油气井固井水泥混浆段声学特性分析

郑友志 舒秋贵 姚坤全 马发明 唐庚 罗咏枫吴宗国 吴兰 俞强

1.中国石油西南油气田公司采气工程研究院 2.中国石化西南石油局博士后工作站3.中国石油西南油气田公司 4.中国石油天然气集团公司川庆钻探工程有限公司

油气井固井水泥混浆段声学特性分析

郑友志1舒秋贵2姚坤全3马发明1唐庚1罗咏枫1吴宗国4吴兰4俞强3

1.中国石油西南油气田公司采气工程研究院 2.中国石化西南石油局博士后工作站3.中国石油西南油气田公司 4.中国石油天然气集团公司川庆钻探工程有限公司

套管、水泥环、地层3介质的声学特性是影响声波水泥胶结测井结果的关键因素。井下水泥环形成后,分为纯水泥段和水泥浆与隔离液或钻井液的混浆段。以油气井水泥混浆段为主要研究对象,提出利用超声波测试与孔隙度测试等为实验手段,分析了混浆段的声学特性及其形成机理。结果表明:水泥浆含量越低,混浆段凝固时间越长,抗压强度值越小,孔隙度越高,声阻抗值越小,从而CBL声幅曲线值越高;相同测试条件下,相同体积比的水泥浆与钻井液混浆水泥石的孔隙度高于水泥浆与隔离液混浆水泥石的孔隙度,这是前者声速值低于后者声速值的本质因素之一; GYW 201隔离液除能更好地改善第一界面与第二界面实际固井质量外,还能得到更好的CBL声幅曲线,具有较好的工程应用前景;掌握混浆段凝固特性、强度特性、声学特性可对工程测井时间的确定和CBL声幅曲线的水泥环声阻抗校正以及固井质量的精细评价提供参考。

混浆段 声阻抗 凝固特性 工程测井 孔隙度 钻井液 隔离液

常规水泥与钻井液很难相容,在接触时由于化学反应将产生胶凝现象,影响水泥环的物化特性,严重地影响了固井质量。为提高固井质量,前置液的研究与使用显得越来越重要。前置液介于钻井液与水泥浆之间,分为冲洗液与隔离液[1-3]。在固井现场,无论是使用隔离液、冲洗液或两种同时使用,都存在与水泥浆的接触,在井下会形成一段水泥浆与隔离液或冲洗液的混浆段。水泥浆与前置液的混浆段由于不同比例的掺混,物化性能(流变特性、稳定性、凝固特性以及强度性能等)均发生了不同程度的变化,从而直接导致油气井内水泥环上下段的不均匀性以及其声学特性的差异。套管与地层之间“填充物”的声学特性是影响声波水泥胶结测井结果的本质因素之一[4-5]。因此,混浆段引起的声学特性的差异必然影响声波水泥胶结测井结果。目前,对混浆段声学特性的研究,国内外鲜见报道。笔者通过室内实验探索混浆段的声学特性,为声波水泥胶结测井的精细评价解释以及CBL曲线的水泥环声阻抗校正提供参考。

