超聲脈沖回波測井信號影響因素數值模擬

呂秀梅,李瑞豐,馮逾

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司,黑龍江大慶163153)

0 引 言

基于聲幅檢測的固井質量評價測井可以滿足常規固井質量評價需求,但由于周向分辨率最高為45°,測井顯示膠結良好的井段也可能出現竄槽現象;另外在測井過程中由于儀器偏心可能導致接收聲幅降低而造成固井質量評價結果偏樂觀,造成固井質量評價的誤判,在壓裂層段等對固井質量要求較高情況下評價結果還需要進一步精細。套管損傷檢測技術雖然可滿足生產需要[1],但是在套損治理中發現套管損壞常常與固井質量問題同時存在,而固井質量評價與套管損傷相互獨立,檢查實效性較差、成本高。井壁超聲脈沖回波測井技術利用超聲波的傳播特性和井壁對超聲波的反射特性檢測井身狀況[2]。井壁超聲脈沖回波測井在套管模式下利用超聲波的透射和諧振特性,對接收的超聲信號經過處理后,給出套管內徑、壁厚、I界面的膠結情況等,實現套管狀況和水泥狀況的同時檢測[3-4]。

本文借鑒姚貴錦等[5]研究的反射系數法套管-地層介質波阻抗反演方法,建立模型進行數值模擬,考察分析了聲源主頻,水泥特性,固井I、Ⅱ界面存在流體環等狀況對信號的影響,取得了一些新的認識,對資料分析和應用提供了可借鑒的基礎。

1 數值模擬模型和聲源參數

本文采用傳遞矩陣法數值模擬脈沖回波測井波形。套管井是典型的層狀介質,由于超聲檢測的頻率高、波長短,通常把套管超聲固井質量檢測問題簡化為平面多層介質超聲波的反射問題。考慮一般情形,假定多層介質為鉆井液、套管、流體、水泥、流體及地層6層介質組成(見圖1),對于第Ⅰ和Ⅱ界面完全膠結情況,只要將相應的流體層厚度取值為零即可。各層介質密度、縱波速度和厚度分別為ρi、vi和hi(i=1,2,…,6)。水泥參數不變,考察流體環和地層參數影響時,為模擬井下套管井實際情況,6層平面分層介質聲學和幾何參數見表1。聲源主頻為395 MHz,在考察其他參數變化時,套管壁厚設為7.72 mm。圖2給出了在圖1模型下模擬得到的超聲回波測井時域波形及其頻譜,由時域波形、頻譜以及由時域波列反演得到的聲阻抗和套管壁厚,證明模型及參數設置正確。

圖1 超聲波入射平面多層介質模型

介質特性鉆井液套管流體水泥流體地層密度/(g·cm-3)1.07.81.01.841.02.45速度/(m·s-1)150057001500330015003500厚度/mm295～110～1021～310～101000

圖2 超聲回波測量時域波形及其頻譜

圖3 不同套管壁厚數值模擬信號頻譜

不同套管壁厚共振透射頻率凹陷位置不同,由圖3給的由數值模擬結果所做頻譜可以看出,不同厚度套管共振透射頻率差別較大:壁厚為10.5、9.2、7.7 mm和5.5 mm套管的共振透射頻率分別在280、300、380 MHz和510 MHz附近。由數值模擬結果看,套管壁厚變化較大時,共振透射頻率的差別較大,由于目前使用的井壁超聲成像測井換能器的頻帶寬度較寬,一個換能器可以覆蓋幾種套管壁厚情況,但是對于特殊的薄壁管或者厚壁管,施工中要選擇不同的換能器進行測井,以得到滿意的測井資料。

