固井質量評價技術發展及其對油田開發的影響

謝榮華,劉繼生,李曉偉

(大慶油田有限責任公司,黑龍江大慶163153)

0 引 言

油氣井在鉆井完成后需要在套管環空注入水泥進行固井,固井質量直接關系到油氣井壽命、產能和勘探開發的總體效益。固井質量達到要求,油氣勘探開發則時效高、效果好;固井質量差,則會導致層間流體竄通,開發成本大幅增加,甚至造成區域油水井套管損壞,給油田造成較大的經濟損失。因此,隨著油田精細開發的不斷深入,對固井質量及評價技術提出了更高要求[1-4]。近些年來,固井質量評價技術取得了長足發展,從早期的聲幅測井、聲波變密度測井發展到新型的扇區水泥膠結測井技術,檢測參數逐步增多,周向分辨能力逐步增強。有些油田目前仍在使用相對落后的聲波變密度測井技術,該技術只能檢測出大于72°的水泥環局部缺失[5],固井質量評價為好的井段有時會出現竄流現象。對固井質量的誤判會影響油田開發效果,嚴重時還會出現油頁巖浸水導致套管損壞。

本文對技術成熟度較高,現場大規模應用的聲波變密度、扇區水泥膠結、聲波伽馬密度測井3種技術進行了方法對比和檢測結果統計分析,提出了與油田精細開發、安全環保要求相適應的技術升級換代建議。

1 固井質量檢測技術的發展

圖1為各類固井質量檢測儀器示意圖。

圖1 各類固井質量檢測儀器示意圖

1.1 聲幅測井(CBL)

聲幅測井利用聲波在介質中的傳播特性,通過記錄套管波幅度進行套管-水泥界面(固井第Ⅰ界面)膠結質量進行評價。由于固結的水泥與套管的聲阻抗差別較小,固井質量較好的井段,套管與水泥環緊密固結,聲耦合較好,套管波能量通過水泥環向地層傳播而衰減較大,儀器接收探頭接收到的折射波幅就小。如果固井不好,套管與水泥膠結不好或管外沒有水泥,縫隙中的氣體或液體與套管的聲阻抗差別很大,聲耦合差,套管波能量不易通過界面轉移到管外介質中去,套管波能量衰減少,儀器接收探頭接收到的折射波幅度就大[6]。折射套管波幅度大小能夠反映水泥膠結情況。聲幅測井采用單發單收聲系,是20世紀60年代發展起來的固井質量檢測方法,能夠記錄套管波,可以快速直觀地評價第Ⅰ界面的膠結質量,但檢測參數比較單一。

1.2 聲波變密度測井(CBL/VDL)

聲波變密度測井在聲幅測井的基礎上增加了接收器,其聲系部分由1個發射器,2個接收器組成,發射器主頻為20 kHz,近接收器源距3 ft,遠接收器源距5 ft。利用3 ft套管波幅度,解釋固井第Ⅰ界面膠結狀態,首波幅度大,固井第Ⅰ界面膠結差;首波幅度小,第Ⅰ界面膠結好。在解釋時使用水泥膠結指數作為定量評價指標,現為油田常規的固井質量評價技術。在第Ⅰ界面膠結好時,利用5 ft全波列中的地層波,定性解釋固井第Ⅱ界面膠結狀態;地層波強,第Ⅱ界面膠結好;地層波弱,第Ⅱ界面膠結差。在第Ⅰ界面膠結不好時,由于套管波拖尾較長,影響到地層波,這時無法利用地層波判斷固井第Ⅱ界面[6]。聲波變密度測井測量值是井周360°平均響應,不具備周向分辨能力,無法檢測水泥環局部缺失。

1.3 扇區水泥膠結測井(SBT)

圖2 扇區水泥膠結測井在刻度井實驗結果

以聲波變密度測井為基礎,增加了1組源距為2 ft的扇區8發、8收傳感器,主頻100 kHz,周向上記錄8組套管波,分別解釋8個45°分區固井第Ⅰ界面膠結質量,描述套管外水泥分布均勻性。水泥膠結刻度井實驗結果表明,扇區水泥膠結測井可以識別大于等于45°的水泥環局部缺失(見圖2),使得固井水力封隔能力評價結果更加準確[7]。這項技術成熟,在大慶油田應用已經超過15年,累計測井2 690井次。圖3與圖4為同一口井同深度的聲幅測井與扇區水泥膠結測井曲線的對比,扇區水泥膠結測井相對聲幅測井能解釋第Ⅱ界面膠結和水泥局部缺失情況。圖5與圖6為同一口井同深度聲波變密度測井與扇區水泥膠結測井曲線的對比,扇區水泥膠結測井比聲波變密度測井多了8扇區變幅度圖,能解釋水泥局部缺失情況,圖6中可以看出明顯的縱向貫通竄流通道。

