黃 琳 張嘉偉（中海油田服務(wù)股份有限公司，中國(guó) 北京 101149）

0 引言

自從1903年在美國(guó)加利福利亞州勞木波斯油田第一次采用水泥漿注入井眼進(jìn)行固井作業(yè)以來(lái)，石油工業(yè)界就一直關(guān)注固井質(zhì)量。實(shí)踐證明，利用地球物理測(cè)井可以迅速而經(jīng)濟(jì)地檢查固井質(zhì)量[1]。為了正確地分析試油結(jié)果，保證油氣的分層測(cè)試和分層開(kāi)采，石油工業(yè)界不僅需要弄清水泥膠結(jié)縱向上的不均勻性，也需要了解其環(huán)向上的膠結(jié)不均勻性。在這種情況下，既具有較高縱向分辨能力也具有較高環(huán)向分辨能力的扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井（Segmented Bond Tool，簡(jiǎn)稱SBT），就應(yīng)運(yùn)而生了[2]。從二十世紀(jì)九十年代初中國(guó)海洋石油測(cè)井公司引進(jìn)SBT以來(lái)，就開(kāi)始了其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的研究。經(jīng)過(guò)數(shù)年的不懈努力，在固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方面積累了較豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和一整套行之有效的方法。通過(guò)理論、實(shí)驗(yàn)和大量的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證資料的分析研究，在利用固井質(zhì)量測(cè)井資料進(jìn)行水泥環(huán)層間封隔能力評(píng)價(jià)研究等方面，取得了一系列重要研究成果，應(yīng)用效果良好。

1 扇區(qū)水泥膠結(jié)固井質(zhì)量測(cè)井儀簡(jiǎn)介

1.1 儀器測(cè)量原理

圖1 扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀及其測(cè)量原理圖

測(cè)量部分。衰減率測(cè)量部分：由推靠臂支撐的六個(gè)滑板組成。每個(gè)滑板上都安裝一個(gè)聲波發(fā)射換能器（T）和一個(gè)聲波接收換能器（R）?；寰幪?hào)為奇數(shù)者（1、3、5）比偶數(shù)者（2、4、6）高出半個(gè)滑板長(zhǎng)度，以便建立起螺旋狀的雙發(fā)雙收補(bǔ)償式套管波衰減率測(cè)量系統(tǒng)。衰減率測(cè)量間距隨套管內(nèi)徑的增大而增大，對(duì)于外徑小于9.625英寸（244毫米）的套管，間距一般為 0.65～0.73 英尺（19.8～22.3 厘米）。VDL 測(cè)量部分：由一個(gè)發(fā)射換能器和一個(gè)接收換能器組成。這兩個(gè)換能器居于井軸，相互之間的距離（即源距）為5英尺[3]。

1.2 儀器主要測(cè)量參數(shù)介紹

扇區(qū)水泥膠結(jié)固井質(zhì)量測(cè)井儀主要利用聲波原理進(jìn)行相關(guān)測(cè)量，其主要的測(cè)量參數(shù)有以下幾種：補(bǔ)償聲波衰減率ATC、平均衰減率ATAV、最小衰減率ATMN、平均聲幅AMAV、水泥圖CEMENT MAP、相對(duì)方位角RB以及聲波變密度圖VDL等參數(shù)信息。下面分別對(duì)每種測(cè)量參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

圖2 第一扇區(qū)換能器分布示意圖

首先介紹聲波衰減率ATC。圖2所示為儀器第一扇區(qū)換能器分布示意圖，由于儀器共有6個(gè)扇區(qū)，因此儀器總共可以測(cè)量6條補(bǔ)償式聲波衰減率曲線。對(duì)于第1扇區(qū)，衰減率測(cè)量值為

扇區(qū)水泥膠結(jié)固井質(zhì)量測(cè)井儀是二十世紀(jì)九十年代初，由美國(guó)西方·阿特拉斯公司（Western Atlas）推出的新一代固井質(zhì)量測(cè)井儀。它利用推靠臂把六個(gè)滑板(如圖1左側(cè)圖所示)推靠到套管內(nèi)壁上，將管外環(huán)空環(huán)向上等分成六個(gè)扇區(qū)，分別考察每一個(gè)扇區(qū)的水泥膠結(jié)狀況，實(shí)現(xiàn)測(cè)量的高分辨率360°全方位覆蓋。該測(cè)井儀主要分兩個(gè)部分：聲波衰減率測(cè)量部分和VDL（Variable Density Log，即“變密度圖”）

