基于方位声波固井质量检测仪的Ⅱ界面窜槽响应特性分析

Ⅱ界面（水泥-地层界面）窜槽探测是目前固井质量评价面临的技术难题之一。本文介绍了第二代方位声波固井质量检测仪（Azimuthally Acoustic Bond Tool 2.0,简称AABT2.0）的结构和原理,利用有限差分算法对不同Ⅱ界面窜槽情况进行了模拟,分析了该仪器在确定水泥窜槽的中心方位和角度范围的效果。数值模拟结果表明,通过分析相控圆弧阵声波接收站中不同方位阵元接收到的套管波首波幅度,可以获得窜槽的中心方位;与独立接收模式相比,基于相控圆弧阵声波接收站的扫描接收模式能够更为准确地获得窜槽的角度范围;通过对数归一化成像显示,可以直观地获得不同深度段的窜槽分布情况。本文的工作为之后AABT2.0实际资料的处理奠定了理论基础。     

井孔声场的Ⅱ界面特征波传播机理

针对Ⅱ界面窜槽的井孔声场传播机理不清,以及缺乏有效的Ⅱ界面固井质量评价办法的问题,提出采用实轴积分法模拟Ⅱ界面窜槽井孔声场的全波列曲线、二维谱和频散曲线,提取Ⅱ界面特征波,分析窜槽流体环厚度、振源主频、套管尺寸等因素对Ⅱ界面特征波的影响。结果显示:当流体环厚度比较小时,特征波首波幅度随厚度增大而减小;反之,首波幅度随厚度增大而增大;随厚度增大首波旅行时间近似线性地减小。使用特征波幅度计算Ⅱ界面水泥胶结指数,可以消除仪器主频和套管尺寸的影响。进而认为特征波主要是在钢套管和水泥环中传播,通过对比发现决定特征波幅度及旅行时间的主要是水泥环厚度,而非窜槽流体环的厚度。     

基于MAK-Ⅱ/SGDT测井数据的固井质量评价技术

固井质量检测技术主要包括基于声波测井以及基于伽马密度测井的两大类检测技术。声波检测主要利用声波反射、折射信号判别水泥与套管、水泥与地层两界面的胶结质量;伽马密度测井通过探测水泥环密度与实际水泥密度之间的差异进行固井质量评价。俄罗斯生产的MAK-Ⅱ/SGDT联合测井仪器包括MAK-Ⅱ声波测井仪、SGDT伽马密度仪;前者提供两条声能量衰减率曲线,后者测量套管计数率和6条水泥环计数率曲线。从非胶结质量因素、胶结质量因素两方面分析了上述两种仪器的影响,并依据刻度井群实验,建立了相关校正方法,建立了一套基于声、核测井信息的固井质量综合评价流程和标准。     

套管井中仪器偏心对超声回波的影响

根据声波在介质中的传播理论和换能器的声学特性，对在套管井中仪器处于不同偏心情况下的超声回波进行了模拟，研究了偏心对超声回波的影响，并进行了实验验证。数字模拟和实验结果表明：仪器偏心不仅会引起回波信号幅度的变化，而且会导致频谱的改变，当偏心大于４ｍｍ时，对回波的影响比较明显；为了保证套管井测井资料的可靠性，仪器偏心应小于３．５ｍｍ。     

套管井中仪器偏心对超声回波的影响

根据声波在介质中的传播理论和换能器的声学特性，对在套管井中仪器处于不同偏心情况下的超声回波进行了模拟，研究了偏心对超声回波的影响，并进行了实验验证．数字模拟和实验结果表明：仪器偏心不仅会引起回波信号幅度的变化，而且会导致频谱的改变．当偏心大于４ｍｍ时，对回波的影响比较明显；为了保证套管井测井资料的可靠性，仪器偏心应小于３．５ｍｍ．     

随钻方位电磁波测井仪器偏心响应模拟及分析

为研究随钻方位电磁波测井仪器偏心响应特征,基于交错网格时域有限差分方法,进行复杂偏心条件下测井响应模拟分析。采用共形网格技术实现复杂边界电导率等效,并通过与半解析解对比,验证算法正确性;进而对比分析仪器居中和偏心条件下电磁场分布特征;讨论不同仪器参数及井眼环境下单发单收结构的测量信号变化规律;最后探讨复杂偏心条件下随钻方位电磁波测井响应特征及方位信号变化。结果表明:油基钻井液和电阻率大于0.5Ω·m的水基钻井液中随钻方位电磁波响应基本不受仪器偏心的影响;电阻率小于0.1Ω·m的水基钻井液中,低频长源距测量模式可忽略偏心影响,能够较好地用于地质导向;而高频短源距测量模式受井眼环境影响严重,应当考虑适当的校正。     

基于声波变密度测井的固井质量综合评价方法

声波变密度测井作为评价固井质量的主要方法,可以提供第一和第二界面的水泥胶结质量状况.通过从变密度波形中提取套管波和地层波幅度(或能量)值,计算第一和第二界面的水泥胶结指数,用于评价第一和第二界面固井质量.由于地层波在传播过程中受影响因素较多,在使用地层波评价第二界面时需要进行衰减校正、干扰校正等常规处理.在此基础上,提出对地层波幅度进行声阻抗差校正,使最终获得的地层波幅度变化主要反映第二界面水泥胶结状况.同时,分析了微间隙在声幅曲线上的特征.实际资料分析取得了良好的效果.     

