固井质量资料简介.doc

-油气井固井质量评价固井声波测井的主要任务是检查套管和地层间水泥环的胶结质量，包括第一胶结面的胶结质量水泥环和套管间的胶结情况、第二胶结面的胶结质量水泥环和地层间的胶结情况。同时，水泥返高、水泥抗压强度和套管破裂等有关固井工程质量问题都是十分重要的评价内容。由于固井声波测井的井眼条件和测量目的都与裸眼井声波测井不同，因此在方法原理和仪器设计上也有其自身特点。目前常见的固井质量评价测井仪有声幅测井仪和声波全波变密度测井仪，近几年发展起来的还有SBT扇区水泥绞结成像测井新技术。.常规的声幅测井（CBL）：检测水泥环与套管（第一界面）的封固质量。.声幅变密度测井（CBL/VDL）：同时检测第一界面和第二界面胶结的质量。.扇段水泥胶结测井（SBT）：在实时监测第一、二界面封固质量的同时，测量整个水泥环内部的封固情况，并通过相对方位的资料确定水泥沟槽的相对方位和确定油气水窜槽的具体位置和原因。.伽玛密度测井(SGDT)：分别探测来自套管、水泥环、泥浆液等介质产生非弹性碰撞的次生伽玛射线记数率，进而计算出水泥环平均密度、套管厚度、套管偏心等参数。 一、声幅测井1. 声幅测井原理 声幅测井的基本原理是利用水泥和泥浆（或水）声阻抗差异对沿套管轴向传播的声波的衰减影响来反映水泥与套管间的胶结质量。声幅测井仪的声探测装置是由位于井轴上相隔一段距离的一对声发射器和声接收器构成。当发射器发出声波后，接收器上接收到的声信号包括有套管波、水泥波、地层波和泥浆波的贡献。上述几种波在井中的传播路径见右图。由于水泥对声波具有较大的吸收系数，实际到达接收器的水泥波相对很微弱，一般可认为接收信号中无水泥波的贡献。 套管壁的厚度很薄，例如外径为17.7cm的套管，其壁厚约7mm。钢套管内充满泥浆，套管外是水泥，由于钢、水泥、泥浆三种材料的声阻抗各不相同，因此套管实际上构成了一个内、外壁具有不同阻抗界面的声波系。套管波由波导中的不同模式组成，各模式波的轴向传播速度不尽相同，因而在传播过程中由于通过阻抗边界向两侧介质辐射能量而引起的衰减也各不相同。理论和实际测量表明，套管波的首波主要来自于沿套管的滑行纵波和一次反射纵波的贡献。在井内泥浆不变的条件下，套管波的首波向外层介质辐射能量的多少取决于介质的声阻抗。例如对套管滑行纵波来说，当管外为真空时，阻抗比为，不向管外辐射能量；当套管外层介质的声阻抗与钢管相同时，向管外的能量最多，当外层介质沿径向无限延伸，这就是相当与钢质裸眼井情况，套管滑行纵波将按 的规律衰减（Z为发射器和接收器间的距离）。 对于套管井，固结良好时套管外围为水泥环，固结不好时套管外围为泥浆（或水），或者部分是水泥部分是泥浆。由于泥浆的声阻抗与套管的声阻抗相差较大，而水泥的声阻抗与套管相对比较接近，因此套管波的首波幅度与水泥环胶结质量密切相关。 在声幅测井中，把无水泥固结的套管端称为自由套管，自由套管中的套管波声幅最大，在有水泥固结的套管端，套管波的声幅明显下降。因此，对套管波的幅度或衰减测量可以显示水泥与套管的胶结情况，以及指示水泥的返高。研究结果表明，套管波幅度除了受水泥环胶结状况的影响外，它还会受泥浆性能、仪器源距、套管直径、套管厚度、水泥配比、水泥环厚度以及水泥固结时间、水泥环外地层的性质（岩性、渗透性及含油气水特性）、仪器性能（发射探头的声功率、接收探头的灵敏度、声幅记录系统的频幅特性、声系的源距、声信号的频率等）、测量条件（套管轴线和井轴的偏离程度、测速、井下温度）等因素的影响。因此，在声幅测井资料的应用中，都是采用相对幅度或相对衰减的方法来评价水泥胶结质量。