俄羅斯固井質量測井儀器刻度井群實驗數據分析

何建新

(中國石油西部鉆探工程有限公司測井公司,新疆克拉瑪依834000)

0 引 言

隨著油田勘探開發(fā)的深入,大部分油田都開始尋找深層油層和復雜油氣藏。與此同時也加大鉆井工程的難度,這樣勢必增加井眼的復雜性,給固井工程增加許多難度。在這樣的情況下,固井工藝也出現(xiàn)一些需要改進的地方。常用的聲幅測井在固井質量評價運用中也出現(xiàn)一些缺陷[1],不能滿足油田的固井質量評價的新要求。因此,國內各家測井公司陸續(xù)引進了俄羅斯的固井質量評價測井儀。為能更好的運用這種測井儀,充分發(fā)揮其優(yōu)點,必須做好相應的解釋研究。

1 聲幅測井儀(CBL)的缺陷

固井質量檢測主要是使用聲幅測井(CBL)和變密度測井(VDL)。聲幅測井是用相對幅度法,只是一個統(tǒng)計標準。鉆井工藝常造成一些聲幅測井無法解決的問題,主要表現(xiàn)在聲幅測井無法消除水泥型號、配比及固井時間、套管傾斜、地層巖性等的影響。同時在理論上,水泥膠結測井(CBL)和變密度測井(VDL)還克服不了當水泥環(huán)體中有連通的空洞或裂縫時,雖然此時2個界面可能顯示為膠結良好,但卻極有可能發(fā)生竄槽;以及水泥微環(huán)、氣侵的影響、快速地層、套管厚度及泥漿等因素的影響。

針對以上情況,可以利用俄羅斯固井質量評價測井儀解決其中一些問題。

2 俄羅斯固井質量測井儀的測量原理

2.1 井眼伽馬密度-套管壁厚測井儀(SGDT)原理

SGDT伽馬密度套管壁厚測井儀是一種用放射性方法檢測套管技術狀況的組合儀器。該儀器的測量原理與裸眼井密度測井原理相類似。儀器共2個接收探頭,①伽馬-伽馬套管壁厚探頭源距為0.21 m,測量套管平均壁厚,檢測套管節(jié)箍和套管扶正器的位置;②水泥密度測量探頭有均勻分布在源距0.42 m的同一平面上的6個接收器,它具有較大的探測深度,用于測量套管與地層之間水泥環(huán)的密度。測井時儀器在套管內居中,伽馬源向周圍介質發(fā)射0.66 MeV能量的伽馬射線,射線與套管內介質(泥漿或水)、套管、水泥環(huán)以及地層中的物質發(fā)生康普頓散射、瑞利散射和光電吸收等作用。2個源距的探頭分別接收經散射后能量下降的伽馬射線從而得到不同探頭的原始記數率曲線。通過記數率曲線可計算水泥環(huán)的密度。根據計算密度與施工時設計的水泥漿密度可以評價環(huán)形空間水泥的充填狀況。

2.2 MAK-Ⅱ(聲波變密度)測井原理

該儀器為單發(fā)雙收聲系,發(fā)射探頭(T)是磁質伸縮探頭,接收探頭(R1和R2)是壓電陶瓷探頭。T和R1之間的距離是1 m,R1和R2之間的距離是0.5 m。測井時,發(fā)射探頭 T發(fā)射20 kHz的聲脈沖,R1和R2接收經套管、水泥環(huán)、地層、泥漿傳播聲信號,從而得到2個全波列聲波圖。處理后將2個全波列聲波圖轉變成2個相應的黑(灰)白相間條帶的變密度灰度圖。顯然,MA K-II聲波測井的原理與變密度測井原理基本一致。在套管中傳播的彈性波動力學和運動學特性取決于:①水泥與套管和地層的接觸狀況;②套管、水泥和地層的聲阻抗比以及波長與套管壁厚的比。在沒有水泥環(huán)缺陷的情況下,套管波能量隨著水泥強度、波長與套管壁厚比的增大而減小,隨著聲波發(fā)射頻率的降低而減小。所不同的是,MA K-II聲波測井不提取首波絕對幅度的大小,而是研究首波的幅度衰減和時間特性。

