固井水泥膠結聲波測井聲學機理探討

摘 要

摘要：當固井質量測井解釋結果與實際情況不一致時，常引起油氣田施工單位與設計部門的較多爭議。針對這一問題，利用聲波在兩介質分界面上的能量分配及聲耦合理論，建立了界面膠結模
摘要：當固井質量測井解釋結果與實際情況不一致時，常引起油氣田施工單位與設計部門的較多爭議。針對這一問題，利用聲波在兩介質分界面上的能量分配及聲耦合理論，建立了界面膠結模型，對目前固井質量評價方法進行了聲學機理研究。結果表明：水泥環(huán)的聲阻抗值與水泥膠結測井聲波值成反比；聲波變密度測井圖上，地層波能量強弱與固井質量的關系必須結合地層巖性及其聲阻抗來解釋分析，例如當?shù)貙訋r性為泥巖或石灰?guī)r時，地層波強有可能表示的是第二界面膠結質量差。該方法為固井質量的精細評價提供了理論參考。
關鍵詞：固井；界面膠結模型；測井；聲阻抗；聲耦合；聲學機理
    客觀、真實、合理地反映井下固井質量是后續(xù)完井、增產等工程措施設計和順利實施的保證。隨著固井面臨問題的復雜化，新型固井混合材質層出不窮，導致固井水泥膠結聲波測井結果各異，加上固井水泥膠結聲波測井解釋結果有時與實際固井質量不一致，引起油氣田施工與設計部門的較多爭議。
    目前國內各大油氣田均參照固井質量評價方法(SY/T 6592—2004)評價油氣井固井質量：CBL(水泥膠結聲波測井)曲線幅度值越低，則第一界面(套管-水泥環(huán))固井質量越好；VDL(變密度測井)圖上地層波能量顯示越強，則第二界面(水泥環(huán)地層)固井質量越好[1]。
    固井水泥膠結聲波測井的理論基礎是聲學原理。石一提出CBL首波組成是第一界面的反射波[2]。筆者針對目前固井質量評價中存在的諸多問題，利用兩介質分界面上聲波能量的分配及聲耦合理論，對SY/T 6592—2004中CBL/VDL解釋標準的理論基礎進行了機理研究，并建立了界面膠結模型，為固井質量的精細評價撼洪了理論參考。
1 界面膠結模型
    下面分第一界面與第二界面膠結質量均較好、第一界面固井質量不好、第二界面膠結質量較差3種情況進行直觀模型分析。

如圖1所示，當?shù)谝唤缑媾c第二界面固井質量良好，說明固井水泥環(huán)與套管、地層“緊密接觸”，套管與水泥，水泥與地層之間均無竄槽，從聲學意義上理解，套管與水泥、水泥與地層之間均無第三介質的存在(聲波穿過套管直接進入水泥環(huán)，穿過水泥環(huán)直接進入地層)。由聲波在兩介質分界面上各聲學參數(shù)定義，可以得到固井第一界面膠結好時的參數(shù)如下：
 
    引用基礎聲學理論分析可知[2～4]：從式(1)與式(3)可見：因鋼的密度與聲速均遠遠超過水泥環(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為負值。當水泥環(huán)聲阻抗越大，越接近套管聲阻抗時，R→0，D→1，此時，聲波將會更多地從套管透射入水泥環(huán)，即此時CBL測井聲波值會更低；從式(2)和式(4)可見：當水泥環(huán)聲阻抗值越大，越接近套管聲阻抗值時，σ→0，β→1，聲波能量將會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，針對第一界面，當水泥環(huán)聲阻抗值越大；CBL聲幅值越低，在這個意義上，水泥環(huán)聲阻抗與CBL聲幅值成反比。
    VDL測井時，聲波必須經(jīng)由第一界面?zhèn)鞯降诙缑妫蚨鴮Φ谝唤缑婀叹|量準確、合理、客觀地評價是進行第二界面固井質量評價的基礎，對CBL曲線進行綜合解釋非常關鍵。
    同理可得第二界面膠結好時各參數(shù)公式：
   

