固井新技術(shù)進(jìn)展研究

張新果

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶 163413）

固井是油氣井施工階段進(jìn)行的重要工序之一。固井作業(yè)的歷史可以追溯到1859 年，Hardison＆Stewart Oil Company 于1883 年執(zhí)行了第一次水泥作業(yè)。固井作業(yè)有兩個(gè)主要目標(biāo)。第一個(gè)目標(biāo)是通過(guò)井筒中不同區(qū)域之間的水力隔離來(lái)控制井筒中的流量，從而保護(hù)井筒的完整性。因此，成功的固井可以防止地層中的流體流入其他地質(zhì)區(qū)域或地表。第二個(gè)目標(biāo)是為套管提供支撐。

為了滿足日益復(fù)雜的固井需求，世界各國(guó)的從業(yè)人員從固井質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)和固井外加劑等方面開(kāi)展了大量研究。本文綜述了相關(guān)固井新技術(shù)的研究進(jìn)展。

1 固井質(zhì)量評(píng)價(jià)取得進(jìn)展

為了確保固井工作的成功，我們必須對(duì)固井質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試。迄今為止，確定區(qū)域隔離情況最有效的方法是壓力測(cè)試。然而，壓力測(cè)試在經(jīng)濟(jì)上是不可行的，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，在某些情況下，它們可能會(huì)對(duì)水泥造成損壞。因此，服務(wù)公司通常通過(guò)測(cè)井來(lái)評(píng)估水泥，將測(cè)井工具下放到套管中，用以檢查水泥的質(zhì)量。

自從Grosmankin等人和Anderson和Walker發(fā)表了第一個(gè)基于聲波的水泥評(píng)估方法以來(lái)，進(jìn)一步的工具開(kāi)發(fā)較為緩慢。根據(jù)Allouche 等人的研究成果，在現(xiàn)有方法中，聲學(xué)測(cè)井技術(shù)是最常見(jiàn)和最有效的。聲學(xué)測(cè)井技術(shù)主要包括聲波和超聲波技術(shù)。聲學(xué)工具記錄的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件處理后，就可以獲得套管和水泥等油井組件的參數(shù)估值，然后可以從這些結(jié)果中解釋油井的水力隔離情況[1-2]。

這種解釋是一項(xiàng)具有風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜任務(wù)，必須由訓(xùn)練有素的專業(yè)人員進(jìn)行。他們利用自己的理解來(lái)整合各種測(cè)井結(jié)果，用以評(píng)估水泥狀態(tài)。此外，這項(xiàng)任務(wù)還需要在限定時(shí)間內(nèi)完成，因?yàn)檫M(jìn)一步的油井開(kāi)發(fā)需要參考這些評(píng)估結(jié)果。Belozerov 等人也指出，測(cè)井解釋的過(guò)程是復(fù)雜，耗時(shí)的，而且也相當(dāng)主觀，不同的解釋者可能會(huì)從相同的數(shù)據(jù)中得出不同的結(jié)論。

以往的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)高度依賴技術(shù)人員的人工評(píng)價(jià)[3]。而固井智能評(píng)價(jià)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)固井質(zhì)量更為客觀、準(zhǔn)確和快速的評(píng)價(jià)。固井質(zhì)量智能評(píng)價(jià)主要基于聲波振幅和變密度測(cè)井曲線，利用深度算法學(xué)習(xí)進(jìn)行訓(xùn)練模型，達(dá)到準(zhǔn)確評(píng)價(jià)固井質(zhì)量的目的。固井質(zhì)量智能預(yù)測(cè)主要基于測(cè)井資料，通過(guò)智能算法修正測(cè)井信息，預(yù)測(cè)固井質(zhì)量。

