[发明专利]基于模型的穿孔套管声波测量方法与系统

权利要求书

1.一种基于模型的穿孔套管声波测量方法与系统，其特征在于：包括数值建模、声学测量、计算机设备、软件指令、估计CBL振幅和CBL衰减中的至少一个、条件数据、E1峰值振幅、归一化因子、操作参数以及数据库；

所述数值建模可以包括有限差分方法和有限元方法，且使用所述数值建模来创建用于井眼中的穿孔套管的声学测量的解释图，且基于所述解释图对穿孔套管进行评价，且所述评价可以是对井眼中的砾石充填的评价；

所述计算机设备和在计算机设备上可执行的软件指令，以创建用于穿孔套管的所述声学测量解释图，使用所述数值模型在井眼中进行测量，并根据所述解释图对多孔套管进行评估；

所述条件数据为设置自由管和100％胶结情况下所得到的条件数据，涉及用于所述数值模拟的普通套管模型和多孔套管模型；

所述E1峰值振幅为在自由管和100％胶结情况下检测普通套管模型和多孔套管模型波形的E1峰值振幅；

所述归一化因子应用于穿孔套管模型的波形的E1峰值振幅；

所述操作参数为接收套管的至少一个参数和与套管有关的操作参数；

所述数据库用于积累水泥评价结果和评价参数，且所述评价参数或提供识别射孔参数的振幅以便将对CBL测量的影响降到最低。

2.根据权利要求1所述的基于模型的穿孔套管声波测量方法与系统，其特征在于，所述解释图可以是关于多孔套管的水泥粘结测井(CBL)测量结果的解释图，且所述评价可以是关于多孔套管的水泥定量评价。

3.根据权利要求1所述的基于模型的穿孔套管声波测量方法与系统，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.根据权利要求1所述的基于模型的穿孔套管声波测量方法与系统，其特征在于，所述E1峰值振幅用作可用于水泥胶结测井的套管载信号，在某些情况下，这通常是第一主要峰值，但其他实施例可使用诸如在第一峰值之后到达的峰值或套管载信号的包络等替代方案，具体取决于测量实现方式。

5.根据权利要求1所述的基于模型的穿孔套管声波测量方法与系统，其特征在于，所述套管可以通过即插即用(PA)操作和射孔、冲洗和水泥(PWC)操作将自身设置水泥塞。

6.根据权利要求1所述的基于模型的穿孔套管声波测量方法与系统，其特征在于，该系统的动作流程为：

步骤一：总结工作流程100以及井场中的现场应用110与创建基于模型的CBL解释图120之间的关系，参考图1示例流程得出，现场应用程序110要求使用特殊套管(例如，用于PA-PWC操作的套管)进行操作，由于缺少水泥粘结解释表，因此无法对其进行水泥粘结评估，本文公开了在这种特殊套管中CBL测量的数值模型122，其中包括接收候选套管或操作参数124，然后，使用数字模型122生成新的CBL解释图126，并且基于CBL解释图126对特殊套管进行水泥评估128，水泥评价结果和现场操作参数和结果累积在数据库140中，应用参数评价142；

步骤二：对步骤一中的过程110、122-128、140和142进行迭代，迭代上述过程110、122-128、140和142，为了对观测的更好理解，迭代的过程允许改进和加速现场应用程序110的开发，(示例一：在PWC应用中，PWC操作和石油公司等用户希望对PWC参数进行评估，以确保弃井后进行区域隔离；示例二：在重射孔，即大量且较宽的套管进入孔中，需要确保更好的固井效果，但是，重射孔对特殊射孔套管的CBL振幅与标准套管的CBL振幅相差很大)，通过使用本文公开内容中的基于模型的CBL解释图120，它能够解释多孔套管的水泥粘结，以进行水泥粘结定量评估，在PWC和CBL现场作业之后，PWC/CBL测量值和基于模型的解释图以及最终的区域隔离信息都可以累积到数据库中，基于数据库中存储的数据，它能够为下一步PWC操作做出更好的决策，以提高操作的成功率，在此过程中，可将不同的操作142进行多参数评估作为结果，(例如，在PWC操作中，有穿孔、冲洗、清洗和固井的参数)，本发明中的数值CBL模型能够提供CBL振幅，从而能够识别对CBL测量产生最小影响的射孔参数，在这种情况下，可以按原样使用CBL测量的对数，而无需为PWC操作准备自定义解释图，但是，如果没有目前的建模结果，就无法进行这种评估，射孔参数将影响射孔清除碎屑(套管、水泥和地层)的能力，以及如何将水泥挤入套管后的环形空间；

