步玉環(huán)， 宋文宇,2， 何英君,2， 沈兆超

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580；2.中石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南鄭州 450006)

低密度水泥漿固井質(zhì)量評價方法探討

步玉環(huán)1， 宋文宇1,2， 何英君1,2， 沈兆超1

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580；2.中石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南鄭州 450006)

隨著低密度水泥漿固井技術的廣泛應用，現(xiàn)有固井質(zhì)量評價標準已經(jīng)不能滿足要求,因此有必要在充分研究各影響因素的基礎上對現(xiàn)有固井質(zhì)量評價方法進行修正。通過分析井下聲場，建立了套管井井下聲場模型，結(jié)合各因素對水泥石聲學特性的影響及固井質(zhì)量評價標準的制訂依據(jù)，提出了固井質(zhì)量評價標準改進方法，并給出了改進條件下固井質(zhì)量評價標準的操作步驟。通過對比改進條件下與常規(guī)條件下的測井響應差異，得到改進后的固井質(zhì)量測井評價指標。擬合了不同密度下聲幅幅值的函數(shù)方程,且各方程相關系數(shù)均大于0.93。對比擬合方程線性系數(shù)發(fā)現(xiàn)，微硅低密度水泥漿體系的擬合系數(shù)大于漂珠微硅復合低密度水泥漿體系，擬合系數(shù)最小的為粉煤灰低密度水泥漿體系；候凝達48 h時，聲幅上限各系數(shù)分別為20.74，19.15和18.82，聲幅下限各系數(shù)分別為20.85,14.81和12.96。各低密度水泥漿體系的固井質(zhì)量評價指標均隨密度增大而減小，且具有很強的線性相關性，改進后的評價標準能根據(jù)水泥漿種類及其密度值準確地計算出評價指標，該方法對固井質(zhì)量評價標準的改進具有很強的指導意義。

低密度水泥漿 固井質(zhì)量 評價方法 膠結(jié) 聲場模型

隨著石油勘探開發(fā)的不斷深入，深井、超深井和深水井越來越多,而深井、超深井鉆進帶來了相應的固井問題，如采用了長封固段固井、低密度水泥漿固井、深水固井等固井新技術及配套的新型固井材料時，這些新技術及新材料也給固井質(zhì)量評價工作帶來很大的挑戰(zhàn)[1-4]。1990年，中國石油天然氣總公司通過對當時各油田采用常用套管(外徑177.8 mm、壁厚 10.36 mm)固井的油氣井的測井資料進行了分析，得出在對其固井質(zhì)量進行評價時，聲波幅度15%和30%分別對應膠結(jié)優(yōu)的上限和膠結(jié)差的下限，其他尺寸套管的固井質(zhì)量評價標準可通過聲波幅度解釋圖版進行相應的校正，該標準得到了國內(nèi)石油界的廣泛認可[5]。后來,隨著低密度水泥漿固井技術的廣泛應用，各油田也相應制訂了低密度水泥漿固井質(zhì)量評價指標。2004年，石油鉆井工程專業(yè)標準化委員會制訂了石油天然氣行業(yè)標準《固井質(zhì)量評價方法》，將聲波幅度20%和40%分別對應低密度水泥漿固井質(zhì)量優(yōu)的上限和差的下限[6]，該標準為低密度水泥漿固井的質(zhì)量評價工作提供了很大幫助。但由于影響低密度水泥漿固井質(zhì)量評價的因素眾多[7-9]，仍有一些因素未能充分考慮，如低密度水泥漿密度減輕材料的種類、低密度水泥漿的密度等，需進一步研究[9-11]。為此，筆者通過分析井下聲場和建立套管井井下聲場模型，并結(jié)合各因素對水泥石聲學特性的影響、固井質(zhì)量評價標準的制訂依據(jù)和一些室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，得出了一種可行的固井質(zhì)量評價標準改進方法。

1 套管波井下聲場模型的建立

套管波在井下傳播過程中要經(jīng)歷各種能量的衰減，概括起來有套管內(nèi)波束發(fā)散造成的能量衰減、鉆井液對聲波能量的衰減、套管內(nèi)壁對界面的能量分配及套管內(nèi)泄露蘭姆波造成的能量衰減[12-13]。因此，按照上述能量衰減過程，完全膠結(jié)時的套管波強度可以表示為：

(1)

式中：J，J0分別為聲波接收器接受到的套管波強度和發(fā)射器發(fā)射的套管波強度，W/m2；l1，l2分別為套管波在鉆井液和套管中傳播的距離，m；αN，αT分別為鉆井液和套管內(nèi)泄漏蘭姆波對套管波造成的衰減率，dB/m；T為鉆井液與套管壁界面的能量透射系數(shù)。

