（地球探测与信息技术专业论文）声波变密度测井全波列数值模拟与固井质量评价.pdf

摘要 声幅一变密度测井是评价固井质量的基本方法。该方法对固井第一界面胶 结状况的解释，是以首波( 套管波) 作为特征波。套管波到时稳定，幅度变化 对第一界面窜槽敏感，以其幅度相对变化建立的判据和胶结程度的定量描述方 法在应用中是成功和有效的。对固井第二界面胶结状况的解释则是依据地层波 的强弱。地层波到时变化大，幅度受地层吸收的影响，以此为据对第二界面胶 结状况做出判断，存在多解的不确定性。对第二界面评价问题，国外论及甚少， 国内测井界结合生产实际做出一些有价值的工作，但仍处于探索阶段，还不能 满足生产需要。 针对固井第二界面水泥胶结评价问题，本文开展了系统的数值模拟与实验 对比分析，旨在发现指示第二界面胶结状况的特征波。为此，首先通过理论计 算，模拟了自由套管、第一界面窜槽、第二界面窜槽和胶结良好四种不同情况 下的全波波形，考察了多种参数变化对窜槽特征的影响，并着重寻找指示第二 界面窜槽的特征波。数值模拟结果发现，在套管波之后延迟一固定时间，存在 一个受第二界面胶结状况控制的稳定波群，出现在o 4 m s 到o 5 m s 之间( 针对 大庆油田一类典型地层井孔参数) ，这一到时和波形相位不受地层波速不同的影 响，易于识别。为了验证理论数值模拟结果，我们将其与模型井实验数据及野 外实际测井资料进行对比。在模型井实验数据及野外实际测井资料记录波形中 相同的时间段，也发现了指示第二界面窜槽的特征波，到时与数值模拟结果一 致。为此，该特征波可以用来评价第二界面水泥胶结质量。 此外在理论模拟和模型井实验结果分析基础上，通过在声波全波列中提取 套管波和地层波，并对地层波幅度进行衰减、干扰、声阻抗等校正。此外，使 用标准化处理方法和衰减比方法建立了评价第一、第二界面的水泥胶结指数计 算模型。最后，将两种评价固井水泥胶结质量的方法应用于大庆油田的实际套 管井资料，得到了预期效果。 关键词：声波变密度第二界面地层波固井质量胶结指数 a b s t r a c t t h ea c o u s t i c 锄p l i t u d ev a r i a b l ed e n s 时l o g g i n gi st l l eb a s i cm e t h o dt oe v a l u a t e t l l eq u a l i 哆o fc e m e n t i n g t l l i sm e t h o dt a l 【e st l l e 6 r s t 、a v e ( c a s i n gw a v e ) a s c h a r a c t e r i s t i cw a v ei nf i r s ti n t e r f 犯ee v a l u a t i o n c a s i n gw a v es 切b i l i z e sa ti t sa m v e t i m e ，t l l e 锄p l i t u d ev 撕a t i o ni ss e n s i t i v et ot h ef i r s ti n t e r f a c e 晰n ls l o t 1 1 1 em e t h o d u s ei t s 锄p l i t u d er e l a t i v ev a r i a b l ee s t a b l i s hc r i t e r i o na i l dq u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o no f c e m e n te x t e n ti na p p l i c a t i o ni ss u c c e s s m la n de f 诧c t i v e a n du s et h ea l l l p l i t u d eo f f o n n a t i o nw a v e 删v a l sf - 0 rm ee v a l u a t i o no ft h es e c o r l di n t e r f a c e t h ef o m l a t i o n w a v ed i v e r s i f i c a t i o na ta r r i v et i m e ，w h i l e ，i t s a m p l i t u d e s u f r e rt h es t r ；重t u m a b s o r p t i o n si n n u e n c e s o ，m e r ea r es o m es h o r r t a g e ss u c ha sm u l t i s o l u t i o n st h e u i l c e r t a i n t yi nu s i n gt 1 1 ef o 咖a t i o nw a v et oe v a l u a t ec e m e n t i n gq u a l i t yo ft h e s e c o n d a d ri n t e r f ：犯e o nm es e c o r l di n