超声波成像测井仪在刻度井群的试验分析

杨 艺,刘 恒,王安庆,李海军

(1.中国石油测井有限公司西南分公司 重庆 4000212.中国石油西南油气田分公司勘探事业部 四川 成都 610000)

0 引 言

CAST-I井周超声波成像测井仪在固井质量评价和套损检测中有广泛的应用，前人的研究主要集中在CAST-I井周超声波成像测井仪的应用和理论分析上，胡来福[1]等人在2004年对仪器信号的影响因素及其在油田中的应用进行了分析，总结了仪器的适用条件和所能解决的地质问题，指出该仪器在超声波固井质量评价和裸眼井井壁成像等方面具有较好的应用效果；秦建国[2]等人在2011年以套管井测井为例介绍了该仪器的仪器结构、测量原理以及在套管检查、固井质量评价中的应用，结果表明该仪器在套管检查、低密度水泥固井质量评价等方面具有良好的应用效果；李超[3]等人在2015年针对井周声波扫描仪从理论上分析了产生非常规现象的各种因素。对于各种非常规现象的影响因素与井眼内流体声阻抗的差异程度结合典型的现场资料进行了验证。CAST-I测井的影响因素较多，需要通过对实际测量的刻度井数据进行分析，以明确CAST-I测井的声阻抗阈值、测量精度和适用范围。

1 CAST-I仪器简介

CAST-I井周超声波成像测井仪是哈里伯顿公司新一代的成像测井仪，它经历了CAST-V、CAST-F两代的升级改造，主要在LOG-IQ系统上配套使用。该仪器分辨率高、应用成本较低、资料解释直观，适合套管井中的套管损伤检测和固井质量评价等应用，相比传统的声幅变密度固井测井仪，CAST-I可提供的信息是360°井周成像，能更直观地显示管外窜槽的具体位置[4]。

CAST-I井周超声波成像测井仪扫描头包括2个超声换能器，同时具有发射、接收功能。第1个换能器安装在底部旋转扫描头内，扫描头旋转一周，在套管井中测量时每周扫描35～90点；第2个是泥浆换能器，用来测量井眼中的流体声速，作为计算井眼井壁内径尺寸的参数[5]。

CAST-I在套管模式下记录4种测量数据：传播时间、回波幅度、谐振计数、谐振衰减。传播时间是从声波换能器发射到回波能量最高峰值到达所经历的时间，与套管内径大小有关；回波幅度反映回波能量的大小，与套管内表面阻抗有关；谐振衰减率用来计算用于固井质量评价的声阻抗；谐振频率用来计算套管壁厚度。

在CAST-I用作固井质量评价时，作为接收器的换能器最初接收到来自套管内壁的返回信号及随后到达的随指数衰减的信号，其指示了套管的胶结情况。胶结状况差时衰减慢，胶结状况好时衰减快，这由套管和水泥的耦合情况决定[1]。CAST-I在声阻抗测量原理、性能方面与斯伦贝谢公司IBC仪器相当，但不具备套管偏心程度评价能力[6]。

2 刻度井群测试项目概况

在河北省三河市燕郊开发区的刻度井群一共选取了10口井，开展了在7 in套管(1 in=25.4 mm)、9in套管中不同水泥密度情况下的CAST-I、CBL居中及偏心等15项测试内容，取得了丰富的试验成果。在1#、3#、5#、7#、8#、10#，6口固井刻度井中进行了CAST-I快速超声波成像测井。在1#～10#固井刻度井中进行了CAST-I快速超声波成像测井，其中在6#井中增加了2次不同尺寸的偏心扶正器测试。在6#井中完成了声幅测井仪器测试，包括1次居中，2次不同尺寸的偏心扶正器测试。测试项目汇总如表1所示。

表1 刻度井群测试项目汇总

3 测量数据分析

3.1 通过沟槽精度分析确定水泥阻抗阈值

在CAST-I数据解释中，主要通过气和水泥的阻抗阈值，并结合方差阻抗值，分成了气、水、污染水泥和水泥四类。合适的水泥阻抗阈值，会使得解释结果更加符合实际情况。在LOG-IQ系统中水泥阻抗阈值选取的默认值是2.7，将低声阻抗胶结差的物质划分到了液体范围内，经研究固井声阻抗值主要集中在4.5～8.5之间(以某重点探井声阻抗的直方图统计为例，如图1所示)，采用3.8将低声阻抗的物质归到沟槽范围较为合适。

可以看出，10#刻度井使用默认阈值2.7进行处理，沟槽角度明显偏小，并且没有解释出15°的沟槽，而采用阈值3.8处理得到的结果与实际模型更加接近(如图2)。

图1 四川盆地某重点探井实际测量声阻抗直方图统计

图2 10#刻度井采用不同水泥阻抗阈值的沟槽精度对比

当水泥阻抗阈值选取3.8时，通过定量分析可得，设计沟槽角度60°，测试沟槽角度为58°，测量误差3.33%；设计沟槽角度30°，测试沟槽角度为24°，测量误差20.00%；设计沟槽角度15°，测试沟槽角度为12°，测量误差20.00%。所以刻度后选取的水泥阻抗阈值能较精确的测量沟槽角度，但有一定的误差，通常偏小。