由式(1)可知，影響套管波的因素包括套管型號、鉆井液性能及水泥石性能等，但與水泥石性能有關的只有套管內(nèi)泄露蘭姆波對聲波造成的能量衰減。所以，如果要分析水泥石對固井質(zhì)量評價標準的影響，可暫時假設其他因素對套管波能量的影響為定值，故式(1)可以簡化為：

(2)

(3)

參數(shù)m與套管型號、鉆井液性能、鉆井液與套管壁界面的能量透射系數(shù)T有關，而當鉆井液性能和套管型號固定時，T也是固定的[14]。因此，筆者在研究水泥石對固井質(zhì)量評價的影響時，暫不考慮其他因素對固井質(zhì)量評價標準的影響。

G.H.Pardue等人[15]對泄露蘭姆波深入研究，得出若平板的一側(cè)與水泥膠結(jié)、另一側(cè)與液體接觸時，式(2)中蘭姆波的衰減率可表示為：

(4)

式中：ρ1，ρ2分別為套管和水泥的密度，g/cm3；vP，vD，vS分別為套管縱波速度、水泥縱波速度、水泥橫波速度，m/s；h為套管平板厚度，mm。

式(4)為模擬平板的泄露蘭姆波，與實際套管波的差別在于實際套管為圓筒狀，且沒有考慮管外水泥環(huán)厚度的影響。但實際上，當水泥環(huán)厚度大于2 cm 時，套管波幅度基本不受水泥環(huán)厚度的影響，而且套管壁厚相對于彎曲半徑非常小，可以將其近似看作一個平板，對計算結(jié)果的影響不大[16]。

由于聲波能量與聲波幅度的平方成正比[14]，故若以聲波幅度表示，式(2)還可以表示為：

(5)

(6)

式中：A0，A分別為套管波發(fā)射器發(fā)射的聲波幅度和接收器接收到的聲波幅度，mV。

由于在研究水泥石對固井質(zhì)量評價的影響時暫不考慮其他因素對固井質(zhì)量評價標準的影響，故m和αm可當作定值。

由式(4)、式(5)可知，如果套管與水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量好，聲耦合越好聲波就會越多地傳播到地層中去，則αT就越大，接收器接收到的幅度也就越??；反之，則接收器接收到的聲波幅度越大。因此，通過對不同條件下套管波的聲波幅度對比分析，可以更直觀地進行固井質(zhì)量評價。

2 固井質(zhì)量評價標準改進方法

養(yǎng)護環(huán)境及水泥漿配方的不同會造成水泥石聲學特性上的差異[17-20]，進而影響到測井響應。測井響應的不同會對固井質(zhì)量評價指標的科學性造成一定影響，因此通過對比膠結(jié)良好井段和膠結(jié)一般井段的聲波幅度值，可以對固井質(zhì)量評價指標進行定量校正。其改進原理為：根據(jù)不同條件下的水泥石聲學特性進行模擬計算，得到常規(guī)條件下常規(guī)水泥石測井響應與特殊條件下水泥石測井響應的差別，然后再結(jié)合現(xiàn)有常規(guī)條件、常規(guī)水泥漿體系的固井質(zhì)量評價標準進行評價指標的校正，即對評價指標的上限和下限進行校正。

步驟1：計算完全膠結(jié)時的套管波衰減率。

由式(2)—式(6)可知，完全膠結(jié)時的套管波衰減率為αm+αT，其中αT可由式(4)計算得出。此時引入常規(guī)固井條件下的各計算參數(shù)，如測井源距0.914 m，套管壁厚10.36 mm，套管鋼材密度7.85 g/cm3，套管縱波速度5 900 m/s，常規(guī)水泥石密度1.90 g/cm3，常規(guī)水泥石縱波聲速2 988 m/s，水泥石泊松比0.2，并考慮到常規(guī)固井測井的衰減率為34.45 dB/m[5]，通過計算可得出αm≈20.51 dB/m。由于αm與套管外水泥的膠結(jié)狀況及水泥性質(zhì)無關，且筆者在本文中暫不考慮套管型號對固井質(zhì)量評價標準的影響，因此αm可以視為一個定值。此時，完全膠結(jié)時的套管波衰減率可以表示為：

αg=αT+20.51

(7)

式中：αg為完全膠結(jié)時的套管波衰減率，dB/m。

步驟2：計算膠結(jié)優(yōu)質(zhì)與膠結(jié)差條件下的套管波衰減率。

目前現(xiàn)場常用相對聲幅法和膠結(jié)指數(shù)法來評價固井質(zhì)量。對常規(guī)固井質(zhì)量進行評價時，相對聲幅法評價指標和膠結(jié)指數(shù)評價指標的對應關系見表1[5]。

