[發明專利]基于模型的穿孔套管聲波測量方法與系統

在審

• 申請號: 202010366961.X
• 申請日: 2020-04-30
• 公開（公告）號: CN111625976A
• 公開（公告）日: 2020-09-04
• 發明（設計）人: 李丹紅;周靜
• 申請（專利權）人: 西安石油大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;E21B47/00
• 代理公司: 西安中科匯知識產權代理有限公司 61254
• 代理人: 王培境

1.一種基于模型的穿孔套管聲波測量方法與系統，其特征在于：包括數值建模、聲學測量、計算機設備、軟件指令、估計CBL振幅和CBL衰減中的至少一個、條件數據、E1峰值振幅、歸一化因子、操作參數以及數據庫；

所述數值建模可以包括有限差分方法和有限元方法，且使用所述數值建模來創建用于井眼中的穿孔套管的聲學測量的解釋圖，且基于所述解釋圖對穿孔套管進行評價，且所述評價可以是對井眼中的礫石充填的評價；

所述計算機設備和在計算機設備上可執行的軟件指令，以創建用于穿孔套管的所述聲學測量解釋圖，使用所述數值模型在井眼中進行測量，并根據所述解釋圖對多孔套管進行評估；

所述條件數據為設置自由管和100％膠結情況下所得到的條件數據，涉及用于所述數值模擬的普通套管模型和多孔套管模型；

所述E1峰值振幅為在自由管和100％膠結情況下檢測普通套管模型和多孔套管模型波形的E1峰值振幅；

所述歸一化因子應用于穿孔套管模型的波形的E1峰值振幅；

所述操作參數為接收套管的至少一個參數和與套管有關的操作參數；

所述數據庫用于積累水泥評價結果和評價參數，且所述評價參數或提供識別射孔參數的振幅以便將對CBL測量的影響降到最低。

2.根據權利要求1所述的基于模型的穿孔套管聲波測量方法與系統，其特征在于，所述解釋圖可以是關于多孔套管的水泥粘結測井(CBL)測量結果的解釋圖，且所述評價可以是關于多孔套管的水泥定量評價。

3.根據權利要求1所述的基于模型的穿孔套管聲波測量方法與系統，其特征在于，所述套管可以包括特殊的穿孔套管、定制的穿孔套管或等效管道。

4.根據權利要求1所述的基于模型的穿孔套管聲波測量方法與系統，其特征在于，所述E1峰值振幅用作可用于水泥膠結測井的套管載信號，在某些情況下，這通常是第一主要峰值，但其他實施例可使用諸如在第一峰值之后到達的峰值或套管載信號的包絡等替代方案，具體取決于測量實現方式。

5.根據權利要求1所述的基于模型的穿孔套管聲波測量方法與系統，其特征在于，所述套管可以通過即插即用(PA)操作和射孔、沖洗和水泥(PWC)操作將自身設置水泥塞。

6.根據權利要求1所述的基于模型的穿孔套管聲波測量方法與系統，其特征在于，該系統的動作流程為：

步驟一：總結工作流程100以及井場中的現場應用110與創建基于模型的CBL解釋圖120之間的關系，參考圖1示例流程得出，現場應用程序110要求使用特殊套管(例如，用于PA-PWC操作的套管)進行操作，由于缺少水泥粘結解釋表，因此無法對其進行水泥粘結評估，本文公開了在這種特殊套管中CBL測量的數值模型122，其中包括接收候選套管或操作參數124，然后，使用數字模型122生成新的CBL解釋圖126，并且基于CBL解釋圖126對特殊套管進行水泥評估128，水泥評價結果和現場操作參數和結果累積在數據庫140中，應用參數評價142；

步驟二：對步驟一中的過程110、122-128、140和142進行迭代，迭代上述過程110、122-128、140和142，為了對觀測的更好理解，迭代的過程允許改進和加速現場應用程序110的開發，(示例一：在PWC應用中，PWC操作和石油公司等用戶希望對PWC參數進行評估，以確保棄井后進行區域隔離；示例二：在重射孔，即大量且較寬的套管進入孔中，需要確保更好的固井效果，但是，重射孔對特殊射孔套管的CBL振幅與標準套管的CBL振幅相差很大)，通過使用本文公開內容中的基于模型的CBL解釋圖120，它能夠解釋多孔套管的水泥粘結，以進行水泥粘結定量評估，在PWC和CBL現場作業之后，PWC/CBL測量值和基于模型的解釋圖以及最終的區域隔離信息都可以累積到數據庫中，基于數據庫中存儲的數據，它能夠為下一步PWC操作做出更好的決策，以提高操作的成功率，在此過程中，可將不同的操作142進行多參數評估作為結果，(例如，在PWC操作中，有穿孔、沖洗、清洗和固井的參數)，本發明中的數值CBL模型能夠提供CBL振幅，從而能夠識別對CBL測量產生最小影響的射孔參數，在這種情況下，可以按原樣使用CBL測量的對數，而無需為PWC操作準備自定義解釋圖，但是，如果沒有目前的建模結果，就無法進行這種評估，射孔參數將影響射孔清除碎屑(套管、水泥和地層)的能力，以及如何將水泥擠入套管后的環形空間；

