測井原理7-聲幅測井

第八章套管井中聲波測井

在套管井中測量聲波信號的聲幅測井主要用于評價固井質(zhì)量，也稱水泥膠結(jié)測井。內(nèi)容：8.1套管井波成分8.2聲幅測井及其應用〔AcousticCementBondLogging〕8.3變密度測井〔AcousticVariableDensityLogging〕8.4超聲脈沖反射法簡介8.5其他聲幅測井方法*井眼直徑

8.5

英寸

套管外徑

7

英寸

套管內(nèi)徑d6.4

英寸

水泥環(huán)厚

0.75

英寸

套管壁厚b0.3

英寸

儀器外徑c3.63

英寸

泥漿環(huán)厚

1.38

英寸

源距L3,5

英寸

鋼速度V217544英尺/秒

鋼時差

57微妙/英尺

泥漿速度V15250英尺/秒

泥漿時差

189微妙/英尺

水泥聲速V29000~16000英尺/秒

水泥時差

111~63微妙/英尺

砂巖骨架聲速

18000英尺/秒

砂巖骨架時差

55.5微妙/英尺

V1V2V3V4Labc1223J08.1套管井中波成分接收器依次得到波有：套管波、地層波水泥環(huán)波、泥漿波一、套管井中波型種類由于套管是圓的,沿套管圓周方向(X方向)傳播的聲波是周而復始的,可以等效認為X方向的尺寸是無限的。那么對于此類問題，只考察YOZ平面內(nèi)的聲場即可。1、套管波Lamb波是有縱波和SV波偶合而成，是非均勻波，具有頻散特性，其速度是接近于鋼管中縱波速度的某一數(shù)值。

首波傳播服從費馬原理。最先到達的是套管滑行縱波?；胁ㄅc一次反射波到達接收器時間只差0.2us，可看作同時到達，其他類型的波〔屢次反射波、地層波〕時間比滑行波要晚，而且能量衰減也大。

由以上分析可知，套管波到達接收器時間只與源距，套管、儀器尺寸有關，所以其到達時間在全井段是不變的，可以采用單發(fā)單收聲系。

套管波的聲強〔或幅度〕大小與水泥膠結(jié)好壞有關，設12為折射系數(shù),23為反射系數(shù),入射聲強為J0,那么反射聲強為:J=J0122321=J021223說明反射聲強與套管水泥界面反射系數(shù)23有關.膠結(jié)不好23就大,聲強幅度增大;管外是水泥還是泥漿或空氣,接收套管波幅度將增大4~5倍。因此套管波幅度的大小可確定第一界面水泥膠結(jié)質(zhì)量。V1V2V3V4Labc1223J0

2、水泥環(huán)波:在第一界面上不會出現(xiàn)滑行波，只有一次或?qū)掖畏瓷洳ā瞫in2/sin3=V2/V3,V2>V3),由于水泥環(huán)中存在微裂隙水泥膠結(jié)不致密,一般水泥環(huán)的能量很弱,常被其它波列所掩蓋,忽略不計.3、地層波：水泥—地層(第二界面)膠結(jié)好時〔V4>V3),一般出現(xiàn)地層波(滑行縱橫波),地層波到達時間約在T=Lt(裸眼井地層時差)左右,在砂巖中(V4<V2)在套管波后到達;碳酸鹽巖(V4>V2)在套管波前到達,所以對套管波和地層的識別存在困難。4、泥漿波列：接收器接收到的泥漿波時間不變，T=189*5=945us

管外無水泥膠結(jié)，為自由套管僅套管與水泥膠結(jié)，水泥與地層無膠結(jié)套管與水泥、水泥與地層局部膠結(jié)低速地層，套管與水泥、水泥與地層膠結(jié)良好高速地層，套管與水泥、水泥與地層膠結(jié)良好二、聲波波型與固井質(zhì)量的關系

