低密度水泥固井質量評價方法的改進

羅勇 宋文宇 步玉環 王美潔

1.中海石油（中國）有限公司上海分公司 2.中國石油大學（華東）石油工程學院

低密度水泥固井質量評價方法的改進

羅勇1宋文宇2步玉環2王美潔2

1.中海石油（中國）有限公司上海分公司 2.中國石油大學（華東）石油工程學院

為了防止低壓易漏地層發生固井液漏失并有效保護油氣層，固井過程中經常采用低密度水泥漿體系。由于低密度水泥漿體系中密度減輕劑的使用，其水泥環的聲阻抗值較之常規密度水泥環的聲阻抗存在差異，若采用常規密度水泥的固井質量評價標準來評價低密度水泥漿體系的固井質量，則其真實可靠性存在問題。為此，進行了3種常用低密度水泥漿體系的水泥石抗壓強度與聲阻抗實驗，分別測定了水泥石養護時間24 h和48 h的抗壓強度和聲阻抗值。結果表明，不同類型不同密度的低密度水泥石24 h和48 h條件下的抗壓強度與聲阻抗具有良好的線性關系，由此得出了考慮第一界面膠結良好時，基于抗壓強度的低密度水泥漿體系套管波聲幅值計算公式，進而提出了基于低密度水泥石抗壓強度的低密度固井質量評價的改進方法，為全面改進低密度水泥漿體系固井質量評價標準奠定了基礎。

抗壓強度 聲阻抗 低密度 固井質量評價 評價標準 第一界面

用低密度水泥固井時，由于套管與水泥環聲耦合要比常規密度水泥差［1］，這就造成采用常規水泥漿體系固井質量評價標準進行其固井質量的結果會有所偏差，甚至導致錯誤的評價結果。現場的實際應用也證明了低密度水泥固井時聲波水泥膠結測井解釋結果有時與實際固井質量存在不一致的問題［2］。

楚澤涵等在只增大水灰比來減輕水泥石密度的實驗研究中，提出了油井水泥抗壓強度與聲阻抗之間有非線性關系［3］，而在固井的現場作業過程中都是通過添加減輕劑和調整水灰比來同時達到減輕水泥漿密度的目的，因此其實驗存在一定誤差。章成廣等提出采用校正圖版和校正公式來改進低密度固井質量評價［4］，但是由于減輕劑的不同，每種類型的低密度水泥石的聲學特性不完全相同，用此方法來評價低密度固井質量并不完全適用于所有類型低密度水泥漿。

筆者擬通過實驗對比幾種常規低密度水泥漿的水泥石聲阻抗與抗壓強度關系，提出基于此關系的低密度固井質量評價的一種改進方法。

1 實驗配方及操作流程

1.1 實驗配方

實驗主要是針對于現場常用的漂珠微硅復合低密度水泥漿體系、粉煤灰低密度水泥體系和微硅低密度水泥漿體系進行實驗研究。實驗中采用的低密度水泥漿體系的配方如表1～3所示。

1.2 實驗流程

1）將每種類型低密度水泥漿配備兩組，倒入模具中，放入75℃常壓養護釜內養護，一組養護24 h，一組養護48 h。

2）稱取并記錄得到的水泥石的質量，然后利用排水法求出水泥石的體積，進而求出水泥石的密度ρ。

表2 粉煤灰低密度水泥漿配方表［6］

表3 微硅低密度水泥漿配方表［7］

3）利用HF－G型智能超聲波綜合測試儀（中國揚州）測出水泥石的縱波聲速（v），根據Z＝ρv，求出水泥石的聲阻抗（Z）。

4）利用NYL－300型壓力試驗機（無錫建筑材料儀器機械廠）測出水泥石的抗壓強度。

2 不同體系配方下水泥石抗壓強度與聲阻抗關系

2.1 各種配方條件下各自抗壓強度和聲阻抗的關系

對3種配方的抗壓強度和聲阻抗進行分析，得出如圖1～3的關系曲線。

由圖1～3可以看出：

1）3種低密度水泥漿體系的水泥石的聲阻抗均與抗壓強度呈良好的線性關系，且聲阻抗隨著抗壓強度的增大而增大。

圖1 漂珠微硅復合低密度水泥漿聲阻抗與抗壓強度關系圖

圖2 粉煤灰低密度水泥漿聲阻抗與抗壓強度關系圖

圖3 微硅低密度水泥漿聲阻抗與抗壓強度關系圖

2）隨著養護時間的增加，水泥石48 h的抗壓強度和聲阻抗均大于24 h的抗壓強度和聲阻抗，但是曲線斜率略有降低。

2.2 3種低密度水泥漿體系抗壓強度和聲阻抗關系的綜合分析

盡管圖1～3都顯示出各自體系條件下水泥石抗壓強度與聲阻抗的良好線性關系，為此需要考察其關系是否可以推廣至所有常用低密度水泥漿體系。將3種低密度水泥漿體系的抗壓強度與聲阻抗對應值放入同一幅圖中（圖4）進行觀察比較。

