一种套管井水泥环第二界面反射波方位成像和水泥环空介质属性反演的方法

1.本发明属于油气田勘探与开发技术领域。


背景技术：

2.套管井水泥环第二界面的方位反射波成像对反演水泥环空介质的厚度和速度至关重要，也是实现套管偏心度计算的关键步骤，现场需求迫切，对深层、超深层固井设计和水泥封隔性能评价均有重要意义。目前此方面开展的研究工作国内外文献报道较少，仅是从套后成像测井记录的全波波形中观测到了水泥环外界面的反射波，但未见其提取反射波方法和成像效果的报道。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种套管井水泥环第二界面反射波方位成像和水泥环空介质属性反演的方法，以解决基于套后成像测井数据，实现水泥环第二界面的方位反射波成像、不同方位的水泥环空介质厚度和速度反演，同时提供了套管偏心度的计算方法等技术问题。
4.为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方法步骤如下：
5.(1)深度区间进行套后成像测井和井径测井；
6.(2)选取套后成像测井斜入射工作模式接收的36道远近波形数据分别进行预处理，组合成1发2收的阵列声波测井的记录格式，接收器接收到的波形数据包含了直达的弯曲型lamb波(以下简称直达波)和来自水泥环外侧的反射波；
7.(3)对以上36道波形数据集合运用中值滤波或f_k滤波，去除或压制沿套管传播的直达波，得到水泥环外侧反射波；
8.(4)对第(3)步的处理结果偏移成像，获得水泥环外侧反射波成像图；
9.(5)通过成像滤波处理(例如一维、二维波数滤波，增强处理等)使得反射波成像图更清晰，以下步骤会根据成像图进一步提取反射波的到时，以获得水泥的实际声速；
10.(6)对反射波成像图做灰度变换，并进行分段线性变换增强有用信号，减弱噪声，获取图像的灰度直方图，根据灰度直方图选取包络的灰度阈值，将选择的区域均值与灰度阈值比较，若区域均值大于灰度阈值时，则区域中心位置即为反射波的到时；
11.(7)重复(3)～(6)步，得到随井深变化的36道远接收器接收的反射波到时曲线t
trab
(i),i＝1,2,3,
…
,36；
12.(8)对测量深度区间的36个方位的远接收波形分别做希尔伯特变换，提取随深度变化的36个方位的直达弯曲型lamb波波包峰值到时t
direct
(i)，i＝1,2,3,
…
,36；
13.(9)选取测量深度区间的某深度下的远接收测量声系所对应的深度段，获得远接收声系所对应深度段的36个方位的套后介质阻抗平均值z_ave(i)和气液固相态统计值，i＝1,2,3,
…
,36，若某方位反演的套后介质固态占比超过50％，则套后介质密度选择为水泥
密度den_cement，为已知参数，否则选择为流体密度den_fluid，可取1.0g/cm3，套后介质阻抗和气液固相态获取方法为套后成像测井常规处理方法；
14.(10)从发射到远接收器的传播路径示意图见图1所示，分别对36个方位提取的反射波和直达波的到时相减，得到反射波在套管与地层之间环空介质(可为水泥或流体)中的走时，见公式(1)，公式(1)以环空介质为固体水泥为例，通过求解公式(1)可反演出某方位套后水泥的横波速度v
cement
(i)和厚度th(i)，v
cement
(i)的初值为z_ave(i)/den_cement/1.56，若某方位套后介质为流体，则声速v
fluid
的初值为z_ave(i)/den_fluid；
[0015][0016]
公式(1)中v
casing
为套后成像测井斜入射模式下在套管中激发的弯曲型兰姆波的传播速度，可通过远近接收器的间距除以两个接收器接收的直达的弯曲型兰姆波的到时差得到。t
trav
是反射波到时，t
direct
是直达波到时；
[0017]