美國(guó)阿布扎比公司的Deepak Kumar Voleti 基于聲幅、變密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和超聲成像數(shù)據(jù)建立了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，利用機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的方法來(lái)解釋來(lái)自不同承包商的固井質(zhì)量數(shù)據(jù)。因?yàn)椋壳暗墓叹|(zhì)量評(píng)估主要依賴聲學(xué)參數(shù)的測(cè)量，如振幅、折射波的波形、阻抗和衰減等。通常由固井工程師或承包商負(fù)責(zé)評(píng)估水泥膠結(jié)質(zhì)量，但這種評(píng)價(jià)方法是非常主觀的，其準(zhǔn)確性取決于工作時(shí)間、工作壓力和評(píng)估人員的經(jīng)驗(yàn)。作者測(cè)試了不同的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)（隨機(jī)森林分類和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）和智能數(shù)據(jù)訓(xùn)練方式。最后使用嵌套模型，將測(cè)量數(shù)據(jù)和所需的解決方案分為不同的類，并為每個(gè)類構(gòu)建一個(gè)單獨(dú)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，并組合所有模型以獲得最終的固井質(zhì)量評(píng)估和建議。最終的結(jié)果包括固井質(zhì)量、水泥膠結(jié)質(zhì)量、異常情況和建議等。這種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的固井質(zhì)量評(píng)估被證明是非常有效的，可以節(jié)省相關(guān)工作人員75%的工作量。此外，這種評(píng)價(jià)模型經(jīng)濟(jì)效益好，人為誤差小，一致性高，可獨(dú)立應(yīng)用于油井或儲(chǔ)層。

賓夕法尼亞州立大學(xué)的Santos和Dahi開(kāi)發(fā)了一種基于高斯過(guò)程回歸（GPR）的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，它可以通過(guò)估計(jì)誤差和置信區(qū)間來(lái)評(píng)估水泥膠結(jié)質(zhì)量的不確定性。與傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)相比，GPR 只需要少量的模擬用數(shù)據(jù)。在這項(xiàng)工作中，使用水泥膠結(jié)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)用于訓(xùn)練，并通過(guò)與同一油田不同井的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證模型。結(jié)果表明，預(yù)測(cè)情況與基本情況的相關(guān)性非常好。方差函數(shù)給出的初始假設(shè)不僅有助于捕獲總體趨勢(shì)關(guān)系，還有助于捕獲局部變化。此外，該框架提供的不確定性評(píng)估可以通過(guò)確定水泥環(huán)中最差的情況和潛在的流體遷移路徑來(lái)幫助降低固井風(fēng)險(xiǎn)。

Reolon 等開(kāi)發(fā)了基于多分辨率圖聚類（MRGC）的算法，該算法首先識(shí)別聲學(xué)和超聲測(cè)井/圖表中的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)熵將MRGC 集成到貝葉斯框架中，以計(jì)算獲得膠結(jié)相的概率和相關(guān)的不確定性。該方法可以實(shí)時(shí)解釋和分析固井質(zhì)量。該方法的使用效果已經(jīng)通過(guò)實(shí)際應(yīng)用得以證明。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，首先采用概率法預(yù)測(cè)水泥膠結(jié)情況及不確定性；然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行無(wú)偏評(píng)估，統(tǒng)計(jì)代表性和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)分析方法可以有效模仿專家的工作。并且這種數(shù)據(jù)算法只需要幾秒鐘就可以提供詳盡的固井解釋，而傳統(tǒng)方法至少需要一天時(shí)間。

維根等開(kāi)發(fā)了一個(gè)可以自動(dòng)解釋固井質(zhì)量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用600份測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練。該系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)周圍井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)每米井段的粘結(jié)質(zhì)量（6個(gè)有序類）和水力隔離（2類）進(jìn)行分類，最終可以獲得6類井的固井質(zhì)量，準(zhǔn)確率為86.7%。

IA Merciu 等開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的自動(dòng)解釋評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以提供即時(shí)簡(jiǎn)單的固井質(zhì)量報(bào)告，用作后期人工解釋的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)比較了兩種解釋系統(tǒng)的性能，一種是以前發(fā)布的，另一種是最新發(fā)布的。以前的方法基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），它可以自主從測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)，而新方法使用特征算法，可以使用系統(tǒng)自己的儲(chǔ)備知識(shí)來(lái)提取特征。結(jié)果表明，使用特征工程的評(píng)估系統(tǒng)表現(xiàn)更好，其準(zhǔn)確率可達(dá)88.9%。

