测井原理7-声幅测井

第八章套管井中声波测井在套管井中测量声波信号的声幅测井主要用于评价固井质量，也称水泥胶结测井。内容：8.1套管井波成分8.2声幅测井及其应用（AcousticCementBondLogging）8.3变密度测井（AcousticVariableDensityLogging）8.4超声脉冲反射法简介8.5其他声幅测井方法*井眼直径8.5英寸套管外径7英寸套管内径d6.4英寸水泥环厚0.75英寸套管壁厚b0.3英寸仪器外径c3.63英寸泥浆环厚1.38英寸源距L3,5英寸钢速度V217544英尺/秒钢时差57微妙/英尺泥浆速度V15250英尺/秒泥浆时差189微妙/英尺水泥声速V29000~16000英尺/秒水泥时差111~63微妙/英尺砂岩骨架声速18000英尺/秒砂岩骨架时差55.5微妙/英尺V1V2V3V4Labc1223J08.1套管井中波成分接收器依次得到波有：套管波、地层波水泥环波、泥浆波一、套管井中波型种类由于套管是圆的,沿套管圆周方向(X方向)传播的声波是周而复始的,可以等效认为X方向的尺寸是无限的。则对于此类问题，只考察YOZ平面内的声场即可。1、套管波22,,33332231132332222112133122111100000tufffxfxxxfxxxfxxxjjiijjiijjiijLamb波是有纵波和SV波偶合而成，是非均匀波，具有频散特性，其速度是接近于钢管中纵波速度的某一数值。)exp()]sin()2cos(2)sin()2cos([)exp()]cos()2cos(2)cos()2cos([22222ikyzkbkkkzkbkkkkUikyzkbkkkzkbkkikUzszlzszlzszszlzzszlzszlzszsy首波传播服从费马原理。最先到达的是套管滑行纵波。LbtgatgVVVVVbVaTVatgLVaTCCC2121212122112122sinsin,sin,1cos21cos22,21cos21滑行波与一次反射波到达接收器时间只差0.2us，可看作同时到达，其他类型的波（多次反射波、地层波）时间比滑行波要晚，而且能量衰减也大。仪器外径套管内径，则若已知cdcdLVaVLtgVVVaVLTVVCccCC)(1557cos2]cos1[219542.0cos,2999.0175445250sin12211221由以上分析可知，套管波到达接收器时间只与源距，套管、仪器尺寸有关，所以其到达时间在全井段是不变的，可以采用单发单收声系。套管波的声强（或幅度）大小与水泥胶结好坏有关，设12为折射系数,23为反射系数,入射声强为J0,则反射声强为:J=J0122321=J021223说明反射声强与套管水泥界面反射系数23有关.胶结不好23就大,声强幅度增大;管外是水泥还是泥浆或空气,接收套管波幅度将增大4~5倍。因此套管波幅度的大小可确定第一界面水泥胶结质量。V1V2V3V4Labc1223J02232323ZZZZ2、水泥环波:在第一界面上不会出现滑行波，只有一次或多次反射波（sin2/sin3=V2/V3,V2V3),由于水泥环中存在微裂隙水泥胶结不致密,一般水泥环的能量很弱,常被其它波列所掩盖,忽略不计.3、地层波：水泥—地层(第二界面)胶结好时（V4V3),一般出现地层波(滑行纵横波),地层波到达时间约在T=Lt(裸眼井地层时差)左右,在砂岩中(V4V2)在套管波后到达;碳酸盐岩(V4V2)在套管波前到达,所以对套管波和地层的识别存在困难。4、泥浆波列：接收器接收到的泥浆波时间不变，T=189*5=945us1.管外无水泥胶结，为自由套管2.仅套管与水泥胶结，水泥与地层无胶结3.套管与水泥、水泥与地层部分胶结4.低速地层，套管与水泥、水泥与地层胶结良好5.高速地层，套管与水泥、水泥与地层胶结良好二、声波波型与固井质量的关系从全波列上来分析，为声幅测井、变密度测井提供方法原理。