1 原理分析

在只使用冲洗液的井眼,当水泥浆与冲洗液接触时,由于冲洗液一般是淡水加盐调配而成,甚至直接用清水进行冲洗(清水易于与钻井液、水泥浆相容),从物理意义上,相当于对水泥浆进行了稀释或一定程度增加了水灰比,此时,水泥浆与冲洗液的混浆段相当于不稳定水泥浆体系固井的情况[6]。在固井施工中,冲洗液单独使用时,如果冲洗液对钻井液冲洗程度不够,造成水泥浆与钻井液的直接接触时,不可避免地就会在井下形成水泥浆与钻井液的混浆段。由于钻井液与水泥浆化学组成的不同,两者掺混后必然会影响水泥浆的凝固特性。在常规测井时间(24 h或48 h)进行CBL测井,水泥浆与钻井液的混浆段由于在测井时间内凝固程度以及强度性能的差异,最终导致CBL测井曲线发生相应的变化。如果在CBL解释时,不对这种情况进行认知,会无法对固井质量评价解释提供证据支持。在使用隔离液时,水泥浆与隔离液直接接触,形成隔离液与水泥浆的混浆段。混浆段的物化性能与水泥浆的物化性能必然存在差别。使用隔离液时形成的混浆带与不使用隔离液时形成的混浆带(钻井液与水泥浆)的凝固特性、强度特性等影响着工程测井结果与实际固井质量。水泥环的声阻抗特性直接影响CBL曲线幅度,同理,在混浆段,使用隔离液与不使用隔离液的混浆段声学特性也将影响CBL曲线幅度。因此,混浆段的声阻抗特性是影响CBL幅度值的一个关键因素。从上述分析可知,固井施工形成的混浆段主要分为两种情况:一种是水泥浆与钻井液接触(只用冲洗液或不用前置液时)形成的混浆段,另一种是水泥浆与隔离液接触形成的混浆段。笔者将通过实验研究来分析这两种情况对工程测井结果的影响,从而对固井施工与工程测井解释提出合理性的建议。

2 实验设计

根据前述分析,对两种情形下的混浆段进行实验分析。实验所用钻井液为四川龙岗某井现场水基钻井液,密度为1.25 g/cm3。实验所用隔离液为西南石油大学固井研究室研制的GYW 201隔离液配方,设计密度为1.35 g/cm3。超声波测试实验采用西南石油大学重点实验室自制的“多频率探头测试声学参数设备”,其实际上就是一个示波器与一个可以使声波探头对被测试样加压的声波探头夹持装置组合而成。笔者通过如下实验来进行分析:

1)常规密度水泥浆与钻井液或 GYW 201隔离液分别按75∶25、50∶50、25∶75这3种体积比进行混配,得到混浆。

2)分别测定混浆的初终凝时间、终凝后声学特性、强度特性及孔隙特性。常规密度水泥浆配方为:嘉华G级水泥+2%降失水剂+0.6%分散剂,水灰比为0.44,密度为1.90 g/cm3。水泥浆配制与水泥石养护均按API规范执行。

3 声学测试

3.1 水泥浆与钻井液混浆声学测试

表1是常规密度水泥浆与钻井液按不同体积比混合后测得的数据。实验环境为常温常压。各实验平行样为3个,试模为一般抗压强度试件模具。

从表1可知:水泥浆与钻井液混配后,随着水泥浆体积的减少,混浆的初终凝时间均呈现增加趋势;随着水泥浆体积的减少,在常温常压下,混浆在终凝后强度随之减少;随钻井液体积的增加,混浆声阻抗值减少。

3.2 水泥浆与隔离液混浆声学测试

表2是常规密度水泥浆与GYW 201隔离液按不同体积比混合后测得的数据。实验环境为常温、常压。各实验平行样为3个,试模为一般抗压强度试件模具。

表1 水泥浆与钻井液混浆物理性能数据表

表2 水泥浆与GYW 201隔离液混浆物理性能数据表

从表2可以看出,随着水泥浆体积量的减少(或随着钻井液体积量的增加),水泥浆与GYW 201隔离液混配后的初终凝时间呈增加趋势,强度与声阻抗呈减少趋势。这一规律与钻井液与水泥浆混浆特性相似。比较表1与表2数据,可得到如下的规律:

1)以水泥浆体积量为基准,在相同比例下,水泥浆与钻井液混浆的初终凝时间均长于水泥浆与GYW 201隔离液混浆的初终凝时间,且随着水泥浆体积量减少时,水泥浆与钻井液混浆与水泥浆与GYW 201隔离液混浆的初终凝时间差异变大,在水泥浆体积只占1与4时,水泥浆与钻井液混浆的初凝时间比水泥浆与GYW 201隔离液混浆的初凝时间长了13 d,终凝时间长了16 d。