表1 常規(guī)密度水泥固井質(zhì)量評價標準

Table 1 Evaluation criteria for cementing quality with conventional density of cement

當膠結(jié)指數(shù)為0.8時，對應的相對聲幅大小為15%；當膠結(jié)指數(shù)為0.6時，對應的評價指標為30%。

膠結(jié)指數(shù)的定義為：

(8)

式中：α為目的層段的聲波衰減率,dB/m。

試驗證明[21]，膠結(jié)指數(shù)與水泥環(huán)所占圓周套管的比例成正比，如當BI=1時α=αg，此時水泥環(huán)360°完全充填，且不存在微間隙。因此，膠結(jié)指數(shù)法適用于任何條件下的固井質(zhì)量評價，包括常規(guī)密度水泥體系、低密度水泥體系及其他特殊情況下的固井質(zhì)量評價。由此可知，根據(jù)式(7)、式(8)可計算出膠結(jié)質(zhì)量優(yōu)質(zhì)時的界限(BI=0.8)和膠結(jié)質(zhì)量差時的界限(BI=0.6)所對應的套管波衰減率。

步驟3：計算出膠結(jié)優(yōu)與膠結(jié)差時的套管波幅度值。

由上述分析可知，當計算出BI=0.8和0.6的衰減率后，可根據(jù)衰減率與聲波幅度的關系計算出對應的套管波幅度值。

當BI=0.8時：

(9)

當BI=0.6時：

(10)

式中：A0.8，A0.6分別為膠結(jié)指數(shù)為0.8和0.6時接收器接收到的聲波幅度，mV；A0為套管波發(fā)射器發(fā)射的聲波幅度，mV。

步驟4：對比改進條件下和常規(guī)條件下的套管波幅度值。

分別按照步驟1—3計算出要改進條件下和常規(guī)條件下膠結(jié)指數(shù)為0.8和0.6對應的套管波幅度值，并進行比較，得到改進系數(shù)。

當BI=0.8時：

(11)

當BI=0.6時：

(12)

式中：λ0.8為BI=0.8對應的改進系數(shù)；λ0.6為BI=0.6對應的改進系數(shù)；A1,0.8，A1,0.6分別為按常規(guī)標準固井時接收器接收到的膠結(jié)指數(shù)為0.8和0.6對應的聲波幅度，mV；A2,0.8，A2,0.6分別為按改進條件固井時接收器接收到的膠結(jié)指數(shù)為0.8和0.6對應的聲波幅度，mV；αg1和αg2分別為常規(guī)標準和改進標準條件下固井完全膠結(jié)井段的聲波衰減率，dB/m。

步驟5：校正固井質(zhì)量評價指標。

計算出特殊條件下固井測井的聲波幅度和常規(guī)密度固井測井的聲波幅度及兩者的比值后，就可以得到改正后的相對聲幅法固井質(zhì)量評價指標。依照上述計算方法，經(jīng)過校正的相對聲幅的上限和下限分別變?yōu)?0%λ0.6和15%λ0.8，對應的評價標準見表2。

由表2可知，校正后的相對聲幅的上限和下限與λ0.6和λ0.8存在密切關系，λ0.6和λ0.8越大，相對聲幅也越大，反之則越小。

3 改進結(jié)果及分析

通過試驗研究不同養(yǎng)護條件下不同配方水泥石的聲學特性，并結(jié)合前面的理論分析，得出了養(yǎng)護時間、養(yǎng)護溫度、緩凝劑及密度減輕劑等對固井質(zhì)量評價指標的影響。

3.1 養(yǎng)護時間對固井質(zhì)量評價指標的影響

以75 ℃常壓養(yǎng)護條件下常規(guī)密度水泥不同時間點的聲波測井響應為例進行分析，以期找出候凝時間與固井質(zhì)量評價指標的關系。通過試驗得到了養(yǎng)護時間和縱波聲速及其對應關系，養(yǎng)護時間4，6，8，10，12，14，16，18，20和48 h對應的縱波聲速分別為2 268 ，2 485，2 608，2 682，2 712，2 782，2 819，2 848，2 873和2 998 m/s。按照前面給出的計算方法，由這些數(shù)據(jù)可以得出養(yǎng)護時間和相對聲幅法評價指標的關系，如圖1所示。