從全波列上來分析，為聲幅測井、變密度測井提供方法原理。分幾種水泥膠結(jié)類型來討論。1、自由套管

1、自由套管(1)L=5ft，T=320us出現(xiàn)套管波，幅度大，固井聲幅測井往往以自由套管波幅度作刻度的；(2)套管波有規(guī)那么，其周期可以計算套管波的頻率(18kHz);(3)整個波型的包絡線有高的振幅和能量,延續(xù)時間長;(4)無地層波,在945us左右出現(xiàn)泥漿波。套管波幅度受套管特性影響：(1)未膠結(jié)套管的衰減系數(shù):a=(10/L)LN(J0/J)(分貝/米)a=2.4分貝/米,J=0.575JO(L=1米),為源聲強的57.5%(2)套管直徑的影響:套管直徑本身對套管波衰減無關,反映了泥漿對套管波的衰減影響,直徑大衰減大,套管波幅度減小.(3)套管厚度的影響:自由套管時,厚度影響不明顯,當外有水泥時,套管波衰減與厚度有關,厚度大反射回井中套管幅度大,衰減系數(shù)變小.(這與聲場能量分布有關,套管厚度一般<)

1—套管外為水2—套管外為固結(jié)水泥以d=14cm測得的聲幅為100%套管直徑的影響

套管外有水泥3000套管厚度的影響

由于泥漿、儀器測量條件影響，套管波不規(guī)那么，要求記錄本井自由套管幅度，用于刻度。

V1V2V3V1V42、僅套管與水泥膠結(jié)〔僅一界面膠結(jié)好〕320us945us

2、僅套管與水泥膠結(jié)〔僅一界面膠結(jié)好〕此時大局部能量進入水泥環(huán)〔水泥環(huán)波衰減大〕，套管波幅度很小，其特點：(1)320us(L=5ft),由于一界面膠結(jié)好,套管波幅度大大減小;(2)套管波后為水泥環(huán)波,衰減無規(guī)那么,幅度小,有時無顯示;(3)無地層波,僅少量能量環(huán)形流體層(泥漿),進入地層更少;(4)最后出現(xiàn)為泥漿波.水泥環(huán)參數(shù)對套管波幅度的影響:(1)水泥抗壓強度的影響:水泥環(huán)抗壓強度大,進入水泥環(huán)的能量就多,套管波就變小,衰減變大;計算抗壓強度值與出廠值比較(標定值),兩者相等為膠結(jié)好,小于出廠值可能為套管與水泥膠結(jié)不好有裂隙或竄槽、水泥不純、水泥凝固時間不夠〔一般48小時〕。〔2〕水泥環(huán)密度或聲速影響：波阻抗Z大，進入水泥環(huán)的能量多，套管波幅度就低，衰減大；

1—理論計算2—純水泥加40%水，大氣壓3—純水泥加40%水，800psi4—加8%膨潤土800psi5—水泥、火山灰各50%800psi85FL=5ft,A=16%A0,套管厚0.304′′,查得100PSI(1PSI=0.0704kg/cm2);A=2.6%A0,套管厚0.304′′,查得500PSI(1PSI=0.0704kg/cm2);水泥抗壓強度的影響2、僅套管與水泥膠結(jié)〔僅一界面膠結(jié)好〕

2、僅套管與水泥膠結(jié)〔僅一界面膠結(jié)好〕(3)水泥環(huán)厚度影響：厚度小(<1.905cm)套管波幅度變化明顯,>1.905cm變化不明顯;

(4)水泥凝固時間對套管波的影響實驗水泥塊凝固時間

實驗水泥塊凝固時間

(4)水泥凝固時間對套管波的影響水泥凝固時間長,水泥強度大,套管波愈能透射到水泥環(huán)向地層傳播使套管波幅度下降,衰減系數(shù)增大響.水泥凝固時間受速凝劑、水灰比、水泥中雜質(zhì)等影響，實驗考察30~48小時進行聲幅測井比較適宜。

3、局部膠結(jié)