步骤三：计算模型CBL归一化因子130并将其应用于特殊套管中的CBL测量的数值模型122，再次参考图1可以看出，可以使用普通套管(自由管)参数134基于普通套管(自由管)132的CBL振幅建模来计算模型CBL归一化因子130，此外，本方法可包括当前数值CBL建模与CBL测量的实验之间的交叉验证136；

小结一：由步骤一至步骤三可以看出，以上流程更侧重于水泥评估的CBL测量，但是，根据应用和所使用的特殊套管，本方法可应用于B.Froelich等人的文献中所述的超声测量“水泥评估工具—一种水泥评估的新方法”，此外，它还可以将目前的数值模型扩展到超声，使用适合超声测量的详细模型几何形状和频率，有助于评估需要在特殊或定制套管或等效管道中进行水泥评估的油田作业或应用，包括用于PA或WPC操作的套管；

步骤四：对多孔套管中进行水泥定量评估，先使用CBL工具900的CBL测量的示意性配置一个示例，示例结果为图2A，接着使用CBL工具900测量的CBL信号波形的一个示例，示例结果为图2B，CBL工具900用于评估多孔套管910和地层916中形成的钻孔914中粘结水泥环912之间的水泥粘结，该CBL工具900具有声波发射器(压力源)902和声波接收器(压力接收器)904，并通过铠装电缆908部署在钻孔914中，CBL测量基于声音音高捕获技术，其中声波由声波发射器(压力源)902激发，在均匀的井液中耦合到穿孔套管910中，一部分波在多孔套管910内部朝着声波接收器904传播，通过水泥浆912，由于辐射或声波折射到井液914和地层916而损失或减少能量，折射到接收器904的波被记录在工具900中，并使用铠装电缆908作为CBL信号进行传输；

步骤五：测量第一个主导套管信号的振幅，采用CBL工具，得到E-1峰值振幅，如图2B所示，E-1峰值振幅的对数大小与粘结指数(BI)成正比，粘结指数(BI)定义为水泥912粘结的套管圆周的一部分，参考图3可以看出，E1峰值振幅与水泥环向粘结成线性关系，在确定套管的几何结构(套管内径和厚度)、水泥声学特性(声阻抗、密度和纵波传播速度的乘积)以及参考与水泥胶结有关的E1峰值振幅的列线图时，可以预测到E1峰值振幅及其衰减，或如图4所示的水泥评价解释图“M-1”图，其中自由管的E1峰值振幅或BI＝0时的E1峰值振幅从CBL自由管参考振幅(CBRA)的图中获得，作为图5所示套管直径的函数，使用CBRA，它能够在100％水泥粘结或BI＝1时获得CBL振幅(MSA：最小声波或100％粘结振幅)，使用CBL自由管参考振幅(CBRA)和100％水泥粘结时的CBL振幅，它能够根据CBRA和MSA之间的任意CBL振幅估计粘结指数(BI)值，如图6所示，对于穿孔套管，没有自由管和100％水泥胶结振幅数据，CBL自由管参考振幅最初是自由管状态下标准套管中CBL工具之一的实验数据，至于100％水泥粘结时的E-1峰值衰减，由于同样的原因也没有可用的数据库，穿孔套管不在常规CBL测量范围内；

小结二：步骤四至步骤五中所采用的CBL测量，采用套管延伸模式进行测量，如图所示，射孔套管中的套管拉伸模式随射孔密度(单位长度上的射孔数量，如spf或每英尺射孔)的变化而变化，图7A和7B以及单个套管入口孔直径，图7A和7B分别以18spf和12spf的射孔密度显示了多孔套管的示意图，其中有多个穿孔700，分布在深度(Z)方向上为24英寸和相对于套管中心的视角(θ)0-360度范围内，由于穿孔，套管在结构上符合标准，使用数值模拟为各种非标准套管(包括穿孔套管)构建了定制的CBL测量解释图；

