CN113982562B - 一种基于阵列声波测井的固井质量评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于阵列声波测井的固井质量评价方法：阵列声波测井仪器包括沿同轴线设置的两个不同频率的长源距发射探头、短源距发射探头以及由等间距排列的阵列接收探头；发射探头激发振动，阵列接收探头接收不同源距的阵列测井波形，将八个阵列测井波形中的套管波部分取出，处理获得套管波的时差随频率变化曲线、衰减系数随频率变化曲线；利用时差随频率变化曲线、衰减系数随频率变化曲线评价固井质量。本发明还适用于石灰岩、白云岩、火成岩和变质岩等声速大于套管波速度的老地层，为深层勘探提供了技术和关键装备。
Description
技术领域
本发明涉及声波测井领域，更具体的说，是涉及一种基于阵列声波测井的固井质量评价方法。
背景技术
固井质量检测依据套管井内所接收到的声波波形，在砂泥岩地层，套管波速度最快，位于接收波形的最前面，所以取第一个波形的首波幅度作为套管波幅度对固井质量进行评价。由于不同的仪器所测量的首波幅度不同，所以在每口井测井时需要找到一个没有水泥胶结的井段进行刻度。因此，固井质量胶结测井没有办法实现标准化和统一的刻度。除了上述两种情况外，在实际生产中还常常出现套管波幅度小，但是固井胶结很差，套管外串槽的情况，严重影响探井的试油和生产井的正常生产。
从声波测井基本原理入手，用波动声学的解对固井质量评价原理进行了深入研究，结果发现：声波固井质量测井仪器在井内液体中所测量的套管波是套管中传播的声波在井内液体中的耦合波，这个波是通过套管内壁与井内液体的边界条件耦合的，其沿z轴的传播速度与套管内传播的声波速度相同，人们称其为套管波。但是，其自身有一系列固有频率，在固有频率处幅度大，其它频率段幅度小；第二个固有频率的幅度与套管外的水环厚度不是单调关系，幅度与套管外的水环厚度具有双解性。即套管波幅度小对应于两种情况：一种是套管外界面与水泥的胶结面上有很小的水环(微环)；一种是套管外界面与水泥的胶结面上有很大的水环(串槽)。仅仅用套管波幅度无法区分这两种情况，所以才造成实际生产中很多严重串槽的固井质量被解释为胶结好，造成误判。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种基于阵列声波测井的固井质量评价方法，用一个频带内的时差判断套管波，用同一个频带内的衰减系数判别固井胶结质量，即将高频与低频的衰减系数同时获得，用多个频率的衰减系数评价固井，有效地避免了双解造成的误判。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明基于阵列声波测井的固井质量评价方法，包括以下过程：
(1)阵列声波测井仪器下入待评价的套管井；其中，所述阵列声波测井仪器包括沿同轴线设置的两个不同频率的发射探头、由八个等间距排列的接收探头构成的阵列接收探头，两个发射探头同时位于阵列接收探头的同一侧，分别作为长源距发射探头、短源距发射探头；
(2)长源距发射探头或短源距发射探头分别激发振动，阵列接收探头接收不同源距的阵列测井波形，将八个阵列测井波形中的套管波部分取出，分别用相位法、Prony法和矩阵法进行处理，获得套管波的时差随频率变化曲线、衰减系数随频率变化曲线；
(3)采用时差随频率变化曲线、衰减系数随频率变化曲线进行固井质量评价：
评价1：将时差随频率变化曲线向时差轴投影得到时差分布，将时差分布图中最大峰值处所对应的时差与待评价套管井本身的套管波时差对比，判断阵列测井波形中是否有套管波，当有套管波存在时，固井胶结I界面存在水环，固井质量差；并进一步确定套管波的频率范围和频带宽度。
评价2：将套管波的衰减系数随频率变化曲线取出向衰减系数轴投影得到衰减系数的分布，从衰减系数分布的峰值得到衰减系数；当衰减系数小时，固井质量差；当衰减系数大时，分高频和低频进行处理；高频段的衰减系数大有两种情况：若低频段的衰减系数也大，则固井质量好；若低频段的衰减系数小，则固井质量差有串槽；