套管井弯曲型Lamb波衰减测量的数值仿真和试验

利用数值仿真和试验测量相结合,分析换能器指向性以及弯曲型Lamb波在套管中传播时的扩散特征,给出换能器在距离套管内壁不同位置时测量的衰减值的变化规律。结果表明:随着换能器距离套管内壁越近(仪器直径变大),测量的衰减值越大,但此衰减值的变化与水泥胶结质量无关;在测井仪器偏心时,声系在朝向井周不同方位上测量时其换能器与套管内壁距离也发生改变,且辐射声束传播到套管内壁时入射角也会发生变化,测量的衰减值随方位近似呈现余弦曲线式的变化规律;在声系和套管厚度均保持不变,随着套管外径在一定范围内逐渐增大时,测量的衰减值先稍有增大后又逐渐降低。     

水平井小修作业二次固井技术应用

固井水泥对套管破漏、管外窜井进行二次固井是经济有效的措施。二次固井管柱多采用光油管直接将灰浆挤入固井井段,但是若管外窜槽位置与生产井段距离较近,该固井管柱则不能较好实现,需将二次固井井段下部油层以上封堵好,尽可能减少对生产井段的污染和对油井产能的影响。     

套管井不同胶结状况下声波测井响应及其时频特征

利用自制的模型井,在实验室内研究了套管井第一界面不同类型的水泥胶结窜槽的声波测井响应特征,基于Choi-Williams内核的Wigner-Ville分布,对该声波测井响应进行了时频分析.结果表明, 发射和接收探头同时处于胶结良好区域或者发射和接收探头之间存在夹角小于180°的周向窜槽时,时频分布图中具有3个幅度不等的能量峰,能量分布范围比较宽;当发射和接收探头之间存在夹角大于180°的窜槽时,时频分布图中仅有2个能量峰.发射和接收探头之间未胶结区域越不规则,其能量峰越不容易区分.当发射和接收探头同时处于自由套管内时,仅有1个幅度较高的单一能量峰,并且其能量分布范围(对频率)减小.     

大位移井顶替效率最优的套管居中度设计方法

在实际井眼中,由于存在重力效应,造成套管偏心的形式有两种:一是套管贴向下井壁的整体偏心;二是扶正器间的套管屈曲变形产生的局部偏心。这两种偏心都极大地影响套管的居中度,在大位移井中体现得更为明显。在分析SY/T 5334—1996中居中度标准由来的基础上,得出目前国内采用套管居中度标准的局限性,引入最优顶替效率情况下的极限偏心距理论,建立极限偏心距条件下的套管居中度计算模型,并分析各因素对套管居中度的影响规律,提出利用极限偏心距理论和国标对大位移井套管居中度进行综合优化设计的思想,提高大位移井的套管居中度,满足水泥浆的顶替效率需求。结果表明:适当提高水泥浆动切力、降低钻井液动切力及提高水泥浆与钻井液的密度差的方法可以弥补井斜角对套管居中度的要求,但在90°的水平井段改变密度差的方法不适用。     

非均匀地应力下套管偏心对抗挤强度的影响

在常规地层条件下,套管的强度具有足够的富余量,因而一般对套管的偏心影响考虑较少.但在深井及盐膏层地层中,套管偏心的影响不可忽略.针对塔里木油田英买力区块钻进过程中出现的技术套管受挤变形问题,建立有限元模型,分析套管偏心对套管抗挤强度的影响规律,绘制套管偏心与套管最大应力的对应关系图,回归套管偏心与套管最大应力关系的计算公式.研究结果表明,非均匀地应力下,在最大地应力方向,套管偏心距越大,套管抵抗非均匀载荷能力越强;在最小地应力方向,套管偏心距越大,套管越容易挤毁.最后,利用研究结果确定了该区块的最低钻井液密度,从而有效地解决了套管变形问题.     

