油气井封固性测井述评

吴铭德, 乔文孝, 魏涛, 李长文, 何峰江, 刘青昕

(1.中国石油咨询中心, 北京 100724; 2.中国石油大学(北京), 北京 102249; 3.中海油田服务股份有限公司, 北京 101149; 4.中国石油集团测井有限公司, 陕西 西安 710077; 5.格威石油仪器有限公司, 陕西 西安 710077; 6.中国石油大庆油田测试技术服务分公司, 黑龙江 大庆 163412)

0 引 言

对于油气井封固性,在国际上有不同的定义。笔者认为,由井口装置、油管及井下工具、套管及管外水泥环等组成一个完整、完好的系统,使得从地层产出的流体或是向地层注入的流体只能在该系统所限定的流通通道中流动,而不发生任何形式的泄漏或窜槽,使油气井在整个生命周期中处于安全良好的状态。油气井的这一特性就是油气井封固性。油气井封固性有3个要素:①完整性;②完好性;③具有使流体在限定的流通通道内流动的功能。

油气井封固性测井(Well Integrity Logging)是检测油气井封固性的一种测井技术。油气井在进行固井作业中下入套管和注水泥以后,必须进行固井质量测井。固井以后,在对下部井段的钻井以及在油气井开采过程和注水井的注入过程中,各种因素都可能对油气井封固性造成伤害,如井下流体对油管和套管的腐蚀,钻具及井下工具起下过程中对管柱的磨损和撞击,射孔(高能气体压裂)、压裂、酸化、油井出砂、地层蠕变或油田注水等导致地下应力不平衡的种种因素。当油气井的伤害到了一定程度,油气井和注入井的正常生产受到影响,就需要进行封固性测井。又如在储气库中,要求隔一定时间就要对气井进行封固性测井。因此,对油气井封固性测井的需求延续到油气井的整个生命周期。

油气井以及注入井封固性破坏是造成油气井减产、注入效率降低、油气井和注入井停产甚至报废的重要因素之一。封固性测井能及时发现并判定井下管柱和水泥环出现的问题,使人们能够采取相应的技术措施,保持油气井产量及注入井的注入量,延长井的生命周期,阻止油气向地下“贼层”流失。封固性测井能及时发现井下存在的问题和事故隐患,对于提高油气田开发效益、防止井下事故、防止环境污染有重要意义。

进入21世纪,封固性测井越来越受到石油公司的重视。经分析,几次造成人员伤亡和重大经济损失的恶性油气井事故,是封固性存在问题造成的。鉴于对环境保护的要求越来越高,已有几个国家制订了标准规范和法规[1],要求对某些类型的井必须进行封固性测井。海上油气资源、深部油气资源、页岩油气、致密油气等非常规油气资源开发等也对封固性测井提出了更高的要求。

在涉及油气井封固性的几个环节中,从测井角度,人们所关注的主要是井下管柱和水泥环这2个环节。因此,可以将油气井封固性测井分为套损检测和固井质量测井2类。按照测量原理,油气井封固性测井通常采用机械、电磁、声波、放射性、光学等物理方法。

1 套损检测技术

套损检测技术是确定套管损伤井段并对套管腐蚀和破裂情况进行测量和评价的技术,套损检测技术是油气井封固性测井技术的重要内容之一。习惯上所说的套损检测也包括对油管等其他井下管串和工具的检测。机械测量和电磁测量技术在套损检测中占有重要地位,超声回波测量也有一定的应用。

1.1 机械力学检测技术

1.1.1 多臂井径成像测井仪

多臂井径成像测井仪可以探测油管和套管上的腐蚀坑、小孔和细小损伤以及套管上的射孔孔眼等,对测井资料进行处理,可以绘制出套管检测成像图。这是一种简单直观、可信度高的管柱内壁检测仪器。这种测井方法在套损检测中应用广泛[2]。但是,该仪器检测结果无法反映套管外壁的腐蚀和损伤情况,也不能反映套管壁厚的变化情况。当套管有严重结垢或结腊时,测井结果会受到影响。

1.1.2 套管应力磁记忆测井仪

磁记忆检测的基本原理:处于地磁环境下的铁制构件受外部载荷作用时,其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向,并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场变化。通过漏磁场法向分量的测定,可以准确推断工件的应力集中部位[3]。