步驟三：計算模型CBL歸一化因子130并將其應用于特殊套管中的CBL測量的數值模型122，再次參考圖1可以看出，可以使用普通套管(自由管)參數134基于普通套管(自由管)132的CBL振幅建模來計算模型CBL歸一化因子130，此外，本方法可包括當前數值CBL建模與CBL測量的實驗之間的交叉驗證136；

小結一：由步驟一至步驟三可以看出，以上流程更側重于水泥評估的CBL測量，但是，根據應用和所使用的特殊套管，本方法可應用于B.Froelich等人的文獻中所述的超聲測量“水泥評估工具—一種水泥評估的新方法”，此外，它還可以將目前的數值模型擴展到超聲，使用適合超聲測量的詳細模型幾何形狀和頻率，有助于評估需要在特殊或定制套管或等效管道中進行水泥評估的油田作業或應用，包括用于PA或WPC操作的套管；

步驟四：對多孔套管中進行水泥定量評估，先使用CBL工具900的CBL測量的示意性配置一個示例，示例結果為圖2A，接著使用CBL工具900測量的CBL信號波形的一個示例，示例結果為圖2B，CBL工具900用于評估多孔套管910和地層916中形成的鉆孔914中粘結水泥環912之間的水泥粘結，該CBL工具900具有聲波發射器(壓力源)902和聲波接收器(壓力接收器)904，并通過鎧裝電纜908部署在鉆孔914中，CBL測量基于聲音音高捕獲技術，其中聲波由聲波發射器(壓力源)902激發，在均勻的井液中耦合到穿孔套管910中，一部分波在多孔套管910內部朝著聲波接收器904傳播，通過水泥漿912，由于輻射或聲波折射到井液914和地層916而損失或減少能量，折射到接收器904的波被記錄在工具900中，并使用鎧裝電纜908作為CBL信號進行傳輸；

步驟五：測量第一個主導套管信號的振幅，采用CBL工具，得到E-1峰值振幅，如圖2B所示，E-1峰值振幅的對數大小與粘結指數(BI)成正比，粘結指數(BI)定義為水泥912粘結的套管圓周的一部分，參考圖3可以看出，E1峰值振幅與水泥環向粘結成線性關系，在確定套管的幾何結構(套管內徑和厚度)、水泥聲學特性(聲阻抗、密度和縱波傳播速度的乘積)以及參考與水泥膠結有關的E1峰值振幅的列線圖時，可以預測到E1峰值振幅及其衰減，或如圖4所示的水泥評價解釋圖“M-1”圖，其中自由管的E1峰值振幅或BI＝0時的E1峰值振幅從CBL自由管參考振幅(CBRA)的圖中獲得，作為圖5所示套管直徑的函數，使用CBRA，它能夠在100％水泥粘結或BI＝1時獲得CBL振幅(MSA：最小聲波或100％粘結振幅)，使用CBL自由管參考振幅(CBRA)和100％水泥粘結時的CBL振幅，它能夠根據CBRA和MSA之間的任意CBL振幅估計粘結指數(BI)值，如圖6所示，對于穿孔套管，沒有自由管和100％水泥膠結振幅數據，CBL自由管參考振幅最初是自由管狀態下標準套管中CBL工具之一的實驗數據，至于100％水泥粘結時的E-1峰值衰減，由于同樣的原因也沒有可用的數據庫，穿孔套管不在常規CBL測量范圍內；

小結二：步驟四至步驟五中所采用的CBL測量，采用套管延伸模式進行測量，如圖所示，射孔套管中的套管拉伸模式隨射孔密度(單位長度上的射孔數量，如spf或每英尺射孔)的變化而變化，圖7A和7B以及單個套管入口孔直徑，圖7A和7B分別以18spf和12spf的射孔密度顯示了多孔套管的示意圖，其中有多個穿孔700，分布在深度(Z)方向上為24英寸和相對于套管中心的視角(θ)0-360度范圍內，由于穿孔，套管在結構上符合標準，使用數值模擬為各種非標準套管(包括穿孔套管)構建了定制的CBL測量解釋圖；

