固井水泥膠結(jié)聲波測(cè)井聲學(xué)機(jī)理探討

摘 要

摘要：當(dāng)固井質(zhì)量測(cè)井解釋結(jié)果與實(shí)際情況不一致時(shí)，常引起油氣田施工單位與設(shè)計(jì)部門的較多爭(zhēng)議。針對(duì)這一問(wèn)題，利用聲波在兩介質(zhì)分界面上的能量分配及聲耦合理論，建立了界面膠結(jié)模
摘要：當(dāng)固井質(zhì)量測(cè)井解釋結(jié)果與實(shí)際情況不一致時(shí)，常引起油氣田施工單位與設(shè)計(jì)部門的較多爭(zhēng)議。針對(duì)這一問(wèn)題，利用聲波在兩介質(zhì)分界面上的能量分配及聲耦合理論，建立了界面膠結(jié)模型，對(duì)目前固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了聲學(xué)機(jī)理研究。結(jié)果表明：水泥環(huán)的聲阻抗值與水泥膠結(jié)測(cè)井聲波值成反比；聲波變密度測(cè)井圖上，地層波能量強(qiáng)弱與固井質(zhì)量的關(guān)系必須結(jié)合地層巖性及其聲阻抗來(lái)解釋分析，例如當(dāng)?shù)貙訋r性為泥巖或石灰?guī)r時(shí)，地層波強(qiáng)有可能表示的是第二界面膠結(jié)質(zhì)量差。該方法為固井質(zhì)量的精細(xì)評(píng)價(jià)提供了理論參考。
關(guān)鍵詞：固井；界面膠結(jié)模型；測(cè)井；聲阻抗；聲耦合；聲學(xué)機(jī)理
    客觀、真實(shí)、合理地反映井下固井質(zhì)量是后續(xù)完井、增產(chǎn)等工程措施設(shè)計(jì)和順利實(shí)施的保證。隨著固井面臨問(wèn)題的復(fù)雜化，新型固井混合材質(zhì)層出不窮，導(dǎo)致固井水泥膠結(jié)聲波測(cè)井結(jié)果各異，加上固井水泥膠結(jié)聲波測(cè)井解釋結(jié)果有時(shí)與實(shí)際固井質(zhì)量不一致，引起油氣田施工與設(shè)計(jì)部門的較多爭(zhēng)議。
    目前國(guó)內(nèi)各大油氣田均參照固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法(SY/T 6592—2004)評(píng)價(jià)油氣井固井質(zhì)量：CBL(水泥膠結(jié)聲波測(cè)井)曲線幅度值越低，則第一界面(套管-水泥環(huán))固井質(zhì)量越好；VDL(變密度測(cè)井)圖上地層波能量顯示越強(qiáng)，則第二界面(水泥環(huán)地層)固井質(zhì)量越好[1]。
    固井水泥膠結(jié)聲波測(cè)井的理論基礎(chǔ)是聲學(xué)原理。石一提出CBL首波組成是第一界面的反射波[2]。筆者針對(duì)目前固井質(zhì)量評(píng)價(jià)中存在的諸多問(wèn)題，利用兩介質(zhì)分界面上聲波能量的分配及聲耦合理論，對(duì)SY/T 6592—2004中CBL/VDL解釋標(biāo)準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了機(jī)理研究，并建立了界面膠結(jié)模型，為固井質(zhì)量的精細(xì)評(píng)價(jià)撼洪了理論參考。
1 界面膠結(jié)模型
    下面分第一界面與第二界面膠結(jié)質(zhì)量均較好、第一界面固井質(zhì)量不好、第二界面膠結(jié)質(zhì)量較差3種情況進(jìn)行直觀模型分析。

如圖1所示，當(dāng)?shù)谝唤缑媾c第二界面固井質(zhì)量良好，說(shuō)明固井水泥環(huán)與套管、地層“緊密接觸”，套管與水泥，水泥與地層之間均無(wú)竄槽，從聲學(xué)意義上理解，套管與水泥、水泥與地層之間均無(wú)第三介質(zhì)的存在(聲波穿過(guò)套管直接進(jìn)入水泥環(huán)，穿過(guò)水泥環(huán)直接進(jìn)入地層)。由聲波在兩介質(zhì)分界面上各聲學(xué)參數(shù)定義，可以得到固井第一界面膠結(jié)好時(shí)的參數(shù)如下：
 
