CN114233276A - 基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版 - Google Patents
基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版，由横、纵坐标构成的二维平面以及一条表现在二维平面上的理论曲线构成，横坐标是衰减系数转换的工程量GAL，纵坐标是首波幅度CBL，将不同水环厚度的首波幅度CBL与用衰减系数转换的工程量GAL一起绘制于二维平面上得到理论曲线，理论曲线上的每一个点对应于一个水环厚度，水环厚度在理论曲线上不是等间距分布。本发明通过CBL和衰减系数相关的工程量GAL构成的平面对固井质量进行了完整地展现，将固井质量评价从一维的CBL拓展为二维的分布曲线，利用图版上的曲线首先能够判断所选择的波形是否是套管波，能否用于固井质量评价，然后通过确定水环厚度对固井质量进行精细评价。
Description
技术领域
本发明涉及固井质量评价领域，更具体的说，是涉及一种基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版。
背景技术
套管井声波固井质量检测一直沿用3英尺源距的首波幅度CBL。在实际应用中，对首波幅度小的井段，通常认为固井质量好。但是，油田开发过程中经常出现串槽的情况。即CBL小，有时也会出现串槽，在勘探井内出现与油气录井和测井资料解释不符的情况，在开发井中出现液量增加，油很少，含水率高的情况。需要对固井质量进行精细评价。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版，通过CBL和衰减系数相关的工程量GAL构成的平面对固井质量进行了完整地展现，将固井质量评价从一维的CBL拓展为二维的分布曲线，利用图版上的曲线首先能够判断所选择的波形是否是套管波，能否用于固井质量评价。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版，由横、纵坐标构成的二维平面以及一条表现在二维平面上的理论曲线构成，横坐标是衰减系数转换的工程量GAL，纵坐标是首波幅度CBL，将固井I界面水环厚度不同时测井波形的首波幅度CBL与用衰减系数转换的工程量GAL一起绘制于二维平面上得到理论曲线，理论曲线上的每一个点对应于一个水环厚度；
其中，理论曲线的绘制过程：
建立套管井模型，从内向外依次是井内液体、套管、水泥环和地层，套管和水泥环之间的界面称为I界面，水泥环和地层之间的界面称为II界面；用实轴积分法对套管井I界面有水环的响应进行计算，获得套管井内响应的二维谱；对其中以套管波速度传播的套管波进行处理，以套管波速度从二维谱获得套管波的频率谱和波数谱；将频率谱和波数谱分别通过Fourier变换或Fourier逆变换获得随时间变化的波形和不同时刻随距离变化的空间分布；其后，将波形幅度随时间变化的包络线取出转化为随时间变化的衰减系数，将声波的空间分布幅度随距离变化的包络线取出转化为随距离变化的衰减系数；用一定的长度间隔改变水环厚度获得不同的频率谱峰值和衰减系数；
有自由套管井段时，用自由套管的频谱峰值对不同水环厚度所得到的频率谱峰值归一化，将其变为0到100的值，该值对应于声波测井首波是套管波时套管波的相对幅度，即得到用于固井质量评价的首波幅度CBL，同样，将衰减系数通过线性函数转化为工程量GAL，工程量GAL取值0～100，将每个水环厚度的归一化峰值CBL与衰减系数转换的工程量GAL一起绘制在二维平面上经线性拟合后得到理论曲线；
没有自由套管井段时，则用套管位于液体中时，即套管内、外只有液体时套管内的声波首波幅度进行刻度获得CBL，将衰减系数通过线性函数转化为工程量GAL，工程量GAL取值0～100，将每个水环厚度的归一化峰值CBL与衰减系数转换的工程量GAL一起绘制在二维平面上得到理论曲线。
理论曲线上最下面左边的起始点对应固井质量好，没有水环；有自由套管井段时，最上面的点对应自由套管，水环厚度为地层半径减去套管外径；没有自由套管井段时，理论曲线上最上面的点代表无限大均匀液体，水环厚度无限大。
阵列声波测井固井质量解释图版是波形中套管波频谱在固有频率处的峰值和频谱形状随I界面水环厚度的变化关系，通过两个可以测量的首波波形幅度和衰减系数具体反映，这两个参数都直接反映I界面水环厚度，也即反映固井胶结质量，两者具有的内在联系通过图版显示出来，为同时利用两条测井曲线评价固井质量提供了理论依据和具体操作方法；
