油氣井固井水泥混漿段聲學特性分析

鄭友志 舒秋貴 姚坤全 馬發明 唐庚 羅詠楓吳宗國 吳蘭 俞強

1.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院 2.中國石化西南石油局博士后工作站3.中國石油西南油氣田公司 4.中國石油天然氣集團公司川慶鉆探工程有限公司

油氣井固井水泥混漿段聲學特性分析

鄭友志1舒秋貴2姚坤全3馬發明1唐庚1羅詠楓1吳宗國4吳蘭4俞強3

1.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院 2.中國石化西南石油局博士后工作站3.中國石油西南油氣田公司 4.中國石油天然氣集團公司川慶鉆探工程有限公司

套管、水泥環、地層3介質的聲學特性是影響聲波水泥膠結測井結果的關鍵因素。井下水泥環形成后,分為純水泥段和水泥漿與隔離液或鉆井液的混漿段。以油氣井水泥混漿段為主要研究對象,提出利用超聲波測試與孔隙度測試等為實驗手段,分析了混漿段的聲學特性及其形成機理。結果表明:水泥漿含量越低,混漿段凝固時間越長,抗壓強度值越小,孔隙度越高,聲阻抗值越小,從而CBL聲幅曲線值越高;相同測試條件下,相同體積比的水泥漿與鉆井液混漿水泥石的孔隙度高于水泥漿與隔離液混漿水泥石的孔隙度,這是前者聲速值低于后者聲速值的本質因素之一; GYW 201隔離液除能更好地改善第一界面與第二界面實際固井質量外,還能得到更好的CBL聲幅曲線,具有較好的工程應用前景;掌握混漿段凝固特性、強度特性、聲學特性可對工程測井時間的確定和CBL聲幅曲線的水泥環聲阻抗校正以及固井質量的精細評價提供參考。

混漿段 聲阻抗 凝固特性 工程測井 孔隙度 鉆井液 隔離液

常規水泥與鉆井液很難相容,在接觸時由于化學反應將產生膠凝現象,影響水泥環的物化特性,嚴重地影響了固井質量。為提高固井質量,前置液的研究與使用顯得越來越重要。前置液介于鉆井液與水泥漿之間,分為沖洗液與隔離液[1-3]。在固井現場,無論是使用隔離液、沖洗液或兩種同時使用,都存在與水泥漿的接觸,在井下會形成一段水泥漿與隔離液或沖洗液的混漿段。水泥漿與前置液的混漿段由于不同比例的摻混,物化性能(流變特性、穩定性、凝固特性以及強度性能等)均發生了不同程度的變化,從而直接導致油氣井內水泥環上下段的不均勻性以及其聲學特性的差異。套管與地層之間“填充物”的聲學特性是影響聲波水泥膠結測井結果的本質因素之一[4-5]。因此,混漿段引起的聲學特性的差異必然影響聲波水泥膠結測井結果。目前,對混漿段聲學特性的研究,國內外鮮見報道。筆者通過室內實驗探索混漿段的聲學特性,為聲波水泥膠結測井的精細評價解釋以及CBL曲線的水泥環聲阻抗校正提供參考。

1 原理分析

在只使用沖洗液的井眼,當水泥漿與沖洗液接觸時,由于沖洗液一般是淡水加鹽調配而成,甚至直接用清水進行沖洗(清水易于與鉆井液、水泥漿相容),從物理意義上,相當于對水泥漿進行了稀釋或一定程度增加了水灰比,此時,水泥漿與沖洗液的混漿段相當于不穩定水泥漿體系固井的情況[6]。在固井施工中,沖洗液單獨使用時,如果沖洗液對鉆井液沖洗程度不夠,造成水泥漿與鉆井液的直接接觸時,不可避免地就會在井下形成水泥漿與鉆井液的混漿段。由于鉆井液與水泥漿化學組成的不同,兩者摻混后必然會影響水泥漿的凝固特性。在常規測井時間(24 h或48 h)進行CBL測井,水泥漿與鉆井液的混漿段由于在測井時間內凝固程度以及強度性能的差異,最終導致CBL測井曲線發生相應的變化。如果在CBL解釋時,不對這種情況進行認知,會無法對固井質量評價解釋提供證據支持。在使用隔離液時,水泥漿與隔離液直接接觸,形成隔離液與水泥漿的混漿段。混漿段的物化性能與水泥漿的物化性能必然存在差別。使用隔離液時形成的混漿帶與不使用隔離液時形成的混漿帶(鉆井液與水泥漿)的凝固特性、強度特性等影響著工程測井結果與實際固井質量。水泥環的聲阻抗特性直接影響CBL曲線幅度,同理,在混漿段,使用隔離液與不使用隔離液的混漿段聲學特性也將影響CBL曲線幅度。因此,混漿段的聲阻抗特性是影響CBL幅度值的一個關鍵因素。從上述分析可知,固井施工形成的混漿段主要分為兩種情況:一種是水泥漿與鉆井液接觸(只用沖洗液或不用前置液時)形成的混漿段,另一種是水泥漿與隔離液接觸形成的混漿段。筆者將通過實驗研究來分析這兩種情況對工程測井結果的影響,從而對固井施工與工程測井解釋提出合理性的建議。

