水泥環(huán)水力封隔能力與膠結(jié)指數(shù)的關(guān)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(xiàn)場主要采用聲波膠結(jié)測井來評(píng)價(jià)固井質(zhì)量，另外針對(duì)特殊井，采用生產(chǎn)測井和水力測試等方法對(duì)水泥環(huán)的封隔情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過這2類不同的檢測方法，得到2種不同的固井質(zhì)量，分別是固井檢測質(zhì)量和水泥環(huán)的封固質(zhì)量。通常所指的固井質(zhì)量是能代表水泥環(huán)封隔能力的封固質(zhì)量。現(xiàn)場一般用聲變測井圖及其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來確定一口井的固井質(zhì)量，固井質(zhì)量可劃分為優(yōu)質(zhì)、合格與不合格3種[2]。另外，水泥環(huán)的封固質(zhì)量通常指發(fā)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(jié)測井檢測結(jié)果是評(píng)價(jià)固井質(zhì)量簡單有效的方法，但其影響因素較多，不應(yīng)成為檢測固井質(zhì)量的唯一方法。在《SY/T6592固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法》標(biāo)準(zhǔn)中給出了水泥膠結(jié)評(píng)價(jià)的指標(biāo)[4]，但注明了“延時(shí)聲波變密度測井除外”，為了對(duì)延時(shí)測井條件下的固井質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文通過室內(nèi)模擬評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，建立了延時(shí)測井條件下膠結(jié)指數(shù)與水力封隔能力的關(guān)系，通過現(xiàn)場聲波膠結(jié)測井得到的膠結(jié)指數(shù)，結(jié)合封隔段的長度，從而可以判斷其封隔能力。

1 固井水泥環(huán)模擬方法研究及模擬裝置的建立

室內(nèi)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(huán)所處的井下環(huán)境，包括溫度、地層以及地層流體。在該裝置的基礎(chǔ)上，建立了聲波膠結(jié)測井系統(tǒng)，可對(duì)不同水泥環(huán)膠結(jié)狀態(tài)進(jìn)行聲波測井；同時(shí)建立了驗(yàn)竄系統(tǒng)，可對(duì)不同長度的水泥環(huán)水力封隔能力進(jìn)行檢測。在同一套模擬裝置上建立了2套評(píng)價(jià)系統(tǒng)，為建立室內(nèi)模擬條件下的測井檢測膠結(jié)質(zhì)量與水泥環(huán)水力封隔能力的關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

2 模擬實(shí)驗(yàn)研究

圖1 室內(nèi)套管井模型井模擬裝置

現(xiàn)場測井資料顯示，對(duì)砂巖和泥巖地層進(jìn)行聲波膠結(jié)測井時(shí)，固井檢測質(zhì)量產(chǎn)生了較大差別，砂巖井段膠結(jié)測井的質(zhì)量遠(yuǎn)比泥頁巖井段差。為了在室內(nèi)建立測井檢測質(zhì)量與封固質(zhì)量的關(guān)系，應(yīng)用室內(nèi)建立的模擬方法、模擬裝置及評(píng)價(jià)方法，分別對(duì)泥巖層和砂巖層進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。模擬裝置采用水浴養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為45℃，常壓。

2.1 泥巖層模擬實(shí)驗(yàn)

首先對(duì)泥巖層固井質(zhì)量的延時(shí)變化情況進(jìn)行了探索。對(duì)理想頂替的泥巖層和頂替不良的泥巖層進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。

針對(duì)理想頂替的泥巖層，室內(nèi)采用花崗巖進(jìn)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(jié)指數(shù)（BI值）變化趨勢(shì)。從圖2可以看出，延時(shí)測井條件下，固井檢測質(zhì)量延時(shí)不變差，且15d固井質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)。在測井試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)理想頂替下的泥巖層進(jìn)行了驗(yàn)竄實(shí)驗(yàn)，在該條件下0.2m的泥巖層即可保證15MPa不竄。