图版的应用需要声波测井仪器，将声波测井仪器下入套管井；其中，声波测井仪器包括一个发射探头和由多个接收探头构成的阵列接收探头；发射探头产生振动，振动依次在井内液体、套管、水泥环、地层中传播，在井内液体中阵列接收探头接收不同源距的测井波形，取每个接收波形的首波，做Fourier变换得到其频谱；对每个频率，用复指数建模的方法获得套管井模式波的每个频率的时差和衰减系数，即得套管井模式波的时差频散曲线和衰减系数频散曲线；将所有频率的时差和衰减系数求出后，将时差等于套管波时差的频率所对应的衰减系数取出，将不同频率区间的时差频散曲线和衰减系数频散曲线分别向时差轴和衰减系数轴投影，获得不同频率区间内的时差分布和衰减系数分布，用各个分布的峰值确定对应各个频率区间的时差和衰减系数，进而得出时差随深度变化曲线和衰减系数随深度变化曲线；
用自由套管井段或只有液体时套管内的声波首波幅度对测井波形的首波幅度进行归一化刻度获得CBL，其取值0～100；将衰减系数通过线性函数转化为工程量GAL，工程量GAL取值0～100，将时差等于套管波时差的每个深度位置的CBL和GAL分别作为纵、横坐标绘制在二维图中，与图版线重合的点即为图版所在点对应的水环厚度，与图版接近的点，从该点引垂线到图版曲线，其交点对应的水环厚度为该点的水环厚度；
将实际测井时获得的所有深度的CBL和GAL绘制在图版上，分布于理论曲线周围的点对应的阵列声波测井波形的首波是套管波，远离理论曲线的点对应的阵列声波测井波形的首波则不是套管波，不反映固井质量，不能用于固井质量评价，即用理论曲线确定是否是套管波；确定是套管波后，从图版上可以找出不同点对应的水环厚度，根据各油田当地的水环厚度与串槽的经验值确定衰减系数的阈值，大于该阈值即判定串槽；不在理论曲线附近、分布在其它位置的点判断胶结良好。
所述套管井模式波的时差频散曲线和衰减系数频散曲线的确定：
对于砂泥岩地层，采用加窗的方法将每个不同源距的测井波形的首波取出，用复指数建模的方法获得套管井模式波的时差频散曲线和衰减系数频散曲线；
对于硬地层或石灰岩、白云岩和火成岩地层，采用加长窗长的方法将每个不同源距的测井波形中位于首波后面的套管波取入窗内，用复指数建模的方法获得分别与地层纵波速度和套管波速度相等的两个套管井模式波的时差频散曲线和衰减系数频散曲线，与套管波速度相等的时差和衰减系数频散曲线用于固井质量评价。
套管波的频谱峰和波数峰峰值表现为声波测井套管波的幅度以及首波幅度CBL；频谱峰和波数峰的形状表现为衰减系数，有两种表现方式：每个响应波形随时间的衰减系数和不同源距的响应波形随源距的衰减系数，两者通过套管波速度连接在一起，只有一个独立变量。
工程量GAL的定义方法：与衰减系数成正比、反比或其他函数关系；其对应的GAL和CBL的理论曲线形状不一样，均称为GAL和CBL图版；工程量GAL和CBL的理论关系曲线从声波测井波形幅度和幅度随距离的衰减两个角度展现了I界面胶结差；CBL对水环厚度增加过程灵敏，水环厚度越大，CBL越大，CBL对水环厚度比较大的情况反映清楚；工程量GAL的定义立足于对水环厚度减小过程灵敏，水环厚度越小，衰减系数越大，工程量变化越明显，对水环厚度小的水环反映灵敏。
水环厚度小于1mm以后频谱峰和波数峰的峰值和形状变化都比较小，幅度集中在1mm时的峰值位置处进行微小变化，CBL和GAL的变化也比较小。水环厚度大于8mm以后，CBL和GAL随水环厚度的变化也逐渐减小，固井质量评价解释图版两端的水环厚度分辨率都比较低。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
固井解释图版将套管井I界面胶结差时套管波频谱峰幅度和形状随水环厚度变化的理论关系(内在规律)完整地表现在实际测井波形的幅度CBL以及用波形处理的衰减系数曲线上。通过CBL和衰减系数相关的工程量GAL构成的平面(CBL-工程量GAL平面)对固井质量进行了完整地展现，将固井质量评价从一维的CBL拓展为二维的分布曲线。沿着CBL轴反映固井质量差，沿着GAL轴变化则反映固井质量好。利用图版上的曲线首先能够判断所选择的波形是否是套管波，能否用于固井质量评价。然后能够具体判断固井质量：沿着曲线能够直观指示固井质量由好变差或由差变好的。结合实际情况和实例还能够确定真正串槽的标准。本图版为固井质量解释提供了直观的方法和比较充分的理论依据。