2 實驗設計

根據前述分析,對兩種情形下的混漿段進行實驗分析。實驗所用鉆井液為四川龍崗某井現場水基鉆井液,密度為1.25 g/cm3。實驗所用隔離液為西南石油大學固井研究室研制的GYW 201隔離液配方,設計密度為1.35 g/cm3。超聲波測試實驗采用西南石油大學重點實驗室自制的“多頻率探頭測試聲學參數設備”,其實際上就是一個示波器與一個可以使聲波探頭對被測試樣加壓的聲波探頭夾持裝置組合而成。筆者通過如下實驗來進行分析:

1)常規密度水泥漿與鉆井液或 GYW 201隔離液分別按75∶25、50∶50、25∶75這3種體積比進行混配,得到混漿。

2)分別測定混漿的初終凝時間、終凝后聲學特性、強度特性及孔隙特性。常規密度水泥漿配方為:嘉華G級水泥+2%降失水劑+0.6%分散劑,水灰比為0.44,密度為1.90 g/cm3。水泥漿配制與水泥石養護均按API規范執行。

3 聲學測試

3.1 水泥漿與鉆井液混漿聲學測試

表1是常規密度水泥漿與鉆井液按不同體積比混合后測得的數據。實驗環境為常溫常壓。各實驗平行樣為3個,試模為一般抗壓強度試件模具。

從表1可知:水泥漿與鉆井液混配后,隨著水泥漿體積的減少,混漿的初終凝時間均呈現增加趨勢;隨著水泥漿體積的減少,在常溫常壓下,混漿在終凝后強度隨之減少;隨鉆井液體積的增加,混漿聲阻抗值減少。

3.2 水泥漿與隔離液混漿聲學測試

表2是常規密度水泥漿與GYW 201隔離液按不同體積比混合后測得的數據。實驗環境為常溫、常壓。各實驗平行樣為3個,試模為一般抗壓強度試件模具。

表1 水泥漿與鉆井液混漿物理性能數據表

表2 水泥漿與GYW 201隔離液混漿物理性能數據表

從表2可以看出,隨著水泥漿體積量的減少(或隨著鉆井液體積量的增加),水泥漿與GYW 201隔離液混配后的初終凝時間呈增加趨勢,強度與聲阻抗呈減少趨勢。這一規律與鉆井液與水泥漿混漿特性相似。比較表1與表2數據,可得到如下的規律:

1)以水泥漿體積量為基準,在相同比例下,水泥漿與鉆井液混漿的初終凝時間均長于水泥漿與GYW 201隔離液混漿的初終凝時間,且隨著水泥漿體積量減少時,水泥漿與鉆井液混漿與水泥漿與GYW 201隔離液混漿的初終凝時間差異變大,在水泥漿體積只占1與4時,水泥漿與鉆井液混漿的初凝時間比水泥漿與GYW 201隔離液混漿的初凝時間長了13 d,終凝時間長了16 d。

2)在相同比例時,水泥漿與GYW 201隔離液混漿的聲阻抗數據均大于水泥漿與鉆井液混漿,其抗壓強度也大于水泥漿與鉆井液混漿。無論常規密度水泥漿與鉆井液漿或GYW 201隔離液以什么樣的體積比例混合,其混合后聲阻抗數據、強度數據均與水泥漿體積含量成正比,而初終凝時間與水泥漿體積含量成反比。

