CN111980676B - 一种阵列声波测井评价固井质量的方法及处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阵列声波测井评价固井质量的方法及装置，包括：步骤一、对阵列波形进行预处理；步骤二、计算从发射器到每个接收器的传播时间，及套管波波至；利用波至时间确定套管波到时，并根据窗长计算窗内套管波能量；步骤三、计算阵列衰减，首先进行几何扩散修正，然后进行衰减估计；步骤四、判断测井资料中是否存在自由套管或者CBL曲线，若存在则可根据相对能量法对能量曲线进行归一化，输出相对能量曲线；若不存在则可根据能量曲线的起伏程度对固井质量进行初步的定性评价；步骤五、固井质量评价。本发明可以解决传统的基于声波测井的常规固井质量评价方法存在的因为需特定的仪器进行测井作业，所以测井作业的成本较高的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于应用地球物理声学测井领域，具体涉及一种利用阵列声波测井数据进行固井质量评价的方法及处理装置。
背景技术
固井是油、水井完井过程中的重要环节，固井质量的好坏将直接影响井的使用寿命，以及整个注、采期间能否顺利进行生产。好的固井质量，为油气井射孔等作业及正常生产提供层间的液封能力，使油气井的分层开采得到保障。世界范围内的油田井大部分都是套管井，固井质量的评价是套管井必测的项目之一。
目前基于声波测井的常规固井质量评价方法的发展已有数十年的历史(刘正锋,王天波,段新海.固井质量测井评价方法对比分析研究.石油仪器,2005(03):65-68)：上世纪70年代出现单发双收声系水泥胶结-变密度测井(CBL-VDL)，仪器的源距有两种，3英尺和5英尺，3英尺的用于声幅测量，5英尺的用于变密度的测量(邱广军.声波变密度测井技术及其应用.内蒙古石油化工,2010,36(1):102-103)；80年代初期利用声波脉冲反射法进行固井质量评价，测量结果可说明圆周性的胶结情况，结合VDL可进行第Ⅱ界面评价(乔文孝,周家惠,杜光升.超声脉冲反射法评价第Ⅱ界面的模拟实验.测井技术,1996,20(3):192-196)；90年代推出扇区水泥胶结测井的评价方法，一次下井可测量8个扇区套管水泥分布图、3英尺声幅曲线、5英尺变密度图(王爱民.扇区水泥胶结仪及在套管井的应用.测井技术,2003,27(增刊))。固井质量也实现了从定性到定量，再到方位性评价的飞跃。但这些方法都需特定的仪器进行测井作业，成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种阵列声波测井评价固井质量的方法及处理装置，以解决传统的基于声波测井的常规固井质量评价方法存在的因为需特定的仪器进行测井作业，所以测井作业的成本较高的技术问题。
为实现上述方法，本发明采用如下处理方案：
一种阵列声波测井评价固井质量的方法，
步骤一、对阵列波形进行预处理，还原波形曲线，获取阵列声波的全波列数据并根据需求进行滤波处理，即去除波列中低频和高频的测井噪声，保留套管波主要成分；
步骤二、计算套管波能量，根据套管波慢度和阵列接收器的源距，计算从发射器到每个接收器的传播时间，即套管波波至；利用波至时间确定套管波到时，并根据窗长计算窗内套管波能量；
步骤三、计算阵列衰减，根据得到的套管波能量计算相应的阵列衰减；计算衰减时要首先进行几何扩散修正，消除发射器和接收器之间衰减的影响，然后进行衰减估计；
步骤四、套管波能量的归一化，判断测井资料中是否存在自由套管或者CBL曲线，若存在则可根据相对能量法对能量曲线进行归一化，输出相对能量曲线；若不存在则可根据能量曲线的起伏程度对固井质量进行初步的定性评价；
步骤五、固井质量评价，根据阵列声波固井质量评价标准利用套管波能量和阵列衰减曲线对固井质量进行综合评价。
步骤六、判断是否处理完所有深度点，若是则结束处理，若否则重复步骤二至五，直至处理完所有深度点。