在一些老油田,有批量油井的套管在某些层段发生变形和损伤。为了掌握套管受力情况,中国石油大庆油田测试技术服务分公司根据磁记忆检测原理开发出套管应力磁记忆测井仪,该仪器用8个推靠臂将传感器推向套管内壁,可测定8个方向上的套管所受应力情况。套管应力磁记忆测井仪与多臂井径成像测井仪组合应用,可以在套管未变形或已经变形情况下测量套管的磁记忆响应异常区域,并可以指示出套管受力方向。如果套管应力磁记忆测井资料上有异常而多臂井径成像测井资料上没有异常,说明套管已受到异常外力,但还未发生变形。如果两种测井资料上同时显示出异常,说明套管已受到异常外力,而且已经发生变形。这些信息为油田套损预警及防治提供了重要依据。套管应力磁记忆测井仪分辨率为地磁场强度的1/40,该技术判断套管异常应力集中区的准确率达到90%以上。

1.2 电磁套损检测仪

电磁套损检测仪器在套损检测中占有重要地位,按照其应用的具体方法划分,有漏磁通测量、涡流测量和脉冲涡流测量等3种。

1.2.1 磁测井仪

早期的电磁测厚仪(也称磁测井仪)发射较低频率(如16 Hz)的电磁波,可根据接收信号的相位移计算出套管厚度[2]。

1.2.2 漏磁通类测井仪器

Baker Hughes公司的管子剖面测井仪Vertilog[4]同时应用漏磁通测量和近场涡流测量,仪器将几个极板推靠到套管壁,仪器极板一侧的激励线圈产生10 kHz的电磁场,在套管内壁上产生涡流,测量信号主要反映套管内壁约1 mm深度范围内的腐蚀或损伤;极板另一侧为漏磁通测量线圈,其测量信号同套管损伤的深度成正比。该类仪器可以测量管柱内壁和外壁的腐蚀和损伤。

Baker Hughes公司的管子剖面测井仪已经形成系列,可适应各种不同井下条件的测井需求,如大直径、小直径管和对腐蚀损伤情况进行精细描述等。该仪器对于沿着仪器运动方向有显著变化的套管损伤的反映能力较强,而对于沿着仪器运动方向变化不明显的腐蚀和损伤(如套管上的轴向破损、管柱机械变形和套管均匀腐蚀等)反映能力有所降低。

1.2.3 远场涡流类套损检测仪

Schlumberger公司的电磁管子扫描测井仪(EM Pipe Scanner)[5],以远场涡流和近场涡流进行套损检测。在仪器上部装有18个弓形弹簧片,全部收拢时的直径为2.3 in*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同,弹簧片上装有测量传感器。在仪器上部的芯轴位置装有8 kHz高频发射线圈Txh;在仪器中部装有8.5～70 Hz的低频发射线圈Txl,在其上下方各装有1对低频接收线圈;在仪器下部,装有1个发射线圈Txc和1对接收线圈,采用100 Hz～100 kHz之间的3个频率测量套管电磁特性。

(1) 远场测量。利用低频发射线圈Txl和上下2对接收线圈,在较大源距的远场涡流测量状态下,测得套管平均总厚度;利用低频发射线圈Txl和18个极板上的传感器测得套管厚度成像。

(2) 近场测量。利用高频发射线圈Txh和18个极板上的传感器测量高分辨率套管内壁成像,将近场测量得到的二维套管高分辨率成像和远场测量得到的二维套管厚度成像对比,可以区分出套管腐蚀损伤发生在外表面还是在内表面;利用仪器下部的发射线圈和1对接收线圈测量套管的电磁特性。

该类仪器的主要优点是可以对内层管柱的内壁、外壁和金属总厚度等进行较为精细的定量评价。但是,对外层管柱只能进行定性描述。

1.2.4 脉冲涡流类测井仪

格威石油仪器有限公司生产的电磁探伤测井仪采用脉冲涡流测量技术(PEC,或称瞬变电磁测量技术)。仪器采用2组探头,长探头用于探测内、外层套管,短探头仅仅探测内层套管。

向发射线圈通以可编程控制的直流电流,在井内及各层管柱中建立起恒定的磁场。关断发射电流后,各层管柱中会产生感生电流,继而产生二次场。在接收线圈中检测到感生电动势ε[6]

(1)

式中,I(ω)为激励电流的频域;C为仪器常数;Z(ω,r,σ,μ)为系统的传输函数。该传输函数与电流的频率ω、管柱半径r、材料的电导率σ和磁导率μ有关。在发射截止后1 ms开始进行采集,测量信号的动态范围约为100 dB;在多层套管情况下,反映外层套管的信号很微弱,需降低噪声,提高信噪比。