在終凝時刻,水泥漿與鉆井液混漿的聲阻抗值在任一比例下都小于水泥漿與GYW 201隔離液混漿,由于CBL聲幅值與套管—地層之間水泥環的聲阻抗成反比。因此,使用GYW 201隔離液的混漿段整體上比不使用GYW 201隔離液的混漿段聲阻抗值要大,繼而CBL測井后使用GYW 201隔離液后在混漿段聲幅曲線幅度值要小于不使用 GYW 201隔離液后的混漿段聲幅曲線幅度值。從水泥漿與鉆井液混漿與水泥漿與GYW 201隔離液混漿的初終凝時間數據可以看到,當不使用GYW 201隔離液時,混漿段要較長時間完全凝固,在通常的經驗測井時間(24～48 h)內進行CBL測井時,混漿段有一段可能還沒凝固,從而造成測井曲線的高值。甚至在鉆井液較多與水泥漿摻混的層段,要很長時間才凝固或不凝固,CBL測井曲線因此隨著時間的推移而仍然發生著很大變化。使用 GYW 201隔離液后,GYW 201隔離液在體積加量較大的情況下呈現出良好的凝固特性,并具有一定強度。因此,只要測井時間選擇的合適,CBL測井結果對混漿層段的固井質量的反應將是比較準確的,但需要結合水泥漿與GYW 201隔離液混漿段凝固后聲阻抗與固井水泥在測井時間聲阻抗對比以及自由套管段CBL聲幅曲線值進行詳細考察,力求在CBL上考慮水泥環各個層段由于各種情況導致的聲阻抗變化引起的曲線幅度值變化。可見,使用 GYW 201隔離液后,能得到更低的CBL測井曲線幅度值,能得到更好的聲波測井解釋。而且,使用GYW 201后,使得混漿段凝固性能變好,有助于更大程度更好地封隔地層,能較大程度地提高固井質量。而事實上,GYW 201隔離液使用后,還能很好地起到隔離、頂替鉆井液的作用,大大提高了第一界面與第二界面的固井質量,因而具有很好的工程應用前景。

4 孔隙度測試

由于聲速值與介質的孔隙度存在一定關系。因此,利用孔隙度測試的方法對混漿段聲學特性進行了微觀機理分析。對水泥石進行了孔隙度測試可反映水泥石塊內部孔隙多少,從而表現出水泥石內部的致密程度。水泥石內部的孔隙較多時,即水泥石內部結構較為疏松,根據聲學原理,測出的水泥石聲速值較小,從而其聲阻抗值較小;當水泥石內部孔隙較少時,即水泥石內部結構較為致密,根據聲學原理,測出的水泥石聲速值較大,從而其聲阻抗值較大。當水泥漿與鉆井液混合后,其內部孔隙體積與相同條件下水泥漿與隔離液混漿段孔隙體積必然存在差異,導致兩者聲速測值不同。試樣孔隙度是指試樣孔隙體積與試樣總體積之比,常用百分數表示。對水泥石試樣的孔隙度測試是根據阿基米得原理,用液體靜力稱重法來進行測定的。基本原理:測定時先將試樣開口孔隙中空氣排除,充以液體(媒介液),然后稱量飽和液體的試樣在空氣中的重量。試塊飽吸液體之前與飽吸液體之后,在空氣中的二次稱量差值,除以液體的密度即為試樣孔隙所占體積[7]。相同比例下,水泥漿與鉆井液混漿水泥石與水泥漿與GYW 201隔離液混漿水泥石的聲速存在差異,為找到水泥石內部結構致密性方面的證據,設計了如下的實驗分析:

1)常規密度水泥漿與鉆井液、GYW 201隔離液分別按75∶25、50∶50、25∶75這3種體積比進行混配,得到混漿。

2)在常溫常壓下養護72 h后進行孔隙度測試。

表3與表4是對不同比例的混漿進行超聲波測試與孔隙度測試之后的數據。為使測試的孔隙度更為精確,試樣平行樣均為3個,對每個試樣的孔隙度測試均進行3次重復測試,取平均值。

從表3與表4中可以看出:孔隙度的數據隨著水泥漿量的減少而增大;聲速數據隨水泥漿量減少而減少;在同一比例下,水泥漿與鉆井液混漿水泥石聲速值均小于水泥漿與隔離液混漿水泥石聲速值;在同一比例下,水泥漿與鉆井液混漿水泥石孔隙度均明顯大于水泥漿與隔離液混漿水泥石孔隙度。聲波在高孔隙度固體中傳播時,聲波時差較長,從而聲速較小,聲阻抗值較小,同理,聲波在低孔隙度固體中傳播時,聲波時差較短,從而聲速較大,聲阻抗值較大。水泥漿與鉆井液混漿水泥石孔隙度高于水泥漿與隔離液混漿水泥石孔隙度,說明后者內部結構較為致密,這一點是水泥漿與鉆井液混漿水泥石聲速值低于水泥漿與隔離液混漿水泥石聲速值的本質因素之一。

表3 水泥漿與鉆井液混漿測試數據表

表4 水泥漿與GYW 201隔離液混漿測試數據表

5 結論與建議

1)水泥漿含量越低,混漿段凝固時間越長,抗壓強度值越小,孔隙度越高,聲阻抗值越小,從而CBL聲幅曲線值越高。

2)由于水泥漿與 GYW 201隔離液摻混后凝固性能、強度性能與聲阻抗均能達到一定要求,GYW 201隔離液除能更好地改善第一界面與第二界面實際固井質量外,還能得到更好的CBL聲幅曲線,具有較好工程應用前景。

