侯慶功，姜文芝，謝景平，趙國(guó)華，刁曉紅

（中國(guó)石化勝利石油管理局測(cè)井公司，山東東營(yíng)257096）

低密度水泥漿固井質(zhì)量評(píng)價(jià)刻度試驗(yàn)研究

侯慶功，姜文芝，謝景平，趙國(guó)華，刁曉紅

（中國(guó)石化勝利石油管理局測(cè)井公司，山東東營(yíng)257096）

為了對(duì)低密度水泥漿固井質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，建造了低密度水泥漿固井質(zhì)量模型。通過(guò)模擬試驗(yàn)研究了水泥漿固結(jié)硬化為水泥石的一段時(shí)間內(nèi)，其聲波速度、聲阻抗及抗壓強(qiáng)度、剪切力等參數(shù)的變化規(guī)律。試驗(yàn)表明，水泥漿中使用了添加劑后，水泥固結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)；水泥石的剪切力和抗壓強(qiáng)度隨水泥漿凝固時(shí)間增加而增加。低密度水泥石的抗壓強(qiáng)度和剪切力更小，使用低密度水泥漿固井時(shí)要求層間封隔的距離比常規(guī)水泥漿固井要長(zhǎng)才能起到封固作用。進(jìn)行了低密度水泥漿固井第Ⅰ界面固井評(píng)價(jià)刻度試驗(yàn)，采用聲幅相對(duì)值法和膠結(jié)比法得到第Ⅰ界面固井質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。該試驗(yàn)結(jié)果為正確評(píng)價(jià)低密度水泥漿固井質(zhì)量提供了依據(jù)。

固井技術(shù)；低密度水泥漿；固井質(zhì)量；模擬實(shí)驗(yàn)；聲學(xué)性能；評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

0 引 言

正確評(píng)價(jià)固井質(zhì)量，可以檢驗(yàn)?zāi)酀{體系和固井工藝的適應(yīng)性，為固井技術(shù)發(fā)展提供可靠的依據(jù)。為適應(yīng)鉆探對(duì)象、保護(hù)油氣層及節(jié)約投資等目的，與之密切相關(guān)的固井技術(shù)得到了較快發(fā)展，低密度水泥漿的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)中需要制定低密度水泥漿固井質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，解決低密度水泥漿固井質(zhì)量評(píng)價(jià)問(wèn)題。

1 低密度水泥漿固井質(zhì)量模型建造及聲學(xué)性能測(cè)量

按照勝利油田黃河固井公司提供的固井水泥配方，攪拌均勻，測(cè)量水泥漿密度，根據(jù)實(shí)際測(cè)量的密度進(jìn)行微量調(diào)整，得到密度1.3、1.5、1.8g／cm3的水泥漿。實(shí)驗(yàn)中共制作模擬Ⅰ界面2∶1模型13個(gè)，1∶1模型21個(gè)，模擬Ⅱ界面1∶1模型17個(gè)以及若干個(gè)實(shí)驗(yàn)室用的水泥石試樣。

試驗(yàn)主要關(guān)注的是水泥漿固結(jié)硬化為水泥石的一段時(shí)間內(nèi)，其聲波速度、聲阻抗及抗壓強(qiáng)度、剪切力（對(duì)地層的密封能力）等參數(shù)的測(cè)量及其變化規(guī)律；通過(guò)試驗(yàn)間接測(cè)定井內(nèi)高溫環(huán)境下這些參數(shù)的變化規(guī)律。

1.1 添加劑對(duì)低密度水泥石影響

不改變低密度水泥漿主要組分質(zhì)量比例，只改變降失水、減阻添加劑含量，使用透明管觀察水泥漿的凝固變化。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

（1）純水泥加水，凝固快，但均勻性差，有直觀的差別。

（2）加入降失水劑，減小泥漿的流動(dòng)性，增加均勻性，但延緩了固化時(shí)間；4、7、12、15號(hào)樣的降失水劑含量超過(guò)2%，2d后還是泥漿狀。

