陳向軍，李維彥，楊順輝

（1．中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101；2．長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢430079）

0 引 言

固井質(zhì)量是鉆井工程的一項(xiàng)重要考核指標(biāo)，固井質(zhì)量不合格的井將會(huì)面臨著高額扣款甚至?xí)痪芙^收井，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)損失。固井質(zhì)量不合格的井一般需要經(jīng)過補(bǔ)救合格后方可交井，而補(bǔ)救措施一般為射孔擠水泥，不僅費(fèi)時(shí)較長，費(fèi)用較高，工序復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)較大，而且對(duì)于套管的完整性有較大破壞，對(duì)于地層孔隙度較低的井成功率較低。

固井質(zhì)量解釋評(píng)價(jià)需要準(zhǔn)確反映界面膠結(jié)情況，盡可能避免或減輕無關(guān)信息對(duì)固井質(zhì)量解釋的干擾，尤其在雙層套管（尾管與上層套管重疊段）出現(xiàn)的外層套管界面反射波，以及快速地層（灰?guī)r聲波時(shí)差為156μs／m，套管聲波時(shí)差為187μs／m）出現(xiàn)的地層波早到現(xiàn)象等，將嚴(yán)重干擾固井質(zhì)量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。誤差過大的解釋結(jié)論將會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)作業(yè)方案及決策的準(zhǔn)確性、合理性，造成不合理的擠水泥及射孔等作業(yè)，增加額外的生產(chǎn)成本。

1 現(xiàn)用固井質(zhì)量解釋方法的缺陷

現(xiàn)階段一般采用CBL／VDL測井資料評(píng)價(jià)固井質(zhì)量。對(duì)于第Ⅰ界面普遍使用聲幅、相對(duì)聲幅、水泥膠結(jié)強(qiáng)度、或膠結(jié)比評(píng)價(jià)［1］，在無自由套管時(shí)采用水泥膠結(jié)強(qiáng)度及膠結(jié)比可在一定程度上回避刻度問題［2－3］。在實(shí)際測井解釋中一般采用計(jì)算機(jī)軟件處理結(jié)合人工糾錯(cuò)方式處理數(shù)據(jù)；采用VDL波形結(jié)合CBL資料定性解釋第Ⅱ界面膠結(jié)情況，對(duì)于單層套管及慢速地層比較準(zhǔn)確。對(duì)于存在雙層套管及快速地層等特殊情況，只能定性評(píng)價(jià)第Ⅱ界面，無法實(shí)現(xiàn)定量評(píng)價(jià)的目的。

1．1 對(duì)雙層套管固井質(zhì)量解釋時(shí)未考慮多層界面對(duì)聲波的反射疊加作用

尾管懸掛于上層套管內(nèi)，并與上層套管重疊100～200m，在重疊段存在2層套管而增加了2個(gè)新的反射面，導(dǎo)致接收換能器收到更多的聲波信息，并與內(nèi)層套管的套管波信息疊加，使得聲波信號(hào)增強(qiáng)，導(dǎo)致聲幅增加。這種解釋方法必然導(dǎo)致固井質(zhì)量解釋結(jié)果失真，對(duì)于固井質(zhì)量良好的井段可能會(huì)得出固井不合格的錯(cuò)誤評(píng)價(jià)［2］。

1．2 對(duì)快速地層固井質(zhì)量解釋時(shí)未考慮地層波提前到達(dá)后的信號(hào)失真影響

快速地層聲波傳播速度快，可能會(huì)早于套管波首波到達(dá)接收換能器，從而被當(dāng)作套管波信息予以記錄，屬于二者疊加的結(jié)果。這將導(dǎo)致CBL值偏大，造成使用CBL評(píng)價(jià)第Ⅰ界面時(shí)出現(xiàn)較大偏差［2－4］。

在聲波變密度測井中，通常利用地層波的能量評(píng)價(jià)第Ⅱ界面膠結(jié)質(zhì)量。但是在快速地層中，由于地層縱波速度高于套管縱波速度，使套管波和地層波難以區(qū)分，因而在評(píng)價(jià)第Ⅱ界面時(shí)采用的信息為失真的地層波，使得解釋結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。