    如圖2所示，當?shù)谝唤缑婺z結不好時，即套管與水泥環(huán)并未“緊密接觸”，在套管與水泥環(huán)之間存在另外一個介質(第三介質)，聲波水泥膠結測井時，測得的CBL幅度曲線反映的是套管與第三介質界面的能量分配關系。當?shù)谝唤缑婺z結不好：油、氣、水竄時，第三介質反映為油、氣、水；當套管與水泥環(huán)間存在鉆井液、隔離液或濾餅等時，第三介質則反映為鉆井液、隔離液或濾餅等固液混漿。第一界面竄槽或膠結不好時，套管與水泥之間存在一個氣體或凼液混漿帶，其聲阻抗為Z4。此時，式(1)～(4)中的Z2變成Z4。即：
   
    如圖3所示，當?shù)诙缑婺z結質量較差時，與前面對第一界面膠結不好的分析類似，水泥環(huán)與地層之間存在第三介質，第三介質一般反映為氣體、液體或固液混漿。
  

    第二界面竄槽或膠結不好時，水泥環(huán)與地層之間存在一個氣體或固液混漿帶，其聲阻抗為Z5。此時，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不好帶、第二界面竄槽帶或膠結不好帶的聲阻抗值分別為Z1、Z2、Z3、Z4、Z5。竄槽帶或膠結不好的區(qū)域一般為氣體、液體或固液混漿帶。表1。是常見物質的聲學參數(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。而水泥環(huán)與地層的聲阻抗值大小關系是隨著地層巖性的變化而變化的。
表1 常見物質(固井時井下介質)的聲學參數(shù)表
物質
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
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 第一界面解釋標準的理論分析
第一界面膠結好時的反射能量與膠結不好時的反射能量的差值為：
 
第一界面膠結好時的透射能量與膠結不好時的透射能量的差值為：
 
    由于Z1＞Z2＞Z4，因此σ-σ1＜0而β-β1＞0，即第一界面膠結好時，反射能量比膠結不好時的反射能量要小，透射能量比膠結不好時的透射能量要大。換言之，膠結好時，能量大部分進入水泥環(huán)，較少折回到聲波接收器。套管外壁與水泥膠結越好，聲波能量從套管越過界面向水泥傳遞時，套管波能量越?。环粗坠苤械穆暡芰烤驮酱?；若沒有水泥，套管中的聲波能量就可達到最大值。在膠結完好的井段，呈現(xiàn)聲波幅值很低的平滑曲線，膠結較差的井段會出現(xiàn)較大的異常。聲波幅度測井(CBL)測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)之間有無第三介質及第三介質的聲阻抗大小。
    當?shù)谌橘|為氣體時，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為油、水、鉆井液時返回的能量要大得多。這就是為什么在微環(huán)隙為氣體充滿時現(xiàn)場解釋尤其困難的原因。
3 第二界面解釋標準的理論分析
    第二界面膠結好時的反射能量與膠結不好時的反射能量的差值為：
   
    第二界面膠結好時的透射能量與膠結不好時的透射能量的差值為：
   
    由Z1＞(Z3、Z2)＞(Z4、Z5)，推導不出兩個差值的正負號，筆者引入聲耦合率理論來探討第二界面的解釋標準。
聲耦合率公式定義為：
 
    實踐證明M越接近于1(即兩種介質聲阻抗值越接近)，聲波越容易由入射介質傳入透射介質，入射介質中聲波能量就越小，反之入射介質中聲波能量就越大。為討論方便，筆者引入耦合度(Y)的概念，將入射介質與透射介質的聲阻抗差的絕對值定義為耦合度：
    Y=|Z入射介質-Z透射介質|    (22)
    即Y越小，兩個介質的耦合度越好，聲波能量越容易由入射介質傳入透射介質，回到入射介質中的能量就越小。
第二界面膠結較好時，水泥環(huán)與地層之間的聲耦合率為：
 