    引用基礎(chǔ)聲學(xué)理論分析可知[2～4]：從式(1)與式(3)可見(jiàn)：因鋼的密度與聲速均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)水泥環(huán)密度與聲速。因此，套管聲阻抗(Z1)恒大于水泥環(huán)聲阻抗(Z2)，R為負(fù)值。當(dāng)水泥環(huán)聲阻抗越大，越接近套管聲阻抗時(shí)，R→0，D→1，此時(shí)，聲波將會(huì)更多地從套管透射入水泥環(huán)，即此時(shí)CBL測(cè)井聲波值會(huì)更低；從式(2)和式(4)可見(jiàn)：當(dāng)水泥環(huán)聲阻抗值越大，越接近套管聲阻抗值時(shí)，σ→0，β→1，聲波能量將會(huì)更多地從套管透射入水泥環(huán)，CBL聲幅值更低。從以上描述可知，針對(duì)第一界面，當(dāng)水泥環(huán)聲阻抗值越大；CBL聲幅值越低，在這個(gè)意義上，水泥環(huán)聲阻抗與CBL聲幅值成反比。
    VDL測(cè)井時(shí)，聲波必須經(jīng)由第一界面?zhèn)鞯降诙缑?，因而?duì)第一界面固井質(zhì)量準(zhǔn)確、合理、客觀地評(píng)價(jià)是進(jìn)行第二界面固井質(zhì)量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，對(duì)CBL曲線進(jìn)行綜合解釋非常關(guān)鍵。
    同理可得第二界面膠結(jié)好時(shí)各參數(shù)公式：
   

    如圖2所示，當(dāng)?shù)谝唤缑婺z結(jié)不好時(shí)，即套管與水泥環(huán)并未“緊密接觸”，在套管與水泥環(huán)之間存在另外一個(gè)介質(zhì)(第三介質(zhì))，聲波水泥膠結(jié)測(cè)井時(shí)，測(cè)得的CBL幅度曲線反映的是套管與第三介質(zhì)界面的能量分配關(guān)系。當(dāng)?shù)谝唤缑婺z結(jié)不好：油、氣、水竄時(shí)，第三介質(zhì)反映為油、氣、水；當(dāng)套管與水泥環(huán)間存在鉆井液、隔離液或?yàn)V餅等時(shí)，第三介質(zhì)則反映為鉆井液、隔離液或?yàn)V餅等固液混漿。第一界面竄槽或膠結(jié)不好時(shí)，套管與水泥之間存在一個(gè)氣體或凼液混漿帶，其聲阻抗為Z4。此時(shí)，式(1)～(4)中的Z2變成Z4。即：
   
    如圖3所示，當(dāng)?shù)诙缑婺z結(jié)質(zhì)量較差時(shí)，與前面對(duì)第一界面膠結(jié)不好的分析類似，水泥環(huán)與地層之間存在第三介質(zhì)，第三介質(zhì)一般反映為氣體、液體或固液混漿。
  

    第二界面竄槽或膠結(jié)不好時(shí)，水泥環(huán)與地層之間存在一個(gè)氣體或固液混漿帶，其聲阻抗為Z5。此時(shí)，式(5)～(8)中的Z3變成Z5。即：
   
    如圖1～3所示，套管、水泥環(huán)、地層及第一界面竄槽帶或膠結(jié)不好帶、第二界面竄槽帶或膠結(jié)不好帶的聲阻抗值分別為Z1、Z2、Z3、Z4、Z5。竄槽帶或膠結(jié)不好的區(qū)域一般為氣體、液體或固液混漿帶。表1。是常見(jiàn)物質(zhì)的聲學(xué)參數(shù)[5]，從表1中可知：Z1＞(Z3、Z2)＞(Z4、Z5)。套管聲阻抗最大，水泥環(huán)與地層其次，聲阻抗值最小的是竄槽帶，即第三介質(zhì)。而水泥環(huán)與地層的聲阻抗值大小關(guān)系是隨著地層巖性的變化而變化的。
表1 常見(jiàn)物質(zhì)(固井時(shí)井下介質(zhì))的聲學(xué)參數(shù)表
物質(zhì)
密度(g/cm3)
聲速(103/m/s)
聲阻抗[106kg/(m2·s)]
空氣
0.0013～0.13
0.330
0.0004～0.04
淡水/鹽水
1.00
1.500
1.50
鉆井液
1～2.00
1.3～1.800
1.5～3.00
水泥漿
1～2.00
1.5～1.800
1.8～3.00
水泥/G級(jí)
1.90
2.7～3.700
5.0～7.00
泥巖
2.55
1.83～3.962
4.7～10.10
砂巖
2.65
5.500
14.60
石灰?guī)r
2.71
6.4～7.000
12～16.60
鋼
7.89
5.900
46.00
2 第一界面解釋標(biāo)準(zhǔn)的理論分析
第一界面膠結(jié)好時(shí)的反射能量與膠結(jié)不好時(shí)的反射能量的差值為：
 
