阵列声波测井评价储气库大直径套管固井质量

2022-02-05傅永强陈建波刘可可王天雨麻超刘似晏

测井技术 2022年6期

傅永强，陈建波，刘可可，王天雨，麻超，刘似晏

（中国石油集团测井有限公司辽河分公司，辽宁盘锦 124010）

0 引言

地下储气库是将采出天然气通过管道输送到用户附近，通过井把天然气重新注入地下能够保存气体的空间，从而形成一种人工天然气藏。中国从20世纪90年代开始建设地下储气库，先后在大港、华北、金坛、辽河、长庆等地区开展了地下储气库建库技术研究与实践。随着地下储气库在国内高速发展，为保证地下储气库井的大排量高速注采，在钻井及完井设计中采用大尺寸井身结构，导致建设工程难度大[1-4]。地下储气库的完整性评价是保障其安全生产运行的关键，评价的对象包括地质构造、井筒和地面设备等。在大流量注采工况下，地下储气库注采使井筒承受大压差交变载荷，极易出现固井水泥环破裂、部分井环空出现带压，导致天然气泄漏，危及地下储气库的安全生产。因此，固井质量评价在地下储气库工程评价中显得尤为重要。大直径水平井的井身结构设计技术在保障地下储气库高效运行的同时，也给固井评价带来了新的挑战。当前应用最为广泛的固井质量测井方法仍然是声幅-变密度测井，该方法通过测量源距为3 ft** 非法定计量单位，1 ft=12 in= 0.304 8 m，下同的套管波首波幅度和源距为5 ft的全波列变密度，评价套管与水泥环胶结面（Ⅰ界面）和水泥环与地层胶结面（Ⅱ界面）的胶结情况。乔文孝等[5]研究了套管直径对声波测井的影响，研究结果表明，对于自由套管井段的声波测井，当套管直径增大时，套管波首波幅度减小、视到时增大、主频明显降低，在设计和制造套管井声波测井仪器时应尽量使用宽频带声波换能器。这也证明了套管尺寸对直接采集的声幅曲线有较大的影响，为避免套管尺寸和压井液密度对声幅曲线产生影响，可通过测量声幅与自由套管声幅的比值对声幅进行刻度，并获得声幅曲线。但地下储气库固井水泥返至地表，无法获得当前测量环境的自由套管声幅，这种消除环境因素的评价方式在现场中无法使用。胡文祥等[6]通过对套管外不同声速的3 种地层在不同胶结情况下的长源距声波资料进行时频分析，认为长源距全波资料可以采用套管波首波幅度和频率信息评价Ⅰ界面和管外水泥充填情况。Wang 等[7]认为超声成像在特定的超声频率范围内采用新的定向发射器能评价Ⅱ界面。Van 等[8]提出了新的超声成像方法，Haldorsen 等[9]提出了利用新仪器对双层套管的评价方法，这些新的方法均受套管偏心和胶结界面的粗糙程度影响。Tubman等[10-11]数值模拟各种水泥胶结状况对声波测井波形的影响，指出套管和水泥环之间存在流体环，这使套管波首波幅度变大、振动持续时间变长，导致淹没后续的地层波信息。大尺寸套管的使用和慢速地层增加了固井质量的评价难度，导致传统的声幅-变密度测井不能客观、准确地评价固井质量。

本文利用阵列声波单极波列数据，通过计算套管波衰减率，在频域内分析套管波、地层波，统计其出现频数，并分析慢速斯通利波随频率的变化；利用这些与界面胶结和填充率紧密相关的参数对大直径套管固井质量进行综合评价，弥补传统声幅-变密度测井对大直径套管固井质量评价的缺陷与不足。

1 大直径套管声波的波形特征

声波在大直径套管环境中传播，其在井筒流体中传播距离更长，在自由套管条件下，套管尺寸越大，套管波首波幅度越低。采用声幅-变密度仪器（源距为3 ft）记录不同套管尺寸的自由套管波形，将从大到小套管的波列按顺序偏移300 mV后进行比较（见图1），可以观察到，随套管尺寸增加，套管波首波幅度明显变小。在Ⅰ界面评价中，声幅测井采用自由套管刻度，随着套管尺寸变大，其对Ⅰ界面胶结程度的分辨能力变低。

图1 常规声幅与套管尺寸变化关系

在大套管和慢速地层井况下，短源距接收器记录的套管波位置清晰，但套管后续波、地层纵波、斯通利波在时域内互相叠加。随源距增大，记录的各类波在时域内逐渐分离，且斯通利波振相占主要地位。图2是套管直径为339.7 mm、地层为慢速地层时的变密度对比图，将阵列声波仪器记录的源距为12 ft的变密度与声幅-变密度仪器记录的源距为5 ft的变密度进行对比，可以观察到阵列声波仪器采用数字增益技术，其幅度动态范围和采集波列时长优于声幅-变密度仪器；源距5 ft的变密度的波峰、波谷与深度轴平行，不能区分套管后续波与地层波；在阵列声波记录的源距为12 ft的变密度图中可明显观察到套管首波、地层波、斯通利波等，说明阵列声波测井评价固井质量具有极大的优势，能够清晰区分套管波、地层波、斯通利波等。

