声波变密度测井技术在煤层气资源普查中的应用

摘要：煤层气资源普查项目中，当钻孔完钻并下套管后，需要把套管与井壁间的环形空间用水泥进行封固，以防止井眼垮塌及渗透层之间的相互串通。由于固井的效果受井深、温度、井眼尺寸、添加剂、水泥类型等诸多因素的影响，对于某些井段即使使用最佳方案进行固井作业，也可能出现窜槽。固井失败的主要后果是会导致渗透层之间流体的渗流，或导致钻孔报废。因此，固井质量评价是工程测井中重要的手段之一。固井质量评价的主要测井方法有“声波变密度测井”、“声幅测井”等。本文主要就声波变密度测井技术的应用原理及该技术在昭通地区煤层气资源普查项目中的实际应用展开探讨，并做数据分析，为煤层气资源普查中固井质量检查提供实际依据及经验。

关键词：煤层气资源普查；声波变密度；固井质量

1 引言

煤层气资源作为我国现阶段极具潜力的新型可采资源，对未来国民经济的发展有着非常重大的意义。因此，对区域煤层气资源进行普查是现阶段十分必要的手段。在煤层气资源普查项目中，固井质量检查能够准确判断钻孔固井质量的等级，能为煤层气排采提供重要的技术依据[1]。

声波变密度测井技术是固井质量检查中的一项重要手段，它能检查水泥与套管之间的胶结情况；检查水泥与地层之间的胶结情况；能找出套管外的窜槽部位；能判断水泥的返高位置。该技术已经在昭通煤层气资源普查项目发挥重要作用，为煤层气排采提供了可靠的技术辅助支持，已经成为煤层气普查项目中的一种重要的地球物理方法手段。

2 声波变密度测井的原理

2.1 声波在介质中的传播

声波由一种介质向另一种介质传播，在两种介质形成的界面上，将发生声波的反射和折射。反射波的幅值取决于两种介质的声阻抗。声阻抗（Z）就是介质密度（ρ）和声波在该介质中的传播速度（v）的乘积（Z=ρ·v）。如图2-1左边所示，为声波在介质中传播示意图。两种介质的声阻抗差越大，声能量就越不易从介质1传导到介质2中去。通过界面在介质2中的传播的折射波的能量就越小。如果两介质声阻抗相近，声波几乎能形成折射波通过界面在介质2中传播，这时反射波的能量就非常小。

2.2 滑行波的概念

当介质1中的声波速度v1小于介质2中的声波速度v2时，当大到某一角度时，为直角，此时折射波将沿着界面在介质2中传播，这样的折射波在声波测井中叫滑行波，或称首波或头波，此时的入射角叫临界角。如图2-1右边所示。

并且，介质中波所传播的个点都可以看成新的波源，称为子波源；可以认为每个子波源都可以向各个方向发出微弱的波，称为子波；这种子波是以所在介质的声波速度传播的[2]。

2.3 声波测量原理

发射器发射出声波后，一部分声波在套管中以滑行波的方式沿套管传播，形成套管波，另一

部分会产生折射到水泥环中传播，还有一部分穿过水泥环传入地层，分别形成水泥环波、地层波。声波在介质中传播，其幅度会逐渐衰减，声波幅度的衰减在声波频率一定的情况下，是和介质密度、弹性等因素相关的。通过测量声波幅度的衰减变化来认识地层特点以及水泥胶结环情况等。如图2-2所示，为声波测量原理。

发射器到第一个接收器的源距为3英尺（0.91m）。测得的曲线为CBL（水泥胶结）曲线，CBL测量的是套管波的幅度。由于传播的路径和穿过的介质基本固定，因此波的衰减与介质的吸收及不同介质界面上的反射系数有关。如果水泥环与套管外壁胶结好，由于水泥环的声阻抗与套管的差别小，声波传入水泥环，套管波的首波幅度低。如果水泥环与套管胶结不好，其中残留有泥浆，致使两者的声阻抗差别大，反射系数大，大部分声波能量沿套管传播，套管波的首波幅度大。如果套管外只有泥浆或空气时，套管波首波幅度与水泥环胶结好的首波相比，其幅度可增加4～5倍，因此可根据CBL测得的声波幅度曲线来判断水泥固井质量的好坏。

2.4 CBL（水泥胶结）曲线的应用：判断第一界面的固井质量

使用声波相对幅度的大小来判断固井质量。声波相对幅度=A目的/A泥浆* 100%（A目的：目的井段的声波幅度；A泥浆：套管外是泥浆，即自由套管井段的声波幅度）。通常，相对幅度越小，固井质量越好；相反，相对幅度越大，固井质量越差。一般将固井质量划分为三个等级：①：胶结质量好，相对幅度40%。

