低密度水泥固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)

羅勇 宋文宇 步玉環(huán) 王美潔

1.中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司 2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院

低密度水泥固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)

羅勇1宋文宇2步玉環(huán)2王美潔2

1.中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司 2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院

為了防止低壓易漏地層發(fā)生固井液漏失并有效保護(hù)油氣層，固井過(guò)程中經(jīng)常采用低密度水泥漿體系。由于低密度水泥漿體系中密度減輕劑的使用，其水泥環(huán)的聲阻抗值較之常規(guī)密度水泥環(huán)的聲阻抗存在差異，若采用常規(guī)密度水泥的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)低密度水泥漿體系的固井質(zhì)量，則其真實(shí)可靠性存在問(wèn)題。為此，進(jìn)行了3種常用低密度水泥漿體系的水泥石抗壓強(qiáng)度與聲阻抗實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)定了水泥石養(yǎng)護(hù)時(shí)間24 h和48 h的抗壓強(qiáng)度和聲阻抗值。結(jié)果表明，不同類(lèi)型不同密度的低密度水泥石24 h和48 h條件下的抗壓強(qiáng)度與聲阻抗具有良好的線性關(guān)系，由此得出了考慮第一界面膠結(jié)良好時(shí)，基于抗壓強(qiáng)度的低密度水泥漿體系套管波聲幅值計(jì)算公式，進(jìn)而提出了基于低密度水泥石抗壓強(qiáng)度的低密度固井質(zhì)量評(píng)價(jià)的改進(jìn)方法，為全面改進(jìn)低密度水泥漿體系固井質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

抗壓強(qiáng)度 聲阻抗 低密度 固井質(zhì)量評(píng)價(jià) 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 第一界面

用低密度水泥固井時(shí)，由于套管與水泥環(huán)聲耦合要比常規(guī)密度水泥差［1］，這就造成采用常規(guī)水泥漿體系固井質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行其固井質(zhì)量的結(jié)果會(huì)有所偏差，甚至導(dǎo)致錯(cuò)誤的評(píng)價(jià)結(jié)果。現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用也證明了低密度水泥固井時(shí)聲波水泥膠結(jié)測(cè)井解釋結(jié)果有時(shí)與實(shí)際固井質(zhì)量存在不一致的問(wèn)題［2］。

楚澤涵等在只增大水灰比來(lái)減輕水泥石密度的實(shí)驗(yàn)研究中，提出了油井水泥抗壓強(qiáng)度與聲阻抗之間有非線性關(guān)系［3］，而在固井的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中都是通過(guò)添加減輕劑和調(diào)整水灰比來(lái)同時(shí)達(dá)到減輕水泥漿密度的目的，因此其實(shí)驗(yàn)存在一定誤差。章成廣等提出采用校正圖版和校正公式來(lái)改進(jìn)低密度固井質(zhì)量評(píng)價(jià)［4］，但是由于減輕劑的不同，每種類(lèi)型的低密度水泥石的聲學(xué)特性不完全相同，用此方法來(lái)評(píng)價(jià)低密度固井質(zhì)量并不完全適用于所有類(lèi)型低密度水泥漿。

筆者擬通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比幾種常規(guī)低密度水泥漿的水泥石聲阻抗與抗壓強(qiáng)度關(guān)系，提出基于此關(guān)系的低密度固井質(zhì)量評(píng)價(jià)的一種改進(jìn)方法。

1 實(shí)驗(yàn)配方及操作流程

1.1 實(shí)驗(yàn)配方

實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)常用的漂珠微硅復(fù)合低密度水泥漿體系、粉煤灰低密度水泥體系和微硅低密度水泥漿體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中采用的低密度水泥漿體系的配方如表1～3所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

1）將每種類(lèi)型低密度水泥漿配備兩組，倒入模具中，放入75℃常壓養(yǎng)護(hù)釜內(nèi)養(yǎng)護(hù)，一組養(yǎng)護(hù)24 h，一組養(yǎng)護(hù)48 h。

2）稱取并記錄得到的水泥石的質(zhì)量，然后利用排水法求出水泥石的體積，進(jìn)而求出水泥石的密度ρ。

表2 粉煤灰低密度水泥漿配方表［6］

表3 微硅低密度水泥漿配方表［7］

3）利用HF－G型智能超聲波綜合測(cè)試儀（中國(guó)揚(yáng)州）測(cè)出水泥石的縱波聲速（v），根據(jù)Z＝ρv，求出水泥石的聲阻抗（Z）。

4）利用NYL－300型壓力試驗(yàn)機(jī)（無(wú)錫建筑材料儀器機(jī)械廠）測(cè)出水泥石的抗壓強(qiáng)度。

2 不同體系配方下水泥石抗壓強(qiáng)度與聲阻抗關(guān)系

2.1 各種配方條件下各自抗壓強(qiáng)度和聲阻抗的關(guān)系

對(duì)3種配方的抗壓強(qiáng)度和聲阻抗進(jìn)行分析，得出如圖1～3的關(guān)系曲線。

由圖1～3可以看出：

1）3種低密度水泥漿體系的水泥石的聲阻抗均與抗壓強(qiáng)度呈良好的線性關(guān)系，且聲阻抗隨著抗壓強(qiáng)度的增大而增大。

圖1 漂珠微硅復(fù)合低密度水泥漿聲阻抗與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

圖2 粉煤灰低密度水泥漿聲阻抗與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

圖3 微硅低密度水泥漿聲阻抗與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

2）隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水泥石48 h的抗壓強(qiáng)度和聲阻抗均大于24 h的抗壓強(qiáng)度和聲阻抗，但是曲線斜率略有降低。

