水泥環水力封隔能力與膠結指數的關系研究

蘆慶成

（大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶163411）

固井的主要目的之一是封隔地層[1]。目前，現場主要采用聲波膠結測井來評價固井質量，另外針對特殊井，采用生產測井和水力測試等方法對水泥環的封隔情況進行評價。通過這2類不同的檢測方法，得到2種不同的固井質量，分別是固井檢測質量和水泥環的封固質量。通常所指的固井質量是能代表水泥環封隔能力的封固質量。現場一般用聲變測井圖及其評價標準來確定一口井的固井質量，固井質量可劃分為優質、合格與不合格3種[2]。另外，水泥環的封固質量通常指發生層間竄的幾率，一般分為不竄、不竄的可能性大、竄通的可能性大、竄通[3]。

聲波膠結測井檢測結果是評價固井質量簡單有效的方法，但其影響因素較多，不應成為檢測固井質量的唯一方法。在《SY/T6592固井質量評價方法》標準中給出了水泥膠結評價的指標[4]，但注明了“延時聲波變密度測井除外”，為了對延時測井條件下的固井質量進行評價，本文通過室內模擬評價實驗，建立了延時測井條件下膠結指數與水力封隔能力的關系，通過現場聲波膠結測井得到的膠結指數，結合封隔段的長度，從而可以判斷其封隔能力。

1 固井水泥環模擬方法研究及模擬裝置的建立

室內建立了套管井模型井模擬裝置[5]，如圖1所示，該裝置可模擬水泥環所處的井下環境，包括溫度、地層以及地層流體。在該裝置的基礎上，建立了聲波膠結測井系統，可對不同水泥環膠結狀態進行聲波測井；同時建立了驗竄系統，可對不同長度的水泥環水力封隔能力進行檢測。在同一套模擬裝置上建立了2套評價系統，為建立室內模擬條件下的測井檢測膠結質量與水泥環水力封隔能力的關系奠定基礎。

2 模擬實驗研究

圖1 室內套管井模型井模擬裝置

現場測井資料顯示，對砂巖和泥巖地層進行聲波膠結測井時，固井檢測質量產生了較大差別，砂巖井段膠結測井的質量遠比泥頁巖井段差。為了在室內建立測井檢測質量與封固質量的關系，應用室內建立的模擬方法、模擬裝置及評價方法，分別對泥巖層和砂巖層進行了模擬實驗。模擬裝置采用水浴養護，養護條件為45℃，常壓。

2.1 泥巖層模擬實驗

首先對泥巖層固井質量的延時變化情況進行了探索。對理想頂替的泥巖層和頂替不良的泥巖層進行了模擬實驗。

針對理想頂替的泥巖層，室內采用花崗巖進行模擬，模擬泥巖層的滲透率小于1×10-3μm2。圖2中給出了理想頂替情況下泥巖層膠結指數（BI值）變化趨勢。從圖2可以看出，延時測井條件下，固井檢測質量延時不變差，且15d固井質量為優質。在測井試驗結束后，對理想頂替下的泥巖層進行了驗竄實驗，在該條件下0.2m的泥巖層即可保證15MPa不竄。

當Ⅰ界面頂替不凈時，在Ⅰ界面存在一層泥漿膜，厚度大約為1mm。在該條件下，15d聲波膠結測井檢測BI=0.2，處于不合格狀態。如圖3所示。而且在延時條件下，BI值的變化不大。因此，2d的測井檢測結果可以代表15d的檢測結果。

圖2 理想頂替泥巖層BI值延時變化趨勢

圖3 隔層頂替不凈條件下BI值延時變化趨勢

在對頂替不良的泥巖層進行驗竄時，0.4m的抗竄壓力為0.8MPa。說明，此時雖然BI值低，但對于隔層，還是具備一定的封竄能力的。如果隔層足夠長，則可滿足開發的要求。

從對不同頂替條件下泥巖層的模擬實驗可以看出，延時測井的條件對于泥巖層的影響相對較小。2d與15d所檢測的固井質量基本一致。頂替效率對泥巖層的固井質量影響較大。在理想頂替與填充的情況下，泥巖層具有較高的水力封隔能力。

2.2 砂巖層模擬實驗

根據以往的經驗，采用Ⅱ界面不同厚度泥餅對砂巖地層的滲透性進行模擬。分別對低滲透砂巖，地層滲透率（1～300）×10-3μm2，中滲透性砂巖，地層滲透率（300～1000）×10-3μm2，高滲透性砂巖，地層滲透率（1000～6000）×10-3μm2，超高滲透性砂巖，地層滲透率大于6000×10-3μm2，膠結指數隨時間延長的變化曲線如圖4所示。

圖4 模擬砂巖膠結指數延時變化趨勢

在水泥環Ⅰ界面的均勻膠結狀態下，驗竄過程可以看作是流體沿界面單向直線流動，并定義了抗竄壓差梯度這一參數對水泥環的水力封隔能力給出評價。所謂抗竄壓差梯度即單位長度上的抗竄壓差，用Pm表示。