图2 5 ft与12 ft变密度对比图（软地层）

理论模拟与实际的资料分析表明，Ⅰ界面和Ⅱ界面的胶结情况严重影响声波测井的波形特征。当I界面和II界面耦合良好时，常规地层套管井中的斯通利波强度比裸眼井中的斯通利波强很多，而其纵波（P）、横波（S）以及伪瑞利波振幅远小于裸眼井相应值，套管井中各波的到时也稍微提前，但套管和水泥层的存在并不影响P波和S波的测量；慢速地层中，套管对声波影响更大，与常规地层相似，占主导地位的振相仍为斯通利波，P波速度可测，而无S波。综上所述，斯通利波主要受刚度很强的钢套管控制，而对套管外地层并不敏感[12]。

图3为软地层在不同套管尺寸情况下阵列声波测量的源距为12 ft的变密度图。从图3可以看出，无明显的套管波，地层纵波明显，斯通利波能量大，斯通利波振相占主导地位；随套管尺寸的增加，各波到时变大，但并不影响套管波和地层波速度计算结果。因此，在大直径套管井筒中，阵列声波的单极波列在时域内从幅度和到时可清晰划分套管波与地层波，能够利用套管波衰减率、对波列进行时频分析获得套管波和地层波的数量，可用于评价Ⅰ、Ⅱ界面胶结指数[13]；同时利用时频分析获得慢速斯通利波随频率的变化，评价套管与地层间液体环厚度[14]，为综合评价固井质量提供客观可靠的资料。

图3 不同尺寸套管阵列声波变密度对比图（软地层）

2 阵列声波测井评价固井质量的方法

2.1 基于套管波衰减率的固井质量评价方法

声幅-变密度测井评价固井质量是采用3 ft源距的声幅与自由套管声幅比值评价I界面、5 ft变密度地层波能量评价II界面，该方法同样可应用于阵列声波评价固井质量。地下储气库固井水泥返至地面，无自由套管，不能采用自由套管刻度的声幅评价固井质量，可采用套管波衰减率进行固井质量评价。声发射换能器产生的声波，在从近接收器沿着套管传播至远接收器的过程中，单位距离发生的套管波幅度减小，从而得到套管波衰减率。通过提取阵列声波各接收器第1个套管波幅度，得到不同间距套管波幅度，利用套管波幅度与接收器间距可评价套管波衰减率，相邻接收器间的套管波衰减率为

式中，α为套管波衰减率，dB/m；X为接收器间距，m；Ai、Ai+1为接收器提取的套管波首波幅度，该首波幅度为原始记录。

通过阵列的组合可获得同一深度多组相邻接收器的套管波衰减率，对其进行累计取均值，获得纵向高分辨率的可靠性评价结果。从式（1）可见，套管波衰减率由源距以及相邻2个接收器的套管波幅度取对数的斜率确定，也可采用多接收器套管波幅度取对数，并采用线性回归斜率法获得套管波衰减率，避免了声幅-变密度测井评价Ⅰ界面需要自由套管刻度的要求。

2.2 基于频率域套管波与地层波分析的固井质量评价方法

分析频率与时差关系的方法很多，Nolte等[15]利用加权频谱相干法分析出挠曲波频散获得的横波时差具有稳定性好、精度高的优点，该方法也可以用于其他波的时频分析。本次研究采用该方法对大直径套管井中阵列声波波列进行频率—时差关系分析，图4为典型固井质量差和固井质量好的阵列声波频率—时差分布图。图 4 （a）为胶结差的频率—时差分布图，观察到在12 ～20 kHz频带内套管波明显，在4 ～6 kHz频带内出现少量地层波。图 4 （b）为胶结好的频率—时差分布图，观察到在整个频段内无套管波，在8 ～12 kHz频带内地层波数量多。这说明通过套管波与地层波在频带内出现的频次可以评价固井质量，即可以通过统计套管波及地层波在各频带出现频次评价I、II界面胶结特性。同时也表明了在胶结差的情况下，通过分析阵列声波频率—时差分布谱也能获得地层波时差，只是出现的频带较低、带宽较窄。

图4 不同固井质量频率—时差分布图

固井水泥返高以上井段，套管与地层之间无水泥充填胶结，为自由套管，在自由套管层段，只能接收到大量的套管波，不能接收到地层波；I、II界面胶结好，水泥充填率高，则只出现地层波，可通过套管波和地层波出现的频次来定性划分固井质量级别。通过分析，套管波和地层波在各频带出现的频次累计接近于一个稳定的常数，利用这一特征，计算I、II界面胶结指数为

式中，Nca为套管波在各频带累计频次；Nfm为地层波各频带累计频次；Nmax为套管波和地层波最大累计频次。利用式（2）和式（3）计算I、II界面胶结指数，可对固井质量进行I、II界面分级评价。