式 （1）中，d為測(cè)量間距；ATSP為幾何擴(kuò)散引起的聲波衰減；Aij為第i換能器（Ti）發(fā)射、第j換能器（Rj）接收的聲波幅度；對(duì)于第一扇區(qū)來(lái)說(shuō)當(dāng)i=1為上發(fā)射換能器發(fā)射或i=4為下發(fā)射換能器發(fā)射，j可以為2或3代表接收換能器Rj的型號(hào)。擴(kuò)展到任意扇區(qū)n（n=1,2,…,6），衰減率ATC n的計(jì)算依此類推。衰減率的單位是dB/ft（或dB/m）。

下面再介紹儀器平均衰減率ATAV和最小衰減率ATMN。對(duì)于每一個(gè)深度點(diǎn)，都按式（2）計(jì)算ATAV，并從6個(gè)扇區(qū)的衰減率測(cè)量值中挑選出最小衰減率ATMN。

其中n為第n道扇區(qū)對(duì)應(yīng)的聲波衰減率值。

儀器的平均聲幅AMAV由以上定義的平均衰減率按下式（4）換算而來(lái)的：

式（4）中，AMFP對(duì)應(yīng)自由套管聲幅，單位mV，可查表得到；ATFP為自由套管衰減率，單位dB/ft或dB/m，由測(cè)井圖或查表得到。AMAV曲線的作用與常規(guī)固井質(zhì)量測(cè)井的CBL曲線相同，代表導(dǎo)管固井的質(zhì)量水平。

儀器的水泥圖（CEMENT MAP）由各扇區(qū)衰減率曲線進(jìn)行插值求出，將實(shí)測(cè)聲波衰減率賦予5級(jí)灰度。衰減率越高，對(duì)應(yīng)的灰度級(jí)別就越高，在水泥圖上顏色越深。水泥圖上最高級(jí)灰度（顏色最深）代表水泥膠結(jié)良好，最低級(jí)灰度（白色）代表水泥膠結(jié)差，其余依此類推。水泥圖直觀顯示水泥環(huán)與套管之間（第一界面）的膠結(jié)狀況。再配合儀器加速度計(jì)求得的扇區(qū)相對(duì)方位角RB曲線，該曲線顯示第1扇區(qū)中心方位對(duì)于井眼低邊的相對(duì)方位角。結(jié)合該曲線能夠反映儀器在井中各個(gè)方位角對(duì)應(yīng)的水泥膠結(jié)質(zhì)量。配合聲波變密度圖VDL，該圖由源距為5英尺的單極子聲波波形繪制而成。色調(diào)越深，反映聲波幅度越高。通過(guò)VDL上的套管波、地層縱波和地層橫波可定性判斷第一界面、第二界面（水泥環(huán)與地層之間）的水泥膠結(jié)狀況[4]。

1.3 水泥膠結(jié)扇區(qū)固井質(zhì)量測(cè)井儀主要優(yōu)勢(shì)

水泥膠結(jié)扇區(qū)固井質(zhì)量測(cè)井儀目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在導(dǎo)管固井質(zhì)量的檢測(cè)中，其主要優(yōu)勢(shì)有如下幾點(diǎn)：

1）縱向分辨能力較高

聲波衰減率曲線起伏，反映水泥縱向膠結(jié)不均勻。曲線平直，則反映水泥環(huán)縱向膠結(jié)均勻。由于測(cè)量間距很?。?英寸即0.18米左右），儀器衰減率曲線縱向分辨率較高。由實(shí)驗(yàn)得知，根據(jù)儀器測(cè)井資料可識(shí)別出0.2米的水泥環(huán)縱向不均勻膠結(jié)。

2）環(huán)向分辨能力高并可確定水泥溝槽方位

大量實(shí)驗(yàn)表明，根據(jù)儀器測(cè)井資料可識(shí)別出小至20°的水泥溝槽，條件有利時(shí)甚至可以識(shí)別出15°的水泥溝槽。此為該儀器相對(duì)于CBL（聲波幅度測(cè)井）儀器的突出的優(yōu)越性之一。假設(shè)在重量為29磅/英尺、外徑為7英寸的套管井段，良好膠結(jié)的水泥強(qiáng)度為2000psi。由式（1）～式（4）可計(jì)算水泥溝槽對(duì)應(yīng)的聲波幅度理論值。當(dāng)溝槽所張圓心角大于140°，AMAV＞15%。由此可以推斷，根據(jù)相當(dāng)于AMAV的CBL曲線,識(shí)別不了低于140°的溝槽。因?yàn)槿绻麥喜坌∮?40°，CBL＜15%，按石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)評(píng)價(jià)為膠結(jié)“良好”。根據(jù)方位角RB曲線還可確定水泥溝槽方位。如果水泥圖已經(jīng)過(guò)RB方位校正，那么水泥圖的圖示方位（橫向比例尺為0°～360°）顯示相對(duì)于井眼低邊的方位角之差。例如，當(dāng)SBT測(cè)井圖深度增大方向?yàn)樽陨现料聲r(shí)，水泥圖的左邊緣、右邊緣（分別為 0°和 360°）對(duì)應(yīng)井眼的低邊，而其中心線（180°）是井眼的高邊。