阵列声波测井波形中固井胶结质量的信息丰富，以幅度和相位的形式分布在每个源距的测井波形中。本发明专利的固井解释图版将其中首波所包含的固井I界面信息有效地提取了出来，增加了衰减系数(描述套管井响应频谱峰的形状，CBL描述峰值)信息，与原有的CBL曲线形成了互补，对固井质量好，CBL小的情况进行了精细描述。针对实际应用中出现的CBL小而串槽甚至严重串槽情况，增加了评价方法。为解决固井质量的精细评价提供了衰减系数曲线、CBL-GAL理论曲线及其对应的解释方法。
附图说明
图1是刚性壁井内液体中能够传播的声波模式波，包含液体波和双曲线形状的模式波。
图2是将图1中极值分布的位置求出得到井内液体模式波的分布。
图3是套管井内液体中的所有模式波以及套管波的幅度随频率和波数的相对变化。
图4是井内所有的模式波和套管波在I界面水环厚度为1mm、5mm时的幅度分布。
图5是本发明基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版。
图6是原始波形和从波形首波处理的时差和衰减系数分布。
图7是时差和衰减系数计算结果。
图8是固井质量解释图版与实际测井数据。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
由于固井质量关系到油田生产以及人民生命财产和公共安全，人们对其检测极为重视。为此，对套管井内的声波传播规律进行了深入的研究。总结了在套管井内液体中所测量的各种模式波。本发明专利从套管井I界面(套管与水泥环)有水环时井内液体响应的二维谱中发现：套管内传播的模式波与井内液体中传播的模式波耦合以后形成的套管井模式波频谱的峰值幅度对水环厚度灵敏。同时发现，该套管井模式波频谱(随频率和波数变化的)形状也随水环厚度变化。这是井筒圆柱形状所导致的固有频率对此产生的影响(套管井模式波中的相速度变化小的套管波仅仅在固有频率处幅度达到极大值，且随水环厚度变化大，离开固有频率后幅度快速减小，并不再与水环厚度有关)。该套管井模式波中的套管波的速度随频率变化小，接近于套管波的速度，构成通常所谓的套管波。两个相邻的套管井模式波中的套管波的幅度随频率变化曲线均在固有频率处达到极大值，合在一起组成一个完整的、断开的频谱峰。这个频谱峰的峰值和形状随套管井I界面水环厚度变化，这个频谱峰描述与固井I界面有关的套管波，其形状决定了套管波波形的形状和随距离的衰减规律，其幅度决定了声波测井首波的幅度CBL。本发明专利用频谱峰形状所包含的水环厚度信息，将其转换为随时间或源距变化的衰减系数，并进一步定义了与衰减系数相关的工程量，该工程量携带了频谱峰形状中所包含的固井质量信息，从另一个角度描述了固井胶结质量，该工程量与CBL交绘(分别为横纵坐标)构成了两维平面，I界面不同的水环厚度表现为该平面上的一条理论曲线即固井质量解释图版，该图版对应了一种固井质量交绘图解释方法。本发明专利给出了这个解释方法以及所依赖的解释图版。
套管井内液体中传播的声波受套管边界和尺寸的影响，当井壁是刚性壁时，只有液体波(Stoneley波)和井内液体的模式波能够在其中传播。液体波沿z方向传播，速度是液体的速度，为常数，在z方向波数k和频率f构成的平面上表现为斜直线，斜率k/f是液体的声波时差(液体速度的倒数)；而井内液体的模式波为双曲线，以液体波速度的斜直线为其渐近线。井内响应的幅度只有在液体波速度的斜直线和双曲线上才满足井筒边界条件，幅度在该斜直线和双曲线上取得极值，离开极值位置幅度急剧减小。z方向波数k为0时双曲线与频率f相交获得固有频率，这是沿半径方向传播的声波叠加以后形成的。当z方向的波数k不为0时，声波既沿半径方向、也沿z方向传播，满足边界条件的幅度极值分布从固有频率处开始沿双曲线移动。井内液体中只有Stoneley波和沿双曲线分布的这些模式波能够在井内液体中传播，如图1所示。图2是其极大值在k-f平面的分布，在这些位置响应波形的幅度达到极大值。
套管井I界面胶结不好(在I界面处存在水环)时，在套管固体内存在沿z方向(在套管固体内)传播的声波，该声波的速度随频率变化小，接近常数，称为套管波速度。井内液体中与其耦合的声波沿z方向的速度与其相同，在k-f平面上也是一条斜直线，该斜直线斜率小，与各条双曲线相交，在相交处井内液体模式波的双曲线被截断，斜直线也被截断，斜直线的一部分与其两边的两个双曲线的一部分合在一起构成一个完整的套管井模式波，这是两种模式波耦合的结果。耦合以后在井内液体中出现多个套管井模式波，其中的斜直线部分描述沿z方向以近似恒定速度传播的声波，其速度与套管波速度接近或者一致，每个斜直线部分均以相同的速度传播，它们全部合在一起所构成的声波被统称为声波测井的套管波，见图3中粗的斜直线部分，由于其速度快，在测井波形中位于声波测井波形的首波位置。