3.2 仪器偏心影响分析

根据刻度井的设计及保存完整性，选取6#井进行偏心影响分析。

3.2.1 仪器偏心设计

偏心的第二种情况(简称偏心2)：2号偏心扶正器外径217 mm，与套管间隙共2.5 mm，仪器中轴线距套管内壁，短边93 mm，长边124 mm，偏心率0.75(仪器外径92 mm，半径46 mm)。

3.2.2 CAST-I仪器偏心影响分析

在6#刻度井利用CAST-I仪器进行仪器偏心(分别在居中、偏心率0.85和偏心率0.75的情况下)测量，结果如图3所示。

图3 6#刻度CAST-I测井成果对比图

从上图可以看出，测量值与偏心程度呈负相关关系，偏心率越大，测量值越小，甚至出现假的“气充填”特征。将3种偏心情况下的6#刻度井按段进行划分，并对数据利用定量分析软件分别统计生成了6组仪器偏心度与测量沟槽角度误差的数值(不包括刻度井顶部和无沟槽井段的数据)，按仪器偏心度的增大进行排列，形成了反映两者关系的交会图，如图4所示。

图4 刻度井仪器偏心度与测量沟槽角度误差交会图

从图中可以看出，两者成正相关关系，其可为仪器偏心条件下的测井资料在环空水泥沟槽角度的解释评价应用方面提供资料可信度的参考：仪器偏心度小于0.2 in，最大误差小于4%，测量可靠度较高；仪器偏心度0.2～0.6 in，最大误差小于10%，仍然具备较好的可靠性和参考价值[6]。

3.3 微环隙影响分析

微环隙是指由于水泥凝固时的压力，新套管上的油漆或套管上的油脂、测井前的井下作业等都会使套管与水泥之间产生微小间隙，此间隙一般宽0.1 mm左右，不会造成窜槽，但却会使套管波波幅变大，形同胶结不好[7]。

根据对9#刻度井(如图5)的分析，1 mm以上的微环隙会使测量的声阻抗值明显降低，从正常阻抗值7.5～13.5降低到1.1～2.6；0.1mm的微环隙会使测量声阻抗值从正常阻抗值7.5～13.5降低到5.9～8.3，降低程度没有1 mm微环隙那么明显，对水泥胶结程度的判断基本没有影响；CAST-I能较准确的解释评价出一界面大于1 mm的微环隙，探测不到二界面的微环隙。

图5 9#刻度井各层剖面结构示意图与CAST-I测井成果图

3.4 CAST-I对第二界面评价效果分析

本次试验还通过7#刻度井和10#刻度井对第二界面水泥胶结的评价效果进行了研究。如图6所示，7#刻度井为7 in套管，内径157.07 mm，壁厚10.36 mm，水泥密度1.9 g/cm3，水泥环厚19 mm。其外围为不同岩性，测井结果反映了不同密度的泥岩、砂岩地层对CAST-I测量结果的影响。综合分析认为，地层密度变化对CAST-I测井无影响，固井质量显示差的地方是刻度井老化所致。

图6 7#刻度井各层剖面结构示意图与CAST-I测井成果图

如图7所示，10#刻度井为7 in套管，内径157.07 mm，壁厚10.36 mm，水泥密度1.9 g/cm3，水泥环厚19 mm，外围为砂岩。该刻度井测井结果反映了第二界面的水泥胶结情况对CAST-I测量结果的影响。综合分析认为，第二界面水泥胶结情况对CAST-I测井评价无影响。

图7 10#刻度井各层剖面结构示意图与CAST-I测井成果图

上述结果与CAST-I测量原理相一致，CAST-I只能反映第一界面的胶结情况，探测不到第二界面水泥胶结情况，同时第二界面水泥胶结情况和地层岩性变化对CAST-I评价第一界面没有影响。

4 结 论

1)CAST-I仪器居中的情况下，确定了水泥阻抗阈值3.8并进行解释评价，其结果与实验井井筒各项设计(沟槽角度、胶结质量等)基本一致，但测量沟槽角度比设计角度略微偏小。

2)仪器的偏心对测量值的影响总体呈负相关关系。CAST-I测量值与偏心程度呈负相关关系，偏心率越大，测量值越小，甚至出现假的“气充填”特征。

3)一界面1 mm以上的微环隙对测量值的影响非常大，0.1 mm的微环隙会使测量声阻抗值显著降低，但对水泥胶结程度的判断基本没有影响；二界面微环隙对CAST-I没有影响。

4)CAST-I测量结果只能反映第一界面的胶结情况，不能探测第二界面的水泥胶结情况，同时第二界面水泥胶结情况和地层岩性变化对CAST-I评价第一界面没有影响。