步驟六：構建CBL測量的解釋圖的工作流300：

A1數值建模(圖8中的步驟302)：

作為圖9A、9B、10A和10B所示的示例，建立了用于三維數值模擬的沿徑向(R)和深度(Z)方向的詳細模型幾何結構，用于數值建模的軟件可以分為多種類型，在自由管的CBL建模中，如9A和10A所示，CBL工具200被部署在套管210內，并且套管210的外部區域和CBL工具200與套管210之間的區域填充鹽水212，在CBL中，對100％粘合的情況進行建模，如圖9B和10B所示，CBL工具200被部署在套管210內，并且CBL工具200和套管210之間的區域填充鹽水212，與自由管情況相同，然而，與上述自由管不同，在100％粘結的套管外表面210的外表面通過水泥214完全粘結到地層216，上述過程中，在一個或多個計算機設備中使用內部軟件，該內部軟件能夠通過執行軟件來安裝和執行有限差分時域(FT-DT)計算中的各種應力速度傳播，備選方案可以是商業有限元程序，如LS-Dyna、Comsol和ANSYS；

A1a普通套管型號：

在數值建模中至少輸入一個任意場的模型源，模型源可以是接近CBL頻率(例如20kHz)的聲壓，與實際的CBL工具類似，CBL信號和CBL振幅的波形是在自由管和100％水泥粘結兩種情況下在普通套管中模擬的，如圖9A和9B所示，該模型輸出記錄在發射器(壓力源)—接收器間距為3英尺(任意幅度)處的CBL信號；

A1b穿孔套管：

建立了穿孔套管的三維數值模型，并以自由管和100％水泥粘結兩種狀態為例，模擬了射孔套管內CBL信號和CBL振幅的模型波形，如圖10A和10B所示，盡管在實際的PA-PWC操作中沒有自由管狀態數據，但穿孔套管中進行CBL振幅解釋時需要使用自由管狀態數據；

A2E1峰值檢測(圖8中的步驟304)：

在自由管和100％粘結的情況下，檢測到上述步驟(1-a)中的普通套管和上述步驟(1-b)中的穿孔套管的模型波形的E1峰值振幅；

A3穿孔套管的CBL振幅模型(圖8中的步驟306)：

計算了上述步驟(1-a)中模型CBL歸一化因子，即CBRA與普通自由管模型E-1振幅的比值，然后，在上述步驟(1-b)中，在自由管和100％水泥粘結情況下，將歸一化因子應用于穿孔套管模型，歸一化值稱為CBRA_P(穿孔套管CBRA值)和MSA_PWC(穿孔、沖洗和粘結后的最小聲波振幅)；

A4PA-PWC的新CBL圖表：

如圖11所示，歸一化的CBL振幅以二維圖(2-D)的形式繪制，參考普通套管和穿孔套管的粘結指數(BI)，在圖11中，在BI＝0和1處，普通套管CBRA(BI＝0)和MSA(BI＝1)的CBL振幅數據分別表示為不透明圓400和402，在圖11中，自由管(BI＝0處CBRA_P)和100％粘結(BI＝1處MSA_PWC)中穿孔套管的CBR(BI＝0)和MSA(BI＝1)的CBL振幅數據分別表示為BI＝0和1處的410和412清晰圓；

A5PWC操作后預期的CBL振幅：

CBL測井通常采用膠結光套管振幅解釋，在一個深度處，在圖11中的圓圈420所示的振幅處獲得CBL振幅，計算了射孔前普通套管的粘結指數(BI)，假定BI＝Bix，在PWC(射孔、沖洗和粘結)操作后，BI＝BIx時的預期CBL振幅為CBL-PWC，如圖11中的圓圈422所示，在成功固結后，CBL-PWC振幅預計為MSA-PWC，如圖11中的圓圈412所示，基于圖11中由模型導出的解釋圖，CBL-PWC振幅在BI＝BIx時轉換為預期的CBL振幅，這里定義為CBLa，如圓圈420所示；

A6解釋：

在丹佛SPE第35屆年度秋季會議的文件中討論的深度，如果CBL工具觀察到三個不同的CBL振幅，分別滿足以下條件(6a)-(6c)，則它能夠解釋PWC操作后的CBLa振幅與PWC操作前的原始CBL振幅(本文定義的CBLo)相比，并使用普通套管(CBRA、MSA)的CBL解釋圖，或者，CBL-PWC振幅也可以使用CBRA-PWC和MSA-PWC來解釋，如下所述；

A6aCBLaCBL

射孔或PWC操作會降低套管與水泥的粘結力

A6b

或CBLa＞MSA^0.8*CBRA^0.2

穿孔套管粘結指數小于0.8，說明粘結不良

A6c

或MSA^0.8*CBRA^0.2＞CBLa＞MSA

穿孔套管水泥粘結指數大于0.8，表明粘結良好；

A7數據比較，CBL測量值與模型預期值：

圖12給出了PWC操作前后記錄的CBL振幅的測井示例，曲線500和502分別顯示了在PWC前后20m深度間隔內的各自CBL振幅，水平軸是從左向右增加的振幅，虛線504表示穿孔后的模型預期CBL-PWC值，將虛線504的預期值與實線502的實測值進行比較，可以找出水泥粘結性提高和劣化的深度區間；

