固井质量评价影响因素分析

2024-04-11付志威万静

石化技术 2024年3期

关键词：首波固井幅度

付志威万静

长江大学地球物理与石油资源学院湖北武汉 430100

固井质量检查主要是水泥环胶结质量评价，即评价套管与水泥环（第一界面）、水泥环与地层（第二界面）的胶结情况[1]。固井质量检查主要目的是确保水泥浆在固井过程中正确地固化、密封并支撑井筒，维护井筒的完整性、并预防油气和水的泄露。

1 固井质量测井方法的基本原理

1.1 CBL/VDL 资料分析

通常情况下，用于水泥胶结测井的仪器采用单发双收结构，这两个接收器分别被放置在离井口3英尺和5英尺的位置。仪器以大约20kHz的频率发射声波，并记录声波在井内流体中沿着套管管壁传播的时间和衰减情况[1]。在距离井口3英尺的位置，接收器记录套管波幅度（CBL）和传播时间，套管波幅度的衰减程度反映了套管与水泥环之间的剪切耦合情况。当水泥胶结效果好时，套管波幅度较小，而在套管外是流体时，波的幅度较大。基于这一现象，可以计算套管外部水泥的胶结情况。在5英尺处的接收器记录变密度波形（VDL），用于更好地区分套管波和地层波。通过变密度波形评估水泥与地层的胶结情况，有助于探测窜槽和气侵现象，这种方法直观，且受泥浆的影响相对较小，从而显著提升了其实用性[2]。

1.2 CBL/VDL 固井质量特征提取

采用初至波检测方法、现代谱分析方法等技术，从波形中提取了多项信息，这些信息反映了套管波、地层波、流体导波等所有成分的特征，充分利用了全波列中与水泥胶结有关的所有信息。由这些信息得到的结果有：Ⅰ界面胶结指数、Ⅱ界面胶结指数、环空水泥充填率、各种谱特征值及相关函数特征值等。

1.3 CBL/VDL 固井质量评价标准

固井质量的评价通常通过CBL/VDL测井或声幅测井来评价固井质量。在国内，测井解释工程师会根据中国石油天然气总公司的标准对固井质量进行评价，结论分为良好、中等（或合格）和差等级[3]。

中国石油天然气总公司《钻井手册（甲方）》（1990年）[4]提出如下标准（见表1）。

表1 中国石油天然气总公司行业评价标准

2 固井质量的影响因素

2.1 仪器

2.1.1 仪器偏心

当仪器存在偏心时，套管波到达接收器的时间会因不同方向上的传播路径而有所差异。这也意味着，最初的套管波只是在仪器附近方向上信号良好的首波叠加结果[5]。这种情况容易导致将固井质量较差的井段错误地判定为固井良好，进而影响到测井值的准确性，无法准确反映I界面的固井情况[6]。

2.1.2 仪器刻度

在进行CBL/VDL测井之前，选择与目标井段类型相同的自由套管，以获取首波的开门时间、门宽、首波幅度值等[6]。首波振幅的准确性直接依赖于自由套管的刻度。如果刻度不准确，将直接导致首波振幅的误差，从而影响最终的解释结论。因此，确保使用准确刻度的自由套管对于获得准确的首波振幅至关重要。

2.2 套管

2.2.1 套管尺寸

见图1（a）和图1（b）分别展示了套管波幅度与套管直径以及套管厚度之间的关系。在图1（a）表明随着套管直径的增大，声波在套管内传播路径会发生改变，从而使自由套管波幅度减小。随着套管直径的增加，钻井液的层厚也相应增加，导致声能量的吸收量也随之增大，除此之外，套管的厚度也在一定程度上影响着套管波的生成[7]。套管的直径会影响变密度曲线的振幅曲线和首波到达时间。具体而言，大直径套管的首波（套管波）会较晚到达，而小直径套管的首波则会提前到达。

图1 （a）套管波幅度与套管直径关系（b）套管波幅度与套管厚度关系

见图1（b）展示了在自由套管情况下，套管波幅度与厚度之间的关系。从图中可以看出，随着套管厚度的增加，套管波幅度也相应增大。这意味着较厚的套管对声波的传播有更好的保护效果，减少了波的衰减程度。因此，在测井过程中，套管的厚度对套管波的幅度具有一定的影响[7]。

2.2.2 套管偏心

在进行声幅测井时，套管的偏心距等于仪器的偏心距，而且这一结果也导致了低声幅，误判固井段固井效果良好。套管波的幅度变化见图2，通过计算，在泥浆密度为1.89g/cm3时，偏心后套管波幅度增加为自由套管的31.25%，而泥浆密度为1.20g/cm3时，偏心后套管波幅度增加为自由套管的62.5%，所以，套管偏心会增强套管波，其影响是明显的。在SBT测井中，最小衰减值明显大于没有居中的衰减值，表明SBT最小衰减值随着套管偏心率的增加而减小[8]。

图2 套管偏心与居中套管波频谱

2.3 水泥

2.3.1 水泥凝侯时间

见图3，该段变密度两次测井变化较大，第2次所测变密度反映固井质量好于第1次，且在4400m以下井段第2次所测变密度反映固井质量为完全胶结，分析认为产生这种情况的原因是侯宁时间不同造成的，第1次测井时水泥并没有完全凝固，使变密度反映固井差，第2次测井时水泥大部分都已凝固，因此变密度反映固井良好。如果井段存在未固化和封闭，声幅曲线出现高振幅值，会造成误判，所以一般在固井后24～48小时进行测井[6]。