图3中粗的斜直线被双曲线截断后，斜直线与双曲线在断开处被连接在一起(耦合)构成一个个套管井模式波(每个套管井模式波都是一段斜直线和左右两段双曲线构成)。其中沿双曲线的部分也是断开的，沿斜直线的部分只有一段，是从斜直线上截取的，斜直线上的每一段斜率相同，每一段斜直线(在与双曲线相交位置断开)上的幅度与相邻的另一段斜直线上的幅度合在一起构成一个套管波完整的频谱峰，其速度为套管波的速度，幅度(见图3中的*和o，是粗斜直线上每点的幅度)在断开处达到峰值。离开峰值位置则幅度快速减小。因为是斜直线，其上的幅度同时与频率和波数对应(见图3中的o所构成的幅度分布，以纵坐标的波数k为自变量)。即粗斜线上的幅度分别构成频谱(以频率为自变量*)和波数谱(以波数为自变量°)。分别对其做Fourier变换和Fourier反变换以后，得到每个源距的波形和每个时刻随z的分布，其波形和分布的包络线描述幅度随时间的衰减和随源距的衰减规律。
每个套管波的分布曲线(沿斜直线)在与双曲线相交处即固有频率处发生转弯，沿双曲线继续变化。但是随着频率增加，离开固有频率后，沿斜直线的部分换成另一个套管井模式波的斜直线段。固有频率两侧的斜直线是两个不同的套管井模式波的斜直线部分，速度均等于或接近于套管波速度，两者合在一起构成井内液体中以套管波速度传播的套管波，幅度随频率或波数变化，在转弯处幅度达到极值，构成峰值，离开转弯处，随着频率的增加(或减小)幅度迅速减小。这个合在一起的、断开的频谱峰能够被有效测量，构成声波测井的套管波。
I界面水环厚度改变，固有频率处极值的幅度改变(它与水环厚度相关)。这样的幅度改变仅仅在固有频率以及周围很小的频率区间内。即随着水环厚度增加，组成套管波的这些套管井模式波的幅度增加只发生在固有频率处；离开固有频率后幅度差异减小，最后不同水环厚度的幅度谱重合(见图4的幅度*的峰值两侧部分，与水环厚度无关)。或者说，幅度改变只发生在固定的频率区间内，因此频谱的形状将发生明显的改变(见图4的幅度*所构成的两个峰的形状，其中幅度小的峰是断开的)。图4是I界面两个水环厚度时套管井模式波在k-f平面的分布以及对应的套管波的相对幅度随频率的变化曲线。水环厚度增加，频谱的峰值增加，同时，频谱峰的形状变尖锐。水环厚度不同时，频谱峰形状随频谱峰值改变。频谱峰形状通过衰减系数表现在测量波形中，峰值通过套管波幅度表现。
本发明专利将上述规律以一条理论曲线表现在衰减系数相关的工程量与首波幅度构成的平面上，这就是基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版，基于套管井I界面存在水环时，套管波在井筒内固有频率处的频谱峰值和频谱形状同时随水环厚度变化，通过套管波幅度CBL和衰减系数表现。图版由横、纵坐标构成的二维平面以及一条表现在二维平面上的理论曲线构成，横坐标是衰减系数转换的工程量GAL，纵坐标是首波幅度CBL(首波相对幅度，简称首波幅度)，将固井I界面水环厚度不同时测井波形的首波幅度CBL与用衰减系数转换的工程量GAL一起绘制于二维平面上得到理论曲线，表示套管波的特征，理论曲线上的每一个点对应于一个水环厚度，即位于不同位置的点对应不同的水环厚度，也即不同的固井质量(将曲线的不同位置与固井质量建立了联系)。水环厚度在理论曲线上以非等距的方式分布。图5是对应的固井质量解释图版，图8是理论图版的实验验证，四口实际的测井资料处理结果合在一起，其分布与理论曲线一致，验证了该图版的理论曲线。
理论曲线的绘制过程：
建立套管井模型，从内向外依次是井内液体、套管、水泥环和地层，套管和水泥环之间的界面称为I界面，水泥环和地层之间的界面称为II界面。用实轴积分法对套管井I界面有水环(模拟I界面胶结差的模型：井内液体、套管、水环、水泥环和地层)的响应进行计算，获得套管井内响应的二维谱。对其中以套管波速度传播的套管波进行处理，以套管波速度(对应二维谱的斜直线，斜率较小)从二维谱获得套管波的频率谱和波数谱(将斜直线上的幅度取出)。将频率谱和波数谱分别通过Fourier变换或Fourier逆变换获得随时间变化的波形和不同时刻随距离变化的空间分布。其后，将波形幅度随时间变化的包络线取出转化为随时间变化的衰减系数，将声波的空间分布幅度随距离变化的包络线取出转化为随距离变化的衰减系数。用一定的很小的长度间隔改变水环厚度获得不同的频率谱峰值和衰减系数。
