CN111595948A - 一种识别双层套管井外层套管与地层之间胶结状况的方法 - Google Patents

一种识别双层套管井外层套管与地层之间胶结状况的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种识别双层套管井外层套管与地层之间胶结状况的方法，涉及地球物理和油气勘探开发领域。多层套管井的声传播问题涉及到径向分层介质中的声波导，全波波形中包含的波成分与单层套管相比更加复杂，阵列声波测井记录了多道全波波形，可结合时间‑慢度相关法和频率‑慢度相关法识别全波中的各成分波的频散或幅度特征研究其对外层套管胶结状况的敏感程度。本方法将井孔斯通利波引入到固井质量评价，实现了确定外层套管与地层之间是否胶结水泥的目的。

Description

一种识别双层套管井外层套管与地层之间胶结状况的方法
技术领域
本发明涉及地球物理和油气勘探开发领域，具体涉及一种识别双层套管井外层套管与地层之间胶结状况的方法。
背景技术
随着油田勘探开发的进一步深入，深井和超深井采用多层套管实现层间封隔已非常普遍。对多层套管井固井质量评价的需求越来越迫切，尤其在打水泥塞或拔管过程中需要确定套后是否有水泥胶结。目前超声类的测井方法，由于其较高的工作频率仅适用于最内层套管与水泥环界面的胶结成像，声幅和变密度测井(CBL/VDL)已尝试应用在双层套管固井质量评价中。黄文新，章成广等人(1993)用柱状多层理论模型，计算了裸眼井、单层套管井、双层套管井中的声波波形，研究了利用套管波和地层波评价双层套管井固井质量的方法。康建云等(2015)研究了声波在双层套管中的传播特征，讨论了内外套管波叠加对波列的影响，指出双层套管井段声波变密度测井资料只有首波幅度反应内层套管与水泥环的胶结情况。聂建山等(2012)分析了双层套管中各个界面不同胶结情况下套管波幅度的变化，提出了以套管波首波评价内层套管和水泥界面的胶结情况，以后续套管波特征评价外层套管两个界面的胶结状况。以上研究仅是重点分析全波中的套管波或地层波幅度受套外各层水泥环胶结的影响，很难实现外层套管和地层之间胶结状况的准确评价，另外由于CBL/VDL仅记录了远接收器的单道波形，无法拓展应用井孔模式波频散变化特征评价胶结质量。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足，提出了一种利用井孔模式波-斯通利波的频散特征以及套管波衰减评价外层套管与地层之间是否胶结水泥的方法。
本发明具体采用如下技术方案：
一种识别双层套管井外层套管与地层之间胶结状况的方法，包括以下步骤：
步骤一、根据双层套管规格、井径、裸眼井得到的不同深度下地层声速以及密度，建立内层套管充填泥浆、外层套管和地层之间分别充填水泥和泥浆时的外斯通利波的频散曲线库；
步骤二、在深度区间内进行单极子阵列声波测井得到深度区间内单极子激发时的全波数据；
步骤三、保存井口自由套管井段第一个接收器的套管波幅度；
步骤四、获得处理深度位置的阵列波形，利用时间-慢度相关法得到全波中斯通利波的慢度，若在内层套管和外层套管之间是泥浆充填时，时间-慢度相关图中存在此流体中的斯通利波慢度，称为外斯通利波慢度值；若内层套管和外层套管之间胶结水泥时，观测不到外斯通利波；当相关系数取局部极大值时对应的慢度值，便求出了内斯通利波和外斯通利波的慢度值，相关系数的求解如式(1)所示，
Figure BDA0002451075050000021
其中，Xm(t)是接收阵列中第m个接收器记录的全波波形，d是接收器之间的间距，相关分析的时间窗长度为Tw，相关系数为Corr(v,T)，S是慢度区间的某一慢度值，在189～300μs/ft慢度范围内，当相关系数取局部极大值时对应的慢度值，便求出了内斯通利波和外斯通利波的慢度值；
步骤五，情形一：若在时间-慢度相关图中识别到了外斯通利，此时全波中的套管波幅度对外层套管的胶结状况不敏感；
情形二：若在时间-慢度相关图中未识别到外斯通利波，则说明两层套管之间胶结了水泥，此时直接利用第一个接收器接收的全波中的首波幅度，若套管波幅度低于自由套管井段套管波幅度的30％，则外层套管和地层之间胶结了水泥，若接近自由套管井段套管波幅度，则外层套管和地层之间未胶结水泥。
优选地，在步骤五中情形一的情况下：
