低密度水泥浆固井质量评价刻度试验研究

侯庆功，姜文芝，谢景平，赵国华，刁晓红

（中国石化胜利石油管理局测井公司，山东东营257096）

低密度水泥浆固井质量评价刻度试验研究

侯庆功，姜文芝，谢景平，赵国华，刁晓红

（中国石化胜利石油管理局测井公司，山东东营257096）

为了对低密度水泥浆固井质量进行评价，建造了低密度水泥浆固井质量模型。通过模拟试验研究了水泥浆固结硬化为水泥石的一段时间内，其声波速度、声阻抗及抗压强度、剪切力等参数的变化规律。试验表明，水泥浆中使用了添加剂后，水泥固结时间延长；水泥石的剪切力和抗压强度随水泥浆凝固时间增加而增加。低密度水泥石的抗压强度和剪切力更小，使用低密度水泥浆固井时要求层间封隔的距离比常规水泥浆固井要长才能起到封固作用。进行了低密度水泥浆固井第Ⅰ界面固井评价刻度试验，采用声幅相对值法和胶结比法得到第Ⅰ界面固井质量评价标准。该试验结果为正确评价低密度水泥浆固井质量提供了依据。

固井技术；低密度水泥浆；固井质量；模拟实验；声学性能；评价标准

0 引 言

正确评价固井质量，可以检验泥浆体系和固井工艺的适应性，为固井技术发展提供可靠的依据。为适应钻探对象、保护油气层及节约投资等目的，与之密切相关的固井技术得到了较快发展，低密度水泥浆的应用范围不断扩大，生产中需要制定低密度水泥浆固井质量评价标准，解决低密度水泥浆固井质量评价问题。

1 低密度水泥浆固井质量模型建造及声学性能测量

按照胜利油田黄河固井公司提供的固井水泥配方，搅拌均匀，测量水泥浆密度，根据实际测量的密度进行微量调整，得到密度1.3、1.5、1.8g／cm3的水泥浆。实验中共制作模拟Ⅰ界面2∶1模型13个，1∶1模型21个，模拟Ⅱ界面1∶1模型17个以及若干个实验室用的水泥石试样。

试验主要关注的是水泥浆固结硬化为水泥石的一段时间内，其声波速度、声阻抗及抗压强度、剪切力（对地层的密封能力）等参数的测量及其变化规律；通过试验间接测定井内高温环境下这些参数的变化规律。

1.1 添加剂对低密度水泥石影响

不改变低密度水泥浆主要组分质量比例，只改变降失水、减阻添加剂含量，使用透明管观察水泥浆的凝固变化。试验结果见表1。

（1）纯水泥加水，凝固快，但均匀性差，有直观的差别。

（2）加入降失水剂，减小泥浆的流动性，增加均匀性，但延缓了固化时间；4、7、12、15号样的降失水剂含量超过2%，2d后还是泥浆状。

（3）加入减阻剂增加流动性，增加固化速度，但大量使用会使得水泥石分化为下重上轻；8、16号样品分为2层凝固。

表1 添加剂与低密度水泥石凝固时间关系

1.2 温度－添加剂－固结时间综合试验测量

制作水泥样品为Φ30mm×50mm的圆柱体，带模具在水中恒温养护，测量时，去掉模具，测量后继续养护。使用岩石声波测量仪器在实验室测量水泥浆分别在20、60、90℃温度条件下的纵波速度。添加剂为降失水剂＋减阻剂，剂量各占总质量的0.5%。试验结果见图1至图3。

从试验数据得到密度为1.8g／cm3的水泥石，纵波速度约为3 200m／s。井内高温环境下24h达到最高速度的95%以上，常温下需要5～6d达到这个速度。

密度为1.4g／cm3的水泥石纵波速度约为2 900m／s。井内高温环境下24h达到最高速度的95%以上，常温下需要5～6d达到这个速度。

密度为1.2g／cm3的水泥石纵波速度约为2 700m／s。井内高温环境下36h达到最高速度的95%以上，常温下需要5～6d达到这个速度。

图1 温度－添加剂－时间-1.8g／cm3水泥石声波速度试验

如果水泥浆中使用了添加剂，水泥固结时间延长，具体凝固时间与添加剂多少密切相关。

1.3 抗压强度及剪切力变化规律实验测量

制作不同密度的水泥石样品150个，其大小为Φ30mm×50mm的圆柱体，常温30℃水中养护。使用水泥石压力、剪切力测试装置。剪切力测量的是水泥浆与铁板固结后之间的剪切力；抗压强度测量是进行破坏性试验，试验过程中逐步增加压力，记录水泥石损毁前的压力。因此测量结果是相对剪切力、相对强度。每6h测试1组，共进行120h，得到试验结果见图4、图5。