水泥环和套管、水泥环和地层间界面上的微间隙是水泥胶结缺陷中最常见的一种。微间隙产生的原因主要是水泥和套管、岩石的热膨胀系统不同，温度、压力变化、固井工艺不完善、固井水泥中有杂质、固井过程中套管下沉或旋转都可能在套管和水泥环间产生微间隙。固井以后若进行井下作业，则井下工具和套管的碰撞；由于无枪身射 孔在井内强烈震动；射孔密度过大也会产生微间隙。（1）相对幅度法 自由套管声幅值由水泥返高面以上的井段测得。据实验数据和实践经验，解释标准一般定为：相对幅度小于20%的井段水泥胶结良好；相对幅度大于30%的井段水泥胶结不好；相对幅度为20%30%（有的为2040）的井段水泥胶结中等。显然，该解释标准中的好、中、差的界线并不是绝对的，它只是一个统计标准，仅供解释时参考。（2）胶结指数法 相对幅度法是以自由套管中的声幅作为参考值来评价水泥胶结质量，这种方法在一定程度上消除了井内泥浆及套管尺寸的影响，但是对所用水泥型号、配比、水泥固结时间的影响则无法消除。胶结指数法将对上述影响有所改善。定义声幅测井的幅度衰减系数为：（dB/ft） 式中，Z为源距，ft（尺）；A0为自由套管波幅度；A为测量层段的套管波幅度。表征了套管外水泥固结后造成的套管波衰减。如令整个测量井段中衰减系数的最大值为 ，并认为 对应的井段是完全胶结好的井段。对于衰减系数为的井段。其胶结指数为： 对于完全胶结好的井段应有=1。考虑到水泥厚度，测量误差等因素，通常认为0.8的井段为胶结良好井段。固井后进行的井下作业，如射孔、钻水泥塞、压裂等都可水泥环和套管的破损。二、 声波变密度测井仪声波变密度测井又称全波变密度。在工程测井中声波变密度测井用于检查水泥固结后的套管井中第一胶结面和第二胶结面的胶结质量。同声幅测井一样，声波变密度测井仪也是采用位于井轴上的一个声发射器和一个声接收器测量套管井中沿井轴方向传播的声波信号。为了对水泥环的两个胶结面进行评价，套管波和地层波都是测量中的有用信息。声波变密度测井对井下接收到声波波列前十二个至十四个波的幅度及到达时间进行记录。在进行声波变密度测井时，仪器的源距通常比声幅测井时的源距取得大，一般选为5英尺或1.5米，目的是使地层波变得易于识别。 除了对源距要求不同外，声波变密度测井的井下仪器和声幅测井完全一样。因此，在很多情况下可以利用裸眼井中测量声波时差的声波测井仪代替它，其中短源距测量波形用于声幅测井，长源距测量波形用于变密度测井。 声波变密度测井最使人感兴趣的是它能反映第二胶结面，即水泥环和地层的胶结面的胶结情况。第二胶结面的胶结状况将直接影响接收声波信号中地层波的强弱，因为由水泥环进入地层的声波能量取决于二者之间的声耦合状况。通过对接收信号中套管波和地层波强度的分析，可以容易地看到下述三种情况： （a）对于自由套管，套管波幅度大，地层波很弱。 （b）对于套管与水泥环、水泥环与地层都胶结良好的情况：套管波幅度小，地层波幅度大。 （c）对于套管与水泥环胶结良好、水泥环与地层未胶结的情况：套管波幅度小，地层波幅度小甚至检测不到。 由此可见，接收信号中地层波的强弱是衡量第二胶结面胶结好坏的标志。从全井段来看，套管波的到时基本是稳定而不变的，但是地层波的到时却会因仪器所遇到地层的差异而出现明显的变化。套管波和地层的这个特点为声波变密度测井识别和区分这两种波提供了十分有利的条件。声波变密度图中每一黑色条纹的灰度表示其对应正峰的幅度，黑色条纹的前沿时间表示波的传播速度，黑色条纹和相邻白色条纹的宽度表示波的频率。