圖4 3種低密度水泥漿聲阻抗與抗壓強度關系圖

由圖4可以看出，將3種低密度水泥石放在一起比較發現，聲阻抗與水泥石抗壓強度仍然有良好的線性關系。對24 h和48 h的3種低密度水泥石抗壓強度和聲阻抗曲線進行擬合，得到如下關系式：

式中Z為水泥石聲阻抗，104g／cm2·s；G為水泥石抗壓強度，MPa。

因此，按照式（1）、（2）可根據測井曲線求出水泥石聲阻抗值，進而估算出井內水泥石抗壓強度，作為評價固井質量的指標之一。同時也可以根據實驗室模擬井下條件或者根據經驗方法，測得水泥石抗壓強度，然后根據式（1）、（2）求出水泥石聲阻抗，進而根據井下聲波傳播規律，得到低密度固井質量評價改進方法。

3 低密度水泥固井質量評價改進方法

3.1 理論分析

套管波用來評價固井第一界面膠結質量，套管波的聲強（或幅度）大小與水泥膠結好壞有關［8］，當不考慮水泥環對聲波的吸收衰減時，接收到的套管波聲強（J）為：

式中α12為折射系數，β23為反射系數。α12與鉆井液聲阻抗值Z1和套管聲阻抗值Z2有關，β23與套管聲阻抗值Z2和水泥聲阻抗值Z3有關。

分析低密度水泥漿與常規密度水泥漿固井質量評價標準時，假設鉆井液和套管為固定材料且套管為固定型號，固井質量膠結好，則Z1、Z2為一定值，那么α12也為一定值。那么套管波聲強J只與反射系數β23有關，即只與水泥環聲阻抗值Z3有關。再根據聲強與幅度的關系［9］，得到如下的聲幅值表達式：

式中m＝2c Z2，常數；n＝Z2，常數；c為常數。

則由式（4）可看出，當把其他條件看作定值，只考慮水泥石聲阻抗時，套管波首波幅度是關于水泥環聲阻抗值Z3的函數，且隨著Z3的增大，聲幅值A減小。而低密度水泥石的聲阻抗值要小于常規密度水泥石的聲阻抗，故用低密度水泥固井時得到的套管波幅度要大于用常規密度固井時的套管波幅度，如果仍用常規密度水泥固井時的評價標準去評價低密度固井質量時，會出現偏差，因此需要對固井質量評價方法進行修正。由式（4）可以知道，只要知道水泥環聲阻抗Z3，就可以知道固井質量膠結好時的理論聲幅值。

3.2 基于低密度水泥石抗壓強度的套管波幅度計算方法

由于現場評價固井質量時采用的測井時間為24 h，在此采用式（1）來求取水泥環聲阻抗值及完全膠結套管波理論幅度值。

將式（1）代入式（4）中就可得到第一界面膠結質量好時，理論接收到的套管波幅度與水泥石抗壓強度的關系的計算式：

式中m、n、c均為定值。

因此，套管波幅度只與低密度水泥石抗壓強度有關。在測井時，如果通過室內實驗知道水泥石的抗壓強度，就可以計算出第一界面膠結良好時理論接收到的套管波幅度值。

3.3 固井質量評價方法改進

聲幅測井一般采用聲波相對幅度法和水泥膠結指數法來判定固井質量，本文針對聲波相對幅度法提出改進措施。

聲波相對幅度法：

式中Af為相對幅度，%；A為目的井段套管波首波幅度值，m V；Ao為自由套管井段的套管波首波幅度值，m V。

其常規評價標準為［10］：Af≤10%為水泥膠結良好，10%＜Af≤30%為水泥膠結中等，Af＞30%時為水泥膠結差（此標準僅供參考，具體標準根據各油田實際情況而定）。

以Af1和Af2分別表示低密度水泥石和常規密度水泥石第一界面膠結良好時的理論相對幅值，由式（5）、（6）可以分別計算得出。由于低密度水泥石的聲阻抗值要小于常規密度水泥石，聲耦合差，造成其聲幅值要更高，故Af1大于Af2。定義基于水泥石抗壓強度的低密度聲波幅度增大系數為l，即

