CN1017915B - 声波全面评价水泥胶结固井质量的方法 - Google Patents
声波全面评价水泥胶结固井质量的方法Info
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Abstract
本发明是属于石油声波测井技术。它选取中心频率在600千赫至3.0兆赫超声频率范围，窄脉冲垂直入射井壁的脉冲反射法的检测方法。换能器要求相对带宽不小于60%，测得水泥环与地层间的II界面反射回波后，测出首次反射波的幅波、中心频率、到达时间，测得由套管内壁与套管外壁I界面反射回波后，测出它们的到达时间、I界面两次反射回波信号幅度比等项参数，从而可以获得套管井径、I界面胶结状况，水泥环厚度、水泥环抗压强度、II界面胶状况等五项检测指标，从而给出水泥胶结固井质量的全面评估。
Description
本发明属于石油声波测井技术。
水泥胶结固井质量的检测，从工程需要出发，一般包括四个主要技术要求。其一，检测套管与水泥的胶结状态，通常称Ⅰ界面检测;其二，检测水泥与地层的胶结状态，通常称Ⅱ界面检测;其三，检测水泥环的质量，包括空洞和裂缝的检测及抗压强度的测量;其四，水泥环的厚度测量。
对于上述四项固井质量检测要求，目前在国内外现有的检测方法和技术上，都还不能给出全面的检测与质量评价。在国内目前常规的检测固井质量是60年代由国外引进的声幅测井方法（楚泽涵：《声波测井原理》第四章，石油工业出版社，1980年）。它采用沿井轴方向放置的声系和一米左右的源距，激发并接收沿井轴方向传播的套管波，以套管波首波相对幅度判断第一界面的胶结好坏，其测量结果只能反映被测井段全方位水泥胶结的平均情况，水泥环抗压强度也是用套管波首波相对幅值通过经验公式换算得到，并不能真实反映水泥环体的抗压强度。国外使用的检测固井质量的常规系列是CBL（声幅测井），加变密度测井（VDL），以变密度测井作为声幅测井的补充，能够定性推测第Ⅱ界面的胶结情况，但十分不准确，又由于它同样使用全方向性探头和一米多的源距，第Ⅱ界面胶结质量检测问题仍没有解决。近年由Benoit Froelich等人推出的“水泥胶结评价”《Cement evaluation tool-a new approach to cement evaluation》SPE 10207，采用沿套管径向的脉冲
回波技术和多换能器系统，大大提高第Ⅰ界面胶结质量检测的空间分辨率，并消除了第Ⅰ界面微环间隙对测量结果的影响，虽然有时可以测到Ⅱ界面信号，但由于没有对此信号进行Ⅰ界面粘接状态和水泥环衰减的修正，故仍不能检测第Ⅱ界面的胶结质量。水泥抗压强度的测量是通过测量套管外水泥声阻抗率换算给出的，这种抗压强度虽然是可以比较真实反映水泥质量，但只是给出与套管接触水泥环表面层的特性，不能反映整个水泥环体的特性。
本发明的目的在于提出一种由发射换能器向井壁方向垂直入射窄脉冲，利用超声波在不同介质中有不同的传播特性，测得由各界面的反射波的幅值及到达时间，从而测算出水泥胶结固井各项质量参数的方法，解决了声波测井中同时可以检测Ⅰ面、Ⅱ界面的胶结状态、水泥环体的抗压强度、厚度和套管井径等五项技术的问题。
本发明的技术要点在于：采用多方位换能器选取超声波频率在600千赫兹至3.0兆赫兹范围内，采用垂直入射井壁脉冲反射法。对于一个方位单换能器如图1所示，在换能器（5）上加宽带高压电脉冲激励后，产生一定频率（比如1兆赫兹）的超声波脉冲，经过井液、套管、水泥环的透射，反射波再被换能器（5）所接收，声波在固井中传播展开示意图如图2所示，换能器（5）接收输出波形如图3所示，由图3测得的信号可以得到上述五项指标的检测。
（1）井径的测量：