获得此处理深度位置的阵列波形，根据频散-慢度相关方法提取外斯通利波的频散曲线，将提取到的外斯通利波频散曲线与此深度下步骤一理论计算的频散曲线进行对比，若提取到的外斯通利波的频散曲线接近外层套管和地层之间充填流体时的解析频散曲线，则判定外层套管和地层之间为胶结水泥；若提取到的外斯通利波的频散曲线接近外层套管和地层之间充填水泥时的解析频散曲线，则判定外层套管和地层之间为胶结水泥；若提取到的外斯通利波的频散曲线介于两者之间，则选取3kHz-5kHz频段中某一频率下的慢度值，利用式(2)计算外层环空充填水泥的百分比。
Figure BDA0002451075050000022
其中Index_cement是外层环空水泥填充比例，Smeasured是测量的外斯通利波的慢度值，Scement是理论计算的外层环空完全充填水泥时的外斯通利波的慢度值，Smud是理论计算的外层环空完全充填泥浆时的外斯通利波的慢度值。
优选地，步骤二进行单极子阵列声波测井的阵列包括四道以上接收器。
本发明具有如下有益效果：
多层套管井的声传播问题涉及到径向分层介质中的声波导，全波波形中包含的波成分与单层套管相比更加复杂，阵列声波测井记录了多道全波波形，可结合时间-慢度相关法和频率-慢度相关法识别全波中的各成分波的频散或幅度特征研究其对外层套管胶结状况的敏感程度；该方法将井孔斯通利波引入到固井质量评价，确定外层套管与地层之间是否胶结水泥。
附图说明
图1为识别双层套管井外层套管与地层之间胶结状况的方法流程图；
图2为套管波幅度对外层套管和地层之间是否胶结水泥敏感示意图；
图3为外层环空流体环对外斯通利波频散的影响；(a)为内层套管和外层水泥环之间有流体环的情况，(b)为外层水泥环和地层之间有流体环的情况；
图4为内层环空胶结水泥外层环空分别胶结水泥和泥浆时的波形对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
结合图1，一种识别双层套管井外层套管与地层之间胶结状况的方法，包括以下步骤：
步骤一、根据双层套管规格、井径、裸眼井得到的不同深度下地层声速以及密度，建立内层套管充填泥浆、外层套管和地层之间分别充填水泥和泥浆时的外斯通利波的频散曲线库。
步骤二、在深度区间内进行单极子阵列声波测井得到深度区间内单极子激发时的全波数据；进行单极子阵列声波测井的阵列包括四道以上接收器。
步骤三、保存井口自由套管井段第一个接收器的套管波幅度。
步骤四、获得处理深度位置的阵列波形，利用时间-慢度相关法得到全波中斯通利波的慢度，若在内层套管和外层套管之间是泥浆充填时，时间-慢度相关图中存在此流体中的斯通利波慢度，称为外斯通利波慢度值；若内层套管和外层套管之间胶结水泥时，观测不到外斯通利波；当相关系数取局部极大值时对应的慢度值，便求出了内斯通利波和外斯通利波的慢度值，相关系数的求解如式(1)所示，
Figure BDA0002451075050000031
其中，Xm(t)是接收阵列中第m个接收器记录的全波波形，d是接收器之间的间距，相关分析的时间窗长度为Tw，相关系数为Corr(v,T)，S是慢度区间的某一慢度值，在189～300μs/ft慢度范围内，当相关系数取局部极大值时对应的慢度值，便求出了内斯通利波和外斯通利波的慢度值。
步骤五，情形一：若在时间-慢度相关图中识别到了外斯通利，此时全波中的套管波幅度对外层套管的胶结状况不敏感；获得此处理深度位置的阵列波形，根据频散-慢度相关方法提取外斯通利波的频散曲线，将提取到的外斯通利波频散曲线与此深度下步骤一理论计算的频散曲线进行对比，若提取到的外斯通利波的频散曲线接近外层套管和地层之间充填流体时的解析频散曲线，则判定外层套管和地层之间为胶结水泥；若提取到的外斯通利波的频散曲线接近外层套管和地层之间充填水泥时的解析频散曲线，则判定外层套管和地层之间为胶结水泥。若提取到的外斯通利波的频散曲线介于两者之间，则选取3kHz-5kHz频段的某一频率下的慢度值，利用式(2)计算外层环空充填水泥的百分比。
其中Index_cement是外层环空水泥填充比例，Smeasured是测量的外斯通利波的慢度值，Scement是理论计算的外层环空完全充填水泥时的外斯通利波的慢度值，Smud是理论计算的外层环空完全充填泥浆时的外斯通利波的慢度值。