评价3：分频率段对时差随频率变化曲线进行统计，生成不同频率段的声波时差分布，在套管波时差位置集中的分布是套管波；
分频率段对套管波衰减系数随频率变化曲线进行统计，获得高频段和低频段的衰减系数分布；低频段衰减系数小，固井质量差；低频段衰减系数大，固井质量好；高频段衰减系数小，固井质量差；高频段衰减系数大，分两种情况：若低频段的衰减系数也大，则固井质量好；若低频段的衰减系数小，则固井质量差有串槽。
步骤(1)中发射探头的设计：依据待评价套管井本身的套管波固有频率设计发射探头的频带和主频，对不同直径的套管采用不同的发射探头，获得相应频带范围的套管波。
步骤(1)中发射探头的一致性筛选，采用阻抗分析仪和导纳圆测量仪确定其主频、带宽以及动态阻抗，用主频、带宽以及动态阻抗作为参数确定探头的一致性。
步骤(1)中所述阵列接收探头中的八个接收探头具有一致性：相同的灵敏度和放大倍数、带宽一致。
步骤(1)中所述阵列声波测井仪器下入套管井之前进行标定和刻度：用与待评价套管井中的套管直径相同的套管制作标准刻度装置，将阵列声波测井仪器放入后，注水加压改变发射探头和接收探头与套管的耦合性能，改变发射探头的辐射阻抗，使其与测井条件一致或接近。
步骤(2)中采用长、短两种源距进行发射，测量不同源距激发的套管波，短源距的阵列接收波形对固井质量好的情况灵敏度高，长源距的阵列接收波形对固井质量差的情况分辨率高。
步骤(2)中用不同源距所接收到的八个阵列测井波形为基础进行处理，每次处理最少选择两个波形阵列测井波形。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明利用套管井的套管波自身具有一系列固有频率，在固有频率处幅度大，其它频率段幅度小的特点，设计发射探头的主频与套管井的套管波固有频率接近或者一致，激发出幅度大的套管波。对于5.5英寸钢套管和7英寸钢套管采用不同的发射探头，确定发射探头所激发的套管波的幅度和频带范围后，通过对发射探头的一致性进行严格挑选以及仪器系统在刻度装置刻度，实现阵列声波测井仪器的标准化和刻度。不再需要在井下找无水泥环的井段进行刻度。可以满足水泥返高到地面的各种固井质量检测的需要。
套管井的套管波的第二个固有频率的幅度与套管外的水环厚度不是单调关系，幅度与套管外的水环厚度具有双解性。套管波幅度小还对应于套管外有很大的水环(串槽)这种情况(这就是固井测井要寻找的串槽)。本发明专利利用套管波的时差和衰减系数随频率变化的曲线解决了该问题：通过时差随频率变化的曲线判断是否是套管波(当套管外界面与水泥环之间有水环时才存在)，确定套管波以后，用套管波在每个频率处的衰减系数对固井胶结质量进行评价。有效地解决了实际生产中严重串槽的固井质量评价问题(套管波幅度小以前被解释为胶结好)，避免了对串槽的误判。
本发明专利所述方法和仪器还适用于石灰岩和白云岩、火成岩和变质岩等声速大于套管波速度的老地层，为深层勘探提供了技术和装备。
本发明专利提供了胶结好、胶结差两种胶结情况的测量方式(长、短源距)，还通过阵列测量方式获得了不同纵向分辨率的固井质量评价结果。
附图说明
图1是套管井中不同水环厚度时套管波的幅度随频率的变化规律。
图2是图1所示的套管波幅度中，第一个固有频率15.5kHz处的幅度(第一个峰值)随套管井I界面胶结处的水环厚度的变化规律。
图3是图1所示的套管波幅度中，第二个固有频率28kHz处的幅度(第二个峰值)随套管井I界面胶结处的水环厚度的变化规律。
图4是本发明中阵列声波测井仪器声系结构；其中，
T1、T2分别是长源距、短源距发射探头，R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8均是接收探头，等间距排列，构成阵列接收探头。