3、局部膠結(jié)〔竄槽〕(1)套管波幅度介于自由套管和僅一界面膠結(jié)好的情形，(2)后續(xù)波有地層波,幅度不大(3600局部傳播),到達時間與地層速度有關.問題1:泥餅影響:泥餅存在往往使水泥—地層膠結(jié)不好〔固結(jié)水泥吸收泥餅水分，泥餅收縮〕問題2：竄槽影響：固井要求套管與地層間環(huán)行空間(3600)，全部被水泥占有，如一局部沒有水泥或水泥沒有膠結(jié),給油水運動形成通道,造成竄槽(油層射孔出水).是不是發(fā)生竄槽要看油水層是否被封隔開,發(fā)生竄槽就要進行補擠水泥(本錢很高).問題3:微環(huán)影響:由于注水泥加壓,套管膨脹,撤去壓力套管收縮,造成水泥與套管間形成微裂隙或水泥與地層間(往往在碳酸鹽巖中)產(chǎn)生微裂隙,微裂隙不為造成竄槽,但影響聲耦合,測得的波形類似局部膠結(jié).區(qū)分微裂隙還是竄槽,要加壓測量與未加壓測量比較.假設幅度變小為微裂隙,無變化為竄槽.

3、局部膠結(jié)〔竄槽〕膠結(jié)程度=竄槽局部衰減系數(shù)/完全膠結(jié)衰減系數(shù)

4、完全膠結(jié)〔砂巖〕由于套管、水泥、地層之間聲耦合好，進入套管的大局部能量透射到地層，地層波幅度大，套管波幅度很小〔與水泥抗壓強度有關〕，泥漿波疊加在地層波末端地層縱波

4、完全膠結(jié)〔碳酸巖〕地層縱波地層橫波

聲波波型與固井質(zhì)量的關系影響套管波大小除了套管特性、水泥膠結(jié)情況、地層特性外，還與測量儀器性能有關〔例偏心傾斜、聲功率、頻率等因素〕?？紤]到衰減，一般采用3、5ft短源距，頻率20kHz。8.2聲幅測井(CBL)

1、確定水泥面2、檢查固井質(zhì)量〔一界面膠結(jié)情況〕3、檢查套管接箍，間隙對能量衰減大，負峰60~70%4、測定套管斷裂位置〔在無水泥膠結(jié)地方，裂縫處套管波衰減大，出現(xiàn)負尖峰〕5、判別管外氣層6、檢查補擠水泥效果一、聲幅測井應用半幅點相對幅度

第一次固井質(zhì)量不好，出水第二次固井質(zhì)量好，封堵上部水層，產(chǎn)油水層油層泥巖層

二、聲幅測井定量解釋mv1、水泥抗壓強度法考慮到套管尺寸、厚度、源距影響，采用抗壓強度來衡量固井質(zhì)量，計算值與出廠值相等，膠結(jié)良好。2、膠結(jié)指數(shù)法膠結(jié)指數(shù)=目的層衰減系數(shù)/完全膠結(jié)段衰減系數(shù)一般大于80%，可認為膠結(jié)好。問題：用相對幅度消除儀器的影響，用膠結(jié)指數(shù)可消除井中環(huán)境參數(shù)及井下條件引起的誤差。3、最小封隔長度法固井膠結(jié)的水泥要有足夠的強度才能有效封隔地層，水泥膠結(jié)強度與封隔長度有關。最小封隔長度與套管尺寸有關，實驗與實際觀察說明：在膠結(jié)指數(shù)為0.8時,可根據(jù)套管直徑確定最小封隔長度。13ft=4米10ft=3米

三、聲幅測井存在問題1、儀器偏心影響：(1)套管波幅度減小;(2)到達時間提前;(3)后續(xù)波失真;在井剖面上套管波到達時間不是固定的.采用扶正器來實現(xiàn)。2、記錄套管波的局限(頭半周):僅評價一界面,不能評價二界面情況,竄槽有可能水泥—地層膠結(jié)不好引起的。利用地層波來解決。3、水泥環(huán)間隙影響：間隙一般0.1mm,缺乏以引起流體竄流,但對聲耦合有影響,造成套管波幅度與局部膠結(jié)相同。解決方法：(1)加壓再測量依次(可能造成壓裂套管、水泥環(huán)),(2)采用反射脈沖反射法測井。8.3變密度測井VDL一、變密度測井原理變密度測井是為了解決第二界面膠結(jié)情況而提出的。其井下儀器為單發(fā)單收系統(tǒng)，L=5ft〔一般與聲幅測井一起測量CBL：L=3ft〕，以調(diào)輝方式記錄整個波形〔模擬信號〕，通過對波形按幅度大小以灰度等級來顯示的〔數(shù)字信號〕。顯示只保存波形正半周〔或負半周〕，幅度大以黑色顯示，幅度小以灰色顯示，去掉的半周以白色顯示，這樣以黑白間互線條組成了變密度測井。1、套管波：直線條〔320us〕2、地層波：曲線條，變化的3、泥漿波：近直線條

