陣列聲波測井評價儲氣庫大直徑套管固井質量

傅永強，陳建波，劉可可，王天雨，麻超，劉似晏

（中國石油集團測井有限公司遼河分公司，遼寧 盤錦 124010）

0 引 言

地下儲氣庫是將采出天然氣通過管道輸送到用戶附近，通過井把天然氣重新注入地下能夠保存氣體的空間，從而形成一種人工天然氣藏。中國從20世紀90年代開始建設地下儲氣庫，先后在大港、華北、金壇、遼河、長慶等地區開展了地下儲氣庫建庫技術研究與實踐。隨著地下儲氣庫在國內高速發展，為保證地下儲氣庫井的大排量高速注采，在鉆井及完井設計中采用大尺寸井身結構，導致建設工程難度大[1-4]。地下儲氣庫的完整性評價是保障其安全生產運行的關鍵，評價的對象包括地質構造、井筒和地面設備等。在大流量注采工況下，地下儲氣庫注采使井筒承受大壓差交變載荷，極易出現固井水泥環破裂、部分井環空出現帶壓，導致天然氣泄漏，危及地下儲氣庫的安全生產。因此，固井質量評價在地下儲氣庫工程評價中顯得尤為重要。大直徑水平井的井身結構設計技術在保障地下儲氣庫高效運行的同時，也給固井評價帶來了新的挑戰。當前應用最為廣泛的固井質量測井方法仍然是聲幅-變密度測井，該方法通過測量源距為3 ft** 非法定計量單位，1 ft=12 in= 0.304 8 m，下同的套管波首波幅度和源距為5 ft的全波列變密度，評價套管與水泥環膠結面（Ⅰ界面）和水泥環與地層膠結面（Ⅱ界面）的膠結情況。喬文孝等[5]研究了套管直徑對聲波測井的影響，研究結果表明，對于自由套管井段的聲波測井，當套管直徑增大時，套管波首波幅度減小、視到時增大、主頻明顯降低，在設計和制造套管井聲波測井儀器時應盡量使用寬頻帶聲波換能器。這也證明了套管尺寸對直接采集的聲幅曲線有較大的影響，為避免套管尺寸和壓井液密度對聲幅曲線產生影響，可通過測量聲幅與自由套管聲幅的比值對聲幅進行刻度，并獲得聲幅曲線。但地下儲氣庫固井水泥返至地表，無法獲得當前測量環境的自由套管聲幅，這種消除環境因素的評價方式在現場中無法使用。胡文祥等[6]通過對套管外不同聲速的3 種地層在不同膠結情況下的長源距聲波資料進行時頻分析，認為長源距全波資料可以采用套管波首波幅度和頻率信息評價Ⅰ界面和管外水泥充填情況。Wang 等[7]認為超聲成像在特定的超聲頻率范圍內采用新的定向發射器能評價Ⅱ界面。Van 等[8]提出了新的超聲成像方法，Haldorsen 等[9]提出了利用新儀器對雙層套管的評價方法，這些新的方法均受套管偏心和膠結界面的粗糙程度影響。Tubman等[10-11]數值模擬各種水泥膠結狀況對聲波測井波形的影響，指出套管和水泥環之間存在流體環，這使套管波首波幅度變大、振動持續時間變長，導致淹沒后續的地層波信息。大尺寸套管的使用和慢速地層增加了固井質量的評價難度，導致傳統的聲幅-變密度測井不能客觀、準確地評價固井質量。

本文利用陣列聲波單極波列數據，通過計算套管波衰減率，在頻域內分析套管波、地層波，統計其出現頻數，并分析慢速斯通利波隨頻率的變化；利用這些與界面膠結和填充率緊密相關的參數對大直徑套管固井質量進行綜合評價，彌補傳統聲幅-變密度測井對大直徑套管固井質量評價的缺陷與不足。

1 大直徑套管聲波的波形特征

聲波在大直徑套管環境中傳播，其在井筒流體中傳播距離更長，在自由套管條件下，套管尺寸越大，套管波首波幅度越低。采用聲幅-變密度儀器（源距為3 ft）記錄不同套管尺寸的自由套管波形，將從大到小套管的波列按順序偏移300 mV后進行比較（見圖1），可以觀察到，隨套管尺寸增加，套管波首波幅度明顯變小。在Ⅰ界面評價中，聲幅測井采用自由套管刻度，隨著套管尺寸變大，其對Ⅰ界面膠結程度的分辨能力變低。