（3）加入減阻劑增加流動(dòng)性，增加固化速度，但大量使用會(huì)使得水泥石分化為下重上輕；8、16號(hào)樣品分為2層凝固。

表1 添加劑與低密度水泥石凝固時(shí)間關(guān)系

1.2 溫度－添加劑－固結(jié)時(shí)間綜合試驗(yàn)測(cè)量

制作水泥樣品為Φ30mm×50mm的圓柱體，帶模具在水中恒溫養(yǎng)護(hù)，測(cè)量時(shí)，去掉模具，測(cè)量后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。使用巖石聲波測(cè)量?jī)x器在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量水泥漿分別在20、60、90℃溫度條件下的縱波速度。添加劑為降失水劑＋減阻劑，劑量各占總質(zhì)量的0.5%。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1至圖3。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到密度為1.8g／cm3的水泥石，縱波速度約為3 200m／s。井內(nèi)高溫環(huán)境下24h達(dá)到最高速度的95%以上，常溫下需要5～6d達(dá)到這個(gè)速度。

密度為1.4g／cm3的水泥石縱波速度約為2 900m／s。井內(nèi)高溫環(huán)境下24h達(dá)到最高速度的95%以上，常溫下需要5～6d達(dá)到這個(gè)速度。

密度為1.2g／cm3的水泥石縱波速度約為2 700m／s。井內(nèi)高溫環(huán)境下36h達(dá)到最高速度的95%以上，常溫下需要5～6d達(dá)到這個(gè)速度。

圖1 溫度－添加劑－時(shí)間-1.8g／cm3水泥石聲波速度試驗(yàn)

如果水泥漿中使用了添加劑，水泥固結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，具體凝固時(shí)間與添加劑多少密切相關(guān)。

1.3 抗壓強(qiáng)度及剪切力變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)測(cè)量

制作不同密度的水泥石樣品150個(gè)，其大小為Φ30mm×50mm的圓柱體，常溫30℃水中養(yǎng)護(hù)。使用水泥石壓力、剪切力測(cè)試裝置。剪切力測(cè)量的是水泥漿與鐵板固結(jié)后之間的剪切力；抗壓強(qiáng)度測(cè)量是進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中逐步增加壓力，記錄水泥石損毀前的壓力。因此測(cè)量結(jié)果是相對(duì)剪切力、相對(duì)強(qiáng)度。每6h測(cè)試1組，共進(jìn)行120h，得到試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

（1）水泥石的抗壓強(qiáng)度隨水泥漿凝固時(shí)間增加而增加，當(dāng)凝固時(shí)間超過(guò)72h抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。對(duì)常規(guī)密度水泥石，凝固時(shí)間48h其抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度的83%；密度為1.5g／cm3的低密度水泥石，凝固時(shí)間48h其抗壓強(qiáng)度只達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度的50%；密度為1.3g／cm3的低密度水泥石，凝固時(shí)間48h抗壓強(qiáng)度幾乎為0。

（2）水泥石的抗壓強(qiáng)度與水泥漿密度大小密切相關(guān)，常規(guī)密度水泥石抗壓強(qiáng)度是1.5g／cm3的低密度水泥石的2倍多，是1.3g／cm3的低密度水泥石的4倍。

（3）水泥石的剪切力隨水泥漿凝固時(shí)間增加而增加，但達(dá)到最大值時(shí)間略有差異。不同密度水泥石剪切力變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律基本一致。

（4）由于低密度水泥漿形成的水泥石的抗壓強(qiáng)度和剪切力更小，所以使用低密度水泥漿固井時(shí)要求層間封隔的距離比常規(guī)水泥漿固井要長(zhǎng)才能起到封固作用。

2 低密度水泥漿固井質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)確定

2.1 低密度水泥固井第Ⅰ界面固井評(píng)價(jià)刻度試驗(yàn)

用5.5in＊＊非法定計(jì)量單位，1ft＝12in＝0.304 8m，下同套管制作模具，制造試驗(yàn)?zāi)Ｐ?1個(gè)，模擬井內(nèi)固井工藝調(diào)制水泥，分別用密度為1.3、1.5、1.8g／cm3水泥漿，并模擬水泥環(huán)外有地層和無(wú)地層2種情況下第Ⅰ界面不同膠結(jié)情況，測(cè)量其聲波波形，提取首波幅度。