通过对双套管模型的理论仿真,接收信号在不同时刻对内外层套管厚度变化的敏感性不同。定性解释根据接收信号中异常信号出现的位置确定套管的减薄或腐蚀是发生在内层套管上还是外层套管上。定量评价采用反演方法,探头响应可表示为

(2)

式中,σ为套管电导率;μ为套管磁导率;h1、h2分别为内外层套管的厚度变化量;tn为采样时间;I为供电电流。构造目标函数

(3)

图1是某井应用实例。井下管串为3.5 in油管和7 in套管,仪器在油管中对油管和套管进行探伤。图1中第1道为电磁探伤测井变密度图。第2道为管柱厚度曲线,EMmisfit和Thickmisfit是电磁和厚度反演的目标函数值,为相对量;Eμ是套管相对磁导率;Eσ是套管电导率;CSGthickness是实测套管厚度;CSGnom,thick是套管厚度标称值。第3道为伽马曲线和管柱腐蚀示意图。从第1道的变密度显示图上可以定性确定,管柱腐蚀主要发生在7 in套管;第2道右侧的蓝色直线为7 in套管厚度标称值,红色曲线为7 in套管厚度计算值。可以看出,在一些井段,7 in套管有严重腐蚀。

图1 某井2层管柱损伤反演的示例成果图

实测资料显示,该电磁探伤测井仪能够有效发现多层套管的损伤情况并进行定量评价。

电磁探伤测井仪器与多臂井径成像测井仪组合,以多臂井径成像测井精细描述套管变形和内壁腐蚀损伤,以电磁探伤测井重点反映套管外壁损伤、管壁厚度变化以及外层套管损伤,在套损检测中可起到很好的效果。

1.3 声波套损检测仪

1.3.1 超声成像测井仪

超声成像测井仪基于超声脉冲反射测量方法,根据超声波回波幅度和旅行时间对套管内壁腐蚀变形进行成像,探头工作频率0.5～1.5 MHz。超声成像测井采用短余振宽带探头和全波形信号采集可以进一步分析套管厚度变化和套管外壁腐蚀变形情况,进而实现套管三维成像。超声成像测井仪的优点是所测图像的分辨率很高,其缺点是当井内为重泥浆以及井内流体含气时,测井质量大受影响。

1.3.2 几种新型超声测井仪

(1) 超声前视测井仪的概念性样机。中国石油集团测井有限公司的超声前视测井仪概念性样机将超声探头置于测井仪器前端,向仪器前方发射超声波脉冲,并采用相控阵声波技术实现超声扫描,可以对仪器前方异常情况(套管挤压变形、井下落物鱼顶)进行探测。与光学套损检测仪相比,超声前视测井仪可以在井液为不透明的钻井泥浆等条件下进行测井。

(2) 相控阵声波防砂筛管检测仪样机。国外研制出相控阵声波防砂筛管检测仪样机。在采用绕丝防砂筛管的油井内,外部的绕丝受出砂冲刷,容易受损。研究应用相控阵声波技术探测管外绕丝的受损情况。

1.4 其他套损检测仪

(1) 套管阴极保护测井仪。Schlumberger公司的套管阴极保护测井仪对套管腐蚀情况进行监测以判断阴极保护的效果,确定是否需要采取补救措施。仪器将4组带电极的推靠器推靠到井壁进行测量。

(2) 光学套损检测仪。光学套损检测仪利用井下摄像仪在井下摄像,通过电缆或光缆将信号传输到地面,处理后得到井下图像。镜头焦距可调,采用不沾油涂层和光源后置技术使图像更清晰,广角镜头在水中视角可达55°。光学套损检测仪有的用电缆,有的用钢丝绳,有的用光缆进行测井,将其同其他测井仪器相组合进行套损检测,可取得更好效果。当井内流体不透明时,这种仪器无法应用。

2 固井质量测井技术

2.1 声波固井质量测井仪

套管外的水泥环必须满足支撑套管和达到层间水力封隔这2项基本要求[7]。声波固井质量测井技术可分为水泥胶结类测井和水泥声阻抗类测井2大类。首先问世的是利用在套管中传播的兰姆波对称模式探测水泥环质量的水泥胶结类测井,继而是水泥声阻抗类测井。为解决轻质水泥固井评价难题,近年来又发展了超声斜入射基于兰姆波反对称模式的过套管声波成像测井。

