页岩气水平井固井质量测井评价方法及应用

页岩气水平井固井质量测井评价方法及应用

陈磊

中石化西南石油工程有限公司固井分公司 610057

摘要：页岩气水平井固井工程是石油行业开发的重要工程项目之一。页岩气水平井固井质量直接影响油井和石油行业的稳定生产。为了满足我国社会生产对于石油、天然气等资源的需求，必须加强测井方法相关研究，从而为油气资源勘探等工作提供指导。本文通过对页岩气水平井水泥胶结因素的研究，根据现有的常用固井质量评价方法比较，制定相应的适用于页岩气水平井固井质量评价的创新方法，基于此，本文研究对现阶段页岩气水平井固井质量评价技术和应用方法进行了深入分析和探讨，重点对声幅变密固井测井技术、水泥胶结固井测井技术和声波固井技术进行分析和评价，并对该技术原理、应用优势及实际效果进行了深入探讨，以期为改进我国页岩气水平井固井质量评价技术的研究提供必要的参考。

关键词：页岩气；水平井；固井质量；测井评价方法；具体应用

目前我国石油行业使用的页岩气水平井固井测井评价技术有多种，但按照技术原理和应用方法可分为声幅变密固井测井技术、水泥胶结固井测井技术和声波固井技术，其中声波振幅致密化技术是我国具有自主知识产权的技术，水水泥胶结测井技术是引入美国阿特拉斯公司的测井技术，声波固井测试技术是从俄罗斯引入的测井技术。三种页岩气水平井固井质量测井技术具有不同的技术原理、技术优势和不同的应用空间。对三种技术进行综合比较，可以在页岩气水平井固井测试中更有针对性地选择适用的测井技术，提高固井质量评价的准确性。根据当前我国石油行业的生产实践经验来看，页岩气井通常应用一层套管+三层套管的结构，还有部分页岩气井采用两层套管+三层套管结构，从而使得页岩气井具有结构特异、斜度较大、井段较长以及井眼轨迹不规律等多项特征。传统的页岩气井评价方法具有输送动力小、要求较高等多项局限性，所以需要对测井评价方法进行创新。通过采用储存式固井测井系统，将其应用在大位垂直比井中，结合地面和井下的设备，能够实现快速、高精度测量，获得页岩气水平井固井质量的VDL、CBL以及CCL等曲线信息。

1页岩气水平井水泥胶结产生主要原因

从石油领域的生产流程可以看出，页岩气水平井水泥胶结的主要因素为套管不正、仪器偏离以及油基泥浆三种原因。

1.1套管不正

页岩气水平井中的套管在弯曲井段以及水平井段中，受到重力的影响会产生一定的偏移，从而引起套管为处于中心情况，也就是套管不正问题。页岩气水平井为了实现开发与工艺适用性目标，一般会采用长水平段的水平井钻井技术，从而导致套管位置准确性无法得到保障，套管偏离会导致套管外部水泥环的厚度不够均匀，在重力的作用下会引起井眼上方位置水泥缺失，是导致固井质量下降的主要原因[1]。

1.2仪器偏离

当仪器处于准确位置时，来自不同方向的套管波抵达接收器的时间与位置相同，仪器所记录的幅度为不同方向同位套管波幅度的整体信息，但是如果仪器出现偏离问题，会导致来自不同方向的套管波抵达接收器的时间与位置不同，从而无法获取准确信息，对于固井质量的评价会产生很大影响。

1.3油基泥浆

因为页岩气水平井段主要采用油基钻井液进行钻井，所以固井时需要充足的化学冲洗液，主要目的是恢复水润型，实现湿润翻转目标从而提高水泥浆的顶替效果以及胶结质量。但是油基钻井液具有较强的附着力，且黏度较高，所以会增加水泥将顶替难度，如果顶替不够充足会导致胶结质量受到很大影响，从而页岩气水平井固井质量。
  2.页岩气水平井固井质量测井原理

2.1声幅变密技术原理

声幅变密技术的实质是一种声波脉冲的测试技术。发射设备根据实际测试要求设置好脉冲参数后，向壳体内产生脉冲信号，产生套管波。波动以套管为介质迅速传播，并注入到固井泥浆中。接收设备接收折射波动，通过中控设备转换电压值，经过连续的位置提升和测试，最终形成固井声幅曲线。通过该曲线可以实现固井界面的评价。

致密化试验主要是测试不同的源距。根据实际测井环境和测井要求选择相应的致密化模式。密度的选择应充分考虑井下地层波的强度。初次胶结试验一般选用3ft密度图形，二次胶结测试一般选用5ft变密度图形。

2.2分区式水泥胶结测井原理

  分区式水泥胶结测井技术英文简称sbt技术是近年来发展起来的一种新型径向固井质量评价和测试技术。依托相应的设备和装置，可实现固井水泥质量的综合检测，准确的识别水泥胶结质量、孔洞及槽道得我位置以及分布情况，该技术操作简单，精度高。该技术适用于老井固井质量评价，在新井固井质量评价中也有较好的效果，具有广阔的应用空间。SBT设备拥有1个高频定向环空，可实现对固井的全向、全向测试。同时，在一定范围内使用，测量结果精度高，受地层影响小。