3 俄羅斯固井質量測井儀的實驗數據分析

對8口水泥膠結刻度井分別用俄羅斯的2種儀器進行多次測井,對所測數據用常用的解釋方法進行解釋。用SGDT計算出D ENC平均密度值,用于套管外、地層內環(huán)形空間水泥充填均勻程度的評價,密度值越大,并且接近實際水泥密度,則固井質量越好。而MA K-Ⅱ是從接收到的2個全波列聲波波形中提取6條參數曲線,①t1為首波到達R1的時間;②t2為首波到達R2的時間;③Δt為首波時差;④dk1為R1記錄的首波衰減系數;⑤dk2為 R2記錄的首波衰減系數;⑥αk為首波的衰減系數。再將這6個參數與刻度數值進行比較分析,給出第Ⅰ、Ⅱ界面的水泥固井質量評價結果。用SGDT計算出的套管壁厚、水泥環(huán)平均密度和水泥環(huán)充填率以及用MA K-Ⅱ計算出的首波衰減率、首波到時和變密度曲線與實際井況進行對比分析。

3.1 首波衰減率與第Ⅰ界面未膠結的關系

首先對3、4號井的解釋數據進行分析。3號井套管直徑Ф139.7 mm,套管壁厚7.72 mm,模擬鉆頭尺寸Ф216 mm,模擬地層為砂巖,水泥環(huán)厚度38 mm。固結情況:第Ⅰ界面360°、180°、90°、45°、22.5°等5種未膠結狀況,底層2 m的100%完全膠結及套管偏心情況;第Ⅱ界面處頂上2 m未膠結外,其余100%膠結;所用水泥密度為1.89 g/cm3(見圖1);4號井是用水泥密度為1.20 g/cm3的礦渣水泥固的井,其他結構與3號井都一樣。

對3、4號井的MA K-II聲波測井資料進行分析可以看出,隨著第Ⅰ界面未固結角度的增大,其首波衰減率減小;角度增大到一定程度時,其減小幅度變小(見圖2)。不論水泥密度是大還是小,都有同樣的規(guī)律。在第Ⅰ界面未固結角度不大時可以看到,首波衰減率出現(xiàn)雙解現(xiàn)象,在水泥密度大時,表現(xiàn)不明顯,而水泥密度小時就特別明顯。有些文獻認為是儀器分辨率造成的雙解現(xiàn)象。但是從圖2看出不完全是儀器分辨率的影響。如果是分辨率的影響,水泥密度的大小就不會出現(xiàn)那么大的不同。

繪3、4號井的首播衰減率與第Ⅰ界面膠結情況對比圖(見圖3)。從圖3可以看出,隨著水泥密度的降低,MA K-II聲波測井首波幅度衰減率明顯減小,這是由于水泥密度不同,其聲阻抗不同造成的。當水泥密度小時其聲阻抗小,聲波首波幅度就大,與聲幅測井一致。但MA K-II聲波測井是用首波衰減率來評價水泥固結的好壞,其效果比聲幅測井效果好。

圖1 3、4號井的井身結構

圖2 3、4號井第Ⅰ界面未固結角度與首波幅度衰減率的關系

圖3 3、4號井第Ⅰ界面未固結角度與首波幅度衰減率關系對比

對3、4號井的聲幅(CBL)與MA K-II聲波測井的首波衰減率對比(見圖4),MA K-II聲波測井在區(qū)分水泥第Ⅰ界面膠結時,比聲幅測井在小角度未膠結時分辨率要高,所以用MA K-II聲波測井可以識別微環(huán)。從圖4可以看出,低密度水泥固井評價固井質量好壞時MA K-II聲波測井優(yōu)于聲幅測井。加上SGDT測井效果更好。

