扇区水泥胶结固井质量测井仪介绍及其应用分析

2014-12-23张嘉伟中海油田服务股份有限公司中国北京101149

科技视界 2014年3期

黄琳张嘉伟（中海油田服务股份有限公司，中国北京 101149）

0 引言

自从1903年在美国加利福利亚州劳木波斯油田第一次采用水泥浆注入井眼进行固井作业以来，石油工业界就一直关注固井质量。实践证明，利用地球物理测井可以迅速而经济地检查固井质量[1]。为了正确地分析试油结果，保证油气的分层测试和分层开采，石油工业界不仅需要弄清水泥胶结纵向上的不均匀性，也需要了解其环向上的胶结不均匀性。在这种情况下，既具有较高纵向分辨能力也具有较高环向分辨能力的扇区水泥胶结测井（Segmented Bond Tool，简称SBT），就应运而生了[2]。从二十世纪九十年代初中国海洋石油测井公司引进SBT以来，就开始了其现场应用和固井质量评价方法的研究。经过数年的不懈努力，在固井质量评价方面积累了较丰富的现场经验和一整套行之有效的方法。通过理论、实验和大量的固井质量评价现场验证资料的分析研究，在利用固井质量测井资料进行水泥环层间封隔能力评价研究等方面，取得了一系列重要研究成果，应用效果良好。

1 扇区水泥胶结固井质量测井仪简介

1.1 仪器测量原理

图1 扇区水泥胶结测井仪及其测量原理图

测量部分。衰减率测量部分：由推靠臂支撑的六个滑板组成。每个滑板上都安装一个声波发射换能器（T）和一个声波接收换能器（R）。滑板编号为奇数者（1、3、5）比偶数者（2、4、6）高出半个滑板长度，以便建立起螺旋状的双发双收补偿式套管波衰减率测量系统。衰减率测量间距随套管内径的增大而增大，对于外径小于9.625英寸（244毫米）的套管，间距一般为 0.65～0.73 英尺（19.8～22.3 厘米）。VDL 测量部分：由一个发射换能器和一个接收换能器组成。这两个换能器居于井轴，相互之间的距离（即源距）为5英尺[3]。

1.2 仪器主要测量参数介绍

扇区水泥胶结固井质量测井仪主要利用声波原理进行相关测量，其主要的测量参数有以下几种：补偿声波衰减率ATC、平均衰减率ATAV、最小衰减率ATMN、平均声幅AMAV、水泥图CEMENT MAP、相对方位角RB以及声波变密度图VDL等参数信息。下面分别对每种测量参数进行简要介绍。

图2 第一扇区换能器分布示意图

首先介绍声波衰减率ATC。图2所示为仪器第一扇区换能器分布示意图，由于仪器共有6个扇区，因此仪器总共可以测量6条补偿式声波衰减率曲线。对于第1扇区，衰减率测量值为

扇区水泥胶结固井质量测井仪是二十世纪九十年代初，由美国西方·阿特拉斯公司（Western Atlas）推出的新一代固井质量测井仪。它利用推靠臂把六个滑板(如图1左侧图所示)推靠到套管内壁上，将管外环空环向上等分成六个扇区，分别考察每一个扇区的水泥胶结状况，实现测量的高分辨率360°全方位覆盖。该测井仪主要分两个部分：声波衰减率测量部分和VDL（Variable Density Log，即“变密度图”）

式（1）中，d为测量间距；ATSP为几何扩散引起的声波衰减；Aij为第i换能器（Ti）发射、第j换能器（Rj）接收的声波幅度；对于第一扇区来说当i=1为上发射换能器发射或i=4为下发射换能器发射，j可以为2或3代表接收换能器Rj的型号。扩展到任意扇区n（n=1,2,…,6），衰减率ATC n的计算依此类推。衰减率的单位是dB/ft（或dB/m）。

