油井水泥膠結測井微環識別與檢測方法
2023-09-14 12:59:50
專利名稱：：油井水泥膠結測井微環識別與檢測方法
技術領域：
：本發明屬於石油勘探、開採
技術領域：
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背景技術：
：測井是石油勘探與開發過程中的一個重要技術步驟，主要是指在油井內放入儀器，通過物理手段對井周地層進行探測。按目的可分為兩大類方法，探井測井和工程測井。探井測井是在裸井眼中進行，主要的目的是尋找油氣資源，確定產油層(儲層)位置、參數和預測儲量與產量。工程測井是對下了套管井後的生產井進行檢測，其中固井質量檢測是其中一項重要工作。管套井固井質量的好壞對石油穩產、高產和採收率有著重要影響。特別是對我國大部分採用早期注水井開發方式的油田更為重要，這一油藏工程問題對石油生產具有重要影響。聲波測井是檢測套管井工程質量的一種重要的測井方法，主要是通過井內聲源激發瞬態聲脈衝，受井周環境和地層影響後在井內被連續紀錄，通過記錄結果主要對井周幾何界面的狀態及固井質量進行判斷，也可對井外地層進行探測。其理論基礎是柱狀多層介質中彈性波的激發與傳播。管套井中聲波測井是研究聲波在充滿液體的柱狀分層介質內激發與傳播規律的典型問題，將聲波測井資料用於評價水泥膠結質量好壞的方法一直受到普遍重視，已經發展了多種方法。工程測井中把水泥與鋼套管的膠結面稱為第一界面，水泥與地層的膠結面稱為第二界面，而微環是指鋼套管和水泥之間存在極小的環行空間，一般厚度在0.Imm的狀態未膠結。產生微環的因素主要有熱致微環、工程致微環和次生微環三種，其存在不影響生產層間的水力密封，而竄槽是指水泥沒有完全填充而不能實現液封的情況，所以從工程上還是有必要將二者區分開來。檢測固井質量最常用的是聲幅-變密度(CBL-VDL)測井方法，其中對第一界面膠結質量的檢測比較成功，已是常規檢測方法，目前存在主要問題是不能按工程需要有效區分微環和一界面竄槽這兩種狀態，在常規的CBL-VDL測量中這兩種情況的聲學反映似乎差別不大。本項發明正是基於以上工程背景，在進一步研究柱狀多層介質井孔聲場中彈性波的傳播規律，分析管套、水泥環、各種地層等因素對聲場的影響後，利用井孔體系頻域響應出現共振激發現象，將高頻193kHz定義為共振透射特徵頻率，利用其作為一種有效區分一界面竄槽和存在微環的有效識別與檢測方法。
發明內容本發明的目的是提供一種油井水泥膠結測井微環識別與檢測方法，它是基於工程背景，在進一步研究柱狀多層介質井孔聲場中彈性波的傳播規律，分析管套、水泥環、各種地層等因素對聲場的影響後，利用井孔體系頻域響應出現共振激發現象，將高頻193kHz定義為共振透射特徵頻率，利用其作為一種有效區分一界面竄槽和存在微環的有效識別與檢測方法。本發明的方法是(1)理論模型為研究套管井聲測井井孔聲場，分析彈性波的激發機制和傳播規律，針對套管井聲波測井實際，採用柱狀多層開放聲波導物理模型，見圖1。物理模型中沿徑向最內層介質為井液，最外層介質為徑向半無限地層，介質均為單相均勻介質。對於套管井模型，在井液和地層間嵌入了鋼套管和水泥環。對於一界面竄槽情況，在鋼管和水泥環之間存在流體環。為數值模擬套管井聲波測井中瞬態全波波形，給出模型中各層介質的聲學參數，見表1、表2。對於單相介質，如果地層橫波速度大於井中流體縱波速度稱為快速地層，否則稱為慢速地層。假定井軸是垂向無限的。表1.1模型中各介質層計算聲學參數tableseeoriginaldocumentpage5tableseeoriginaldocumentpage6表1.2模型中各介質層內半徑tableseeoriginaldocumentpage6(2)一界面竄槽和存在微環識別與檢測方法利用前面給出的聲學參數，對套管井一界面竄槽(10mm)、竄槽(Imm)和存在微環(0.Imm)三種典型膠結狀況的井孔聲場進行計算機數值模擬，計算了源距5英尺處，三種典型膠結狀況0kHz-240kHz頻率響應曲線，橫坐標為頻率(單位kHz)，縱坐標取對數坐標，如圖2。