3）易于測(cè)井刻度

SBT儀器用以反映固井質(zhì)量的主要測(cè)井信息是聲波衰減率。由計(jì)算公式（1）可知，聲波衰減率與每一個(gè)接收換能器處的聲波幅度沒(méi)有直接關(guān)系，而與遠(yuǎn)、近接收換能器處的聲波幅度之比有關(guān)。換句話說(shuō)，在任一深度處的任何扇區(qū)，只要遠(yuǎn)、近接收換能器處的聲幅之比測(cè)量準(zhǔn)確，就都可以得到準(zhǔn)確的衰減率值。所以，它不再必須有自由套管井段來(lái)進(jìn)行儀器刻度。這樣CBL測(cè)井作業(yè)中無(wú)法解決的尾管固井質(zhì)量測(cè)井刻度難題也就不存在了。

4）易于質(zhì)量控制

SBT測(cè)量六個(gè)扇區(qū)的套管時(shí)差，并給出最大套管時(shí)差DTMX和最小套管時(shí)差DTMN。如果儀器良好居中，六個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的圓心角都十分精確地接近60°，那么套管時(shí)差十分接近標(biāo)準(zhǔn)的套管時(shí)差值57微秒/英尺，且DTMX和DTMN的差異很小（一般約為3～4微秒/英尺）。但是當(dāng)測(cè)井儀器由于井斜等原因明顯偏離井軸時(shí)，高側(cè)的推靠臂處于松弛擴(kuò)張狀態(tài)，高側(cè)扇區(qū)的圓心角將明顯大于60°，測(cè)得的套管時(shí)差將明顯大于57微秒/英尺；而低側(cè)的推靠臂處于受壓收縮狀態(tài)，低側(cè)扇區(qū)的圓心角將明顯小于60°，測(cè)得的套管時(shí)差將明顯小于57微秒/英尺。在儀器明顯偏心的情況下，貼井壁聲波測(cè)量間距發(fā)生不能容忍的偏差，衰減率測(cè)量值將是錯(cuò)誤的，對(duì)應(yīng)的最大與最小套管時(shí)差之差（DTMX-DTMN）＞6微秒/英尺。另一方面，由于SBT為貼井壁測(cè)量且源距較小，套管波起跳明顯，無(wú)論在哪一種水泥膠結(jié)狀況下，DTMX和DTMN測(cè)量值都相當(dāng)穩(wěn)定。因此這兩條曲線能很好地指示儀器的居中狀況[5]。由式（1）可知，每一扇區(qū)都要檢測(cè)4個(gè)套管波幅度，所以每一深度點(diǎn)需檢測(cè)4×6共24個(gè)套管波幅度。如果操作員沒(méi)有能夠讓套管波檢測(cè)窗口很好地跟蹤每個(gè)套管波的第一正峰，也會(huì)出現(xiàn) （DTMXDTMN）＞6微秒/英尺的情況。這時(shí)，衰減率檢測(cè)也將是有問(wèn)題的。所以，（DTMX-DTMN）大小又可指示檢測(cè)窗口設(shè)置是否正確。從以上可知SBT利用套管時(shí)差能清楚地反映衰減率測(cè)量的質(zhì)量。

5）測(cè)井響應(yīng)不受快速地層以及外層套管的干擾，易于求取膠結(jié)率

研究表明，當(dāng)水泥環(huán)厚度≥19毫米時(shí)，任何地層波傳播時(shí)間都大于套管波傳播時(shí)間。SBT貼壁衰減率測(cè)量不會(huì)受到任何快速地層的干擾，也不受外層套管（在雙層套管井段）的影響。在7英寸和9-5/8英寸套管井中，這個(gè)條件一般能夠得到滿足。石油工程方面關(guān)心的水泥膠結(jié)率可以利用SBT測(cè)井的平均衰減率ATAV直接求?。?/p>

