井進(jìn)行扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井(RIB)試驗(yàn),RIB測(cè)井采用1發(fā)8收的扇區(qū)分區(qū)方式,記錄8組沿儀器周?chē)煌轿粋鞑サ幕夭ā?組首波回波到時(shí)在垂直井段8扇區(qū)到時(shí)曲線(xiàn)緊密靠攏,到時(shí)基本一致,說(shuō)明測(cè)井儀器處于居中狀態(tài);在水平井段8扇區(qū)到時(shí)曲線(xiàn)相對(duì)分散,到時(shí)存在明顯差異,說(shuō)明測(cè)井儀器處于偏心狀態(tài)。這一試驗(yàn)證實(shí)了井下水平井段確實(shí)存在儀器偏心現(xiàn)象。

1.2 測(cè)井儀器偏心對(duì)井孔聲場(chǎng)及資料解釋的影響

圖1 測(cè)井儀器平行偏心時(shí)3 ft接收距全波列

研究考慮平行偏心的影響。按照水平井井孔實(shí)際參數(shù),建立柱狀多層井孔聲場(chǎng)理論模型,采用應(yīng)力速度有限差分方法[4],計(jì)算自由套管狀態(tài)、不同偏心距下的3 ft*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同接收距全波列(見(jiàn)圖1),可以看出,儀器偏心對(duì)井孔聲場(chǎng)的影響較大,隨偏心距增大,套管波到時(shí)提前、套管波幅度降低。套管波幅度隨偏心距的變化與文獻(xiàn)[5]中得到的規(guī)律相同。本文計(jì)算采用的是柱狀聲源,文獻(xiàn)[5]中采用的是點(diǎn)狀聲源,使得套管波幅度隨偏心距變化的在數(shù)值上有所差異。

測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)操作確定測(cè)量時(shí)窗時(shí),注意套管波到時(shí)提前問(wèn)題;偏心造成套管波幅度降低。資料解釋方法是利用套管波幅度或通過(guò)其計(jì)算的水泥膠結(jié)指數(shù)(BI)評(píng)價(jià)固井質(zhì)量的好中差。按照固井第Ⅰ界面解釋標(biāo)準(zhǔn),0.0≤BI<0.4解釋為膠結(jié)差,0.4≤BI<0.8解釋為膠結(jié)中等,0.8≤BI<1.0解釋為膠結(jié)好,偏心造成套管波幅度低導(dǎo)致固井質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果偏好、過(guò)于樂(lè)觀。

2 解決儀器向下偏心思路與實(shí)現(xiàn)

2.1 測(cè)井儀器硬件扶正

聲波測(cè)井儀器有鋼片式扶正器,可從2個(gè)方面改善扶正效果:①選用支撐強(qiáng)度較大的輪式扶正器;②合理安排在輸送裝置與儀器形成的測(cè)井串中的位置,原則是扶正器位置靠近聲系,使得測(cè)井聲系部分盡量居中。在采用牽引器輸送方式時(shí),把高支撐強(qiáng)度、低運(yùn)動(dòng)阻力的輪式扶正器安裝在扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀器的上部和下部,把扶正器的強(qiáng)度和彈性調(diào)節(jié)到滿(mǎn)足儀器在井下相對(duì)居中、產(chǎn)生的額外阻力小于牽引器的輸送力的要求,保證儀器順利起下。保證儀器完全居中還需要進(jìn)一步的軟件校正。

2.2 扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井軟件校正方法

扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井有2、3、5 ft 共3組換能器,分析測(cè)井聲系傳感器空間排布特點(diǎn),發(fā)射器與8扇區(qū)接收器連線(xiàn)基本重合于發(fā)射器與3 ft接收器線(xiàn)連線(xiàn),8發(fā)8收傳感器組源距較小(2 ft),且不同方位傳感器接收的波到時(shí)與幅度對(duì)儀器偏心最為敏感?？衫眠@些確定偏心程度,對(duì)水泥膠結(jié)質(zhì)量解釋的關(guān)鍵參數(shù)3 ft接收的套管波幅度進(jìn)行偏心校正。