t e r f a c er a t i n gq u e s t i o n ，o v e r s e a sc o n c e m s r e a l l yf e w ，t h ed o m e s t i cw e ul o g g i n gc o m p a n i e sm a k e ss o m ev a l u a b l ew o r kb a s e d o np r o d u c t i o np r a c t i c e b u ti tw a ss t i l la tt h ee x p l o r a t i o ns t a g e ，h a sn o tb e e na b l et o m e e tt h ep r o d u c t i o nn e e d s a c c o r d i n gt ot h eq u e s t i o ni ne v a l u a t em ec e m e n t a t i o no f l es e c o n di n t e r f a c e ， t 1 1 i sa r t i c l eh a sc a m e do u tc o n t r a s t i v es y s t e mb e t w e e nn 啪e r i c a ls i m u l a t i o na 1 1 dt h e e x p e r i m e n t s ，a i mt of i n dt l l e c h a r a c t e r i s t i cw a v ew h i c hi n s t m c t sm ec e m e n t e d c o n d i t i o no ft h es e c o n di n t e 血c e t i l e r e f o r e ，f i r s to fa l l ，缸o u g l lm et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n ，w eh a v es i m u l a t e d 行e ec a s i n 舀h e ，f i r s ti n t e 血c ew i t hs 1 0 t ，t h es e c o n d a 巧 i n t e r f a c ew i t hs l o ta l l d c 锄e n t i n g w e l l f o u rd i 航r e n tc i r c 啪s t a l l c e s 如l l 、v a v e w a v e f o m l ，a 1 1 di n s p e c t e di n f l u e n c ew h i l ep a r a m e t e rv a r i a t i o n s ，e m p h a t i c a l l yt os e e k t h ec h 撇c t e r i s t i c m r et h a ti n s t m c t st h es e c o n di n t e r f a c ew i t l ls l o t t l l en u m e r i c a l s i m u l a t i o nd i s c o v e r e dt h a t 世e rc a s i n gw a v er e t a 妇af i x e dt i m e ，h a sas t a _ b l e 、v a v e g r o u pw h i c hr e l a t i v ew i mt h ec e m e n t e dc o n d i t i o no fm es e c o n d a r yi n t e r f a c e n a p p e a r sb e t w e e no 4 m st o0 5 m s ( t oa 咖i c a ls t r a t u mb o r e h o l ep a r a m e t e r so fd a q i n g o i l f i e l d ) ，t h i sa h i v et i m ea i l dp h a s eo f t h ew a v e f o n n sw i l ln o tb ei n n u e n c e db yt h e s t r a t u m 、a v ev e l o c i 够s o ，i tc a nb ei d e n t m e de a s i l y i no r d e rt ov e r i 矽t h et h e o r y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s w ec o n _ t r a s ti tw i mt h em o d e l 、 ，e ut e s td a t u ma n dt h e i i f i e l dl o g g i n gd a t a i i lt h es 锄et i m es e g l i l e n ti nm o d e