其中，ATFP自由套管的聲波衰減率；ATexc為水泥膠結(jié)良好處的聲波衰減率。

6）根據(jù)全波列信息評(píng)價(jià)第二界面膠結(jié)狀況

SBT居中聲源5英尺源距的VDL可用于定性地評(píng)價(jià)第二界面膠結(jié)狀況。SBT還可以測(cè)量并記錄貼井壁全波波形。對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)得到的貼井壁波形進(jìn)行分析對(duì)比如圖3所示，套管波只反映第一界面膠結(jié)狀況，不反映第二界面的膠結(jié)情況。分析研究進(jìn)一步指出，緊跟在套管波之后的水泥環(huán)界面反射波的低頻組分，對(duì)第一界面第二界面均膠結(jié)良好、第二界面膠結(jié)不好，以及自由套管這三種情況相當(dāng)敏感，因而可用于第二界面評(píng)價(jià)[6]。

圖3 SBT貼井壁聲波的頻譜圖

表1 各種水泥膠結(jié)狀況下的SBT實(shí)驗(yàn)波形低頻（33－47kHz）響應(yīng)

上表1為各種水泥膠結(jié)狀況下的SBT實(shí)驗(yàn)波形低頻（33-47kHz）響應(yīng)，其中明確指出了目前各種水泥膠結(jié)情況下的質(zhì)量判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)評(píng)價(jià)水泥膠結(jié)固井質(zhì)量有明確的指導(dǎo)作用?？偟膩?lái)說(shuō)衰減率越高（或聲波幅度越低），VDL套管波越弱而地層波越清晰，則反映水泥膠結(jié)越好,反之則差[4]。

圖4 BZ-X-X井5439－5476米SBT和CBL測(cè)井圖

2 應(yīng)用實(shí)例介紹

在渤海BZ-X-X井中7英寸（177.8毫米）套管井內(nèi)5439米～5476米測(cè)量所得SBT與CBL測(cè)井圖如圖4所示，其中5450.5米～5463.0米井段ATMN≤3.1dB/ft，雖然局部AMAV較低，但這些地方均為ATAVATMN＞2.0dB/m。經(jīng)程序處理的SBT評(píng)價(jià)成果表如下表2所示，在5456.0米～5458.0米井段識(shí)別出溝槽，溝槽中心對(duì)于井眼低邊的相對(duì)方位角為 210°～270°，寬度約 80°，溝槽處水泥強(qiáng)度很低（＜23psi）。

表2 固井質(zhì)量SBT評(píng)價(jià)成果表

上圖4中5455.0米～5455.0米以及5459.0米～5490.0米兩井段的層間封隔性能評(píng)價(jià)結(jié)論均為：竄通。后續(xù)針對(duì)上述水泥溝槽進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，證實(shí)這兩段之間確實(shí)存在管外竄通。在該溝槽井段CBL/VDL測(cè)井相對(duì)聲幅為2.8～9.0%。查詢相應(yīng)解釋圖板得到水泥強(qiáng)度為1000～2200psi，可評(píng)價(jià)為水泥膠結(jié)優(yōu)～良。

3 結(jié)束語(yǔ)

成功的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)可省去數(shù)目巨大的補(bǔ)擠水泥作業(yè)費(fèi)用，節(jié)約寶貴的作業(yè)時(shí)間，同時(shí)減少地層污染，防止層間油氣水竄通，有助于正確認(rèn)識(shí)地層孔隙流體性質(zhì)以及有助于評(píng)價(jià)產(chǎn)能等，具有十分重要的意義[7]。水泥膠結(jié)扇區(qū)固井質(zhì)量測(cè)井使固井質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)向前邁進(jìn)了一大步，在中國(guó)海上油氣勘探開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

［1］張維平,馬貴福.俄羅斯固井質(zhì)量測(cè)井儀及解釋方法[M].北京:石油工業(yè)出版社,1998.

［2］齊奉忠,袁進(jìn)平.提高調(diào)整井固井質(zhì)量的技術(shù)與認(rèn)識(shí)[J].鉆采工藝,2002,25（5）：6-8.

［3］中海油田服務(wù)股份有限公司扇區(qū)固井質(zhì)量測(cè)井儀相關(guān)技術(shù)資料[Z].

［4］薛梅,楚澤涵,李艷華,等.對(duì)固井質(zhì)量解釋評(píng)價(jià)若干問(wèn)題的探討[J].測(cè)井技術(shù),2000,24(6):470-475.

［5］劉繼生,王克協(xié),等.水泥-地層界面膠結(jié)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用[J].測(cè)井技術(shù),2000,24(5):340-344.

［6］劉繼生,王克協(xié),謝榮華,等.套管-水泥界面微間隙的檢測(cè)方法及其應(yīng)用[J].測(cè)井技術(shù),2002,26(5):399-401.

［7］楚譯涵,鞠曉東,葉元芳,編譯.聲波測(cè)井[M].北京:石油工業(yè)出版社,1986.