通過對頻域圖的詳細分析，我們得到一種有效區分一界面竄槽和存在微環的識別與檢測方法。由圖2可以明顯發現頻率響應曲線在50kHz以上出現三個明顯的特徵區域，分別對應圖中三個虛線框位置，本發明中定義為「局域共振激發區」。每個共振激發區都有兩個能量相對集中的反射峰和一個吸收峰，反射峰和吸收峰的強度均不相同，隨頻率的增加強度明顯增加。相應吸收峰處的共振頻率分別為65.5kHz、128.6kHz、193kHz，這三個頻率呈現近似的倍頻關係。分析認為，井孔體系頻域響應中共振激發區的出現，使得對應頻率處鋼套管發生共振透射現象，能量似乎被突然「吸收」而出現明顯的吸收峰。這一現象的發現，在有效區分一界面竄槽和存在微環問題上具有非常重要的意義。下面對共振激發區進行詳細分析，以期找到一個特徵共振透射頻率，用來有效判定一界面竄槽和微環的存在。首先分析一下共振透射頻率65.5kHz附近出現的第一個共振激發區，對應圖2中A點位置附近。在共振激發區處兩個反射峰處曲線較光滑，左側略高於右側，而第二個反射峰後面的曲線開始快速下降，之後頻率曲線沒有明顯變化規律，幾乎重合。共振激發區內，0.1mm、1mm、IOmm三條曲線走勢具有一定變化趨勢，通過比較發現0.Imm微環、Imm竄槽的頻率曲線與IOmm竄槽的頻率曲線有著明顯差別，很容易區分，但0.Imm與Imm曲線區別不大。本發明的有益效果是檢測固井質量的常規檢測方法對第一界面膠結質量的檢測比較成功，但對微環和一界面竄槽這兩種狀態，一般在常規的CBL-VDL測量中這兩種情況的聲學反映差別非常小，不能按工程需要進行有效區分，而且一般使用聲源頻率一般在低頻20KHZ左右。本技術的優點是採用高頻193KHZ，而且利用共振透射現象，可以有效區分一界面竄槽和存在微環。圖1是柱狀多層開放聲波導物理模型圖；圖2是不同竄槽情況頻域響應圖；圖3是193kHz波形圖；圖4是套管波幅度隨薄水層厚度變化關係多項式擬合圖；圖5是反演算例用圖。具體實施例方式實施例1如圖1所示，1是井液、2是套管、3是薄水層、4是水泥環、5是地層、T是聲源、R是接收器。如圖2所示，橫坐標為頻率(KHZ)、A-第一個共振激發區、B-第二個共振激發區、C-第三個共振激發區。如圖3所示，橫坐標為時間(ms)。如圖4所示，橫坐標-歸一化套管波幅度、縱坐標_薄水層厚度(mm)。如圖5所示，橫坐標-歸-化套管波幅度、縱坐標_薄水層厚度(mm)。為了說明高頻共振透射現象有效區分微環和正常竄槽方法的有效性和定量化，首先，數值模擬0.Imm-Imm之間不同薄水層厚度對193kHz的時域及頻率頻率響應。分別為不同厚度的時域波形曲線。這裡定義不同厚度薄水層的波形幅度為第一個波包中各點幅度絕對值求和後取平均。求出各個幅度值後，並以自由套管的幅度值作為標準進行歸一化處理，然後作出振幅隨薄水層厚度變化關係曲線。對該曲線進行多項式擬合，結果見如圖3。由圖可知，擬合結果比較理想。這樣，我們就可以根據套管波波形幅度值來利用擬合公式(三次多項式)直接計算薄水層厚度，從而給出將幅度值作為特徵量來定量判斷一界面微環的一種方法。具體擬合公式為Y=A+B1*X+B2*X"2+B3*X"3公式係數:A=-2.95076；Bl=9.73445；B2=-10.06989；B3=3.85441。為進一步說明上面理論反演的穩定性，取一假設信號進行反演算例。假設信號聲源頻率為193kHz，一界面竄槽時薄水層厚度取0.35mm、0.55mm、0.75mm三種。數值模擬結果見表3和圖5。由此可見，在得到一界面竄槽的時域波形後，利用擬合公式可比較準確地確定微環的厚度，三種竄槽厚度的判定相對誤差均在1%以內，證明該方法是一種有效區分一界面正常竄槽和存在微環的新途徑。