試驗(yàn)儀器與實(shí)際測(cè)井儀器既有一致性又有區(qū)別。一致性是指使用的探頭、激發(fā)電路等完成一致，不同的是源距、主頻可以改變。

（1）自由套管和100%膠結(jié)刻度試驗(yàn)。模擬水泥環(huán)外有地層和無(wú)地層2種情況下第Ⅰ界面在自由套管、100%膠結(jié)情況下，源距3in和5in的實(shí)際波列圖多組，圖6為3in波列圖。

（2）不同膠結(jié)情況下的固井質(zhì)量刻度試驗(yàn)。用不同方法模擬水泥缺失進(jìn)行不同膠結(jié)條件下的固井膠結(jié)刻度試驗(yàn)［1］。用豎條缺失方法模擬水泥膠結(jié)0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，得到對(duì)應(yīng)的聲波幅度值與水泥缺失關(guān)系圖（見(jiàn)圖7）。

圖6 自由套管和100%膠結(jié)的3in波列圖

采用突變方法模擬水泥膠結(jié)0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，得到對(duì)應(yīng)的聲波幅度值與水泥缺失關(guān)系圖；同樣采用漸變方法模擬水泥膠結(jié)50%、60%、70%、80%、90%、100%。得到對(duì)應(yīng)的聲波幅度值與水泥缺失關(guān)系（見(jiàn)圖8）。

（3）第Ⅰ界面的影響因素刻度試驗(yàn)。分別對(duì)套管偏心、儀器偏心、微環(huán)對(duì)聲波幅度影響進(jìn)行了試驗(yàn)。套管偏心導(dǎo)致聲幅數(shù)值增大，儀器偏心導(dǎo)致聲幅數(shù)值減小。當(dāng)自由套管中儀器偏心10mm，幅度減小到60%，偏心20mm則減小到30%；對(duì)于100%膠結(jié)井段，儀器偏心10mm幅度減低到75%，偏心20mm則降低到30%，波形變差。微環(huán)影響采用塑料布包裹套管表面，模擬0～0.9mm的微環(huán)，水泥密度1.8g／cm3固井Ⅰ界面，使用儀器測(cè)量微環(huán)對(duì)聲幅的影響結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖7 水泥豎條缺失試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

圖8 水泥突變?nèi)笔Ш蜐u變?nèi)笔г囼?yàn)測(cè)量結(jié)果

圖9 微環(huán)與CBL的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 利用聲幅相對(duì)值法得到的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（4）第Ⅰ界面固井質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

第1種評(píng)價(jià)方法：聲幅相對(duì)值法。按照水泥填充80%以上評(píng)價(jià)為良好，水泥填充80%～50%為膠結(jié)中等，水泥填充小于50%為膠結(jié)差。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果［2］，得到利用聲幅相對(duì)值法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

第2種評(píng)價(jià)方法：膠結(jié)比法。按照水泥填充80%以上評(píng)價(jià)為良好，水泥填充80%～50%為膠結(jié)中等，水泥填充小于50%為膠結(jié)差，綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果［3］得到利用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 低密度水泥漿固井Ⅱ界面評(píng)價(jià)試驗(yàn)

為了解試驗(yàn)儀器在固井前的裸眼井中的5in變密度響應(yīng)特點(diǎn)，方便與固井后的資料作對(duì)比分析，制作了外徑70cm、高度220cm、井眼直徑20cm的模擬砂巖的裸眼井，在其中進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量完成后，在這些裸眼井內(nèi)放入套管，澆筑不同密度的水泥，或先澆筑無(wú)地層水泥環(huán)（套管外）再建筑模擬地層，制作了不同密度的固井井段。第Ⅱ界面缺失用水替代地層，水厚度1～2cm，高度為整個(gè)井段，弧長(zhǎng)變化模擬Ⅱ界面不同膠結(jié)。用5in源距測(cè)量VDL波列，并對(duì)其進(jìn)行綜合分析試圖總結(jié)出固井質(zhì)量定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 利用膠結(jié)比得到的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