lw e l lt e s td a t u ma l l df i e l d l o g g i n gd a t a ，w ea l s ok 心d i s c o v e r e dt h ec h a r a c t e r i s t i cw a v ew h i c hi r l s t r u c t e dt h e s e c o n di n t e r f a c e 诵t hs l o t ，a i l di t sc o n s i s t e n tw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u n s t h e r e f o r e ，t h i sc h a r a c t e r i s t i cw a v ec a nb eu s e dt o 印p r a i s et 1 1 ec e m e n tb o n dq u a l i t y o fm es e c o n d a l yi n t e r f a c e b a s e do nt 1 1 ea i l a l y s i so ft l l e o r ys i m u l a t i o na n dt h em o d e l 、e ue x p e r i m e n t a l r e s u l t ，w ee x t r l c tt h ec a s i n gw a v ea l l dt h ef o m a t i o n 、硼r v ei nt i l ea c o u s t i cf h l l w a v e f o 咖， a i l d m a k i n ga t t e n u a t i o n c o r r e c t i o na l l dd i s t u r b a i l c ec o r r e c t i o nt o f o n n a t i o nw a v e i na d d i t i o n ，u s i n g 鲍m d a r d i z e dp r o c e s s i n gm e t h o da n dc e m e n t a t i o n e x p o n e mm e t h o d ，、e e s t a b l i s h e dc e m e mb o n di n d e xc a l c u l a t i o nm o d e lo f e v a l u a t i o no ft h ef i r s t 、s e c o n di n t e m c e f i n a l l y ，t h e 铆oc e m e n t i n g b o n dm e t l l o dh a s b e e n 印p l i e d t ot h ea c t u a ld a q i n go i l f i e l dc a s i n gw e l l s ，h a st h ed e s i r e de 腑c t k e yw o r d s ： a c o u s t i cv 撕a b l ed e n s i 够； s e c o n d a 巧i n t e r f a c e ； f o 珊a t i o nw a v e ； c e m e n t i n gq u a l i t y ；c e m e n t a t i o ne x p o n e n t i i l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 乞藿达盘 2 。8 年易月r 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件 或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊 登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 8 鸹胪日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 固井时在水泥浆混和与注入过程中，质量控制是至关重要的，而固结水泥 的评价却是其实现长期封隔性的关键，水泥浆注入井下开始固结后，对固结水泥 的评价就显得十分重要【l 】。对固结水泥进行评价可以确定固结水泥是否已被成 功地置于所需的位置，而且起到了应起的作用。大多数情况下，固结水泥用以 支撑套管柱，封隔含水层和含油气层，而且保护套管免受腐蚀。 同时油井固井质量的好坏是能否充分利用油井的关键，而固井质量评价则 是正确使用油井和采取措施保护油井的关键。油田在后期开发时，为提高采收 率，多采用注水开发【2 】。注水开发可能会使地层内部结构发生变化，影响套管 井的固井质量，出现第一、第二界面窜槽问题。为了制订合适的油层开发方案， 必须将胶结良好与发生窜槽的套管井段区分开来。 