T Eltsov 等開(kāi)發(fā)了一種可以檢測(cè)井筒形狀以及套管中水泥缺陷的感應(yīng)測(cè)井工具。該測(cè)井工具可用于測(cè)試非導(dǎo)電外殼后面弱磁性水泥的完整性。長(zhǎng)度為0.25～0.6m 的工具對(duì)磁性水泥特性最敏感。最適合磁性水泥檢測(cè)的頻率在0.1～10kHz范圍內(nèi)，這是磁化率測(cè)井的典型特征。振幅可用于推斷套管后磁性水泥的完整性，但要獲得有關(guān)水泥流變學(xué)的信息，必須進(jìn)行高頻電阻率測(cè)量。在200MHz 下將固體水泥與液體區(qū)分開(kāi)來(lái)，并量化了水泥凝固狀態(tài)。高頻下的信號(hào)相位對(duì)水泥凝固更敏感。在測(cè)井記錄上可以看到充滿磁性水泥的空洞和裂縫。該工具可用于確定水泥脫粘區(qū)域?？梢允褂脧较蚍植紓鞲衅鳈z測(cè)外殼偏心率和徑向不均勻性。水泥的缺失會(huì)導(dǎo)致二次磁場(chǎng)的急劇下降。該磁測(cè)井技術(shù)可用于中溫井水泥質(zhì)量檢測(cè)（＜150 ℃）。

2 固井外加劑取得進(jìn)展

作為鉆井作業(yè)的一部分，水泥漿是由水泥、水和其他添加劑混合制備的，然后沿著套管一直流到環(huán)形空間。與建筑行業(yè)使用的水泥相比，油井水泥需要暴露在不同的地層條件下。固井工作的目的之一是確保在套管外具有設(shè)計(jì)量的水泥，確保竄槽不會(huì)發(fā)生。油井水泥的強(qiáng)度通常取決于固化時(shí)間、環(huán)境條件、配方設(shè)計(jì)和添加劑的使用等因素。水泥中需要添加許多添加劑，以增強(qiáng)水泥的各種性能。水泥凝結(jié)時(shí)間的減少可以通過(guò)使用促進(jìn)劑來(lái)實(shí)現(xiàn)，水泥的增稠時(shí)間可以通過(guò)添加緩凝劑等來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，我們還可以使用不同的添加劑來(lái)提高水泥的抗壓強(qiáng)度，減少水泥內(nèi)的流體損失并增加水泥的密度。氯化鈉和氯化鈣可作為水泥漿中的促進(jìn)劑，減少水泥的凝結(jié)時(shí)間。重晶石或赤鐵礦等加重劑廣泛用于增加水泥漿的密度。除了這些常用的添加劑外，許多特殊添加劑，如稀釋劑、填充劑、密度減輕劑、緩蝕劑、膨脹添加劑、硫化氫清除劑、除氧劑等，都是根據(jù)固井要求添加到水泥中的。

近年來(lái)，納米技術(shù)正以驚人的速度發(fā)展，納米技術(shù)已經(jīng)在紡織、國(guó)防、航空航天和能源等各種行業(yè)開(kāi)展了廣泛應(yīng)用。在石油和天然氣工業(yè)中，納米材料已在勘探、儲(chǔ)層保護(hù)、鉆井、精煉和加工中得到應(yīng)用。納米二氧化硅在石油工業(yè)中有多種用途，例如減少多孔介質(zhì)中的阻力、提高石油采收率（EOR）、提高泡沫和乳液穩(wěn)定性、減少頁(yè)巖中的水相侵入、流體中的過(guò)濾控制和流體中的流變控制。固井相關(guān)從業(yè)者也做出了許多努力，通過(guò)在水泥漿中添加納米材料來(lái)改善水泥的性能。