图5中(a)是八个阵列接收探头接收到的阵列测井波形，(b)是阵列测井波形处理后得到的时差频散曲线，(c)是将时差频散曲线向声波时差投影后得到的分布曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明专利针对目前固井质量测井普遍存在的无法标准化、无法统一刻度，特别是在实际生产中有很多井，固井质量的解释结果与试油结果不相符(严重串槽)等问题。抛弃了几何声学基础上的声波测井理论，基于波动声学声波测井理论，开展了套管井声波测井理论研究，发现了套管波的固有频率，并且固有频率处的幅度与固井胶结I界面(套管与水泥环的胶结面)上的水环(模拟胶结差)厚度存在非单调关系等结果的基础上，开展了基于阵列声波测井的固井质量评价方法和仪器的研究。
波动声学声波测井理论研究振动激发源在井内液体中激发以后，声波在套管、水泥环和地层中传播的物理图像。并且根据边界条件和不同时刻的波阵面形状研究套管、水泥环和地层等固体中的声波与井内液体中所传播声波的耦合关系。当I界面胶结差时，套管内部有一个波沿套管轴线方向z方向传播，速度比套管材料的纵波速度稍慢的套管模式波。井内液体中与其耦合的声波在z方向也以同样的速度传播，人们称其为套管波。一直用到现在，人们普遍认为：套管波随z的衰减系数反映固井胶结质量，其速度为常数。但是，没有研究它基于圆柱形状的物理机理。本发明专利发现：该套管波具有一系列的固有频率，只有在固有频率处激发其幅度才比较大。第二个固有频率处的幅度与I界面水环的厚度不是单调关系，具有多解性。当水环厚度很大，对应于实际中的串槽情况时，套管波的幅度也很小。图1所示是用套管井I界面有水环的模型，井内液体响应的二维谱中，沿套管波速度线取出的套管波的幅度随频率的变化曲线，从下到上有多个曲线，每个曲线表示一个水环厚度的套管波幅度，合在一起分别表示I界面的水环厚度增加时套管波的幅度变化。将第一个固有频率15.5kHz处的幅度(第一个峰值)取出得到图2，其幅度随水环厚度是单调变化的。将第二个固有频率28kHz处的幅度(第二个峰值)取出得到图3，其幅度随水环厚度的变化是先上升后下降，对于同一个幅度值，有两个水环厚度与其对应，特别是当声波幅度比较小时，除了水环厚度小这种情况外，还有水环厚度很大的情况。
这就导致了实际中固井很不好的串槽因为套管波幅度小而被解释为固井胶结好。
根据套管波在不同频率的幅度分布以及不同频率的衰减系数与固井质量的关系。我们测量所有频率的套管波时差及其衰减系数。以此来排除双解带来的错判。
为测量所有频率的套管波时差与衰减系数，本发明设计了图4所示的阵列声波测井仪器，主要包括沿同轴线设置的两个不同频率的发射探头和一个阵列接收探头，两个发射探头同时位于阵列接收探头的同一侧，分别作为长源距发射探头T1、短源距发射探头T2，分别激发不同频带的振动，阵列接收探头由八个等间距排列的接收探头R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8构成，接收井内液体中的响应波形。
其中，依据待评价套管井本身的套管波固有频率设计发射探头的频带和主频，以便最有效地激发与套管井固井质量相关的套管波，套管波固有频率与套管直径和套管参数有关，也与仪器的外径有关。对不同直径的套管(一般使用的是5.5英寸钢套管、7英寸钢套管)采用不同的发射探头，获得相应频带范围的套管波，以便满足用套管波进行固井质量评价的要求。
将阵列声波测井仪器下入待评价的套管井中，长源距发射探头或短源距发射探头分别激发振动，阵列接收探头接收不同源距的阵列测井波形，将八个阵列测井波形中的套管波部分(位于波形前面的波形首波)取出，分别用相位法、Prony法和矩阵法进行处理，获得套管波的时差随频率变化曲线、衰减系数随频率变化曲线。
其中，用长源距和短源距两种激发方式，分别获得长、短源距的阵列接收波形，用阵列接收探头测量不同源距的套管波。短源距的阵列接收波形对固井质量好的情况灵敏度高，长源距的阵列接收波形对固井质量差的情况分辨率高。
用不同源距所接收到的八个阵列测井波形为基础进行处理，每次处理最少选择两个阵列测井波形。获得处理波形所在位置附近的固井胶结质量。
采用时差随频率变化曲线、衰减系数随频率变化曲线进行固井质量评价：
