声波全面评价水泥胶结固井质量的方法

摘要

本发明是属于石油声波测井技术。它选取中心频率在600千赫至3.0兆赫超声频率范围，窄脉冲垂直入射并壁的脉冲反射法的检测方法。换能器要求相对带宽不小于60％，测得水泥环与地层间的II界面反射回波后，测出首次反射波的幅波、中心频率、到达时间，测得由套管内壁与套管外壁I界面反射回波后，测出它们的到达时间、I界面两次反射回波信号幅度比等项参数，从而可以获得套管井径、I界面胶结状况，水泥环厚度、水泥环抗压强度、II界面胶状况等五项检测指标，从而给出水泥胶结固井质量的全面评估。

说明书

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本发明属于石油声波测井技术。

水泥胶结固井质量的检测，从工程需要出发，一般包括四个主要技术要求。其一，检测套管与水泥的胶结状态，通常称Ⅰ界面检测;其二，检测水泥与地层的胶结状态，通常称Ⅱ界面检测;其三，检测水泥环的质量，包括空洞和裂缝的检测及抗压强度的测量;其四，水泥环的厚度测量。

对于上述四项固井质量检测要求，目前在国内外现有的检测方法和技术上，都还不能给出全面的检测与质量评价。在国内目前常规的检测固井质量是60年代由国外引进的声幅测井方法（楚泽涵：《声波测井原理》第四章，石油工业出版社，1980年）。它采用沿井轴方向放置的声系和一米左右的源距，激发并接收沿井轴方向传播的套管波，以套管波首波相对幅度判断第一界面的胶结好坏，其测量结果只能反映被测井段全方位水泥胶结的平均情况，水泥环抗压强度也是用套管波首波相对幅值通过经验公式换算得到，并不能真实反映水泥环体的抗压强度。国外使用的检测固井质量的常规系列是CBL（声幅测井），加变密度测井（VDL），以变密度测井作为声幅测井的补充，能够定性推测第Ⅱ界面的胶结情况，但十分不准确，又由于它同样使用全方向性探头和一米多的源距，第Ⅱ界面胶结质量检测问题仍没有解决。近年由Benoit    Froelich等人推出的“水泥胶结评价”《Cement    evaluation    tool-a    new    approach    to    cement    evaluation》SPE    10207，采用沿套管径向的脉冲回波技术和多换能器系统，大大提高第Ⅰ界面胶结质量检测的空间分辨率，并消除了第Ⅰ界面微环间隙对测量结果的影响，虽然有时可以测到Ⅱ界面信号，但由于没有对此信号进行Ⅰ界面粘接状态和水泥环衰减的修正，故仍不能检测第Ⅱ界面的胶结质量。水泥抗压强度的测量是通过测量套管外水泥声阻抗率换算给出的，这种抗压强度虽然是可以比较真实反映水泥质量，但只是给出与套管接触水泥环表面层的特性，不能反映整个水泥环体的特性。

为了克服已有检测方法的不足，我们提出一种在沿井径传播多方位换能器的基础上，利用超声在不同介质中具有不同的传播特性从而检测出水泥胶结固井各项质量参数的方法。它可以同时检测Ⅰ界面、Ⅱ界面的胶结状态，水泥环体的抗压强度和厚度，套管井径等五项指标的技术。

本发明的技术要点在于：采用多方位换能器选取超声波频率在600千赫兹至3.0兆赫兹范围内，采用垂直入射井壁脉冲反射法。对于一个方位单换能器如图1所示，在换能器（5）上加宽带高压电脉冲激励后，产生一定频率（比如1兆赫兹）的超声波脉冲，经过井液、套管、水泥环的透射，反射波再被换能器（5）所接收，声波在固井中传播展开示意图如图2所示，换能器（5）接收输出波形如图3所示，由图3测得的信号可以得到上述五项指标的检测。

（1）井径的测量：

取井径的一半为l₁，则

l₁＝（c₁t₁/2）+l₀（1）

其中l₀为换能器表面至井轴线距离，t₁为套管内壁反射回波到达时间，c₁为井液的声速。

（2）Ⅰ界面胶结质量的检测：

取判据R（或α），R为与Ⅰ界面的反射系数R₂₃成正比的参量，且R＝R₂₁·R₂₃，R₂₁为井液（水或泥浆）与套管界面的反射系数，是个常数。

R＝A_2（n+l）（t）｜_max/A_2n（t）｜_max或α＝l_nR>

其中A_2n（t）和A_2（n+l）（t）为相邻两个Ⅰ界面反射回波信号，A（t）｜_max为信号最大幅值。

（3）水泥环厚度测量：

取水泥环厚度为l₃，则

l₃＝C₃T/2

T＝t₃-t₂或T=t₃-t₁->2)/(c₂)>

其中T为声波在水泥环中的往返传播时间，可以由Ⅱ界面反射回波时间t₃与Ⅰ界面反射回波时间t₂之差给出，也可以由Ⅱ界面反射回波时间t₃减去井液往返时间t₁再减去在套管内往返时间2l₂/c₂（l₂为套管厚度，c₂为套管声速）给出。c₃为水泥环声速，对固井水泥c₃变化不大，可取常数。

