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        固井質(zhì)量評價影響因素分析

        2024-04-11 11:34:14付志威萬靜
        石化技術(shù) 2024年3期
        關(guān)鍵詞:首波固井幅度

        付志威 萬靜

        長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院 湖北 武漢 430100

        固井質(zhì)量檢查主要是水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評價,即評價套管與水泥環(huán)(第一界面)、水泥環(huán)與地層(第二界面)的膠結(jié)情況[1]。固井質(zhì)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(hù)井筒的完整性、并預(yù)防油氣和水的泄露。

        1 固井質(zhì)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(jié)測井的儀器采用單發(fā)雙收結(jié)構(gòu),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(fā)射聲波,并記錄聲波在井內(nèi)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(huán)之間的剪切耦合情況。當(dāng)水泥膠結(jié)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?;谶@一現(xiàn)象,可以計算套管外部水泥的膠結(jié)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(qū)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(jié)情況,有助于探測竄槽和氣侵現(xiàn)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(shí)用性[2]。

        1.2 CBL/VDL 固井質(zhì)量特征提取

        采用初至波檢測方法、現(xiàn)代譜分析方法等技術(shù),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(dǎo)波等所有成分的特征,充分利用了全波列中與水泥膠結(jié)有關(guān)的所有信息。由這些信息得到的結(jié)果有:Ⅰ界面膠結(jié)指數(shù)、Ⅱ界面膠結(jié)指數(shù)、環(huán)空水泥充填率、各種譜特征值及相關(guān)函數(shù)特征值等。

        1.3 CBL/VDL 固井質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)

        固井質(zhì)量的評價通常通過CBL/VDL測井或聲幅測井來評價固井質(zhì)量。在國內(nèi),測井解釋工程師會根據(jù)中國石油天然氣總公司的標(biāo)準(zhǔn)對固井質(zhì)量進(jìn)行評價,結(jié)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(biāo)準(zhǔn)(見表1)。

        表1 中國石油天然氣總公司行業(yè)評價標(biāo)準(zhǔn)

        2 固井質(zhì)量的影響因素

        2.1 儀器

        2.1.1 儀器偏心

        當(dāng)儀器存在偏心時,套管波到達(dá)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(jié)果[5]。這種情況容易導(dǎo)致將固井質(zhì)量較差的井段錯誤地判定為固井良好,進(jìn)而影響到測井值的準(zhǔn)確性,無法準(zhǔn)確反映I界面的固井情況[6]。

        2.1.2 儀器刻度

        在進(jìn)行CBL/VDL測井之前,選擇與目標(biāo)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(zhǔn)確性直接依賴于自由套管的刻度。如果刻度不準(zhǔn)確,將直接導(dǎo)致首波振幅的誤差,從而影響最終的解釋結(jié)論。因此,確保使用準(zhǔn)確刻度的自由套管對于獲得準(zhǔn)確的首波振幅至關(guān)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(guān)系。在圖1(a)表明隨著套管直徑的增大,聲波在套管內(nèi)傳播路徑會發(fā)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(yīng)增加,導(dǎo)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(dá)時間。具體而言,大直徑套管的首波(套管波)會較晚到達(dá),而小直徑套管的首波則會提前到達(dá)。

        圖1 (a)套管波幅度與套管直徑關(guān)系 (b)套管波幅度與套管厚度關(guān)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(guān)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(yīng)增大。這意味著較厚的套管對聲波的傳播有更好的保護(hù)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(jìn)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(jié)果也導(dǎo)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(qiáng)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(zhì)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(zhì)量為完全膠結(jié),分析認(rèn)為產(chǎn)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(xiàn)高振幅值,會造成誤判,所以一般在固井后24~48小時進(jìn)行測井[6]。

        圖3 凝侯時間影響固井評價

        2.3.2 水泥環(huán)厚度

        見圖4(左),圖中的橫坐標(biāo)表示水泥環(huán)的厚度,縱坐標(biāo)表示經(jīng)實(shí)測地層波刻度后的地層波幅度(菱形是模擬值,方形是實(shí)測值)。數(shù)值模擬并擬合了6種水泥環(huán)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(shí)驗的可行性。在完全膠結(jié)好的情況下,地層波幅度隨著水泥環(huán)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(jié)時地層波幅度與水泥環(huán)厚度關(guān)系(5ft,泥巖)