经验表明，接收到的波列中，前三个波相与套管波有关，即变密度测井图上前三条相线颜色的深浅表示套管波幅度的大小，在套管和水泥环胶结良好的层段，前三条相线颜色应很浅或看不到显示。经验上认为，对于井径为20厘米（相当于用7（3/4）in至8in钻头所钻井）、套管直径为14厘米（相当于5（1/2）in套管）变密度测井图上的第四至第六条相线和水泥环中传播的声波信号有关，因为凝固水泥的声速为一固定数值，所以第四至第六条相线在时间轴上位置基本上固定，若水泥环和地层胶结良好，则和在水泥环中传播相关的第四至第六条相线颜色都很浅；若水泥环和地层胶结不好，则第四条至第6条相线颜色较深。在第一和第二界面都胶结良好的前提下，苦地层速度大于水泥环速度，则在变密度图上的第七或第8条相线表现为地层波的特征。首先这些相线在时间轴上有显著的位移，这种位移反映地层声速的变化，即地层波相线随深度变化的特征，应和裸眼井中所测的声速（时差）曲线特征基本一致。若井径较大、套管直径较小，则可能是第四至第八条相线代表水泥环中的波，地层波也相应有变化。评价原则：在第一界面胶结好的基础上才能判断第二界面胶结情况，第二界面的胶结情况可能受众多因素影响，需根据实际资料综合分析。套管与水泥结胶好，水泥与地层胶结不好套管与水泥、水泥与地层胶结均好三、MAK-9M声波测井仪器原理和解释方法1MAK-9M声波测井仪器原理俄罗斯声波仪器MAK-9M与现阶段国内大多数油田使用的CBL/VDL仪器测量原理、结构基本相同，都是测量套管滑行波，如图2。不同在于MAK-9M仪器发射器、接收器源距和间距不同。它测量套管滑行波的长短两个声波波形，并提取首波的传播时间和幅度等参数，进而计算两个接收器的幅度衰减和它们之间的时差、衰减系数。根据计算出的参数T1、T2、T、d1、d2、值，综合评价测量井段的一、二界面水泥固井质量结果。其中T1、T2、d1、d2分别为近、远两个接收器提取的首波传播时间和首波幅度衰减，T为声波时差，为衰减系数。1m0.5m泥浆R1R2T套管水泥环地层图2 MAK-9M声波仪器示意图（2）SGDT-100M伽马密度仪器原理伽马密度测井与岩性密度测井原理一样，不管是SGDT100M还是CM3-401，均由一个260毫居里左右的铯137源产生一个放射性伽玛射线源场，在其周围附近的介质有井液、套管、水泥以及地层，在源距为0.21米位置设置套管壁厚探测器，在源距为0.41米的位置设置了8个不同方位（以井轴中心为中点）均匀分布的水泥密度探测器，离源距为1.17米位置还有1个自然伽玛探测器, 如图2（同样CM3-401仪器在源距为0.20米位置设置套管壁厚探测器，在源距为0.405米的位置设置了3个不同方位，以井轴中心为中点均匀分布的水泥密度探测器，离源距为1.255米位置还有1个自然伽玛探测器）。分别探测来自套管、水泥环、泥浆液等介质产生非弹性碰撞的次生伽玛射线记数率，进而计算出水泥环平均密度、套管厚度、套管偏心等参数。密度探头R2厚度探头R1伽玛源 T 200mm210mmGR探头760mm图3 SGDT-100M仪器结构示意图利用SGDT100M测井可以获得以下11条参数曲线： GK自然伽玛计数曲线 MZ套管壁厚计数曲线BZ1BZ8 8条水泥密度计数率曲线AS仪器底边相对方位利用上面11条曲线并结合裸眼井径和地层密度等资料，根据SGDT伽玛密度评价系统，通过模拟井中建立的解释模型，将密度和厚度探头的计数率转换为充填介质平均密度（g/cm3）和套管壁厚度（mm），并计算出套管偏心率。