由圖1可知，隨著養(yǎng)護時間的增長，改進后的固井質(zhì)量評價指標逐漸接近于常規(guī)固井質(zhì)量評價指標，尤其當養(yǎng)護時間長于24 h后，評價指標變化幅度很小。但對于養(yǎng)護時間短于10 h的情況來說，評價指標的變化是比較明顯的。

3.2 養(yǎng)護溫度對固井質(zhì)量評價指標的影響

測量了養(yǎng)護溫度分別為25，55，75，90和120 ℃，常壓下常規(guī)水泥石養(yǎng)護24和48 h后的縱波聲速，結(jié)果見表3。

表3 不同溫度下養(yǎng)護24和48 h的縱波聲速

Table 3 The longitudinal wave velocity after being cured for 24 hours and 48 hours at different temperatures

利用表3中的縱波聲速數(shù)據(jù)，按前述步驟計算得出養(yǎng)護溫度和相對幅度法評價指標的關系，如圖2所示。

從圖2可以看出，養(yǎng)護溫度對相對聲幅評價指標的影響很小，養(yǎng)護24 h條件下的相對幅度法評價指標上限和下限均小于養(yǎng)護48 h條件下的相應評價指標，且溫度越低相差越大，但當溫度高于55 ℃之后各指標均趨于平穩(wěn)，與養(yǎng)護條件為75 ℃、48 h時的指標差均在5%以內(nèi)。

3.3 緩凝劑對固井質(zhì)量評價指標的影響

加入外加劑(緩凝劑、降濾失劑)會對水泥石的聲學特性和強度特性產(chǎn)生一定影響，但由于降濾失劑在開發(fā)過程中以不影響水泥漿稠化時間和抗壓強度為參考指標，故暫不考慮降濾失劑對固井質(zhì)量評價指標的影響。

在常規(guī)水泥配方(水灰比為0.44)的基礎上，進行了緩凝劑對固井質(zhì)量評價指標的影響分析。試驗選取的緩凝劑為syh-1(葡萄糖酸鈉與檸檬酸的混合物)和syh-5(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸與衣康酸的共聚物)。syh-1為小分子緩凝劑，緩凝效果好、成本低，在現(xiàn)場應用較為普遍，但是對加量敏感，且容易出現(xiàn)水泥漿頂部超緩凝的問題，不能滿足長封固段固井作業(yè)的要求；syh-5為高分子共聚物緩凝劑，成本稍高，對加量不敏感，較適用于長封固段固井作業(yè)。試驗中，syh-1和syh-5的加量分別為0，0.10%，0.15%，0.20%，0.25%和0.30%，通過試驗測量及按照前述步驟計算得出緩凝劑對固井質(zhì)量評價指標的影響，結(jié)果如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，在養(yǎng)護時間為24和48 h條件下，緩凝劑加量對固井質(zhì)量評價指標的影響很小。分析認為，這是因為緩凝劑只對水泥石早期的聲速發(fā)展產(chǎn)生較大影響，對水泥石中后期聲速發(fā)展的影響較小。

3.4 密度減輕劑對固井質(zhì)量評價指標的影響

不同種類的低密度水泥漿體系聲學特性存在一定程度上的差異。通過試驗研究，得到了不同種類低密度水泥漿體系所對應聲速與密度關系的數(shù)據(jù)點，見表4。

表4 不同種類低密度水泥漿體系對應的聲速與密度關系

Table 4 The relationship between density and acoustic velocity of different types of low-density cement slurry systems

注：PZ+WG代表漂珠微硅復合低密度水泥漿體系；FMH代表粉煤灰低密度水泥漿體系；WG代表微硅低密度水泥漿體系；全文同。

從表4可以看出，各水泥漿體系的縱波聲速隨密度的增大而增大，且養(yǎng)護48 h時的聲速要大于24 h時的聲速。

由表4中的各個數(shù)據(jù)，按前述步驟計算得出改進后各低密度水泥漿體系的評價指標，結(jié)果如圖5、圖6所示。

對圖5和圖6中各曲線進行擬合，得如下對應關系：

Ud=ad(1.9-ρ)×100%+15%

(13)

Uu=au(1.9-ρ)×100%+30%

(14)

式中：Ud為相對聲幅下限；Uu為相對聲幅上限；ad為相對聲幅下限隨密度變化的系數(shù)；au為相對聲幅上限隨密度變化的系數(shù)。

很明顯，不同低密度水泥漿體系對應的變化系數(shù)也不同。分析上述3種低密度水泥漿體系變化系數(shù)的大小，結(jié)果見表5。

表5 不同低密度水泥漿體系對應的ad和au

Table 5adandaucorresponding to various low-density cement slurries

由圖5、圖6及式(13)、式(14)可知，相對聲幅上限的波動范圍為32.5%～48.0%，相對聲幅下限的波動范圍為17.0%～28.0%。不同低密度水泥漿體系的固井質(zhì)量評價指標存在一定差別：1)各低密度水泥漿體系的評價指標都與密度呈線性關系，隨著密度的增大，固井質(zhì)量評價指標都相應降低；2)在同一密度下，微硅低密度水泥漿體系的評價指標最大，其次是漂珠微硅復合低密度水泥漿體系，粉煤灰低密度水泥漿體系的評價指標最小。

