環空間隙與固井質量關系檢測方法與試驗評價研究

王雷

(中國海油伊拉克有限公司，北京 100010)

許明標

(非常規油氣湖北省協同創新中心(長江大學)，湖北 武漢 434000)

武治強

(中海石油(中國)有限公司北京研究中心，北京 100010)

林楓，楊培龍

(中國海油伊拉克有限公司，北京 100010)

王曉亮

(非常規油氣湖北省協同創新中心(長江大學)，湖北 武漢 434000)

環空間隙與固井質量關系檢測方法與試驗評價研究

王雷

(中國海油伊拉克有限公司，北京 100010)

許明標

(非常規油氣湖北省協同創新中心(長江大學)，湖北 武漢 434000)

武治強

(中海石油(中國)有限公司北京研究中心，北京 100010)

林楓，楊培龍

(中國海油伊拉克有限公司，北京 100010)

王曉亮

(非常規油氣湖北省協同創新中心(長江大學)，湖北 武漢 434000)

[摘要]環空間隙的存在會影響固井質量的評價結果。因此，研究環空間隙對聲幅測井的影響規律是非常有必要的。用質量分數為9%的膨潤土漿涂抹套管外壁，膨潤土漿厚度從薄到厚共10個等級，建立了含有不同尺寸的環空間隙套管井模型。根據聲幅測井原理對其用水泥漿固井后進行模擬聲幅測井試驗，分析各模型套管波幅值與環空間隙厚度關系。實驗室條件下測得的套管波幅值與現場聲幅測井得到的相對幅度為線性關系，通過相對幅度計算套管波幅值，估算環空間隙的厚度，達到對某井段環空間隙厚度預測的目的。

[關鍵詞]環空間隙；聲幅測井；固井質量；套管波幅值；相對幅度

固井是鉆完井作業過程中一個很重要的環節，是隔油氣水層、建立油氣流出通道、防止產層間互竄的主要手段，因此，檢測固井質量的優劣對于油氣田勘探開發的效益和油氣田開發產能的建設具有十分重要的意義。固井質量檢測主要是對水泥環膠結質量的檢查，即檢查套管與水泥環(第一界面)、水泥環與地層(第二界面)的膠結情況。當前聲幅測井是評價固井質量的主要方法之一，其主要原理是聲源發出的聲波在井內各個方向傳播，當聲波傳播到2種介質的交界面時，由于2種介質密度的不同會發生聲波的反射和折射；反射波和折射波的能量取決于界面處2種介質的聲阻抗，若管外水泥環膠結好，則其密度大，聲速高，波阻抗高，與套管波阻抗差別變小，反射系數小，聲幅很低；反之，若水泥膠結不好，混有泥漿或空氣，反射系數增大，聲幅變高。在固井過程中，由于井下環空封固系統組成部分存在差異、各組分之間性質、溫度、壓力以及外界環境條件發生變化，會在套管與水泥環之間(即第一界面)形成微小的環空間隙，這種環空間隙的存在會嚴重影響固井質量評價的準確性，其在聲波測井曲線上的響應與竄槽類似，會對固井質量造成誤判，因此需要研究環空間隙對聲幅測井的影響規律，以消除環空間隙對固井質量評價的影響。為了準確地得到環空間隙大小對固井質量檢測結果的影響，筆者分別建立了膠結良好時和存在不同尺寸環空間隙的介質模型，并對幾種不同條件下的固井質量進行模擬聲幅檢測，得到了不同候凝時間下，聲幅測井曲線幅度關于環空間隙尺寸的變化關系曲線，通過曲線可以很清楚觀察到固井質量的好壞，而且該關系曲線對于現場施工作業也有很大的指導意義。

1實驗室設備及模型的建立

1.1實驗室設備

1)CTS-8077PR型脈沖發生接收儀。該儀器符合歐標(EN12668—2000)探頭測試系統要求，具有極低噪聲和寬頻帶的接收放大器，并由高性能方波脈沖發生器和高壓電路組成先進的發射電路。與數字示波器可組成對超聲探頭聲學特性的評價和性能指標的測試。