评价1：用时差随频率变化曲线判断是否是套管波，套管波的特点是速度为常数，略小于钢的纵波速度，时差不随频率改变。将时差随频率变化曲线(时差频散曲线)向时差轴投影得到时差分布，将时差分布图中最大峰值处所对应的时差与待评价套管井本身的套管波时差对比判断阵列测井波形中是否有套管波，当有套管波存在时，固井胶结I界面存在水环，固井质量差；并进一步确定套管波的频率范围和频带宽度。
图5(a)是短源距发射探头T2发射时接收到的8个阵列测井波形。两条斜线是套管波所在位置。将8个阵列测井波形中的套管波取出用相位法、Prony法和矩阵法处理得到图5(b)所示的时差随频率变化曲线，一共有两条线，下面那条时差随频率变化小，接近于套管波时差，是套管波的时差随频率变化曲线。图5(c)是将时差频散曲线向时差投影以后的结果，其中有一个峰值，其所在的时差接近套管波时差。我们将这个峰值的位置取出，与套管波的时差对比判断波形中是否有套管波存在。当有套管波存在时，固井胶结I界面存在水环。
评价2：将套管波的衰减系数随频率变化曲线(衰减系数频散曲线)取出向衰减系数轴投影得到衰减系数的分布，从衰减系数分布的峰值得到衰减系数，套管波衰减系数反映固井胶结质量。当衰减系数小时，对应的套管波波形幅度随距离和时间衰减慢，固井质量差；当衰减系数大时，对应的套管波波形幅度随距离和时间衰减慢快，这时要分高频和低频进行进一步处理。高频段的衰减系数大有两种情况与其对应，为了判断真正的固井胶结质量，还需要借助于低频段的衰减系数：若低频段的衰减系数也大，则固井质量好；若低频段的衰减系数也小，则固井质量差有串槽。具体表现为：高频指大于23kHz的频率段，低频指16kHz附近、小于16kHz的频率段，衰减系数接近0为小，衰减系数大于2为大。
评价3：分频率段对不同频率的声波时差(时差随频率变化曲线)进行统计，生成不同频率段的声波时差分布，在套管波时差位置集中的那些分布是套管波。
对于确定的套管波，分频率段对套管波不同频率的衰减系数(衰减系数随频率变化曲线)进行统计，获得高频段和低频段的衰减系数分布，根据高频区的分布与低频区的分布的差异对固井质量进行评价。低频段衰减系数小，固井质量差；低频段衰减系数大，固井质量好；高频段衰减系数小，固井质量差；高频段衰减系数大，分两种情况：若低频段的衰减系数也大，则固井质量好；若低频段的衰减系数小，则固井质量差有串槽。
另外，本发明中固井质量检测需要用声波测井波形的幅度计算套管波的衰减系数。测量声波波形的幅度对接收探头有一致性的要求。用阵列接收探头接收井内液体中的响应波形，所述阵列接收探头中的八个接收探头具有一致性：相同的灵敏度和放大倍数，相同的带宽和主频(声波时差测井主要用波形的相位信息，不需要幅度灵敏度的一致性)。为了得到准确的套管波衰减系数，需要对接收探头进行标准化：用阻抗分析仪和导纳圆测量仪挑选所用压电管的一致性，使其对所接收振动的灵敏度保持一致，电路放大器的放大倍数需要保持一致，放大器的相移需要保持一致，特别是不同的源距波形幅度差异大时。
为了统一标定仪器，还需要对发射探头和发射电路进行标准化。严格按照动态参数一致性的原则筛选发射探头和接收探头，采用阻抗分析仪和导纳圆测量仪确定其主频、带宽以及动态阻抗，用主频、带宽以及动态阻抗作为参数确定探头的一致性。具体包括：用导纳圆测量仪挑选一致性比较好的压电管。装配以后用阻抗分析仪挑选整个发射探头的动态参数。使其每支仪器的发射探头尽量保持一致。
不同阵列声波测井仪器发射探头之间存在的误差作为系统误差处理。
对于已经做好的阵列声波测井仪器，下入套管井之前需要在刻度装置内进行标定和刻度，以获得标准化波形：用与待评价套管井中的套管直径相同的套管制作标准刻度装置，将阵列声波测井仪器放入其中，注水加压后对阵列声波测井仪器进行标定和刻度。加压改变发射探头和接收探头与套管的耦合性能，改变发射探头的辐射阻抗，使其与测井条件一致或接近。
如果探头的灵敏度不一致，需要借助于刻度装置对各路的放大倍数进行调整，达到一致性的要求。