2.1.1 声幅测井仪

声幅测井是最早的声波水泥胶结测井[8],出现于20世纪50年代中期,发射频率20 kHz左右,但不久就发现声幅测井曲线受快速地层和仪器偏心等因素的影响。

2.1.2 声波/变密度测井仪

20世纪60年代推出声波/变密度(CBL/VDL)测井,既测量声幅CBL,又将全波列记录成变密度图VDL。这种测井方法在大多情况下可以有效地对固井质量进行合理的评价并估算出水泥胶结强度;在水泥环同套管胶结良好的前提下,从VDL图上的地层波分析中可以间接推测水泥环同地层的胶结情况。从声波/变密度测井技术面世到现在,它一直是中国油田固井质量检测的主要测井方法,也一直是评价固井质量是否合格、是否优质的重要依据。应该指出,将这种传统测井方法作为评判固井质量检测是否合格、优质的唯一标准是有问题的。中国每年完成的15 000口井的固井质量合格率都在98%以上,但是,每年都有上千口油气井由于固井质量问题而不能进行正常的测试和生产[7]。

声波/变密度测井与声幅测井一样,无探测水泥沟槽能力[9-10]。这样,根据声波/变密度测井资料判断固井质量为合格甚至是优质的井,仍然存在着油气水通过水泥环中的沟槽发生窜槽的潜在风险。在国内外一些高压油气井中,这一风险转变成为事实,酿成重大事故。对于重点井、深井、高压油气井等,在进行声波/变密度测井之外,必须加测其他项目,诸如增加对水泥沟槽具有探测能力的测井项目等。

2.1.3 分扇区声幅型水泥胶结测井仪

分扇区水泥胶结测井有1个10～20 kHz发射探头、1组距发射探头1.5 ft或3 ft的扇区接收探头组(小直径套管用6扇区,其他套管用8扇区)、1个无定向3 ft接收探头和1个5 ft无定向接收探头。仪器可测得6条或8条分扇区水泥胶结曲线,据此作出扇区水泥胶结成像图,从成像图上可以看到水泥在周向的胶结情况,从而具备了探测水泥沟槽能力。此外,仪器记录3 ft源距声幅曲线,5 ft源距接收探头接收全波列并绘制成VDL图[11]。

这类仪器目前在中国应用不太广泛,而国外广泛应用的都是小直径过油管测井仪器,这些仪器受到仪器直径的限制,用5 ft接收探头所测的变密度测井的质量不太理想,对第II界面的判断受到影响。

2.1.4 分扇区衰减率型水泥胶结测井仪

Baker Hughes公司的Segmented Bond Tool(SBT)和中海油服的CBMT都属于分扇区衰减率型水泥胶结测井仪。这种测井将6个滑板推向套管壁,每个滑板上有1个发射探头和2个接收探头,进行声波补偿衰减测量。发射探头频率80～100 kHz。该仪器的探头紧贴套管内壁,在重泥浆以及泥浆含气等情况下仍能进行测量。SBT能够对第I界面周向水泥胶结质量进行评价,但无法对第II界面周向胶结质量进行评价[12-13]。这种仪器具有探测水泥沟槽能力。

Baker Hughes最近推出Integrity eXplorerTM服务,所用的仪器利用推靠器将6个滑板推向套管壁,滑板上装有采用电磁和声波原理的探头。声波探头用于进行水泥胶结测井。这种测井技术特别适用于井筒内为气体的井。不必压井,就可以在气井内进行水泥胶结测井,这对于在储气库进行周期性的封固性测井有重大意义,对于气井和二氧化碳井,可以大大减少因压井所需的费用和时间。各种心轴型声波测井仪在井内流体中含有气体的情况下很难进行测井。

2.1.5 相控阵水泥胶结测井仪

中国石油大学(北京)提出了具有三维辐射特性的相控圆弧阵换能器[14-17]方案,并将声波相控圆弧阵技术引入水泥胶结测井。目前中国成功研发了AABT1和AABT2等2种型号的相控阵水泥胶结测井仪[18],其中AABT1是中国石油大学(北京)与中国石油集团测井有限公司联合开发的。AABT1型仪器声系有2组圆弧阵声波发射器和源距分别为3 ft和5 ft的2个单极子接收器[见图2(a)]。相控圆弧阵声波发射器分别向8个方向扫描发射声波脉冲,每完成1周扫描发射,2个接收器各接收8道波形信号。AABT2型仪器声系由相控线阵声波发射器和源距分别为3 ft和5 ft的2个8单元相控圆弧阵接收站组成[见图2(b)]。相控线阵声波辐射器每发射1次脉冲声波,每个相控圆弧阵接收站各测得对应于8个方位的8道波形信号。AABT仪器可以同时取得CBL/VDL测井资料,仪器工作频率12～18 kHz,深度采样间隔0.1 m。