2 在特殊條件下固井質(zhì)量解釋新思路及方法

由于雙層套管及快速地層對(duì)于套管波首波到達(dá)時(shí)間的干擾，外層套管反射波或者快速地層的地層波與首波疊加，導(dǎo)致取用的聲波信號(hào)失真，最終解釋出的結(jié)果無法真實(shí)反映出界面膠結(jié)質(zhì)量。為此，在取用測井?dāng)?shù)據(jù)時(shí)必須首先過濾掉信息雜質(zhì)，抽取準(zhǔn)確的套管波及地層波信息，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)固井質(zhì)量。

確定正確的開窗時(shí)間是取用準(zhǔn)確套管波與地層波的首要條件。結(jié)合裸眼井測井資料并比對(duì)變密度波形，準(zhǔn)確計(jì)算開窗時(shí)間，利用時(shí)－頻分析區(qū)分套管波與地層波，計(jì)算出界面膠結(jié)指數(shù)，可以有效避免在錯(cuò)誤的開窗時(shí)間提取錯(cuò)誤的聲波信息，從而得到更加準(zhǔn)確的解釋結(jié)果?？焖俚貙拥墓叹|(zhì)量解釋可以通過以下3個(gè)步驟準(zhǔn)確提取套管波及地層波信息。對(duì)于雙層套管，也可以采用這種思路及方法，只不過將上述的地層換成外層套管即可，從而也可以得到較準(zhǔn)確的第Ⅰ、第Ⅱ界面的膠結(jié)指數(shù)，由此類推可以進(jìn)一步得到第Ⅲ、第Ⅳ界面的膠結(jié)指數(shù)。

2．1 根據(jù)裸眼測井資料判斷地層是否為快速地層

快速地層的自然伽馬、聲波時(shí)差及變密度波到時(shí)與慢速地層有較大的區(qū)別，其自然伽馬值一般小于10API，聲波時(shí)差在45～50μs／ft＊非法定計(jì)量單位，1ft＝12in＝0．3048m，下同范圍內(nèi)，聲波變密度的地層波相對(duì)于慢速地層明顯提前到達(dá)，并可根據(jù)裸眼測井資料明確不同井段的地層波傳播速度及首波到時(shí)T0（見圖1）。

圖1 CBL／VDL測井聲波發(fā)射及接收路徑圖

在裸眼井地層中，聲波從換能發(fā)射器以一定角度向外發(fā)射，聲波穿過距離為Lmo的鉆井液到達(dá)地層，然后沿地層傳播（距離Lf），之后再次穿過鉆井液后到達(dá)換能接收器，時(shí)間為T0。聲波在套管固井后的井筒中傳播過程是穿過距離為Lmc鉆井液、距離為Lc的套管、距離為Lcr的水泥石以及地層（距離Lf），然后穿過水泥環(huán)、套管及鉆井液到達(dá)換能接收器，時(shí)間為Tc。

式中，vm為聲波在已知密度的鉆井液傳播速度；vc為聲波在套管中的傳播速度；vm與vc均為已知。vcr為聲波在膠結(jié)質(zhì)量不同的水泥石中的傳播速度，聲波在不同膠結(jié)質(zhì)量的水泥中的傳播速度有一定差別，但聲波在水泥石中經(jīng)過的路程較短，所以水泥環(huán)基本上不對(duì)全波形產(chǎn)生影響［5］。聲波在水泥石中的傳播速度只與其密度有關(guān)，且根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)是可知的。根據(jù)裸眼井測井可以計(jì)算出地層的傳播速度，在固井后聲波在水泥石與地層耦合帶的傳播速度與裸眼井地層波傳播速度基本相同，由此可以準(zhǔn)確確定地層波首波到時(shí)Tc，然后確定地層波的開窗時(shí)間。