2.2 3種低密度水泥漿體系抗壓強(qiáng)度和聲阻抗關(guān)系的綜合分析

盡管圖1～3都顯示出各自體系條件下水泥石抗壓強(qiáng)度與聲阻抗的良好線性關(guān)系，為此需要考察其關(guān)系是否可以推廣至所有常用低密度水泥漿體系。將3種低密度水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度與聲阻抗對(duì)應(yīng)值放入同一幅圖中（圖4）進(jìn)行觀察比較。

圖4 3種低密度水泥漿聲阻抗與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

由圖4可以看出，將3種低密度水泥石放在一起比較發(fā)現(xiàn)，聲阻抗與水泥石抗壓強(qiáng)度仍然有良好的線性關(guān)系。對(duì)24 h和48 h的3種低密度水泥石抗壓強(qiáng)度和聲阻抗曲線進(jìn)行擬合，得到如下關(guān)系式：

式中Z為水泥石聲阻抗，104g／cm2·s；G為水泥石抗壓強(qiáng)度，MPa。

因此，按照式（1）、（2）可根據(jù)測(cè)井曲線求出水泥石聲阻抗值，進(jìn)而估算出井內(nèi)水泥石抗壓強(qiáng)度，作為評(píng)價(jià)固井質(zhì)量的指標(biāo)之一。同時(shí)也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模擬井下條件或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法，測(cè)得水泥石抗壓強(qiáng)度，然后根據(jù)式（1）、（2）求出水泥石聲阻抗，進(jìn)而根據(jù)井下聲波傳播規(guī)律，得到低密度固井質(zhì)量評(píng)價(jià)改進(jìn)方法。

3 低密度水泥固井質(zhì)量評(píng)價(jià)改進(jìn)方法

3.1 理論分析

套管波用來(lái)評(píng)價(jià)固井第一界面膠結(jié)質(zhì)量，套管波的聲強(qiáng)（或幅度）大小與水泥膠結(jié)好壞有關(guān)［8］，當(dāng)不考慮水泥環(huán)對(duì)聲波的吸收衰減時(shí)，接收到的套管波聲強(qiáng)（J）為：

式中α12為折射系數(shù)，β23為反射系數(shù)。α12與鉆井液聲阻抗值Z1和套管聲阻抗值Z2有關(guān)，β23與套管聲阻抗值Z2和水泥聲阻抗值Z3有關(guān)。

分析低密度水泥漿與常規(guī)密度水泥漿固井質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，假設(shè)鉆井液和套管為固定材料且套管為固定型號(hào)，固井質(zhì)量膠結(jié)好，則Z1、Z2為一定值，那么α12也為一定值。那么套管波聲強(qiáng)J只與反射系數(shù)β23有關(guān)，即只與水泥環(huán)聲阻抗值Z3有關(guān)。再根據(jù)聲強(qiáng)與幅度的關(guān)系［9］，得到如下的聲幅值表達(dá)式：

式中m＝2c Z2，常數(shù)；n＝Z2，常數(shù)；c為常數(shù)。

則由式（4）可看出，當(dāng)把其他條件看作定值，只考慮水泥石聲阻抗時(shí)，套管波首波幅度是關(guān)于水泥環(huán)聲阻抗值Z3的函數(shù)，且隨著Z3的增大，聲幅值A(chǔ)減小。而低密度水泥石的聲阻抗值要小于常規(guī)密度水泥石的聲阻抗，故用低密度水泥固井時(shí)得到的套管波幅度要大于用常規(guī)密度固井時(shí)的套管波幅度，如果仍用常規(guī)密度水泥固井時(shí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)去評(píng)價(jià)低密度固井質(zhì)量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)偏差，因此需要對(duì)固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行修正。由式（4）可以知道，只要知道水泥環(huán)聲阻抗Z3，就可以知道固井質(zhì)量膠結(jié)好時(shí)的理論聲幅值。

3.2 基于低密度水泥石抗壓強(qiáng)度的套管波幅度計(jì)算方法

由于現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)固井質(zhì)量時(shí)采用的測(cè)井時(shí)間為24 h，在此采用式（1）來(lái)求取水泥環(huán)聲阻抗值及完全膠結(jié)套管波理論幅度值。

將式（1）代入式（4）中就可得到第一界面膠結(jié)質(zhì)量好時(shí)，理論接收到的套管波幅度與水泥石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系的計(jì)算式：

式中m、n、c均為定值。

因此，套管波幅度只與低密度水泥石抗壓強(qiáng)度有關(guān)。在測(cè)井時(shí)，如果通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)知道水泥石的抗壓強(qiáng)度，就可以計(jì)算出第一界面膠結(jié)良好時(shí)理論接收到的套管波幅度值。