评价固井质量的方法一水泥胶结测井技术1 3 j 经历了半个世纪的发展，已由 最初的声幅( c b l ) 测井一种方法发展为现在的声波变密度、m a i 、分区胶结 测井( s b t ) 和c a s t 等多种测井方法【4 】，其中声波变密度( c b l d l ) 测井已 经在实际生产中得到大面积推广【5 】。声波变密度测井技术是二十世纪六七十年 代发展起来的，其方法原理简单，而解释方法复杂多样【4 j 。本文的研究主要集 中在两方面，即第一和第二界面的固井质量评价问题。目前国内外针对第一界 面评价研究的成果较多，而第二界面研究相对滞后，从油田开发实际情况来看， 在第一界面胶结良好的井段进行射孔，会因第二界面胶结差引起部分地层问流 体窜槽【2 】。因此，研究第二界面胶结质量的评价方法是一项不可忽视的工作， 也是本论文研究的重要内容。 1 2 国内外研究及应用现状 1 2 1 固井质量评价技术的进展 固井质量评价主要是对水泥环胶结质量的检查，即检查套管与水泥环( 第 一界面) 、水泥环与地层( 第二界面) 胶结情况。油气井固井质量评价是保证油 河海大学硕十论文 气井寿命，提高采收以及合理开发油气资源的关键性技术之一。固井质量评价 己从以前单一的c b l 部分过渡到c b l v d l ，在部分重点井上应用了超声波成 像测井( u s i ) 、分区胶结测井( s b t ) 、m a k i i 等，使评价的真实性、科学性 有了提高。近年来，制定了一系列固井规范及固井质量评价方法，如固井技 术规定、固井质量评价、天然气井固井技术规范、固井质量评价方法、 固井作业规程( 常规井及特殊井) ，这些规范和方法不仅有利于正确地指导 固井设计与现场施工，而且可准确地评价固井质量，及时发现固井中存在的问 题，以便及时采取针对性的技术措施【6 】。 水泥胶结测井( c e m e n tb o n dl o g ) 【7 】【8 】是声幅测井的一种，声幅测井仪采用 一发三收声系，换能器频率按相似比原则升高，通过测量套管的滑行波( 又叫 套管波) 幅度衰减，来探测管外水泥的固结情况。c b l 下井仪器常用源距为3 英尺( 1 米) 和5 英尺( 1 5 米) 。发射换能器t 发出声波，其中以临界角入射 的声波在泥浆和套管的界面上折射产生沿这个界面在套管中传播的滑行波，套 管波又以临界角的角度折射进入井内泥浆到达接收换能器r 被接收。仪器测量 记录套管波的第一正峰的幅度值，即得到c b l 曲线值。这个幅度值的大小除了 决定于套管与水泥胶结程度外，还受套管尺寸、水泥环强度和厚度以及仪器居 中情况的影响。若套管与水泥胶结良好，这时套管与水泥环的声阻抗差较小， 声藕合较好，套管波的能量容易通过水泥环向外传播，因此，套管波能量有较 大的衰减，测量记录到的水泥胶结测井值就很小；若套管与水泥胶结不好，套 管外有泥浆存在，套管与管外泥浆的声阻抗差很大，声耦合较差，套管波的能 量不容易通过套管外泥浆传播到地层中去，因此套管波能量衰减较小，所以 c b l 值很大，其中在管外没有水泥的自由套管段达到最大。从而利用c b l 曲 线值可以判断固井质量。由于套管波声幅只能反映水泥环与套管( 第一界面) 的胶结情况，不能反映水泥环与地层( 第二介面) 胶结情况，而套管整个波列 的显示则可以时说明这两个界面的胶结情况，因而出现了声波变密度测井。 声波变密度测井( a b l ed e n s i t yl o g ) 【7 】【9 】 【1 2 1 也是一种测量套管外水泥胶 结情况，从而检查固井质量的声波测井方法，它可以提供更多的水泥胶结的信 息，能反映水泥环的第一界面和第二界面的胶结情况。声波变密度测井的声系 由一个发射换能器和一个接收换能器组成，源距一般为1 5 米，声系通常附加 2 第一章绪论 另一个源距为1 米的接收换能器，以便同时记录一条水泥胶结测井曲线。套管 井中声波的传播及其与胶结情况有密切关系。在套管井中，从发射换能器t 到 接收换能器r 的声波信号有四个传播途径，沿套管、水泥环、地层以及直接通 过泥浆传播。通过泥浆直接传播的直达波最晚到达接收换能器，最早到达接收 换能器的一般是沿套管传播的套管波，水泥对声能衰减大、声波不易沿水泥环 传播，所以水泥环波很弱可以忽略。当水泥环的第一、第二界面胶结良好时， 通过地层返回接收换能器的地层波较强。若地层速度小于套管速度，地层波在 套管波之后到达接收换能器，这就是说，到达接收换能器的声波信号次序首先 是套管波，其次是地层波，最后是泥浆波。声波变密度测井就是依时间的先后 次序，将这三种波全部记录的一种测井方法，记录的是全波列。该方法与水泥 胶结测井组合在一起，可以较为准确地判断水泥胶结情况。 扇区水泥胶结测井( s b t ) 【7 】【1 3 h 1 5 1 是目前检查固井质量及管外窜槽的最新 最有效的方法之一。该仪器从纵向和横向( 沿套管圆周) 两个方向测量水泥的 胶结质量。其测量系统分区扇形覆盖整个井眼，以一种缠绕方式对水泥胶结整 体进行定量测量。该仪器设计的短源距使补偿衰减测量结果基本上不受地层的 影响，并能用于各种流体的井内，包括重泥浆和含气井液。只要保持滑板与套 管内壁接触，一般的偏心不影响测量结果。分扇区水泥胶结测井仪采用两组一 发三收声系，分别固定在不同方向上，评价两个不同方向上的水泥固井质量， 仪器用推靠臂把六个测量极板推靠到套管内壁上去。