基于小波变换定量评价固井质量第Ⅱ界面

2018-04-08王长江钱建设李长文申晓娟于清秀陈鸿傲

测井技术 2018年1期

王长江, 钱建设, 李长文, 申晓娟, 于清秀, 陈鸿傲

(1.中国石油集团测井有限公司, 陕西西安 710077; 2.天时集团能源有限公司, 辽宁盘锦 124000;3.河南石油工程有限公司测井公司, 河南南阳 473000)

0　引　言

声幅变密度测井是目前各油田固井质量测井首选方法,如SBT、MAK2-SGDT、IBC等,这些方法均依赖变密度测井技术评价固井质量第Ⅱ界面[1]。根据声波变密度全波列信号中地层波频率与套管波、泥浆波频率不同的特点,用傅里叶变换等时频分析方法定量评价固井质量第Ⅱ界面技术[1-5]日渐成熟,并在部分油田推广应用。当前固井质量第Ⅱ界面定量评价主要是用傅里叶变换时频分析技术,提取出地层波频段的能量和幅度,计算胶结指数,评价固井质量。傅里叶变换是把一个信号分解成各种不同频率的正弦波,适合周期性的统计特性,且不随时间变化的信号分析[6],可以计算出地层波强度,却无法确定地层波的位置,影响了解释直观性和计算精度。本文提出使用小波变换法对变密度全波信号进行时频分析,可以计算地层波的强度、位置,定量评价第Ⅱ界面固井质量。应用效果表明,该技术比已有方法更直观、准确有效,可以提高解释精度,应用条件简单,实用性好,有较好推广应用前景。

1　理论基础

声波变密度测井5 ft*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同源距接收器接收了包括套管波、地层波、泥浆波等在内的声波全波列信号[7],其中地层波(纵波)被用于固井第Ⅱ界面评价,套管波用于固井第Ⅰ界面评价。文献[8]制订了常规177.8 mm套管固井第Ⅰ界面定量解释评价标准和第Ⅱ界面定性评价方法标准,辽河石油勘探局测井公司研究了193.7 mm厚壁套管固井质量解释方法[9],244.5 mm套管固井第Ⅱ界面评价尚无明确标准。

声波变密度测井资料显示,套管波、地层波、泥浆波(直达波)频率上存在差异,这为小波变换法定量评价固井第Ⅱ界面奠定了基础。

(1)

其中,a∈R且a≠0;a为尺度因子,表示与频率相关的伸缩;b为时间平式因子。

小波变换计算方法:选一个与波形最相近的小波,通过平移小波(调整参数b值)和改变小波尺度伸缩系数(调整参数a值),逐段分析计算完所有尺度的连续小波变换系数(见图1)。

图1　小波变换分析过程示意图[10]

小波变换适用于大部分类型信号解析,尤其是非稳定信号(频率、幅度随时间变化),所以既能解析变密度波列中地层波的强度,又能确定其时间位置,因而适合用于变密度资料分析解释,评价固井质量。

不同的小波函数具有不同的时频特征,用不同的小波函数进行小波变换,分析同一个问题产生的结果会有区别,信号序列自身的变化特性是小波函数选择的重要影响因素(对于特殊信号甚至可以自己构建一个专用小波函数),试验证明Moret小波函数适合变密度地层波计算分析。经过小波变换后,把变密度信号序列分解为不同频率、幅度、位置(时刻)的小波集,利用符合地层波特征的小波集可以重构出地层波,根据其强度与第Ⅱ界面胶结质量的关系定量计算第Ⅱ界面胶结指数,判断胶结质量。

从图2可以看出小波变换准确重构出了地层波,其位置、幅度效果都十分理想,前端套管波信息保持了原状,后端泥浆波信息得到复原,完全可以满足固井质量评价要求。

图2　小波变换实际效果图[7]

变密度信号中地层波能量/幅度与第Ⅱ界面胶结情况有直接关系,是定量评价第Ⅱ界面的基础。在第Ⅰ界面胶结中等或良好的情况下,地层波越强(能量、幅度大),第Ⅱ界面胶结越好。

用小波变换对变密度信号进行分析,计算地层波能量、幅度和重构地层波,根据相对值法计算第Ⅱ界面胶结指数IB2

(2)