2 井壁超聲信號影響因素分析

2.1 固井Ⅰ界面流體環對測井結果的影響

井壁超聲回波測井利用聲阻抗進行固井質量評價,當套管與地層間的水泥環膠結狀況不同時,接收回波和計算的聲阻抗就會有所不同。利用圖1模型,通過改變第3層介質水層厚度模擬固井Ⅰ界面(套管-水泥界面)存在流體環情況。數值模擬考察發現,當套管與水泥之間沒有完全膠結而存在流體環時,最大回波幅度會下降(見圖4)。流體環厚度為0代表完全膠結,此時最大幅度為0.81 mV,套管與水泥之間存在流體環,幅度就會下降,并且最大幅度不會隨著流體環厚度的增加而變化。Ⅰ界面存在流體環時,聲阻抗也會下降(見圖5)。無流體環時,密度為1.84 g/cm3,聲速3 300 m/s的水泥聲阻抗為6.85 MRayl(1)非法定計量單位,1 Rayl=0.1 Pa·s/m3,下同,存在流體環時,聲阻抗下降到2 MRayl左右(由于阻抗反演精度原因,阻抗值有波動)。由數值模擬數據得到的阻抗結果可以看出,只要Ⅰ界面存在流體環,測井得到的阻抗值就反映的是流體。

圖4 最大回波幅度隨Ⅰ界面流體環變化

圖5 聲阻抗隨Ⅰ界面流體環厚度變化

為考察Ⅰ界面存在流體環時對套管壁厚測井解釋結果的影響,進行了不同流體環條件下的共振透射譜分析。數值模擬及反演結果發現:Ⅰ界面膠結好、微環和膠結差情況下,共振透射窗位置不變,凹陷深度隨著流體環厚度略有變化,但不會影響共振透射頻率確定,不會影響套管壁厚解釋結果。

2.2 固井Ⅱ界面流體環對測井結果的影響

利用圖1模型,通過改變第5層介質厚度模擬Ⅱ界面(水泥-地層界面)存在流體環情況,數值模擬接收全波顯示,Ⅱ界面存在流體環對最大回波幅度及第一回波沒有影響,影響主要體現在后續回波出現位置及幅度(見圖6)。圖7給出的是Ⅱ界面流體環0～10 mm厚度時的最大回波幅度提取結果,由圖7也可以看出,最大回波幅度與流體的存在及流體環厚度無關,接收回波最大幅度只反映Ⅰ界面位置的膠結情況。

圖6 不同厚度Ⅱ界面流體環情況下接收回波

圖7 最大回波幅度隨Ⅱ界面流體環厚度變化

圖8 聲阻抗隨Ⅱ界面流體環厚度變化

利用接收回波反演聲阻抗結果見圖8。水泥與套管、地層完全膠結時,聲阻抗為6.85 MRayl,當出現1 mm流體環時,阻抗降到1.0 MRayl附近。流體環厚度增加以后,反演得到的聲阻抗略有變化。除流體環厚度為2 mm阻抗有偏離以外,其他厚度流體環時的聲阻抗都在1.0～2.5 MRayl,在固井質量評價中評價為膠結差。

與Ⅰ界面存在流體環數值模擬及反演結果綜合分析可知,不管是Ⅰ界面還是Ⅱ界面,只要存在未膠結情況,聲阻抗都能夠正確的反應出來。因此利用超聲回波測井進行固井質量評價能夠得到整個套管地層環形空間的綜合評價結果。

Ⅰ界面膠結良好狀態下考察了Ⅱ界面流體環對共振透射窗位置及凹陷深度影響(見圖9)。Ⅱ界面存在流體環時,共振透射凹陷較為復雜,隨流體環厚度增加,譜凹陷有所增加。因此在利用共振透射頻率確定套管壁厚時不能單純的給出一個最大凹陷位置,需要更復雜的技術來進行確定以給出準確的套管壁厚。數值模擬發現:無論Ⅰ界面、Ⅱ界面膠結狀態如何,反射信號頻譜均有明顯、可識別的凹陷,即Ⅰ界面、Ⅱ界面膠結狀態不影響套管壁厚反演。