2．2 通過不同頻率及時(shí)－頻分析區(qū)分出套管波及地層波，并分別得到套管波及地層波能量

一般情況下，地層波和套管波信號(hào)的主頻不同，前者頻率低，后者頻率高［6－8］（見圖2），圖2 中TIMEFM為地層波到達(dá)時(shí)間；PWAVE為變密度波形頻率譜；GR為自然伽馬；WF2為5ft變密度波形。據(jù)此設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器并通過時(shí)－頻分析將套管波與地層波區(qū)分開［見圖3（a）］，地層波頻率范圍應(yīng)該在（9000～15000）Hz之間，套管波頻率范圍在（16000～22000）Hz之間；然后從信號(hào)中提取套管波及地層波的能量［見圖3（b）］。

圖2 變密度波形頻率分布圖

圖3 某深度點(diǎn)實(shí)際變密度波形及頻率分布圖

2．3 通過地層波、套管波能量計(jì)算第Ⅰ、Ⅱ界面膠結(jié)指數(shù)

分別計(jì)算套管波、地層波能量E套、E地，進(jìn)一步得到2個(gè)界面的膠結(jié)指數(shù)。第Ⅰ界面膠結(jié)指數(shù)

第Ⅱ界面膠結(jié)指數(shù)

式中，Ec，min為完全膠結(jié)段套管波能量；Ec，max為自由套管段套管波能量；Ef，min為自由套管段地層波能量；Ef，max為完全膠結(jié)段地層波能量。

3 固井質(zhì)量解釋實(shí)例

伊朗雅達(dá)油田兩層生產(chǎn)尾管（Φ177．8mm尾管及Φ114．3mm尾管）的固井質(zhì)量一直存在極大的爭議，在雙層套管井段的固井質(zhì)量解釋結(jié)果為差；尾管封固井段為碳酸鹽地層，以灰?guī)r居多，屬于快速地層，固井質(zhì)量解釋結(jié)果也為差。

3．1 雙層套管固井質(zhì)量解釋實(shí)例

F09井Φ114．3mm尾管全部位于Φ177．8mm套管內(nèi)，目的是封堵Φ177．8mm射孔炮眼，形成了非常典型的雙層套管結(jié)構(gòu)。

3．1．1 解釋結(jié)果比較

考慮到伊朗雅達(dá)油田雙層套管的解釋難度及復(fù)雜性，沒有解釋第Ⅱ界面固井質(zhì)量，只解釋了第Ⅰ界面。結(jié)果顯示第Ⅰ界面膠結(jié)質(zhì)量非常差，不合格段長所占比例高達(dá)95．2%，但使用本文介紹的新方法解釋結(jié)果為全井段均達(dá)到合格以上，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 F09井Φ114．3mm尾管固井質(zhì)量解釋表

圖4為F09井Φ114．3mm尾管固井質(zhì)量解釋圖（4150～4170m井段），常規(guī)法采用CBL值評(píng)價(jià)第Ⅰ界面，相對(duì)聲幅值均超過30%，部分段甚至超過50%，主要原因是沒有過濾掉外層套管（Φ177．8 mm尾管）的反射波，該反射波與該層套管（Φ114．3 mm尾管）的套管波疊加，從而增大了接收到的聲幅值，反映到圖4中即增大了相對(duì)聲幅值，常規(guī)法評(píng)價(jià)該段第Ⅰ界面固井質(zhì)量為差，此外也放棄了對(duì)第Ⅱ界面的評(píng)價(jià)。濾波法對(duì)第Ⅰ界面的評(píng)價(jià)為優(yōu)－合格，對(duì)第Ⅱ界面評(píng)價(jià)為合格。該評(píng)價(jià)結(jié)果與后續(xù)生產(chǎn)情況相吻合，該段上下均射孔測試，未發(fā)生層間竄通。

圖4 F09井Φ114．3mm尾管固井質(zhì)量解釋對(duì)比圖

3．1．2 射孔及后續(xù)生產(chǎn)情況

F09井Φ114．3mm尾管下入井段為3839～4262m，測聲幅井段3836．75～4212m，測量并解釋評(píng)價(jià)了絕大部分尾管封固井段。但是通過射孔及后續(xù)生產(chǎn)情況證實(shí)，4個(gè)界面均未發(fā)生竄通現(xiàn)象，生產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果見表2。這也表明現(xiàn)有的固井質(zhì)量解釋方法不能客觀反應(yīng)固井質(zhì)量，相對(duì)而言，新方法得出的結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