地層波包括縱波、橫波，由于VP>VS橫波到達時間晚TS=1.5~1.8TP

二、變密度測井資料解釋〔1〕自由套管大局部能量通過套管傳播回到接收器，很少有能量進入地層中。全波列波形中套管波幅度很大，地層波非常弱或沒有。變密度曲線左端套管波為黑白反差明顯呈整齊直線條；右端地層波為灰白模糊不清的曲線條或缺失，沒有地層波為套管波后續(xù)波，右端呈灰白間隔的直線條。聲幅曲線為高幅值1、檢查固井質(zhì)量

〔2〕僅一界面膠結(jié)好大局部能量通過套管透射到水泥環(huán)中，很少進入地層中。全波列波形中套管波幅度弱，地層波也非常弱或沒有。變密度曲線左端套管波為灰白模糊不清直線條或缺失；右端地層波為灰白模糊不清的曲線條或缺失，泥漿波呈灰白間隔的直線條。聲幅曲線為低幅值

〔3〕局部膠結(jié)一局部能量在套管中傳播，也有相當大能量透射到地層中。全波列波形中套管波幅度中等，地層波也呈中等強度變密度曲線左端套管波為灰白間隔直線條；右端地層波為灰白間隔的曲線條。聲幅曲線為中等幅值

〔4〕兩個界面都膠結(jié)好套管、水泥和地層連成一體，大局部能量通過套管透射水泥，再透射到地層中。全波列波形中套管波幅度很弱，地層波很強變密度曲線左端套管波為灰白模糊不清直線條或缺失；右端地層波為黑白反差明顯的曲線條。聲幅曲線為低幅值

2、檢查竄槽CBL對一界面竄槽現(xiàn)象評價是有效的，但二界面竄槽是無能為力的，例上下兩層CBL都為低幅值，但油層射開出水，通過變密度測量，顯示地層波很弱，可確定為二界面竄槽。

3、檢查壓裂為了增產(chǎn)需要，對低產(chǎn)油層需要進行壓裂。經(jīng)壓裂后，地層存在大量的裂縫，聲波傳播其能量衰減很大，傳播時間也增大，通過壓裂前后兩次變密度測井比照，可檢查壓列效果。壓列前地層致密地層波幅度大，變密度黑白反差明顯；壓列后裂縫發(fā)育地層波幅度小，變密度灰白模糊顯示，彎曲率也大。假定模型為軸對稱，第i層波動方程為:結(jié)合邊界條件解得井內(nèi)壓力響應為：套管井幾何模型示意圖套管井中聲波傳播數(shù)值模擬不同地層的自由套管全波波形〔頻率13kHz)(a)V=6100m/s(b)V=4175m/s(c)=2771m/s套管波導波套管井中聲波傳播數(shù)值模擬8.4超聲脈沖反射法測井

2.5超聲脈沖反射法測井

R1R2R3第一門套管—水泥第二門水泥—地層USI超聲成像測井

USI超聲成像測井

1.儀器偏心ECCE(in)2.套管接箍(CCL),黑色為射孔3.內(nèi)半徑曲線,平均效果4.原始聲阻抗成像5.套管反射成像6.膠結(jié)成像綜合顯示蘭色代表液體,綠色代表鉆井液黃色代表已膠結(jié),紅色代表微環(huán)7.帶門檻值的聲阻抗成像SBT分區(qū)膠結(jié)測井

