应用智能水泥提升井筒完整性测井响应能力

刘炜辰 编译

(中国石油集团测井有限公司国际事业部 北京 102206)

0 引 言

井筒完整性贯穿于油气井方案设计、钻井、试油、完井、生产、修井、弃置的全生命周期。随着油田开发时间的增长，井筒完整性问题越来越多，对环境和经济带来重大不利影响。井筒完整性一般包括井下管柱及附件完整性、井下作业完整性和井口系统完整性。其中井下作业完整性主要体现在固井水泥环的完整性，是保证油气井正常生产的关键环节。

对于固井质量，一直采用声学测井方法作为主要检测手段。一种提高检测能力的思路是开发更先进的测井仪器，如新一代测井工具采用脉冲回波超声波技术，可以提供更高分辨率的水泥和套管胶结情况的阻抗图像，同时使用一种高频多功能仪器进行补偿衰减测量。上述仪器的测量原理都是基于水泥和液体声学特性的比对。但是，轻质水泥与钻井泥浆的声学特性区分并不明显，这使得基于声学原理的固井评价仪器难以对二者进行分辨。最新的超声波仪器纳入了套管的剪切波测量，有望解决对轻质水泥检测中的数据解释问题。另一种思路是通过匹配响应性能更好的被测对象来改善固井评价中测井资料的获取能力。例如，在套管和水泥之间添加乳胶层可以提高粘附强度和测井的质量。近期出现的对钢管进行纳米技术处理的方法，使固井评价测井资料得到了显著改善。

本文介绍了一种国外研究人员研制的智能水泥填料，通过组分设计，使其具有独特的声学特征，并适用于标准声波固井测井仪器的带宽范围。将其添加到固井水泥中，形成的智能水泥可以使用声学测井仪器进行检测，获取水泥的充填情况、完整性和应力状态。

1 测量原理

将特制的颗粒填料添加到轻质和泡沫水泥配方中作为声波带隙滤波器和对比剂。由此制备的复合材料作为一种声学超材料，对于大于材料特征尺寸的波长，它能够改变其与声波的相互作用。通过设计，使粒子亚结构能够产生局部共振并在一定频率范围内反射声波。在测试中，智能水泥在特定频率下表现出比基体水泥高得多的声学阻抗。这会增加衰减，提高对周围流体或受污染的水泥的分辨力，并解决了泡沫水泥固有的阻抗对比度低的问题。智能水泥的一个关键特征是其响应的频率相关特性，通过比较两个不同频率的声学测量结果，可以进行特定的检测。智能水泥的声谱特性还可以提供水泥应力状态的可靠指示。

2 智能水泥的开发和测试

2.1 建模和仿真

首先，使用有限元软件模拟智能水泥填料在各种条件和布置形式下的行为和性能。模拟包括以下内容：

1)针对独立单元，对多层智能水泥颗粒进行建模，以确定其声频响应；

2)对智能水泥复合材料声波带隙效应进行量化；

3)研究颗粒几何形状、密度和机械性能对智能水泥复合材料响应的影响；

4)确定智能水泥结构布置、密度、孔隙率的影响和机械性能；

5)使用虚拟声学测井仪器模拟井眼模型，以确定智能水泥对声速、孔隙检测和机械应力定位的影响。

用仿真方法研究了智能水泥的性能，以了解水泥在真实尺度下和存在各种类型孔隙时的声学响应。图1给出了智能水泥信号接收时间的一组井眼模拟结果，显示了三种孔隙位置的情况，即套管和水泥环体之间的孔隙、水泥环中的孔隙以及底层中的孔隙。同时，将智能水泥的模拟结果与标准水泥进行比较，以说明智能水泥的孔隙检测能力的特点。