3)相同測試條件下,相同體積比的水泥漿與鉆井液混漿水泥石的聲速值低于水泥漿與隔離液混漿水泥石的聲速值的本質因素之一是前者的孔隙度值高于后者的孔隙度值。

4)由于前置液不可能完全頂替完鉆井液。因此,必然存在混漿段。對混漿段凝固特性、強度特性、聲阻抗特性的了解可對工程測井時間的確定提供參考,也可為CBL測井曲線的多組分水泥聲阻抗校正提供參考意見。

[1]張德潤,張旭.固井液設計與應用[M].北京:石油工業出版社,2000.

[2]劉崇建,黃柏宗,徐同臺,等.油氣井注水泥理論與應用[M].北京:石油工業出版社,2000.

[3]萬仁溥.現代完井工程[M].北京:石油工業出版社,2000.

[4]鄭友志,郭小陽,蔣永祥,等.混合材水泥漿組分與強度性能對水泥石聲速特征的影響研究[J].天然氣工業,2005,25 (11):59-61.

[5]劉向君,劉堂晏,劉詩瓊.測井原理及工程應用[M].北京:石油工業出版社,2008.

[6]李早元,鄭友志,郭小陽,等.水泥漿性能對聲波水泥膠結測井結果的影響[J].天然氣工業,2008,28(7):60-62.

[7]胡賡祥.材料科學基礎[M].上海:上海交通大學出版社, 2002.

Acoustical behaviors of cemented slurry/spacer/drilling fluid section in oil/gas wells

Zheng Youzhi1,Shu Qiugui2,Yao Kunquan3,Ma Faming1,Tang Geng1,Luo Yongfeng1,Wu Zongguo4,Wu Lan4,Yu Qiang3
(1.Gas Production Engineering Research Institute,Southw est Oil &Gasfield Com pany,PetroChina, Guanghan,Sichuan 618300,China;2.Postdoctoral Station,Southw est Petroleum Bureau,Sinopec,Chengdu,Sichuan 610051,China;3.Southw estOil&Gasf ield Com pany,PetroChina,Chengdu,Sichuan 610015, China;4.Chuanqing D rilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Chengdu,Sichuan 610051,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 10,pp.56-59,10/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The acoustical behaviors of casing,cement sheath and fo rmation are the key elements affecting the acoustic cement bond log(CBL)results.The cement sheath w ill include pure cement section and commingled cement slurry/space/drilling fluid section after the cement is set.Taking the commingled section as the study object,using ultra acoustic testing and porosity testing as the experimentalmethods,we analyze its acoustical behaviorsand developmentmechanism.The results show that the lower the slurry content,the longer the commingled section needs to be set,the smaller the comp ressive strength,the higher the porosity,and the smaller the acoustic impedance,w hich w ill be ultimately reflected by a high acoustic amplitude on the CBL curve.Under the same testing conditions,the po rosity of the cement slurry/drilling fluid section is higher than that of the cement slurry/spacer fluid section w ith the same volumetric ratio,w hich is one of the essential reasonsw hy the sound velocity in the former is lower than that in the latter. It is also found that besides a better bond quality between the first and the second interface,a better CBL curve w ill be also achieved by use of the GYW 201 spacer,w hich is p roved to have a p romising future in field app lication.A better understanding of the cement setting behavior,the strength behavior and the acoustical behavior of the commingled slurry section will help determine the logging time,co rrect the acoustic impedance of the cement sheath on the CBL curve,and evaluate the cementing quality exactly.

commingled slurry section,acoustic impedance,cement setting behavior,engineering logging,porosity,drilling fluid, spacer fluid

鄭友志等.油氣井固井水泥混漿段聲學特性分析.天然氣工業,2010,30(10):56-59.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.014

中國石油西南油氣田公司科學研究與技術開發項目“井下水泥環密封性評價研究”(編號:20100304-04)。

鄭友志,1979年生,工程師,博士;2001年畢業于原西南石油學院石油工程專業;從事油氣井固井方面的科研工作。地址:(618300)四川省廣漢市中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院氣井工程研究室。電話:(0838)5152441。E-mail:zyz08@ petrochina.com.cn

2010-03-29 編輯 鐘水清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.014

Zheng Youzhi,engineer,born in 1979,holds a Ph.D degree,and is now engaged in research on well cementing.

Add:South Sec.2,Zhongshan Rd.,Guanghan,Sichuan 618300,P.R.China

Tel:+86-838-5152 441 E-mail:zyz08@petrochina.com.cn