图2 相控阵水泥胶结测井仪声系结构示意图

利用配套软件提取测得波形数据中所包含的套管波和地层波的幅度、波速和衰减等信息,可计算出不同方位、不同源距的套管波幅度和地层波幅度以及不同方位的套管波声衰减系数。根据这些资料,结合正演理论研究和实验研究成果,可以绘出反映第I界面胶结情况的扇区水泥胶结成像图和反映第II界面胶结情况的扇区水泥胶结成像图,从而对水泥胶结质量进行很好的评价[19]。

该仪器已测井10余口,资料经处理得到第I界面胶结成像图和地层波幅度方位成像图。在第I界面胶结良好的井段,可以从地层波幅度方位成像图上了解第II界面的胶结情况。图3为反映某井第I、第II界面胶结状况的现场应用实例。图3中第3道为相对方位(蓝色曲线)和8个方位的地层波幅度曲线;第4道为地层波幅度方位成像图(反映第II界面胶结状况和地层性质的周向不均匀性);第5道为套管波幅度方位成像图(反映第I界面胶结情况);第6道为等效声幅曲线(黑线)和8条地层波幅度曲线及其均值曲线(蓝色);第7道为3 in源距波形及其包络线;第8道为5 in源距波形的变密度图。由图3,在1 900～1 912 m井段套管波幅度较小,说明第I界面胶结良好;1 900～1 908 m井段地层波幅度较大,说明该井段的第II界面胶结质量良好;1 908～1 912 m井段地层波幅度较小,说明该井段的第II界面胶结质量不是太好。

图3 某井1 897～1 940 m井段第I、第II界面综合成像图

这种创新型仪器有以下特点:①可测得CBL/VDL,其源距、间距和所用频率与传统的CBL/VDL相一致;②采用相控阵技术,已测资料其扇区水泥胶结成像图优于八扇区水泥胶结测井仪和分扇区衰减率型水泥胶结测井仪的成像图;③在第I界面胶结良好的前提下可以得到第II界面的水泥胶结成像图;④将电路直接装入声系内,大大提高了仪器的信噪比和可靠性;⑤AABT2型仪器结构更为简单,有望大幅度降低制造成本,而且其所测资料在经过处理后,有望得到8个扇区上的衰减率信息。

2.1.6 水泥声阻抗类测井仪

水泥声阻抗类测井仪垂直向套管发射脉冲,换能器的工作频率设定在套管共振频率(取决于套管壁厚)附近,为200～700 kHz。分析声脉冲引起的套管共振回波可以计算套管壁厚并求得与套管外壁相接触之介质的声阻抗,从而获知其物理状态(气态、液态或固态)。在早期的仪器中,探头为螺旋状排列,以后采用旋转探头方式进行测井,形成当代的超声扫描成像测井仪。

中海油田服务股份有限公司2013年推出多功能超声成像测井仪器MUIL。该仪器的成像模式可用于裸眼和套管内壁成像,方位采样间隔为1.5°;全波模式用于内壁成像、套厚和固井质量检测,方位采样间隔为6°。针对不同的套管外径,仪器采用不同尺寸扫描探头,以便得到最佳的套损检测和水泥声阻抗探测效果。该仪器在国外服务近30井次。

考虑到套管检测和水泥环评价对声波探头及频率有不同的要求,中国石油集团测井有限公司的超声扫描成像测井仪在声系旋转探头中封装2个背向放置自发自收换能器,1个用于套管检测,1个用于水泥胶结评价。

水泥声阻抗类测井的优点是纵向和径向采样率高、周向覆盖率高,可以得到清晰的图像,用于水泥胶结评价和发现窜槽等封固性问题。其缺点是受重泥浆、含气泥浆、套管变形、仪器不居中等因素的影响较大。

2.1.7 水泥环封隔扫描成像测井仪

与传统水泥胶结类测井利用对称兰姆波原理不同,Schlumberger公司的水泥环封隔扫描成像测井仪Isolation Scanner(IBC)利用兰姆波的反对称兰姆波即弯曲波,采用斜入射声波激励方式,工作频率200～300 kHz,入射角度30°～40°。

Isolation Scanner采用旋转探头组件,在旋转探头组件的一侧安装了垂直入射和接收的超声成像探头,应用超声反射法检测环空介质声阻抗;在旋转探头组件的另一侧安装了单发双收的斜入射兰姆波测量探头组,进行泄漏兰姆波衰减测量,对水泥胶结进行精细评价。为了适应不同内径套管的测量需要,配置了不同直径的旋转探头,以尽量减小探头组同套管壁的间隙[20]。