圖1 常規聲幅與套管尺寸變化關系

在大套管和慢速地層井況下，短源距接收器記錄的套管波位置清晰，但套管后續波、地層縱波、斯通利波在時域內互相疊加。隨源距增大，記錄的各類波在時域內逐漸分離，且斯通利波振相占主要地位。圖2是套管直徑為339.7 mm、地層為慢速地層時的變密度對比圖，將陣列聲波儀器記錄的源距為12 ft的變密度與聲幅-變密度儀器記錄的源距為5 ft的變密度進行對比，可以觀察到陣列聲波儀器采用數字增益技術，其幅度動態范圍和采集波列時長優于聲幅-變密度儀器；源距5 ft的變密度的波峰、波谷與深度軸平行，不能區分套管后續波與地層波；在陣列聲波記錄的源距為12 ft的變密度圖中可明顯觀察到套管首波、地層波、斯通利波等，說明陣列聲波測井評價固井質量具有極大的優勢，能夠清晰區分套管波、地層波、斯通利波等。

圖2 5 ft與12 ft變密度對比圖（軟地層）

理論模擬與實際的資料分析表明，Ⅰ界面和Ⅱ界面的膠結情況嚴重影響聲波測井的波形特征。當I界面和II界面耦合良好時，常規地層套管井中的斯通利波強度比裸眼井中的斯通利波強很多，而其縱波（P）、橫波（S）以及偽瑞利波振幅遠小于裸眼井相應值，套管井中各波的到時也稍微提前，但套管和水泥層的存在并不影響P波和S波的測量；慢速地層中，套管對聲波影響更大，與常規地層相似，占主導地位的振相仍為斯通利波，P波速度可測，而無S波。綜上所述，斯通利波主要受剛度很強的鋼套管控制，而對套管外地層并不敏感[12]。

圖3為軟地層在不同套管尺寸情況下陣列聲波測量的源距為12 ft的變密度圖。從圖3可以看出，無明顯的套管波，地層縱波明顯，斯通利波能量大，斯通利波振相占主導地位；隨套管尺寸的增加，各波到時變大，但并不影響套管波和地層波速度計算結果。因此，在大直徑套管井筒中，陣列聲波的單極波列在時域內從幅度和到時可清晰劃分套管波與地層波，能夠利用套管波衰減率、對波列進行時頻分析獲得套管波和地層波的數量，可用于評價Ⅰ、Ⅱ界面膠結指數[13]；同時利用時頻分析獲得慢速斯通利波隨頻率的變化，評價套管與地層間液體環厚度[14]，為綜合評價固井質量提供客觀可靠的資料。

圖3 不同尺寸套管陣列聲波變密度對比圖（軟地層）

2 陣列聲波測井評價固井質量的方法

2.1 基于套管波衰減率的固井質量評價方法

聲幅-變密度測井評價固井質量是采用3 ft源距的聲幅與自由套管聲幅比值評價I界面、5 ft變密度地層波能量評價II界面，該方法同樣可應用于陣列聲波評價固井質量。地下儲氣庫固井水泥返至地面，無自由套管，不能采用自由套管刻度的聲幅評價固井質量，可采用套管波衰減率進行固井質量評價。聲發射換能器產生的聲波，在從近接收器沿著套管傳播至遠接收器的過程中，單位距離發生的套管波幅度減小，從而得到套管波衰減率。通過提取陣列聲波各接收器第1個套管波幅度，得到不同間距套管波幅度，利用套管波幅度與接收器間距可評價套管波衰減率，相鄰接收器間的套管波衰減率為

式中，α為套管波衰減率，dB/m；X為接收器間距，m；Ai、Ai+1為接收器提取的套管波首波幅度，該首波幅度為原始記錄。

通過陣列的組合可獲得同一深度多組相鄰接收器的套管波衰減率，對其進行累計取均值，獲得縱向高分辨率的可靠性評價結果。從式 （1）可見，套管波衰減率由源距以及相鄰2個接收器的套管波幅度取對數的斜率確定，也可采用多接收器套管波幅度取對數，并采用線性回歸斜率法獲得套管波衰減率，避免了聲幅-變密度測井評價Ⅰ界面需要自由套管刻度的要求。