3)高速瞬態信號采集儀。對接收信號進行模-數轉換，將接收信號變為數值量。

4)臺式計算機或筆記本。網線連接到高速瞬態信號采集儀，利用高速瞬態信號采集儀專用軟件通過網線對接收信號進行采集。

5)用一發一收聲波探頭模擬實際聲幅測井，探頭頻率為18kHz左右，與實際生產用的探頭(20kHz)接近。

1.2模型的建立

1)模擬環空間隙由于環空間隙的尺寸較小，且多為液體填充。試驗中，采用涂抹膨潤土漿的方法來控制模擬的環空間隙的尺寸。膨潤土漿的膨潤土質量分數為9%，并將其均勻涂抹于套管外表面上。膨潤土漿厚度從薄到厚共10個等級，最薄為0.1mm，最厚為4mm。為了便于對比，還建立了自由套管模型(套管直接置于模擬地層中，不用水泥漿進行固井處理)和水泥完全膠結模型(套管置于模擬地層后直接用水泥漿進行固井處理，該套管沒有用膨潤土漿模擬環空間隙)。

2)模擬井筒套管采用內徑為121.44mm的實際套管。將套管置于模擬地層中，模擬地層的規格為：高度1200mm，外徑500mm，內徑215.9mm，底部封閉。將水泥注入模擬地層與套管之間的環空中，并將模擬地層置于水中養護。水泥漿采用現場實際使用的固井水泥體系。

3)模擬聲幅測井自注水泥起養護12、24、48、96、120h后，將聲波探頭垂直放置于充滿水的套管內。

2聲幅測井的基本原理

圖1　聲幅測井原理示意圖

圖1是聲幅測井原理示意圖，接收器依次得到的波為：套管波、地層波、水泥環波和泥漿波。根據現有的高溫高壓固井質量評價裝置的釜體尺寸，可選用一發一收聲系進行測量，發射探頭到接收探頭之間的距離，根據費爾馬最小原理，套管波最先到達接收探頭所滿足的條件為：

經過手術治療結合圍手術期護理干預,12例重復腎盂輸尿管畸形及輸尿管異位開口患者均取得滿意的手術治療效果,患者皮膚無破潰、無壓瘡發生;營養缺乏狀況均有所改善;患者術后留置各種引流管期間基本生活得到滿足;未發生泌尿系感染;患者對護理的滿意度達91.7%(11/12)。

式中：L為發射探頭到接收探頭之間的距離，m；a為探頭外壁到套管內壁間的距離，m；vt和vf分別為套管內和流體內的聲波傳播速度，m/s。

套管內徑121.4mm，探頭外徑60mm，vt=5500m/s，vf=1450m/s，計算可得到L的取值范圍是L>0.079m。為了便于估算套管波的到達時間，取L=0.3m。

根據幾何聲學，可估算聲波傳播路徑、套管波及直達波到達時間。內層套管波從發射探頭傳播至接收探頭的時間Tti：

式中：di為內層套管內徑，取值為121.4mm。計算得Tti=136μs。

外層套管波從發射探頭傳播到接收探頭的時間Tto：

式中：do為外層套管內徑，mm；vc為水泥內聲波傳播速度，取值2822m/s。計算的Tto=190μs。

直達波到達的時間為:

計算得直達波的到達時間為207μs。

由以上計算結果可知，套管波的到達時間在136～190μs之間，根據這一時間段內聲幅幅值的大小就可以檢測套管與水泥環的膠結情況。

3套管聲幅測量

為了便于對比，室內分別對10個尺寸等級的環空間隙固井進行了模擬聲幅測井，同樣在注水泥后養護12、24、48、96、120h這5個時間點各采集4組聲幅曲線，并將各模型養護96h后測得的曲線如圖2(a)～(l)所示，依次為自由套管、4.0、3.0、2.0、1.5、1.0、0.8、0.6、0.4、0.2、0.1mm和完全膠結的套管井模型。圖2中的左端標記點表示聲波的發射點(T=0μs)，垂直標記線表示套管波到達接收探頭的時間(T=188μs)。先對自由套管進行模擬聲幅測井，得到的結果如圖2(a)所示，波形在188μs處有明顯振幅，振幅幅度達199.2mV。同時，對水泥環完全膠結的套管井模型，即水泥環與套管間不存在環空間隙的套管井模型進行了模擬聲幅測井，得到的結果如圖2(l)所示，該曲線中波形在188μs的振幅為50.7mV，明顯低于自由套管的振幅。從圖2(a)～(l)中可以明顯看出：環空間隙尺寸越小，套管波的波幅也越小。