所述步骤二具体为：利用时间—慢度相关法(STC)提取阵列波形中的套管波时差(DT)，并根据公式7，确定套管波的到时(TT)：
TT＝DT×TR (7)
其中TR表示各接收器到发射器之间的距离。
根据确定的套管波到时，在全波列中确定相应的套管波时窗，利用公式8计算时窗内第n个接收器接收到的套管波的能量(平均能量)En：
其中Wn(t)为接收到的波形数据，Tw为时窗长度，T为套管波开窗时间，t为仪器采样的时间；
所述步骤三具体为：
假设第一个接收器接收到的套管波能量为E0，声波在吸收介质中传播到距其x处套管波能量的变化可用公式9来描述：
E(x)＝CE0e-αx (9)
其中E(x)表示x处的能量，α表示两个接收器之间吸收介质的衰减，C是综合激发源函数、检波器响应函数和几何扩散函数的参数，E0为第一个接收器接收到的套管波能量，e为自然常数；
假设不同位置处的接收器响应一致，公式9可整理为：
由于井眼中几何扩散(远离钻孔能量减少)的存在，严重影响衰减估计，要对套管波能量进行如公式11的几何扩散修正：
E1(x)＝E(x)×(TR+x) (11)
其中E(x)表示修正前能量，E1(x)表示修正后的能量，TR为最小源距，x为当前接收器与第一个接收器的距离；对衰减进行了几何扩散修正并且归一化接收器灵敏度后，在对数坐标系下，套管波能量和源距之间呈线性关系，其斜率即为对应阵列上的衰减，可通过最小二乘法拟合得到。
所述步骤四具体为：
为了利用能量曲线进行固井质量的定量评价，需要对其进行归一化处理；首选使用自由套管测井数据，相对能量可表示为：
其中E自由套管为自由套管情况下计算得到的套管能量，En为第n个接收器接收到的套管波的能量。
若缺少自由套管测井数据，可选用CBL曲线进行归一化处理；选择CBL曲线中幅度较大、变化较平稳的井段作为标定段，将套管波能量标定到0-100范围内，用于固井质量的定量评价。
所述步骤五具体为：
(1)基于套管波能量的固井质量评价标准：一般采用相对能量法，即将自由套管处(即水泥返高面以上井段)的声波能量E定义为100％能量，根据不同公司的CBL固井质量评价标准确定该方法中基于能量的固井质量评价标准；当套管波能量小于界限的低值时，评价为固井质量良好；当其大于界限的低值且小于界限的高值时，评价为固井质量中等；当其大于或等于界限的高值时，评价固井质量差；
(2)基于阵列衰减的固井质量评价标准：为利用套管波阵列衰减进行固井质量的定量评价，选取一个区块油田中的五至二十口井的阵列衰减与套管波能量(AMP)曲线进行交会，结果表明：固井质量良好(AMP<界限的低值)时，衰减值较大，均大于1；固井质量中等(界限的低值<AMP<界限的高值)时，衰减值在0.35与1之间；固井质量差(AMP>界限的低值)时，衰减值均小于0.35；所以在该区块内，基于衰减的固井质量评价标准为：当阵列衰减值大于1时，胶结质量良好；当阵列衰减在0.35和1之间时，定义为胶结中等，当阵列衰减小于0.35时，胶结质量较差。
本发明还提供了一种阵列声波进行固井质量评价处理装置，包括：
波形预处理模块，具体可以使用数字信号处理器对采集阵列波形进行滤波；
能量计算模块，具体可以预设的套管波慢度，计算其波至，并开窗计算波形能量，得到多个接收器上套管波能量；
衰减计算模块，具体可以根据多个接收器得到的套管波能量进行几何扩散校正后线性拟合，得到阵列跨度内的套管波衰减。
本发明具有如下优点：
本发明充分利用阵列声波仪器中多个接收器采集的声波全波波形数据，不但可以得到与VDL类似的全波波形，经过处理还可以得到与CBL类似的套管波能量曲线，重要的是利用多个接收器的波形能量，还可以得到套管波的衰减信息。在不增加现场测井作业成本的情况下，进一步挖潜阵列声波测井数据中的波形数据信息，用于固井质量评价，且取得了较好的应用效果，极大的节约了成本，提高了工作效率，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的阵列声波测井模型和装置示意图。