有自由套管井段时，用自由套管的频谱峰值对不同水环厚度所得到的频率谱峰值归一化，将其变为0到100的值，该值对应于声波测井首波是套管波时套管波的相对幅度，即得到用于固井质量评价的首波幅度CBL，同样，将衰减系数通过线性函数转化为工程量GAL(具体转换方式是：只要将衰减系数输入到线性函数中即可得到对应的GAL，线性函数的选择只要求满足得到的GAL为0～100即可)，工程量GAL取值0～100，将每个水环厚度的归一化峰值CBL与衰减系数转换的工程量GAL一起绘制在二维平面上经线性拟合后得到理论曲线(绘制后是密集的点，在曲线上不是均匀分布的，两点之间用线性拟合得到连续的曲线)。如图5所示，理论曲线上每一个点都对应于一个水环厚度。理论曲线上最下面左边的起始点对应固井质量好，没有水环，最上面的点对应自由套管，水环厚度为地层半径(裸眼井半径)减去套管外径。
没有自由套管井段时，则用套管位于液体中时，即套管内、外只有液体时(阵列声波测井仪器出厂时的刻度标定)套管内的声波首波幅度进行刻度获得CBL，将衰减系数通过线性函数转化为工程量GAL(具体转换方式是：只要将衰减系数输入到线性函数中即可得到对应的GAL，线性函数的选择只要求满足得到的GAL为0～100即可)，工程量GAL取值0～100，将每个水环厚度的归一化峰值CBL与衰减系数转换的工程量GAL一起绘制在二维平面上得到理论曲线(绘制后是密集的点，在曲线上不是均匀分布的，两点之间用线性拟合得到连续的曲线)。理论曲线上最上面的点代表无限大均匀液体，水环厚度无限大。图版上曲线的每一点均对应水环厚度，它们(对应的图版中的点)不是等间距分布的。在水环厚度为1、2、3mm时，对应的图版中的点的间距比较大，随着水环厚度的继续增加，间距逐渐减小。同样，水环厚度小于1mm以后，其间距也随之水环厚度的减小而逐渐减小，间距是改变的。
注意：将包络线取出用指数函数的频谱拟合以后获得衰减系数。该衰减系数是用指数函数的频谱模拟实际的套管波频谱。实际的套管井响应波形的频谱是断开的，比较复杂，频谱形状与指数函数相差比较大时，本专利用不同频率的衰减系数曲线和时差频散曲线来拟合。相当于用多个不同幅度不同衰减系数和频率的指数函数叠加来拟合实际的测井波形中的套管波。当套管波只有一个模式时，所得到的衰减系数随频率变化小，接近常数。当套管波比较复杂时，所得到的衰减系数随频率变化大，统计每个衰减系数在各个频率段出现的个数形成一个分布，取分布中极大值对应的衰减系数为该深度的衰减系数。进而得到各个深度的衰减系数。
套管波的频谱峰和波数峰峰值表现为声波测井套管波的幅度以及首波幅度CBL；频谱峰和波数峰的形状表现为衰减系数，有两种表现方式：每个响应波形随时间的衰减系数和不同源距的响应波形随源距的衰减系数，两者通过套管波速度连接在一起，只有一个独立变量。
与衰减系数线性相关的工程量GAL是I界面水环厚度改变所引起的频谱峰和波数峰形状变化信息在测井波形中的具体表现。它与CBL的变化规律相反，固井越好，其幅度越大。用于描述水环厚度小所引起的响应，是固井质量好的精细描述。
工程量GAL的定义方法可以围绕着精细描述小的水环厚度展开：可以与衰减系数成正比、反比或其他函数关系。此时，工程量GAL与CBL分别构成图版的横坐标和纵坐标，用I界面水环厚度不同时的套管井响应二维谱建立的CBL-工程量GAL理论曲线形状与图5有差异。其对应的GAL和CBL的理论曲线形状不一样，均称为GAL和CBL图版。工程量GAL和CBL的理论关系曲线从声波测井波形幅度和幅度随距离(或时间)的衰减规律两个角度展现了I界面胶结差。CBL主要解释固井胶结差的情况，CBL比较小时，衰减系数的变化进一步反映I界面胶结情况。过去仅有的CBL对厚度小的水环没有办法区别，用衰减系数可以对小的水环厚度进行识别，水环厚度越小，衰减系数越大。CBL对水环厚度增加过程灵敏，水环厚度越大，CBL越大，CBL对水环厚度比较大的情况反映清楚；工程量GAL的定义立足于对水环厚度减小过程灵敏，水环厚度越小，衰减系数越大，工程量变化越明显(越大或越小)，对水环厚度小的水环反映灵敏。本发明固井质量评价解释图版将这两种信息表示在同一个平面上。
图版的应用需要声波测井仪器，将声波测井仪器下入套管井；其中，声波测井仪器包括一个发射探头和由多个接收探头构成的阵列接收探头；发射探头产生振动，振动依次在井内液体、套管、水泥环、地层中传播，在井内液体中阵列接收探头接收不同源距的测井波形，取每个接收波形的首波，用复指数建模的方法获得套管井模式波的时差频散曲线和衰减系数频散曲线；将不同频率区间的时差频散曲线和衰减系数频散曲线分别向时差轴和衰减系数轴投影，获得不同频率区间内的时差分布和衰减系数分布，用各个分布的峰值确定对应各个频率区间的时差和衰减系数，进而得出时差随深度变化曲线和衰减系数随深度变化曲线。
