CN115853500A - 一种通过匹配套管波方位到时和幅度指向性图反演仪器偏心和扇区水泥胶结状况的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过匹配套管波方位到时和幅度指向性图反演仪器偏心和扇区水泥胶结状况的方法，步骤如下：首先，通过数值模拟建立不同仪器偏心距、不同扇区水泥缺失下的套管波幅度和到时的指向性图；然后，通过将八方位套管波幅度和到时指向性图与利用有限差分数值模拟计算出来的幅度和到时指向性图进行匹配，确定该深度下的仪器偏心情况和环向胶结情况。本发明可以解决通过建立联合方位声波测井8方位接收器接收的套管波幅度和到时反演测井仪器偏心距的技术问题，并同时得到扇区水泥胶结成像图。

Description

一种通过匹配套管波方位到时和幅度指向性图反演仪器偏心 和扇区水泥胶结状况的方法

技术领域

本发明属于应用地球物理和油气勘探开发领域，具体地，涉及一种利用方位接收的套管波到时和幅度信息确定套管井中仪器偏心方位、偏心距以及扇区水泥胶结成像的方法。

背景技术

固井是油气井完井的重要一步，固井质量评价近年来也备受关注。为此，很多专家学者都在这方面有所研究。比如，Liu P(Peng Liu)等人利用方位接收的套管波幅度信息分析环向上水泥缺失情况；Zuo C J(Chengji Zuo)等人利用方位接收的套管波信息研究套管—水泥1界面和地层—水泥2界面的胶结情况，Gary Frisch等人利用方位接收的声波信息研究环向水泥胶结且进行三维展示。虽然这些研究都在不同程度上推进了固井质量评价技术的发展，但是通过分析，认为目前研究存在以下问题：

(1)大多只研究水泥环环向胶结不均的情况，没有考虑到水平井数量逐渐增加，仪器偏心与水泥环环向胶结不均匀经常同时存在的现状；

(2)现有技术研究没有利用套管波的到时信息，仅使用了套管波幅度；

(3)现有技术仅利用了套管首波，对首波后续波包携带的水泥胶结或仪器偏心特征信息没有涉及；

(4)没有提出定量分析仪器偏心和水泥环环向缺失情况的方法。

近年来，随着水平井和大斜度井中固井质量评价的需求越来越迫切，在大斜度井或水平井中，由于重力的原因仪器偏心非常普遍，如何得到仪器偏离井轴的距离对可靠评价固井质量至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过匹配套管波方位到时和幅度指向性图反演仪器偏心和扇区水泥胶结状况的方法，解决通过建立联合方位声波测井8方位接收器接收的套管波幅度和到时反演测井仪器偏心距的技术问题，并同时得到扇区水泥胶结成像图。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

步骤一、在深度区间内进行方位声波测井，发射接收装置采用单极发射、八方位接收模式，源距在0.45m-0.5m之间；

步骤二、仪器偏心方位设置为环向上的0°方位，八方位接收器中的1号接收器所在方位与仪器偏心方向一致，仪器偏心率分别为0、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％和90％，缺失水泥的扇区中心位置在环向上分别为0°、45°、90°、135°和180°，每个方位上水泥缺失的扇区大小分别设置为0°、45°、90°、135°、180°、225°和270°，三种组合共350种模型，通过有限差分数值计算方法得到350种模型八个方位接收器接收的套管波幅度和到时的指向图；

步骤三、对实际井中某深度记录的方位声波测井数据，环向上将1号接收器所在方位设置为0度，从0度开始，以22.5度为步长，直至157.5度，分别设置对称轴，将对称轴两侧接收器接收的波形做相关性分析。当对称轴为22.5度时，见图12(a)，将T1和T2，T3和T8，T4和T7，T5和T6接收的套管波分别做相关性分析，将得到的相关系数累计求和并除以4得到平均值；当对称轴为45度时，见图12(b)，T1和T3，T4和T8，T5和T7分别做相关性分析，将得到的相关系数累计求和并除以3得到平均值。做相关性分析时，相关系数求解方法见公式(1)。

式(1)中n表示每道波形记录的点数，p_i和q_i表示对称轴两侧对应的接收器接收的波形幅度值，

和/>

表示不同接收器接收的波形幅度的平均值，coef表示相关系数。

步骤四、根据步骤三相关性分析的计算结果，相关系数最大时对应的选取的对称轴即为仪器偏心方位所在的轴线，对称轴线上两个方位中套管波幅度小的方位即为仪器偏心的方位；

步骤五、步骤四中处理得到的仪器偏心方位不一定是1号接收器所在的方位，为了方便后续和模拟出来的指向性图做相关性分析，将仪器偏心方向所对的接收器视作1号接收器，即，把偏心方位校正到0°方位上，见图1(c)，其他接收器按编号逆时针排列；