分支井筒稳定的塑性力学模型及分析

针对分支井钻进过程中普遍存在的井壁稳定问题,建立考虑地层、水泥环、套管和支井井筒的分支井稳定性分析三维弹塑性有限元模型。模型中将水泥环、地层和套管分别视为不同的塑性材料,同时通过建立应力各向异性地层中模型转换方法,消除不同支井方位之间的模型误差。通过弹塑性有限元模拟研究支井方位对分支井稳定性的影响。结果表明:方位角小于15°时,地层与水泥环最大等效应力位于主井筒上,有利于分支井井眼稳定;方位角为75°时,等效应力最大值位于分支井井壁上,不利于井壁稳定;从套管侧窗变形的角度来看,分支井方位应尽量靠近水平最大地应力方向;当支井方位角大于30°时,主井眼水泥环的破坏可引起支井钻进问题;在分支井井身结构设计中,采用较小方位角,同时避免采用50°~80°的分支井方位角,以保证水泥环-地层-套管-井筒系统的稳定性和安全性。     

仪器偏心对纵横波衰减影响的正演实验

近年来,水平井得到了越来越广泛的应用,在页岩气等非常规油气藏以及海上油气藏的勘探开发中发挥了至关重要的作用。但水平井测井在影响因素校正、资料处理和解释等方面尚存在诸多问题。针对仪器偏心对水平井声波测井响应影响的问题,开展了相关的物理模拟实验研究和数值模拟分析。提取了不同偏心率条件下的模式波的能量参数,分析了模式波能量随仪器偏心率的变化关系。结果表明,当仪器处于偏心状态时,模式波的能量均与仪器偏心率呈现类似负指数关系;仪器偏心率与模式波的能量衰减系数呈现“S”曲线变化关系。本研究成果有助于厘清仪器偏心对水平井声波测井响应的影响规律并为进一步开展仪器偏心对阵列声波测井响应影响校正方案研究提供指导。     

多功能超声成像测井仪设计

基于超声脉冲反射法测量原理,设计了一种多功能超声成像测井仪器,并介绍了该仪器测量的具体实现方
法。该仪器在裸眼井中采用成像测量模式可完成井眼内壁高分辨率成像测量;在套管井采用全波测量模式可同时完
成套损检测及水泥胶结质量评价测量。应用该仪器在实际裸眼井及套管井进行了测试,实测资料表明其在裸眼井中
可对井壁进行裂缝、孔洞、层理等地质构造分析;在套管井中可进行套管厚度成像、套管内外径成像及水泥声阻抗成像
等评价。该仪器可对套管腐蚀及第I 界面水泥胶结质量做定量评价。     

套管井电阻率测井方法及其影响因素分析

根据电磁场理论和中场区电场分布特点,建立套管井地层电阻率测井(CHFR)测井响应方程,用传输线理论分析了套管井测井数值计算的可行性,分析了水泥环、地层电阻率、套管厚度等因素对测井响应的影响.结果表明,低阻地层水泥环对测量结果的影响较大,电位二阶微商与地层电阻率成反比,随套管厚度的增大下降较快,特别是小于4mm时下降更快.     

水力压裂过程中水泥环裂缝扩展的数值模拟

射孔后水泥环内产生初始裂缝,压裂过程中裂缝的扩展将为环空窜流的发生提供通道。针对此问题,根据水力压裂流固耦合理论模拟水泥环径向裂缝在体积压裂过程中的扩展过程,分析了套管内压、水泥弹性模量、地层孔隙压力等参数对压裂过程中水泥环裂缝扩展长度的影响规律。结果表明：压裂过程中射孔段水泥环径向裂缝扩展过程主要发生在压裂初期,且缝口与缝尖处的压力差随着压裂的进行逐渐缩小。较高的地层孔隙压力、较低的套管内压与高强度低模量水泥有利于减小水泥环径向裂缝扩展长度,保证水泥环有效封固。本文研究结果可为水平井体积压裂的射孔簇间距与压裂段间距的选取提供参考。     

大齿轮齿形测量中补偿安装偏心的理论分析

针对大齿轮齿形测量时安装偏心不易消除的特点,采用误差补偿的原理消除安装偏心产生的测量误差.分析了安装偏心与齿轮传动时啮合线增量的关系,提出了实时和非实时的误差补偿方法.实时误差补偿的核心思想是坐标变换,结合齿形的各种测量方法,给出补偿安装偏心产生的测量误差的数学模型;非实时误差补偿是在测量结束后利用计算机辅助计算补偿安装偏心产生的测量误差,推导了啮合线增量法和微分法的数学模型.实际测量时,可根据实际情况选择合适的补偿方法.     

水平井偏心环空低速顶替运移机制研究

水平井固井顶替过程中,受限于现场设备,难以实现紊流顶替,而在层流流速区间内,两相流体在偏心环空中运移机制复杂。基于计算流体动力学方法,建立几何模型和数值模型,采用流体体积法对两相流体顶替界面进行追踪,研究了不同顶替流速下水平井偏心环空流体运移机制。结果表明,（1）低偏心度下,1倍隔离液用量能够实现90%顶替效率,而当偏心度大于0.5时,顶替效率相对较低,即使增加隔离液用量,也未能提高顶替效率;（2）针对套管严重偏心情况,将流速由1.0 m/s降低到0.2 m/s,有助于界面平稳发展,并多置换出6.8%钻井液,解决窄边滞留,宽边指进问题;（3）水平井偏心环空固井注替过程存在偏心效应、重力效应、黏滞效应等多方面影响,这些因素相互制约、相互作用,因此,针对现场实际井况,合理设计固井工艺参数,不仅能提高固井质量,还能起到降本增效的作用。