用解释图版对固井质量进行评价时，与衰减系数相关的工程量GAL主要评价CBL比较小的井段，固井质量好，在图版中位于图版的左下角。I界面有小的水环存在，CBL小，但是区分不了其中的细节，与衰减系数相关的工程量GAL在一定的变化区间，指示出厚度比较小的水环。
不同地区的地层条件、使用的固井水泥、固井工艺有区别，不同尺寸的I界面水环导致不同的承压能力，产生不同的串槽情况。需要根据实际情况和实例建立衰减系数阈值与串槽的评价标准。这些阈值位于图版的具体位置和区域的分布将作为标准通过固井解释图版加以确定，形成新的、适合该地区的固井质量解释方法。
衰减系数是I界面胶结差的另外一种描述方式，依赖波形幅度随距离或时间的衰减规律，是套管波频谱峰形状导致的，与频谱峰的峰值同时变化，因此与CBL存在内在的关系，两者又有区别。解释图版将衰减系数转换的工程量GAL与CBL放在一起，使固井质量评价从一维CBL转到为二维(CBL-GAL)，用二维平面上分布的曲线和区域对固井质量中CBL小(小水环)和CBL大(串槽)的情况均进行了完整的描述。
解释图版用二维平面显示固井胶结质量，将固井好和自由套管这两个极端情况分别展现在GAL和CBL的两端，即横坐标的左端和纵坐标的上端，同时也构成了平面上的中间过渡区域，拉开了两个不同方向的变化趋势，使得综合评价的灵敏度得以提高。补充了CBL对固井好、水环厚度小无法精确描述的缺陷。
水环厚度小于1mm以后频谱峰和波数峰的峰值和形状变化都比较小，幅度集中在1mm时的峰值位置处进行微小变化，CBL和GAL的变化也比较小。水环厚度大于8mm以后，CBL和GAL随水环厚度的变化也逐渐减小，固井质量评价解释图版两端的水环厚度分辨率都比较低，对水环厚度的灵敏度下降。
本发明专利中的固井质量解释图版还是圆柱形井筒的声波固有频率被激发后产生的共振特征的外在表现。在固有频率处激发，套管固体内传播的声波与井筒液体的模式波耦合形成的套管井模式波产生共振，共振的强度与水环厚度相关，水环厚度大，响应波形的振动幅度大、周期多、随时间衰减慢，随距离衰减慢。阵列声波测井波形将这些信息均有效地记录。图版将这些信息充分地进行了挖掘并加以利用，提高了固井质量评价的精度。
采用本发明基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版评价固井质量：
阵列声波测井固井质量解释图版是波形中套管波频谱在固有频率处的峰值和频谱形状随I界面水环厚度的变化关系，通过两个可以测量的首波波形幅度和衰减系数具体反映，这两个参数都直接反映I界面水环厚度，也即反映固井胶结质量，两者具有的内在联系通过图版显示出来，为同时利用两条测井曲线评价固井质量提供了理论依据和具体操作方法。
图版的应用需要声波测井仪器。将声波测井仪器下入套管井；其中，实际测井时衰减系数的获得过程：将声波测井仪器下入套管井，声波测井仪器包括一个发射探头和由多个(优选八个)接收探头构成的阵列接收探头；发射探头产生振动，振动依次在井内液体、套管、水泥环、地层中传播，在井内液体中阵列接收探头接收不同源距的测井波形，取每个接收波形的首波(如八个接收探头就取八个接收波形的首波)，如图6中(a)所示，做Fourier变换得到其频谱。对每个频率，用复指数建模的方法获得套管井模式波的每个频率的时差(如图6中(b))和衰减系数(如图6中(d))，即得套管井模式波的时差频散曲线和衰减系数频散曲线。将不同频率区间的时差频散曲线和衰减系数频散曲线分别向时差轴和衰减系数轴投影，获得不同频率区间内的时差分布(图6中的(c))和衰减系数分布(图6中的(e))，用各个分布的峰值确定对应各个频率区间的时差和衰减系数，进而得出时差随深度变化曲线和衰减系数随深度变化曲线，如图7所示。其中，将所有频率的时差和衰减系数求出后，将时差等于套管波时差的频率所对应的衰减系数取出，这些不同频率的套管波的衰减系数取值最多、最集中的数值(图6中(d)接近水平线部分)即为该深度的衰减系数，在衰减系数分布图中形成峰值(图6中(e))，峰值所在位置为该套管波的衰减系数。将所有深度的时差分布和衰减系数分布画在一起得到图7，每个深度的分布中取其极大值所在位置得到时差和衰减系数。从图中可以看到：时差是基本不变的，衰减系数随深度变化比较大，反映固井胶结质量。图7是用阵列声波测井波形首波处理的时差分布和衰减系数的分布随深度的变化。从左到右第一列是时差1，第二列是深度，第三列是衰减系数1的分布，第四列是第二个衰减系数2的分布，第五列是波形，第六列是时差2。从图中可以看出：衰减系数2有一个分布区域，在这个区域中，有两个甚至三个峰值位置。
