低密度水泥固井質(zhì)量評價方法的改進(jìn)

羅勇 宋文宇 步玉環(huán) 王美潔

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

低密度水泥固井質(zhì)量評價方法的改進(jìn)

羅勇1宋文宇2步玉環(huán)2王美潔2

1.中海石油（中國）有限公司上海分公司 2.中國石油大學(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油氣層，固井過程中經(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)量評價標(biāo)準(zhǔn)來評價低密度水泥漿體系的固井質(zhì)量，則其真實可靠性存在問題。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度與聲阻抗實驗，分別測定了水泥石養(yǎng)護時間24 h和48 h的抗壓強度和聲阻抗值。結(jié)果表明，不同類型不同密度的低密度水泥石24 h和48 h條件下的抗壓強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，基于抗壓強度的低密度水泥漿體系套管波聲幅值計算公式，進(jìn)而提出了基于低密度水泥石抗壓強度的低密度固井質(zhì)量評價的改進(jìn)方法，為全面改進(jìn)低密度水泥漿體系固井質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

抗壓強度 聲阻抗 低密度 固井質(zhì)量評價 評價標(biāo)準(zhǔn) 第一界面

用低密度水泥固井時，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)量評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行其固井質(zhì)量的結(jié)果會有所偏差，甚至導(dǎo)致錯誤的評價結(jié)果?，F(xiàn)場的實際應(yīng)用也證明了低密度水泥固井時聲波水泥膠結(jié)測井解釋結(jié)果有時與實際固井質(zhì)量存在不一致的問題［2］。

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

筆者擬通過實驗對比幾種常規(guī)低密度水泥漿的水泥石聲阻抗與抗壓強度關(guān)系，提出基于此關(guān)系的低密度固井質(zhì)量評價的一種改進(jìn)方法。

1 實驗配方及操作流程

1.1 實驗配方

實驗主要是針對于現(xiàn)場常用的漂珠微硅復(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)行實驗研究。實驗中采用的低密度水泥漿體系的配方如表1～3所示。

1.2 實驗流程

1）將每種類型低密度水泥漿配備兩組，倒入模具中，放入75℃常壓養(yǎng)護釜內(nèi)養(yǎng)護，一組養(yǎng)護24 h，一組養(yǎng)護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試儀（中國揚州）測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型壓力試驗機（無錫建筑材料儀器機械廠）測出水泥石的抗壓強度。

2 不同體系配方下水泥石抗壓強度與聲阻抗關(guān)系

2.1 各種配方條件下各自抗壓強度和聲阻抗的關(guān)系

對3種配方的抗壓強度和聲阻抗進(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度呈良好的線性關(guān)系，且聲阻抗隨著抗壓強度的增大而增大。

圖1 漂珠微硅復(fù)合低密度水泥漿聲阻抗與抗壓強度關(guān)系圖

圖2 粉煤灰低密度水泥漿聲阻抗與抗壓強度關(guān)系圖

圖3 微硅低密度水泥漿聲阻抗與抗壓強度關(guān)系圖

2）隨著養(yǎng)護時間的增加，水泥石48 h的抗壓強度和聲阻抗均大于24 h的抗壓強度和聲阻抗，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度與聲阻抗對應(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度仍然有良好的線性關(guān)系。對24 h和48 h的3種低密度水泥石抗壓強度和聲阻抗曲線進(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為水泥石抗壓強度，MPa。

因此，按照式（1）、（2）可根據(jù)測井曲線求出水泥石聲阻抗值，進(jìn)而估算出井內(nèi)水泥石抗壓強度，作為評價固井質(zhì)量的指標(biāo)之一。同時也可以根據(jù)實驗室模擬井下條件或者根據(jù)經(jīng)驗方法，測得水泥石抗壓強度，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)量評價改進(jìn)方法。

3 低密度水泥固井質(zhì)量評價改進(jìn)方法

3.1 理論分析

套管波用來評價固井第一界面膠結(jié)質(zhì)量，套管波的聲強（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)對聲波的吸收衰減時，接收到的套管波聲強（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)量評價標(biāo)準(zhǔn)時，假設(shè)鉆井液和套管為固定材料且套管為固定型號，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，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得到的套管波幅度要大于用常規(guī)密度固井時的套管波幅度，如果仍用常規(guī)密度水泥固井時的評價標(biāo)準(zhǔn)去評價低密度固井質(zhì)量時，會出現(xiàn)偏差，因此需要對固井質(zhì)量評價方法進(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)好時的理論聲幅值。

3.2 基于低密度水泥石抗壓強度的套管波幅度計算方法

由于現(xiàn)場評價固井質(zhì)量時采用的測井時間為24 h，在此采用式（1）來求取水泥環(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，理論接收到的套管波幅度與水泥石抗壓強度的關(guān)系的計算式：

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度有關(guān)。在測井時，如果通過室內(nèi)實驗知道水泥石的抗壓強度，就可以計算出第一界面膠結(jié)良好時理論接收到的套管波幅度值。

3.3 固井質(zhì)量評價方法改進(jìn)

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

聲波相對幅度法：

式中Af為相對幅度，%；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)評價標(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)良好時的理論相對幅值，由式（5）、（6）可以分別計算得出。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度的低密度聲波幅度增大系數(shù)為l，即

由此，可以通過求得l（l＞1）來改進(jìn)低密度固井質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)。假定低密度水泥漿體系固井后測得的實際相對幅值為Af，其評價標(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時為水泥膠結(jié)差。

4 結(jié)論

通過理論分析、實驗研究得出以下主要結(jié)論：

1）對于漂珠微硅復(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說，水泥石抗壓強度與聲阻抗值有良好的線性關(guān)系。

2）運用幾何聲學(xué)理論分析及實驗得到的規(guī)律，考慮第一界面膠結(jié)良好時，測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，得出了本實驗條件下基于抗壓強度的低密度水泥漿體系套管波聲幅值計算公式。

3）提出了基于水泥石的抗壓強度的低密度水泥漿體系第一界面固井質(zhì)量評價標(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)量評價標(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)量評價方法的改進(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