同時(shí)進(jìn)行了水泥石聲波衰減試驗(yàn)，測(cè)量聲波從套管經(jīng)過(guò)水泥環(huán)傳入地層，又從地層返回，2次經(jīng)過(guò)水泥環(huán)，5in源距的變密度的地層波幅度，在完全膠結(jié)時(shí)，其能量受到水泥的衰減。在不考慮地層影響時(shí)，水泥密度不同，其衰減程度有差別，試驗(yàn)顯示，低密度水泥石對(duì)聲波衰減大，測(cè)量到的地層波弱。試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)測(cè)量水泥石聲波衰減，得到第Ⅱ界面地層波強(qiáng)弱數(shù)量關(guān)系（見(jiàn)表4），為定量評(píng)價(jià)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)能總結(jié)出第Ⅱ界面評(píng)價(jià)定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 聲波經(jīng)過(guò)不同密度水泥石的相對(duì)穿透能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)證實(shí)低密度水泥漿固井評(píng)價(jià)可以使用聲波方法測(cè)量和解釋技術(shù)完成。

（2）低密度水泥漿固井的固化時(shí)間較長(zhǎng)，要正確評(píng)價(jià)固井質(zhì)量必須選擇合理的候凝時(shí)間；添加劑對(duì)水泥凝固影響較大，其種類和數(shù)量變化后，需要通過(guò)試驗(yàn)確定合理測(cè)井時(shí)間。

（3）水泥石耐壓強(qiáng)度、粘附力（水泥固封能力）隨著密度降低而減小，1.3g／cm3水泥石的強(qiáng)度只是1.8g／cm3的1／4，需要考慮提高層間間隔距離的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，避免竄槽。

（4）當(dāng)有微環(huán)等聲波耦合不良因素存在時(shí)，聲波幅度不反映水泥的強(qiáng)度，但較低密度水泥不易產(chǎn)生微環(huán)。

（5）水泥漿膠結(jié)比數(shù)值要小于水泥充填率數(shù)值，基本不受水泥漿密度的影響，為低密度水泥漿固井質(zhì)量評(píng)價(jià)提供新的評(píng)價(jià)方法。

（6）初步確定了低密度水泥漿固井的Ⅰ界面定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

［1］ 戴月祥，何峰江，王存田，等.固井水泥在不同充填狀況下的測(cè)井響應(yīng)分析［J］.測(cè)井技術(shù)，2009，33（6）：579－583.

［2］ 魏濤.固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法.中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY∥T6595－2004［S］.2004.

［3］ 盤宗業(yè).川東北天然氣固井質(zhì)量及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).中國(guó)石油化工集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q／SH0036－2006［S］.2006.

Calibration Experimental Study on Cementing Evaluation with Low Density Slurry

HOU Qinggong，JIANG Wenzhi，XIE Jingping，ZHAO Guohua，DIAO Xiaohong
（Well Logging Company，Shengli Petroleum Administration，SINOPEC，Dongying，Shandong 257096，China）

An experimental model is built to evaluate low density slurry cementation quality.By use of calibration experiment simulation，studied is the change law of parameters in slurry consolidation period，such as acoustic wave velocity，acoustic impedance，compression strength，shear force and so on.Experiment shows that cement consolidation time will extend when adding additive in cement paste；Set cement shear force and compression strength increase along with cement paste coagulation time increasing.Because the set cement with low density slurry has weaker shear force and compression strength，it needs longer interlayer sealing distance for better well cementation.Processed is cementing quality evaluation calibration experiment for theⅠinterface with low density slurry cementing.Obtained is theⅠinterface cementing evaluation standard from acoustic amplitude relative value method and cementing ratio method.This experiment provides references for properly evaluating low density slurry cementing quality.

cement technology，low density slurry，cement quality，simulation experiment，acoustic performance，evaluation standard

TE254.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2011－10－20 本文編輯 王小寧）

劉中奇男，1962年生，高級(jí)工程師，從事測(cè)井資料解釋與方法研究。