步骤六：构建CBL测量的解释图的工作流300：

A1数值建模(图8中的步骤302)：

作为图9A、9B、10A和10B所示的示例，建立了用于三维数值模拟的沿径向(R)和深度(Z)方向的详细模型几何结构，用于数值建模的软件可以分为多种类型，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内，并且套管210的外部区域和CBL工具200与套管210之间的区域填充盐水212，在CBL中，对100％粘合的情况进行建模，如图9B和10B所示，CBL工具200被部署在套管210内，并且CBL工具200和套管210之间的区域填充盐水212，与自由管情况相同，然而，与上述自由管不同，在100％粘结的套管外表面210的外表面通过水泥214完全粘结到地层216，上述过程中，在一个或多个计算机设备中使用内部软件，该内部软件能够通过执行软件来安装和执行有限差分时域(FT-DT)计算中的各种应力速度传播，备选方案可以是商业有限元程序，如LS-Dyna、Comsol和ANSYS；

A1a普通套管型号：

在数值建模中至少输入一个任意场的模型源，模型源可以是接近CBL频率(例如20kHz)的声压，与实际的CBL工具类似，CBL信号和CBL振幅的波形是在自由管和100％水泥粘结两种情况下在普通套管中模拟的，如图9A和9B所示，该模型输出记录在发射器(压力源)—接收器间距为3英尺(任意幅度)处的CBL信号；

A1b穿孔套管：

建立了穿孔套管的三维数值模型，并以自由管和100％水泥粘结两种状态为例，模拟了射孔套管内CBL信号和CBL振幅的模型波形，如图10A和10B所示，尽管在实际的PA-PWC操作中没有自由管状态数据，但穿孔套管中进行CBL振幅解释时需要使用自由管状态数据；

A2E1峰值检测(图8中的步骤304)：

在自由管和100％粘结的情况下，检测到上述步骤(1-a)中的普通套管和上述步骤(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(图8中的步骤306)：

计算了上述步骤(1-a)中模型CBL归一化因子，即CBRA与普通自由管模型E-1振幅的比值，然后，在上述步骤(1-b)中，在自由管和100％水泥粘结情况下，将归一化因子应用于穿孔套管模型，归一化值称为CBRA_P(穿孔套管CBRA值)和MSA_PWC(穿孔、冲洗和粘结后的最小声波振幅)；

A4PA-PWC的新CBL图表：

如图11所示，归一化的CBL振幅以二维图(2-D)的形式绘制，参考普通套管和穿孔套管的粘结指数(BI)，在图11中，在BI＝0和1处，普通套管CBRA(BI＝0)和MSA(BI＝1)的CBL振幅数据分别表示为不透明圆400和402，在图11中，自由管(BI＝0处CBRA_P)和100％粘结(BI＝1处MSA_PWC)中穿孔套管的CBR(BI＝0)和MSA(BI＝1)的CBL振幅数据分别表示为BI＝0和1处的410和412清晰圆；

A5PWC操作后预期的CBL振幅：

CBL测井通常采用胶结光套管振幅解释，在一个深度处，在图11中的圆圈420所示的振幅处获得CBL振幅，计算了射孔前普通套管的粘结指数(BI)，假定BI＝Bix，在PWC(射孔、冲洗和粘结)操作后，BI＝BIx时的预期CBL振幅为CBL-PWC，如图11中的圆圈422所示，在成功固结后，CBL-PWC振幅预计为MSA-PWC，如图11中的圆圈412所示，基于图11中由模型导出的解释图，CBL-PWC振幅在BI＝BIx时转换为预期的CBL振幅，这里定义为CBLa，如圆圈420所示；

A6解释：

在丹佛SPE第35届年度秋季会议的文件中讨论的深度，如果CBL工具观察到三个不同的CBL振幅，分别满足以下条件(6a)-(6c)，则它能够解释PWC操作后的CBLa振幅与PWC操作前的原始CBL振幅(本文定义的CBLo)相比，并使用普通套管(CBRA、MSA)的CBL解释图，或者，CBL-PWC振幅也可以使用CBRA-PWC和MSA-PWC来解释，如下所述；

A6aCBLaCBL

射孔或PWC操作会降低套管与水泥的粘结力

A6b

或CBLa＞MSA^0.8*CBRA^0.2

穿孔套管粘结指数小于0.8，说明粘结不良

A6c

或MSA^0.8*CBRA^0.2＞CBLa＞MSA

穿孔套管水泥粘结指数大于0.8，表明粘结良好；

A7数据比较，CBL测量值与模型预期值：

图12给出了PWC操作前后记录的CBL振幅的测井示例，曲线500和502分别显示了在PWC前后20m深度间隔内的各自CBL振幅，水平轴是从左向右增加的振幅，虚线504表示穿孔后的模型预期CBL-PWC值，将虚线504的预期值与实线502的实测值进行比较，可以找出水泥粘结性提高和劣化的深度区间；