下面再介绍仪器平均衰减率ATAV和最小衰减率ATMN。对于每一个深度点，都按式（2）计算ATAV，并从6个扇区的衰减率测量值中挑选出最小衰减率ATMN。

其中n为第n道扇区对应的声波衰减率值。

仪器的平均声幅AMAV由以上定义的平均衰减率按下式（4）换算而来的：

式（4）中，AMFP对应自由套管声幅，单位mV，可查表得到；ATFP为自由套管衰减率，单位dB/ft或dB/m，由测井图或查表得到。AMAV曲线的作用与常规固井质量测井的CBL曲线相同，代表导管固井的质量水平。

仪器的水泥图（CEMENT MAP）由各扇区衰减率曲线进行插值求出，将实测声波衰减率赋予5级灰度。衰减率越高，对应的灰度级别就越高，在水泥图上颜色越深。水泥图上最高级灰度（颜色最深）代表水泥胶结良好，最低级灰度（白色）代表水泥胶结差，其余依此类推。水泥图直观显示水泥环与套管之间（第一界面）的胶结状况。再配合仪器加速度计求得的扇区相对方位角RB曲线，该曲线显示第1扇区中心方位对于井眼低边的相对方位角。结合该曲线能够反映仪器在井中各个方位角对应的水泥胶结质量。配合声波变密度图VDL，该图由源距为5英尺的单极子声波波形绘制而成。色调越深，反映声波幅度越高。通过VDL上的套管波、地层纵波和地层横波可定性判断第一界面、第二界面（水泥环与地层之间）的水泥胶结状况[4]。

1.3 水泥胶结扇区固井质量测井仪主要优势

水泥胶结扇区固井质量测井仪目前已经广泛应用在导管固井质量的检测中，其主要优势有如下几点：

1）纵向分辨能力较高

声波衰减率曲线起伏，反映水泥纵向胶结不均匀。曲线平直，则反映水泥环纵向胶结均匀。由于测量间距很小（7英寸即0.18米左右），仪器衰减率曲线纵向分辨率较高。由实验得知，根据仪器测井资料可识别出0.2米的水泥环纵向不均匀胶结。

2）环向分辨能力高并可确定水泥沟槽方位

大量实验表明，根据仪器测井资料可识别出小至20°的水泥沟槽，条件有利时甚至可以识别出15°的水泥沟槽。此为该仪器相对于CBL（声波幅度测井）仪器的突出的优越性之一。假设在重量为29磅/英尺、外径为7英寸的套管井段，良好胶结的水泥强度为2000psi。由式（1）～式（4）可计算水泥沟槽对应的声波幅度理论值。当沟槽所张圆心角大于140°，AMAV＞15%。由此可以推断，根据相当于AMAV的CBL曲线,识别不了低于140°的沟槽。因为如果沟槽小于140°，CBL＜15%，按石油行业标准应评价为胶结“良好”。根据方位角RB曲线还可确定水泥沟槽方位。如果水泥图已经过RB方位校正，那么水泥图的图示方位（横向比例尺为0°～360°）显示相对于井眼低边的方位角之差。例如，当SBT测井图深度增大方向为自上至下时，水泥图的左边缘、右边缘（分别为 0°和 360°）对应井眼的低边，而其中心线（180°）是井眼的高边。

3）易于测井刻度

SBT仪器用以反映固井质量的主要测井信息是声波衰减率。由计算公式（1）可知，声波衰减率与每一个接收换能器处的声波幅度没有直接关系，而与远、近接收换能器处的声波幅度之比有关。换句话说，在任一深度处的任何扇区，只要远、近接收换能器处的声幅之比测量准确，就都可以得到准确的衰减率值。所以，它不再必须有自由套管井段来进行仪器刻度。这样CBL测井作业中无法解决的尾管固井质量测井刻度难题也就不存在了。