分几种水泥胶结类型来讨论。1、自由套管1、自由套管(1)L=5ft，T=320us出现套管波，幅度大，固井声幅测井往往以自由套管波幅度作刻度的；(2)套管波有规则，其周期可以计算套管波的频率(18kHz);(3)整个波型的包络线有高的振幅和能量,延续时间长;(4)无地层波,在945us左右出现泥浆波。套管波幅度受套管特性影响：(1)未胶结套管的衰减系数:a=(10/L)LN(J0/J)(分贝/米)a=2.4分贝/米,J=0.575JO(L=1米),为源声强的57.5%(2)套管直径的影响:套管直径本身对套管波衰减无关,反映了泥浆对套管波的衰减影响,直径大衰减大,套管波幅度减小.(3)套管厚度的影响:自由套管时,厚度影响不明显,当外有水泥时,套管波衰减与厚度有关,厚度大反射回井中套管幅度大,衰减系数变小.(这与声场能量分布有关,套管厚度一般)1—套管外为水2—套管外为固结水泥以d=14cm测得的声幅为100%套管直径的影响套管外有水泥3000套管厚度的影响由于泥浆、仪器测量条件影响，套管波不规则，要求记录本井自由套管幅度，用于刻度。V1V2V3V1V42、仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好）320us945us2、仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好）此时大部分能量进入水泥环（水泥环波衰减大），套管波幅度很小，其特点：(1)320us(L=5ft),由于一界面胶结好,套管波幅度大大减小;(2)套管波后为水泥环波,衰减无规则,幅度小,有时无显示;(3)无地层波,仅少量能量环形流体层(泥浆),进入地层更少;(4)最后出现为泥浆波.水泥环参数对套管波幅度的影响:(1)水泥抗压强度的影响:水泥环抗压强度大,进入水泥环的能量就多,套管波就变小,衰减变大;计算抗压强度值与出厂值比较(标定值),两者相等为胶结好,小于出厂值可能为套管与水泥胶结不好有裂隙或窜槽、水泥不纯、水泥凝固时间不够（一般48小时）。（2）水泥环密度或声速影响：波阻抗Z大，进入水泥环的能量多，套管波幅度就低，衰减大；1—理论计算2—纯水泥加40%水，大气压3—纯水泥加40%水，800psi4—加8%膨润土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);水泥抗压强度的影响2、仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好）2、仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好）(3)水泥环厚度影响：厚度小(1.905cm)套管波幅度变化明显,1.905cm变化不明显;20.0040.0060.0080.00100.00(hour)20.0040.0060.0080.00100.00波列持续时间(us)水泥凝固时间121620222527293133353943图2.4.6水泥浆配方:水灰比53.7%、缓凝剂0.5%;养护温度80度。（a）波形图（厚度方向）(4)水泥凝固时间对套管波的影响实验水泥块凝固时间20.0040.0060.0080.00100.00(hour)20.0040.0060.0080.00100.00波列持续时间(us)水泥凝固时间1418212326283032353943（a）波形图（宽度方向）实验水泥块凝固时间1020304050601000200030004000（b）速度（幅度）-水泥凝固时间图水泥凝固时间（小时）速度102030405060(m/s)1020304050601020304050600.200.400.600.801.00厚度方向102030405060(mv)102030405060幅度水泥凝固时间（小时）宽度方向(4)水泥凝固时间对套管波的影响水泥凝固时间长,水泥强度大,套管波愈能透射到水泥环向地层传播使套管波幅度下降,衰减系数增大响.