固井水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量檢測與評價技術(shù)研究

武治強 許明標 劉書杰 周建良

(中海油研究總院， 北京 100028)

固井水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量檢測與評價技術(shù)研究

武治強 許明標 劉書杰 周建良

(中海油研究總院， 北京 100028)

基于聲波測井原理，進行固井水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量檢測方法研究。制作了不同環(huán)空間隙、膠結(jié)情況的介質(zhì)模型，分析測井CBL值與套管波首波聲幅幅值的關(guān)系；通過套管波首波聲幅幅值預(yù)測水泥環(huán)環(huán)空間隙和膠結(jié)強度，探討水泥環(huán)室內(nèi)膠結(jié)質(zhì)量評價方法。

固井； 水泥環(huán)； 膠結(jié)質(zhì)量； 聲幅幅值； 質(zhì)量檢測

固井是鉆完井作業(yè)過程中的一項重要環(huán)節(jié)，是隔離油氣水層、建立油氣流出通道、防止產(chǎn)層間互竄的主要手段。固井質(zhì)量評價對于油氣田勘探開發(fā)具有十分重要的意義。

聲波測井是當前評價固井質(zhì)量的主要方法之一。如果套管和水泥環(huán)膠結(jié)良好，套管波幅度就低；反之則聲波幅度較高[1-3]。由于水泥環(huán)與套管、地層的膠結(jié)情況存在差異，使得快速實現(xiàn)固井水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評價，成為目前固井質(zhì)量評價中的一項重要難題[4-5]。

本次研究中，提出一種基于聲波測井技術(shù)的固井質(zhì)量評價方法。制作了不同環(huán)空間隙、膠結(jié)情況的介質(zhì)模型，運用模型分析測井CBL值與套管波首波聲幅幅值之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并通過套管波首波聲幅幅值預(yù)測水泥環(huán)環(huán)空間隙和膠結(jié)強度。

1 固井膠結(jié)質(zhì)量室內(nèi)檢測與評價

1.1 試驗設(shè)備

試驗中，將CTS-8077PR型脈沖發(fā)生接收儀與數(shù)字示波器組合成超聲探頭，進行聲學(xué)特性評價和性能指標測試。用“一發(fā)一收”的聲波探頭來模擬實際聲幅測井，探頭頻率為18 kHz左右，與實際生產(chǎn)中所用探頭頻率接近[6-7]。

將高速瞬態(tài)信號采集儀與電腦相連接，通過高速瞬態(tài)信號采集儀專用軟件完成對接收信號的采集工作。在設(shè)備聲幅測井過程中，室內(nèi)接收器依次得到的波是套管波、地層波、水泥環(huán)波和泥漿波。圖1所示為室內(nèi)設(shè)備聲幅測井示意圖。

圖1 室內(nèi)設(shè)備聲幅測井原理

根據(jù)幾何聲學(xué)原理，可估算出聲波傳播途徑及套管波、直達波到達時間。通過計算套管波的到達時間，可確定這一時間段內(nèi)聲幅幅值的大小，從而得到套管與水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量檢測結(jié)果。

1.2 介質(zhì)模型

采用內(nèi)徑為121.44 mm的實際套管，將其置于模擬地層中。模擬地層的規(guī)格為：高度1 200.00 mm，外徑500.00 mm，內(nèi)徑215.90 mm，底部封閉。

將水泥漿注入模擬地層與套管之間的環(huán)空中，并將模擬地層置于水中進行養(yǎng)護。

注入水泥漿后，分別觀察其養(yǎng)護24、48、96 h時的變化。將聲波探頭垂直置于充滿水的套管內(nèi)，測量不同時間內(nèi)套管聲波波幅值的大小。

1.3 首波聲幅幅值的測定

根據(jù)現(xiàn)場測井實際情況，對于測井曲線CBL值為5%的井，可判斷其完全膠結(jié)且固井質(zhì)量良好；對于測井曲線CBL值為100%的井，可判斷其為自由套管，管外為水泥膠結(jié)。

通過室內(nèi)自由套管和完全膠結(jié)套管井模型，進行套管波首波波幅幅值測定，并建立其與測井曲線CBL值的對應(yīng)關(guān)系，便可以根據(jù)室內(nèi)測定套管波首波聲幅幅值來評價固井膠結(jié)質(zhì)量。

2 套管首波聲幅幅值與CBL值的對應(yīng)關(guān)系

為了便于對比和分析，建立了室內(nèi)自由套管和完全膠結(jié)套管井模型，分別測試2種條件下的套管波首波聲幅幅值，并進行標定。

首先完成自由套管的模擬聲幅測井工作，測得自由套管條件下的聲波首波值曲線。圖2所示為自由套管條件下測得的聲波首波值曲線。該曲線中波形在188 μs處有明顯振幅，振幅幅度達199.2 mV。

試驗中，對完全膠結(jié)(無間隙)的套管井模型進行模擬聲幅測井，測得套管與水泥環(huán)完全膠結(jié)的聲波首波值曲線。圖3所示為套管與水泥環(huán)完全膠結(jié)時測得的聲波首波值曲線。該曲線中波形在188 μs處有明顯振幅，振幅幅度達50.7 mV。