相邻四个极板构成螺旋状 双发双收声衰减率测量系统，把管外环形空间六等分，分别考察水泥胶结质量， 实现测量的高分辨率全方位覆盖。在每个测量极板上具有一个发射探头和一个 接收探头，通过6 个极板上的收发探头的组合，可以形成每隔6 0 度扇区的6 个双发双收声波测井系列。采用s t b 测井可以增强声发射能量，s t b 测井仪器 通过利用两个发射单元来增强声场能量，每个单元为1 4 波长。工作时，远离 接收探头的第一个单元发射，当声波到达第二个发射单元时，第二个单元发射， 从而在所设计的方向使声场得到增强。由于声强与声幅的平方成正比，因此声 强可以得到四倍的增强。 m a k i i 声波测井【1 6 1 【1 刀如图1 1 ，采用单发双收声系，发射探头t 是磁质伸 缩探头，接收探头r l 和r 2 是压电陶瓷探头。t 和r l 之间的距离是l m ，r l 和 。3 河海大学硕士论文 r 2 之间的距离是0 5 m 。测井时，发射探头t 发射1 5 k h z 的声脉冲，r 1 和r 2 接收探头接收经套管、水泥环、地层、泥浆传播的声信号并将声信号转换为电 信号，再通过电缆传输到地面，从而得到2 个全波列图。地面仪对其检波、处 理可将2 个全波列图转变成2 个相应的有黑( 灰) 白相间条带的变密度灰度图。 显然，m a i 声波测井的测井仪器原理与通常所说的变密度测井原理基本一 致。所不同的是m a k i i 声波测井仪器不提取首波绝对幅度的大小，而是研究首 波的幅度衰减和时问特性。为此，它通过设置固定时间窗口和滑动时问窗口， 从得到的2 个全波列中提取6 条参数曲线，即t l 为首波到达r l 的时间，t 2 为首 波到达r 2 的时间，t 为首波时差t - ( t ：一t ，) s ，s = o 5 m ( 为两接收器间距) ， 西。为r l 记录的首波衰减， 射探燕( 聋 睃攘熟袋1 ) 收探头卿) 图1 1m a i i i 下井仪结构示意图 吃。为r 2 记录的首波衰减，为首波的衰减系数，= ( 吐。一碣。) s 。如果地 层波的传播速度吒小于套管波的传播速度唯，那么上述参数将反映套管波的传 播特性；相反，若k 大于u ，水泥环与套管和地层又都胶结良好，则沿地层传 播的弹性波能进入到固定时间窗内，在这种情况下，上述参数将反映地层波的 传播特性。如果套管波的幅度小于门坎幅度值，水泥环与套管和地层又是完全 胶结，那么上述参数则反映地层波的传播特性；相反，若套管波的幅度超过门 坎幅度值，那么上述参数则反应套管波的传播特性。 目前，从技术和成本的角度考虑，声波变密度测井是最适合在生产中应用， 4 第一章绪论 在国内各油田，用于检测固井质量的方法也主要是声波变密度测井技术，并已 经取得了非常好的应用效果【5 】【18 1 。但是该测井资料解释还有一些问题需要解 决。目前国内外针对固井第一界面评价研究成果较多，并建立了评价固井第一 界面的定量解释标准。有关固井第二界面评价却相对滞后，针对这一背景，本 文结合大庆油田固井质量评价的实际需求对声波变密度测井方法展开了研究。 1 2 2 井孔声波传播理论的进展 井孔声场的研究是油田声波测井的理论基础，几十年来国内外许多学者在 这方面有大量的理论分析、数值计算和实验工作【1 9 2 6 】。这些工作使人们对井中 声波的传播规律有了比较深入的认识，有力地推动了测井新方法的研究和测井 资料的解释。理想的井孔是轴对称的，迄今为止的研究大多只限于轴对称井孔 的情况。对于轴对称的井孔声场，可以在柱坐标中运用分离变量法并借助整数 阶柱函数进行研究，通常使用的数值计算方法有实轴积分法。 井孔声场研究中的解析或半解析方法是井孔声场研究中应用最早也最成熟 的方法，主要有实轴积分法和模式分析法。下面我们按裸眼井，套管井分别来 介绍解析或半解析方法在其中的应用。 裸眼井：最基本也是研究最多的井孔模型。对于裸眼井中声场，自b i o t 【1 研 ( 1 9 5 2 ) 首次采用波动理论研究了硬地层中由对称轴上的点源激发的声波传播 问题以来，有关裸眼井中的全波场及分波场的研究就层出不穷。w h i t e ( 1 9 6 8 ) 首次计算模拟了第一条全波列接收波形【2 7 1 。p e t e r s o n ( 1 9 7 4 ) 计算分析了无几 何衰减的模式波的频散特征，他认为这种波具有高频散性，其群速度一般小于 相速度；这些模式波有多个分支，每一分支都有截止频率，在截止频率处其相 速度等于群速度，且都达到最大值，为井外固体介质中的横波速度，这种波现 在一般称之为伪r a y l e i 曲波。另外，还有一支极点，它对应着s t o n e l e y 波，在 硬地层中，这一模式无截止频率，其相速度和群速度近似于流体中的纵波速度， 且群速度大于相速度。为了考察全波列中的其它波型成份，p e t e r s o n 还将稳态 全波场的实轴积分简化为波数复平面内的垂直割线积分和积分回路中极点的留 数，并对远场处的纵波和横波垂直割线积分进行了估值，认为割线积分在远场 处对应着纵波头波和横波头波。尽管他曾涉及到积分回路中复极点( 对应于泄漏 5 河海大学硕士论文 模式) 的问题，但他没有将支点作为对数型支点处理，只是借用前人对分层介质 中的泄漏模式的讨论方法加以描述【2 引。