余 峰張秀梅劉西恩陳洪海林偉軍毛 捷

(1 中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院 河北 101149)

(2 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 聲場聲信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

1 引言

近年來，國內(nèi)的多個(gè)油田已經(jīng)建成了一些固井質(zhì)量刻度井群，可用于實(shí)現(xiàn)刻度標(biāo)定多種聲波水泥膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)儀器，以及制定水泥膠結(jié)評(píng)價(jià)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[1－4]。目前，中海油服和中國科學(xué)院聲學(xué)研究所合作設(shè)計(jì)的固井質(zhì)量刻度井群(12口井)也已經(jīng)建成，刻度井的高度在9 m到10 m之間。新的刻度井群充分考慮了目前實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問題，并在綜合研究多種因素對不同儀器測量響應(yīng)的影響的基礎(chǔ)上建成，因此實(shí)現(xiàn)了利用最小的空間，最大程度的對多種固井質(zhì)量評(píng)價(jià)儀器的測量性能進(jìn)行標(biāo)定和測試，并能夠根據(jù)儀器的測量響應(yīng)修正或者提出新的固井質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 儀器測量性能標(biāo)定流程Fig.1 The procedure in calibratingmeasurement performance of tools

為最大程度的發(fā)揮刻度井的作用，針對已經(jīng)建成的刻度井群，制定了一系列的操作規(guī)程和標(biāo)定規(guī)范。本文圍繞制定的標(biāo)定方法和流程，以井群中某井的應(yīng)用效果為例，介紹了對聲幅－變密度測井(CBL/VDL)和扇區(qū)水泥膠結(jié)測井(SBT)儀器的測量性能進(jìn)行測試和標(biāo)定的基本方法。

2 標(biāo)定流程介紹

為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用刻度井進(jìn)行儀器測量性能的評(píng)價(jià)，需要制定一定的方法和步驟。根據(jù)目前的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果，制定了圖1所示的標(biāo)定流程示意圖。

以下對流程圖中幾個(gè)主要的步驟進(jìn)行說明。

(1)超聲掃描儀檢測部分。超聲檢測的主要作用是對刻度井中水泥在深度和周向上的膠結(jié)情況進(jìn)行精細(xì)直觀的展示，可用于定量評(píng)價(jià)建成的刻度井中水泥的實(shí)際膠結(jié)情況，并與設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對比。本部分利用自主研發(fā)的超聲檢測儀器來實(shí)現(xiàn)，儀器所使用的探頭可進(jìn)行周向360°旋轉(zhuǎn)掃描，旋轉(zhuǎn)一周掃描200到400個(gè)點(diǎn)?？紤]到刻度井的膠結(jié)質(zhì)量可能隨時(shí)間發(fā)生一些變化，檢測時(shí)間應(yīng)為儀器下井標(biāo)定之前的一周內(nèi)。

(2)數(shù)值模擬部分。數(shù)值模擬的主要作用是根據(jù)儀器的測量原理，結(jié)合刻度井的實(shí)際膠結(jié)情況，對每口井中的儀器測量結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測結(jié)果與儀器實(shí)際的測量結(jié)果進(jìn)行對比，可用于制定儀器的測量標(biāo)定規(guī)范。數(shù)值模擬涉及聲波在三維非軸對稱介質(zhì)中的傳播問題，該部分采用的模擬方法是柱坐標(biāo)系下的三維交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分算法[5－6]。模擬過程中采用的參數(shù)嚴(yán)格按照儀器的工作測量原理、施工樣品檢測結(jié)果，以及超聲掃描儀器得到的水泥膠結(jié)情況來進(jìn)行。

(3)儀器測量部分。本部分必須保證儀器在操作過程中嚴(yán)格按照操作規(guī)程和刻度井的使用規(guī)范來進(jìn)行。為保證測量的結(jié)果盡可能的減小系統(tǒng)及操作誤差，需進(jìn)行標(biāo)定的儀器在每口刻度井中應(yīng)重復(fù)測量3次以上。

此處需要特別指出，將流程圖中實(shí)際測量的結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比時(shí)，需要考慮兩者之間的環(huán)境誤差。因此，實(shí)際使用過程中，針對某類型的儀器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，初次使用需要建立數(shù)值模擬與實(shí)際測量之間的修正關(guān)系，之后根據(jù)兩者的對比結(jié)果標(biāo)定儀器的測量性能。另外，井況變化時(shí)，也需根據(jù)實(shí)時(shí)的參數(shù)變化情況，重新建立理論和實(shí)際測量之間的修正關(guān)系。

3 儀器的測量結(jié)果及標(biāo)定

本節(jié)以應(yīng)用刻度井群中某口井(稱為示例井)對CBL和SBT儀器的測量性能進(jìn)行標(biāo)定為例，說明對儀器測量性能進(jìn)行標(biāo)定的步驟和方法。其中，關(guān)于這兩種儀器的測量原理及各自的水泥膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可參考文獻(xiàn)[4]。