与声幅测井技术相比，SBT技术在固井胶结测试区更加全面，可测量6个60°区块。根据气体技术原理确定，在短源测试中，基本可以避免地层对测试结果的影响。因此，SBT技术可以在测试中突出水泥与地层界面之间的作用。因此，在实际应用中，SBT测试适用于套管中重泥、含气测井液等气液含量高的测试。在整个测试过程中，测试结果不受仪器偏心量的影响，可沿套管的整个周长纵向和横向测量水泥固井质量。

（三）声波－伽马密度测井技术原理

声波－伽马密度测井技术最早从俄罗斯引进。我国油田企业结合国内固井技术现状进行了相应的改进和优化，逐步发展成为今天使用的声波－伽马密度测井技术。声波－伽马密度测井技术设备分为声波测井设备和伽马密度测井设备两部分。该设备配备两个接收器，多次测量第一波的传播时间，通过声波时差计算衰减系数、声波密度变化等关键数据，形成测井声波曲线。伽马密度测井设备是一种放射性检测设备，它以铯137为辐射源，以该设备为基础，在现场形成伽马射线源，对套管、水泥和地层进行检测。在实际应用中，需要在源距0.4M处安装壁厚探测器，在源距0.4m处需要安装水泥测厚仪。一般水泥测厚仪需要安装在6-8个不同方向，自然伽马仪需要安装在源距1m处。依托上述检测设备，采集记录井下套管、水泥环、泥浆液对伽马射线的弹性碰撞响应，并通过中控芯片计算原始数据，获得平均密度。套管厚度、套管偏心等测井数据，形成8种类型的测试曲线。分贝分别为自然伽马曲线、套管壁厚测试曲线和6种水泥密度曲线。

最后将8条测试曲线与井眼参数以及地层参数进行综合评价，对固井水泥的胶结质量进行最终的评价，从而推算出套管损坏位置、井壁偏心率等高阶测试数据。
3.页岩气水平井固井质量评价方法

当前世界范围内对于页岩气水平井的固井质量评价，主要采用有声幅—变密度测井技术（CBL—VDL）、扇区胶结声波测井技术（RIB、SBT）以及环井周超声波测井技术。根据石油生产实践经验来看，CBL—VDL和RIB测井技术在页岩气水平井的固井质量评价中应用效果较好，CBL—VDL测井资料方法利用钻井设备输送存储式测井技术录取，RIB测井资料方法利用牵引器输送技术录取[2]。本文结合D市某页岩气水平井固井的第一界面和第二界面实际情况，对评价方法进行分析。

3.1CBL—VDL评价方法分析

CBL—VDL评价方法是当前页岩气水平井固井质量评价中应用最为广泛的一项技术，不仅能够记录首波的幅度值，同时能够记录后续测井的套管波信息、水泥环波信息、地层波信息以及泥浆波信息等，能够记录的信息总量较为丰富，从而能够获取页岩气水平井固井的第一和第二界面水泥胶结质量信息，但是CBL—VDL测井方法在实际应用过程中，容易受到仪器偏离问题的影响，所以需要保证仪器运行质量[3]。

首先，在利用CBL—VDL对页岩气水平井固井的第一界面水泥胶结质量进行评价时，主要按照CBL幅度值方法，利用相对幅度值方法能够对第一界面的固井质量进行科学的评价，当测井现场不存在其他影响因素的情况下，CBL指较高能够展现出第一界面的水泥胶结差，CBL指较低则说明第一界面的水泥胶结质量较好，相对幅度CBL的计算方法为：CBL=（目的层段声波幅度/自由套管声波幅度）*100%，如果计算结果小于15%，则说明第一界面的水泥胶结质量较高；如果计算结果在15%—30%范围内，则说明第一界面水泥胶结质量一般；如果计算结果大于30%，则说明第一界面水泥胶结质量较差。其次，在采用CBL—VDL波形特征对水泥胶结质量评价时，VDL图利用灰度变化的方式对波列波形幅度进行展现，按照灰度的变化情况则能够判断地层波与套管波的强弱，同时根据测井人员的判断，则能够得到页岩气水平井固井的水泥胶结质量信息[4]。下图标为采用VDL方法获取的第一界面进而第二界面胶结质量评价具体信息。

表1：VDL方法固井质量评价

3.2RIB评价方法分析

RIB评价方法利用测井仪器能够获取准确的页岩气水平井固井质量信息，根据信息能够对其综合质量进行评价。在应用RIB评价方法时，RIB仪器必须在现场进行刻度处理，在空气中刻度完成后将其放入页岩气水平井固井的自由套管处，根据现场信息对声幅刻度值进行调整，一般调整为70mV或100%，经过信号调整后对其进行正刻度处理，利用刻度后的数据开展测井工作，如果页岩气水平井中没有自由套管，可以采用经过调整后的相同规格套管井刻度数据。