王克协等人( 1 9 7 9 ) 分别计算了准弹性地 层裸眼井和套管井中由局部表面振动的圆柱形声源激发的全波列波形，考察了 头波的走时和幅度衰减，分析了长源距全波列测井的可行性【l 引。c h c h e n g ( 1 9 8 1 ) 等人利用实轴积分法计算了井轴上不同源距处所接收的全波列，并详 细考察了井的几何尺寸和地层参数对全波列的影响，他们认为，当井外介质的 泊松比比较大时，泄漏模对声场的贡献也增大，但他们没有弄清头波和泄漏波 的关系，也未做分波分析【2 9 1 。t s a i l g 等人( 1 9 7 9 ) 利用修正的渐进展开技术和 l b e v e r 等人( 1 9 7 4 ) 的射线展开法计算了纵波头波，他们指出，复极点可能对头 波有贡献，但并未作进一步的深入讨论1 3 0 1 。其后，m 蛳a i l ( 1 9 8 5 ) 也对全波或分 波作过不同程度的研究，但对泄漏模，未给出完整的描述【3 l j 。为了解井内外整 个声场的演化过程，张海澜( 1 9 9 3 ) 等人利用修改的实轴积分算法计算了整个 声场的分布图像，可清楚地观察到纵横波及模式的传播特点，给人以清晰直观 的物理图像【3 2 1 。张海澜等人还应用贝塞耳函数的加法公式用实轴积分法计算了 井内偏心声源激发的声场【3 3 1 。 套管井：一种更接近生产实际的井孔模型，与裸眼井相比它增加了套管层 和固井层。一般套管井中的声场研究与裸眼井相似，套管井可视为径向多层介 质的圆柱形开放声波导，它仍是轴向几何可分离的，因而存在解析解。有关套 管井声场理论研究的文献始见于2 0 世纪8 0 年代初。s c h o e n b e 唱等人( 1 9 8 1 ) 在 实验室中制作了具有径向多层介质的模型井，分析了模式波的频散曲线；b a k e r ( 1 9 8 4 ) 推导了径向多层固体介质中声场的解析式，并计算了有泥饼和浸入带 存在时的全波波形，主要考察了声波测井的穿透深度或探测深度1 2 6 j 。t u b m a n ( 1 9 8 4 ) 也做了与b a l 【e r 相似的工作，他着重研究了胶结好的套管井中的声波 传播问题，并分析了套管及水泥的厚度、衰减对全波列的影响，指出与裸眼井 相比，胶结好的套管对整个声场的影响较大【3 4 1 。c h e n g 等人利用实轴积分法计 算了井内轴上不同源距时所接收的全波列，并考察了井的几何尺寸和地层参数 对全波列的影响【3 5 】，e v e r h a n 和c h a i l g 计算了自由套管和胶结良好的套管井中 激发的全波波形，在国内张海澜等利用修改的实轴积分法模拟了居中或偏心声 源激发的声场闱【3 7 】，刘继生等提出第二界面胶结差的全波列中初至波为复模式 6 第一章绪论 波，其速度介于套管波与地层波之问【3 8 1 ；胡文祥等通过分析套管井全波的时频 特征，提出通过分析地层信号的存在与否来评价第二界面胶结状况的方法【3 9 1 ， 林伟军等使用2 5 维有限差分算法对带扇形窜槽的套管井孔声场进行了数值研 究h o 】。这些研究工作为定性或定量进行固井质量评价打下了良好的理论基础。 1 2 3 固井质量解释方法的进展 关于固井质量水泥胶结声波测井解释方法研究主要有两方面，即第一、第 二界面的固井质量评价。目前国内外针对固井第一界面评价研究成果较多，并 建立固井第一界面评价了定量解释标准，即【4 1 】： 相对幅度c = ( 目的层段的声幅值自由套管井段的声幅值) 1 0 0 当相对幅度2 0 时，确定为胶结良好； 当相对幅度2 0 4 0 时，确定为胶结中等； 当相对幅度4 0 时，确定为胶结差。 其理论依据是声波衰减与水泥抗压强度之间的关系。实际生产过程也表明， 使用声幅曲线基本能够解决固井第一界面评价的问题。 针对固井第二界面评价，国内已有一些研究成果，主要是利用变密度测井 或超声波脉冲测井方法。如，王天波等( 2 0 0 2 ) 根据变密度测井资料提出一种 能量分析法计算套管波和地层波能量参数，进而评价第一、二界面的胶结状况 【1 0 1 。刘继生等( 2 0 0 0 ) 利用声变测井和伽玛密度测井和对第一、二界面的胶结 状况进行综合评价，并从理论上提出复模式波( 特征波) 与第二界面胶结状况 有关，其速度介于套管波与地层波之间【4 2 j 。陈大华等( 1 9 9 6 ) 提出使用小波处 理方法对全波列进行分频处理，定性地评价固井二界面胶结状况1 4 弱。胡文祥等 ( 2 0 0 2 ) 通过对套管井全波进行时频特征分析，发现了全波随二界面流体层厚 度变化的时频特征，提出在一界面胶结良好时可以通过分析地层信号的存在与 否来评价二界面的胶结状况，这些研究成果对评价二界面的胶结状况都有很大 的帮助【3 9 】。此外，也有一些利用超声波脉冲测井方法评价第二界面胶结状况的 文献，如余厚全、黄载禄等( 1 9 9 4 ) 利用超声回波序列分析法识别固井质量】。 乔文孝等( 1 9 9 6 ) 使用超声脉冲反射法评价第二界面质量【4 5 1 。但是，这些研究 成果还只是处于理论及探索阶段，目前还无法有效地应用于实际生产。