圖2 自由套管條件下測得的聲波首波值曲線

圖3 套管與水泥環(huán)完全膠結(jié)時測得的聲波首波值曲線

根據(jù)自由套管和完全膠結(jié)套管井所測得聲波幅值與對應(yīng)的CBL值，建立相對聲波幅值與實測聲波幅值的對應(yīng)關(guān)系。圖4所示為實測套管波首波聲幅幅值與CBL值對應(yīng)關(guān)系。

圖4 實測套管波首波聲幅幅值與相對聲波幅值的對應(yīng)關(guān)系

介于自由套管和完全膠結(jié)套管兩者之間的水泥漿膠結(jié)情況，所測得的首波聲幅值只能落在自由套管與完全膠結(jié)套管井模型首波峰值區(qū)間內(nèi)。

3 固井環(huán)空間隙厚度評價

室內(nèi)研究表明，水泥石凝固96 h后，所測得的套管波首波聲幅幅值基本趨于穩(wěn)定。表1所示為實測套管波首波聲幅幅值與環(huán)空間隙厚度對應(yīng)值。

根據(jù)所測試室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，繪制圖5所示套管波首波聲幅幅值與環(huán)空間隙厚度曲線。

對所測數(shù)據(jù)進行線性回歸擬合，可據(jù)擬合方程測算套管波幅值估算環(huán)空間隙的大小。

4 固井水泥環(huán)膠結(jié)強度評價

研究表明，水泥石凝固168 h后，所測得的套管與水泥環(huán)膠結(jié)強度基本趨于穩(wěn)定。表2所示為實測首波幅值與膠結(jié)強度對應(yīng)值。

表1 實測套管波首波聲幅幅值與環(huán)空間隙厚度對應(yīng)值

圖5 實測套管波首波聲幅幅值與環(huán)空間隙厚度對應(yīng)曲線

編號實測套管波首波聲幅幅值∕mV實測膠結(jié)強度∕MPa147.203.07257.202.64364.602.26475.601.97591.101.63696.001.357105.001.078199.200

根據(jù)所測室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，繪制圖6所示實測套管波首波聲幅幅值與膠結(jié)強度對應(yīng)曲線 。

圖6 實測套管波首波聲幅幅值與水泥環(huán)膠結(jié)強度對應(yīng)曲線

對所測數(shù)據(jù)進行線性回歸擬合，可據(jù)擬合方程來測算套管波聲幅幅值，估算套管與水泥環(huán)膠結(jié)強度的大小。

5 固井膠結(jié)質(zhì)量評價

根據(jù)實測套管波首波聲幅幅值與相對聲幅幅值、微間隙厚度和膠結(jié)強度的對應(yīng)關(guān)系，得到了套管波首波聲幅幅值與膠結(jié)質(zhì)量性能評價標準。表3所示為固井膠結(jié)質(zhì)量評價標準。

表3 固井膠結(jié)質(zhì)量評價

根據(jù)該評價標準，可以在室內(nèi)測定特定水泥漿體系凝固后的水泥環(huán)聲幅幅值，以此評價固井水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量，指導(dǎo)現(xiàn)場固井用水泥漿體系的優(yōu)選和評價工作。

6 結(jié) 語

(1) 根據(jù)室內(nèi)測定自由套管和完全膠結(jié)套管井所對應(yīng)的首波波幅幅值，建立了相對聲幅幅值與實測波幅幅值的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系。

(2) 根據(jù)室內(nèi)研究，測定了常規(guī)水泥凝固條件下不同微間隙對應(yīng)的首波聲幅幅值，建立了套管波幅值與環(huán)空間隙厚度之間的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系。

(3) 根據(jù)室內(nèi)研究，測定了常規(guī)水泥凝固條件下不同膠結(jié)類型的實測水泥膠結(jié)強度和首波聲幅幅值，建立了套管波首波聲幅幅值與膠結(jié)強度之間的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系。

(4) 結(jié)合實測套管波首波聲幅幅值與相對聲幅值、微間隙厚度和膠結(jié)強度等參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，探討根據(jù)室內(nèi)測定聲幅幅值評價水泥環(huán)膠結(jié)性能的評價方法。

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Study on Testing Method and Evaluation Technology of Cement Bond Quality of Well Cementation

WUZhiqiangXUMingbiaoLIUShujieZHOUJianliang

(Research Institute of China National Offshore Oilfield Corporation, Beijing 100020, China)

Based on acoustic logging principle, this paper focuses on the research about cement bond quality test method. By making medium model of different annular gap and cement bonding, the connection between CBL value and first acoustic amplitude value of casing is analyzed; prediction of cement annular gap and bond quality performance is carried out with the help of first acoustic amplitude value of casing, to discuss the evaluation method of indoor cement sheath bonding quality.

cement; cement sheath; bond quality; amplitude value; quality inspection

2017-02-09

中海油有限公司綜合科研項目“中海油井的完整性技術(shù)體系研究”(YXKY-2015-ZY-09)

武治強(1985 — )，男，碩士，工程師，研究方向為海上鉆井工程設(shè)計。

TE256

A

1673-1980(2017)04-0039-03