取井径的一半为l1，则
l1＝（c1t1/2）+l0（1）
其中l0为换能器表面至井轴线距离，t1为套管内壁反射回波到达时间，c1为井液的声速。
（2）Ⅰ界面胶结质量的检测：
取判据R（或α），R为与Ⅰ界面的反射系数R23成正比的参量，
且R＝R21·R23，R21为井液（水或泥浆）与套管界面的反射系数，是个常数。
R＝A2（n+l）（t）｜max/A2n（t）｜max或α＝lnR （2）
其中A2n（t）和A2（n+l）（t）为相邻两个Ⅰ界面反射回波信号，A（t）｜max为信号最大幅值。
（3）水泥环厚度测量：
取水泥环厚度为l3，则
l3＝C3T/2
T＝t3-t2或T=t3-t1- (2l2)/(c2) （3）
其中T为声波在水泥环中的往返传播时间，可以由Ⅱ界面反射回波时间t3与Ⅰ界面反射回波时间t2之差给出，也可以由Ⅱ界面反射回波时间t3减去井液往返时间t1再减去在套管内往返时间2l2/c2（l2为套管厚度，c2为套管声速）给出。c3为水泥环声速，对固井水泥c3变化不大，可取常数。
（4）水泥环的抗压强度测量：
对于固井水泥来讲，水泥环的抗压强度c是与水泥的声波传播衰减（损耗）有着单调的对应关系，声波传播衰减越小，水泥越致密，抗压强度越大。反之，传播衰减越大，水泥越疏松，抗压强度越小，表征水泥环抗压强度大小的水泥传输损耗因子a可由下式测出：
a＝△f/（2l3σ2） （4）
其中△f＝f0-f′ 0，f0和σ分别为入射声波脉冲的频谱中心频率和半带宽，f′ 0为Ⅱ界面反射回波脉冲频谱的中心频率，l3为水泥环厚度，水泥抗压强度c＝m/a（m为常数）。
（5）Ⅱ界面胶结质量的检测：
取Ⅱ界面胶结质量的判据R34（Ⅱ界面的反射系数）或N值（N＝KR34，K为常数）
其中A为入射声波幅度，是个常数。
完成上述五项检测，需要测出（1）Ⅰ界面的反射回波A1（t）……A2（n+1）（t），（2）Ⅱ界面的第一次反射回波信号A3（t）的中心频率f′ 0和幅度｜A3（f′ 0）｜，（3）套管内壁反射回波（A0（t））到达的时间t1、Ⅰ界面反射回波（A1（t））到达时间t2和Ⅱ界面反射回波（A3（t））到达时间t3。其它参量如入射声波中心频率f0和半带宽σ，换能器表面至井轴距离l0（换能器半径）、井液（水或泥浆）声速c1，套管厚度l2和声速c2，固井水泥的声速c3等可事先测出或为已知。
图1为本发明一个方位的示意图。其中1为井液（水或泥浆），2为套管，3为水泥环，4为地层，8为砂岩，9为泥岩，10为水等，5为辐射换能器，6为电激励源发射部分和放大接收部分，7为高速数据采集器，11为微机处理部分。
图2为本发明图1固井中声波垂直入射传播展开示意图。其中ρ1c1、ρ2c2、ρ3c3、ρ4c4分别为井液、套管、水泥环和地层的声阻抗率，R12、R21、R23、R34分别为井液与套管、套管与井液、套管与水泥、水泥与地层等界面的反射系数，1为井液，2为套管，3为水泥环，4为地层，Ⅰ界面为水泥环与套管间的界面，Ⅱ界面为
水泥环与地层间的界面，l2，l3分别为套管和水泥环的厚度，A（t）为入射声波，A0（t）为井液与套管内壁界面的反射的波，A1（t）、A2（t）、……A2n（t）为入射声波直接在套管内透射反射声波，A3（t）A4（t）分别为由Ⅱ界面反射透过套管声波和其在套管内径一次反射后的声波。
图3为本发明图2所有反射回波被换能器（5）接收后输出的信号波形。图中A0（t）、A1（t）、A2（t）、A3（t）、A4（t）等如同图2所示。t1、t2、t3分别为在套管内壁反射回波，Ⅰ界面反射回波和Ⅱ界面反射回波的到达时间。