4 結(jié) 論

1) 通過分析套管井井下聲場傳播過程及套管波衰減過程，建立了套管波井下聲場模型，并得出套管內(nèi)泄漏蘭姆波造成的能量衰減與水泥本身性質(zhì)和第一界面膠結(jié)狀況有關，如果套管與水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量好，聲耦合越好聲波就越容易傳播到地層中去，則套管波衰減率就越大，接收器接收到的幅度也就越小。反之，則接收器接收到的聲波幅度越大。

2) 通過理論分析，得出了一種改進固井質(zhì)量評價標準的方法，給出了改進條件下固井質(zhì)量評價標準改進的操作步驟。通過計算需要改進條件下膠結(jié)指數(shù)為0.6和0.8的固井質(zhì)量評價測井響應，并與常規(guī)條件下膠結(jié)指數(shù)為0.6和0.8的固井質(zhì)量評價測井響應進行對比分析，可以得到改進后的固井質(zhì)量測井評價指標。該方法操作簡單、方便、與水泥漿體系的對應性強。

3) 養(yǎng)護時間為48 h時，溫度和緩凝劑對改進后的固井質(zhì)量評價指標影響較小，可以忽略不計。但各低密度水泥漿體系的固井質(zhì)量評價指標均隨密度的增大而減小，且具有很強的線性相關性，改進后的評價標準可根據(jù)水泥漿種類及密度值，準確地計算出評價指標，對固井質(zhì)量評價標準的改進具有很強的指導意義。

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[編輯 令文學]

Discussion of a Method for Evaluating Cementing Quality with Low-Density Cement Slurries

Bu Yuhuan1, Song Wenyu1,2, He Yingjun1,2, Shen Zhaochao1

(1.SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong, 266580,China;2.WesternBranchofSinopecHuabeiOilfieldServiceCorporation,Zhengzhou,Henan,450006,China)

With the application of low density cement slurries, the existing cementing quality evaluation criteria are no longer applicable, so it is necessary to amend the criteria after sufficiently studying the various influencing factors. A downhole acoustic field model for cased wells is established in this paper through analysis of acoustic field. Combining the effect of different factors on acoustic characteristics of set cement with the basis of evaluation criteria for cementing quality, the improvement methods for the criteria was proposed. Furthermore, the operation procedure of improved evaluation criteria for cementing quality was provided.The logging evaluation index for improved cementing quality was obtained by comparing the logging response after improving the conditions with that in conventional conditions.The fitting functional equations of acoustic amplitudes were made by using different densities of cement slurry, the correlation coefficients for all equations are higher than 0.93. Through the comparison of linear coefficients of matching equations, it is shown that the matching coefficient of micro-silica low density cement slurry is higher than that of floating bead micro-silica low density cement slurry, and the lowest one is from the low-density coal ash cement slurry. After waiting on the cement for 48 hours, the upper coefficient limits of their acoustic amplitudes are 20.74, 19.15 and 18.82, and the lower coefficient limits are 20.85, 14.81 and 12.96 respectively. The cementing quality evaluation indices of all low-density cement slurries decrease with increasing density, and they have a very strong linear relationship between them. In light of the improved evaluation criteria, the evaluation indices can be calculated accurately by density of various cement slurries. This method can play an important role for the improvement of cementing quality evaluation criteria.

low-density cement slurry; cementing quality; evaluation method; bonding; model of acoustic field; acoustics

2014-11-27；改回日期：2015-08-16。

步玉環(huán)(1966—)，女，山東茌平人，1988年畢業(yè)于華東石油學院鉆井工程專業(yè)，2005年獲中國石油大學(華東)油氣井工程專業(yè)博士學位，教授，碩士生導師，主要從事油氣井工程方面的教學與科研工作。

國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)項目“大位移井套管安全下入計算分析技術”(編號：2012AA091501)和“海洋油氣井鉆完井理論與工程”創(chuàng)新團隊(編號：IRT1086)資助。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201505009

TE256+.9

A

1001-0890(2015)05-0049-07

聯(lián)系方式：13884951607，buyuhuan@163.com。