阵列声波测井评价储气库大直径套管固井质量_傅永强.pdf

Vol.46 No.6 Dec 2022第46卷 第6期 2022年12月测 井 技 术WELL LOGGING TECHNOLOGY文章编号：10041338（2022）06076806阵列声波测井评价储气库大直径套管固井质量傅永强，陈建波，刘可可，王天雨，麻超，刘似晏（中国石油集团测井有限公司辽河分公司，辽宁 盘锦 124010）摘要：经过多年探索中国地下储气建设进入高速发展阶段，为保证地下储气库井大排量高速注采，需采用大直径套管完井，理论和实际资料指出广泛应用的声幅-变密度测井在大直径套管固井质量评价中存在不足。为解决大直径套管固井质量评价问题，利用阵列声波资料计算套管波衰减率，在频域内统计套管波、地层波出现的频数以及慢速斯通利波时差变化等与固井质量密切相关的参数，综合评价地下储气库大直径井筒固井质量的、界面胶结程度和水泥充填率。该方法在双6地下储气库建设中取得较好的应用效果，为大直径套管固井质量评价提供了新方法。关键词：地下储气库；大直径套管；固井质量；声幅-变密度测井；阵列声波测井中图分类号：P631.84 文献标识码：ADoi:10.16489/j.issn.10041338.2022.06.020Cementing Quality Evaluation with Array Acoustic Logging for Large Diameter Casing Wells in Underground Gas StorageFU Yongqiang,CHEN Jianbo,LIU Keke,WANG Tianyu,MA Chao,LIU Siyan(Liaohe Branch,China National Logging Corporation,Panjin,Liaoning 124010,China)Abstract:The construction of underground gas storage(UGS)in China,after many years of exploration,has entered a high speed development stage.In underground gas storage,large diameter vertical or horizontal wells are drilled for a high speed and large displacement injection and production.Both the theoretical and practical data have shown that the widely used acoustic amplitude and variable density logging is inadequate in large diameter casing cementing quality evaluation.In order to solve the problem of evaluating the cementing quality of large-diameter casing,we use array acoustic data to calculate the attenuation rate of casing wave amplitude,the amount of casing wave and formation wave in the frequency domain,and the slowness change of Stoneley wave,which is closely related to the cementing quality,to comprehensively evaluate the cementing degree of interface I and II and the cement filling rate of large-diameter casing cementing quality of gas storage.This method applies satisfatorily in block Shuang 6 in UGS,provides a new solution to the evaluation of the cementing quality for large diameter casing and has the value of promotion.Keywords:underground gas storage;large diameter casing;cement job quality;acoustic amplitude and variable density logging;array acoustic logging0 引 言地下储气库是将采出天然气通过管道输送到用户附近，通过井把天然气重新注入地下能够保存气体的空间，从而形成一种人工天然气藏。中国从20世纪90年代开始建设地下储气库，先后在大港、华北、金坛、辽河、长庆等地区开展了地下储气库建库技术研究与实践。随着地下储气库在国内高速发展，为保证地下储气库井的大排量高速注采，在钻井及完井设计中采用大尺寸井身结构，导致建设工程难度大 1-4。地下储气库的完整性评价是保障其安全生产运行的关键，评价的对象包括地质构造、井筒和地面设备等。在大流量注采工况下，地下储气库注采使井筒承受大压差交变载荷，极易出现固井水泥环破裂、部分井环空出现带压，导致天然气泄漏，危及地下储气库的安全生产。因此，固井质量评价在地下储气库工程评价中显得尤为重要。大直径水平井的井身结构设计技术在保障地下储气库高效运行的同时，也给固井评基金项目：中国石油集团测井有限公司研究基金“储气库全生命周期测井关键技术研究”（CPL-2021-B06）第一作者：傅永强，男，1968 年生，高级工程师，硕士，从事测井资料综合评价。