所以， 7 河海大学硕上论文 在目前阶段评价第二界面质量的首选方法还是利用变密度中的地层波或复模式 波( 特征波) 。 目前，还没有见到有关利用复模式波( 特征波) 进行第二界面固井质量评 价的文献，主要是利用地层波进行评价。王天波( 2 0 0 2 ) 、谢艳萍( 2 0 0 4 ) 根据 变密度测井资料提取经干扰校正后的地层波能量参数，进而评价第二界面的胶 结状况，但是该方法没有考虑地层波能量受岩性影响以及地层波的复杂性l l 0 1 。 苏远大、唐振欢、钱俊等( 2 0 0 5 ) 提出对地层波能量进行基于泥质含量的衰减 校正，并计算第二界面水泥胶结指数h 6 】【4 7 1 。刘继生( 2 0 0 0 ) 、谢荣华( 2 0 0 3 ) 使用综合解释方法评价固井第一、二界面质量，并结合s g d t 水泥环平均密度、 抗压强度、水泥填充率等参数识别微间隙等f 4 2 】【4 引。 针对固井质量评价解释标准，第一界面的标准比较成熟，有石油部颁标准 做基础，结合各油田的地层、套管、水泥等实际情况制订了行之有效的一界面 定量评价标准。但是，至今还没有一个统一的第二界面评价标准，只是一些没 有经过严格验窜资料检验的定性或半定量评价标准，如谢艳萍( 2 0 0 4 ) 、王天波 ( 2 0 0 2 ) 根据二界面标准能量参数建立了二界面定量评价标准【1 0 】，刘正锋 ( 2 0 0 5 ) 利用地层波能量大小建立了二界面定性评价标准【4 9 1 ，魏涛( 2 0 0 1 ) 利 用抗压强度建立半定量评价标准【5 。 1 3 本文研究内容及思路 1 3 1 主要研究内容 本论文工作致力于研究套管井固井质量的声全波特点以及固井第一和第二 界面声波变密度测井解释方法。利用实轴积分法和快速傅立叶变换的方法，模 拟套管模型井中各种水泥胶结状况的柱状声源激发的波列，并分析各种波列的 首波到达时间、幅度以及频谱特征。综合分析正演数值模拟结果、刻度井试验 资料和实际生产井时间推移测井实测资料，拟在变密度波形中寻找反映第一和 第二界面胶结状况的特征量，以建立固井第一和第二界面的定量解释方法，并 结合理论和实验结果写出相关的程序。其主要内容包括： ( 1 ) 根据多层介质声场分析的一般理论及井孔中声场分析的理论研究基 于实轴积分法的套管井声波全波列数值模拟方法及其正演模型。 8 第一章绪论 ( 2 )以上述理论模型为基础，在套管井柱状多层介质中模拟柱源所激发 的声波全波列，并对套管井各种水泥胶结状况进行数值模拟。同时，依据正演 模拟结果，分析水泥环介质、地层介质、套管壁厚、窜槽水层厚度、源距、井 径等对声波全波列的影响。 ( 3 ) 对数值模拟结果、模型井实验实测结果以及野外实测资料进行对比 评价，总结套管波、地层波和特征波的首波旅行时间和幅度特征，为建立第一、 二界面水泥胶结评价方法提供理论依据。 ( 4 ) 在理论模拟和模型井实验结果分析基础上，通过在声波全波列中提 取套管波到时和幅度值，计算套管波能量参数，并经过标准化处理，建立评价 固井第一界面质量的水泥胶结指数计算模型。 ( 5 ) 通过旅行时间法或相关分析法提取地层波的到时和幅度值，经过地 层衰减校正、套管波干扰校正和第二界面声阻抗校正，建立了第二界面水泥胶 结指数计算模型。以此建立固井第一、二界面水泥胶结质量的评价方法。 ( 6 ) 将上述评价方法应用于实测套管井声变测井资料处理，并不断完善 评价方法。 1 3 2 技术路线 本文主要研究内容技术路线如图1 2 所示。 9 河海大学硕士论文 图1 2 研究内容路线图 1 0 第二章套管井声波变密度测井正演模拟 第二章套管井声波变密度测井正演模拟 2 1 研究的理论基础 2 1 1 声波在介质中的传播特性 声波在不同介质中传播时，其速度、幅度及频率变化等声学特性是不同的 【5 2 1 。声波测井就是以岩石等介质的声学特性为基础来研究钻井地质剖面、判断 固井质量等问题的一种测量方法【5 引。声波测井主要分为声速测井和声幅测井两 大类。声速测井也叫做声波时差测井，即测量地层声波速度的测井方法；声波 在岩石中的传播速度与岩石的性质、孔隙度以及孔隙中所充填的流体性质等有 关，因此，研究声波在岩石中的传播速度或传播时间就可以确定岩石的孔隙度， 判断岩石和孔隙流体性质。声幅测井是研究声波在地层或套管内传播过程中幅 度的变化，从而认识地层及固井水泥胶结情况的一种声波测井方法。 声波是物质运动的一种形式，它是由物质的机械振动而产生的，通过质点 间的相互作用将振动由近及远的传递而传播的。人耳听到的声波频率在2 0 h z 至2 0 k h z 之间，频率大于2 0 k h z 的机械波为超声波。声波在介质中传播时， 其能量被逐渐吸收，声波幅度逐渐衰减。在声波频率一定的情况下，声波幅度 的衰减和介质的密度、弹性等因素有关。声波幅度测井也就是通过测量声波幅 度的衰减变化来认识地层性质和水泥胶结情况的一种声波测井方法。 声波在岩石等介质中传播时，由于质点振动要克服相互间的摩擦力，即由 于介质的粘滞是声波能量转化成热能而衰减，这种现象也就使所谓的介质吸收 声波能量。因此，声波在传播过程中能量在不断减少，直至最后消失。声波能 量被地层吸收的情况与声波频率和地层的密度等因素有关系。