3.2 第Ⅰ界面未膠結與SGDT測井計算的水泥平均密度的關系

針對俄羅斯的井眼伽馬密度-套管壁厚測井儀(SGDT)的測井資料,對水泥密度不同的水泥膠結情況進行分析(見圖5)。從圖5中看出,由于水泥密度小,SGDT對水泥膠結的反映不明顯,是因為水泥密度與井液密度差別太小造成的,可以用水泥充填率評價水泥固結情況。

對于水泥充填率,SGDT測井在通常情況下用于單層套管井固井質量,所計算的介質充填密度在自由套管處應該有最小值ρc,min,在完全膠結情況下應該有最大值ρc,max,可以定義水泥充填率為

通過用式(1)對3、4號井的計算,繪出圖6。從圖6中看出,充填率隨著第Ⅰ界面水泥膠結的越多,其充填率越大。正好可以反映出水泥固結的情況,再結合MA K-II聲波測井分析,就可以找出第Ⅰ界面的微環(huán)。

圖5中3、4號井計算出的水泥平均密度與膠結體積相比,應該是隨著膠結體積增大而增大。3號井最上面1個點有異常,是因為套管偏心和地層巖性影響造成的。而4號井的異常,除了與3號井有相同的2個原因外,還與井身結構有關。因為用鋼坯分隔水泥,所以影響比較大。

3.3 首波幅度衰減率與固井水泥密度的關系

水泥密度的大小對聲波影響比較大,水泥密度越大,其聲阻抗越大,聲波首波幅度衰減就越大(見圖7)。圖7是7號井所測的數據關系,第Ⅰ界面固結好,只是固井水泥密度不同,正好反映了這一特征。其首波幅度衰減率隨水泥密度的增大而增大。如果只用聲幅衰減率評價固井質量的好壞,可能把低密度水泥固結好的井段,認為固結不好。

圖4 3、4號井CBL值和首波幅度衰減率與第Ⅰ界面未固結角度的關系

圖5 3、4號井膠結體積百分比與計算出的水泥平均密度關系

圖6 3、4號井第Ⅰ界面未固結與水泥充填率的關系

SGDT測井是測水泥環(huán)的密度,用7號井測得的數據計算出水泥環(huán)的平均密度,與實際水泥密度繪出圖8。從圖8可以看出其關系是對數關系,現(xiàn)在所用的SGDT測井軟件,需要加以校正。

3.4 首波幅度衰減率與井周巖性的關系

圖7 7號井首波幅度衰減率與水泥密度的關系

圖8 7號井SG DT測井計算的平均密度與水泥密度的關系

圖9為1號井首波幅度衰減率與井周巖石密度的關系。對于井周巖性對首波的影響比較復雜。其原因是受第Ⅰ膠結面和第Ⅱ膠結界面的影響比較大,如果2個界面都固的比較好時,巖性才對首波有些影響,所以在評價第Ⅰ、Ⅱ界面時,如果有1個界面固得不好,巖性的影響可以忽略。

圖9 1號井首波幅度衰減率與井周巖石密度的關系

4 結論及建議

(1)MA K-II聲波測井測首波幅度衰減率比聲幅測井(CBL)在識別微環(huán)上更具有優(yōu)勢。在評價復雜井固井質量時,最好用俄羅斯固井質量測井儀器。

(2)在評價低密度水泥固井的井段時,用聲幅測井不能很好地評價其聲幅質量,這時應采用俄羅斯固井質量評價測井儀器進行組合測井。如果要用聲幅測井評價,就要重新制定標準。

(3)對于第Ⅰ界面未固結角度不大時,可以用MA K-II聲波測井,而未固結角度大于150°以上就用聲幅測井進行評價。

(4)對于SGDT測井解釋軟件計算的水泥環(huán)平均密度需要加以校正,才能更接近實際水泥密度值。

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