2.2.1 利用八扇區(qū)到時(shí)、幅度反演儀器偏心程度

利用有限差分模擬軟件對(duì)非對(duì)稱(chēng)聲場(chǎng)進(jìn)行了大量的模擬計(jì)算,對(duì)儀器偏心時(shí)扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井八扇區(qū)套管波的到時(shí)和幅度分析發(fā)現(xiàn),儀器偏心,扇區(qū)套管波到時(shí)具有很好的規(guī)律性。圖2(a)為儀器偏心模型,角度θ為換能器與偏心方向的夾角,dr為儀器偏心距,數(shù)字1～8為8對(duì)扇區(qū)換能器編號(hào)。數(shù)值模擬自由套管、不同偏心距下扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井各方位換能器接收的全波列,提取首波到時(shí)及幅度。圖2(b)給出了首波到時(shí)隨換能器方位變化情況,極坐標(biāo)徑向?yàn)榈綍r(shí)(ms),周向?yàn)閾Q能器方位(°),偏心距分別為2、6、10、14、18 mm。

圖2 不同偏心距下扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井首波到時(shí)隨換能器方位的變化規(guī)律

圖2中,儀器居中時(shí)提取的各方位首波到時(shí)相同(黑線(xiàn)園),儀器偏心后,到時(shí)隨方位的變化正好給出一個(gè)偏心的圓,其偏心程度正比于儀器的偏心距。這與經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)相符合,因?yàn)閵A角越大,換能器更靠近套管的中心、越遠(yuǎn)離套管壁,套管波在井中流體中走時(shí)越長(zhǎng),套管波到時(shí)的變化呈現(xiàn)出夾角越大到時(shí)越晚(極限為180°),對(duì)不同的偏心距離,套管波到時(shí)的變化都呈現(xiàn)相似的規(guī)律,偏心距離越大,這一規(guī)律越明顯。水泥環(huán)膠結(jié)狀況(這是未知的、待反演的信息)對(duì)不同方位的換能器接收的套管波到時(shí)影響很小,可以忽略,套管波到時(shí)作為偏心程度反演研究首選對(duì)象。

分別采用8扇區(qū)套管波到時(shí)、幅度2個(gè)測(cè)井信息進(jìn)行儀器偏心距(dr)反演,對(duì)合成數(shù)據(jù)的偏心系數(shù)反演結(jié)果見(jiàn)表1,利用到時(shí)信息反演誤差均為0,利用幅度信息反演偏心距離誤差最大為2 mm。

表1 合成數(shù)據(jù)儀器偏心距離反演結(jié)果

2.2.2 套管波幅度與儀器偏心程度的量化關(guān)系及偏心校正

針對(duì)自由套管模型,利用有限差分方法模擬計(jì)算不同偏心距下扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀器3 ft接收器接收的全波列,讀取套管波首波幅度,見(jiàn)圖3中黑線(xiàn)?？梢钥闯?居中狀態(tài)(偏心距為0 mm)套管波幅度最大,隨偏心距的增大,套管波幅度值單調(diào)降低。為探究本文柱源模型數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[5]中用點(diǎn)源模擬結(jié)果規(guī)律相同、但數(shù)值上存在差異問(wèn)題,對(duì)3 ft套管波幅度隨偏心距離變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究(見(jiàn)圖3)。圖3中紅、綠、藍(lán)線(xiàn)分別為3個(gè)模型井實(shí)驗(yàn)結(jié)果,偏心實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果相互印證,充分說(shuō)明了模擬結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

圖3 3 ft接收器偏心實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

上述數(shù)值模擬分析及偏心實(shí)驗(yàn)均得到了3 ft聲幅隨偏心系數(shù)的變化規(guī)律,對(duì)圖3中所有數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀器偏心校正系數(shù)函數(shù)為

f(dr)=p1dr3+p2dr2+p3dr+p4

(1)

式中,dr為儀器偏心距,mm;p1=1.296e-5,p2=-2.768e-4,p3=-3.239e-2,p4=0.9992。

儀器偏心校正利用扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井8扇區(qū)測(cè)井套管波幅度或到時(shí)信息,反演測(cè)井深度點(diǎn)儀器偏心系數(shù)dr,帶入偏心校正系數(shù)函數(shù)f(dr),實(shí)測(cè)3 ft聲幅除以校正系數(shù)值就為儀器居中狀態(tài)下3 ft聲幅值,利用歸位之后的3 ft聲幅值計(jì)算水泥膠結(jié)指數(shù)BI,按照現(xiàn)行的水泥膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)解釋。