这种测井方法可以在低比重水泥固井的条件下,对油气井封固性进行很好的评价,测井资料经处理可得到套管探测成果和水泥环探测成果。水泥环探测成果图中包括声阻抗图、衰减率图、固液气图、管外环空水力窜通图等[7]。将超声成像得到的声阻抗测井资料同兰姆波测井得到的资料进行综合处理和解释,可以更好地进行固井质量评价;固液气图上对流体和固体有正确显示;管外环空水力窜通图显示了管外环空彼此沟通的流体部分。

这种仪器成功识别管外环空的物理状态,解决了低比重水泥的水泥环评价难题,并提供流体窜通通道的清晰图像。但是,该测井服务价格昂贵,在水平井中测井对仪器居中的要求较高。

2.1.8 噪声测井仪

流体在通道截面积发生明显变化处流动出现紊流,产生具有一定能量和频率特性的声波,通常称为井下噪声。在油气开采期间定点测量管外环空噪声,可探测管外流体窜槽。

传统的噪声测井仪以频率截止值分别为200、600、1 000 Hz和2 000 Hz分4个频道记录噪声幅度。国外研制的新型噪声能谱测井仪能够记录8 Hz～60 kHz范围内的噪声能谱。研究表明,噪声强度与液体流速有关,而噪声能谱主要与流体通道的特性有关。测井资料解释中除了找到噪声发生的位置以外,还能通过噪声能谱来判断井下噪声是由何种因素引起的。

2.2 伽马密度固井质量测井仪

伽马密度固井质量测井采仪用240 mCi的137Cs放射性源,装有3组探头。源距最小的伽马探测器用于测量套管壁厚;源距为0.42 m的伽马探测器组有6个伽马探头,在同一平面内沿360°方位均匀分布,用于探测不同方位管外环空的介质密度;源距为0.72 m的伽马探测器用于地层对比和校深,该探测器还可用于探测套管偏心程度。对测井资料进行处理可以得到套管外充填物质密度和套管壁厚,并可计算出套管偏心率。八扇区测井仪通过水泥环密度变化的测量,对沟槽、孔洞的解释具有独特的优势,并且该测量方式受双层套管、微环隙、沟槽、快速地层等影响较小,有利于提高解释评价结果的准确性。

放射性水泥胶结测井仪经常与声幅测井仪器组合使用。放射性水泥胶结测井对微环没有响应,而声幅测井仪要受微环影响,所以二者结合还可识别微环。图4是某井的水泥固井质量测井解释综合图。在885 m附近,声波显示水泥固结较差,而放射性显示水泥填充良好。由此提示,此处有微间隙的影响。

2.3 固井质量测井面临的主要难题

声波测井在固井质量测井中占绝大多数,但声波测井普遍受第I界面微间隙的不利影响。在第I界面出现微间隙的情况下,主要测井响应都会或多或少出现假象,且无法校正;其次,水泥环第II界面是管外环空封隔性的最薄弱环节,只能根据VDL进行定性评价,对其定量评价是固井质量测井尚未取得突破的技术障碍;再次,水平井井底沉沙和测井仪器偏心构成了难以克服的技术难题。

3 封固性测井模拟试验条件和资料处理软件

3.1 固井质量测井模拟试验条件

为了开展封固性测井研究和对测井仪器进行评价,中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团公司和中国海洋石油总公司均分别设计建造了套损模拟井群和固井质量测井实验井群。

建造实验井可以实现全尺寸物理模拟,主要目的:①固井质量测井仪器刻度;②考察测井仪器的探测能力;③根据已知水泥胶结状况、模型声学参数和几何参数,采集固井质量测井数据并加以分析,进行固井质量评价方法研究。

3.1.1 中海油服套损检测模型实验井

图4 某井声幅变密度和放射性水泥胶结测井解释成果图

2013年,中海油田服务股份有限公司建立了外径分别为7 in和9.625 in的2口套损检测模型实验井。实验井设计了通孔(包括变孔径通孔和不同孔密通孔)、不同孔径的盲孔、不同宽度和长度的纵向槽、不同弧长的内壁横向槽、不同套管壁厚等,以模拟套管上不同长度、不同宽度的纵向裂缝和横向裂缝以及不同大小、不同深度的孔洞,通过模型实验测量与资料分析,确定2种规格套管不同损伤情况下不同探测套损测井仪器测量分辨率和壁厚测量精度。

