油氣井固井水泥混漿段聲學(xué)特性分析

摘 要

摘要：套管、水泥環(huán)、地層3介質(zhì)的聲學(xué)特性是影響聲波水泥膠結(jié)測井結(jié)果的關(guān)鍵因素。井下水泥環(huán)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
摘要：套管、水泥環(huán)、地層3介質(zhì)的聲學(xué)特性是影響聲波水泥膠結(jié)測井結(jié)果的關(guān)鍵因素。井下水泥環(huán)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(shí)驗(yàn)手段，分析了混漿段的聲學(xué)特性及其形成機(jī)理。結(jié)果表明：水泥漿含量越低，混漿段凝固時間越長，抗壓強(qiáng)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(zhì)因素之一；GYW201隔離液除能更好地改善第一界面-9第二界面實(shí)際固井質(zhì)量外，還能得到更好的CBL聲幅曲線，具有較好的工程應(yīng)用前景；掌握混漿段凝固特性、強(qiáng)度特性、聲學(xué)特性可對工程測井時間的確定和CBL聲幅曲線的水泥環(huán)聲阻抗校正以及固井質(zhì)量的精細(xì)評價提供參考。
關(guān)鍵詞：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(guī)水泥與鉆井液很難相容，在接觸時由于化學(xué)反應(yīng)將產(chǎn)生膠凝現(xiàn)象，影響水泥環(huán)的物化特性，嚴(yán)重地影響了固井質(zhì)量。為提高固井質(zhì)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(xiàn)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(wěn)定性、凝固特性以及強(qiáng)度性能等)均發(fā)生了不同程度的變化，從而直接導(dǎo)致油氣井內(nèi)水泥環(huán)上下段的不均勻性以及其聲學(xué)特性的差異。套管與地層之間“填充物”的聲學(xué)特性是影響聲波水泥膠結(jié)測井結(jié)果的本質(zhì)因素之一[4～5]。因此，混漿段引起的聲學(xué)特性的差異必然影響聲波水泥膠結(jié)測井結(jié)果。目前，對混漿段聲學(xué)特性的研究，國內(nèi)外鮮見報道。筆者通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)探索混漿段的聲學(xué)特性，為聲波水泥膠結(jié)測井的精細(xì)評價解釋以及CBL曲線的水泥環(huán)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(dāng)水泥漿與沖洗液接觸時，由于沖洗液一般是淡水加鹽調(diào)配而成，甚至直接用清水進(jìn)行沖洗(清水易于與鉆井液、水泥漿相容)，從物理意義上，相當(dāng)于對水泥漿進(jìn)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(dāng)于不穩(wěn)定水泥漿體系固井的情況[6]。在固井施工中，沖洗液單獨(dú)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(xué)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(guī)測井時間(24h或48h)進(jìn)行CBL測井，水泥漿與鉆井液的混漿段由于在測井時間內(nèi)凝固程度以及強(qiáng)度性能的差異，最終導(dǎo)致CBL測井曲線發(fā)生相應(yīng)的變化。如果在CBL解釋時，不對這種情況進(jìn)行認(rèn)知，會無法對固井質(zhì)量評價解釋提供證據(jù)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?；鞚{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(qiáng)度特性等影響著工程測井結(jié)果與實(shí)際固井質(zhì)量。水泥環(huán)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(xué)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(guān)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(shí)驗(yàn)研究來分析這兩種情況對工程測井結(jié)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(shí)驗(yàn)設(shè)計
    根據(jù)前述分析，對兩種情形下的混漿段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)所用鉆井液為四川龍崗某井現(xiàn)場水基鉆井液，密度為1.25g/cm3。實(shí)驗(yàn)所用隔離液為西南石油大學(xué)固井研究室研制的GYW201隔離液配方，設(shè)計密度為1.35g/cm3。超聲波測試實(shí)驗(yàn)采用西南石油大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自制的“多頻率探頭測試聲學(xué)參數(shù)設(shè)備”，其實(shí)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(shí)驗(yàn)來進(jìn)行分析：
    1) 常規(guī)密度水泥漿與鉆井液或GYW201隔離液分別按75：25、50：50、25：75這3種體積比進(jìn)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(xué)特性、強(qiáng)度特性及孔隙特性。常規(guī)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1.90g/cm3。水泥漿配制與水泥石養(yǎng)護(hù)均按API規(guī)范執(zhí)行。
3 聲學(xué)測試
3.1 水泥漿與鉆井液混漿聲學(xué)測試
    表1是常規(guī)密度水泥漿與鉆井液按不同體積比混合后測得的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為常溫常壓。各實(shí)驗(yàn)平行樣為3個，試模為一般抗壓強(qiáng)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(xiàn)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(qiáng)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(xué)測試
表2是常規(guī)密度水泥漿與GYW201隔離液按不同體積比混合后測得的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為常溫、常壓。各實(shí)驗(yàn)平行樣為3個，試模為一般抗壓強(qiáng)度試件模具。