3.1 示例刻度井介紹

圖2是示例井各層的結(jié)構(gòu)示意圖。該井采用的固井水泥包括中等密度和高密度的水泥兩種，此處的水泥密度指水泥固化后的密度。自上而下各層的膠結(jié)狀態(tài)分別是:中等密度水泥下完全膠結(jié)、一界面(圖2中套管和水泥之間的界面)水泥分別存在180°和90°水泥膠結(jié)缺失的情況;高密度水泥下完全膠結(jié)、一界面水泥分別存在180°和90°水泥膠結(jié)缺失的情況。每個(gè)層段的有效高度為1.5 m，在刻度井的頂部留有約1.0 m的深度段，底部留有3.0 m的鼠洞，以方便實(shí)際儀器在該井中的操作。

圖2 示例井的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic diagram of the sample well

為保證建成后的刻度井最大程度的發(fā)揮預(yù)期的應(yīng)用效果，每口井的基本結(jié)構(gòu)和各部分的幾何和物理參數(shù)均來源于理論研究的結(jié)果。在施工建造的過程中，需實(shí)時(shí)對施工材料的聲學(xué)和物理參數(shù)進(jìn)行測量。經(jīng)過多次制作、取樣、測量和對比等步驟后，只有達(dá)到誤差允許范圍內(nèi)的樣品才可用于最終的施工建造。一些施工材料的聲學(xué)參數(shù)測量結(jié)果見表1。

表1 刻度井中一些材料的聲學(xué)參數(shù)Table 1 Acoustical parameters of somematerial used in the calibration pits

刻度井建成后，需要對其膠結(jié)質(zhì)量進(jìn)行檢測，如果不達(dá)標(biāo)，則需要重新建造。膠結(jié)質(zhì)量的檢測通過利用自主研制的一套水泥膠結(jié)質(zhì)量超聲檢測裝置來實(shí)現(xiàn)。針對施工材料的聲學(xué)參數(shù)檢測和建成后的水泥膠結(jié)質(zhì)量的檢測是井群建造和應(yīng)用中必不可少的一部分，這里統(tǒng)稱為質(zhì)量檢測。

圖3是利用超聲檢測儀器對示例井進(jìn)行掃描成像的結(jié)果，圖中可較為清晰的顯示一界面自上而下的粘接狀況。圖中左側(cè)的百分比數(shù)值為設(shè)計(jì)脫粘比例，右側(cè)的數(shù)值表示實(shí)際的脫粘比例。圖中的對比結(jié)果表明，施工完成后的刻度井各層段實(shí)測與設(shè)計(jì)脫粘比例的相對誤差均在10%以內(nèi)，完成的水泥膠結(jié)刻度井質(zhì)量基本符合設(shè)計(jì)要求。

圖4是CBL/VDL儀器在刻度井中的測量響應(yīng)。圖中第一道標(biāo)示的深度對應(yīng)有效層段的深度，例如1.5m處是圖2中前兩層的交界面處的深度。圖中第二道為CBL的測量結(jié)果，圖中顯示的是套管波的相對聲幅，即測量點(diǎn)處的套管幅度與自由套管處的套管幅度的比值。提取某些深度點(diǎn)上實(shí)際測量的數(shù)據(jù)，并將其與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比，可以得到圖5。圖中表明，數(shù)值模擬與儀器的實(shí)際測量響應(yīng)隨深度的變化具有較好的一致性。其中，兩者之間的誤差隨深度的變化結(jié)果多數(shù)在5%以內(nèi)?？紤]到數(shù)值模擬和實(shí)際測量之間的環(huán)境誤差等因素，初步認(rèn)為如果兩者誤差在5%以內(nèi)，則此時(shí)的儀器測量性能較好。

圖3 示例井中超聲掃描成像的結(jié)果Fig.3 The results from ultrasonic scanning imaging in the sample well

圖4 示例井中CBL/VDL的實(shí)際測量結(jié)果Fig.4 Themeasured results from CBL/VDL tools in the sample well

圖5 示例井中模擬和測量得到的CBL結(jié)果的對比Fig.5 Comparison of simulated and measured results of CBL tool in the sample well

由于示例井的有效層段的高度為1.5 m，而VDL 的源距較大(約 1.52 m，合 5.0 ft)，因此無法完成對VDL的測量性能進(jìn)行定量刻度，需要在刻度井群中其他的井中進(jìn)行。但是，如果CBL的測量結(jié)果準(zhǔn)確，則結(jié)合儀器的測量原理，可以對VDL灰度圖像的結(jié)果進(jìn)行初步的判定。

