固井水泥环胶结质量检测与评价技术研究

武治强 许明标 刘书杰 周建良

(中海油研究总院， 北京 100028)

固井水泥环胶结质量检测与评价技术研究

武治强 许明标 刘书杰 周建良

(中海油研究总院， 北京 100028)

基于声波测井原理，进行固井水泥环胶结质量检测方法研究。制作了不同环空间隙、胶结情况的介质模型，分析测井CBL值与套管波首波声幅幅值的关系；通过套管波首波声幅幅值预测水泥环环空间隙和胶结强度，探讨水泥环室内胶结质量评价方法。

固井； 水泥环； 胶结质量； 声幅幅值； 质量检测

固井是钻完井作业过程中的一项重要环节，是隔离油气水层、建立油气流出通道、防止产层间互窜的主要手段。固井质量评价对于油气田勘探开发具有十分重要的意义。

声波测井是当前评价固井质量的主要方法之一。如果套管和水泥环胶结良好，套管波幅度就低；反之则声波幅度较高[1-3]。由于水泥环与套管、地层的胶结情况存在差异，使得快速实现固井水泥环胶结质量评价，成为目前固井质量评价中的一项重要难题[4-5]。

本次研究中，提出一种基于声波测井技术的固井质量评价方法。制作了不同环空间隙、胶结情况的介质模型，运用模型分析测井CBL值与套管波首波声幅幅值之间的关联关系，并通过套管波首波声幅幅值预测水泥环环空间隙和胶结强度。

1 固井胶结质量室内检测与评价

1.1 试验设备

试验中，将CTS-8077PR型脉冲发生接收仪与数字示波器组合成超声探头，进行声学特性评价和性能指标测试。用“一发一收”的声波探头来模拟实际声幅测井，探头频率为18 kHz左右，与实际生产中所用探头频率接近[6-7]。

将高速瞬态信号采集仪与电脑相连接，通过高速瞬态信号采集仪专用软件完成对接收信号的采集工作。在设备声幅测井过程中，室内接收器依次得到的波是套管波、地层波、水泥环波和泥浆波。图1所示为室内设备声幅测井示意图。

图1 室内设备声幅测井原理

根据几何声学原理，可估算出声波传播途径及套管波、直达波到达时间。通过计算套管波的到达时间，可确定这一时间段内声幅幅值的大小，从而得到套管与水泥环胶结质量检测结果。

1.2 介质模型

采用内径为121.44 mm的实际套管，将其置于模拟地层中。模拟地层的规格为：高度1 200.00 mm，外径500.00 mm，内径215.90 mm，底部封闭。

将水泥浆注入模拟地层与套管之间的环空中，并将模拟地层置于水中进行养护。

注入水泥浆后，分别观察其养护24、48、96 h时的变化。将声波探头垂直置于充满水的套管内，测量不同时间内套管声波波幅值的大小。

1.3 首波声幅幅值的测定

根据现场测井实际情况，对于测井曲线CBL值为5%的井，可判断其完全胶结且固井质量良好；对于测井曲线CBL值为100%的井，可判断其为自由套管，管外为水泥胶结。

通过室内自由套管和完全胶结套管井模型，进行套管波首波波幅幅值测定，并建立其与测井曲线CBL值的对应关系，便可以根据室内测定套管波首波声幅幅值来评价固井胶结质量。

2 套管首波声幅幅值与CBL值的对应关系

为了便于对比和分析，建立了室内自由套管和完全胶结套管井模型，分别测试2种条件下的套管波首波声幅幅值，并进行标定。

首先完成自由套管的模拟声幅测井工作，测得自由套管条件下的声波首波值曲线。图2所示为自由套管条件下测得的声波首波值曲线。该曲线中波形在188 μs处有明显振幅，振幅幅度达199.2 mV。

试验中，对完全胶结(无间隙)的套管井模型进行模拟声幅测井，测得套管与水泥环完全胶结的声波首波值曲线。图3所示为套管与水泥环完全胶结时测得的声波首波值曲线。该曲线中波形在188 μs处有明显振幅，振幅幅度达50.7 mV。

