應用智能水泥提升井筒完整性測井響應能力

劉煒辰 編譯

(中國石油集團測井有限公司國際事業(yè)部 北京 102206)

0 引 言

井筒完整性貫穿于油氣井方案設計、鉆井、試油、完井、生產(chǎn)、修井、棄置的全生命周期。隨著油田開發(fā)時間的增長，井筒完整性問題越來越多，對環(huán)境和經(jīng)濟帶來重大不利影響。井筒完整性一般包括井下管柱及附件完整性、井下作業(yè)完整性和井口系統(tǒng)完整性。其中井下作業(yè)完整性主要體現(xiàn)在固井水泥環(huán)的完整性，是保證油氣井正常生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)。

對于固井質(zhì)量，一直采用聲學測井方法作為主要檢測手段。一種提高檢測能力的思路是開發(fā)更先進的測井儀器，如新一代測井工具采用脈沖回波超聲波技術，可以提供更高分辨率的水泥和套管膠結情況的阻抗圖像，同時使用一種高頻多功能儀器進行補償衰減測量。上述儀器的測量原理都是基于水泥和液體聲學特性的比對。但是，輕質(zhì)水泥與鉆井泥漿的聲學特性區(qū)分并不明顯，這使得基于聲學原理的固井評價儀器難以對二者進行分辨。最新的超聲波儀器納入了套管的剪切波測量，有望解決對輕質(zhì)水泥檢測中的數(shù)據(jù)解釋問題。另一種思路是通過匹配響應性能更好的被測對象來改善固井評價中測井資料的獲取能力。例如，在套管和水泥之間添加乳膠層可以提高粘附強度和測井的質(zhì)量。近期出現(xiàn)的對鋼管進行納米技術處理的方法，使固井評價測井資料得到了顯著改善。

本文介紹了一種國外研究人員研制的智能水泥填料，通過組分設計，使其具有獨特的聲學特征，并適用于標準聲波固井測井儀器的帶寬范圍。將其添加到固井水泥中，形成的智能水泥可以使用聲學測井儀器進行檢測，獲取水泥的充填情況、完整性和應力狀態(tài)。

1 測量原理

將特制的顆粒填料添加到輕質(zhì)和泡沫水泥配方中作為聲波帶隙濾波器和對比劑。由此制備的復合材料作為一種聲學超材料，對于大于材料特征尺寸的波長，它能夠改變其與聲波的相互作用。通過設計，使粒子亞結構能夠產(chǎn)生局部共振并在一定頻率范圍內(nèi)反射聲波。在測試中，智能水泥在特定頻率下表現(xiàn)出比基體水泥高得多的聲學阻抗。這會增加衰減，提高對周圍流體或受污染的水泥的分辨力，并解決了泡沫水泥固有的阻抗對比度低的問題。智能水泥的一個關鍵特征是其響應的頻率相關特性，通過比較兩個不同頻率的聲學測量結果，可以進行特定的檢測。智能水泥的聲譜特性還可以提供水泥應力狀態(tài)的可靠指示。

2 智能水泥的開發(fā)和測試

2.1 建模和仿真

首先，使用有限元軟件模擬智能水泥填料在各種條件和布置形式下的行為和性能。模擬包括以下內(nèi)容：

1)針對獨立單元，對多層智能水泥顆粒進行建模，以確定其聲頻響應；

2)對智能水泥復合材料聲波帶隙效應進行量化；

3)研究顆粒幾何形狀、密度和機械性能對智能水泥復合材料響應的影響；

4)確定智能水泥結構布置、密度、孔隙率的影響和機械性能；

5)使用虛擬聲學測井儀器模擬井眼模型，以確定智能水泥對聲速、孔隙檢測和機械應力定位的影響。

用仿真方法研究了智能水泥的性能，以了解水泥在真實尺度下和存在各種類型孔隙時的聲學響應。圖1給出了智能水泥信號接收時間的一組井眼模擬結果，顯示了三種孔隙位置的情況，即套管和水泥環(huán)體之間的孔隙、水泥環(huán)中的孔隙以及底層中的孔隙。同時，將智能水泥的模擬結果與標準水泥進行比較，以說明智能水泥的孔隙檢測能力的特點。