步骤六、按照新的编号顺序对某深度上八道波形提取的归一化的方位幅度和到时的指向性图与步骤二理论计算的每个模型下的归一化幅度和到时方位指向性图做相关性分析，即将对应方位上的套管波幅度和到时分别相减再累计求和，求和结果最小时所对应的模型参数即为此深度下的水泥胶结差扇区的大小和仪器偏心率；仪器偏心方位角设为θ，将对应的模型中胶结差扇区的中心方位按照逆时针方向旋转角度θ后的方位即为处理深度下水泥胶结差扇区的中心方位。

本发明的优点及积极效果如下：

(1)考虑到水平井数量逐渐增加的现状，模拟了不同仪器偏心程度与水泥环环向胶结程度的组合情况，形成了套管波到时和幅度指向性图的库；

(2)提出了通过匹配套管波方位到时和幅度指向性图反演仪器偏心和扇区水泥胶结状况并定量分析的方法；

(3)研究了方位声波测井的测量源距对环向水泥胶结特征的影响。

附图说明

图1(a)是声源偏心时的套管井模型横切面示意图；

图1(b)是声源偏心时的传播轨迹示意图；

图1(c)是接收器环向排列示意图；

图2(a)是偏心0mm时不同方位接收到的波列图；

图2(b)是偏心6mm时不同方位接收到的波列图；

图2(c)是偏心10mm时不同方位接收到的波列图；

图2(d)是偏心16mm时不同方位接收到的波列图；

图3是不同仪器偏心情况下各方位幅度的校正系数示意图；

图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)和图4(e)是源距1m时，扇区水泥缺失大小分别为360度、180度、90度、60度以及0度时不同方位接收的套管波波形图；

图5(a)、图5(b)、图5(c)是源距0.5m时，胶结差扇区大小分别为180度、90度以及60度时不同方位接收的套管波波形图；

图6(a)、图6(b)、图6(c)是源距0.5m时不同胶结情况下套管波幅度、归一化的套管波幅度以及套管波到时的指向性图；

图7(a)、图7(b)是仪器偏向水泥胶结差扇区和远离水泥胶结差扇区两种情况的示意图；

图8(a)、图8(b)是仪器偏心和扇区水泥胶结差同时存在时的套管波幅度和到时的指向性图；

图9(a)、图9(b)是两个实际井中的方位波列实例图；

图10(a)、图10(b)是图9(a)所示波列对应的方位幅度和到时特征；

图10(c)、图10(d)是图9(b)所示波列对应的方位幅度和到时特征；

图11是仪器偏心和扇区水泥缺失同时存在的实例；

图12是以22.5度和45度为对称轴做相关性分析的示意图；

图13是利用本专利中的技术方案处理实际井资料得到的仪器偏心情况和方位水泥胶结成像图；

图14是利用上述技术方案处理声波测井资料的流程。

具体实施方式

本发明建立了联合方位声波测井8方位接收器接收的套管波幅度和到时反演测井仪器偏心距的计算方法，并同时得到扇区水泥胶结成像图。

在仪器偏心时偏心方向的接收器距离套管井壁较近，使得此方位接收器接收的套管波到时最早幅度最小，与偏心方向相对的另一侧的接收器接收的套管波到时最晚，但幅度最强。图1(a)为声源偏心时的套管井模型横切面示意图，由内向外依次是仪器、井内流体、套管、水泥环和地层，其中1表示井内流体，2表示套管，3表示水泥环，4表示地层，仪器的半径为r₀，套管内壁、套管外壁、水泥环的半径(到井轴的距离)分别为r₁、r₂、r₃，仪器中心到套管井井轴的距离为a₀，也称为偏心距。图1(b)为套管井模型中声波传播路径示意图，其中1表示套管，2表示井内流体，套管波辐射到井壁的入射角为θ，假设仪器偏心方向为0°，也即向着图1(c)中T1所在的方位偏心，此时0°和180°方向从声源到套管内壁的传播距离分别为x₁和x₂，仪器的源距为y。图1(c)为不同方位的接收器放置示意图，0°方位的接收器设为T1，按逆时针以45°为间隔均匀设置方位接收器，分别定义为T1～T8。