3 ft聲幅隨偏心距dr單調(diào)且近似線(xiàn)性變化,不會(huì)存在較大誤差,聲幅校正的精度取決于偏心距的反演精度。根據(jù)前述偏心距反演數(shù)值模擬考察情況可知,硬件扶正將偏心距控制在18 mm以?xún)?nèi)時(shí),偏心距最大反演誤差2 mm,對(duì)應(yīng)3 ft聲幅校正誤差為6.3%,這在工程上可以接受。

3 偏心校正技術(shù)應(yīng)用情況

將基于扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀器的偏心校正方法編制成軟件,作為一個(gè)預(yù)處理模塊嵌在固井質(zhì)量評(píng)價(jià)測(cè)井解釋軟件中。從2007年底開(kāi)始,在南272-平××等81口水平井固井質(zhì)量測(cè)井資料解釋中應(yīng)用,解決了水平井聲波固井質(zhì)量測(cè)井中儀器偏心問(wèn)題,固井質(zhì)量解釋結(jié)果更加合理。

南272-平××井,2009年3月進(jìn)行扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井。水平井段選擇不同膠結(jié)狀況的3段,分析說(shuō)明儀器偏心距反演及套管波首波幅度校正情況(見(jiàn)圖4)。在水平井段檢測(cè)到的偏心距均小于8 mm,這說(shuō)明對(duì)儀器串采取的硬扶正措施是有效的。在膠結(jié)好、膠結(jié)中等、膠結(jié)差井段對(duì)套管波幅度進(jìn)行偏心校正,校正量明顯(圖4中藍(lán)線(xiàn)CBL為校正前、紅線(xiàn)CBLcor為校正后),校正前后計(jì)算的水泥膠結(jié)指數(shù)BI有著明顯的差別(圖4中藍(lán)線(xiàn)BI為校正前、紅線(xiàn)BIcor為校正后)。同樣按照固井第Ⅰ界面解釋標(biāo)準(zhǔn),部分井段將得出完全不同的結(jié)論。同等膠結(jié)狀態(tài)下,儀器偏心造成套管波幅度偏低,導(dǎo)致固井質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果偏好,這是儀器偏心造成的假象。經(jīng)偏心校正后,套管波幅度較校正前高,表面上看,偏心校正技術(shù)評(píng)價(jià)固井質(zhì)量偏嚴(yán),但這確是對(duì)實(shí)際井下情況的真實(shí)反映。

水平井扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井偏心校正技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。對(duì)2009、2010年水平井固井質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(50口)的測(cè)井評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),測(cè)井井段總計(jì)62 703 m,其中固井質(zhì)量評(píng)價(jià)好井段占46.8%,中等41.3%,差11.9%。這一結(jié)果得到了大慶油田相關(guān)部門(mén)的認(rèn)同。

圖4 南272-平××井水平段儀器偏心距及校正前后聲幅值、水泥膠結(jié)指數(shù)對(duì)比

4 結(jié) 論

(1) 在水平井段,扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀器存在明顯向下偏心現(xiàn)象,對(duì)固井質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大。

(2) 扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井8扇區(qū)源距小,不同方位傳感器接收的波到時(shí)與幅度對(duì)儀器偏心敏感,可用于儀器偏心距反演。

(3) 扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀器3 ft接收器套管波首波幅度隨偏心距的增大而降低,通過(guò)對(duì)套管波幅度與儀器偏心程度數(shù)據(jù)擬合,可得扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀器偏心校正系數(shù)。

(4) 應(yīng)用扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井偏心校正技術(shù),對(duì)南272-平××等81口水平井測(cè)井曲線(xiàn)處理解釋,水平井段固井質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果更接近井下實(shí)際情況。

參考文獻(xiàn):

[1] 喬賀堂. 生產(chǎn)測(cè)井原理及資料解釋 [M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 1992: 190-204.

[2] 董蘭芳. 扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀在水平井中刻度方法及應(yīng)用效果分析 [J]. 測(cè)井技術(shù), 2015, 39(3): 335-338.

[3] Song RuoLong, Liu JiSheng, Lv XiuMei, et al. Effects of Tool Eccentralization on Cement-bond-log Measurements: Numerical and Experimental Results [J]. Geophysics, 2013, 78(4): 181-191.

[4] 劉繼生. 套管井軸對(duì)稱(chēng)與非軸對(duì)稱(chēng)聲場(chǎng)數(shù)值模擬及固井質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法研究 [D]. 長(zhǎng)春: 吉林大學(xué), 2000: 16-51.

[5] Smolen. Cased Hole and Production Log Evaluation [M]. Tulsa, Oklahoma: Pennwell Publishing Co., 1996: 161-163.