式中,IB2为第Ⅱ界面胶结指数;P为目的层地层波能量;Pmax为第Ⅱ界面胶结好深度地层波能量。胶结指数IB2<0.4,胶结差;IB2=0.4～0.8,胶结中等;IB2>0.8,胶结良好。

2　固井质量评价方法

(1) 对变密度全波列信号进行快速傅里叶变换分析,根据频谱图和地层波清晰段的变密度图中地层波周期,确定地层波频率(见图3)。

图3　A井变密度处理后典型频谱图

(2) 对变密度全波列信号进行小波变换,根据地层波频率重构地层波(见图4);地层波形状总体上与声波时差曲线同步,地层波到时反映地层纵波速度,仪器居中、套管居中良好的等正常情况下变密度波列中去掉地层波信息后套管波、泥浆波应该平直均匀,可以根据这些特点评价重构地层波的质量。

图4　B井固井质量重构地层波变密度图

(3) 确定地层波到时曲线有3种方法:①用裸眼井声波时差曲线构建;②用重构地层波自动提取(图4中蓝色曲线);③用数字化软件手工拾取(图4中绿色曲线)。

(4) 根据原始变密度信号中地层波周期数,开窗截取重构地层波波列中若干周期地层波信号,计算地层波能量和幅度,得到第Ⅱ界面胶结指数,给出第Ⅱ界面自动评价结论。

(5) 根据固井质量解释标准、定量计算结果、重构地层波和原始变密度波列特征综合评价固井质量第Ⅱ界面,由于套管接箍、井径、地层岩性等各种因素会影响定量计算结果[11],不同套管厚度、尺寸情况下地层波强度也不同(如加厚套管[9]、大尺寸套管地层波强度总体偏弱),需充分考虑分析各种影响因素综合分析,得到合理固井质量评价结论。

由于原始变密度信号包含套管波、地层波和泥浆波的混合波,当套管波较强、地层波弱或地层波到时较晚时套管波或泥浆波与地层波叠加,变密度图像中地层波将不很清晰,需要一定的经验识别地层波强弱来判断第Ⅱ界面固井质量;而当前的定量评价方法也只提供了地层波强度的计算结果,而没有显示用于计算此结果的地层波图像。本文提出的方法以变密度方式显示出复原的地层波(去除了套管波和泥浆波信息),并计算出地层波强度曲线,可以直接观察到地层波强度、连续性等与第Ⅱ界面胶结质量有关的直观特征,方法直观、简单,给综合分析确定固井第Ⅱ界面胶结质量结论创造了条件。

3　应用效果综合分析

利用上述方法开发了小波变换固井质量解释处理模块VDL-WAVELET,对实际测井资料进行了处理(包括几个油田不同井深和岩性,常规、加厚、大尺寸3种类型套管资料)。

图5　C井厚壁套管段(外径193.7 mm)固井质量图

从图4可以发现傅里叶变换由于本身算法原因重构时不可避免地在地层波到时前会有伪地层波信息,而小波变换重构地层波效果比较好,地层波到时前的套管波信息被全部滤掉,这就为用重构地层波信息更准确评价固井第Ⅱ界面提供了良好基础。(在套管波较强的极端情况下,小波变换也会出现伪地层波信息,但与傅里叶变换不同的是,由于包含位置信息,小波变换重构地层波波列中的伪信息不影响真地层波信息的重构质量。)

从图5中可以看出,利用傅里叶变换法解释第Ⅱ界面胶结好,小波变换解释个别层段第Ⅱ界面中等(1 510.4～1 516.2 m段),综合相关资料分析认为解释中等更合理些。

从图6中可以看出,套管波的后续波强度中等,傅里叶变换法解释第Ⅱ界面胶结好,小波变换重构地层波显示部分层段能量很弱、不连续,明显不属于胶结良好的情况,这些层段第Ⅱ界面胶结解释为胶结中等、差更合理。对某地区某井深层段(快速地层)固井质量测井资料进行处理,地层波前段与套管波重叠,小波变换较好滤掉了套管波,显示出清晰的地层波前沿,为第Ⅱ界面固井质量判断提供了良好条件。

应用局限性:文献[1]、文献[4]、文献[11]研究和实际资料处理表明,部分地区快速地层的变密度波列信号不能用时间和频率方法有效区分其地层波与套管波,这种情况下小波变换法和傅里叶变换法暂无有效算法用于变密度测井资料定量评价固井第Ⅱ界面。