(11)利用公式(1)可反演得到36个方位的环空厚度th(i)，选取th(i)中的最大值和最小值并判断最大和最小值方位是否相差180度，若不是，将选取的方位在其附近做微调，使得选取的两个方位相差180度；
[0018]
(12)将第(11)步确定的最大厚度和最小厚度求和，并与套管外径相加得到此方法反演的井径值，将此井径值与当前深度远接收声系中点的井径测井值对比，若误差大于2mm，则重复第(10)和(11)步，通过改变环空介质的声速调节环空厚度，直至满足反演的井径值与井径测井值误差小于2mm；
[0019]
(13)对两个方位相差180度的最大和最小环空厚度thi和th
i+18
，若thi》th
i+18
，则套管的偏心度ecc＝(th
i-th
i+18
)/(thi+th
i+18
)，否则ecc＝(th
i+18-thi)/(thi+th
i+18
)，偏心距d为：
[0020]
d＝ecc
×
(thi+th
i+18
)/2.0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0021]
(14)重复第(9)～(13)，得到测量区间随深度变化的套管偏心度、偏心距以及环空速度成像图；
[0022]
(15)利用得到的随深度变化的36个方位的套管与地层之间的环空厚度，得到随深度变化的套管三维居中程度的立体可视成像图，见图4所示。
[0023]
本发明的优点及积极效果如下：
[0024]
首次利用共中心点叠加等反射波成像方法实现了水泥环第二界面反射波提取和成像方法，在原始数据(见图2)不能清晰观测到反射波时，此处理方法明显增强了反射波信号，见图3所示。并通过反射波成像图可靠拾取反射波到时，结合套后成像测井计算的环空介质阻抗反演了环空介质水泥或流体的声速和厚度以及套管的偏心度等，见图4所示，为套管和环空介质成像奠定了基础。
附图说明
[0025]
图1是水泥环第二界面(水泥与地层界面)反射波传播路径示意图；
[0026]
图2套后成像测井原始记录波形图；
[0027]
图3反射波成像图；
[0028]
图4反演的水泥环厚度和套管偏心度成像图。
[0029]
图中编号：1、接收器，2、发射器，3、套管，4、水泥，5、地层。
具体实施方式
[0030]
本发明通过套后成像测井仪器记录的全波波形，提取水泥环外界面的反射波，实现不同方位的水泥环空介质厚度和速度反演，同时提供了套管偏心度的计算方法。
[0031]
具体包含步骤如下：
[0032]
(1)在深度区间进行套后成像测井和井径测井；
[0033]
(2)选取套后成像测井斜入射工作模式接收的36道远近波形数据分别进行预处理，组合成1发2收的阵列声波测井的记录格式，接收器接收到的波形数据包含了直达的弯曲型lamb波(以下简称直达波)和来自水泥环外侧的反射波；
[0034]
(3)对以上36道波形数据集合运用中值滤波或f_k滤波，去除或压制沿套管传播的直达波，得到水泥环外侧反射波；
[0035]
(4)对第(3)步的处理结果偏移成像，获得水泥环外侧反射波成像图；
[0036]
(5)通过成像滤波处理(例如一维、二维波数滤波，增强处理等)使得反射波成像图更清晰，以下步骤会根据成像图进一步提取反射波的到时，以获得水泥的实际声速；
[0037]
(6)对反射波成像图做灰度变换，并进行分段线性变换增强有用信号，减弱噪声，获取图像的灰度直方图，根据灰度直方图选取包络的灰度阈值，将选择的区域均值与灰度阈值比较，若区域均值大于灰度阈值时，则区域中心位置即为反射波的到时；
[0038]
(7)重复(3)～(6)步，得到随井深变化的36道远接收器接收的反射波到时曲线t
trav
(i),i＝1,2,3,
…
,36；
[0039]
(8)对测量深度区间的36个方位的远接收波形分别做希尔伯特变换，提取随深度变化的36个方位的直达弯曲型lamb波波包峰值到时t
direct
(i)，i＝1,2,3,
…
,36；
[0040]