表3tableseeoriginaldocumentpage8權利要求一種油井水泥膠結測井微環識別與檢測方法，其方法是a、理論模型為研究套管井聲測井井孔聲場，分析彈性波的激發機制和傳播規律，針對套管井聲波測井實際，採用柱狀多層開放聲波導物理模型；物理模型中沿徑向最內層介質為井液，最外層介質為徑向半無限地層，介質均為單相均勻介質；對於套管井模型，在井液和地層間嵌入了鋼套管和水泥環；對於一界面竄槽情況，在鋼管和水泥環之間存在流體環；為數值模擬套管井聲波測井中瞬態全波波形，給出模型中各層介質的聲學參數，見表1、表2；表1.1模型中各介質層計算聲學參數各層參數參數值各層參數參數值井孔泥漿密度1090kg/m3水泥橫波吸收係數5×10-4井孔泥漿聲速1580m/s串槽水層密度1090kg/m3井孔泥漿吸收係數10-4串槽水層聲速1580m/s鋼管密度7500kg/m3串槽水層吸收係數9×10-5鋼管縱波聲速6098m/s地層密度2600kg/m3鋼管縱波吸收係數3×10-5地層縱波速度3800m/s鋼管橫波聲速3354m/s地層縱波吸收係數5×10-4鋼管橫波吸收係數5×10-5地層橫波速度2200m/s水泥密度1920kg/m3地層橫波吸收係數5×10-4水泥縱波聲速2800m/s水泥縱波吸收係數9×10-4水泥橫波聲速1700m/s表1.2模型中各介質層內半徑膠結狀況123456自由套管0.050.062850.069850.100.40第一界面串槽0.050.062850.069850.070850.070850.40微環0.050.062850.069850.069950.099850.40水泥膠結良好0.050.062850.069850.100.40b、一界面竄槽和存在微環識別與檢測方法利用前面給出的聲學參數，對套管井一界面竄槽10mm、竄槽1mm和存在微環0.1mm三種典型膠結狀況的井孔聲場進行計算機數值模擬，計算了源距5英尺處，三種典型膠結狀況0kHz-240kHz頻率響應曲線，橫坐標為頻率，縱坐標取對數坐標，通過對頻域圖的詳細分析，我們得到一種有效區分一界面竄槽和存在微環的識別與檢測方法；從頻率響應曲線在50kHz以上出現三個明顯的特徵區域，即局域共振激發區；每個共振激發區都有兩個能量相對集中的反射峰和一個吸收峰，反射峰和吸收峰的強度均不相同，隨頻率的增加強度明顯增加；相應吸收峰處的共振頻率分別為65.5kHz、128.6kHz、193kHz，這三個頻率呈現近似的倍頻關係；下面對共振激發區進行詳細分析，以期找到一個特徵共振透射頻率，用來有效判定一界面竄槽和微環的存在；在共振透射頻率65.5kHz附近出現的第一個共振激發區，在共振激發區處兩個反射峰處曲線較光滑，左側略高於右側，而第二個反射峰後面的曲線開始快速下降，之後頻率曲線沒有明顯變化規律，幾乎重合；共振激發區內，0.1mm、1mm、10mm三條曲線走勢具有一定變化趨勢，通過比較發現0.1mm微環、1mm竄槽的頻率曲線與10mm竄槽的頻率曲線有著明顯差別。全文摘要一種油井水泥膠結測井微環識別與檢測方法，屬於石油勘探、開採
技術領域：
，其方法是a、理論模型，採用柱狀多層開放聲波導物理模型；b、一界面竄槽和存在微環識別與檢測方法，利用前面給出的聲學參數，對套管井一界面竄槽、竄槽和存在微環三種典型膠結狀況的井孔聲場進行計算機數值模擬，得到一種有效區分一界面竄槽和存在微環的識別與檢測方法。有益效果是採用高頻193kHz，而且利用共振透射現象，可以有效區分一界面竄槽和存在微環。文檔編號E21B47/14GK101832132SQ20101013252公開日2010年9月15日申請日期2010年3月26日優先權日2010年3月26日發明者宋立軍,王克協,馬俊申請人:長春大學