2.3 基于慢速斯通利波的固井质量评价方法

Wang等[16]利用多物理场建模与仿真模型分析套管浸入水中、井筒自由套管、套管与地层完全胶结、液体环位于套管与水泥环间、液体环位于水泥环内和液体环位于水泥环与地层间等多种情况下，阵列声波测井在不同源距接收器接收到的波列。套管外无胶结、液体环位于Ⅰ界面或Ⅱ界面以及水泥环内时出现慢速斯通利波，当套管壁厚为常数，外径与内径比越大，慢速斯通利波速度对管外液体环厚度越敏感，且慢速斯通利波速度与液体环厚度和慢速斯通利波频率都相关，Wang等[16]建立了三者之间的关系图版，从理论和仿真模型论证了慢速斯通利波能够反映管外液体环厚度。

本次研究在4种不同的套管尺寸（177.8、244.5、339.7、508.0 mm）下对阵列声波仪器采集的单极资料进行频率—时差频谱分析，阵列声波采集的实际测井资料从时域和频率—时差关系均观察到慢斯通利波的出现（见图5）。图 5 （a）展示了固井质量较好的情况下，因慢速斯通利波主要集中在3 ～7 kHz，采用该频带对8个阵列接收器波列进行滤波后与原始波列进行对比，可以更清晰地在波列图上观察到2个速度不同的斯通利波的变化。图 5 （b）为频率—时差分布图，可以明显观察到慢速斯通利波时差随频率增大逐渐变小的特征，与理论模拟结果一致。

图5 慢速斯通利波时差分析图

利用Wang等[16]研究的套管外液体环厚度、频率和慢速斯通利波理论关系图版，选择在阵列声波单极上慢速斯通利波明显、且慢速斯通利波时差对不同液体环厚度分辨能力强的3 ～7 kHz频段作为评价液体环厚度的频段（见图6），计算液体环厚度。利用加权谱相关法，对在3 ～7 kHz频带内的斯通利波进行提取，获得其随频率变化的特征，利用慢速斯通利波与频率关系获得套管外流体环厚度，流体环厚度与环空间厚度的比值为环空水泥充填率。

图6 慢速斯通利波时差与频率和液体环厚度图

3 应用实例

辽河油田双6地下储气库井采用大直径井身设计，五开钻完井（见图7），固井评价的套管尺寸包括177.8、244.5、339.7、508.0 mm，尤其在表层、中完套管的尺寸达508.0 mm和339.7 mm，表层及中完井段地层为慢速地层。声幅-变密度仪器采集的变密度仅能观察到套管波信号及部分后续波信号，未观察到明显的地层信号，仅能评价Ⅰ界面，不能对环空水泥及Ⅱ界面进行评价；且管外微环隙的存在对声幅影响很大，导致仅用声幅进行固井质量评价的结果指示固井质量差。

图7 双6-HX套管结构示意图

基于阵列声波单极测井资料和上述讨论的3种固井质量评价方法，利用双6地下储气库中的多口大直径井筒中采集的阵列声波单极资料进行固井质量评价。利用套管波衰减率评价Ⅰ界面胶结、频率域套管波与地层波出现频数评价Ⅰ、Ⅱ界面胶结，慢速斯通利波随频率变化评价套管外流体环厚度，均取得了较好的效果。

以双51-HX井855 ～1 000 m井段声幅-变密度与阵列声波评价成果为例（见图8）进行分析对比。该段地层为馆陶组，地层岩性为疏松砂砾岩，纵波时差主要集中在125.0 μs·ft-1左右，为典型的慢速地层。钻头尺寸444.5 mm，套管外径339.7 mm，水泥返至地表。

图8 双51-HX井声幅-变密度与单极波列评价固井质量图

从图8中可以看出常规声幅数值均在10%及以下，指示固井质量好，但5 ft变密度却观察到波列整体上与深度平行，为明显的套管后续波，未观察到明显的地层波，常规声幅-变密度评价的Ⅰ界面胶结好，Ⅱ界面未胶结，显然与固井工程施工观察到的结果存在矛盾。而阵列声波12 ft变密度图可以观察到在多数井段无套管波，明显观察到地层波。利用阵列声幅评价的Ⅰ界面套管波衰减率与利用套管波量评价的Ⅰ界面胶结指数，这2种方法得到的结果具有良好的对应性；地层波评价的Ⅱ界面胶结指数多数在90%以上，指示该井段Ⅱ界面总体胶结良好；根据慢速斯通利波计算的液体环多数约1.0 mm，整段水泥充填率均在99%以上，指示该段地层水泥充填率高。仅在875 ～885 m、950 ～965 m、995 ～1 000 m这3个井段有明显的套管波且套管后续波很明显，套管波衰减率均小于5.2 dB/ft，指示Ⅰ界面胶结差，利用套管波频数计算的Ⅰ界面胶结指数约50%，同样指示出Ⅰ界面胶结差；这3个井段的Ⅱ界面胶结指数均在80%以上，管外液体环在1.0 ～2.0 mm，略有增大，综合判断为Ⅱ界面胶结好。综合分析该井段固井质量，Ⅰ、Ⅱ界面总体胶结好。通过多角度的综合分析评价，为该井提供了客观、准确的固井质量评价结果。