(9)选取测量深度区间的某深度下的远接收测量声系所对应的深度段，获得远接收声系所对应深度段的36个方位的套后介质阻抗平均值z_ave(i)和气液固相态统计值，i＝1,2,3,
…
,36，若某方位反演的套后介质固态占比超过50％，则套后介质密度选择为水泥密度den_cement，为已知参数，否则选择为流体密度den_fluid，可取1.0g/cm3，套后介质阻抗和气液固相态获取方法为套后成像测井常规处理方法；
[0041]
(10)从发射到远接收器的传播路径示意图见图1所示，分别对36个方位提取的反射波和直达波的到时相减，得到反射波在套管与地层之间环空介质(可为水泥或流体)中的走时，见公式(1)，公式(1)以环空介质为固体水泥为例，通过求解式(1)可反演出某方位套后水泥的横波速度v
cement
(i)和厚度th(i)，v
cement
(i)的初值为z_ave(i)/den_cement/1.56，若某方位套后介质为流体，则声速v
fluid
的初值为z_ave(i)/den_fluid；
[0042][0043]
公式(1)中v
casing
为套后成像测井斜入射模式下在套管中激发的弯曲型兰姆波的传播速度，可通过远近接收器的间距除以两个接收器接收的直达的弯曲型兰姆波的到时差得到。t
trav
是反射波到时，t
direct
是直达波到时；
[0044]
(11)利用式(1)可反演得到36个方位的环空厚度th(i)，选取th(i)中的最大值和最小值并判断最大和最小值方位是否相差180度，若不是，将选取的方位在其附近做微调，使得选取的两个方位相差180度；
[0045]
(12)将第(11)步确定的最大厚度和最小厚度求和，并与套管外径相加得到此方法反演的井径值，将此井径值与当前深度远接收声系中点的井径测井值对比，若误差大于2mm，则重复第(10)和(11)步，通过改变环空介质的声速调节环空厚度，直至满足反演的井径值与井径测井值误差小于2mm；
[0046]
(13)对两个方位相差180度的最大和最小环空厚度thi和thi+18，若thi》thi+18，则套管的偏心度ecc＝(thi-thi+18)/(thi+thi+18)，否则ecc＝(thi+18-thi)/(thi+thi+18)，偏心距d为：
[0047]
d＝ecc
×
(thi+th
i+18
)/2.0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0048]
(14)重复第(9)～(13)，得到测量区间随深度变化的套管偏心度、偏心距以及环空速度成像图；
[0049]
(15)利用得到的随深度变化的36个方位的套管与地层之间的环空厚度，得到随深度变化的套管三维居中程度的立体可视成像图，见图4所示。

技术特征：
1.一种套管井水泥环第二界面反射波方位成像和水泥环空介质属性反演的方法，包括步骤如下：(1)在深度区间进行套后成像测井和井径测井；(2)选取套后成像测井斜入射工作模式接收的36道远近波形数据分别进行预处理，组合成1发2收的阵列声波测井的记录格式，接收器接收到的波形数据包含了直达的弯曲型lamb波，以下简称直达波和来自水泥环外侧的反射波；(3)对以上36道波形数据集合运用中值滤波或f_k滤波，去除或压制沿套管传播的直达波，得到水泥环外侧反射波；(4)对第(3)步的处理结果偏移成像，获得水泥环外侧反射波成像图；(5)通过成像滤波处理使得反射波成像图更清晰，以下步骤会根据成像图进一步提取反射波的到时，以获得水泥的实际声速；(6)对反射波成像图做灰度变换，并进行分段线性变换增强有用信号，减弱噪声，获取图像的灰度直方图，根据灰度直方图选取包络的灰度阈值，将选择的区域均值与灰度阈值比较，若区域均值大于灰度阈值时，则区域中心位置即为反射波的到时；(7)重复(3)～(6)步，得到随井深变化的36道远接收器接收的反射波到时曲线t
trav
(i),i＝1,2,3,
…