对同一地层来说， 声波频率越高，其能量越容易被吸收；对于一定频率来说，地层越疏松( 密度 小、声速低) ，声波能量被吸收越严重，声波幅度衰减越大。所以，测量声波幅 度可以了解岩层的特点和固井质量。 在不同介质形成的界面上，声波将发生反射和折射( 透射) ，入射波的能量 一部分被界面反射，返回到第一介质，另一部分能量透射过界面传到第二介质， 在第二介质中继续传播。声波在分界面上的反射波和透射波的幅度取决于两种 河海大学硕j j 论文 介质的声阻抗z ，所谓声阻抗指的是介质密度p 与声波在这种介质中传播速度 u 的乘积，即： z = p d ( 2 1 ) 两种介质声阻抗之比z l z 叫声耦合率。介质i 和介质i i 的声阻抗相差越 大，则声耦合越差，声波能量就不容易从介质i 透射到介质i i 中去，透过界面 在介质i i 中传播的声波能量就少，在介质i 传播的声波能量就多；如果介质i 和介质i i 的声阻抗相近，声耦合好，能量很容易从从介质i 透射到介质i i 中去， 这是透射波能量大，而介质i 中的反射能量小；当两种介质的声阻抗相同时， 声耦合最好，这是声波能量全部由介质i 透射到介质i i 中。 综上所述，声波在地层中传播能量( 或幅度) 的变化有两种形式，一是因 地层吸收声波能量而使幅度衰减；另一种是存在声阻抗不同的两种介质的介质 面的反射、折射，使声波幅度发生变化。这两种变化往往同时存在，究竟哪种 变化为主，要根据具体情况加以分析。在下套管井中，各种波的幅度变化主要 和套管于地层之间的界面所引起的声波能量分布有关。因此，在裸眼井中测量 声波幅度就可能划分出裂缝带和疏松岩石的地层，在下套管井中测量声波幅度 的变化就可以检查固井质量【5 4 1 。 2 1 2 套管井中声波传播特征 如图2 1 所示，声波j l 由声源入射 到套管壁上，产生套管波j 2 和反射波j 3 ， 在传播中套管使j 3 产生的衰减甚小，可 不予考虑。在套管波j 2 传播过程中，不 断向两边介质发散子波j 5 和j 6 。由于套 管声阻抗和泥浆声阻抗相差甚远，其耦 合情况很差，故j 5 很小，且套管和泥浆 性质不变，j 5 幅度也一直不变，因而套 管和泥浆套管波波幅大小不变。接收器 t r 图2 1声波在套管中传播时的能量分配 接收到的套管波j 4 的波幅变化主要反映套管外的介质变化。在套管外介质为水 1 2 第二章 套管井声波变密度测井正演模拟 泥时，其声阻抗接近套管声阻抗，与套管耦合较好，j 6 较大，使j 2 产生的衰减 较大，接收到的j 4 就很小。如果套管外为空气或泥浆，其声耦合很差，j 6 很小， 使j 2 产生的衰减很小，j 4 很大。也就是说，接收信号j 4 反映了套管外介质声阻 抗的变化，j 4 的大小与管外介质声阻抗成反比。 2 1 3 固井质量评价测量原理 在套管井中进行的声波幅度测井就是用来评价固井质量的，即水泥胶结状 况的【5 5 1 。声波测井仪的发射换能器发出声波信号有四个传播途径，沿套管、水 泥环、地层以及直接通过泥浆传播，通过泥浆直接传播的直达波最晚到达接收 换能器，以临界角入射的声波在泥浆和套管的界面上折射产生沿这个界面在套 管中传播的滑行波( 又叫套管波) ，套管波又以临界角的角度折射进入井内泥浆 到达接收换能器被接收，一般套管波最早到达接收换能器。水泥对声波衰减大， 声波不易沿水泥环传播，所以水泥环波很弱可以忽略。当水泥环的第一、第二 界面胶结良好时，通过地层返回接收换能器的地层波较强。若地层速度小于套 管速度，地层波在套管波之后到达接收器，也就是说，到达接收换能器的声波 信号次序首先是套管波，其次是地层波，最后是泥浆波。套管波仪器测量记录 套管波的第一负峰的幅度值，即水泥胶结测井曲线值。这个幅度值的大小除了 决定于套管与水泥胶结的程度外，还受套管尺寸、水泥环强度和厚度以及仪器 居中情况的影响。 若套管与水泥胶结良好，这时套管与水泥环的声阻抗差较小，声耦合较好， 套管波的能量容易通过水泥环向外传播，因此，套管波能量有较大的衰减，测 井记录到的水泥胶结测井值就很小；若套管和水泥胶结不好，套管外有泥浆存 在，套管与管外泥浆的声阻抗差很大，声耦合较差，套管波的能量就不容易通 过套管外泥浆传播到地层中去，因此，套管波能量衰减较小，所以水泥胶结测 井值就很大。从而利用水泥胶结测井曲线值可以判断固井质量。 声幅测井仅靠测量声波幅度衰减来确定固井质量，只能解决套管与水泥之 间的胶结情况，即第一界面的胶结情况，而声波变密度测井( c b l d l 测井) 不仅测量声幅，还记录变密度v d l ，由v d l 识别地层波的强弱，评价水泥与 地层之间的胶结情况，即第二界面。因此，c b l d l 对第一、第二界面均可 河海人学硕士论文 做出评价。 2 2 正演理论模型的建立 套管井固井质量的检测多年来受到测井界的重视，对于套管井中的声传播问 题，不少学者在这方面都做过有意义的工作，如t u b m a n ( 1 9 8 4 ) 【3 4 j 就曾研究了胶结 好的套管井中的声传播，并分析了套管及水泥的厚度、衰减对全波列的影响。其 井眼模型为一无限长充液井孔被多层环形结构的介质所包围。对于这一物理模 型，可视为径向多层介质圆柱形开放声波导，它是轴向几何可分离的，