本发明专利针对现有情况进行改进：按照固有频率设计发射探头，将两个接收改为阵列接收，用阵列接收波形处理频散曲线，获得各个频率的时差与衰减系数。将原来仅仅靠主频时的衰减系数(CBL)评价固井的方法拓展为靠一个频带内的时差判断是否是套管波，用一个频带内的衰减系数判别固井胶结质量，即将高频与低频的衰减系数同时获得，用多个频率的衰减系数评价固井，有效地避免了双解造成的误判，也不用找一个无水泥层进行刻度，并且本发明还适用于石灰岩、白云岩、火成岩和变质岩等声速大于套管波速度的老地层，为深层勘探提供了技术和关键装备。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种基于阵列声波测井的固井质量评价方法，其特征在于，包括以下过程：
(1)阵列声波测井仪器下入待评价的套管井；其中，所述阵列声波测井仪器包括沿同轴线设置的两个不同频率的发射探头、由八个等间距排列的接收探头构成的阵列接收探头，两个发射探头同时位于阵列接收探头的同一侧，分别作为长源距发射探头、短源距发射探头；
(2)长源距发射探头或短源距发射探头分别激发振动，阵列接收探头接收不同源距的阵列测井波形，将八个阵列测井波形中的套管波部分取出，分别用相位法、Prony法和矩阵法进行处理，获得套管波的时差随频率变化曲线、衰减系数随频率变化曲线；
(3)采用时差随频率变化曲线、衰减系数随频率变化曲线进行固井质量评价：
评价1：将时差随频率变化曲线向时差轴投影得到时差分布，将时差分布图中最大峰值处所对应的时差与待评价套管井本身的套管波时差对比，判断阵列测井波形中是否有套管波，当有套管波存在时，固井胶结I界面存在水环，固井质量差；并进一步确定套管波的频率范围和频带宽度；其中，固井胶结I界面指的是套管与水泥环的胶结面；
评价2：将套管波的衰减系数随频率变化曲线取出向衰减系数轴投影得到衰减系数的分布，从衰减系数分布的峰值得到衰减系数；当衰减系数小时，固井质量差；当衰减系数大时，分高频和低频进行处理；高频段的衰减系数大有两种情况：若低频段的衰减系数也大，则固井质量好；若低频段的衰减系数小，则固井质量差有串槽；
评价3：分频率段对时差随频率变化曲线进行统计，生成不同频率段的声波时差分布，在套管波时差位置集中的分布是套管波；
分频率段对套管波衰减系数随频率变化曲线进行统计，获得高频段和低频段的衰减系数分布；低频段衰减系数小，固井质量差；低频段衰减系数大，固井质量好；高频段衰减系数小，固井质量差；高频段衰减系数大，分两种情况：若低频段的衰减系数也大，则固井质量好；若低频段的衰减系数小，则固井质量差有串槽。
2.根据权利要求1所述的基于阵列声波测井的固井质量评价方法，其特征在于，步骤(1)中发射探头的设计：依据待评价套管井本身的套管波固有频率设计发射探头的频带和主频，对不同直径的套管采用不同的发射探头，获得相应频带范围的套管波。
3.根据权利要求1所述的基于阵列声波测井的固井质量评价方法，其特征在于，步骤(1)中发射探头的一致性筛选，采用阻抗分析仪和导纳圆测量仪确定其主频、带宽以及动态阻抗，用主频、带宽以及动态阻抗作为参数确定探头的一致性。
4.根据权利要求1所述的基于阵列声波测井的固井质量评价方法，其特征在于，步骤(1)中所述阵列接收探头中的八个接收探头具有一致性：相同的灵敏度和放大倍数、带宽一致。
5.根据权利要求1所述的基于阵列声波测井的固井质量评价方法，其特征在于，步骤(1)中所述阵列声波测井仪器下入套管井之前进行标定和刻度：用与待评价套管井中的套管直径相同的套管制作标准刻度装置，将阵列声波测井仪器放入后，注水加压改变发射探头和接收探头与套管的耦合性能，改变发射探头的辐射阻抗，使其与测井条件一致或接近。
6.根据权利要求1所述的基于阵列声波测井的固井质量评价方法，其特征在于，步骤(2)中采用长、短两种源距进行发射，测量不同源距激发的套管波，短源距的阵列接收波形对固井质量好的情况灵敏度高，长源距的阵列接收波形对固井质量差的情况分辨率高。
7.根据权利要求1所述的基于阵列声波测井的固井质量评价方法，其特征在于，步骤(2)中用不同源距所接收到的八个阵列测井波形为基础进行处理，每次处理最少选择两个波形阵列测井波形。
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