    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GYW201隔離液混配后的初終凝時間呈增加趨勢，強(qiáng)度與聲阻抗呈減少趨勢。這一規(guī)律與鉆井液與水泥漿混漿特性相似。比較表1與表2數(shù)據(jù)，可得到如下的規(guī)律：
    1) 以水泥漿體積量為基準(zhǔn)，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GYW201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GYW201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GYW201隔離液混漿的初凝時間長了13d，終凝時間長了16d。
    2) 在相同比例時，水泥漿與GYW201隔離液混漿的聲阻抗數(shù)據(jù)均大于水泥漿與鉆井液混漿，其抗壓強(qiáng)度也大于水泥漿與鉆井液混漿。無論常規(guī)密度水泥漿與鉆井液漿或GYW201隔離液以什么樣的體積比例混合，其混合后聲阻抗數(shù)據(jù)、強(qiáng)度數(shù)據(jù)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GYW201隔離液混漿，由于CBL聲幅值與套管一地層之間水泥環(huán)的聲阻抗成反比。因此，使用GYW201隔離液的混漿段整體上比不使用GYW201隔離液的混漿段聲阻抗值要大，繼而CBL測井后使用GYW201隔離液后在混漿段聲幅曲線幅度值要小于不使用GYW201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GYW201隔離液混漿的初終凝時間數(shù)據(jù)可以看到，當(dāng)不使用GYW201隔離液時，混漿段要較長時間完全凝固，在通常的經(jīng)驗(yàn)測井時間(24～48h)內(nèi)進(jìn)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(fā)生著很大變化。使用GYW201隔離液后，GYW201隔離液在體積加量較大的情況下呈現(xiàn)出良好的凝固特性，并具有一定強(qiáng)度。因此，只要測井時間選擇的合適，CBL測井結(jié)果對混漿層段的固井質(zhì)量的反應(yīng)將是比較準(zhǔn)確的，但需要結(jié)合水泥漿與GYW201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(jìn)行詳細(xì)考察，力求在CBL上考慮水泥環(huán)各個層段由于各種情況導(dǎo)致的聲阻抗變化引起的曲線幅度值變化。可見，使用GYW201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GYW201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(zhì)量。而事實(shí)上，GYW201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(zhì)量，因而具有很好的工程應(yīng)用前景。
4 孔隙度測試
    由于聲速值與介質(zhì)的孔隙度存在一定關(guān)系。因此，利用孔隙度測試的方法對混漿段聲學(xué)特性進(jìn)行了微觀機(jī)理分析。對水泥石進(jìn)行了孔隙度測試可反映水泥石塊內(nèi)部孔隙多少，從而表現(xiàn)出水泥石內(nèi)部的致密程度。水泥石內(nèi)部的孔隙較多時，即水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松，根據(jù)聲學(xué)原理，測出的水泥石聲速值較小，從而其聲阻抗值較小；當(dāng)水泥石內(nèi)部孔隙較少時，即水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密，根據(jù)聲學(xué)原理，測出的水泥石聲速值較大，從而其聲阻抗值較大。當(dāng)水泥漿與鉆井液混合后，其內(nèi)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(dǎo)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?jǐn)?shù)表示。對水泥石試樣的孔隙度測試是根據(jù)阿基米得原理，用液體靜力稱重法來進(jìn)行測定的?；驹恚簻y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GYW201隔離液混漿水泥石的聲速存在差異，為找到水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密性方面的證據(jù)，設(shè)計了如下的實(shí)驗(yàn)分析：
    1) 常規(guī)密度水泥漿與鉆井液、GYW201隔離液分別按75：25、50：50、25：75這3種體積比進(jìn)行混配，得到混漿。
    2) 在常溫常壓下養(yǎng)護(hù)72h后進(jìn)行孔隙度測試。

    表3與表4是對不同比例的混漿進(jìn)行超聲波測試與孔隙度測試之后的數(shù)據(jù)。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(jìn)行3次重復(fù)測試，取平均值。
    從表3與表4中可以看出：孔隙度的數(shù)據(jù)隨著水泥漿量的減少而增大；聲速數(shù)據(jù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密，這一點(diǎn)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(zhì)因素之一。
5 結(jié)論與建議
    1) 水泥漿含量越低，混漿段凝固時間越長，抗壓強(qiáng)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GYW201隔離液摻混后凝固性能、強(qiáng)度性能與聲阻抗均能達(dá)到一定要求，GYW201隔離液除能更好地改善第一界面與第二界面實(shí)際固井質(zhì)量外，還能得到更好的CBL聲幅曲線，具有較好工程應(yīng)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(zhì)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(qiáng)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。
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(本文作者：鄭友志1 舒秋貴2 姚坤全3 馬發(fā)明1 唐庚1 羅詠楓1 吳宗國4 吳蘭4 俞強(qiáng)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(tuán)公司川慶鉆探工程有限公司)