2.2 基于頻率域套管波與地層波分析的固井質量評價方法

分析頻率與時差關系的方法很多，Nolte等[15]利用加權頻譜相干法分析出撓曲波頻散獲得的橫波時差具有穩定性好、精度高的優點，該方法也可以用于其他波的時頻分析。本次研究采用該方法對大直徑套管井中陣列聲波波列進行頻率—時差關系分析，圖4為典型固井質量差和固井質量好的陣列聲波頻率—時差分布圖。圖 4 （a）為膠結差的頻率—時差分布圖，觀察到在12 ～20 kHz頻帶內套管波明顯，在4 ～6 kHz頻帶內出現少量地層波。圖 4 （b）為膠結好的頻率—時差分布圖，觀察到在整個頻段內無套管波，在8 ～12 kHz頻帶內地層波數量多。這說明通過套管波與地層波在頻帶內出現的頻次可以評價固井質量，即可以通過統計套管波及地層波在各頻帶出現頻次評價I、II界面膠結特性。同時也表明了在膠結差的情況下，通過分析陣列聲波頻率—時差分布譜也能獲得地層波時差，只是出現的頻帶較低、帶寬較窄。

圖4 不同固井質量頻率—時差分布圖

固井水泥返高以上井段，套管與地層之間無水泥充填膠結，為自由套管，在自由套管層段，只能接收到大量的套管波，不能接收到地層波；I、II界面膠結好，水泥充填率高，則只出現地層波，可通過套管波和地層波出現的頻次來定性劃分固井質量級別。通過分析，套管波和地層波在各頻帶出現的頻次累計接近于一個穩定的常數，利用這一特征，計算I、II界面膠結指數為

式中，Nca為套管波在各頻帶累計頻次；Nfm為地層波各頻帶累計頻次；Nmax為套管波和地層波最大累計頻次。利用式（2）和式（3）計算I、II界面膠結指數，可對固井質量進行I、II界面分級評價。

2.3 基于慢速斯通利波的固井質量評價方法

Wang等[16]利用多物理場建模與仿真模型分析套管浸入水中、井筒自由套管、套管與地層完全膠結、液體環位于套管與水泥環間、液體環位于水泥環內和液體環位于水泥環與地層間等多種情況下，陣列聲波測井在不同源距接收器接收到的波列。套管外無膠結、液體環位于Ⅰ界面或Ⅱ界面以及水泥環內時出現慢速斯通利波，當套管壁厚為常數，外徑與內徑比越大，慢速斯通利波速度對管外液體環厚度越敏感，且慢速斯通利波速度與液體環厚度和慢速斯通利波頻率都相關，Wang等[16]建立了三者之間的關系圖版，從理論和仿真模型論證了慢速斯通利波能夠反映管外液體環厚度。

本次研究在4種不同的套管尺寸（177.8、244.5、339.7、508.0 mm）下對陣列聲波儀器采集的單極資料進行頻率—時差頻譜分析，陣列聲波采集的實際測井資料從時域和頻率—時差關系均觀察到慢斯通利波的出現（見圖5）。圖 5 （a）展示了固井質量較好的情況下，因慢速斯通利波主要集中在3 ～7 kHz，采用該頻帶對8個陣列接收器波列進行濾波后與原始波列進行對比，可以更清晰地在波列圖上觀察到2個速度不同的斯通利波的變化。圖 5 （b）為頻率—時差分布圖，可以明顯觀察到慢速斯通利波時差隨頻率增大逐漸變小的特征，與理論模擬結果一致。

圖5 慢速斯通利波時差分析圖

利用Wang等[16]研究的套管外液體環厚度、頻率和慢速斯通利波理論關系圖版，選擇在陣列聲波單極上慢速斯通利波明顯、且慢速斯通利波時差對不同液體環厚度分辨能力強的3 ～7 kHz頻段作為評價液體環厚度的頻段（見圖6），計算液體環厚度。利用加權譜相關法，對在3 ～7 kHz頻帶內的斯通利波進行提取，獲得其隨頻率變化的特征，利用慢速斯通利波與頻率關系獲得套管外流體環厚度，流體環厚度與環空間厚度的比值為環空水泥充填率。