圖2　候凝96h后各種間隙固井聲幅測井曲線

筆者將各套管井模型的模擬聲幅測井采集數據在表1中總結出來，并根據測得的數據繪制出套管波波幅大小與環空間隙厚度的關系圖(圖3)。對表1做橫向分析可以得出，隨著時間的推移，96h之前套管波的幅值在趨勢上是逐漸變小的，96h與120h測得的幅值幾乎沒有差別，說明水泥在96h后已經完全凝固。對表1做縱向分析可以得出環空間隙的尺寸越大，測得的套管波幅值也就越大，也就是說水泥環與套管外壁(第一界面)的膠結質量越差。以上試驗結果均符合聲幅測井的基本原理。通過分析圖3中的曲線也可以得出套管波幅值隨環空間隙尺寸增大而增大的規律，其中在96h和120h測得的關系曲線基本重合，說明兩個時間點各套管井模型中的一界面膠結質量基本上是相同的，即96h后套管波的聲幅值趨于穩定。

表1　各套管井模型的模擬聲幅測井曲線在T=188μs的聲幅幅值

為了較為準確地得到套管波幅值與環空間隙厚度之間的關系，對水泥完全膠結后測得的數據作線性回歸分析，如圖3所示，根據擬合方程，通過試驗測得的套管波幅值估算環空間隙的大小。例如通過試驗測得某套管井模型的套管波幅值為72.5mV，將該測量值代入上述擬合方程中，可得環空間隙厚度為0.22mm。

圖3　各時間點套管波幅值與環空間隙厚度的關系曲線

由于實驗室條件與現場條件存在差異，該擬合方程不能直接用來解釋現場的測井數據，因此考慮使用一個轉換函數，即將實驗室測得的數據轉換為現場可用來參考的數據。考慮2種特殊情況：自由套管模型和水泥完全膠結套管井模型。通過試驗測得2種模型的套管波幅值分別為199.2、50.7mV。而在現場主要通過測井曲線中的相對幅度判斷固井質量的好壞，相對幅度為5%視為完全膠結，5%～20%視為膠結良好，20%～40%視為膠結一般，40%以上視為水泥膠結差，而100%視為自由套管。因此為了便于計算，相對幅度為5%和100%套管波的幅值取值為200mV和50mV。不妨假設2種參數的對應關系為線性關系，則關系曲線如圖4所示，利用該擬合關系，根據現場測井數據中的相對幅度計算實驗室條件下對應的套管波聲幅值，再通過擬合方程估算環空間隙的厚度。當相對幅度為20%時，計算套管波聲幅為73.7mV，可以得出當套管波聲幅小于73.7mV時，固井質量優秀，通過擬合方程估算出該情況下環空間隙的厚度為0.24mm。

表2列出了相對幅度為11%～26%時，實驗室測得對應的套管波聲幅與環空間隙厚度，在現場可以通過測井曲線得出相對幅度，通過查閱該表從而對某井段的環空間隙厚度做出預測。

圖4　實驗室測得的套管波聲幅與相對幅度的關系

相對幅度/%套管波聲幅/mV環空間隙厚度/mm1159.50.0031261.10.0331362.60.0591464.20.0871565.80.1141667.40.1411768.90.1661870.50.1911972.10.2172073.70.2422175.30.2682276.80.2912378.40.3172480.00.3422581.60.3682683.10.393

4結論

1)采用簡化的井筒模型，先用質量分數為9%的膨潤土反復涂抹套管外壁以控制環空間隙的尺寸，然后將套管置于模擬地層中并將水泥注入地層與套管外壁的環空中，實現了對環空間隙的試驗模擬。

2)根據聲幅測井原理可知接收器接收到的波分為套管波、地層波、水泥環波和泥漿波。根據費爾馬最小原理和幾何聲學可以估算出接收器接收到套管波的時間在136～190μm之間，因此通過讀取波形在這一時間段內的幅值就可以判斷水泥環與套管外壁(界面)的膠結情況。

3)分析實驗室條件下套管波幅值與環空間隙的函數關系，建立了套管波幅值與相對幅度之間的函數，可以有效預測環空間隙的厚度。

本文屬中海石油(中國)有限公司北京研究中心基金項目《固井屏障完整性評價研究》(CCL2015RCPS0137RSN)產出論文。

[參考文獻]

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[編輯]帥群

[收稿日期]2016-03-01

[作者簡介]王雷(1981-)，男，工程師，現從事油氣田鉆井技術工作，wanglei@cnoociraq.com。

[中圖分類號]TE256.1

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)20-0045-05

[引著格式]王雷，許明標，武治強，等.環空間隙與固井質量關系檢測方法與試驗評價研究[J].長江大學學報(自科版), 2016,13(20):45～49.