納米技術(shù)引起廣泛關(guān)注的主要原因是物體在納米尺度上形成時(shí)所顯示的特性。其中自我感應(yīng)、自我修復(fù)、自我清潔和強(qiáng)度增強(qiáng)是現(xiàn)在業(yè)界經(jīng)常討論的方向。二氧化硅以石英或砂子的形式存在于自然界中。在納米尺度上對(duì)二氧化硅結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，即可生成二氧化硅納米顆粒。在波特蘭水泥漿、砂漿或混凝土中加入納米級(jí)顆?？梢再x予水泥漿不同的功能。金屬氧化物的納米顆粒，例如納米二氧化硅、納米二氧化鈦、納米氧化鐵、納米氧化鋁、納米氧化銅、納米過(guò)氧化鋅和許多其他磁性納米顆粒已經(jīng)被用作與水泥漿添加劑，用以最大限度地減少現(xiàn)場(chǎng)施工問(wèn)題。目前，已經(jīng)被報(bào)道的有關(guān)納米材料的特殊性能有：①早強(qiáng)；②增加抗拉強(qiáng)度；③增加粘度；④增加早期抗壓強(qiáng)度；⑤降低水泥稠化時(shí)間[4]。

大量研究已經(jīng)確定，通過(guò)使用納米材料可以改善水泥漿性能。納米材料，如納米二氧化鈦、納米氧化鋅、富勒烯、碳納米管、納米二氧化硅、納米氧化鋁可以提高混凝土材料的強(qiáng)度、剛度和延展性特性。

G.Quercia 等的研究表明，碳納米管具有較大的比表面積和電子特性，并有高達(dá)2TPa 高楊氏模量。碳原子之間存在非常強(qiáng)的化學(xué)鍵，這大大增加了其強(qiáng)度。并有助于提高水泥石的抗拉強(qiáng)度值。碳納米管具有很高的彎曲強(qiáng)度和良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。納米管的直徑通常在1～100nm之間，長(zhǎng)度在2～10nm之間。部分研究證實(shí)碳納米管可以顯著改善水泥漿的微觀力學(xué)參數(shù)。但成本因素是碳納米管應(yīng)用的主要障礙，此外碳納米管對(duì)凝固水泥的附著力差，摻混過(guò)程中它們會(huì)結(jié)塊并且很難均勻地分布在水泥漿中。

M.Rupasinghe等研究了石墨烯對(duì)水泥漿進(jìn)行改性的方法。石墨烯是一種具有高機(jī)械強(qiáng)度的、成本更低的材料。與納米管相比，它不會(huì)呈現(xiàn)單個(gè)結(jié)構(gòu)的聚集，從而消除了漿料中排列不均勻的問(wèn)題。氧化石墨烯是一種石墨烯衍生物，具有平行的機(jī)械性能可以使水泥漿中的材料均勻化。0.01%～0.05%的氧化石墨烯濃度即可以降低漿料孔隙率，加速水化過(guò)程，并增加機(jī)械性能。最近的研究描述了氧化石墨烯對(duì)水泥漿力學(xué)性能的積極影響。這是由于氧化石墨烯納米片邊緣有-COOH 基團(tuán)，水泥漿中的鈣離子可以與之發(fā)生反應(yīng)，該反應(yīng)可產(chǎn)生由水泥顆粒和氧化石墨烯的水化產(chǎn)物組成的強(qiáng)化空間結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

（1）固井是油氣井施工階段進(jìn)行的重要工序之一。為了滿足日益復(fù)雜的固井需求，世界各國(guó)的相關(guān)從業(yè)人員在固井質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)和固井外加劑等方面開(kāi)展了大量研究。

（2）以往的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)高度依賴技術(shù)人員的人工評(píng)價(jià)。固井智能評(píng)價(jià)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)固井質(zhì)量更為客觀、準(zhǔn)確和快速的評(píng)價(jià)。固井質(zhì)量智能評(píng)價(jià)主要基于聲波振幅和變密度測(cè)井曲線，利用深度算法學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型，達(dá)到準(zhǔn)確評(píng)價(jià)固井質(zhì)量的目的。固井質(zhì)量智能預(yù)測(cè)主要基于測(cè)井資料，通過(guò)智能算法修正測(cè)井信息，預(yù)測(cè)固井質(zhì)量。

（3）大量研究表明，使用納米材料可以改善水泥漿和水泥石的強(qiáng)度、剛度和延展性，水泥漿的力學(xué)性能有積極的影響。