用自由套管井段或只有液体时套管内的声波首波幅度对测井波形的首波幅度进行归一化刻度获得CBL，其取值0～100；将衰减系数通过线性函数转化为工程量GAL，工程量GAL取值0～100，将时差等于套管波时差的每个深度位置的CBL和GAL分别作为纵、横坐标绘制在二维图中，与图版理论曲线重合的点即为图版所在点对应的水环厚度，与图版理论曲线接近的点，从该点引垂线到图版理论曲线，其交点对应的水环厚度为该点的水环厚度。
将实际测井时获得的所有深度的CBL和GAL绘制在图版上，如图8所示，分布于理论曲线周围的点对应的阵列声波测井波形的首波是套管波，远离理论曲线的点对应的阵列声波测井波形的首波则不是套管波，不反映固井质量，不能用于固井质量评价，即用理论曲线确定是否是套管波。确定是套管波后，从图版上可以找出不同点对应的水环厚度。根据各油田当地的水环厚度与串槽的经验值确定衰减系数的阈值，大于该阈值即判定串槽；不在理论曲线附近、分布在其它位置的点判断为胶结良好。其中GAL是将实际测井时获得的衰减系数通过线性函数转化得到。
在上述中，所述套管井模式波的时差频散曲线和衰减系数频散曲线的确定：
对于砂泥岩地层，采用加窗的方法将每个不同源距的测井波形的首波取出，用复指数建模的方法获得套管井模式波的时差频散曲线和衰减系数频散曲线。
对于硬地层或石灰岩、白云岩和火成岩地层，采用加长窗长的方法将每个不同源距的测井波形中位于首波后面的套管波取入窗内，用复指数建模的方法获得分别与地层纵波速度和套管波速度相等的两个套管井模式波的时差频散曲线和衰减系数频散曲线。与套管波速度相等的时差和衰减系数频散曲线用于固井质量评价。
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)
1.一种基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版，其特征在于，由横、纵坐标构成的二维平面以及一条表现在二维平面上的理论曲线构成，横坐标是衰减系数转换的工程量GAL，纵坐标是首波幅度CBL，将固井I界面水环厚度不同时测井波形的首波幅度CBL与用衰减系数转换的工程量GAL一起绘制于二维平面上得到理论曲线，理论曲线上的每一个点对应于一个水环厚度；
其中，理论曲线的绘制过程：
建立套管井模型，从内向外依次是井内液体、套管、水泥环和地层，套管和水泥环之间的界面称为I界面，水泥环和地层之间的界面称为II界面；用实轴积分法对套管井I界面有水环的响应进行计算，获得套管井内响应的二维谱；对其中以套管波速度传播的套管波进行处理，以套管波速度从二维谱获得套管波的频率谱和波数谱；将频率谱和波数谱分别通过Fourier变换或Fourier逆变换获得随时间变化的波形和不同时刻随距离变化的空间分布；其后，将波形幅度随时间变化的包络线取出转化为随时间变化的衰减系数，将声波的空间分布幅度随距离变化的包络线取出转化为随距离变化的衰减系数；用一定的长度间隔改变水环厚度获得不同的频率谱峰值和衰减系数；
有自由套管井段时，用自由套管的频谱峰值对不同水环厚度所得到的频率谱峰值归一化，将其变为0到100的值，该值对应于声波测井首波是套管波时套管波的相对幅度，即得到用于固井质量评价的首波幅度CBL，同样，将衰减系数通过线性函数转化为工程量GAL，工程量GAL取值0～100，将每个水环厚度的归一化峰值CBL与衰减系数转换的工程量GAL一起绘制在二维平面上经线性拟合后得到理论曲线；
没有自由套管井段时，则用套管位于液体中时，即套管内、外只有液体时套管内的声波首波幅度进行刻度获得CBL，将衰减系数通过线性函数转化为工程量GAL，工程量GAL取值0～100，将每个水环厚度的归一化峰值CBL与衰减系数转换的工程量GAL一起绘制在二维平面上得到理论曲线。
2.根据权利要求1所述的基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版，其特征在于，理论曲线上最下面左边的起始点对应固井质量好，没有水环；有自由套管井段时，最上面的点对应自由套管，水环厚度为地层半径减去套管外径；没有自由套管井段时，理论曲线上最上面的点代表无限大均匀液体，水环厚度无限大。
3.根据权利要求1所述的基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版，其特征在于，阵列声波测井固井质量解释图版是波形中套管波频谱在固有频率处的峰值和频谱形状随I界面水环厚度的变化关系，通过两个可以测量的首波波形幅度和衰减系数具体反映，这两个参数都直接反映I界面水环厚度，也即反映固井胶结质量，两者具有的内在联系通过图版显示出来，为同时利用两条测井曲线评价固井质量提供了理论依据和具体操作方法；