水泥凝固时间受速凝剂、水灰比、水泥中杂质等影响，实验考察30~48小时进行声幅测井比较合适。3、部分胶结3、部分胶结（窜槽）(1)套管波幅度介于自由套管和仅一界面胶结好的情形，(2)后续波有地层波,幅度不大(3600部分传播),到达时间与地层速度有关.问题1:泥饼影响:泥饼存在往往使水泥—地层胶结不好（固结水泥吸收泥饼水分，泥饼收缩）问题2：窜槽影响：固井要求套管与地层间环行空间(3600)，全部被水泥占有，如一部分没有水泥或水泥没有胶结,给油水运动形成通道,造成窜槽(油层射孔出水).是不是发生窜槽要看油水层是否被封隔开,发生窜槽就要进行补挤水泥(成本很高).问题3:微环影响:由于注水泥加压,套管膨胀,撤去压力套管收缩,造成水泥与套管间形成微裂隙或水泥与地层间(往往在碳酸盐岩中)产生微裂隙,微裂隙不为造成窜槽,但影响声耦合,测得的波形类似部分胶结.区分微裂隙还是窜槽,要加压测量与未加压测量比较.若幅度变小为微裂隙,无变化为窜槽.3、部分胶结（窜槽）胶结程度=窜槽部分衰减系数/完全胶结衰减系数4、完全胶结（砂岩）由于套管、水泥、地层之间声耦合好，进入套管的大部分能量透射到地层，地层波幅度大，套管波幅度很小（与水泥抗压强度有关），泥浆波叠加在地层波末端地层纵波4、完全胶结（碳酸岩）地层纵波地层横波声波波型与固井质量的关系影响套管波大小除了套管特性、水泥胶结情况、地层特性外，还与测量仪器性能有关（例偏心倾斜、声功率、频率等因素）。考虑到衰减，一般采用3、5ft短源距，频率20kHz。8.2声幅测井(CBL)1、确定水泥面2、检查固井质量（一界面胶结情况）3、检查套管接箍，间隙对能量衰减大，负峰60~70%4、测定套管断裂位置（在无水泥胶结地方，裂缝处套管波衰减大，出现负尖峰）5、判别管外气层6、检查补挤水泥效果一、声幅测井应用半幅点相对幅度第一次固井质量不好，出水第二次固井质量好，封堵上部水层，产油水层油层泥岩层二、声幅测井定量解释mv1、水泥抗压强度法考虑到套管尺寸、厚度、源距影响，采用抗压强度来衡量固井质量，计算值与出厂值相等，胶结良好。英尺）分贝/(lg200AAL2、胶结指数法胶结指数=目的层衰减系数/完全胶结段衰减系数一般大于80%，可认为胶结好。问题：用相对幅度消除仪器的影响，用胶结指数可消除井中环境参数及井下条件引起的误差。3、最小封隔长度法固井胶结的水泥要有足够的强度才能有效封隔地层，水泥胶结强度与封隔长度有关。最小封隔长度与套管尺寸有关，实验与实际观察表明：在胶结指数为0.8时,可根据套管直径确定最小封隔长度。13ft=4米10ft=3米三、声幅测井存在问题1、仪器偏心影响：(1)套管波幅度减小;(2)到达时间提前;(3)后续波失真;在井剖面上套管波到达时间不是固定的.采用扶正器来实现。2、记录套管波的局限(头半周):仅评价一界面,不能评价二界面情况,窜槽有可能水泥—地层胶结不好引起的。利用地层波来解决。3、水泥环间隙影响：间隙一般0.1mm,不足以引起流体窜流,但对声耦合有影响,造成套管波幅度与部分胶结相同。解决办法：(1)加压再测量依次(可能造成压裂套管、水泥环),(2)采用反射脉冲反射法测井。8.3变密度测井VDL一、变密度测井原理变密度测井是为了解决第二界面胶结情况而提出的。其井下仪器为单发单收系统，L=5ft（一般与声幅测井一起测量CBL：L=3ft），以调辉方式记录整个波形（模拟信号），通过对波形按幅度大小以灰度等级来显示的（数字信号）。显示只保留波形正半周（或负半周），幅度大以黑色显示，幅度小以灰色显示，去掉的半周以白色显示，这样以黑白间互线条组成了变密度测井。1、套管波：直线条（320us）2、地层波：曲线条，变化的3、泥浆波：近直线条地层波包括纵波、横波，由于VPVS横波到达时间晚TS=1.5~1.