首先，在该页岩气水平井的第一界面胶结质量评价中，根据规律总结的方法，对直井、斜井进行测定，CBL所反映出的信息说明第一界面信息与其他区域的水泥胶结情况基本相同，所以可以利用第一界面胶结质量的评价信息，但是在后续的测量过程中发现，在页岩气水平井的斜度不断增加情况下，CBL所展现的第一界面信息与测量区域的水泥图像出现了偏差问题，CBL曲线的测得数值较低，无法反映出被测量区域的实际情况，所以采用RIB平均声幅值测井方法，根据相对幅度方法对第一界面的水泥胶结质量评价。根据测井资料结果显示，在声幅值低于20%的情况下，胶结质量较好；在声幅值大于40%的情况下，水泥胶结质量较差，由此可以看出RIB测井方法能够对第一界面和第二界面的水泥胶结质量进行评价，能够较为直观地展现出水泥沟槽和空隙信息，适合在页岩气水平井固井质量评价中使用

[5]。

其次，在水泥胶结成像的解释方面，RIB水泥胶结成像可以分为五个刻度，E为具体划分标准。当E处于0%—20%之间时，说明水泥胶结质量较好，此时图像灰度颜色主要为黑色；当E处于20%—40%之间时，水泥部分胶结，此时成像灰度颜色为棕色；当E处于40%—60%之间时，水泥部分胶结，测试成像灰色颜色为黄色；当E处于60%—80%之间时，水泥部分胶结，成像灰度颜色为浅黄色；当E处于80%—100%之间时，水泥没有胶结，此时成像灰度颜色为白色。

根据水泥胶结质量成像信息，需要对其进行解释，主要包括以下几项内容：（1）自由套管。声幅最大、最小以及平均声幅曲线的稳定性较好，套管处测井数值有一定降低。（2）第一界面、第二界面胶结良好。声幅最大、最小以及平均声幅曲线出较为稳定，成像图主要为深色，变密度波形表示套管波的衰减出现一定缺乏，存在明显的地层波。（3）第一界面良好、第二界面中等。CBL最大、最小以及平均声幅曲线较为稳定，成像在胶结质量较好区域主要为黑色，较差区域主要为变色。

3实际应用效果分析

牵引器输送技术和钻井设备输送储存式测井技术具有测井速度较快、资料质量较高等多项优势，能够准确地反映出页岩气水平井固井的水泥胶结质量信息，从而为页岩气水平井开发提供科学且准确的数据支持。将上述的方法应用在D市页岩气水平井固井某井段中，根据实际测井结果显示，储存式声波幅度和RIB声波幅度值相同，变形密度波对应较好，根据测井人员的勘察资料来看，影响该井段固井质量的因素主要包括套管不正、仪器偏离以及油膜三个主要影响因素。因为套管不正，导致页岩气水平井2400m—2600m区域的管外水泥环厚度不够均匀，从而导致固井质量下降；因为仪器出现偏离问题，RIB图像显示测井段具有水泥沟槽问题；在油膜的影响下，该井因为顶替不够彻底，从而导致井筒内在大量油基和泥浆混合物，引起水泥和第一界面、第二界面的胶结质量较差问题出现，水泥成像主要以黄色和浅黄色为主。通过上述的实践应用可以看出，本文所选择的两种页岩气水平井固井测井评价方法具有良好的应用效果，能够直观地展现出页岩气水平井固井质量信息，对于页岩气水平井开发具有重要意义。
4.页岩气水平井固井质量检验的建议

利用不同声源距离下测得的声幅值曲线的幅值差来评价薄层问题。非合成层越厚，声源距离不同的音频系统记录的声幅曲线差异越大。只要井下测量和记录精度足够高，就可以根据不同声源声幅值曲线的差异，确定和评价厚度小于仪器纵向精度的非合成层。方法步骤如下：首先，在标定井中模拟不同厚度的原始剖面（以声源间距为3英尺和5英尺为例）。

读取声源间距离为3英尺和5英尺时音响系统测得的声幅曲线的幅差，并画出幅差与未放大间隔的关系。其次是声源距离的测量读取声源间距离为3英尺和5英尺时音响系统测得的声幅曲线的幅差，并画出幅差与未放大间隔的关系。其次，声波系统在实际记录中测量到的声源距离为3英尺×5英尺的声波振幅曲线的振幅差，通过关系图计算Bi为0的非均匀层的厚度。然后将其转换为与估计的固定指标Bi相对应的非梯度层厚度。该方法为解释未分类层厚度小于仪器纵向分辨率的问题提供了一种新的思路。建立统一的质量检验标准及其解释。标定井装配完成后，测量不同的仪器，根据测量数据建立相应的数据库，进行仪器标定。该校准标准不仅规范了传统的CBL配准解释方法，而且强调了低密度水泥和砂型水泥质量评价的校准和规范。提高注册表数据的可靠性，增强不同工具注册表数据的可比性。

结束语

综上所述，本文全面阐述页岩气水平井胶结质量较差的主要原因，同时对CBL—VDL和RIB测井方法的应用方式进行分析，结合实际应用案例，证明CBL—VDL与RIB测井方法在页岩气水平井固井质量评价中具有良好的应用效果，希望能够对我国油气资源开发行业起到一定的借鉴和帮助作用，不断提高页岩气水平井开发技术水平。

参考文献

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