2)在相同比例时,水泥浆与GYW 201隔离液混浆的声阻抗数据均大于水泥浆与钻井液混浆,其抗压强度也大于水泥浆与钻井液混浆。无论常规密度水泥浆与钻井液浆或GYW 201隔离液以什么样的体积比例混合,其混合后声阻抗数据、强度数据均与水泥浆体积含量成正比,而初终凝时间与水泥浆体积含量成反比。

在终凝时刻,水泥浆与钻井液混浆的声阻抗值在任一比例下都小于水泥浆与GYW 201隔离液混浆,由于CBL声幅值与套管—地层之间水泥环的声阻抗成反比。因此,使用GYW 201隔离液的混浆段整体上比不使用GYW 201隔离液的混浆段声阻抗值要大,继而CBL测井后使用GYW 201隔离液后在混浆段声幅曲线幅度值要小于不使用 GYW 201隔离液后的混浆段声幅曲线幅度值。从水泥浆与钻井液混浆与水泥浆与GYW 201隔离液混浆的初终凝时间数据可以看到,当不使用GYW 201隔离液时,混浆段要较长时间完全凝固,在通常的经验测井时间(24～48 h)内进行CBL测井时,混浆段有一段可能还没凝固,从而造成测井曲线的高值。甚至在钻井液较多与水泥浆掺混的层段,要很长时间才凝固或不凝固,CBL测井曲线因此随着时间的推移而仍然发生着很大变化。使用 GYW 201隔离液后,GYW 201隔离液在体积加量较大的情况下呈现出良好的凝固特性,并具有一定强度。因此,只要测井时间选择的合适,CBL测井结果对混浆层段的固井质量的反应将是比较准确的,但需要结合水泥浆与GYW 201隔离液混浆段凝固后声阻抗与固井水泥在测井时间声阻抗对比以及自由套管段CBL声幅曲线值进行详细考察,力求在CBL上考虑水泥环各个层段由于各种情况导致的声阻抗变化引起的曲线幅度值变化。可见,使用 GYW 201隔离液后,能得到更低的CBL测井曲线幅度值,能得到更好的声波测井解释。而且,使用GYW 201后,使得混浆段凝固性能变好,有助于更大程度更好地封隔地层,能较大程度地提高固井质量。而事实上,GYW 201隔离液使用后,还能很好地起到隔离、顶替钻井液的作用,大大提高了第一界面与第二界面的固井质量,因而具有很好的工程应用前景。

4 孔隙度测试

由于声速值与介质的孔隙度存在一定关系。因此,利用孔隙度测试的方法对混浆段声学特性进行了微观机理分析。对水泥石进行了孔隙度测试可反映水泥石块内部孔隙多少,从而表现出水泥石内部的致密程度。水泥石内部的孔隙较多时,即水泥石内部结构较为疏松,根据声学原理,测出的水泥石声速值较小,从而其声阻抗值较小;当水泥石内部孔隙较少时,即水泥石内部结构较为致密,根据声学原理,测出的水泥石声速值较大,从而其声阻抗值较大。当水泥浆与钻井液混合后,其内部孔隙体积与相同条件下水泥浆与隔离液混浆段孔隙体积必然存在差异,导致两者声速测值不同。试样孔隙度是指试样孔隙体积与试样总体积之比,常用百分数表示。对水泥石试样的孔隙度测试是根据阿基米得原理,用液体静力称重法来进行测定的。基本原理:测定时先将试样开口孔隙中空气排除,充以液体(媒介液),然后称量饱和液体的试样在空气中的重量。试块饱吸液体之前与饱吸液体之后,在空气中的二次称量差值,除以液体的密度即为试样孔隙所占体积[7]。相同比例下,水泥浆与钻井液混浆水泥石与水泥浆与GYW 201隔离液混浆水泥石的声速存在差异,为找到水泥石内部结构致密性方面的证据,设计了如下的实验分析:

1)常规密度水泥浆与钻井液、GYW 201隔离液分别按75∶25、50∶50、25∶75这3种体积比进行混配,得到混浆。

2)在常温常压下养护72 h后进行孔隙度测试。

表3与表4是对不同比例的混浆进行超声波测试与孔隙度测试之后的数据。为使测试的孔隙度更为精确,试样平行样均为3个,对每个试样的孔隙度测试均进行3次重复测试,取平均值。

从表3与表4中可以看出:孔隙度的数据随着水泥浆量的减少而增大;声速数据随水泥浆量减少而减少;在同一比例下,水泥浆与钻井液混浆水泥石声速值均小于水泥浆与隔离液混浆水泥石声速值;在同一比例下,水泥浆与钻井液混浆水泥石孔隙度均明显大于水泥浆与隔离液混浆水泥石孔隙度。声波在高孔隙度固体中传播时,声波时差较长,从而声速较小,声阻抗值较小,同理,声波在低孔隙度固体中传播时,声波时差较短,从而声速较大,声阻抗值较大。水泥浆与钻井液混浆水泥石孔隙度高于水泥浆与隔离液混浆水泥石孔隙度,说明后者内部结构较为致密,这一点是水泥浆与钻井液混浆水泥石声速值低于水泥浆与隔离液混浆水泥石声速值的本质因素之一。

表3 水泥浆与钻井液混浆测试数据表

表4 水泥浆与GYW 201隔离液混浆测试数据表

5 结论与建议

1)水泥浆含量越低,混浆段凝固时间越长,抗压强度值越小,孔隙度越高,声阻抗值越小,从而CBL声幅曲线值越高。

2)由于水泥浆与 GYW 201隔离液掺混后凝固性能、强度性能与声阻抗均能达到一定要求,GYW 201隔离液除能更好地改善第一界面与第二界面实际固井质量外,还能得到更好的CBL声幅曲线,具有较好工程应用前景。

3)相同测试条件下,相同体积比的水泥浆与钻井液混浆水泥石的声速值低于水泥浆与隔离液混浆水泥石的声速值的本质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顶替完钻井液。因此,必然存在混浆段。对混浆段凝固特性、强度特性、声阻抗特性的了解可对工程测井时间的确定提供参考,也可为CBL测井曲线的多组分水泥声阻抗校正提供参考意见。

[1]张德润,张旭.固井液设计与应用[M].北京:石油工业出版社,2000.

[2]刘崇建,黄柏宗,徐同台,等.油气井注水泥理论与应用[M].北京:石油工业出版社,2000.

[3]万仁溥.现代完井工程[M].北京:石油工业出版社,2000.

[4]郑友志,郭小阳,蒋永祥,等.混合材水泥浆组分与强度性能对水泥石声速特征的影响研究[J].天然气工业,2005,25 (11):59-61.

[5]刘向君,刘堂晏,刘诗琼.测井原理及工程应用[M].北京:石油工业出版社,2008.

[6]李早元,郑友志,郭小阳,等.水泥浆性能对声波水泥胶结测井结果的影响[J].天然气工业,2008,28(7):60-62.

[7]胡赓祥.材料科学基础[M].上海:上海交通大学出版社, 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

郑友志等.油气井固井水泥混浆段声学特性分析.天然气工业,2010,30(10):56-59.

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

中国石油西南油气田公司科学研究与技术开发项目“井下水泥环密封性评价研究”(编号:20100304-04)。

郑友志,1979年生,工程师,博士;2001年毕业于原西南石油学院石油工程专业;从事油气井固井方面的科研工作。地址:(618300)四川省广汉市中国石油西南油气田公司采气工程研究院气井工程研究室。电话:(0838)5152441。E-mail:zyz08@ petrochina.com.cn

2010-03-29 编辑 钟水清)

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