水泥固井质量是直接影响油气田开发水平的主要因素。好的固井质量，为油气井射孔等作业及正常生产提供层间的液封能力，使油气井的分层开采得到保障。而差的固井质量，不能提供层间的液封能力，射孔后造成油气井的非目的层产出，是油气井投产初期产水的一个重要原因。因此，对固井质量的测量和评价非常重要。固井质量的评价是套管井必测的项目之一。固井质量的评价技术从定性到半定量，再从定量到方位性评价，技术逐步完善，不断满足工程作业和生产的需要^[1]。这些技术基本都是基于电缆测井发展起来，对于大斜度（大位移）井和水平井而言，固井质量的评价属于世界性难题。

海上油气田的开发基本都是以依靠大斜度井和水平井。大位移井由于工程难度较大，在海上实施的较少。东海平湖油气田ZX1 井东海第一口大位移井，完钻井深6 866 m，其中垂深3 156 m，水平位移5 350 m，水垂比1.7，最大井斜77.8°，为东海目前为止水直比最大的大位移井。该井主要目的层为平湖组P6~P11 层，地层压力系数为0.98~0.17 MPa/100 m，地区低温梯度分布范围为3.07~4.02，计算井底温度为120.4°，基本属于常温常压地层。钻井作业过程中面临的诸多风险，尾管固井采用“穿鞋带帽”技术，规避固井过程中水泥浆漏失风险，确保了固井质量。

ZX1 井固井质量的测量对测井提出了更高的要求，由于井斜太大，轨迹太深，即使用全球最先进的爬行器，电缆测井也无法进行测量。通过多方调研和技术方案讨论，采用斯伦贝谢最新推出的多极子随钻声波测井技术进行固井质量的测量。

1 多极子随钻声波仪器

斯伦贝谢公司最新推出了多极子随钻声波仪器（SonicScope 475），可以提供与泥浆速度无关的纵波和横波数据以及斯通利波信息。仪器可进行单极和多极声波测量模式（主要是四极子）（图 1）。48 个接收器封装在4 个阵列中，每个阵列包含有12 个接收器，每个接收器的间距为4 in（1 in = 2.54 cm），为行业内最小。

这些传感器位于钻铤的外表面，并装在保护套中。结合强大的井下功能（采集、存储和计算），在传感器中对高质量的波形数据进行数字化和记录。源距被优化处理，使不同测量模式下的信噪比达到最大化。发射传感器在1~20 kHz 的频率范围内可以激化产生井眼单极和多极模式，最大耐温150 ℃，最大耐压30 000 psi（1 psi = 6.895 kPa）。仪器的电子线路短节可以进行实时多极采集和处理，在钻井和井底总成（BHA，Bottm Hole Assembly）起钻时可以记录单极高频纵波和横波、低频斯通利波和多极横波测量值。按照预选择的时间顺序，所有模式以1GB 的存储量记录。声波仪器要求在发射器和接收器之间使用一个专用的衰减器，这样可以使仪器比BHA（井底总成）的其余部分稍灵活些。利用有限差分模拟对衰减器短节进行了优化设计，在不需对声波仪器进行折中处理的情况下也可以大大提高钻铤的刚性。

SonicScope 随钻测井仪器采用了专用的模式进行斯通利波测量，在遇见冲蚀带之前可以保证获得高质量的数据。利用测得的波列数据可以对套管和地层之间的水泥胶结情况，即固井质量进行评价^[2-4]。

2 固井质量计算方法研究

目前，固井质量测井采用声幅测井法，即测量套管滑行波首波幅度。声波变密度测井和套管外介质声阻抗为主要测量对象的声脉冲反射测井。测量滑行波首波幅度的方法已经发展到扇区测井方法，可以周向加纵向评价水泥胶结情况^[5-6]。

固井质量声幅测井应用比较广，测量参数少，解释方法也相对简单。该方法以测量套管波首波幅度为对象，通过相对幅度C 评价固井质量。

$C=\frac{目的层段的声波幅度值}{自由套管段的声波幅度值}\times 100%$

(1)

评价标准：C ≤ 20%，固井质量良好； C= 20%~40%，固井质量中等；C ≥ 40%，固井质量不好。

针对相对幅度法的不足，采用水泥胶结指数（BI）法评价界面水泥固井质量，即BI ≥ 0.8，固井质量良好；0.4 ≤ BI ≤ 0.8，固井质量中等； BI ≤ 0.4，固井质量差。水泥胶结指数定义为：

$BI=\frac{目的层井段的声波衰减（SATT）dB/ft}{胶结良好井段的声波衰减（MASATT）dB/ft}$

(2)

式中：SATT = -6.64 lg ( SA ) + F ( CSIZ )； MASATT = ArB·X + C·X²+D·Y+ E·Y·X + F·Y²； X = lg ( CSTR ) ，Y= lg ( CTHI )；A、B、C、D、 E、F在不同情况下分别为不同的常数。

$MASATT= -6.64 lg (MSA) + F (CSIZ)$

(3)

以上两种算法，考虑了水泥的抗压强度（CSTR）、套管壁厚（CTHI），最小声幅（MSA）和套管尺寸（CSIZ）。因此，水泥胶结指数（BI）一方面取决于水泥抗压强度的准确程度，另一方面取决于最小声幅的选择。根据诺谟图（声幅测井与抗压强度关系图版），最小声幅的选择也与水泥抗压强度有关。因此在固井质量测井前，对于水泥抗压强度的了解非常必要，特别是要掌握一些特殊井的水泥抗压强度，否则会使固井质量的测井评价出现偏差。水泥胶结指数还与水泥类型有关，不同水泥类型声幅测量值与胶结指数的递减关系不同，如图 2 所示。