圖9 回波頻譜隨Ⅱ界面流體環厚度變化

2.3 水泥環厚度對測井結果的影響

考察水泥環厚度對超聲回波的影響可以了解套管偏心是否會影響固井質量評價結果。在圖1模型中令第3層和第5層流體環厚度為0,即完全膠結情況下,改變第4層介質厚度模擬不同水泥環厚度情況。水泥環厚度從10 mm變化到18 mm數值模擬結果見圖10。由圖10可以看出,改變水泥環厚度對接收回波影響非常小,不同厚度水泥環情況下回波幾乎完全重合,由回波反演的聲阻抗也沒有變化。由考察結果看出,超聲脈沖回波測井結果不受水泥環厚度影響。

圖10 水泥環厚度對接收回波影響

2.4 地層參數變化對測井結果的影響

利用圖1所示模型,第3層和第5層厚度都設置為零,模擬完全膠結情況,考察不同地層聲速和阻抗對回波和反演水泥聲阻抗的影響。進行正演模擬發現超聲脈沖回波測井反射回波后半段幅度與地層縱波速度及聲阻抗存在定量關系。在固井質量良好且水泥參數不變的情況下,反射回波后半段幅度隨地層縱波速度的增大而增大(見圖11)。

圖11 超聲回波隨地層參數變化

圖12 地層聲阻抗與最大幅度關系

圖13 地層縱波速度與最大幅度關系

模擬不同地層聲阻抗和地層縱波速度情況下接收超聲回波85 μs以后回波幅度變化,分析發現85 μs后最大幅度隨著聲阻抗和縱波速度的增加而增加,存在指數關系。圖12、圖13給出了聲阻抗和地層縱波速度與后半段最大回波幅度的關系曲線及相應的擬合關系式。可以看出擬合曲線與實際數值模擬數據之間誤差很小,在最大幅度—聲阻抗擬合中,相關系數為0.999 89,誤差小于0.01%;在最大幅度—縱波速度擬合中,相關系數為0.999 68,誤差小于0.01%。因此根據回波測井得到的后半段的最大幅度就可以確定地層的聲阻抗和地層縱波速度。

在完全膠結情況下,通過對全波處理可以得到與地層相關的信息,油田注水開發以后,由于泥巖浸水會導致縱波速度變化,如果能夠在后續的超聲回波法固井質量評價中,在完全膠結井段對超聲回波進行全波分析,可以了解地層縱波速度變化,從而了解泥巖浸水等變化。

2.5 井內流體密度對測井結果的影響

超聲脈沖回波測井類固井質量評價技術采用的換能器聲源頻率均較高,為進一步明確井內流體對信號衰減影響,數值模擬了不同流體密度對接收信號影響。圖14給出了流體密度從1.0～1.7 g/cm3范圍內接收全波及最大幅度變化,由圖14可以看出,隨著流體密度增加幅度變化較大。由表2的幅度降低看出,當流體密度達到1.4時,信號最大幅度降低了27%,流體密度達到1.7時,信號幅度降低42%。由于流體密度增加使整個全波有明顯衰減,影響聲阻抗和共振透射譜的計算結果從而對解釋結果造成影響,因此超聲回波測井時井內流體密度不能過大。

圖14 井內流體密度對超聲信號影響

流體密度/(g·cm-3)1.01.051.11.151.21.31.41.51.61.7最大幅度/mV0.870.860.820.780.750.680.630.590.550.51幅度降低/%00.65.59.9142127323742

3 結 論

(1)利用6層介質模型可以模擬不同膠結情況下脈沖回波測井響應,模擬結果可用于指導超聲脈沖回波測井技術應用和資料解釋分析。

(2)影響因素考察結果表明:固井Ⅰ界面和Ⅱ界面存在流體、沒有完全膠結時,利用回波信號反演得到的水泥聲阻抗均顯示為流體聲阻抗,小于常規水泥固結時的固體聲阻抗。結果證明超聲脈沖回波測井不僅能檢測Ⅰ界面膠結狀態,而且反映整個環形空間的膠結狀態。

(3)在Ⅰ界面和Ⅱ界面膠結良好的狀況下,脈沖回波測井的回波后半段幅度與地層巖性有關。幅度隨著地層聲阻抗和縱波速度的增加呈指數增加,在提取有效信號的基礎上可以根據接收回波后半段幅度判斷聲速及力學參數變化。