第一界面膠結(jié)好時(shí)的透射能量與膠結(jié)不好時(shí)的透射能量的差值為：
 
    由于Z1＞Z2＞Z4，因此σ-σ1＜0而β-β1＞0，即第一界面膠結(jié)好時(shí)，反射能量比膠結(jié)不好時(shí)的反射能量要小，透射能量比膠結(jié)不好時(shí)的透射能量要大。換言之，膠結(jié)好時(shí)，能量大部分進(jìn)入水泥環(huán)，較少折回到聲波接收器。套管外壁與水泥膠結(jié)越好，聲波能量從套管越過(guò)界面向水泥傳遞時(shí)，套管波能量越??；反之套管中的聲波能量就越大；若沒(méi)有水泥，套管中的聲波能量就可達(dá)到最大值。在膠結(jié)完好的井段，呈現(xiàn)聲波幅值很低的平滑曲線，膠結(jié)較差的井段會(huì)出現(xiàn)較大的異常。聲波幅度測(cè)井(CBL)測(cè)量的是沿套管傳播的滑行波的首波幅度值(其與能量成正比)。套管波首波幅度的大小取決于套管與水泥環(huán)之間有無(wú)第三介質(zhì)及第三介質(zhì)的聲阻抗大小。
    當(dāng)?shù)谌橘|(zhì)為氣體時(shí)，由于其聲阻抗與套管聲阻抗相差太大，而使得返回的能量比第三介質(zhì)為油、水、鉆井液時(shí)返回的能量要大得多。這就是為什么在微環(huán)隙為氣體充滿時(shí)現(xiàn)場(chǎng)解釋尤其困難的原因。
3 第二界面解釋標(biāo)準(zhǔn)的理論分析
    第二界面膠結(jié)好時(shí)的反射能量與膠結(jié)不好時(shí)的反射能量的差值為：
   
    第二界面膠結(jié)好時(shí)的透射能量與膠結(jié)不好時(shí)的透射能量的差值為：
   
    由Z1＞(Z3、Z2)＞(Z4、Z5)，推導(dǎo)不出兩個(gè)差值的正負(fù)號(hào)，筆者引入聲耦合率理論來(lái)探討第二界面的解釋標(biāo)準(zhǔn)。
聲耦合率公式定義為：
 
    實(shí)踐證明M越接近于1(即兩種介質(zhì)聲阻抗值越接近)，聲波越容易由入射介質(zhì)傳入透射介質(zhì)，入射介質(zhì)中聲波能量就越小，反之入射介質(zhì)中聲波能量就越大。為討論方便，筆者引入耦合度(Y)的概念，將入射介質(zhì)與透射介質(zhì)的聲阻抗差的絕對(duì)值定義為耦合度：
    Y=|Z入射介質(zhì)-Z透射介質(zhì)|    (22)
    即Y越小，兩個(gè)介質(zhì)的耦合度越好，聲波能量越容易由入射介質(zhì)傳入透射介質(zhì)，回到入射介質(zhì)中的能量就越小。
第二界面膠結(jié)較好時(shí)，水泥環(huán)與地層之間的聲耦合率為：
 