本发明使用范围为石油油井水泥胶结固井质量的检测，同时也适用于其它与此类似的多层介质传播检测。本方法的主要特点是可以同时给出1、2、3层介质测厚，2与3介质的Ⅰ界面，3与4介质的Ⅱ界面的胶结状态检测和介质的质量检测与评价。
本发明的具体实施例，可由下面三个不同样品给出。样品1取l2为8mm厚的钢套管与l3为18mm厚的水泥环;样品2取l2为8mm厚的钢套管与l3为23mm厚的水泥环;样品3取l2为10mm厚的钢套管与l3为40mm厚的水泥环。将各样品分别装在图1所示的各位置。由超声分析仪向相对带宽为60%，中心频率为1兆赫兹的换能器（5）上施加240伏前沿小于10ns的指数尖脉冲，随后再由换能器（5）接收经各层介质反射之后的各个回波信号，该信号再经放大，FDAS-4高速数据采集系统和IBM-PC/XT微机处理便可得出附表的各项结果，例如对样品1的测量中，当Ⅱ界面介质分别为空气和
f′ 0、t1、t2和t3等值。经微计算机处理后，即可得到本发明所提出的井径l1，Ⅰ界面胶结质量R或α，水泥环厚度l3，水泥环抗压强度a或c和Ⅱ界面胶结质量R34或N。
为了便于对比，下面给出当套管外（Ⅰ界面）的介质为水时，R＝0.73。当水泥环外地层（Ⅱ界面）的介质为泥岩时，在理论上N＝10～12，N归一值＝0.2-0.24，R34＝0.25，疏松水泥a值＝0.5～0.6。
Claims (2)
1、一种检测水泥胶结固井质量的方法，一般是将收发两用换能器(5)置于存在井液的井中，由电信号源向换能器(5)激励产生一个超声信号垂直入射管壁，经过井液、套管和水泥层透射和各界面的反射，再利用换能器(5)接收记录到各界面各类反射回波的到达时间及其幅值，其特征在于由电激励源(6)在换能器(5)上加一宽带高压电脉冲，使之产生频率为600千赫兹至3兆赫兹范围的超声波窄脉冲，垂直射入套管壁并径向透射管壁(2)水泥环(3)和地层(4)，然后由于在各界面的产生反射，从而换能器(5)可以接收测得这些反射波的到达时间和幅值，并将这些测量信号经放大后送入数据采集器(7)把模拟信号转换为数字信号最后由微处理机(11)计算出各结果；
上述的数据测量和计算方法，可以有以下步骤来实现：
a.测出套管(2)的厚度l2和换能器(5)表面至套管(2)轴线中心的距离L0；
b.测量井液，如水或泥浆的声速C1，套管(2)的声速C2固井水泥环的声速C3或取它的已知值；
c.选定入射超声波的中心频率fo和半带宽σ；
d.由电激励源(6)向换能器(5)加一宽带高压电脉冲；
e.换能器(5)选取中心频率在600千赫兹至3兆赫兹范围内的某一频率的超声波脉冲径向射入套管(2)的管壁；
f.由换能器(5)测出：
Ⅰ、套管(2)与水泥环(3)间Ⅰ界面的反射回波A1(t)…A2(n+1)(t)；
Ⅱ、水泥环(3)与地层(4)间Ⅱ界面第一次反射回波信号A3(t)的中心频率fo及幅度︱A3(f′ o)︱；
Ⅲ、套管(2)内壁反射回波A.(t)到达时间t1、Ⅰ界面反射回波A1(t)到达时间t2和Ⅱ界面反射回波A3(t)到达时间t3；
g.将上述所测量到的各种模拟信号经数据采集器(7)变换成数字信号，并送入微处理机(11)；
h.由微处理机根据上述数据及利用下列公式，分别算出井径l1，水泥环厚度l3、水泥环抗压强度c、Ⅰ界面胶结质量参数R和Ⅱ界面胶结质量参数R34：
l1=(c1t1/2)+l。
l3=c3(t3-t2)/2
C=m/a
=(f0-f′ O)/(2l3σ2)
R=︱A2(n+1)(t)︱max/︱A2n(t)︱max或α=LnR
2、按照权利要求1所说的方法，其特征在于所说的换能器（5）是一个相对带宽为大于或等于60%
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