（4）水泥环的抗压强度测量：

对于固井水泥来讲，水泥环的抗压强度c是与水泥的声波传播衰减（损耗）有着单调的对应关系，声波传播衰减越小，水泥越致密，抗压强度越大。反之，传播衰减越大，水泥越疏松，抗压强度越小，表征水泥环抗压强度大小的水泥传输损耗因子a可由下式测出：

a＝△f/（2l₃σ²）>

其中△f＝f₀-f^′₀，f₀和σ分别为入射声波脉冲的频谱中心频率和半带宽，f^′₀为Ⅱ界面反射回波脉冲频谱的中心频率，l₃为水泥环厚度，水泥抗压强度c＝ma（m为常数）。

（5）Ⅱ界面胶结质量的检测：

取Ⅱ界面胶结质量的判据R₃₄（Ⅱ界面的反射系数）或N值（N＝KR₃₄，K为常数）

其中A为入射声波幅度，是个常数。

完成上述五项检测，需要测出（1）Ⅰ界面的反射回波A₁（t）……A_2（n+1）（t），（2）Ⅱ界面的第一次反射回波信号A₃（t）的中心频率f^′₀和幅度｜A₃（f^′₀）｜，（3）套管内壁反射回波（A₀（t））到达的时间t₁、Ⅰ界面反射回波（A₁（t））到达时间t₂和Ⅱ界面反射回波（A₃（t））到达时间t₃。其它参量如入射声波中心频率f₀和半带宽σ，换能器表面至井轴距离l₀（换能器半径）、井液（水或泥浆）声速c₁，套管厚度l₂和声速c₂，固井水泥的声速c₃等可事先测出或为已知。

图1为本发明一个方位的示意图。其中1为井液（水或泥浆），2为套管，3为水泥环，4为地层，8为砂岩，9为泥岩，10为水等，5为圆柱面辐射换能器，6为电激励源发射部分和放大接收部分，7为高速数据采集器，11为微机处理部分。

图2为本发明图1固井中声波垂直入射传播展开示意图。其中p₁c₁、p₂c₂、p₃c₃、p₄c₄分别为井液、套管、水泥环和地层的声阻抗率，R₁₂、R₂₁、R₂₃、R₃₄分别为井液与套管、套管与井液、套管与水泥、水泥与地层等界面的反射系数，1为井液，2为套管，3为水泥环，4为地层，Ⅰ界面为水泥环与套管间的界面，Ⅱ界面为水泥环与地层间的界面，l₂，l₃分别为套管和水泥环的厚度，A（t）为入射声波，A₀（t）为井液与套管内壁界面的反射的波，A₁（t）、A₂（t）、……A_2n（t）为入射声波直接在套管内透射反射声波，A₃（t）A₄（t）分别为由Ⅱ界面反射透过套管声波和其在套管内径一次反射后的声波。

图3为本发明图2所有反射回波被换能器（5）接收后输出的信号波形。图中A₀（t）、A₁（t）、A₂（t）、A₃（t）、A₄（t）等如同图2所示。t₁、t₂、t₃分别为套管内壁反射回波，Ⅰ界面反射回波和Ⅱ界面反射回波的到达时间。

本发明使用范围为石油油井水泥胶结固井质量的检测，同时也适用于其它与此类似的多层介质传播检测。本方法的主要特点是可以同时给出1、2、3层介质测厚，2与3介质的Ⅰ界面，3与4介质的Ⅱ界面的胶结状态检测和介质的质量检测与评价。

本发明的具体实施例，可由下面三个不同样品给出。样品1取l₂为8mm厚的钢套管与l₃为18mm厚的水泥环;样品2取l₂为8mm厚的钢套管与l₃为23mm厚的水泥环;样品3取l₂为10mm厚的钢套管与l₃为40mm厚的水泥环。将各样品分别装在图1所示的各位置。由超声分析仪向相对带宽为60%，中心频率为1兆赫兹的换能器（5）上施加240伏前沿小于10ns的指数尖脉冲，随后再由换能器（5）接收经各层介质反射之后的各个回波信号，该信号再经放大，FDAS-4高速数据采集系统和IBM-PC/XT微机处理便可得出附表的各项结果，例如对样品1的测量中，当Ⅱ界面介质分别为空气和

水时，所测得的波形由图4（a）、图4（b）和图5（a）、图5（b）表示。其中，图4（a）表示介质为空气时，换能器接收回波后输出电脉冲波形图，图4（b）表示对应Ⅱ界面第一次回波A₃（t）频谱图，图5（a）表示介质为水时，换能器接收回波后输出电脉冲波形图，图5（b）表示对应Ⅱ界面第一次回波A₃（t）频谱图。从中可以获得A₂₁（t）、A₂₂（t）、A₃（t），进而可以测得｜A₂₁（t）｜，｜A₂₂（t）｜，｜A₃（f^′₀）｜、f^′₀、t₁、t₂和t₃等值。经微计算机处理后，即可得到本发明所提出的井径l₁，Ⅰ界面胶结质量R或α，水泥环厚度l₃，水泥环抗压强度a或c和Ⅱ界面胶结质量R₃₄或N。

为了便于对比，下面给出当套管外（Ⅰ界面）的介质为水时，R＝0.73。当水泥环外地层（Ⅱ界面）的介质为泥岩时，在理论上N＝10～12，N归一值＝0.2-0.24，R₃₄＝0.25，疏松水泥a值＝0.5～0.6。