圖1 不同類型孔隙的井眼聲波測井仿真結果

獨立單元和井眼模擬結果表明，智能水泥增強了固井水泥的聲學對比度，并證實以下特征是能夠?qū)崿F(xiàn)的，并可以使用標準聲學測井儀器進行測量：

1)帶隙響應，用于指示水泥的存在；

2)到達時間，用于定位含有液體的孔隙；

3)帶隙偏移和加寬/收縮，用于應力檢測。

2.2 實驗室尺度測試和亞尺度測試

對實驗室尺度樣品測量了其振動激發(fā)和響應信號，以確定復合材料的諧振頻率響應。采用實驗室超聲波裝置測試了較大尺度樣品在更寬泛頻率范圍內(nèi)的響應，利用超聲波檢測結果對仿真模型的預測結果和振動測試結果進行了確認。然后，對更大的“亞尺度”樣品進行了測試。

測試用復合樣品由多種不同剛度的基材制備而成，包括環(huán)氧樹脂、聚氨酯、石膏和水泥。通過改變顆粒添加劑水平，建立載荷大小和聲學響應之間的關系。環(huán)氧樹脂和聚氨酯的快速固化時間使樣品能夠及時實現(xiàn)不同添加量的遍歷和測試，這些材料的最小孔隙率提供了清晰的聲學響應，很容易識別顆粒的共振情況。顆粒結構如圖2所示。

圖2 具有致密內(nèi)核和兼容性聚合物包裹的智能水泥顆粒

泡沫水泥顆粒復合材料的制備密度從10～14 ppg不等。在制備過程中，對速度、體積、溫度、氣流速率、聚合物流速以及霧化和鼓風機氣壓等過程變量進行了優(yōu)化，以開發(fā)可靠的制備工藝，同時精確控制尺寸、質(zhì)量和密度。這些顆粒經(jīng)過優(yōu)化，可達到最終應用要求的對比度和頻率響應。應盡可能調(diào)節(jié)顆粒，使其在水泥基質(zhì)中中性懸浮和均勻分布。

亞尺度測試使用智能水泥/鋼板復合結構進行，以確定智能水泥環(huán)形態(tài)、完整性和應力狀態(tài)。聲學響應在施加機械載荷和置于淺水環(huán)境中測量。亞尺度測試方案如下：

1)智能水泥顆粒的諧振頻率設計為10～20 kHz，與聲探頭的中心頻率相匹配；

2)制備矩形條狀試樣，尺寸為2 in×2 in×7 in(1 in=25.4 mm)，用以評價試驗材料的整體響應；

3)對樣品施加高達1 000 psi(1 psi=6.895 kPa)的機械負載，進行超聲波測試；

4)采用內(nèi)徑8 in的縱向剖分半圓管，外面包覆1 in厚的半圓柱形水泥環(huán)，并分別用基體水泥和智能水泥制備；

5)在三個不同位置制作孔隙，模擬泥漿或內(nèi)含流體污染物的典型位置?？紫斗謩e位于套管和水泥、水泥和地層的界面處，以及套管和地層間水泥環(huán)中的徑向孔隙；

6)挖一條小溝用于進行現(xiàn)場聲學測試。將分別用基體水泥和智能水泥制備的樣品置于溝內(nèi)水下，并使用頻率為24 kHz的超聲波裝置進行測試。

超聲波分析表明，相對于基體水泥，在15 kHz的中心頻率下，智能水泥樣品有50 dB的顯著衰減量，帶寬約為5 kHz，如圖3所示。圖中還顯示，頻率響應對應力敏感，諧振頻率和衰減都隨著應力的增加而增加。

圖3 壓應力增加情況下智能復合水泥的聲學(超聲)響應

2.3 驗證性測試

最后采用帶有人工預制孔隙的埋入管道裝置進行了驗證性測試。兩根鋼管并排埋入地下，并用水泥固井，分別在環(huán)形空間灌注智能水泥和用作參照的純標準水泥。使用一種小井眼聲學測井儀器多次測試，以檢驗智能水泥的優(yōu)點，并研究使用實際測井儀器和在真實尺度下應力的敏感性。兩口井的結構均由長度為42 ft、公稱尺寸為3 in、壁厚表號為40的內(nèi)層鋼管和直徑為5 in的PVC外管組成，內(nèi)層鋼管外壁上焊接有多個圓棒，將其固定于外層PVC管的中心，如圖4所示。鋼管的公稱外徑、壁厚和重量分別為3.5 in、0.216 in和7.576 lb/ft。