图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)是偏心0mm、6mm、10mm、16mm时方位接收器接收的波列，其中横坐标为时间，单位是ms，纵向上由上到下分别为接收器T8-T1接收的波形。可见在仪器偏心时方位接收器接收到的套管波到时早的幅度低，到时最晚的幅度最高。由于对仪器偏心的情况做数值模拟时，将仪器设置为向着0°方向偏心，也即T1所在的方位，不同方位接收器接收的波形以0°方位为轴对称分布，即45°与335°、90°与270°以及135°与225°方位接收的波形相同，在分析不同方位套管波幅度的变化规律时，从0°到180°，T1～T5五个方位的套管波幅度的变化规律即可完整描述整个环向上的响应特征，图3为归一化后5个方位的套管波幅度与偏心率的关系，其中，横坐标为仪器偏心率，纵坐标为归一化后的套管波幅度，每个方位的幅度均用仪器不偏心时接收的套管波幅度做归一化处理。将图3所示的关系曲线进行拟合得出公式(1)～(5)，利用这些关系式可在已知偏心率的情况下对各方位接收器接收的套管波幅度做偏心校正。

0°方位：y₁＝-0.3549x³+0.2766x²-0.2938x+1 (1)

45°方位：y₂＝0.0785x³-0.2891x²-0.2156x+1.0002 (2)

90°方位：y₃＝0.6339x³-1.331x²+0.0347x+0.9999 (3)

135°方位：y₄＝0.635x⁴-1.1056x³-0.1511x²+0.1679x+1 (4)

180°方位：y₅＝-0.9103x³+0.9509x²+0.1716x+1.0004 (5)

式(1)～式(5)中，x表示偏心率，x＝a0/d0，a0表示偏心距，单位为mm，d0为套管内壁到仪器外壁的距离，单位也是mm，y1～y5表示不同方位套管波幅度的偏心校正系数，用各方位套管波幅度除以相应的校正系数即可完成偏心校正。

在水平井及大斜度井中，水泥环向胶结不均也会造成方位接收器接收的套管波幅度和到时的变化。图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)、图4(e)是源距1m时不同方位接收的套管波波形，扇区水泥缺失角度分别为360°(自由套管)、180°、90°、60°和0°(完全胶结)。在图4(a)～4(e)中，水泥缺失扇区的中心均为0°方位，0°方位接收的波形用实线

表示，45°方位接收的波形用划线/>

表示，90°方位接收的波形用点线/>

表示，135°方位接收的波形用点划线/>

表示，180°方位接收的波形用双点划线/>

表示，225°方位接收的波形用短划线/>

表示，270°方位接收的波形用短点线/>

表示，315°方位接收的波形用短点划线/>

表示。可见在扇区水泥缺失时，不同方位接收的第一个套管波的正峰值有差异，正对胶结差扇区的接收器接收的套管波幅度最大到时最早，这一特征与仪器偏心造成的方位接收器接收的套管波幅度和到时变化不同，仪器偏心是到时早的套管波幅度最小。从套管波第一个正峰随方位的变化可知，扇区水泥胶结差造成的幅度差异较小。图5(a)、图5(b)、图5(c)分别是180°、90°、60°扇区水泥缺失时源距0.5m时不同方位接收的套管波波形，水泥缺失扇区的中心均为0°方位，不同方位接收波形对应的线型与图4一样。与1m源距相比不同方位接收的套管波幅度差异明显增大，且第一个波峰和下一个波谷均显示到时早的波峰幅值大，到时最晚的波峰幅值较小；后至波谷的方位幅度和到时差异越来越明显。图6(a)、图6(b)、图6(c)分别是源距0.5m下套管波幅度、归一化的套管波幅度和套管波到时的指向性图，水泥缺失扇区的中心均为0°方位，以胶结差扇区的中心方位为对称轴，两侧方位接收器接收的套管波幅度和到时指向性图呈现对称分布。在图6(a)～图6(c)中，完全胶结用实线/>

表示，60°胶结差用点线/>

表示，90°胶结差用双点划线/>

表示，180°胶结差用短划线/>

表示，自由套管用点划线/>

表示。对比源距0.5m和1.0m下的方位波形可知，源距0.5m的方位波形对扇区水泥胶结质量的方位敏感性更强。

在实际水平井中扇区水泥胶结不均匀往往与仪器偏心同时存在，图7(a)和图7(b)分别选取了仪器偏向水泥胶结差扇区和远离水泥胶结差扇区两种极端情况下的套管井模型，水泥缺失的扇区角度是90度，水泥缺失扇区的中心是0°方位。图8(a)(套管波幅度指向性图)、图8(b)(套管波到时指向性图)显示了图7(a)和图7(b)情况下不同偏心距下方位接收器接收的套管波幅度和到时的变化，源距是0.5m。图8(a)和图8(b)中，仪器居中(偏心距为0mm)用实线

