CN101832132A - 油井水泥胶结测井微环识别与检测方法 - Google Patents

油井水泥胶结测井微环识别与检测方法 Download PDF

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一种油井水泥胶结测井微环识别与检测方法，属于石油勘探、开采技术领域，其方法是：a、理论模型，采用柱状多层开放声波导物理模型；b、一界面窜槽和存在微环识别与检测方法，利用前面给出的声学参数，对套管井一界面窜槽、窜槽和存在微环三种典型胶结状况的井孔声场进行计算机数值模拟，得到一种有效区分一界面窜槽和存在微环的识别与检测方法。有益效果是：采用高频193kHz，而且利用共振透射现象，可以有效区分一界面窜槽和存在微环。

Description

油井水泥胶结测井微环识别与检测方法
技术领域
本发明属于石油勘探、开采技术领域。
背景技术
测井是石油勘探与开发过程中的一个重要技术步骤，主要是指在油井内放入仪器，通过物理手段对井周地层进行探测。按目的可分为两大类方法，探井测井和工程测井。探井测井是在裸井眼中进行，主要的目的是寻找油气资源，确定产油层(储层)位置、参数和预测储量与产量。工程测井是对下了套管井后的生产井进行检测，其中固井质量检测是其中一项重要工作。管套井固井质量的好坏对石油稳产、高产和采收率有着重要影响。特别是对我国大部分采用早期注水井开发方式的油田更为重要，这一油藏工程问题对石油生产具有重要影响。
声波测井是检测套管井工程质量的一种重要的测井方法，主要是通过井内声源激发瞬态声脉冲，受井周环境和地层影响后在井内被连续纪录，通过记录结果主要对井周几何界面的状态及固井质量进行判断，也可对井外地层进行探测。其理论基础是柱状多层介质中弹性波的激发与传播。管套井中声波测井是研究声波在充满液体的柱状分层介质内激发与传播规律的典型问题，将声波测井资料用于评价水泥胶结质量好坏的方法一直受到普遍重视，已经发展了多种方法。工程测井中把水泥与钢套管的胶结面称为第一界面，水泥与地层的胶结面称为第二界面，而微环是指钢套管和水泥之间存在极小的环行空间，一般厚度在0.1mm的状态未胶结。产生微环的因素主要有热致微环、工程致微环和次生微环三种，其存在不影响生产层间的水力密封，而窜槽是指水泥没有完全填充而不能实现液封的情况，所以从工程上还是有必要将二者区分开来。检测固井质量最常用的是声幅-变密度(CBL-VDL)测井方法，其中对第一界面胶结质量的检测比较成功，已是常规检测方法，目前存在主要问题是不能按工程需要有效区分微环和一界面窜槽这两种状态，在常规的CBL-VDL测量中这两种情况的声学反映似乎差别不大。本项发明正是基于以上工程背景，在进一步研究柱状多层介质井孔声场中弹性波的传播规律，分析管套、水泥环、各种地层等因素对声场的影响后，利用井孔体系频域响应出现共振激发现象，将高频193kHz定义为共振透射特征频率，利用其作为一种有效区分一界面窜槽和存在微环的有效识别与检测方法。
发明内容
本发明的目的是：提供一种油井水泥胶结测井微环识别与检测方法，它是基于工程背景，在进一步研究柱状多层介质井孔声场中弹性波的传播规律，分析管套、水泥环、各种地层等因素对声场的影响后，利用井孔体系频域响应出现共振激发现象，将高频193kHz定义为共振透射特征频率，利用其作为一种有效区分一界面窜槽和存在微环的有效识别与检测方法。
本发明的方法是：
(1)理论模型
为研究套管井声测井井孔声场，分析弹性波的激发机制和传播规律，针对套管井声波测井实际，采用柱状多层开放声波导物理模型，见图1。
物理模型中沿径向最内层介质为井液，最外层介质为径向半无限地层，介质均为单相均匀介质。对于套管井模型，在井液和地层间嵌入了钢套管和水泥环。对于一界面窜槽情况，在钢管和水泥环之间存在流体环。为数值模拟套管井声波测井中瞬态全波波形，给出模型中各层介质的声学参数，见表1、表2。对于单相介质，如果地层横波速度大于井中流体纵波速度称为快速地层，否则称为慢速地层。假定井轴是垂向无限的。
表1.1模型中各介质层计算声学参数
  各层参数   参数值   各层参数   参数值
井孔泥浆密度 1090kg/m3   水泥横波吸收系数 5×10-4
  井孔泥浆声速   1580m/s   串槽水层密度   1090kg/m3
  井孔泥浆吸收系数   10-4   串槽水层声速   1580m/s
钢管密度 7500kg/m3   串槽水层吸收系数 9×10-5
  钢管纵波声速   6098m/s   地层密度   2600kg/m3
  钢管纵波吸收系数   3×10-5   地层纵波速度   3800m/s
钢管横波声速 3354m/s   地层纵波吸收系数 5×10-4
  钢管横波吸收系数   5×10-5   地层横波速度   2200m/s
水泥密度 1920kg/m3   地层横波吸收系数 5×10-4
  水泥纵波声速   2800m/s
  水泥纵波吸收系数   9×10-4
  各层参数   参数值   各层参数   参数值
  水泥横波声速   1700m/s
表1.2  模型中各介质层内半径