利用随钻声波获得套管波和不同阵列接收器得到的仪器直达波声波衰减信息，这些衰减信息可以全面定量评价固井质量。随钻声波测井定量评价固井质量（QBI）计算方法与声幅测井（CBL）类似。采用了声波幅度和声波衰减相结合的混合法来评价固井质量。混合法根据胶结指数计算的敏感度，选择采用不同的方法来计算结交指数。如图 3 所示，当胶结指数在较低的范围时（QBI＜ 45%），采用声波幅度法计算胶结指数；当胶结指数在较大的范围时（QBI ＞ 55%），采用声波衰减法来计算胶结指数。当胶结指数处于中间范围时（45% ＜ QBI ＜ 55%），采用加权平均法计算胶结指数。颜色棒指示在计算不同深度井段的胶结指数时，根据敏感度采用不同的计算方法（红色范围时采用声波衰减法计算，绿色范围采用加权平均法计算，蓝色范围采用声波幅度法计算）。敏感度是采用简单求和模型，根据不同水泥性能（水泥声阻抗）和套管厚度来计算。

3 ZX1井固井质量评价

ZX1 井井斜从39.5~71°，9 5/8 in 套管深度至5 500 m，7 in 套管深度至井底近7 000 m，如图 4所示。套管外径7 in，套管密度29 lbm/ft，泥浆密度1.2 g/cm³，为油基泥浆（220 μs/ft）。为了准确校深，必须进行伽马测井，随钻伽马测量必须开泵模式进行，但是开泵之后又会对声波质量测井造成一定影响。本次测井采用开泵下测一定深度的自然伽马曲线，测量井段的长度以和裸眼井测量的自然伽马对比相关性较好为准，以减少测量井段，节省占有平台作业时间。采用上提关泵数据存储模式进行声波数据的测量，以降低开泵噪音对随波声波测井的影响，提高声波采集的质量。

采集过程中仪器不旋转，采集过程中控制测井速度不超过270 m/h，声波资料记录速度2 s，确保采集质量和效率。根据混合法对本井的固井质量进行了定量评价。从视衰减与胶结指数关系图（图 3）中可以看出，QBI 固井质量指数在0.9~1（水泥质量分数90%~100%）之间时敏感度较差，即固井质量水泥质量分数超过90% 时，定量评价固井质量的结果误差较大。

图 5 为ZX1 井定量胶结指数成果图。第五道中，QB1_HYB 为混合法计算的胶结指数，QBI_ ATT 是衰减胶结指数，QBI_AMP 是振幅胶结指数，SPL_BILL 是低于截止值的拼接胶结指数，SPL_ BIUL 是高于截止值的拼接胶结指数。第六道中，AMP_R1 是接收器1 振幅，AMP_NOISE 是噪音振幅。第七道为固井质量变密度成果图。

在双层套管井段，该井段（蓝色标志层段）主要采用声幅法计算QBI，计算结果显示，该段的水泥质量分数基本低于30%，大部分井段水泥质量分数仅有10% 左右。从变密度图上也可以看出，套管波能量很强，地层波比较弱，显示套管环空基本没有水泥，胶结情况很差。

在绿色标注井段，QBI 计算值在0~40% 之间，胶结情况也比较差。在5 552~5 940 m 井段，QBI 计算值在30%~50% 之间，根据加权平均值法计算的胶结指数；变密度图上，套管波较强，地层波也较弱，总体显示胶结情况也不好。在5 940~6 235 m 井段，QBI 计算值在50%~80% 之间，其中粉色色标层段为根据声波衰减法计算的胶结指数；变密度图上，套管波较弱，地层波较强，总体显示固井质量合格。在粉色标注井段，QBI计算值在60%~100% 之间，根据声波衰减法计算的胶结指数，棕色色标层段为QBI 值大于90% 的低可信度层段；变密度图上，套管波弱，地层波强，总体显示固井质量良好。从6 500 m 至井底，属于我们的主要目的层段（气层射孔层段），QBI 计算值在80%~100% 之间，计算方法原则同上，变密度上套管波很弱，地层波很强，总体显示固井质量优。

总之，从上往下，固井质量逐渐变好。双层套管井段，固井质量较差，在后续完井中又进行了挤水泥作业。在主要的气层射孔井段，固井质量优良，能为生产射孔提供良好的封隔能力，阻止气体上窜。射孔后，产气量6 500 m³/h，折算日产气15.6×10⁴ m³。

4 结论

ZX1 井是东海的第一口大位移井，在钻井过程克服了诸多工程难题，创下了多个东海之最。其中利用随钻声波测井进行大位移井固井质量评价更是国内首次，并且了取得了很好的应用效果。

（1） 随钻声波测井仪（SonicScope 475） 采用上提不旋转模式进行了声波数据采集，既保证声波测井质量，又确保了采集速度，提高了效率，节省了平台时耗。

（2） 本井中，随钻声波测井（SonicScope475）总体数据采集质量良好，信噪比较高。在固井质量定量评价（QBI）中，采用混合法计算胶结指数，充分利用了声波的声幅和衰减信息，针对不同的层段，采用与之相适合的计算方法，确保了计算结果的精确和合理，并对后续完井工作及射孔作业提供了较可靠的实施依据。

（3）随钻声波测井仪（SonicScope 475）是斯伦贝谢最新的推出的随钻测井仪器，代表着随钻声波测井当前的发展水平，并在国内首次用于大位移井固井质量的评价，取得了较好的应用效果。

（4）仪器更新换代，技术日新月异，只要充分利用新技术，并把平湖的生产作业需求与之完美结合，发挥出新技术的最大潜力，并指导生产实际，才能体现新技术的最大价值，也是科技创新的最终目的。