圖4 驗證性測試用井筒結構和橫截面示意圖及孔隙尺寸和位置

測井設備包括一臺微型絞車、一個三腳架、測井處理器、探頭以及采集軟件。使用的聲波儀器是一個直徑為 1.8 in(45 mm)的全波形三組單極子聲波探頭，帶有弓形彈簧扶正器。探頭包括一個發(fā)射器和沿長度方向布置的三個接收器，可用以測量100 in的長度范圍。三個接收器與發(fā)射器的距離分別為60 cm(RX1)、80 cm(RX2)和100 cm(RX3)。探頭能夠測量速度/慢速、首波到達時間、綜合傳輸時間以及每個接收器的自然伽馬能譜和全波形數(shù)據(jù)。測井儀器的頻率響應在8～50 kHz范圍內(nèi)，在15～35 kHz范圍內(nèi)最為敏感。

在每口模擬井中，設計了三處孔隙，采用熱縮包固定在內(nèi)層鋼管上的充水真空密封袋模擬。然后，使用水泥泵，在其中一口井的環(huán)形空間填充標準泡沫水泥，另一口井填充智能泡沫水泥，如圖5所示。每個井筒模擬裝置都鋪設在深度為6.5 ft的溝中，同時保持注入口向上傾斜。

圖5 水泥泵入裝置

測井操作在多種載荷組合和管道內(nèi)壓可變的條件下進行。首先在無應力作用下測量；然后施加彎曲應力，同時在多個位置施加徑向壓應力；最后用支柱施加地層載荷。在時域和頻域中分析記錄的測井曲線，并對測試結果進行對比。測井結果顯示，頻率帶隙效應、孔隙尺寸和位置識別以及局部應力檢測具有唯一可識別性。

使用智能水泥填充的模擬井的測井結果與對照井(用純水泥填充)和未填充水泥的模擬井顯著不同。與實驗室和亞尺度測試結果類似，在15 kHz附近可以清楚地看到信號帶隙。除了頻域的差異外，在時域上也存在差異。最后，與純水泥相比，智能水泥的慢度(接收器端的信號到達時間量度)較低。

基體水泥和智能水泥環(huán)空的不同密度下的測井曲線如圖6所示，圖中高亮標出了孔隙區(qū)域。圖7中繪制了頻域中每個接收器的聲能與深度的關系，其中高亮帶處為孔隙位置。智能水泥中的孔隙位置和尺寸明顯較為清晰，尤其是在第三接收器處。需要指出的是，以上測試中，帶隙效應發(fā)生在所用測井儀器頻率范圍的低頻端，但在 10 ～ 15 kHz 范圍內(nèi)的衰減仍可通過對聲能頻譜進行對比而清楚地看到，且同樣是對第三個接收器的影響最大，如圖8所示。

圖6 帶孔隙基體水泥和智能水泥的變密度測井曲線

圖7 每個接收器顯示的基體水泥和智能水泥的聲波信號幅度與頻率

圖8 三個接收器顯示的基體水泥和智能水泥的幅頻圖(上圖)以及兩種水泥的傳輸速度差異(下圖)

彎曲負載通過在油井上方安裝的起重設備進行模擬。兩組4×4木制井字梁立于溝的兩側地面上，一根4 in鋼管與梁固定在一起，位于“油井管”的正上方并與其對齊。兩個重型棘輪拉緊帶繞過鋼管上部和“油井管”下部，兩條拉緊帶相距約18 in。帶子可以逐步通過棘輪收緊，緩慢地提升“井筒管柱”，從而向其施加彎曲載荷。先遞增加載，再遞減卸載。聲學測試結果如圖9、10和11所示。

圖9 施加彎曲載荷后在RX1、RX2和RX3位置接收器測得的智能水泥頻率響應

圖10 施加彎曲載荷后在RX3位置接收器測得的智能水泥頻率響應

圖11 帶隙頻率范圍內(nèi)能量分數(shù)與載荷變化的關系圖(上圖為加載，下圖為卸載)

3 結 論

本文詳細介紹了一種適用于井筒完整性聲波測井的復合型智能水泥的研制和響應性能測試。測試結果表明，該智能水泥具有獨特的帶隙效應，可用于測定水泥質(zhì)量、準確判定水泥孔隙尺寸和位置以及檢測應力異常。該技術將有助于提升井筒完整性檢測的效果，對由于質(zhì)量較差的固井作業(yè)以及復雜的地質(zhì)應力變化引起的風險能夠及時制定管理措施。此外，這一技術還可應用于油井和儲層的實時監(jiān)測，對井筒完整性實現(xiàn)不間斷監(jiān)控。

參 考 文 獻(略)

本文譯自：Hani ELSHAHAWI, Shan HUANG, Jacob POLLOCK and Vinod VEEDU. Novel smart cement for improved well integrity evaluation [C]∥SPWLA 59th Annual Logging Symposium, 2018.