  胶结状况   1   2   3   4   5   6
  自由套管   0.05   0.06285   0.06985   0.10   0.40
  第一界面串槽   0.05   0.06285   0.06985   0.07085   0.07085   0.40
  微环   0.05   0.06285   0.06985   0.06995   0.09985   0.40
  水泥胶结良好   0.05   0.06285   0.06985   0.10   0.40
(2)一界面窜槽和存在微环识别与检测方法
利用前面给出的声学参数，对套管井一界面窜槽(10mm)、窜槽(1mm)和存在微环(0.1mm)三种典型胶结状况的井孔声场进行计算机数值模拟，计算了源距5英尺处，三种典型胶结状况0kHz-240kHz频率响应曲线，横坐标为频率(单位：kHz)，纵坐标取对数坐标，如图2。通过对频域图的详细分析，我们得到一种有效区分一界面窜槽和存在微环的识别与检测方法。
由图2可以明显发现频率响应曲线在50kHz以上出现三个明显的特征区域，分别对应图中三个虚线框位置，本发明中定义为“局域共振激发区”。每个共振激发区都有两个能量相对集中的反射峰和一个吸收峰，反射峰和吸收峰的强度均不相同，随频率的增加强度明显增加。相应吸收峰处的共振频率分别为65.5kHz、128.6kHz、193kHz，这三个频率呈现近似的倍频关系。分析认为，井孔体系频域响应中共振激发区的出现，使得对应频率处钢套管发生共振透射现象，能量似乎被突然“吸收”而出现明显的吸收峰。这一现象的发现，在有效区分一界面窜槽和存在微环问题上具有非常重要的意义。
下面对共振激发区进行详细分析，以期找到一个特征共振透射频率，用来有效判定一界面窜槽和微环的存在。
首先分析一下共振透射频率65.5kHz附近出现的第一个共振激发区，对应图2中A点位置附近。在共振激发区处两个反射峰处曲线较光滑，左侧略高于右侧，而第二个反射峰后面的曲线开始快速下降，之后频率曲线没有明显变化规律，几乎重合。共振激发区内，0.1mm、1mm、10mm三条曲线走势具有一定变化趋势，通过比较发现0.1mm微环、1mm窜槽的频率曲线与10mm窜槽的频率曲线有着明显差别，很容易区分，但0.1mm与1mm曲线区别不大。
本发明的有益效果是：检测固井质量的常规检测方法对第一界面胶结质量的检测比较成功，但对微环和一界面窜槽这两种状态，一般在常规的CBL-VDL测量中这两种情况的声学反映差别非常小，不能按工程需要进行有效区分，而且一般使用声源频率一般在低频20KHZ左右。本技术的优点是采用高频193KHZ，而且利用共振透射现象，可以有效区分一界面窜槽和存在微环。
附图说明
图1是柱状多层开放声波导物理模型图；
图2是不同窜槽情况频域响应图；
图3是193kHz波形图；
图4是套管波幅度随薄水层厚度变化关系多项式拟合图；
图5是反演算例用图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，1是井液、2是套管、3是薄水层、4是水泥环、5是地层、T是声源、R是接收器。
如图2所示，横坐标为频率(KHZ)、A-第一个共振激发区、B-第二个共振激发区、C-第三个共振激发区。
如图3所示，横坐标为时间(ms)。
如图4所示，横坐标-归一化套管波幅度、纵坐标-薄水层厚度(mm)。
如图5所示，横坐标-归-化套管波幅度、纵坐标-薄水层厚度(mm)。
为了说明高频共振透射现象有效区分微环和正常窜槽方法的有效性和定量化，首先，数值模拟0.1mm-1mm之间不同薄水层厚度对193kHz的时域及频率频率响应。分别为不同厚度的时域波形曲线。这里定义不同厚度薄水层的波形幅度为第一个波包中各点幅度绝对值求和后取平均。求出各个幅度值后，并以自由套管的幅度值作为标准进行归一化处理，然后作出振幅随薄水层厚度变化关系曲线。对该曲线进行多项式拟合，结果见如图3。由图可知，拟合结果比较理想。这样，我们就可以根据套管波波形幅度值来利用拟合公式(三次多项式)直接计算薄水层厚度，从而给出将幅度值作为特征量来定量判断一界面微环的一种方法。具体拟合公式为：
Y＝A+B1*X+B2*X^2+B3*X^3
公式系数：A＝-2.95076；B1＝9.73445；B2＝-10.06989；B3＝3.85441。
为进一步说明上面理论反演的稳定性，取一假设信号进行反演算例。假设信号声源频率为193kHz，一界面窜槽时薄水层厚度取0.35mm、0.55mm、0.75mm三种。数值模拟结果见表3和图5。由此可见，在得到一界面窜槽的时域波形后，利用拟合公式可比较准确地确定微环的厚度，三种窜槽厚度的判定相对误差均在1％以内，证明该方法是一种有效区分一界面正常窜槽和存在微环的新途径。
表3
  套管波归一化后相对幅度 0.7874 0.9821 1.1292
  实际薄水层厚度   0.35mm   0.55mm   0.75mm
  拟合公式计算结果   0.3525mm   0.5479mm   0.7511mm
  相对误差   0.714％   0.382％   0.147％