A8適用于PA的MCI：

CBL測量的目的是確定區域隔離，MCI(最小水泥間隔是定義不同套管尺寸(單位：英寸)所需良好固井間隔的參數之一，如圖13所示，H.D.Brown等人于1970年5月3日至6日在SPWLA第十一屆年度測井研討會“套管井中聲波列顯示和分析的新發展”的文件中對MCI進行了描述，良好的結合是由結合指數極限BILI定義的，通常使用BILI＝0.8，BILI＝0.8為標準套管，適用于PA作業，CBL-PWC解釋可連續應用于實際數據，并最終找出PA操作的MCI；

A9數據和穿孔質量控制——慢度和傳輸時間：

如《石油工程學報》(SPE453)所述，CBL套管模式的DT或慢度有助于確定穿孔層段和CBL測量中穿孔的重要性，普通套管的慢度值通常在57.5到58.5μs/ft之間，在本文件中提供的模型示例中，穿孔套管的慢度值在57.5到61μs/ft之間變化，如果套管穿孔程度更大，則可能會更大，隨著慢度的增加，在T-R(發射機-接收機)間隔為3ft的情況下，TT(傳輸時間)也延遲了10μs；其中圖14示出了嚴重穿孔套管中TT(傳輸時間)和DT(TT的斜率)數據的一個示例，在圖14中，曲線602所示的數據顯示了嚴重穿孔套管的TT對T-R間距曲線，稱為“perf#1”，與用曲線600和604分別表示的相同直徑的標準套管或輕型穿孔套管相比，嚴重穿孔套管的數據顯示了圖左上角所示的TT增加和DT(＝TT的斜率)(圖14)，慢度和TT值的增加表明射孔效果的顯著性，即與普通套管的偏差以及振幅；

A10替代測量：

與標準套管中的CBL測量一樣，衰減測量也可作為基于振幅的CBL測量的替代聲波水泥評估，并且是有效的，尤其是當流體和環境影響存在明顯不確定性時，CBL振幅測量取決于聲壓激勵和發射機(壓力源)和接收機等傳感器的關鍵特性(例如電容、靈敏度等)，這些傳感器通常對環境具有不可忽略的靈敏度，基于區別或衰減的CBL使用至少兩對發射器(壓力源)202和兩個接收器204以鉆孔補償配置(BHC)部署在套管210內來測量套管模式衰減，如圖15所示，如L.H.Gollwizer等人的文件“水泥粘結工具”所述，SPWLA第二十三屆年度伐木研討會，陣列聲波接收器也可用于導出作為穿過陣列的E-1幅度梯度的套管模式衰減，衰減測量不受流體性質和環境影響的影響，因為它們被BHC測量所抵消，如上所述，1991年4月7日至9日在俄克拉荷馬州召開的生產操作研討會文件SPE21690中所述，套管模式衰減對水泥性能、粘結指數和射孔(密度和進入孔直徑)具有敏感性，因此它能夠識別射孔套管的水泥粘結狀態，與或優于基于振幅的CBL測量，其中套管模式衰減可通過使用多個接收器進行CBL建模來計算，例如，在3.5ft-4.5ft或3ft-5ft發射器-接收器(T-R)間距處，根據已知R-R間距處的兩個CBL振幅(分別為1和2ft)，可以計算衰減值，同時圖16示出了套管模式衰減(ATT)和粘結指數(BI)之間的線性關系的一個示例，模式衰減可以分別計算兩種狀態：自由管狀態和100％水泥結合狀態，分別命名為ATTfp(自由管衰減)和MATT(最大衰減)，在一個鍵指數(BI)處，套管將ATT表示為線性關系，如ATT＝(1-BI)*ATTfp+BI*MATT方程所示，對于穿孔套管，本公開中的數值模擬提供了ATTfp_PWC和MATT_PWC，它們分別在自由管和100％水泥粘結狀態下衰減穿孔套管；

A11聲波測井儀在井下不符合標準的水泥應用評價中的使用：

除標準水泥評價外，還有一種如CBL工具之類的聲波測井工具的應用，例如美國專利4742496中所述，聲波測井工具利用聲波測量來評價礫石充填質量，本發明內容中的本方法中的基于定量分析或基于模型解釋可適用于標準水泥評價案例以外的應用；

小結三：常規的CBL測量是在聲波測井頻率下提供的，通常接近20kHz，可以在更高的頻率(例如，100kHz或200kHz)激勵套管擴展模型，因此，基于模型的解釋開發方法的實施例不僅限于在常規頻率下的常規CBL，而且還包括更高的頻率。