井溫測(cè)井在檢測(cè)砂巖型地浸工藝孔固井質(zhì)量上的應(yīng)用

史貴兵+李喜彬

摘 要：隨著我國(guó)地浸采鈾技術(shù)的蓬勃發(fā)展，有關(guān)單位探采一體化也不斷深入和發(fā)展，對(duì)于一些地浸條件較好且已探明的鈾礦，近幾年進(jìn)行了大量的地浸采鈾生產(chǎn)試驗(yàn)。其中，固井質(zhì)量對(duì)于保證地浸工藝孔的質(zhì)量，進(jìn)而保證鈾礦的順利生產(chǎn)非常重要。在固井過(guò)程中，水泥固結(jié)會(huì)釋放出大量的熱，因此，溫度可以作為固井檢測(cè)的基本物理參數(shù)，來(lái)確定固井的質(zhì)量。本文以巴彥烏拉鈾礦山的地浸工藝孔為研究對(duì)象，闡述了井溫測(cè)井檢測(cè)水泥固井質(zhì)量的理論依據(jù)，分析了井溫測(cè)井曲線的特征，總結(jié)了依據(jù)井溫曲線對(duì)固井質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)的解釋方法，大量的鉆孔試驗(yàn)測(cè)井證實(shí)了井溫測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)可以作為地浸砂巖型鈾礦工藝孔固井質(zhì)量檢測(cè)的基本依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地浸工藝孔；固井質(zhì)量；井溫測(cè)井

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.008

1 引言

隨著我國(guó)地浸采鈾技術(shù)的蓬勃發(fā)展，有關(guān)單位探采一體化也不斷深入和發(fā)展，對(duì)于一些地浸條件較好且已探明的鈾礦，近幾年進(jìn)行了大量的地浸采鈾生產(chǎn)試驗(yàn)。其中，固井質(zhì)量對(duì)于保證地浸工藝孔的質(zhì)量，進(jìn)而保證鈾礦的順利生產(chǎn)非常重要。

在石油勘探的鉆孔施工過(guò)程中，水泥漿通過(guò)套管被注入井下，到達(dá)井底后沿套管和地層間的環(huán)空上返，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，水泥凝固，形成水泥環(huán)，這就是固井。固井質(zhì)量對(duì)于保護(hù)油氣層和油氣勘探開發(fā)安全，保證油氣井生產(chǎn)壽命和油氣田的勘探開發(fā)效益與產(chǎn)能建設(shè)等，具有十分重要的意義，因而固井質(zhì)量評(píng)價(jià)測(cè)井被廣泛應(yīng)用于油氣勘探開發(fā)中。其檢測(cè)的主要目的是：水泥環(huán)是否形成了足夠的剪切膠結(jié)力和水力膠結(jié)力。目前采取的測(cè)井方法主要有：水泥膠結(jié)測(cè)井CBL、水泥評(píng)價(jià)測(cè)井CET和方位聲波成像測(cè)井SBT[1]。

用于砂巖型鈾礦開采的地浸工藝孔固井，測(cè)井的目的與方法皆不同于油氣勘探開發(fā)中的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)測(cè)井方法。固井測(cè)井的主要目的是確定水泥凝固后一定時(shí)間內(nèi)工藝孔的固井水泥下界面以及有無(wú)混漿段存在[2]。

另外，固井質(zhì)量檢測(cè)是鈾礦工藝井“成井工序”（鉆機(jī)活塞注清水聯(lián)動(dòng)洗孔和空壓機(jī)洗孔，洗井至水清砂凈且水量達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行成井質(zhì)量檢查測(cè)井并驗(yàn)收）生產(chǎn)前的必要步驟，一是可以確定沉砂的高度，為下一步工序（拉活塞）提供參考數(shù)據(jù)；二是可以判別水泥是否進(jìn)入到過(guò)濾管中（在設(shè)計(jì)水泥下界面附近無(wú)明顯溫度變化，溫度變化拐點(diǎn)出現(xiàn)在設(shè)計(jì)過(guò)濾管段），從而及時(shí)作出補(bǔ)救措施。

2 地浸工藝孔結(jié)構(gòu)及固井質(zhì)量檢測(cè)原理

鈾礦地浸工藝孔的結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。從圖中可以看出，PVC井管外從孔口至水泥下界面之間為水泥環(huán)，之下依次是2m厚的細(xì)粒石英砂、粗粒石英砂（過(guò)濾管段）和隔水層（沉砂管段）。根據(jù)水泥凝固過(guò)程中在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)散發(fā)熱量的特性，采用溫度測(cè)井理論上能根據(jù)溫度曲線的變化情況確定水泥下界面的的位置以及判斷是否存在混漿段。所謂混漿段，僅出現(xiàn)在水泥環(huán)段，注漿過(guò)程中因壓力控制不精確造成的水、泥、砂和水泥的混合段，理論上會(huì)因發(fā)熱量小于純粹水泥環(huán)而使井溫曲線出現(xiàn)起伏波動(dòng)，檢測(cè)這些溫度波動(dòng)或異常，可以用來(lái)確定固井的質(zhì)量。