图2 自由套管条件下测得的声波首波值曲线

图3 套管与水泥环完全胶结时测得的声波首波值曲线

根据自由套管和完全胶结套管井所测得声波幅值与对应的CBL值，建立相对声波幅值与实测声波幅值的对应关系。图4所示为实测套管波首波声幅幅值与CBL值对应关系。

图4 实测套管波首波声幅幅值与相对声波幅值的对应关系

介于自由套管和完全胶结套管两者之间的水泥浆胶结情况，所测得的首波声幅值只能落在自由套管与完全胶结套管井模型首波峰值区间内。

3 固井环空间隙厚度评价

室内研究表明，水泥石凝固96 h后，所测得的套管波首波声幅幅值基本趋于稳定。表1所示为实测套管波首波声幅幅值与环空间隙厚度对应值。

根据所测试室内试验数据，绘制图5所示套管波首波声幅幅值与环空间隙厚度曲线。

对所测数据进行线性回归拟合，可据拟合方程测算套管波幅值估算环空间隙的大小。

4 固井水泥环胶结强度评价

研究表明，水泥石凝固168 h后，所测得的套管与水泥环胶结强度基本趋于稳定。表2所示为实测首波幅值与胶结强度对应值。

表1 实测套管波首波声幅幅值与环空间隙厚度对应值

图5 实测套管波首波声幅幅值与环空间隙厚度对应曲线

编号实测套管波首波声幅幅值∕mV实测胶结强度∕MPa147.203.07257.202.64364.602.26475.601.97591.101.63696.001.357105.001.078199.200

根据所测室内试验数据，绘制图6所示实测套管波首波声幅幅值与胶结强度对应曲线 。

图6 实测套管波首波声幅幅值与水泥环胶结强度对应曲线

对所测数据进行线性回归拟合，可据拟合方程来测算套管波声幅幅值，估算套管与水泥环胶结强度的大小。

5 固井胶结质量评价

根据实测套管波首波声幅幅值与相对声幅幅值、微间隙厚度和胶结强度的对应关系，得到了套管波首波声幅幅值与胶结质量性能评价标准。表3所示为固井胶结质量评价标准。

表3 固井胶结质量评价

根据该评价标准，可以在室内测定特定水泥浆体系凝固后的水泥环声幅幅值，以此评价固井水泥环的胶结质量，指导现场固井用水泥浆体系的优选和评价工作。

6 结 语

(1) 根据室内测定自由套管和完全胶结套管井所对应的首波波幅幅值，建立了相对声幅幅值与实测波幅幅值的函数对应关系。

(2) 根据室内研究，测定了常规水泥凝固条件下不同微间隙对应的首波声幅幅值，建立了套管波幅值与环空间隙厚度之间的函数对应关系。

(3) 根据室内研究，测定了常规水泥凝固条件下不同胶结类型的实测水泥胶结强度和首波声幅幅值，建立了套管波首波声幅幅值与胶结强度之间的函数对应关系。

(4) 结合实测套管波首波声幅幅值与相对声幅值、微间隙厚度和胶结强度等参数的关联关系，探讨根据室内测定声幅幅值评价水泥环胶结性能的评价方法。

[1] 王平.固井质量评价测井影响因素分析[J].测井技术，2008，32(5)：463-467.

[2] 朱江林，许明标，赵景芳.固井质量评价常用的测井方法[J].国外测井技术，2007，22(5)：45-48.

[3] 高义兵，刘其斌，刘子平，等.固井质量的测井评价及影响因素分析[J].国外测井技术，2008，23(3)：40-42.

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[6] 谢宇宁，周晓宇.微环隙对声幅测井影响的定量计算及校正[J].石油钻探技术，2013，41 (1)：45-50.

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Study on Testing Method and Evaluation Technology of Cement Bond Quality of Well Cementation

WUZhiqiangXUMingbiaoLIUShujieZHOUJianliang

(Research Institute of China National Offshore Oilfield Corporation, Beijing 100020, China)

Based on acoustic logging principle, this paper focuses on the research about cement bond quality test method. By making medium model of different annular gap and cement bonding, the connection between CBL value and first acoustic amplitude value of casing is analyzed; prediction of cement annular gap and bond quality performance is carried out with the help of first acoustic amplitude value of casing, to discuss the evaluation method of indoor cement sheath bonding quality.

cement; cement sheath; bond quality; amplitude value; quality inspection

2017-02-09

中海油有限公司综合科研项目“中海油井的完整性技术体系研究”(YXKY-2015-ZY-09)

武治强(1985 — )，男，硕士，工程师，研究方向为海上钻井工程设计。

TE256

A

1673-1980(2017)04-0039-03