图2为本发明提供的一种利用阵列声波测井数据进行固井质量评价方法的处理流程。
图3为本发明提供的阵列声波测井评价固井质量处理装置的组成结构图。
图4-a、4-b为本发明的套管波能量与源距的关系；其中，图4-a为部分胶结的理论波形图；图4-b为对应的套管波能量(对数坐标下)与源距关系的最小二乘拟合结果。
图5为本发明的套管波能量归一化的工作流程图。
图6为实际测井数据中心某标定段的套管波能量与CBL数据的交会图，利用最小二乘法进行拟合，用于对套管波能量进行归一化处理。
图7为某区块套管波的阵列衰减与套管波能量的交会图及固井质量评价标准划分。
图8为阵列声波固井质量评价成果图。
图中编号：1、测井仪器，2、套管，3、水泥环，4、地层，R、阵列接收换能器，T、声源发射换能器。
具体实施方式
如图2所示，本发明提出了一种利用阵列声波测井数据进行固井质量评价的方法，工作流程如下：
步骤一、对阵列波形进行预处理，还原波形曲线，获取阵列声波的全波列数据并根据需求进行滤波处理(去除波列中低频和高频的测井噪声)，保存套管波主要成分。
步骤二、计算套管波能量，根据套管波慢度，计算从发射器到每个接收器的传播时间。利用波至时间确定窗长来提取套管波，根据套管波波至时间提取相应时窗内波形的能量。为保证计算稳定，通常采用均方根法计算能量。
步骤三、计算阵列衰减，根据得到的套管波能量计算相应的阵列衰减。计算衰减时要首先进行几何扩散修正，消除发射器和接收器之间衰减的影响，然后进行衰减估计。如
图4-a为部分胶结情况下的理论模拟结果，图4-b为在所开时窗内计算得到的套管波能量与源距的最小二乘拟合结果(几何扩散修正后)，其斜率的绝对值即为所求的阵列衰减。
步骤四、归一化处理，首选使用自由套管测井数据，利用公式6计算得到套管波相对能量；若缺少自由套管测井数据，如本次某区块8口井的实际测量结果，但为了验证该方法的实际应用效果，同时进行了声幅测井CBL/VDL，可利用CBL测井数据对套管波能量进行标定(如图6为某口井形成标定标准)，将其标定到0-100范围内，采用CBL测井的评价标准进行固井质量的定量评价。若均不存在则可根据能量曲线的起伏程度对固井质量进行初步的定性评价。
步骤五、固井质量评价，根据阵列声波固井质量评价标准利用能量和衰减曲线对固井质量进行综合评价。
步骤六、判断是否处理完所有深度点，若是则结束处理，若否则重复步骤二至五，直至处理完所有深度点。
所述步骤二具体为：利用时间—慢度相关法(STC)提取阵列波形中的套管波时差(DT)，并根据公式13，确定套管波的到时(TT)：
TT＝DT×TR (13)
其中TR表示各接收器到发射器之间的距离。
根据确定的套管波到时，在全波列中确定相应的套管波时窗，利用公式14计算时窗内第n个接收器接收到的套管波的能量(平均能量)En：
其中Wn(t)为接收到的波形数据，Tw为时窗长度，T为套管波开窗时间，t为仪器采样的时间。
所述步骤三具体为：
假设第一个接收器接收到的套管波能量为E0，声波在吸收介质中传播到距其x处套管波能量的变化可用公式15来描述：
E(x)＝CE0e-αx (15)
其中E(x)表示x处的能量，α表示两个接收器之间吸收介质的衰减，C是综合激发源函数、检波器响应函数和几何扩散函数的参数，E0为第一个接收器接收到的套管波能量，e为自然常数。
假设不同位置处的接收器响应一致，公式15可整理为：
由于井眼中几何扩散(远离钻孔能量减少)的存在，严重影响衰减估计，要对套管波能量进行如公式17的几何扩散修正：
E1(x)＝E(x)×(TR+x) (17)
其中E(x)表示修正前能量，E1(x)表示修正后的能量，TR为最小源距，x为当前接收器与第一个接收器的距离；对衰减进行了几何扩散修正并且归一化接收器灵敏度后，在对数坐标系下，套管波能量和源距之间呈线性关系，其斜率即为对应阵列上的衰减，可通过最小二乘法拟合得到。
所述步骤四具体为：