SBT分區(qū)膠結(jié)測井

六個獨立極板，貼緊套管內(nèi)壁提供各自600的短源距補償聲波衰減率測量。優(yōu)點：1〕提供6個600扇區(qū)即井周3600的水泥膠結(jié)定量分析，改善了微間隙的影響；2〕受井中氣體、快速地層或重泥漿的影響?。?〕探測出水泥竄槽(小到150)或水泥空隙，克服多解性；4〕對一般的儀器偏心不敏感5〕定量分析水泥環(huán)與套管的膠結(jié)狀況SBT；6〕定性分析水泥環(huán)與地層的膠結(jié)狀況VDL。特點環(huán)狀聲路：水平、垂直SBT分區(qū)膠結(jié)測井

a1=20log(A12/A13)a2=20log(A43/A42)補償衰減=10log[(A12*A43〕/(A13*A42)]L=6inl=6inF=100kHz工作頻率三個波長左右SBT主測井顯示圖類似于常規(guī)測井圖,顯示最小衰減曲線、平均衰減率，自然伽瑪，套管接箍曲線〔CCL〕振幅〔mV〕曲線，VDL或特征曲線圖。最小衰減率曲線與平均衰減率差值〔陰影局部〕，反映了水泥環(huán)中存在的竄槽大小。SBT分區(qū)膠結(jié)測井

SBT分區(qū)膠結(jié)測井SBT分區(qū)陣列顯圖1〕水泥圖〔變衰減測井圖〕，采用五級灰度顯示水泥的膠結(jié)程度，，〕最淺灰色代表最低一級水泥膠結(jié)程度或地層地層坍塌；黑色代表率減率到達了與水泥抗壓強度規(guī)定值所對應的率減值80%〔與套管尺寸、重量有關〕2〕六條補償率減率曲線；3〕方位曲線。聲幅測井

聲幅測井

超聲成像測井(井下電視)

超聲成像測井(井下電視)采用自發(fā)自收方式1)旋轉(zhuǎn)3~4周/秒及磁北信號;2)一周480~2000次分別率高;2〕測速1~2米/分〔國外5英尺/分〕，隨著深度變化換能器向井壁作連續(xù)超聲波掃描，旋轉(zhuǎn)120~180周(條)/米;應用:識別裂縫及巖層產(chǎn)狀、巖性、套管破裂1、測量原理井周成像測井(井下電視)

泥漿衰減：J=J0e-2r,衰減系數(shù)由兩局部組成：吸收衰減、固相散射衰減泥漿對超聲衰減影響吸收衰減：=1+2+31)粘滯吸收(泥漿內(nèi)摩擦)系數(shù):1=22/3V3f1=4.7*10-4(厘米-1)2)熱傳吸收衰減系數(shù)(泥漿壓縮和膨脹造成溫度變化,一局部聲能轉(zhuǎn)化為熱能)k-熱傳導系數(shù),Cv、Cp-定容和定壓熱容量3〕馳豫吸收(泥漿壓縮和膨脹過程中,伴有泥漿中分子的內(nèi)外自由度能量的重新分配過程(馳豫過程),這一過程需要一定時間(馳豫時間)。馳豫過程中有規(guī)那么的聲振動轉(zhuǎn)化為無規(guī)那么熱運動的附加能量耗散?！?低頻容變粘滯系數(shù)；-與馳豫時間有關系數(shù)2、泥漿對超聲衰減影響

泥漿固相顆粒對超聲的散射衰減1〕散射衰減系數(shù)：泥漿中含有固相顆?！才驖櫷痢⑵?、硅藻土等〕，會引起一局部聲波散射，形成散射衰減，其系數(shù)為N—單位體積小球數(shù)〔與密度有關〕a—固相顆粒半徑〔遠小于波長的小球〕例：膨潤土4=22.647*10-6(-1)(1/厘米),泥漿密度越大，散射衰減系數(shù)增加越快;在同樣泥漿密度下,顆粒半徑增大n倍,顆粒數(shù)N減少1/n3倍,那么散射系數(shù)增大n3。2〕泥漿添加劑對散射系數(shù)的影響：為了防止高壓井噴，需要增加泥漿比重，其方法增加固相含量〔膨潤土、重晶石等〕，采用鹽水泥漿。為了改善泥漿性能，還要加一些添加劑〔鉆井粉、CMC、氫氧化鈉、鐵鉻鹽等〕。一般采用低固相鹽水泥漿〔對電阻率測井不利〕，加適當?shù)奶砑觿?，使固相顆粒少且呈分散體系，能減小散射系數(shù)。2、泥漿對超聲衰減影響井周成像測井(井下電視)

采用垂直自發(fā)自收方式，其反射回