Claims (1)

1.一种油井水泥胶结测井微环识别与检测方法，其方法是：
a、理论模型
为研究套管井声测井井孔声场，分析弹性波的激发机制和传播规律，针对套管井声波测井实际，采用柱状多层开放声波导物理模型；
物理模型中沿径向最内层介质为井液，最外层介质为径向半无限地层，介质均为单相均匀介质；对于套管井模型，在井液和地层间嵌入了钢套管和水泥环；对于一界面窜槽情况，在钢管和水泥环之间存在流体环；为数值模拟套管井声波测井中瞬态全波波形，给出模型中各层介质的声学参数，见表1、表2；
表1.1模型中各介质层计算声学参数
  各层参数   参数值   各层参数   参数值 井孔泥浆密度 1090kg/m3   水泥横波吸收系数 5×10-4   井孔泥浆声速   1580m/s   串槽水层密度   1090kg/m3   井孔泥浆吸收系数   10-4   串槽水层声速   1580m/s 钢管密度 7500kg/m3   串槽水层吸收系数 9×10-5   钢管纵波声速   6098m/s   地层密度   2600kg/m3   钢管纵波吸收系数   3×10-5   地层纵波速度   3800m/s 钢管横波声速 3354m/s   地层纵波吸收系数 5×10-4   钢管横波吸收系数   5×10-5   地层横波速度   2200m/s 水泥密度 1920kg/m3   地层横波吸收系数 5×10-4   水泥纵波声速   2800m/s   水泥纵波吸收系数   9×10-4
  各层参数   参数值   各层参数   参数值   水泥横波声速   1700m/s
表1.2模型中各介质层内半径
  胶结状况   1   2   3   4   5   6   自由套管   0.05   0.06285   0.06985   0.10   0.40   第一界面串槽   0.05   0.06285   0.06985   0.07085   0.07085   0.40   微环   0.05   0.06285   0.06985   0.06995   0.09985   0.40   水泥胶结良好   0.05   0.06285   0.06985   0.10   0.40
b、一界面窜槽和存在微环识别与检测方法
利用前面给出的声学参数，对套管井一界面窜槽10mm、窜槽1mm和存在微环0.1mm三种典型胶结状况的井孔声场进行计算机数值模拟，计算了源距5英尺处，三种典型胶结状况0kHz-240kHz频率响应曲线，横坐标为频率，纵坐标取对数坐标，通过对频域图的详细分析，我们得到一种有效区分一界面窜槽和存在微环的识别与检测方法；
从频率响应曲线在50kHz以上出现三个明显的特征区域，即局域共振激发区；每个共振激发区都有两个能量相对集中的反射峰和一个吸收峰，反射峰和吸收峰的强度均不相同，随频率的增加强度明显增加；相应吸收峰处的共振频率分别为65.5kHz、128.6kHz、193kHz，这三个频率呈现近似的倍频关系；
下面对共振激发区进行详细分析，以期找到一个特征共振透射频率，用来有效判定一界面窜槽和微环的存在；
在共振透射频率65.5kHz附近出现的第一个共振激发区，在共振激发区处两个反射峰处曲线较光滑，左侧略高于右侧，而第二个反射峰后面的曲线开始快速下降，之后频率曲线没有明显变化规律，几乎重合；共振激发区内，0.1mm、1mm、10mm三条曲线走势具有一定变化趋势，通过比较发现0.1mm微环、1mm窜槽的频率曲线与10mm窜槽的频率曲线有着明显差别。
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