在外层套管和地层之间胶结水泥后，外斯通利波的频散曲线在0～10kHz范围内明显增加(见图2)；在外层套管和地层之间胶结的水泥若出现缺失，斯通利波的频散曲线会处于完全胶结水泥与完全充填泥浆之间，其变化量与水泥在外层环空的占比近似成线性关系(见图3)，外层水泥环和地层之间出现水泥缺失的现象是一样。
情形二：若在时间-慢度相关图中未识别到外斯通利波，则说明两层套管之间胶结了水泥，此时直接利用第一个接收器接收的全波中的首波幅度，若套管波幅度低于自由套管井段套管波幅度的30％，则外层套管和地层之间胶结了水泥，若接近自由套管井段套管波幅度，则外层套管和地层之间未胶结水泥。图4直观显示了在两层套管之间胶结水泥时，若外层套管和地层之间也胶结水泥则套管波幅度明显减弱；此处也可以通过接收阵列提取套管波的衰减，若套管波衰减在4dB/ft+(或-)2dB/ft范围，则外层套管与地层之间没有胶结水泥，这样可以不用自由套管段套管波幅度做刻度就可以直接判断。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种识别双层套管井外层套管与地层之间胶结状况的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据双层套管规格、井径、裸眼井得到的不同深度下地层声速以及密度，建立内层套管充填泥浆、外层套管和地层之间分别充填水泥和泥浆时的外斯通利波的频散曲线库；
步骤二、在深度区间内进行单极子阵列声波测井得到深度区间内单极子激发时的全波数据；
步骤三、保存井口自由套管井段第一个接收器的套管波幅度；
步骤四、获得处理深度位置的阵列波形，利用时间-慢度相关法得到全波中斯通利波的慢度，若在内层套管和外层套管之间是泥浆充填时，时间-慢度相关图中存在此流体中的斯通利波慢度，称为外斯通利波慢度值；若内层套管和外层套管之间胶结水泥时，观测不到外斯通利波；当相关系数取局部极大值时对应的慢度值，便求出了内斯通利波和外斯通利波的慢度值，相关系数的求解如式(1)所示，
Figure FDA0002451075040000011
其中，Xm(t)是接收阵列中第m个接收器记录的全波波形，d是接收器之间的间距，相关分析的时间窗长度为Tw，相关系数为Corr(v,T)，S是慢度区间的某一慢度值，在189～300μs/ft慢度范围内，当相关系数取局部极大值时对应的慢度值，便求出了内斯通利波和外斯通利波的慢度值；
步骤五，情形一：若在时间-慢度相关图中识别到了外斯通利，此时全波中的套管波幅度对外层套管的胶结状况不敏感；
情形二：若在时间-慢度相关图中未识别到外斯通利波，则说明两层套管之间胶结了水泥，此时直接利用第一个接收器接收的全波中的首波幅度，若套管波幅度低于自由套管井段套管波幅度的30％，则外层套管和地层之间胶结了水泥，若接近自由套管井段套管波幅度，则外层套管和地层之间未胶结水泥。
2.如权利要求1所述的一种识别双层套管井外层套管与地层之间胶结状况的方法，其特征在于，在步骤五中情形一的情况下：
获得此处理深度位置的阵列波形，根据频散-慢度相关方法提取外斯通利波的频散曲线，将提取到的外斯通利波频散曲线与此深度下步骤一理论计算的频散曲线进行对比，若提取到的外斯通利波的频散曲线接近外层套管和地层之间充填流体时的解析频散曲线，则判定外层套管和地层之间为胶结水泥；若提取到的外斯通利波的频散曲线接近外层套管和地层之间充填水泥时的解析频散曲线，则判定外层套管和地层之间为胶结水泥；若提取到的外斯通利波的频散曲线介于两者之间，则选取3kHz-5kHz频段某一频率下的慢度值，利用式(2)计算外层环空充填水泥的百分比：
Figure FDA0002451075040000021
其中Index_cement为外层环空水泥填充比例，Smeasured为测量的外斯通利波的慢度值，Scement为理论计算的外层环空完全充填水泥时的外斯通利波的慢度值，Smud为理论计算的外层环空完全充填泥浆时的外斯通利波的慢度值。
3.如权利要求1所述的一种识别双层套管井外层套管与地层之间胶结状况的方法，其特征在于，步骤二进行单极子阵列声波测井的阵列包括四道以上接收器。
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