第二界面膠結不好時，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。對應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當水泥環(huán)與地層間存在第三種介質(第二界面膠結不好時)，且這種介質為氣體時，Z5的值為0.0004×106～0.04×106kg/(m2·s)；當這種介質為固液混漿時，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?shù)貙訋r性為泥巖時，地層聲阻抗值(Z3)為4.7×106～10.1×106kg/(m2·s)；當?shù)貙訋r性為砂巖時，地層聲阻抗值為14.6×106kg/(m2·s)；當?shù)貙訋r性為石灰?guī)r時，地層聲阻抗值為12×106～16.6×106kg/(m2·s)。下面分情況對耦合度Y1與Y2進行分析。
3.1 當?shù)貙訋r性為泥巖時
   Y1的值為0～8.3×106kg/(m2·s)，第二界面膠結狀況差時：①竄槽帶為氣體時，Y2值為1.76×106～6.9996×106kg/(m2·s)；②竄槽帶為固液混漿時，Y2值為0～5.5×106kg/(m2·s)。從Y1與Y2的值的比較可以看出，這兩個值大小關系并不明了。下面分3種情況進行討論。當Y1=Y2時，水泥環(huán)與地層間存在的第三介質無論是氣體還是固液混漿帶，或者水泥環(huán)與地層間膠結很好的情況下，其在VDL圖像上地層波的強弱顯示是相同的；當Y1＞Y2時，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的聲阻抗值，此時，水泥環(huán)與地層間膠結較好時，VDL圖像上返回的地層波能量會比膠結不好時返回的能量要強；當Y1＜Y2時，即與第三介質的聲阻抗值相比，水泥環(huán)的聲阻抗更接近于地層的聲阻抗值，此時，水泥環(huán)與地層間膠結較好時，VDL圖像上顯示的返回波能量會比膠結不好時返回的能量要弱，這樣常常造成VDL圖像解釋的誤判。即膠結不好時，返回的地層波能量強，而膠結好時返回地層波的能量要弱，這與VDL圖像解釋的現(xiàn)行標準正好相反。
3.2 當?shù)貙訋r性為砂巖時
    Y1的值為7.6×106～12.8×106kg/(m2·s)，第二界面膠結差時：①竄槽帶為氣體時，y：的值為1.76×106～6.9996×106kg/(m2·s)；②竄槽帶為固液混漿時，Y2的值為0～5.5×106kg/(m2·s)。從上面兩種情況可以看出，當?shù)貙訋r性為砂巖時，Y1是恒大于Y2的，即水泥環(huán)與地層間膠結較好時，VDL圖像上返回的地層波能量會比膠結不好時返回的能量要強。
3.3 當?shù)貙訋r性為石灰?guī)r時
    Y1值為5×106～11.6×106kg/(m2·s)，第二界面膠結差時：①竄槽帶為氣體時，Y2值為1.76×106～6.9996×106kg/(m2·s)；②竄槽帶為固液混漿時，Y2值為0～5.5×106kg/(m2·s)。當?shù)貙訋r性為石灰?guī)r時，可以看出，Y1基本上是大于Y2的，但兩者在小范圍內還是有可能相等甚至Y1＜Y2。對兩個值大小的分析可以參考地層巖性為泥巖時的分析方法。值得一提的是，當井深一定時，石灰?guī)r由于受到高溫高壓或壓實作用的影響，其聲阻抗值是偏大的。在地層巖性為石灰?guī)r時，對VDL的解釋標準應該還是依照現(xiàn)有解釋標準來執(zhí)行，即地層波較強時，第二界面的膠結狀況較好。
    通過以上分析可知：掌握井下不同壓力、不同溫度、不同巖性的地層的聲學特性對固井第二界面膠結質量評價是至關重要的。
4 結論
    1) 對第一界面固井質量準確、合理、客觀地評價是進行第二界面固井質量評價的基礎。
    2) 水泥環(huán)聲阻抗是影響固井質量評價的本質因素之一，其與CBL幅度值成反比。
    3) 對第二界面的固井質量評價依賴于水泥環(huán)聲阻抗與地層巖性聲阻抗的相對大小。當?shù)貙訋r性為泥巖或石灰?guī)r時，地層波強有可能表示的是膠結差。
參考文獻
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[2] 石一.固井聲幅首波初釋[J].測井技術，1981，5(1)：1-6.
[3] 鄭友志，郭小陽，蔣永祥，等.混合材水泥漿組分與強度性能對水泥石聲速特征的影響研究[J].天然氣工業(yè)，2005，25(11)：59-61.
[4] 鄭友志，郭小陽，梁濤，等.混合材水泥石微觀結構對其聲學特性的影響[J].功能材料，2007，38(A10)：84-88.
[5] 劉向君，劉堂晏，劉詩瓊.測井原理及工程應用[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 唐詩國1 郭小陽6 1.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院；2.中國石化石油工程西南公司測井分公司；3.仁智實業(yè)有限責任公司；4.重慶科技學院石油工程學院5.中國石油天然氣集團公司川慶鉆探工程公司；6.西南石油大學)