（1）水泥石的抗压强度随水泥浆凝固时间增加而增加，当凝固时间超过72h抗压强度达到最大值。对常规密度水泥石，凝固时间48h其抗压强度可以达到最大抗压强度的83%；密度为1.5g／cm3的低密度水泥石，凝固时间48h其抗压强度只达到最大抗压强度的50%；密度为1.3g／cm3的低密度水泥石，凝固时间48h抗压强度几乎为0。

（2）水泥石的抗压强度与水泥浆密度大小密切相关，常规密度水泥石抗压强度是1.5g／cm3的低密度水泥石的2倍多，是1.3g／cm3的低密度水泥石的4倍。

（3）水泥石的剪切力随水泥浆凝固时间增加而增加，但达到最大值时间略有差异。不同密度水泥石剪切力变化规律与抗压强度的变化规律基本一致。

（4）由于低密度水泥浆形成的水泥石的抗压强度和剪切力更小，所以使用低密度水泥浆固井时要求层间封隔的距离比常规水泥浆固井要长才能起到封固作用。

2 低密度水泥浆固井质量标准确定

2.1 低密度水泥固井第Ⅰ界面固井评价刻度试验

用5.5in＊＊非法定计量单位，1ft＝12in＝0.304 8m，下同套管制作模具，制造试验模型21个，模拟井内固井工艺调制水泥，分别用密度为1.3、1.5、1.8g／cm3水泥浆，并模拟水泥环外有地层和无地层2种情况下第Ⅰ界面不同胶结情况，测量其声波波形，提取首波幅度。

试验仪器与实际测井仪器既有一致性又有区别。一致性是指使用的探头、激发电路等完成一致，不同的是源距、主频可以改变。

（1）自由套管和100%胶结刻度试验。模拟水泥环外有地层和无地层2种情况下第Ⅰ界面在自由套管、100%胶结情况下，源距3in和5in的实际波列图多组，图6为3in波列图。

（2）不同胶结情况下的固井质量刻度试验。用不同方法模拟水泥缺失进行不同胶结条件下的固井胶结刻度试验［1］。用竖条缺失方法模拟水泥胶结0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，得到对应的声波幅度值与水泥缺失关系图（见图7）。

图6 自由套管和100%胶结的3in波列图

采用突变方法模拟水泥胶结0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，得到对应的声波幅度值与水泥缺失关系图；同样采用渐变方法模拟水泥胶结50%、60%、70%、80%、90%、100%。得到对应的声波幅度值与水泥缺失关系（见图8）。

（3）第Ⅰ界面的影响因素刻度试验。分别对套管偏心、仪器偏心、微环对声波幅度影响进行了试验。套管偏心导致声幅数值增大，仪器偏心导致声幅数值减小。当自由套管中仪器偏心10mm，幅度减小到60%，偏心20mm则减小到30%；对于100%胶结井段，仪器偏心10mm幅度减低到75%，偏心20mm则降低到30%，波形变差。微环影响采用塑料布包裹套管表面，模拟0～0.9mm的微环，水泥密度1.8g／cm3固井Ⅰ界面，使用仪器测量微环对声幅的影响结果见图9。

图7 水泥竖条缺失试验测量结果

图8 水泥突变缺失和渐变缺失试验测量结果

图9 微环与CBL的对应关系

表2 利用声幅相对值法得到的评价标准

（4）第Ⅰ界面固井质量评价标准。

第1种评价方法：声幅相对值法。按照水泥填充80%以上评价为良好，水泥填充80%～50%为胶结中等，水泥填充小于50%为胶结差。综合实验结果［2］，得到利用声幅相对值法的评价标准。