第二界面膠結(jié)不好時(shí)，水泥環(huán)與地層之間的聲耦合率為：
 
    由Z1＞(Z3、Z2) ＞(Z4、Z5)，可得出M2＞1。對(duì)應(yīng)M1、M2耦合度分別為：
    Y1=|Z2-Z3|    (25)
    Y2=|Z2-Z5|    (26)
    由表1數(shù)據(jù)可知：①當(dāng)水泥環(huán)與地層間存在第三種介質(zhì)(第二界面膠結(jié)不好時(shí))，且這種介質(zhì)為氣體時(shí)，Z5的值為0.0004×106～0.04×106kg/(m2·s)；當(dāng)這種介質(zhì)為固液混漿時(shí)，Z5的值為1.5×106～3×106kg/(m2·s)；②水泥環(huán)的聲阻抗值(Z2)為1.8×106～7×106kg/(m2·s)；③當(dāng)?shù)貙訋r性為泥巖時(shí)，地層聲阻抗值(Z3)為4.7×106～10.1×106kg/(m2·s)；當(dāng)?shù)貙訋r性為砂巖時(shí)，地層聲阻抗值為14.6×106kg/(m2·s)；當(dāng)?shù)貙訋r性為石灰?guī)r時(shí)，地層聲阻抗值為12×106～16.6×106kg/(m2·s)。下面分情況對(duì)耦合度Y1與Y2進(jìn)行分析。
3.1 當(dāng)?shù)貙訋r性為泥巖時(shí)
   Y1的值為0～8.3×106kg/(m2·s)，第二界面膠結(jié)狀況差時(shí)：①竄槽帶為氣體時(shí)，Y2值為1.76×106～6.9996×106kg/(m2·s)；②竄槽帶為固液混漿時(shí)，Y2值為0～5.5×106kg/(m2·s)。從Y1與Y2的值的比較可以看出，這兩個(gè)值大小關(guān)系并不明了。下面分3種情況進(jìn)行討論。當(dāng)Y1=Y2時(shí)，水泥環(huán)與地層間存在的第三介質(zhì)無(wú)論是氣體還是固液混漿帶，或者水泥環(huán)與地層間膠結(jié)很好的情況下，其在VDL圖像上地層波的強(qiáng)弱顯示是相同的；當(dāng)Y1＞Y2時(shí)，也即與地層的聲阻抗相比，水泥環(huán)的聲阻抗更接近于第三介質(zhì)的聲阻抗值，此時(shí)，水泥環(huán)與地層間膠結(jié)較好時(shí)，VDL圖像上返回的地層波能量會(huì)比膠結(jié)不好時(shí)返回的能量要強(qiáng)；當(dāng)Y1＜Y2時(shí)，即與第三介質(zhì)的聲阻抗值相比，水泥環(huán)的聲阻抗更接近于地層的聲阻抗值，此時(shí)，水泥環(huán)與地層間膠結(jié)較好時(shí)，VDL圖像上顯示的返回波能量會(huì)比膠結(jié)不好時(shí)返回的能量要弱，這樣常常造成VDL圖像解釋的誤判。即膠結(jié)不好時(shí)，返回的地層波能量強(qiáng)，而膠結(jié)好時(shí)返回地層波的能量要弱，這與VDL圖像解釋的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)正好相反。
3.2 當(dāng)?shù)貙訋r性為砂巖時(shí)
    Y1的值為7.6×106～12.8×106kg/(m2·s)，第二界面膠結(jié)差時(shí)：①竄槽帶為氣體時(shí)，y：的值為1.76×106～6.9996×106kg/(m2·s)；②竄槽帶為固液混漿時(shí)，Y2的值為0～5.5×106kg/(m2·s)。從上面兩種情況可以看出，當(dāng)?shù)貙訋r性為砂巖時(shí)，Y1是恒大于Y2的，即水泥環(huán)與地層間膠結(jié)較好時(shí)，VDL圖像上返回的地層波能量會(huì)比膠結(jié)不好時(shí)返回的能量要強(qiáng)。
3.3 當(dāng)?shù)貙訋r性為石灰?guī)r時(shí)
    Y1值為5×106～11.6×106kg/(m2·s)，第二界面膠結(jié)差時(shí)：①竄槽帶為氣體時(shí)，Y2值為1.76×106～6.9996×106kg/(m2·s)；②竄槽帶為固液混漿時(shí)，Y2值為0～5.5×106kg/(m2·s)。當(dāng)?shù)貙訋r性為石灰?guī)r時(shí)，可以看出，Y1基本上是大于Y2的，但兩者在小范圍內(nèi)還是有可能相等甚至Y1＜Y2。對(duì)兩個(gè)值大小的分析可以參考地層巖性為泥巖時(shí)的分析方法。值得一提的是，當(dāng)井深一定時(shí)，石灰?guī)r由于受到高溫高壓或壓實(shí)作用的影響，其聲阻抗值是偏大的。在地層巖性為石灰?guī)r時(shí)，對(duì)VDL的解釋標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該還是依照現(xiàn)有解釋標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行，即地層波較強(qiáng)時(shí)，第二界面的膠結(jié)狀況較好。
    通過(guò)以上分析可知：掌握井下不同壓力、不同溫度、不同巖性的地層的聲學(xué)特性對(duì)固井第二界面膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)是至關(guān)重要的。
4 結(jié)論
    1) 對(duì)第一界面固井質(zhì)量準(zhǔn)確、合理、客觀地評(píng)價(jià)是進(jìn)行第二界面固井質(zhì)量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。
    2) 水泥環(huán)聲阻抗是影響固井質(zhì)量評(píng)價(jià)的本質(zhì)因素之一，其與CBL幅度值成反比。
    3) 對(duì)第二界面的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)依賴于水泥環(huán)聲阻抗與地層巖性聲阻抗的相對(duì)大小。當(dāng)?shù)貙訋r性為泥巖或石灰?guī)r時(shí)，地層波強(qiáng)有可能表示的是膠結(jié)差。
參考文獻(xiàn)
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[5] 劉向君，劉堂晏，劉詩(shī)瓊.測(cè)井原理及工程應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006.
 
(本文作者：鄭友志1 馬發(fā)明1 陳敬鵬2 羅詠楓3 劉洪4 李丁5 汪瑤6 唐詩(shī)國(guó)1 郭小陽(yáng)6 1.中國(guó)石油西南油氣田公司采氣工程研究院；2.中國(guó)石化石油工程西南公司測(cè)井分公司；3.仁智實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司；4.重慶科技學(xué)院石油工程學(xué)院5.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司川慶鉆探工程公司；6.西南石油大學(xué))