4）易于质量控制

SBT测量六个扇区的套管时差，并给出最大套管时差DTMX和最小套管时差DTMN。如果仪器良好居中，六个扇区对应的圆心角都十分精确地接近60°，那么套管时差十分接近标准的套管时差值57微秒/英尺，且DTMX和DTMN的差异很小（一般约为3～4微秒/英尺）。但是当测井仪器由于井斜等原因明显偏离井轴时，高侧的推靠臂处于松弛扩张状态，高侧扇区的圆心角将明显大于60°，测得的套管时差将明显大于57微秒/英尺；而低侧的推靠臂处于受压收缩状态，低侧扇区的圆心角将明显小于60°，测得的套管时差将明显小于57微秒/英尺。在仪器明显偏心的情况下，贴井壁声波测量间距发生不能容忍的偏差，衰减率测量值将是错误的，对应的最大与最小套管时差之差（DTMX-DTMN）＞6微秒/英尺。另一方面，由于SBT为贴井壁测量且源距较小，套管波起跳明显，无论在哪一种水泥胶结状况下，DTMX和DTMN测量值都相当稳定。因此这两条曲线能很好地指示仪器的居中状况[5]。由式（1）可知，每一扇区都要检测4个套管波幅度，所以每一深度点需检测4×6共24个套管波幅度。如果操作员没有能够让套管波检测窗口很好地跟踪每个套管波的第一正峰，也会出现（DTMXDTMN）＞6微秒/英尺的情况。这时，衰减率检测也将是有问题的。所以，（DTMX-DTMN）大小又可指示检测窗口设置是否正确。从以上可知SBT利用套管时差能清楚地反映衰减率测量的质量。

5）测井响应不受快速地层以及外层套管的干扰，易于求取胶结率

研究表明，当水泥环厚度≥19毫米时，任何地层波传播时间都大于套管波传播时间。SBT贴壁衰减率测量不会受到任何快速地层的干扰，也不受外层套管（在双层套管井段）的影响。在7英寸和9-5/8英寸套管井中，这个条件一般能够得到满足。石油工程方面关心的水泥胶结率可以利用SBT测井的平均衰减率ATAV直接求取：

其中，ATFP自由套管的声波衰减率；ATexc为水泥胶结良好处的声波衰减率。

6）根据全波列信息评价第二界面胶结状况

SBT居中声源5英尺源距的VDL可用于定性地评价第二界面胶结状况。SBT还可以测量并记录贴井壁全波波形。对理论和实验得到的贴井壁波形进行分析对比如图3所示，套管波只反映第一界面胶结状况，不反映第二界面的胶结情况。分析研究进一步指出，紧跟在套管波之后的水泥环界面反射波的低频组分，对第一界面第二界面均胶结良好、第二界面胶结不好，以及自由套管这三种情况相当敏感，因而可用于第二界面评价[6]。

图3 SBT贴井壁声波的频谱图

表1 各种水泥胶结状况下的SBT实验波形低频（33－47kHz）响应

上表1为各种水泥胶结状况下的SBT实验波形低频（33-47kHz）响应，其中明确指出了目前各种水泥胶结情况下的质量判断标准，对评价水泥胶结固井质量有明确的指导作用。总的来说衰减率越高（或声波幅度越低），VDL套管波越弱而地层波越清晰，则反映水泥胶结越好,反之则差[4]。

图4 BZ-X-X井5439－5476米SBT和CBL测井图

2 应用实例介绍

在渤海BZ-X-X井中7英寸（177.8毫米）套管井内5439米～5476米测量所得SBT与CBL测井图如图4所示，其中5450.5米～5463.0米井段ATMN≤3.1dB/ft，虽然局部AMAV较低，但这些地方均为ATAVATMN＞2.0dB/m。经程序处理的SBT评价成果表如下表2所示，在5456.0米～5458.0米井段识别出沟槽，沟槽中心对于井眼低边的相对方位角为 210°～270°，宽度约 80°，沟槽处水泥强度很低（＜23psi）。

表2 固井质量SBT评价成果表

上图4中5455.0米～5455.0米以及5459.0米～5490.0米两井段的层间封隔性能评价结论均为：窜通。后续针对上述水泥沟槽进行了实际验证，证实这两段之间确实存在管外窜通。在该沟槽井段CBL/VDL测井相对声幅为2.8～9.0%。查询相应解释图板得到水泥强度为1000～2200psi，可评价为水泥胶结优～良。