第2种评价方法：胶结比法。按照水泥填充80%以上评价为良好，水泥填充80%～50%为胶结中等，水泥填充小于50%为胶结差，综合实验结果［3］得到利用的评价标准。

2.2 低密度水泥浆固井Ⅱ界面评价试验

为了解试验仪器在固井前的裸眼井中的5in变密度响应特点，方便与固井后的资料作对比分析，制作了外径70cm、高度220cm、井眼直径20cm的模拟砂岩的裸眼井，在其中进行测量，测量完成后，在这些裸眼井内放入套管，浇筑不同密度的水泥，或先浇筑无地层水泥环（套管外）再建筑模拟地层，制作了不同密度的固井井段。第Ⅱ界面缺失用水替代地层，水厚度1～2cm，高度为整个井段，弧长变化模拟Ⅱ界面不同胶结。用5in源距测量VDL波列，并对其进行综合分析试图总结出固井质量定量评价标准。

表3 利用胶结比得到的评价标准

同时进行了水泥石声波衰减试验，测量声波从套管经过水泥环传入地层，又从地层返回，2次经过水泥环，5in源距的变密度的地层波幅度，在完全胶结时，其能量受到水泥的衰减。在不考虑地层影响时，水泥密度不同，其衰减程度有差别，试验显示，低密度水泥石对声波衰减大，测量到的地层波弱。试验目的是通过测量水泥石声波衰减，得到第Ⅱ界面地层波强弱数量关系（见表4），为定量评价提供实验依据。试验结果没能总结出第Ⅱ界面评价定量评价标准。

表4 声波经过不同密度水泥石的相对穿透能力试验数据

3 结 论

（1）试验证实低密度水泥浆固井评价可以使用声波方法测量和解释技术完成。

（2）低密度水泥浆固井的固化时间较长，要正确评价固井质量必须选择合理的候凝时间；添加剂对水泥凝固影响较大，其种类和数量变化后，需要通过试验确定合理测井时间。

（3）水泥石耐压强度、粘附力（水泥固封能力）随着密度降低而减小，1.3g／cm3水泥石的强度只是1.8g／cm3的1／4，需要考虑提高层间间隔距离的评价标准，避免窜槽。

（4）当有微环等声波耦合不良因素存在时，声波幅度不反映水泥的强度，但较低密度水泥不易产生微环。

（5）水泥浆胶结比数值要小于水泥充填率数值，基本不受水泥浆密度的影响，为低密度水泥浆固井质量评价提供新的评价方法。

（6）初步确定了低密度水泥浆固井的Ⅰ界面定量评价指标。

［1］ 戴月祥，何峰江，王存田，等.固井水泥在不同充填状况下的测井响应分析［J］.测井技术，2009，33（6）：579－583.

［2］ 魏涛.固井质量评价方法.中国石油天然气行业标准SY∥T6595－2004［S］.2004.

［3］ 盘宗业.川东北天然气固井质量及评价标准.中国石油化工集团企业标准Q／SH0036－2006［S］.2006.

Calibration Experimental Study on Cementing Evaluation with Low Density Slurry

HOU Qinggong，JIANG Wenzhi，XIE Jingping，ZHAO Guohua，DIAO Xiaohong
（Well Logging Company，Shengli Petroleum Administration，SINOPEC，Dongying，Shandong 257096，China）

An experimental model is built to evaluate low density slurry cementation quality.By use of calibration experiment simulation，studied is the change law of parameters in slurry consolidation period，such as acoustic wave velocity，acoustic impedance，compression strength，shear force and so on.Experiment shows that cement consolidation time will extend when adding additive in cement paste；Set cement shear force and compression strength increase along with cement paste coagulation time increasing.Because the set cement with low density slurry has weaker shear force and compression strength，it needs longer interlayer sealing distance for better well cementation.Processed is cementing quality evaluation calibration experiment for theⅠinterface with low density slurry cementing.Obtained is theⅠinterface cementing evaluation standard from acoustic amplitude relative value method and cementing ratio method.This experiment provides references for properly evaluating low density slurry cementing quality.

cement technology，low density slurry，cement quality，simulation experiment，acoustic performance，evaluation standard

TE254.1 文献标识码：A

2011－10－20 本文编辑 王小宁）

刘中奇男，1962年生，高级工程师，从事测井资料解释与方法研究。