参见图5所示，为了利用能量曲线进行固井质量的定量评价，需要对其进行归一化处理，工作流程如图5所示。首选使用自由套管测井数据，相对能量可表示为：
其中E自由套管为自由套管情况下计算得到的套管能量，En为第n个接收器接收到的套管波的能量。
若缺少自由套管测井数据，可选用CBL曲线进行归一化处理；选择CBL曲线中幅度较大、变化较平稳的井段作为标定段，将套管波能量标定到0-100范围内，用于固井质量的定量评价。
所述步骤五具体为：
(1)基于套管波能量的固井质量评价标准：一般采用相对能量法，即将自由套管处(即水泥返高面以上井段)的声波能量E定义为100％能量，根据不同公司的CBL固井质量评价标准确定该方法中基于能量的固井质量评价标准；如在渤海油田，将套管波能量15％和30％界限作为评价标准，即当套管波能量小于15％E时，评价为固井质量良好；当其大于15％E且小于30％E时，评价为固井质量中等；当其大于或等于30％E时，评价固井质量差。
(2)基于阵列衰减的固井质量评价标准：为利用套管波阵列衰减进行固井质量的定量评价，选取某区块中8口井的阵列衰减与套管波能量(AMP)曲线进行交会，结果表明：固井质量较好(AMP<15％)时，衰减值较大，均大于1；固井质量中等(15％<AMP<30％)时，衰减值在0.35与1之间；固井质量差(AMP>30％)时，衰减值均小于0.35。所以在该区块内，基于衰减的固井质量评价标准为：当阵列衰减值大于1时，胶结质量良好；当阵列衰减在0.35和1之间时，定义为胶结中等，当阵列衰减小于0.35时，胶结质量较差。
基于同一发明构思，本发明实施方式中还提供了一种阵列声波进行固井质量评价处理装置，如下面的实施方式所述。由于装置解决问题的原理与阵列声波进行固井质量评价处理方法相似，因此装置的实施可以参见阵列声波进行固井质量评价处理方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。请参阅图3，是本申请实施方式的阵列声波进行固井质量评价处理装置的一种组成结构图，该装置可以包括：波形预处理模块、能量计算模块、衰减计算模块，下面对该结构进行具体说明。
波形预处理模块，具体可以使用数字信号处理器对采集阵列波形进行滤波；
能量计算模块，具体可以预设的套管波慢度，计算其波至，并开窗计算波形能量，得到多个接收器上套管波能量；
衰减计算模块，具体可以根据多个接收器得到的套管波能量进行几何扩散校正后线性拟合，得到阵列跨度内的套管波衰减。
以下，结合具体的实例处理成果，进一步说明本发明所述的阵列声波测井评价固井质量方法的应用效果。
图8为利用本发明所述方法对现场阵列声波测井资料处理的成果图，分别选择了固井质量差(上)、固井质量中等(中)和固井质量好(下)的不同井段。第二道为变密度波形；第三道是单极子全波列；第四道是利用第三道中的时窗求取并进行归一化后的套管波能量曲线，并与CBL曲线进行对比；第五道为利用峰值衰减法计算得到的衰减曲线。第四道显示，利用阵列声波测井数据得到的套管波能量与CBL数据十分吻合；且根据图7所示的固井质量评价标准，利用第五道中衰减曲线进行固井质量评价得到的结果与CBL测井一致，说明利用该方法进行固井质量评价较为准确。现场应用实例所显示的良好的吻合性和对应性证明了本方法的可行性及其广阔的应用前景。
Claims (3)
1.一种阵列声波测井评价固井质量的方法，包括如下步骤：
步骤一、对阵列波形进行预处理，还原波形曲线，获取阵列声波的全波列数据并根据需求进行滤波处理，即去除波列中低频和高频的测井噪声，保留套管波主要成分；
步骤二、计算套管波能量，根据套管波慢度和阵列接收器的源距，计算从发射器到每个接收器的传播时间，即套管波波至；利用波至时间确定套管波到时，并根据窗长计算窗内套管波能量；
步骤三、计算阵列衰减，根据得到的套管波能量计算相应的阵列衰减；计算衰减时要首先进行几何扩散修正，消除发射器和接收器之间衰减的影响，然后进行衰减估计；