當(dāng)Ⅰ界面頂替不凈時(shí)，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(jié)測井檢測BI=0.2，處于不合格狀態(tài)。如圖3所示。而且在延時(shí)條件下，BI值的變化不大。因此，2d的測井檢測結(jié)果可以代表15d的檢測結(jié)果。

圖2 理想頂替泥巖層BI值延時(shí)變化趨勢(shì)

圖3 隔層頂替不凈條件下BI值延時(shí)變化趨勢(shì)

在對(duì)頂替不良的泥巖層進(jìn)行驗(yàn)竄時(shí)，0.4m的抗竄壓力為0.8MPa。說明，此時(shí)雖然BI值低，但對(duì)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(fā)的要求。

從對(duì)不同頂替條件下泥巖層的模擬實(shí)驗(yàn)可以看出，延時(shí)測井的條件對(duì)于泥巖層的影響相對(duì)較小。2d與15d所檢測的固井質(zhì)量基本一致。頂替效率對(duì)泥巖層的固井質(zhì)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(shí)驗(yàn)

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，采用Ⅱ界面不同厚度泥餅對(duì)砂巖地層的滲透性進(jìn)行模擬。分別對(duì)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(jié)指數(shù)隨時(shí)間延長的變化曲線如圖4所示。

圖4 模擬砂巖膠結(jié)指數(shù)延時(shí)變化趨勢(shì)

在水泥環(huán)Ⅰ界面的均勻膠結(jié)狀態(tài)下，驗(yàn)竄過程可以看作是流體沿界面單向直線流動(dòng)，并定義了抗竄壓差梯度這一參數(shù)對(duì)水泥環(huán)的水力封隔能力給出評(píng)價(jià)。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(huán)長度，m。

抗竄壓差梯度應(yīng)用的前提條件是水泥環(huán)均勻填充環(huán)空，此時(shí)水泥環(huán)抗竄壓差與長度成正比。

（1）對(duì)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(shí)，2d時(shí)BI值達(dá)到最高點(diǎn)1.0，但隨后BI值有所降低，15d的BI值為0.82，固井質(zhì)量仍可達(dá)優(yōu)質(zhì)?？垢Z壓差梯度為25MPa/m。

（2）對(duì)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(dāng)Ⅱ界面泥餅厚度為2mm時(shí)，BI值的延時(shí)變差程度被大大加強(qiáng)，2d時(shí)BI＞0.8，固井質(zhì)量處于優(yōu)質(zhì)狀態(tài)，而在3d時(shí)BI突然下降，3d以后BI值趨于穩(wěn)定，至15d時(shí)，BI=0.5，處于合格狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)抗竄壓差梯度Pm為6MPa/m，BI=0.5時(shí)，當(dāng)封隔長度大于2.5m時(shí)，水泥環(huán)的水力封隔能力才能達(dá)到15MPa。

（3）對(duì)于中高滲透性地層，當(dāng)Ⅱ界面泥餅厚度為4mm時(shí)，2d時(shí)BI值接近于0.8，15dBI值為0.41，處于合格狀態(tài)。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(zhì)量漸漸變差，與現(xiàn)場所測的規(guī)律基本相同。這說明該模擬條件與現(xiàn)場條件較為相似。因此，對(duì)于不同水泥漿體系的評(píng)價(jià)均采用Ⅱ界面存在4mm泥餅條件下的滲透層進(jìn)行模擬?？垢Z壓差梯度Pm為3.0MPa/m。當(dāng)滲透層長度大于5.0m時(shí)，水泥環(huán)的水力封隔能力可達(dá)到15MPa。

（4）對(duì)于超高滲透性地層，在不發(fā)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(shí)，Ⅱ界面泥餅厚度可達(dá)到10mm以上。當(dāng)泥餅厚度達(dá)到10mm時(shí)，2d的測井結(jié)果即表現(xiàn)為合格，說明，當(dāng)?shù)貙訚B透率不斷增大，在不出現(xiàn)漏的情況時(shí)，泥餅的厚度會(huì)不斷地增大?；蛘邼B透層有虛泥餅大量滯留時(shí)，已經(jīng)不能很好保證2d的膠結(jié)質(zhì)量?？垢Z壓差梯度Pm=2.5MPa/m，此時(shí)滲透層的長度大于6.0m時(shí)，水泥環(huán)的水力封隔能力才能達(dá)到15MPa。