2.5 VDL（变密度测井）曲线的应用：判断第二界面的固井质量

CBL（水泥胶结）测量的是套管波的首波幅度。首波幅度的大小取决于水泥与套管外壁的胶结程度，因此只能解决第一界面（套管外壁与水泥环的界面）的问题，而水泥环与井壁（水泥环与地层）之间是否胶结良好，即第二界面的问题是无法解决的。

第二个接收器源距为5英尺（1.52m）。接受的是变密度测井（VDL）的测井曲线，可以接受套管波、水泥环波、及地层波，可以检查套管井第一、第二界面的胶结程度。测量时将声波幅度的大小转变为光辉度的强弱，黑色的深浅信号表示信号幅度的大小，因为测量时只保留信号幅度的正半周，将负半周去掉，所以资料显示为黑白相间的条纹。

VDL（变密度测井）显示为黑白相间的条带状记录（辉度记录）。条带的宽度和亮度取决于声幅的大小及声信号的频率，条带的相对位置取决于地层性质。声波幅度越大，黑色条带越黑，通过黑白条带的亮暗就可以知道套管波、地层波的幅度，这两个幅度分别反映了第一、第二界面的胶结情况。在前十几个波中，前四个波与套管波有关，第五个至第八个波与地层波有关[3]。

3 声波变密度测井的施工要求及资料分析

3.1 施工要求

①根据套管尺寸，选择通径为Φ116mm或者Φ150mm通径至目的井段以下30米，确保井筒通畅，测量井段井液为清水或泥浆（不含气泡）；

②热清水洗井，将管内的脏物和死油洗出；

3.2 资料分析

在水泥返高以上的这一段套管成为自由套管。测井时，该段的声波幅度最大，以此作为CBL的评定标准，因此能够做到半定量解释。

3.2.1 自由套管

在自由套管井段，由于套管外无水泥，界面声阻抗差别大，所以套管波反射很强，大部分声波能量沿套管传播，传到地层中的声波能量很小，地层波较弱或没有。变密度相线的差别不大，基本是均匀分布，在套管接箍位置传播时间稍有增加，套管波幅度变小，变密度曲线在接箍处有人字纹显示。CBL（水泥胶结）声幅为高幅值。

3.2.2 水泥与套管和地层胶结都良好

在水泥与地层胶结都好的井段，因为套管和固结水泥的差别较小，套管与水泥的声阻抗很接近，大部分声波能量穿过套管及水泥环进入地层传播。因此，套管信号很弱或不存在，而地层信号很强。甚至某些地层的地层波会出现在套管的位置上。CBL（水泥胶结）声幅为低幅值。

3.2.3 水泥与套管胶结好，与地层胶结差

在这种情况下，因为套管和固结水泥的差别较小，大部分声波能量不在套管上反射而是穿过套管与水泥环的界面进入水泥环，由于声波能量在水泥环中很大地衰减损耗，传到地层中的声波能量很小。所以变密度套管波很弱，地层波也很弱[4]。

4 声波变密度测井技术在昭通地区煤层气资源普查中的应用

在昭通地区煤层气资源普查项目中，根据钻井施工程序和测井设计要求，对矿区内的两口钻孔进行了固井质量检查测井。主要对固井质量进行了检查，评价了水泥胶结情况，进行了深度较深等工作。经过资料解释，如图4-1所示为自由套管的声波变密度曲线。由图可以看出在水泥面返离位置以上曲线幅度最大；深度由浅到深、曲线幅度由高向低变化处为水泥返高面位置；在套管外水泥胶结良好处，曲线幅度为低值。

如图4-2所示，声波能量被水泥环和套管消耗一部分能量，大部分声波能量传入地层，因此造成套管波偏弱、地层波较强。由此可以得出结论：水泥与套管胶结较好，与地层胶结良好（即第一界面胶结较好，第二界面胶结良好）。

5 结论

固井质量的好坏，直接影响煤层气井的开发，在昭通地区煤层气资源普查项目固井质量检查测井中，声波变密度这种测井方法简单易行，易于解释，既能反映第一界面（套管与水泥环）胶结情况，又能提供第二界面（水泥环与地层）胶结信息，完全能够达到工程设计及实际应用的要求，为煤层气的勘查开发提供了一种重要的技术支持手段。

参考文献：

[1]张新民.中国煤层气技术可采资源潜力[M].上海：科学出版社，2010，2-6.

[2]尉中良，邹长春.地球物理测井[M].北京：地质出版社，2005，65-77.

[3]彭苏萍，孔炜等.煤田反演的声波测井曲线重构[J].北京工业职业技术学院院报，2003，2（4）：11-16.

[4]关春杰，杜玉峰等.声波测井的应用[J].煤炭技术，2003，22（1）：15-18.