步骤四、套管波能量的归一化，判断测井资料中是否存在自由套管或者声波幅度测井曲线，若存在则可根据相对能量法对能量曲线进行归一化，输出相对能量曲线；若不存在则可根据能量曲线的起伏程度对固井质量进行初步的定性评价；
步骤五、固井质量评价，根据阵列声波固井质量评价标准利用套管波能量和阵列衰减曲线对固井质量进行综合评价；
步骤六、判断是否处理完所有深度点，若是则结束处理，若否则重复步骤二至五，直至处理完所有深度点；
所述步骤二具体为：利用时间—慢度相关法提取阵列波形中的套管波时差DT，并根据公式(1)，确定套管波的到时TT：
TT＝DT×TR (1)
其中TR表示各接收器到发射器之间的距离；
根据确定的套管波到时，在全波列中确定相应的套管波时窗，利用公式(2)计算时窗内第n个接收器接收到的套管波的能量，即平均能量En：
其中Wn(t)为接收到的波形数据，Tw为时窗长度，T为套管波开窗时间，t为仪器采样的时间；
所述步骤三具体为：
假设第一个接收器接收到的套管波能量为E0，声波在吸收介质中传播到距其x处套管波能量的变化可用公式(3)来描述：
E(x)＝CE0e-αx (3)
其中E(x)表示x处的能量，α表示两个接收器之间吸收介质的衰减，C是综合激发源函数、检波器响应函数和几何扩散函数的参数，E0为第一个接收器接收到的套管波能量，e为自然常数；
假设不同位置处的接收器响应一致，公式(3)可整理为：
由于井眼中几何扩散的存在，严重影响衰减估计，要对套管波能量进行如公式(5)的几何扩散修正：
E1(x)＝E(x)×(TR+x) (5)
其中E(x)表示修正前能量，E1(x)表示修正后的能量，TR为最小源距，x为当前接收器与第一个接收器的距离；对衰减进行了几何扩散修正并且归一化接收器灵敏度后，在对数坐标系下，套管波能量和源距之间呈线性关系，其斜率即为对应阵列上的衰减，可通过最小二乘法拟合得到；
所述步骤四具体为：
为了利用能量曲线进行固井质量的定量评价，需要对其进行归一化处理；使用自由套管测井数据，相对能量可表示为：
其中E自由套管为自由套管情况下计算得到的套管能量；En为第n个接收器接收到的套管波的能量；
若缺少自由套管测井数据，用声波幅度测井曲线进行归一化处理；选择声波幅度测井曲线中幅度较大、变化较平稳的井段作为标定段，将套管波能量标定到0-100范围内，用于固井质量的定量评价。
2.根据权利要求1所述的一种阵列声波测井评价固井质量的方法，
所述步骤五具体为：
(1)基于套管波能量的固井质量评价标准：一般采用相对能量法，即将自由套管处的声波能量E定义为100％能量，根据不同公司的声波幅度测井固井质量评价标准确定该方法中基于能量的固井质量评价标准；当套管波能量小于界限的低值时，评价为固井质量良好；当其大于界限的低值且小于界限的高值时，评价为固井质量中等；当其大于或等于界限的高值时，评价固井质量差；
(2)基于阵列衰减的固井质量评价标准：为利用套管波阵列衰减进行固井质量的定量评价，选取一个区块油田中的五至二十口井的阵列衰减与套管波能量曲线进行交会，结果表明：固井质量良好，声幅值<界限的低值时，衰减值较大，均大于1；固井质量中等，界限的低值<声幅值<界限的高值时，衰减值在0.35与1之间；固井质量差，声幅值>界限的低值时，衰减值均小于0.35；所以在该区块内，基于衰减的固井质量评价标准为：当阵列衰减值大于1时，胶结质量良好；当阵列衰减在0.35和1之间时，定义为胶结中等，当阵列衰减小于0.35时，胶结质量较差。
3.根据权利要求1所述的一种阵列声波测井评价固井质量的方法实现的一种阵列声波测井评价固井质量的处理装置，其特征在于，包括：
波形预处理模块，具体使用数字信号处理器对采集阵列波形进行滤波；
能量计算模块，具体预设套管波慢度，计算其波至，并开窗计算波形能量，得到多个接收器上套管波能量；
衰减计算模块，具体根据多个接收器得到的套管波能量进行几何扩散校正后线性拟合，得到阵列跨度内的套管波衰减。
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