表2 F09井射孔情況表

3．1．3 現(xiàn)用固井質(zhì)量解釋方法產(chǎn)生偏差的原因

在3840～4221m層段存在明顯的內(nèi)外2個(gè)套管波（見圖5）。新方法計(jì)算出內(nèi)層套管波（Φ114．3mm）到達(dá)時(shí)間約為350μs，外層套管波（Φ177．8mm）時(shí)間約為375μs，兩者相差25μs，圖5中的內(nèi)外層套管波到時(shí)圖與理論計(jì)算值基本一致。在測井采集和解釋中可能忽視內(nèi)層套管波的存在，如深度為4160～4170m層段，從變密度看存在較強(qiáng)的內(nèi)層套管波，但測量記錄CBL值低；相反無內(nèi)層套管波層段，CBL值反而高。顯然現(xiàn)場選擇外層套管波到達(dá)時(shí)間作為套管波到達(dá)開窗時(shí)間，獲取的CBL信息錯(cuò)誤，所以依據(jù)CBL值評(píng)價(jià)第Ⅰ界面固井質(zhì)量有較大偏差，若利用變密度波形重新處理，計(jì)算套管波、地層波能量評(píng)價(jià)固井質(zhì)量，評(píng)價(jià)結(jié)果更可靠。

圖5 F09井Φ114．3mm尾管固井測井內(nèi)外層套管波圖

3．2 快速地層固井質(zhì)量解釋實(shí)例

圖6為一快速地層固井質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果圖，利用CBL值難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)固井質(zhì)量，對(duì)比TIMEFM和變密度發(fā)現(xiàn)，套管波和地層波到達(dá)時(shí)間相差不大，從變密度圖上難區(qū)分套管波和地層波，但從變密度波形的頻率譜上能夠區(qū)分套管波和地層波，因此利用套管波、地層波能量計(jì)算的第Ⅰ、第Ⅱ界面膠結(jié)指數(shù)能夠有效反映固井質(zhì)量。

圖6 快速地層固井質(zhì)量解釋圖

F09井Φ177．8mm尾管固井時(shí)，地層中存在多層段的快速地層。采用新的解釋方法重新評(píng)價(jià)后，發(fā)現(xiàn)第Ⅰ界面不合格比例降低了21．21%，第Ⅱ界面不合格比例降低了7．4%（見表3）。新方法的結(jié)果顯示固井質(zhì)量更好，也與實(shí)際情況更加吻合。

表3 F09井Φ177．8mm尾管固井質(zhì)量解釋表

3．3 射孔及后續(xù)生產(chǎn)情況

F15井Φ114．3mm尾管下入井段3763．73～4304m，測聲幅井段3710～4251m，測量解釋評(píng)價(jià)了絕大部分尾管封固井段。通過射孔及后續(xù)生產(chǎn)情況證實(shí)，地層間未發(fā)生竄通現(xiàn)象，生產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果見表4。進(jìn)一步證實(shí)現(xiàn)用的固井質(zhì)量解釋方法不能客觀反映固井質(zhì)量，而新方法得出的結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

表4 F15井射孔情況表

4 結(jié)論及建議

（1）常用的固井質(zhì)量解釋方法不適用特殊情況下的固井質(zhì)量解釋，尤其對(duì)于雙層套管及快速地層的固井質(zhì)量解釋準(zhǔn)確性較差，需要從解釋方法上改進(jìn)。

（2）利用裸眼測井資料準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)快速地層，計(jì)算出地層波到時(shí)，確定合理的開窗時(shí)間，通過時(shí)－頻分析區(qū)別套管波與地層波，計(jì)算界面膠結(jié)指數(shù)，可以定量判斷固井質(zhì)量。

（3）使用CBL／VDL測井解釋時(shí)，新方法解釋結(jié)果與后續(xù)生產(chǎn)情況反映出的情況更加接近。

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