圖6 示例井中SBT的測量結(jié)果Fig.6 Themeasured results from SBT tool in the sample well

本節(jié)結(jié)合SBT在示例井中的測量結(jié)果，介紹應(yīng)用刻度井判定該儀器測量性能的方法。圖6是儀器在示例井中的測量結(jié)果，其中第2道依次為六個(gè)極板的補(bǔ)償聲波衰減率(簡稱ATC，即Attenuation compensated的縮寫)，補(bǔ)償聲波衰減率的大小反映了套管井中一界面的水泥膠結(jié)狀態(tài)，衰減率越小，則表示膠結(jié)質(zhì)量越差;反之，則表示膠結(jié)質(zhì)量較好。關(guān)于該儀器的測量原理以及補(bǔ)償衰減率的定義和計(jì)算公式較為復(fù)雜，具體可參考文獻(xiàn)[4]第五章的介紹。圖6中的第三道是根據(jù)第二道的測量值進(jìn)行成像顯示的結(jié)果。同樣的，圖像中顏色較淺的地方表示一界面膠結(jié)質(zhì)量較差，較深的地方代表膠結(jié)質(zhì)量較好。

類似的，在充分掌握SBT儀器的測量原理和儀器結(jié)構(gòu)后，結(jié)合質(zhì)量檢測中給出的刻度井各層材料的參數(shù)及粘接狀況，我們可以應(yīng)用數(shù)值模擬的方法得到六個(gè)極板接收到的聲場全波信號(hào)，進(jìn)而得到聲幅的補(bǔ)償衰減率和環(huán)向上的灰度成像結(jié)果。圖7是數(shù)值模擬得到的補(bǔ)償衰減率及成像結(jié)果。

圖7 示例井中SBT的模擬結(jié)果Fig.7 The simulated results of SBT tool in the sample well

將SBT儀器測量性能的標(biāo)定分為三個(gè)層次。首先根據(jù)儀器在環(huán)向膠結(jié)均勻的層段(如示例井中第一和第四層)測量的結(jié)果判斷6個(gè)極板的工作性能及其一致性。根據(jù)圖6及圖3中對儀器在第一和第四層段的測量結(jié)果，認(rèn)為6個(gè)極板的工作性能良好，一致性也較好。其次，將SBT第三道的灰度成像結(jié)果與超聲掃描的成像結(jié)果(圖3)進(jìn)行對比，可以初步判定本次SBT測量的效果。兩者的對比結(jié)果表明，SBT儀器的成像圖中可以較明顯的顯示水泥缺失的信息，水泥缺失的深度位置和角度大小與超聲掃描結(jié)果基本一致。最后，對每個(gè)層段上各極板上補(bǔ)償衰減率的實(shí)際測量和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，得到表2。

表2 6個(gè)極板衰減率的測量和模擬結(jié)果的對比Table 2 Com parison ofmeasured and simulated results of the attenuation com pensated of the six p lates

此處需要說明，由于實(shí)際的測量條件與數(shù)值模擬存在差別，例如，當(dāng)水泥在環(huán)向上存在一定角度的缺失時(shí)，模擬計(jì)算中每個(gè)極板的方位很難與儀器在實(shí)際操作過程中的情況一致，所以每個(gè)極板的測量值難以用某一具體的數(shù)字來判定。

文中給出的評(píng)價(jià)流程和針對這兩種儀器制定的測量性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的結(jié)果，在刻度井群以后的使用過程中會(huì)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以制定更為合理和完善的方法和步驟。

4 結(jié)論

在吸收和借鑒國內(nèi)外固井質(zhì)量刻度井工作的基礎(chǔ)上，中海油服目前已經(jīng)建成了一批用于固井質(zhì)量評(píng)價(jià)和套損檢測的刻度井，可用于對多種固井質(zhì)量評(píng)價(jià)儀器和套損成像檢測儀器的測量性能進(jìn)行測試和評(píng)價(jià)。在刻度井群的設(shè)計(jì)和施工前后，都包括大量的基礎(chǔ)研究和質(zhì)量測試工作，這些都充分保障了建造的刻度井群能夠達(dá)到預(yù)期的應(yīng)用效果。

本文以刻度井群中一口刻度井的基本應(yīng)用情況為例，介紹了應(yīng)用刻度井對固井質(zhì)量評(píng)價(jià)儀器進(jìn)行測試和標(biāo)定的基本方法和步驟，文中涉及的儀器主要是CBL/VDL和SBT兩種。結(jié)果表明，結(jié)合質(zhì)量測試、數(shù)值模擬和實(shí)際測量的響應(yīng)進(jìn)行的標(biāo)定流程，可用于實(shí)現(xiàn)儀器測量性能的初步定量標(biāo)定。

特別的，根據(jù)國內(nèi)外以往建造刻度井的經(jīng)驗(yàn)，刻度井中一些層段的膠結(jié)狀態(tài)可能隨時(shí)間的推移發(fā)生變化。因此，在刻度井使用的過程中需要定期維護(hù)和檢測，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，以制定更為合理和完善的評(píng)價(jià)體系。

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