        見圖4(右),四種巖性地層波幅度的校正圖版,進(jìn)一步驗證了準(zhǔn)確性。為了方便刻度,縱坐標(biāo)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(huán)厚度校正關(guān)系

        當(dāng)水泥環(huán)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(huán)厚度越薄,水泥固井測井曲線值越高,需參考對井徑曲線進(jìn)行檢測[6]。

        2.3.3 水泥密度

        在評價Ⅰ界面水泥膠結(jié)質(zhì)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(xiàn)實(shí)意義。如在實(shí)際鉆井中可能會產(chǎn)生擴(kuò)井或者縮井。模擬了四種泥漿密度時套管波幅度隨流體環(huán)隙變化的關(guān)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(shù)值模擬的各泥漿密度對應(yīng)的套管波幅度最大值,擬合關(guān)系見表2。從圖中可看出,隨著流體環(huán)隙的增大,套管波幅度增加,但當(dāng)流體環(huán)隙超過40mm以后,套管波幅度隨泥漿密度的變化趨于穩(wěn)定。此外,從圖中還可以看出,在相同環(huán)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(huán)隙寬度的關(guān)系(3ft)

        2.3.4 水泥微環(huán)間隙

        當(dāng)水泥凝侯時,體積會收縮,產(chǎn)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(huán)間隙,使聲波衰減值更小,進(jìn)而無法準(zhǔn)確識別地層波。當(dāng)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(zhǔn)確的了解實(shí)水泥膠結(jié)的實(shí)際情況,需要采用加壓測固井聲幅和變密度[10]。當(dāng)環(huán)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(dāng)存在微環(huán)隙時,根據(jù)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(huán)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(dāng)水泥扇形缺角小于某一臨界角時,SBT 衰減值波動,不能區(qū)分其膠結(jié)情況[11]。另外,當(dāng)有泥漿氣侵時,聲波能量會大大衰減,使得不良井段出現(xiàn)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(dá)接收器,導(dǎo)致了疊加和重疊。從而將地層波誤認(rèn)為套管波,造成對I界面固井質(zhì)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(jìn)行濾波處理,然后再使用常規(guī)的解釋方法來評價固井質(zhì)量。通過濾波處理,可以將地層波進(jìn)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(zhǔn)確地識別和分析套管波,并對固井質(zhì)量進(jìn)行合理的評估。這種濾波處理的方法在實(shí)際工程中被廣泛采用,可以提高對套管波的解釋準(zhǔn)確性,并減少對I界面固井質(zhì)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(jié)良好的情況下,變密度圖上出現(xiàn)信號弱的層段。所以在測井解釋時,要結(jié)合地層的性質(zhì)來判斷。在實(shí)際工作中,利用裸眼井的聲波數(shù)據(jù),能夠更有效地對這種地層情況進(jìn)行辨別。在更大的擴(kuò)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(chǎn)生不同的影響,首波套管波到達(dá)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(guān)。這意味著在判斷地層巖性時,首波套管波的到達(dá)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(qū)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(zhǔn)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(jìn)行識別。這可以幫助我們避免誤判,并準(zhǔn)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(jié)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(huán)厚度的不均勻會改變井內(nèi)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(chǎn)生小裂縫。在砂巖、泥巖地層進(jìn)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(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系,這是由于地層巖性變化導(dǎo)致的孔隙度和滲透率的影響[13]。

        3 結(jié)束語

        總體而言,為了提高固井的質(zhì)量,我們需要在施工過程中嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,并在評估和監(jiān)測各種因素方面進(jìn)行仔細(xì)的考慮。通過使用CBL/VDL測井或聲振幅測井技術(shù),我們可以全面了解固井的質(zhì)量狀況,并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砀纳乒叹Ч?。這將有助于確保井筒的完整性和固井性能的持久性。

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