,36；(8)对测量深度区间的36个方位的远接收波形分别做希尔伯特变换，提取随深度变化的36个方位的直达弯曲型lamb波波包峰值到时t
direct
(i)，i＝1,2,3,
…
,36；(9)选取测量深度区间的某深度下的远接收测量声系所对应的深度段，获得远接收声系所对应深度段的36个方位的套后介质阻抗平均值z_ave(i)和气液固相态统计值，i＝1,2,3,
…
,36，若某方位反演的套后介质固态占比超过50％，则套后介质密度选择为水泥密度den_cement，为已知参数，否则选择为流体密度den_fluid，可取1.0g/cm3，套后介质阻抗和气液固相态获取方法为套后成像测井常规处理方法；(10)从发射到远接收器的传播路径示意图见图1所示，分别对36个方位提取的反射波和直达波的到时相减，得到反射波在套管与地层之间环空介质(可为水泥或流体)中的走时，见公式(1)，公式(1)以环空介质为固体水泥为例，通过求解公式(1)可反演出某方位套后水泥的横波速度v
cement
(i)和厚度th(i)，v
cement
(i)的初值为z_ave(i)/den_cement/1.56，若某方位套后介质为流体，则声速v
fluid
的初值为z_ave(i)/den_fluid；公式(1)中v
casing
为套后成像测井斜入射模式下在套管中激发的弯曲型兰姆波的传播速度，可通过远近接收器的间距除以两个接收器接收的直达的弯曲型兰姆波的到时差得到。t
trav
是反射波到时，t
direct
是直达波到时；(11)利用公式(1)可反演得到36个方位的环空厚度th(i)，选取th(i)中的最大值和最小值并判断最大和最小值方位是否相差180度，若不是，将选取的方位在其附近做微调，使得选取的两个方位相差180度；(12)将第(11)步确定的最大厚度和最小厚度求和，并与套管外径相加得到此方法反演的井径值，将此井径值与当前深度远接收声系中点的井径测井值对比，若误差大于2mm，则
重复第(10)和(11)步，通过改变环空介质的声速调节环空厚度，直至满足反演的井径值与井径测井值误差小于2mm；(13)对两个方位相差180度的最大和最小环空厚度th
i
和th
i+18
，若th
i
>th
i+18
，则套管的偏心度ecc＝(th
i-th
i+18
)/(th
i
+th
i+18
)，否则ecc＝(th
i+18-th
i
)/(th
i
+th
i+18
)，偏心距d为：d＝ecc
×
(th
i
+th
i+18
)/2.0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)(14)重复第(9)～(13)，得到测量区间随深度变化的套管偏心度、偏心距以及环空速度成像图；(15)利用得到的随深度变化的36个方位的套管与地层之间的环空厚度，得到随深度变化的套管三维居中程度的立体可视成像图，见图4所示。2.根据权利要求1所述的一种套管井水泥环第二界面反射波方位成像和水泥环空介质属性反演的方法，其特征在于，步骤(5)中的成像滤波处理包括一维、二维波数滤波及增强处理。

技术总结
本发明公开了一种套管井水泥环第二界面反射波方位成像和水泥环空介质属性反演的方法。本发明利用共中心点叠加等反射波成像方法实现了水泥环第二界面反射波提取和成像方法，在原始数据不能清晰观测到反射波时，此处理方法明显增强了反射波信号，并通过反射波成像图可靠拾取反射波到时，结合套后成像测井计算的环空介质阻抗反演了环空介质水泥或流体的声速和厚度以及套管的偏心度等。本发明可以实现水泥环第二界面的方位反射波成像、不同方位的水泥环空介质厚度和速度反演，同时提供了套管偏心度的计算方法。偏心度的计算方法。偏心度的计算方法。


技术研发人员：唐晓明 陈雪莲 程凤 庄春喜 苏远大 李盛清
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/15