表示，偏心距10mm偏心方向是向着0度方向用划线/>

表示，偏心距16mm偏心方向是向着0度方向用点划线/>

表示，偏心距10mm偏心方向是向着180度方向用点线/>

表示，偏心距16mm偏心方向是向着180度方向用双点划线/>

表示。从方位接收幅度可见在偏心方向上正对的两个接收器的幅度差异始终是最大的，且偏心方向的方位接收器接收的幅度较小，以偏心方位为中心两侧接收器的到时和幅度也出现对称现象，此现象为根据方位接收器接收的套管波幅度确定偏心方向提供了依据。

在水平井中经常会用到方位声波和CBL/VDL相结合的测量模式，8个方位声波接收器均匀分布在源距0.5m的环向位置，图9(a)、图9(b)是一口实际井中两个深度点的方位波形图，不同方位接收波形对应的线型与图4一样，对比图9(a)和(b)可知，最明显的特征是图9(a)中的波形是到时早的幅度高、到时晚的幅度低，其对应的方位幅度和到时的变化特征如图10(a)和(b)，此变化特征与扇区水泥缺失时的方位波形规律一致；图9(b)中的波形是到时早的幅度低到时晚的幅度高，这与数值计算中仪器偏心的波形特征吻合，其对应的方位幅度和到时的变化规律如图10(c)和(d)。图9(b)的波形幅度明显低于图9(a)，这在一定程度上也说明仪器偏心会造成套管波幅度降低。在扇区水泥缺失和仪器偏心同时存在时，水泥缺失方位和仪器偏心方位的不同组合会使得波形的幅度特征和到时特征变得复杂，往往出现方位波形到时基本一致但是幅度有明显差异的情况，见图11所示。通过大量的数值计算和现场数据观测，图10(a)、(b)(c)、(d)所示的幅度和到时的方位特征仍然存在，在仪器偏心较大时方位幅度和到时特征受仪器偏心的影响大，指向性图的对称轴可用于指示仪器偏心的方位，在确定了对称轴后，幅度较低的一侧即为仪器偏心的方向。将实际测量波形的方位幅度和到时特征与数值计算的不同仪器偏心不同方位扇区水泥缺失程度下的指向性图相匹配，可同时得到水泥环的胶结状况和仪器偏心程度。

针对水平井和大斜度井固井质量和仪器偏心等问题，本发明提供了一种可确定套管井中仪器偏心和扇区水泥胶结情况的有效方法。方位声波测井得到的套管波幅度和到时等信息为判断套管井中仪器偏心和扇区水泥胶结情况提供了一种可行的有效方法和途径。本发明认为环向上接收的套管波幅度和到时不一致时，该处可能存在仪器偏心、环向上水泥胶结不均或仪器偏心和水泥胶结不均同时存在三种情况，为实现上述不同状况下的扇区水泥胶结成像，技术方案如下：

步骤一、在深度区间内进行方位声波测井，发射接收装置采用单极发射、八方位接收模式，源距在0.45m-0.5m之间；

步骤二、仪器偏心方位设置为环向上的0°方位，八方位接收器中的1号接收器所在方位与仪器偏心方向一致，仪器偏心率分别为0、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％和90％，缺失水泥的扇区中心位置在环向上分别为0°、45°、90°、135°和180°，每个方位上水泥缺失的扇区大小分别设置为0°、45°、90°、135°、180°、225°和270°，三种组合共350种模型，通过有限差分数值计算方法得到350种模型八个方位接收器接收的套管波幅度和到时的指向图；

步骤三、对实际井中某深度记录的方位声波测井数据，环向上将1号接收器所在方位设置为0度，从0度开始，以22.5度为步长，直至157.5度，分别设置对称轴，将对称轴两侧接收器接收的波形做相关性分析。当对称轴为22.5度时，见图12(a)，将T1和T2，T3和T8，T4和T7，T5和T6接收的套管波分别做相关性分析，将得到的相关系数累计求和并除以4得到平均值；当对称轴为45度时，见图12(b)，T1和T3，T4和T8，T5和T7分别做相关性分析，将得到的相关系数累计求和并除以3得到平均值。做相关性分析时，相关系数求解方法见公式(6)。