式中：Pm——抗竄壓差梯度，MPa；

ΔP——抗竄壓差，MPa；

L——水泥環長度，m。

抗竄壓差梯度應用的前提條件是水泥環均勻填充環空，此時水泥環抗竄壓差與長度成正比。

（1）對于低滲透砂巖，Ⅱ界面形成薄泥餅，泥餅厚度約為1mm。在Ⅱ界面存在1mm泥餅時，2d時BI值達到最高點1.0，但隨后BI值有所降低，15d的BI值為0.82，固井質量仍可達優質。抗竄壓差梯度為25MPa/m。

（2）對于中高滲透性地層，Ⅱ界面形成較厚的泥餅，泥餅厚度約為2～4mm。當Ⅱ界面泥餅厚度為2mm時，BI值的延時變差程度被大大加強，2d時BI＞0.8，固井質量處于優質狀態，而在3d時BI突然下降，3d以后BI值趨于穩定，至15d時，BI=0.5，處于合格狀態。實驗抗竄壓差梯度Pm為6MPa/m，BI=0.5時，當封隔長度大于2.5m時，水泥環的水力封隔能力才能達到15MPa。

（3）對于中高滲透性地層，當Ⅱ界面泥餅厚度為4mm時，2d時BI值接近于0.8，15dBI值為0.41，處于合格狀態。15d與2d相比，BI值變化幅度為0.38。由2～3d的過程中BI值變化較平緩，3d后BI值逐步降低，固井質量漸漸變差，與現場所測的規律基本相同。這說明該模擬條件與現場條件較為相似。因此，對于不同水泥漿體系的評價均采用Ⅱ界面存在4mm泥餅條件下的滲透層進行模擬。抗竄壓差梯度Pm為3.0MPa/m。當滲透層長度大于5.0m時，水泥環的水力封隔能力可達到15MPa。

（4）對于超高滲透性地層，在不發生滲漏的情況下，Ⅱ界面形成厚泥餅，或沖洗、頂替效果不好，有虛泥餅存在時，Ⅱ界面泥餅厚度可達到10mm以上。當泥餅厚度達到10mm時，2d的測井結果即表現為合格，說明，當地層滲透率不斷增大，在不出現漏的情況時，泥餅的厚度會不斷地增大。或者滲透層有虛泥餅大量滯留時，已經不能很好保證2d的膠結質量。抗竄壓差梯度Pm=2.5MPa/m，此時滲透層的長度大于6.0m時，水泥環的水力封隔能力才能達到15MPa。

通過對不同膠結指數的模擬實驗，實驗數據如表1所示，可以看出在延時測井條件下，隨著膠結指數的增大，抗竄壓差梯度也在增大，兩者存在一定的關系。但同時也可以看出，在延時測井條件下，對于高滲層，固井質量延時變差。

表1 不同膠結指數模擬實驗數據表

3 實驗規律研究

在室內模擬實驗的基礎上，建立了延時測井條件下固井檢測質量與封固質量的關系，即BI值與Pm的關系。經線性回歸可得到的關系方程為：

式中：Pm——抗竄壓差梯度，MPa/m；

BI——膠結指數。

從該關系中可以看出：隨BI值的增大，水泥環的水力封隔能力增強。另外，當BI值小于0.8時，若水泥環達到一定的長度，根據層間壓差的情況，也可滿足開發的要求。也就是說，在延時測井條件下，水泥環均勻填充環空時，可以利用聲波檢測膠結指數來計算抗竄壓差梯度，并進一步對水泥環的水力封隔能力給出評價。

這里所指的最小有效封隔長度是指不同檢測膠結指數時，封住15MPa時所需的最小長度。而在現場可以利用單井層間壓差與現場檢測的膠結指數，計算得出最小有效封隔長度，更符合現場實際。

式中：Lmin——最小有效封隔長，m。

BI——膠結指數。

隨BI值的增大，最小有效封隔長度減小。在15MPa壓差下，BI=1.0時的最小有效封隔長度為0.2m。若BI值下降，則可以通過膠結段的長度對水泥環的水力封隔能力進行補償，例如當BI=0.6時，利用公式（3）計算出Lmin=1.82m，如果膠結井段的長度大于1.82m，則可以保證層間的有效封隔，從而可以進行開發。

4 結論

（1）建立的模擬裝置以及水泥環封固質量評價方法能夠進行水泥環的封固質量的評價。對于泥巖層，延時測井條件下固井質量不變差；對于砂巖層，延時測井條件下固井質量變差，BI值降低的同時，水泥環的水力封隔能力也下降。

（2）延時測井條件下固井檢測質量與封固質量的關系可應用于固井質量的評價，對開發方案的設計提供技術支持。

（3）所建立的膠結指數與水泥環封隔能力的關系證明適用于正常密度水泥漿（1.90g/cm3）,其他水泥漿體系，其適用性有待進一步探索研究。

[1] 劉繼生，曾桂紅，謝榮華，等.固井形成的水力封隔系統封隔能力評價方法[J].測井技術，2006，30（1）：94-96.

[2] 張子橋.探井固井技術研究[R].中國石油學會東部油田鉆井新技術研討，2005.

[3] 楊智光.固井封固理論與應用技術[D].大慶石油學院碩士論文，2007.

[4]SY/T6592固井質量評價方法[S].

[5] 王歡，楊秀天，侯力偉，等.室內模擬固井質量評價的方法[C]//2014年度黑龍江省石油學會論文集.