圖5 BB井聲波變密度測井圖 圖6 BB井扇區水泥膠結測井圖

1.4 聲波伽馬密度測井(MAK9 & SGDT100)

聲波伽馬密度測井是聲波變密度測井(MAK-9)與伽馬密度儀器(SGDT-100)的組合。測井儀中聲波測井儀器(MAK-9)通過聲波傳播時間、首波幅度、首波衰減以及全波列確定套管外的水泥膠結狀態;伽馬密度儀器(SGDT-100)通過記錄選擇水泥曲線、積分水泥曲線確定8分區水泥密度、套管厚度和套管相對于裸眼井井壁的偏心情況[8]。大慶油田引進這項技術并推廣應用已經超過15年,累計測井389井次,技術較為成熟,在特殊的疑難井診斷中發揮了關鍵作用。圖7為CC井聲波伽馬密度測井與聲波變密度測井對比情況,利用聲波測井儀與伽馬密度儀組合測井綜合分析固井質量,互補對方的缺點,可以給出固井第Ⅰ界面、第Ⅱ界面、水泥局部缺失和抗壓強度等參數,進而對固井形成的水力封隔系統的水力封隔能力(不同固井質量情況下的抗竄能力)給出評價[8-9],比聲波變密度測井評價結果更全面、精細。

(a)聲波伽馬密度測井圖 (b)聲波變密度測井圖

綜上所述,以上各項固井質量檢測技術中,聲幅測井用膠結指數IB解釋固井第Ⅰ界面,聲波變密度測井用膠結指數IB和地層波幅度解釋固井第Ⅰ界面,定性解釋固井第Ⅱ界面,扇區水泥膠結測井和聲波伽馬密度測井評價的參數比較多,能夠在解釋固井第Ⅰ界面和固井第Ⅱ界面的基礎上評價水泥局部缺失情況。

2 3種測井資料對比及統計分析

聲波變密度測井、扇區水泥膠結測井、聲波伽馬密度測井在大慶油田應用廣泛,對其固井質量評價情況進行對比分析。哈里伯頓公司的CAST-V井周聲波掃描成像測井,斯倫貝謝公司的CET超聲波水泥評價測井和IBC套后成像測井未大規模應用,未進行統計對比。

2.1 聲波變密度測井與扇區水泥膠結對比

分別用聲波變密度測井和扇區水泥膠結測井在同一時間、對同一批井進行檢測。根據水泥膠結指數的評價結果進行對比,統計時將膠結好的井段累加,除以總井段,得出每口井的優質率情況,并將所有井段累加進行綜合統計。由表1可見,2種測井方法共同檢測的4 454.9 m井段內,扇區水泥膠結測井發現了聲波變密度解釋為優質的井段有11.9%的存在大于45°的水泥局部缺失,這對油田精細開發、套損防控具有重要的意義。

2.2 聲波變密度測井與聲波伽馬密度對比

分別用聲波變密度測井和聲波伽馬密度測井同一時間對同一批井進行檢測,在共同檢測的6 548.5 m 井段內,聲波伽馬密度測井發現了聲波變密度測井解釋為優質的12.1%井段,存在大于45°的水泥局部缺失等竄流隱患,聲波伽馬密度測井能夠給出水泥環的水力封隔能力,在消除微環影響[10]、避免多解誤判等方面有明顯優勢。

表1 扇區水泥膠結測井和聲波變密度測井解釋統計表

2.3 固井質量現場實測資料統計分析

聲波變密度、扇區水泥膠結、聲波伽馬密度3種測井技術對比試驗共31口11 003 m井段,統計發現近1 320 m井段存在大于45°的水泥局部缺失,分扇區和伽馬密度測井評價固井質量比聲波變密度測井更精細、更嚴格。

表2 聲波變密度測井和聲波伽馬密度測井解釋統計表

對于油田精細開發來講,主要是在套管內進行管柱細分層,套管外的竄槽將直接影響精細開發效果,而對固井質量的誤判將導致開發決策的錯誤,也為油田套管損壞埋下隱患。因此,建議油田提升固井質量檢測水平,推廣應用扇區水泥膠結測井、聲波伽馬密度測井等更為精細的測井技術,即時發現油氣水井存在的竄流隱患,同時需要制定配套的技術標準,規定油水井至少應該檢測哪些固井質量參數及檢測應該達到的精度,為油田高效開發提供更精準的資料。

3 總結與建議

(1)固井質量評價技術沿著提高檢測的全面性、周向分辨能力發展,扇區水泥膠結測井、聲波伽馬密度測井可對固井第Ⅰ界面、第Ⅱ界面進行評價,可識別大于等于45°的水泥環局部缺失,評價固井質量精細全面,且技術已經成熟。

(2)為適應油田精細開發、套損防治以及安全環保要求,建議推廣使用扇區水泥膠結測井、聲波伽馬密度測井等具有分區能力的技術,配套相應的標準,更好地服務于油田高效、精準開發。