3.3 固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法改進(jìn)

聲幅測(cè)井一般采用聲波相對(duì)幅度法和水泥膠結(jié)指數(shù)法來(lái)判定固井質(zhì)量，本文針對(duì)聲波相對(duì)幅度法提出改進(jìn)措施。

聲波相對(duì)幅度法：

式中Af為相對(duì)幅度，%；A為目的井段套管波首波幅度值，m V；Ao為自由套管井段的套管波首波幅度值，m V。

其常規(guī)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為［10］：Af≤10%為水泥膠結(jié)良好，10%＜Af≤30%為水泥膠結(jié)中等，Af＞30%時(shí)為水泥膠結(jié)差（此標(biāo)準(zhǔn)僅供參考，具體標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)各油田實(shí)際情況而定）。

以Af1和Af2分別表示低密度水泥石和常規(guī)密度水泥石第一界面膠結(jié)良好時(shí)的理論相對(duì)幅值，由式（5）、（6）可以分別計(jì)算得出。由于低密度水泥石的聲阻抗值要小于常規(guī)密度水泥石，聲耦合差，造成其聲幅值要更高，故Af1大于Af2。定義基于水泥石抗壓強(qiáng)度的低密度聲波幅度增大系數(shù)為l，即

由此，可以通過(guò)求得l（l＞1）來(lái)改進(jìn)低密度固井質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。假定低密度水泥漿體系固井后測(cè)得的實(shí)際相對(duì)幅值為Af，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)就改變?yōu)椋篈f≤10%×l為水泥膠結(jié)良好，10%×l≤Af≤30%×l為水泥膠結(jié)中等，Af＞30%×l時(shí)為水泥膠結(jié)差。

4 結(jié)論

通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)研究得出以下主要結(jié)論：

1）對(duì)于漂珠微硅復(fù)合低密度水泥、微硅低密度水泥和粉煤灰低密度水泥等低密度水泥漿體系來(lái)說(shuō)，水泥石抗壓強(qiáng)度與聲阻抗值有良好的線性關(guān)系。

2）運(yùn)用幾何聲學(xué)理論分析及實(shí)驗(yàn)得到的規(guī)律，考慮第一界面膠結(jié)良好時(shí)，測(cè)井接收到的套管波幅度大小取決于水泥環(huán)的聲阻抗值大小，得出了本實(shí)驗(yàn)條件下基于抗壓強(qiáng)度的低密度水泥漿體系套管波聲幅值計(jì)算公式。

3）提出了基于水泥石的抗壓強(qiáng)度的低密度水泥漿體系第一界面固井質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)措施，為全面改進(jìn)低密度水泥漿體系固井質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

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Improvement on the cementing quality assessment method for light－weight cement sheaths

Luo Yong1，Song Wenyu2，Bu Yuhuan2，Wang Meijie2
（1.CNOOC（Shanghai）Company，Shanghai 200030，China；2.School of Petroleum Engineering，China U－niversity of Petroleum，Qingdao，Shandong 266580，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.59－62，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Light－weight liquid cement systems are frequently adopted in the well cementing process in order to prevent low－pressure，mud loss－prone formations from developing cementing fluid loss and to protect oil／gas－bearing formations effectively.The lightening admixture used in a light－weight liquid cement system contributes to the acoustic impedance difference between its cement sheath and normal－weight cement sheath.Therefore，if the cementing quality assessment method for a normal－weight sheath is adopted in a light－weight liquid cement system，the accuracy and reliability of the assessment results will be in doubt.In this paper，compressive strength ＆acoustic impedance tests were conducted on the cement stone of three common types of light－weight liquid cement systems to determine the compressive strength and acoustic impedance after 24 hours and 48 hours of curing，respectively.As shown from the test results，the compressive strength and acoustic impedance of the light－weight cement stone of different types and weight had a good linear relationship under 24－h(huán)our and 48－h(huán)our curing conditions.Therefore，an equation was developed for calculating the compressive strength－based acoustic amplitude of casing waves of a light－weight liquid cement system in times of favorable cementation of the first interface.After that，based on the compressive strength of light－weight cement stone，an improvement method used for light－weight well cementing quality assessment was thus suggested.This lays a foundation for improving the cementing quality standard of a light－weight liquid cement system.

compressive strength，acoustic impedance，light－weight，cementing quality assessment，first interface

羅勇等.低密度水泥固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的改進(jìn).天然氣工業(yè)，2012，32（10）：59－62.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.014

羅勇，1965年生，高級(jí)工程師；從事海洋石油鉆井、完井作業(yè)。地址：（200030）上海市零陵路583號(hào)海洋石油大廈2821室。電話：13311636615。E－mail：luoyong＠cnooc.com.cn

（修改回稿日期 2012－07－11 編輯 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.014

Luo Yong，senior engineer，born in 1965，is mainly engaged in offshore oil drilling and completion work.

Add：Room 2821，Haiyang Shiyou（CNOOC）Building，No.583，Lingling Rd.，Shanghai 200030，P.R.China

E－mail：luoyong＠cnooc.com.cn