3.1.2 固井质量测井模型实验井

在固井质量测井模拟实验井中对不同套管尺寸、水泥浆密度、第I界面胶结缺失、第II界面胶结缺失、套管偏心、双层套管等情况进行实体模拟。

(1) 中海油服固井质量测井实验井群。2013年,中海油田服务股份有限公司建立了1套固井质量测井实验井群(见表1)。建造固井质量测井模型实验井群的最初目的是为各种固井质量测井仪器和固井质量评价方法研究建立实验场所。

表1 中海油服固井质量测井实验井群

注:模拟5°、7.5°和15°主要是为多功能超声成像测井MUIL实验建造

在该井群中,1号～6号井底部1.5 m模拟套管偏心,7号井模拟了快、中、慢速地层条件,11号井模拟了快、中速地层条件;除了11号井外,所有7 in套管井水泥环厚度均为21 mm,所有9.625 in套管井水泥环厚度均为35 mm;每个模型井高度均为9.5 m,井眼直径0.311 m。

(2) 中国主要的固井质量测井实验井(群)。中国很多油田都建立了固井质量测井实验井(见表2)。这些实验井多数是为解决油田急需的仪器测试和固井质量评价方法研究服务的。这些投入大量资金、精力和智慧建造的测试装置,是中国测井行业宝贵的硬件财富,应努力把这些实验井维护好、保养好,测井同行应当互通有无,充分发挥这些实验井的重要作用。

表2 中国各主要固井质量测井实验井(群)

注:辽河油田模拟了水泥环0.1、0.2、0.4 m纵向胶结不均匀和双层套管水泥胶结情况;大庆油田、西部钻探和中海油服模拟了套管偏心

(3) 目前固井质量刻度井(群)的作用与局限性。刻度井模拟了不同密度水泥固井胶结良好、第I界面和第II界面水泥沟槽、自由套管、纵向水泥不均匀胶结和各种不同岩性地层等,为推动我国固井质量评价技术发展发挥了重要作用:①可用于刻度标定固井质量测井仪;②这些全尺寸模拟实验井的最大好处是可通过测井仪器采集固井质量已知的测井响应,有利于固井质量评价方法和处理软件深入研究及制定水泥胶结评价规范和标准;③便于评估固井质量测井仪器的探测能力。

这些刻度井(群)也存在明显的技术局限性:①因石料采集手段和运输手段限制,无法模拟较松软的地层,也无法模拟径向尺寸足够大的地层;②因加工制作工艺限制,无法模拟井液渐变污染,无法模拟泥饼条件下的固井;③最重要的是无法模拟实际不同产层之间水泥环的各种层间封隔状况。

3.2 固井质量测井评价方法

中国早期的固井质量评价主要依赖于声幅测井,从20世纪70年代开始逐步应用CBL/VDL测井资料。通过长期应用实践和方法研究,各个油田形成了具有鲜明特色的固井质量评价方法和评价指标。在中国大部分油田现场,早期声幅A评价指标多数为A≤20%,优(良好);20%40%,不合格(差)。1990年,中国石油天然气总公司组织编写《钻井手册(甲方)》,该手册推荐的固井质量评价指标为CBL在10%～15%以下,固井质量优质;CBL低于或等于30%,固井质量合格;CBL>30%,固井质量不合格[21]。在层间封隔评价过程中,VDL是第II界面胶结状况定性评价的依据。这种评价方法在低密度水泥固井、薄壁套管、厚壁套管、快速地层和水泥沟槽井段,很可能误评价。

为解决该问题,以便充分利用油田常规的CBL/VDL测井资料和SBT测井资料评价固井质量,研究建立了声幅和衰减率随套管尺寸变化而变的水泥胶结和水泥环层间封隔评价指标体系;同时,提出了快速地层、外层套管以及与地层孔渗性能相关(见图5)的测井响应的识别、水泥胶结评价和层间封隔定性的评价方法,规定在候凝时间不足和微间隙大于0.1 mm这2种情况下不能用水泥胶结测井评价固井质量[22]。

图5 渗透性地层井段的CBL/VDL测井和验窜

进入21世纪,中国油气勘探开发形势和技术变化很大,高压气井、调整井、水平井、低密度水泥固井等数量越来越多;逐步推广使用了伽马密度测井、分扇区声幅测井、水泥声阻抗类测井和IBC测井;固井评价经验越来越丰富,相关研究成果逐渐增多,例如,研究并应用了调整井固井和低密度水泥固井的评价方法等。此外,针对固井质量测井响应的多解性,提出了利用地质、钻井、固井以及其他测井资料的固井质量综合评价方法。