图版的应用需要声波测井仪器，将声波测井仪器下入套管井；其中，声波测井仪器包括一个发射探头和由多个接收探头构成的阵列接收探头；发射探头产生振动，振动依次在井内液体、套管、水泥环、地层中传播，在井内液体中阵列接收探头接收不同源距的测井波形，取每个接收波形的首波，做Fourier变换得到其频谱；对每个频率，用复指数建模的方法获得套管井模式波的每个频率的时差和衰减系数，即得套管井模式波的时差频散曲线和衰减系数频散曲线；将所有频率的时差和衰减系数求出后，将时差等于套管波时差的频率所对应的衰减系数取出，将不同频率区间的时差频散曲线和衰减系数频散曲线分别向时差轴和衰减系数轴投影，获得不同频率区间内的时差分布和衰减系数分布，用各个分布的峰值确定对应各个频率区间的时差和衰减系数，进而得出时差随深度变化曲线和衰减系数随深度变化曲线；
用自由套管井段或只有液体时套管内的声波首波幅度对测井波形的首波幅度进行归一化刻度获得CBL，其取值0～100；将衰减系数通过线性函数转化为工程量GAL，工程量GAL取值0～100，将时差等于套管波时差的每个深度位置的CBL和GAL分别作为纵、横坐标绘制在二维图中，与图版线重合的点即为图版所在点对应的水环厚度，与图版接近的点，从该点引垂线到图版曲线，其交点对应的水环厚度为该点的水环厚度；
将实际测井时获得的所有深度的CBL和GAL绘制在图版上，分布于理论曲线周围的点对应的阵列声波测井波形的首波是套管波，远离理论曲线的点对应的阵列声波测井波形的首波则不是套管波，不反映固井质量，不能用于固井质量评价，即用理论曲线确定是否是套管波；确定是套管波后，从图版上可以找出不同点对应的水环厚度，根据各油田当地的水环厚度与串槽的经验值确定衰减系数的阈值，大于该阈值即判定串槽；不在理论曲线附近、分布在其它位置的点判断胶结良好。
4.根据权利要求3所述的基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版，其特征在于，所述套管井模式波的时差频散曲线和衰减系数频散曲线的确定：
对于砂泥岩地层，采用加窗的方法将每个不同源距的测井波形的首波取出，用复指数建模的方法获得套管井模式波的时差频散曲线和衰减系数频散曲线；
对于硬地层或石灰岩、白云岩和火成岩地层，采用加长窗长的方法将每个不同源距的测井波形中位于首波后面的套管波取入窗内，用复指数建模的方法获得分别与地层纵波速度和套管波速度相等的两个套管井模式波的时差频散曲线和衰减系数频散曲线，与套管波速度相等的时差和衰减系数频散曲线用于固井质量评价。
5.根据权利要求1所述的基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版，其特征在于，套管波的频谱峰和波数峰峰值表现为声波测井套管波的幅度以及首波幅度CBL；频谱峰和波数峰的形状表现为衰减系数，有两种表现方式：每个响应波形随时间的衰减系数和不同源距的响应波形随源距的衰减系数，两者通过套管波速度连接在一起，只有一个独立变量。
6.根据权利要求1所述的基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版，其特征在于，工程量GAL的定义方法：与衰减系数成正比、反比或其他函数关系；其对应的GAL和CBL的理论曲线形状不一样，均称为GAL和CBL图版；工程量GAL和CBL的理论关系曲线从声波测井波形幅度和幅度随距离的衰减两个角度展现了I界面胶结差；CBL对水环厚度增加过程灵敏，水环厚度越大，CBL越大，CBL对水环厚度比较大的情况反映清楚；工程量GAL的定义立足于对水环厚度减小过程灵敏，水环厚度越小，衰减系数越大，工程量变化越明显，对水环厚度小的水环反映灵敏。
7.根据权利要求1所述的基于套管井响应的阵列声波测井固井质量评价解释图版，其特征在于，水环厚度小于1mm以后频谱峰和波数峰的峰值和形状变化都比较小，幅度集中在1mm时的峰值位置处进行微小变化，CBL和GAL的变化也比较小。水环厚度大于8mm以后，CBL和GAL随水环厚度的变化也逐渐减小，固井质量评价解释图版两端的水环厚度分辨率都比较低。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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