圖6 慢速斯通利波時差與頻率和液體環厚度圖

3 應用實例

遼河油田雙6地下儲氣庫井采用大直徑井身設計，五開鉆完井（見圖7），固井評價的套管尺寸包括177.8、244.5、339.7、508.0 mm，尤其在表層、中完套管的尺寸達508.0 mm和339.7 mm，表層及中完井段地層為慢速地層。聲幅-變密度儀器采集的變密度僅能觀察到套管波信號及部分后續波信號，未觀察到明顯的地層信號，僅能評價Ⅰ界面，不能對環空水泥及Ⅱ界面進行評價；且管外微環隙的存在對聲幅影響很大，導致僅用聲幅進行固井質量評價的結果指示固井質量差。

圖7 雙6-HX套管結構示意圖

基于陣列聲波單極測井資料和上述討論的3種固井質量評價方法，利用雙6地下儲氣庫中的多口大直徑井筒中采集的陣列聲波單極資料進行固井質量評價。利用套管波衰減率評價Ⅰ界面膠結、頻率域套管波與地層波出現頻數評價Ⅰ、Ⅱ界面膠結，慢速斯通利波隨頻率變化評價套管外流體環厚度，均取得了較好的效果。

以雙51-HX井855 ～1 000 m井段聲幅-變密度與陣列聲波評價成果為例（見圖8）進行分析對比。該段地層為館陶組，地層巖性為疏松砂礫巖，縱波時差主要集中在125.0 μs·ft-1左右，為典型的慢速地層。鉆頭尺寸444.5 mm，套管外徑339.7 mm，水泥返至地表。

圖8 雙51-HX井聲幅-變密度與單極波列評價固井質量圖

從圖8中可以看出常規聲幅數值均在10%及以下，指示固井質量好，但5 ft變密度卻觀察到波列整體上與深度平行，為明顯的套管后續波，未觀察到明顯的地層波，常規聲幅-變密度評價的Ⅰ界面膠結好，Ⅱ界面未膠結，顯然與固井工程施工觀察到的結果存在矛盾。而陣列聲波12 ft變密度圖可以觀察到在多數井段無套管波，明顯觀察到地層波。利用陣列聲幅評價的Ⅰ界面套管波衰減率與利用套管波量評價的Ⅰ界面膠結指數，這2種方法得到的結果具有良好的對應性；地層波評價的Ⅱ界面膠結指數多數在90%以上，指示該井段Ⅱ界面總體膠結良好；根據慢速斯通利波計算的液體環多數約1.0 mm，整段水泥充填率均在99%以上，指示該段地層水泥充填率高。僅在875 ～885 m、950 ～965 m、995 ～1 000 m這3個井段有明顯的套管波且套管后續波很明顯，套管波衰減率均小于5.2 dB/ft，指示Ⅰ界面膠結差，利用套管波頻數計算的Ⅰ界面膠結指數約50%，同樣指示出Ⅰ界面膠結差；這3個井段的Ⅱ界面膠結指數均在80%以上，管外液體環在1.0 ～2.0 mm，略有增大，綜合判斷為Ⅱ界面膠結好。綜合分析該井段固井質量，Ⅰ、Ⅱ界面總體膠結好。通過多角度的綜合分析評價，為該井提供了客觀、準確的固井質量評價結果。

4 結 論

（1）陣列聲波單極波列在大直徑套管中記錄的聲波振幅范圍大且頻率動態范圍廣，在大直徑井筒、慢速地層環境下，通過套管井陣列聲波評價固井I、II界面膠結質量，彌補了常規聲幅-變密度在大直徑井筒條件下的不足。

（2）利用陣列聲波的套管波衰減率、套管波和地層縱波出現頻數，并結合慢速斯通利波時差與頻率關系，能夠客觀地評價Ⅰ、Ⅱ界面膠結程度和管外水泥充填情況。

（3）在固井質量較差的井段，采集的陣列聲波資料也能提取地層波的速度信息，在一些惡劣井筒環境下（大直徑井筒、長水平井等），因環境和施工原因導致在裸眼井中采集聲波資料難度大。通過固井后采集陣列聲波資料，利用頻率—時差分析的方法提取時差并評價固井質量，可提高作業時效和降低作業風險。

（4）利用3種固井質量評價的方法從多角度評價大直徑井筒固井質量，互相印證評價，效果較好。采用頻域套管波、地層波分析Ⅰ、Ⅱ界面膠結及慢斯通利波評價水泥充填率的固井質量評價方法也可用于常規直徑套管的固井質量綜合評價分析。