2AMK2000M解释方法（1）MAK-9M声波资料解释方法首先从近、远两个接收波列中提取记录波形曲线的时间和幅度参数（图4所示）：图4 MAK9M仪器记录的近远接收器波形图，1）1由发射器到第一（近）接收器的传播时间，用弹性波的第一个正相波，幅度高于建立的门坎水平Un；2）2由发射器到第二（远）接收器的传播时间，用弹性波振动的第一个正波峰，幅度要高于建立的门坎水平Un；3）T弹性波在单位距离内的传播时差。4）1在固定时间窗内近接收器记录的第一个正相弹性波首波幅度；首波到达第一接收器的时间；5）2在固定时间窗内远接收器记录的第一个正相弹性波首波幅度；6）d1近接收器在固定时间窗内被记录的弹性波首波衰减率；7）d2远接收器在固定时间窗内被记录的弹性波首波衰减率；8）在固定时间室内的弹性波幅度衰减系数。根据上述方法计算得到弹性波的运动学参数（T1、T2、T）和动力学参数（d1、d2、），然后对照理论计算、模型井研究结果，确定解释标准。MAK-9M解释标准共分为四种：水泥石与套管和地层密实接触；水泥石与套管密实接触，而同地层接触不确定；水泥石与套管部分接触，而同地层接触不确定；水泥石与套管没有接触，而与地层接触不确定。用“接触”术语代替以前使用的胶结术语，可以反映一定密度和强度的水泥石与套管和地层的机械接触状态，以及水泥环中有没有立体类型的缺陷（或称水泥缺失）。（2）SGDT-100M伽马密度资料解释方法SGDT-100M伽马密度可以取得11条原始资料，它们分别是相对方位、自然伽马、套管壁厚计数率、8条水泥环密度计数率等曲线。根据所取资料，结合裸眼井井径、岩性密度，计算套管外环形空间介质体积密度、套管壁厚和套管偏心率。确定上述参数的方法，是解下列方程组： lgJi= 1,285 0,0615 h 0,423 s (1) lgJ= 0,44485 0,03832 h 0,0768 s 式中： Ji 、J以规定单位表示的代号长远距探测器的读数和短源距探测器的读数；hk套管壁厚，单位mm；s套管外环形空间密度，单位g/cm3。对每一个探测器的规定单位刻度值的确定，是以每分钟脉冲数为单位，其方法是用已知数值dc、hk、s、sn、的套管井模型，测量散射伽马射线的强度。最好用孔隙度接近零的致密灰岩地层进行这种作业，并且套管外空间完全充满密度为1.85g/cm3的波特兰水泥，套管相对井筒与轴同轴（0），hk8mm、dk=139.7mm或者146mm、dc=216mm。这种情况下代入上述井筒和地层参数到方程组（1），所确定的数值Ji和J等于一个规定单位。利用方程组（2），计算校正值Dsi和Dh，校正岩层密度变化范围由2.1g/cm3(岩盐、碳质灰岩)到2.72.8 g/cm3（致密碳酸盐岩类）。Ds = 0,51 + 0,03 (h-6,7) - 0,85+0,05(h-6,7) (s-2,1) (2) Dh = - (0,2+1,1(s+Ds-1) + 0,33+1,85(s+Ds-1)(s-2,1)式中：s为地层密度，单位g/cm3。套管的偏心度是指作为注水泥井段或没注水泥井段，套管轴偏离井筒轴的程度，利用如下表达式计算： 式中：Dsc = s. - smin，选自长源距8个探测器记录的数值； （i 长源距探测器的代号）；M=44.5，比例系数。的数值根据4050个深度采样间距（0.1米）的数值取平均值。在Ds0.4g/cm3条件下计算偏心度，在套管外水泥环中存在沿厚度局部缺陷的条件下Ds0.4g/cm3，不计算数值，而保留其前一个数值。在没有充分充满水泥的扩径部分（ Ds0.4g/cm3）条件下，不执行类似的计算。SGDT-100M数据的测量与解释方法归结为完成下列功能操作：在下套管井段，以数学形式用