测井专家和固井专家通力合作,在深入研究和总结的基础上,编写并发布了中国固井质量测井资料验收和固井质量评价方法的石油行业标准[22-23]。

固井质量测井评价软件是评价技术水平的体现之一。在中国石油天然气集团公司的一体化测井资料处理软件平台CIFLog的基础上,大庆油田测试技术服务分公司开发出国内有代表性的套管井测井资料处理软件CIFLog-Smart 1.0,软件中包含有封固性测井资料处理等3个软件包,已处理测井资料数万井次。

3.3 固井质量评价的主要难题

从油气勘探开发形势和降本增效高标准要求出发,固井质量评价方法还存在很多技术问题,如水平井段、高温高压、致密砂岩气煤层气页岩气等固井后对层间封隔、压裂效果和井口带压的评价,油气田开发中后期调整井固井和深水油气井固井的水泥环层间封隔评价等,都是石油测井界亟待研究解决的重大技术难题,目前在这些方面的评价方法只是初步的,甚至带有明显的探索性质。

4 油气井封固性测井技术的要求

进入21世纪以来,石油工业面临着“低、深、海、非”四大技术需求,即低渗透、深层、海洋和非常规油气资源的勘探开发的技术需求。这些需求加上越来越高的环保要求,对油气井封固性测井提出了更高的要求。

(1) 温度指标从175 ℃提升到200 ℃,甚至达到230 ℃。

(2) 压力指标从140 MPa提升到160 MPa,甚至到180 MPa。

(3) 大套管井测井及评价,过去主要是在5 in或7 in套管内进行油气井封固性测井,现在要求在9 in甚至16 in的套管内进行测井。

(4) 外层套管的腐蚀和损伤也会对油气井封固性产生严重影响,多层管柱封固性测井及评价成为当前比较突出的技术要求。

(5) 大斜度井和水平井测井要求仪器居中,必要时在资料处理中采用偏心校正技术。

(6) 为了确定油气井封固性问题,往往需要多种测井仪器相组合,对仪器组合能力及信号传输能力提出了更高要求。

(7) 油田测井作业实践有时要求连接电缆进行实时测井,有时要求连接钢丝绳进行存储式测井,也会有要求一支仪器能实时测量和存储两用。

(8) 特殊套管测井需求。随着镀层套管与塑料防腐套管的扩大应用,对某些仪器应考虑在这些井内测井时控制测臂在套管上的压力。

(9) 采用低比重水泥浆进行固井的封固性测井需求。

(10) 环境保护以及海上油气资源、深部油气资源、非常规油气资源开发使油气井封固性测井需求量大幅增加。

(11) 深部油气勘探开发和海上油气勘探开发的展开,对中高端油气井封固性测井的需求将会呈增长趋势。

现场实践表明,对油气井封固性的理论研究和测井资料处理研究等都需进一步加强。

5 结束语

(1) 油气井封固性测井能发现并判定井下管柱和水泥环的问题,对于维持油气井产量、延长油气井生命周期、防止油气井事故、防止环境污染等有重要意义,油气井封固性测井在国外受重视程度越来越高,应该进一步提高中国对油气井封固性测井的重视程度。

(2) 石油工业低渗透、深层、海洋和非常规油气资源的勘探开发的技术需求以及储气库周期性检测对油气井封固性测井提出了更高的技术需求,推动了封固性测井技术的发展。

(3) 各油田在油气井封固性方面呈现的问题不同,采用的封固性测井的系列也有所不同。对于套管检测,多臂井径同电磁类测井相结合能取得较好效果;对于固井质量评价,声幅/变密度测井仍是固井质量测井的重要内容,但是,将声幅/变密度测井作为评价固井质量合格或是优质的唯一标准是不合理的,建议加上具备分区水泥胶结测井的测井内容。另外,水泥胶结类测井同水泥声阻抗类测井或是伽马密度测井相结合也是比较合理的组合。对于重点井、超深井、海上深井等,应根据实际情况,安排一些高端的固井质量测井项目。

(4) 脉冲涡流类电磁探伤测井在多层管柱检测方面显示出独到的优势;超声扫描成像测井、基于斜入射兰斯姆波的水泥胶结测井、相控阵声波技术等在固井质量评价方面展示出良好的发展前景。

(5) 建议中国测井界加强油气井封固性测井理论研究、将数值模拟研究适当的实体模型实验相结合;深化探头、声系结构及参数设计研究;建立配套的刻度标准井、加强封固性测井资料处理和固井质量综合评价方法研究。

致谢:齐宝权、刘恒、高炳燕、林有娣、赵阳阳等在资料收集和示例提供方面做了大量工作,为本文的写成创造了有利条件,特此致谢。

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