3 井溫測(cè)井曲線特征

根據(jù)井溫測(cè)井的原理[4]，參照工藝孔的結(jié)構(gòu)（圖1），在水泥下界面附近井溫應(yīng)會(huì)發(fā)生降低現(xiàn)象。在水泥下界面以上至孔口，由于PVC套管外有水泥環(huán)，根據(jù)水泥凝固放熱的特性，理論上井溫應(yīng)變化不大，僅在近地表約10米深度范圍內(nèi)，井溫受環(huán)境溫度的影響會(huì)發(fā)生變化。實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行井溫測(cè)井時(shí)，由于未進(jìn)行拉活塞工序，井液主要為外界地表水或泥漿（液面位置高于等于靜水位位置，范圍為1.4～25.4m，平均10.5m），其影響了液面以下井溫的背景值。在井溫探管進(jìn)入井液之前，測(cè)量的井溫受外熱層影響較大，因此工藝孔的井溫在井液液面部位應(yīng)會(huì)發(fā)生明顯變化。經(jīng)整理歸納，研究區(qū)內(nèi)工藝孔的井溫曲線根據(jù)其在井液液面位置的溫度變化情況可分為5種形態(tài)：（a）明顯降低型、（b）小幅降低型、（c）小幅升高型、（d）明顯升高型、（e）變化不明顯型；根據(jù)其在設(shè)計(jì)水泥下界面附近的溫度降低情況可分為3種形態(tài)：（f）快速降低型、（g）緩慢降低型、（h）變化不明顯型（圖2）。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，180個(gè)工藝孔的井溫測(cè)井曲線中，a類型137個(gè)，b類型13個(gè)，c類型15個(gè)，d類型10個(gè)，e類型5個(gè)。分析這些溫度測(cè)井曲線的形態(tài)，其主要影響因素可能是井溫測(cè)井時(shí)地表環(huán)境溫度（晝夜變化、季節(jié)變化等）影響了井液液面位置的溫度變化，進(jìn)而造成了井溫曲線的多形態(tài)化，不過(guò)對(duì)工藝孔成建井的質(zhì)量并無(wú)影響。

另外，f、g、h三種形態(tài)對(duì)于確定水泥下界面的位置影響較大。首先，在設(shè)計(jì)的水泥下界面附近井溫發(fā)生了降低現(xiàn)象，說(shuō)明與理論符合，可以根據(jù)井溫測(cè)井確定水泥下界面位置；其次，井溫曲線在設(shè)計(jì)水泥下界面附近的形態(tài)變化可以確定采取什么方法或準(zhǔn)則確定水泥下界面。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，有174個(gè)工藝孔在水泥下界面附近的溫度發(fā)生了降低現(xiàn)象（f和g形態(tài)），水泥下界面附近拐點(diǎn)的溫度一般為14～22℃，過(guò)濾管與沉砂管部位對(duì)應(yīng)的溫度一般為5～13℃（80%在7～8℃），存在較大的溫度差異，說(shuō)明可以在采用溫度測(cè)井的基礎(chǔ)上通過(guò)合適的方法確定水泥下界面。h形態(tài)的工藝孔僅有6個(gè)，其井溫曲線在理論水泥下界面附近較平直，基本無(wú)溫度變化，無(wú)法僅憑井溫測(cè)井資料確定水泥下界面。經(jīng)了解實(shí)際情況后分析其原因，一是施工這些工藝孔的機(jī)臺(tái)的整體施工水平相對(duì)較低，其在固井環(huán)節(jié)，從水泥注漿到注漿結(jié)束的時(shí)間較長(zhǎng)，加上注漿完成后等待水泥冷卻的時(shí)間超過(guò)了24小時(shí)，錯(cuò)過(guò)了水泥發(fā)熱的最佳時(shí)機(jī)，尤其是水泥下界面部位水泥冷卻時(shí)間最長(zhǎng)，進(jìn)行溫度測(cè)井時(shí)，該部位可能已經(jīng)停止發(fā)熱；二是這些鉆孔在進(jìn)行溫度測(cè)井時(shí)井液中含有大量泥砂，嚴(yán)重影響了溫度測(cè)井的準(zhǔn)確性。說(shuō)明是施工的原因?qū)е铝藷o(wú)法通過(guò)井溫測(cè)井確定水泥下界面的個(gè)例。

在井液液面以上至孔口以及井液液面以下至水泥下界面部位，理想情況下，如固井質(zhì)量好，井溫曲線應(yīng)較平滑；如存在混漿段（僅出現(xiàn)在水泥環(huán)段，注漿過(guò)程中因壓力控制不精確造成的水、泥、砂和水泥的混合段），理論上會(huì)因發(fā)熱量小于純粹水泥環(huán)而使井溫曲線出現(xiàn)起伏波動(dòng)。因此，井溫測(cè)井曲線的起伏形態(tài)理論上應(yīng)能達(dá)到固井測(cè)井的另一目的：確定是否存在混漿段，進(jìn)而評(píng)判固井質(zhì)量。