E-mail：lh_傅永强，等：阵列声波测井评价储气库大直径套管固井质量第46卷 第6期769 价带来了新的挑战。当前应用最为广泛的固井质量测井方法仍然是声幅-变密度测井，该方法通过测量源距为3 ft*的套管波首波幅度和源距为5 ft的全波列变密度，评价套管与水泥环胶结面（界面）和水泥环与地层胶结面（界面）的胶结情况。乔文孝等5研究了套管直径对声波测井的影响，研究结果表明，对于自由套管井段的声波测井，当套管直径增大时，套管波首波幅度减小、视到时增大、主频明显降低，在设计和制造套管井声波测井仪器时应尽量使用宽频带声波换能器。这也证明了套管尺寸对直接采集的声幅曲线有较大的影响，为避免套管尺寸和压井液密度对声幅曲线产生影响，可通过测量声幅与自由套管声幅的比值对声幅进行刻度，并获得声幅曲线。但地下储气库固井水泥返至地表，无法获得当前测量环境的自由套管声幅，这种消除环境因素的评价方式在现场中无法使用。胡文祥等6通过对套管外不同声速的3种地层在不同胶结情况下的长源距声波资料进行时频分析，认为长源距全波资料可以采用套管波首波幅度和频率信息评价界面和管外水泥充填情况。Wang等7认为超声成像在特定的超声频率范围内采用新的定向发射器能评价界面。Van等8提出了新的超声成像方法，Haldorsen等9提出了利用新仪器对双层套管的评价方法，这些新的方法均受套管偏心和胶结界面的粗糙程度影响。Tubman等10-11数值模拟各种水泥胶结状况对声波测井波形的影响，指出套管和水泥环之间存在流体环，这使套管波首波幅度变大、振动持续时间变长，导致淹没后续的地层波信息。大尺寸套管的使用和慢速地层增加了固井质量的评价难度，导致传统的声幅-变密度测井不能客观、准确地评价固井质量。本文利用阵列声波单极波列数据，通过计算套管波衰减率，在频域内分析套管波、地层波，统计其出现频数，并分析慢速斯通利波随频率的变化；利用这些与界面胶结和填充率紧密相关的参数对大直径套管固井质量进行综合评价，弥补传统声幅-变密度测井对大直径套管固井质量评价的缺陷与不足。1 大直径套管声波的波形特征声波在大直径套管环境中传播，其在井筒流体中传播距离更长，在自由套管条件下，套管尺寸越大，套管波首波幅度越低。采用声幅-变密度仪器（源距*非法定计量单位，1 ft=12 in=0.304 8 m，下同为3 ft）记录不同套管尺寸的自由套管波形，将从大到小套管的波列按顺序偏移300 mV后进行比较（见图1），可以观察到，随套管尺寸增加，套管波首波幅度明显变小。在界面评价中，声幅测井采用自由套管刻度，随着套管尺寸变大，其对界面胶结程度的分辨能力变低。04008001 200传播时间/s0300-2006009001 200幅度/mV508.0 mm339.7 mm244.5 mm177.8 mm套管直径图1 常规声幅与套管尺寸变化关系在大套管和慢速地层井况下，短源距接收器记录的套管波位置清晰，但套管后续波、地层纵波、斯通利波在时域内互相叠加。随源距增大，记录的各类波在时域内逐渐分离，且斯通利波振相占主要地位。图2是套管直径为339.7 mm、地层为慢速地层时的变密度对比图，将阵列声波仪器记录的源距为12 ft的变密度与声幅-变密度仪器记录的源距为5 ft的变密度进行对比，可以观察到阵列声波仪器采用数字增益技术，其幅度动态范围和采集波列时长优于声幅-变密度仪器；源距5 ft的变密度的波峰、波谷与深度轴平行，不能区分套管后续波与地层波；在阵列声波记录的源距为12 ft的变密度图中可明显观察到套管首波、地层波、斯通利波等，说明阵列声波测井评价固井质量具有极大的优势，能够清晰区分套管波、地层波、斯通利波等。理论模拟与实际的资料分析表明，界面和界面的胶结情况严重影响声波测井的波形特征。当I界面和II界面耦合良好时，常规地层套管井中的斯通利波强度比裸眼井中的斯通利波强很多，而其纵波（P）、横波（S）以及伪瑞利波振幅远小于裸眼井相应值，套管井中各波的到时也稍微提前，但套管和水泥层的存在并不影响P波和S波的测量；慢速地层中，套管对声波影响更大，与常规地层相似，占主导地位的振相仍为斯通利波，P波速度可测，而无S波。综上所2022年测 井 技 术770 述，斯通利波主要受刚度很强的钢套管控制，而对套管外地层并不敏感12。860870880自然伽马/API0150磁定位/mV-1 0005 ft 变密度12 ft 变密度深度/m20001 0002 000200mV080mVs2006 200s图2 5 ft与12 ft变密度对比图（软地层）图3为软地层在不同套管尺寸情况下阵列声波测量的源距为12 ft的变密度图。从图3可以看出，无明显的套管波，地层纵波明显，斯通利波能量大，斯通利波振相占主导地位；随套管尺寸的增加，各波到时变大，但并不影响套管波和地层波速度计算结果。因此，在大直径套管井筒中，阵列声波的单极波列在时域内从幅度和到时可清晰划分套管波与地层波，能够利用套管波衰减率、对波列进行时频分析获得套管波和地层波的数量，可用于评价、界面胶结指数13；同时利用时频分析获得慢速斯通利波随频率的变化，评价套管与地层间液体环厚度14，为综合评价固井质量提供客观可靠的资料。030012 ft 变密度（244.5 mm 套管）smV5005 5002 3902 4002 4100150mV5005 5002 1402 1502 16012 ft 变密度（339.7 mm 套管）s深度/m深度/m图3 不同尺寸套管阵列声波变密度对比图（软地层）2 阵列声波测井评价固井质量的方法2.1 基于套管波衰减率的固井质量评价方法声幅-变密度测井评价固井质量是采用3 ft源距的声幅与自由套管声幅比值评价I界面、5 ft变密度地层波能量评价II界面，该方法同样可应用于阵列声波评价固井质量。地下储气库固井水泥返至地面，无自由套管，不能采用自由套管刻度的声幅评价固井质量，可采用套管