图3 凝侯时间影响固井评价

2.3.2 水泥环厚度

见图4（左），图中的横坐标表示水泥环的厚度，纵坐标表示经实测地层波刻度后的地层波幅度（菱形是模拟值，方形是实测值）。数值模拟并拟合了6种水泥环厚度下的地层波幅度，从图中可以看出存在极小的误差，验证了实验的可行性。在完全胶结好的情况下，地层波幅度随着水泥环厚度的增加而减小，而且，减小的幅度会越来越趋于平缓[7]。

图4 完全胶结时地层波幅度与水泥环厚度关系（5ft，泥岩）

见图4（右），四种岩性地层波幅度的校正图版，进一步验证了准确性。为了方便刻度，纵坐标为相对幅度，刻度的幅度以各自岩性最大值归一化，图中水泥浆密度为1890kg/m3，套管厚为19mm。并建立了校正公式如表2所示。

表2 地层波幅度水泥环厚度校正关系

当水泥环厚度大于2cm时，对水泥固井测井曲线的影响为固定值，小于2cm时，水泥环厚度越薄，水泥固井测井曲线值越高，需参考对井径曲线进行检测[6]。

2.3.3 水泥密度

在评价Ⅰ界面水泥胶结质量中，套管波幅度是一个刻度值。所以，研究自由套管波的影响因素，并制作校正图版具有重要的现实意义。如在实际钻井中可能会产生扩井或者缩井。模拟了四种泥浆密度时套管波幅度随流体环隙变化的关系见图5，图中的套管波幅度是一个相对的比值，其分母是数值模拟的各泥浆密度对应的套管波幅度最大值，拟合关系见表2。从图中可看出，随着流体环隙的增大，套管波幅度增加，但当流体环隙超过40mm以后，套管波幅度随泥浆密度的变化趋于稳定。此外，从图中还可以看出，在相同环隙宽度下，低密度泥浆的套管波幅度值会比高密度泥浆的值大[9]。

图5 套管波幅度随流体环隙宽度的关系（3ft）

2.3.4 水泥微环间隙

当水泥凝侯时，体积会收缩，产生的压力，新套管上的油漆或套管上的油脂都会使套管与水泥之间形成微环间隙，使声波衰减值更小，进而无法准确识别地层波。当间隙的宽度在0.1mm左右，不会形成窜槽，但会对套管波的幅度造成影响，使其变大。为了更加准确的了解实水泥胶结的实际情况，需要采用加压测固井声幅和变密度[10]。当环隙宽度很小时，套管波幅度就有很大的变化，基本和自由套管情况差不多[7]。当存在微环隙时，根据固井水泥密度不同，套管波幅度下降到自由套管的（35～65）%，由此CBL幅度在（35～70）%之间，有可能存在微环隙。

2.3.5 水泥扇形缺失

随着水泥扇形缺角的减小，SBT 衰减值增大。当水泥扇形缺角小于某一临界角时，SBT 衰减值波动，不能区分其胶结情况[11]。另外，当有泥浆气侵时，声波能量会大大衰减，使得不良井段出现低值，造成误判[6]。

2.4 地层岩性

2.4.1 快地层

在快地层套管井中，地层波与I界面的时间差非常小，甚至比套管波早到达接收器，导致了叠加和重叠。从而将地层波误认为套管波，造成对I界面固井质量的误判[12]。为了避免这种情况，我们可以在提取套管波信息之前对波形进行滤波处理，然后再使用常规的解释方法来评价固井质量。通过滤波处理，可以将地层波进行削弱或抑制，从而使套管波的轮廓更加清晰。这样，我们就能够更准确地识别和分析套管波，并对固井质量进行合理的评估。这种滤波处理的方法在实际工程中被广泛采用，可以提高对套管波的解释准确性，并减少对I界面固井质量的误判。

2.4.2 慢地层

由于慢速地层的声传播速度较低，变密度图上界面处的地层波不明显。在第I界面胶结良好的情况下，变密度图上出现信号弱的层段。所以在测井解释时，要结合地层的性质来判断。在实际工作中，利用裸眼井的声波数据，能够更有效地对这种地层情况进行辨别。在更大的扩径时也会造成II界面信号的减弱[12]。

不同的地层岩性会对自由套管波产生不同的影响，首波套管波到达时间和幅度并不随地层岩性而变化，而是主要与井眼情况和套管有关。这意味着在判断地层岩性时，首波套管波的到达时间和幅度并不能提供明确的信息。然而，在快速地层中，我们可以很容易地区分套管波和高频伪瑞利波。一般而言，地层波的主频率相对较低，而套管波的主频率相对较高。因此，为了准确判断地层岩性，我们可以通过观察波形和频谱的特征，特别是套管波和地层波的主频率差异来进行识别。这可以帮助我们避免误判，并准确评估地层的属性和特性。

2.4.3 孔隙度和渗透率差异较大的地层

如在泥岩地层中，水化凝结过程和温度变化迅速，界面处容易形成小裂缝，地层井径变化较大，而水泥环厚度的不均匀会改变井内的声场。在高孔高渗透性地层中，水泥浆能渗透到地层中，不易产生小裂缝。在砂岩、泥岩地层进行声波振幅或变密度测井时，GR与CBL之间往往存在良好的正相关或负相关关系，这是由于地层岩性变化导致的孔隙度和渗透率的影响[13]。