研究中統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，井溫測(cè)井曲線的起伏情況與工藝孔最終的質(zhì)量情況對(duì)比如下：井溫曲線形態(tài)較為平滑（溫度變化?。┑墓に嚳變H占約33.89%，多數(shù)工藝孔井液液面以下水泥下界面以上部位的溫度（無(wú)混漿段存在）都存在一定的起伏變化（圖2）。首先，質(zhì)量相對(duì)較好的125個(gè)工藝孔不存在混漿段，質(zhì)量相對(duì)較差的55個(gè)工藝孔中有47個(gè)工藝孔存在混漿段，說(shuō)明是否存在混漿段是判斷工藝孔質(zhì)量好壞的一個(gè)重要標(biāo)志；其次，在質(zhì)量相對(duì)較好的工藝孔中，井溫曲線起伏較小的工藝孔所占比例只有40.56%，質(zhì)量相對(duì)較差的工藝孔中，也存在井溫曲線起伏較小的情況，所占比例為5.00%。所有鉆孔的井溫曲線中，起伏較大的鉆孔所占比例達(dá)到了54.44%，說(shuō)明井溫曲線的起伏情況不能作為判斷工藝孔固井質(zhì)量好壞的依據(jù)。經(jīng)過(guò)分析與對(duì)比，認(rèn)為主要原因有二：一是當(dāng)井徑不同時(shí)（砂巖層會(huì)出現(xiàn)因塌陷而擴(kuò)大，泥巖層會(huì)出現(xiàn)因遇水而縮徑的情況）水泥量會(huì)有所不同，從而導(dǎo)致井溫曲線有一定起伏；二是即使井徑完全相同，也會(huì)存在因水泥攪拌不均勻和注壓不均勻而導(dǎo)致溫度曲線起伏的情況。

4 固井水泥下界面檢測(cè)方法

針對(duì)井溫測(cè)井曲線在設(shè)計(jì)水泥下界面附近表現(xiàn)出的快速與緩慢降低情況，實(shí)際井溫測(cè)井研究中，水泥下界面的確定主要通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)：①當(dāng)水泥下界面附近的溫度變化過(guò)程相對(duì)較短時(shí)（快速降低型），根據(jù)設(shè)計(jì)水泥下界面附近溫度變化的拐點(diǎn)（即拐點(diǎn)法）判定水泥下界面的位置；②當(dāng)水泥下界面附近的溫度變化過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)（緩慢降低型），根據(jù)設(shè)計(jì)水泥下界面附近溫度變化的半幅點(diǎn)（即半幅點(diǎn)法）判定水泥下界面的位置。圖3和4分別是根據(jù)井溫測(cè)井曲線設(shè)計(jì)水泥下界面附近拐點(diǎn)和異常半幅點(diǎn)解釋水泥下界面的典型類型。

5 結(jié)論與建議

本文從原理和實(shí)際測(cè)井效果分析，認(rèn)為井溫測(cè)井是檢測(cè)固井水泥下界面的適宜測(cè)井方法，且找到了確定水泥下界面的方法，主要結(jié)論如下：

（1）盡管受地表環(huán)境溫度的影響，工藝孔的井溫會(huì)在井液液面位置發(fā)生相對(duì)較大的變化，但并不影響固井質(zhì)量。由于受井徑不同或水泥攪拌不均勻、注壓不均勻等因素影響會(huì)導(dǎo)致工藝孔井液液面以下水泥下界面以上的井溫曲線出現(xiàn)起伏情況，但96.7%的工藝孔的井溫在水泥下界面發(fā)生了較為明顯的降低現(xiàn)象，說(shuō)明通過(guò)井溫測(cè)井用于確定固井水泥下界面是有效的。

（2）水泥下界面的確定方法與設(shè)計(jì)水泥下界面附近井溫從較高降低到相對(duì)平穩(wěn)過(guò)程所對(duì)應(yīng)的垂直深度有關(guān)。垂直深度較大時(shí)宜用半幅點(diǎn)法確定水泥下界面，較小時(shí)宜用拐點(diǎn)法確定水泥下界面。

（3）從圖3和4中可發(fā)現(xiàn)，在根據(jù)拐點(diǎn)法和半幅點(diǎn)法解釋出的水泥下界面位置，密度和聲波時(shí)差曲線都有明顯反應(yīng)，主要表現(xiàn)在聲波時(shí)差數(shù)值會(huì)升高，密度值一般會(huì)降低，規(guī)律性較強(qiáng)。建議在測(cè)井檢測(cè)過(guò)程中綜合密度、聲波時(shí)差資料綜合確定水泥下界面的位置，以避免出現(xiàn)因施工質(zhì)量等原因?qū)е碌木疁厍€在水泥下界面附近溫度變化不明顯，不易直接通過(guò)井溫測(cè)井資料確定水泥下界面的情況。

（4）井溫測(cè)井能達(dá)到解釋固井水泥下界面的目的，不能進(jìn)行混漿段的組成或成分確定。井溫曲線的波動(dòng)起伏情況不能作為判定工藝孔質(zhì)量較差的依據(jù)，應(yīng)該尋找其他方法來(lái)確定混漿段的成分。

參考文獻(xiàn)：

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