A8适用于PA的MCI：

CBL测量的目的是确定区域隔离，MCI(最小水泥间隔是定义不同套管尺寸(单位：英寸)所需良好固井间隔的参数之一，如图13所示，H.D.Brown等人于1970年5月3日至6日在SPWLA第十一届年度测井研讨会“套管井中声波列显示和分析的新发展”的文件中对MCI进行了描述，良好的结合是由结合指数极限BILI定义的，通常使用BILI＝0.8，BILI＝0.8为标准套管，适用于PA作业，CBL-PWC解释可连续应用于实际数据，并最终找出PA操作的MCI；

A9数据和穿孔质量控制——慢度和传输时间：

如《石油工程学报》(SPE453)所述，CBL套管模式的DT或慢度有助于确定穿孔层段和CBL测量中穿孔的重要性，普通套管的慢度值通常在57.5到58.5μs/ft之间，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之间变化，如果套管穿孔程度更大，则可能会更大，随着慢度的增加，在T-R(发射机-接收机)间隔为3ft的情况下，TT(传输时间)也延迟了10μs；其中图14示出了严重穿孔套管中TT(传输时间)和DT(TT的斜率)数据的一个示例，在图14中，曲线602所示的数据显示了严重穿孔套管的TT对T-R间距曲线，称为“perf#1”，与用曲线600和604分别表示的相同直径的标准套管或轻型穿孔套管相比，严重穿孔套管的数据显示了图左上角所示的TT增加和DT(＝TT的斜率)(图14)，慢度和TT值的增加表明射孔效果的显著性，即与普通套管的偏差以及振幅；

A10替代测量：

与标准套管中的CBL测量一样，衰减测量也可作为基于振幅的CBL测量的替代声波水泥评估，并且是有效的，尤其是当流体和环境影响存在明显不确定性时，CBL振幅测量取决于声压激励和发射机(压力源)和接收机等传感器的关键特性(例如电容、灵敏度等)，这些传感器通常对环境具有不可忽略的灵敏度，基于区别或衰减的CBL使用至少两对发射器(压力源)202和两个接收器204以钻孔补偿配置(BHC)部署在套管210内来测量套管模式衰减，如图15所示，如L.H.Gollwizer等人的文件“水泥粘结工具”所述，SPWLA第二十三届年度伐木研讨会，阵列声波接收器也可用于导出作为穿过阵列的E-1幅度梯度的套管模式衰减，衰减测量不受流体性质和环境影响的影响，因为它们被BHC测量所抵消，如上所述，1991年4月7日至9日在俄克拉荷马州召开的生产操作研讨会文件SPE21690中所述，套管模式衰减对水泥性能、粘结指数和射孔(密度和进入孔直径)具有敏感性，因此它能够识别射孔套管的水泥粘结状态，与或优于基于振幅的CBL测量，其中套管模式衰减可通过使用多个接收器进行CBL建模来计算，例如，在3.5ft-4.5ft或3ft-5ft发射器-接收器(T-R)间距处，根据已知R-R间距处的两个CBL振幅(分别为1和2ft)，可以计算衰减值，同时图16示出了套管模式衰减(ATT)和粘结指数(BI)之间的线性关系的一个示例，模式衰减可以分别计算两种状态：自由管状态和100％水泥结合状态，分别命名为ATTfp(自由管衰减)和MATT(最大衰减)，在一个键指数(BI)处，套管将ATT表示为线性关系，如ATT＝(1-BI)*ATTfp+BI*MATT方程所示，对于穿孔套管，本公开中的数值模拟提供了ATTfp_PWC和MATT_PWC，它们分别在自由管和100％水泥粘结状态下衰减穿孔套管；

A11声波测井仪在井下不符合标准的水泥应用评价中的使用：

除标准水泥评价外，还有一种如CBL工具之类的声波测井工具的应用，例如美国专利4742496中所述，声波测井工具利用声波测量来评价砾石充填质量，本发明内容中的本方法中的基于定量分析或基于模型解释可适用于标准水泥评价案例以外的应用；

小结三：常规的CBL测量是在声波测井频率下提供的，通常接近20kHz，可以在更高的频率(例如，100kHz或200kHz)激励套管扩展模型，因此，基于模型的解释开发方法的实施例不仅限于在常规频率下的常规CBL，而且还包括更高的频率。