通過對(duì)不同膠結(jié)指數(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，可以看出在延時(shí)測井條件下，隨著膠結(jié)指數(shù)的增大，抗竄壓差梯度也在增大，兩者存在一定的關(guān)系。但同時(shí)也可以看出，在延時(shí)測井條件下，對(duì)于高滲層，固井質(zhì)量延時(shí)變差。

表1 不同膠結(jié)指數(shù)模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 實(shí)驗(yàn)規(guī)律研究

在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了延時(shí)測井條件下固井檢測質(zhì)量與封固質(zhì)量的關(guān)系，即BI值與Pm的關(guān)系。經(jīng)線性回歸可得到的關(guān)系方程為：

式中：Pm——抗竄壓差梯度，MPa/m；

BI——膠結(jié)指數(shù)。

從該關(guān)系中可以看出：隨BI值的增大，水泥環(huán)的水力封隔能力增強(qiáng)。另外，當(dāng)BI值小于0.8時(shí)，若水泥環(huán)達(dá)到一定的長度，根據(jù)層間壓差的情況，也可滿足開發(fā)的要求。也就是說，在延時(shí)測井條件下，水泥環(huán)均勻填充環(huán)空時(shí)，可以利用聲波檢測膠結(jié)指數(shù)來計(jì)算抗竄壓差梯度，并進(jìn)一步對(duì)水泥環(huán)的水力封隔能力給出評(píng)價(jià)。

這里所指的最小有效封隔長度是指不同檢測膠結(jié)指數(shù)時(shí)，封住15MPa時(shí)所需的最小長度。而在現(xiàn)場可以利用單井層間壓差與現(xiàn)場檢測的膠結(jié)指數(shù)，計(jì)算得出最小有效封隔長度，更符合現(xiàn)場實(shí)際。

式中：Lmin——最小有效封隔長，m。

BI——膠結(jié)指數(shù)。

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(shí)的最小有效封隔長度為0.2m。若BI值下降，則可以通過膠結(jié)段的長度對(duì)水泥環(huán)的水力封隔能力進(jìn)行補(bǔ)償，例如當(dāng)BI=0.6時(shí)，利用公式（3）計(jì)算出Lmin=1.82m，如果膠結(jié)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(jìn)行開發(fā)。

4 結(jié)論

（1）建立的模擬裝置以及水泥環(huán)封固質(zhì)量評(píng)價(jià)方法能夠進(jìn)行水泥環(huán)的封固質(zhì)量的評(píng)價(jià)。對(duì)于泥巖層，延時(shí)測井條件下固井質(zhì)量不變差；對(duì)于砂巖層，延時(shí)測井條件下固井質(zhì)量變差，BI值降低的同時(shí)，水泥環(huán)的水力封隔能力也下降。

（2）延時(shí)測井條件下固井檢測質(zhì)量與封固質(zhì)量的關(guān)系可應(yīng)用于固井質(zhì)量的評(píng)價(jià)，對(duì)開發(fā)方案的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

（3）所建立的膠結(jié)指數(shù)與水泥環(huán)封隔能力的關(guān)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(jìn)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(tǒng)封隔能力評(píng)價(jià)方法[J].測井技術(shù)，2006，30（1）：94-96.

[2] 張子橋.探井固井技術(shù)研究[R].中國石油學(xué)會(huì)東部油田鉆井新技術(shù)研討，2005.

[3] 楊智光.固井封固理論與應(yīng)用技術(shù)[D].大慶石油學(xué)院碩士論文，2007.

[4]SY/T6592固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[S].

[5] 王歡，楊秀天，侯力偉，等.室內(nèi)模擬固井質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法[C]//2014年度黑龍江省石油學(xué)會(huì)論文集.