由此，可以通過求得l（l＞1）來改進低密度固井質量評價標準。假定低密度水泥漿體系固井后測得的實際相對幅值為Af，其評價標準就改變為：Af≤10%×l為水泥膠結良好，10%×l≤Af≤30%×l為水泥膠結中等，Af＞30%×l時為水泥膠結差。

4 結論

通過理論分析、實驗研究得出以下主要結論：

1）對于漂珠微硅復合低密度水泥、微硅低密度水泥和粉煤灰低密度水泥等低密度水泥漿體系來說，水泥石抗壓強度與聲阻抗值有良好的線性關系。

2）運用幾何聲學理論分析及實驗得到的規律，考慮第一界面膠結良好時，測井接收到的套管波幅度大小取決于水泥環的聲阻抗值大小，得出了本實驗條件下基于抗壓強度的低密度水泥漿體系套管波聲幅值計算公式。

3）提出了基于水泥石的抗壓強度的低密度水泥漿體系第一界面固井質量評價標準的改進措施，為全面改進低密度水泥漿體系固井質量評價標準奠定了基礎。

［1］田鑫，章成廣，李維彥.低密度水泥對CBL／VDL評價固井質量影響［J］.內蒙古石油化工，2005，15（6）：113－114.

［2］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.

［3］楚澤涵，帥健，白鵬飛，等.油井水泥抗壓強度與聲阻抗關系的實驗研究［J］.石油大學學報：自然科學版，1991，13（6）：1－6.

［4］江萬哲，章成廣，陳義群.低密度水泥固井對套管波幅度的影響及其校正方法［J］.石油天然氣學報：江漢石油學院學報，2008，30（5）：77－80.

［5］周仕明.微硅漂珠復合低密度水泥體系的探討［J］.鉆井液與完井液，1999，16（6）：27－29.

［6］張鵬偉，李元，鄒玉蘭，等.粉煤灰低密度水泥漿體系的研究與應用［J］.河南石油，1998，12（5）：28－31.

［7］劉德平，鐘策，王群，等.微硅低密度水泥固井技術研究［J］，天然氣工業，2001，21（6）：65－66.

［8］章成廣，江萬哲，潘和平.聲波測井原理與應用［M］.北京：石油工業出版社，2009.

［9］張海瀾.理論聲學［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［10］王璽，謝榮院.空心微珠低密度水泥漿固井質量評價方法探討［J］.石油鉆探技術，1994，24（1）：56－57.

Improvement on the cementing quality assessment method for light－weight cement sheaths

Luo Yong1，Song Wenyu2，Bu Yuhuan2，Wang Meijie2
（1.CNOOC（Shanghai）Company，Shanghai 200030，China；2.School of Petroleum Engineering，China U－niversity of Petroleum，Qingdao，Shandong 266580，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.59－62，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Light－weight liquid cement systems are frequently adopted in the well cementing process in order to prevent low－pressure，mud loss－prone formations from developing cementing fluid loss and to protect oil／gas－bearing formations effectively.The lightening admixture used in a light－weight liquid cement system contributes to the acoustic impedance difference between its cement sheath and normal－weight cement sheath.Therefore，if the cementing quality assessment method for a normal－weight sheath is adopted in a light－weight liquid cement system，the accuracy and reliability of the assessment results will be in doubt.In this paper，compressive strength ＆acoustic impedance tests were conducted on the cement stone of three common types of light－weight liquid cement systems to determine the compressive strength and acoustic impedance after 24 hours and 48 hours of curing，respectively.As shown from the test results，the compressive strength and acoustic impedance of the light－weight cement stone of different types and weight had a good linear relationship under 24－hour and 48－hour curing conditions.Therefore，an equation was developed for calculating the compressive strength－based acoustic amplitude of casing waves of a light－weight liquid cement system in times of favorable cementation of the first interface.After that，based on the compressive strength of light－weight cement stone，an improvement method used for light－weight well cementing quality assessment was thus suggested.This lays a foundation for improving the cementing quality standard of a light－weight liquid cement system.

compressive strength，acoustic impedance，light－weight，cementing quality assessment，first interface

羅勇等.低密度水泥固井質量評價方法的改進.天然氣工業，2012，32（10）：59－62.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.014

羅勇，1965年生，高級工程師；從事海洋石油鉆井、完井作業。地址：（200030）上海市零陵路583號海洋石油大廈2821室。電話：13311636615。E－mail：luoyong＠cnooc.com.cn

（修改回稿日期 2012－07－11 編輯 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.014

Luo Yong，senior engineer，born in 1965，is mainly engaged in offshore oil drilling and completion work.

Add：Room 2821，Haiyang Shiyou（CNOOC）Building，No.583，Lingling Rd.，Shanghai 200030，P.R.China

E－mail：luoyong＠cnooc.com.cn