式(6)中n表示每道波形记录的点数，p_i和q_i表示对称轴两侧对应的接收器接收的波形幅度值，

和/>

表示不同接收器接收的波形幅度的平均值，coef表示相关系数。

步骤四、根据步骤三相关性分析的计算结果，相关系数最大时对应的选取的对称轴即为仪器偏心方位所在的轴线，对称轴线上两个方位中套管波幅度小的方位即为仪器偏心的方位；

步骤五、步骤四中处理得到的仪器偏心方位不一定是1号接收器所在的方位，为了方便后续和模拟出来的指向性图做相关性分析，将仪器偏心方向所对的接收器视作1号接收器，即，把偏心方位校正到0°方位上，见图1(c)，其他接收器按编号逆时针排列；

步骤六、按照新的编号顺序对某深度上八道波形提取的归一化的方位幅度和到时的指向性图与步骤二理论计算的每个模型下的归一化幅度和到时方位指向性图做相关性分析，即将对应方位上的套管波幅度和到时分别相减再累计求和，求和结果最小时所对应的模型参数即为此深度下的水泥胶结差扇区的大小和仪器偏心率；仪器偏心方位角设为θ，将对应的模型中胶结差扇区的中心方位按照逆时针方向旋转角度θ后的方位即为处理深度下水泥胶结差扇区的中心方位。

图13给出了利用上述技术方案处理方位声波测井资料得到的某井仪器偏心情况和扇区水泥胶结成像图，第一道是深度道，第二道是伽马和磁定位曲线，第三道和第四道分别对比了方位声波和密度得到的仪器偏心方位和偏心率，两者吻合较好，验证了计算结果的可靠性；第五、六和七道分别是VDL变密度、八道方位声波辐度和CBL声波幅度曲线，第八道是方位声波胶结成像图，第九道是方位水泥密度成像图，虽然水泥胶结和环空水泥密度之间没有必然的相关性，但此井处理的结果也显示出水泥胶结差(颜色白)的扇区水泥密度低。综上，可以认为本发明提出了利用方位声波测井获取仪器偏心和扇区水泥胶结成像的有效方法。

本发明的流程图参见图14所示。

Claims (1)

1.一种通过匹配套管波方位到时和幅度指向性图反演仪器偏心和扇区水泥胶结状况的方法，其步骤如下：

步骤一、在深度区间内进行方位声波测井，发射接收装置采用单极发射、八方位接收模式，源距在0.45m-0.5m之间；

步骤二、仪器偏心方位设置为环向上的0°方位，八方位接收器中的1号接收器所在方位与仪器偏心方向一致，仪器偏心率分别为0、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％和90％，缺失水泥的扇区中心位置在环向上分别为0°、45°、90°、135°和180°，每个方位上水泥缺失的扇区大小分别设置为0°、45°、90°、135°、180°、225°和270°，三种组合共350种模型，通过有限差分数值计算方法得到350种模型八个方位接收器接收的套管波幅度和到时的指向图；

步骤三、对实际井中某深度记录的方位声波测井数据，环向上将1号接收器所在方位设置为0度，从0度开始，以22.5度为步长，直至157.5度，分别设置对称轴，将对称轴两侧接收器接收的波形做相关性分析；当对称轴为22.5度时，将T1和T2，T3和T8，T4和T7，T5和T6接收的套管波分别做相关性分析，将得到的相关系数累计求和并除以4得到平均值；当对称轴为45度时，T1和T3，T4和T8，T5和T7分别做相关性分析，将得到的相关系数累计求和并除以3得到平均值；做相关性分析时，相关系数求解方法见公式(1)；

式(1)中n表示每道波形记录的点数，p_i和q_i表示对称轴两侧对应的接收器接收的波形幅度值，

和/>

表示不同接收器接收的波形幅度的平均值，coef表示相关系数；

步骤四、根据步骤三相关性分析的计算结果，相关系数最大时对应的选取的对称轴即为仪器偏心方位所在的轴线，对称轴线上两个方位中套管波幅度小的方位即为仪器偏心的方位；

步骤五、步骤四中处理得到的仪器偏心方位不一定是1号接收器所在的方位，为了方便后续和模拟出来的指向性图做相关性分析，将仪器偏心方向所对的接收器视作1号接收器，即，把偏心方位校正到0°方位上，其他接收器按编号逆时针排列；

步骤六、按照新的编号顺序对某深度上八道波形提取的归一化的方位幅度和到时的指向性图与步骤二理论计算的每个模型下的归一化幅度和到时方位指向性图做相关性分析，即将对应方位上的套管波幅度和到时分别相减再累计求和，求和结果最小时所对应的模型参数即为此深度下的水泥胶结差扇区的大小和仪器偏心率；仪器偏心方位角设为θ，将对应的模型中胶结差扇区的中心方位按照逆时针方向旋转角度θ后的方位即为处理深度下水泥胶结差扇区的中心方位。

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