图1 不同类型孔隙的井眼声波测井仿真结果

独立单元和井眼模拟结果表明，智能水泥增强了固井水泥的声学对比度，并证实以下特征是能够实现的，并可以使用标准声学测井仪器进行测量：

1)带隙响应，用于指示水泥的存在；

2)到达时间，用于定位含有液体的孔隙；

3)带隙偏移和加宽/收缩，用于应力检测。

2.2 实验室尺度测试和亚尺度测试

对实验室尺度样品测量了其振动激发和响应信号，以确定复合材料的谐振频率响应。采用实验室超声波装置测试了较大尺度样品在更宽泛频率范围内的响应，利用超声波检测结果对仿真模型的预测结果和振动测试结果进行了确认。然后，对更大的“亚尺度”样品进行了测试。

测试用复合样品由多种不同刚度的基材制备而成，包括环氧树脂、聚氨酯、石膏和水泥。通过改变颗粒添加剂水平，建立载荷大小和声学响应之间的关系。环氧树脂和聚氨酯的快速固化时间使样品能够及时实现不同添加量的遍历和测试，这些材料的最小孔隙率提供了清晰的声学响应，很容易识别颗粒的共振情况。颗粒结构如图2所示。

图2 具有致密内核和兼容性聚合物包裹的智能水泥颗粒

泡沫水泥颗粒复合材料的制备密度从10～14 ppg不等。在制备过程中，对速度、体积、温度、气流速率、聚合物流速以及雾化和鼓风机气压等过程变量进行了优化，以开发可靠的制备工艺，同时精确控制尺寸、质量和密度。这些颗粒经过优化，可达到最终应用要求的对比度和频率响应。应尽可能调节颗粒，使其在水泥基质中中性悬浮和均匀分布。

亚尺度测试使用智能水泥/钢板复合结构进行，以确定智能水泥环形态、完整性和应力状态。声学响应在施加机械载荷和置于浅水环境中测量。亚尺度测试方案如下：

1)智能水泥颗粒的谐振频率设计为10～20 kHz，与声探头的中心频率相匹配；

2)制备矩形条状试样，尺寸为2 in×2 in×7 in(1 in=25.4 mm)，用以评价试验材料的整体响应；

3)对样品施加高达1 000 psi(1 psi=6.895 kPa)的机械负载，进行超声波测试；

4)采用内径8 in的纵向剖分半圆管，外面包覆1 in厚的半圆柱形水泥环，并分别用基体水泥和智能水泥制备；

5)在三个不同位置制作孔隙，模拟泥浆或内含流体污染物的典型位置。孔隙分别位于套管和水泥、水泥和地层的界面处，以及套管和地层间水泥环中的径向孔隙；

6)挖一条小沟用于进行现场声学测试。将分别用基体水泥和智能水泥制备的样品置于沟内水下，并使用频率为24 kHz的超声波装置进行测试。

超声波分析表明，相对于基体水泥，在15 kHz的中心频率下，智能水泥样品有50 dB的显著衰减量，带宽约为5 kHz，如图3所示。图中还显示，频率响应对应力敏感，谐振频率和衰减都随着应力的增加而增加。

图3 压应力增加情况下智能复合水泥的声学(超声)响应

2.3 验证性测试

最后采用带有人工预制孔隙的埋入管道装置进行了验证性测试。两根钢管并排埋入地下，并用水泥固井，分别在环形空间灌注智能水泥和用作参照的纯标准水泥。使用一种小井眼声学测井仪器多次测试，以检验智能水泥的优点，并研究使用实际测井仪器和在真实尺度下应力的敏感性。两口井的结构均由长度为42 ft、公称尺寸为3 in、壁厚表号为40的内层钢管和直径为5 in的PVC外管组成，内层钢管外壁上焊接有多个圆棒，将其固定于外层PVC管的中心，如图4所示。钢管的公称外径、壁厚和重量分别为3.5 in、0.216 in和7.576 lb/ft。

图4 验证性测试用井筒结构和横截面示意图及孔隙尺寸和位置

测井设备包括一台微型绞车、一个三脚架、测井处理器、探头以及采集软件。使用的声波仪器是一个直径为 1.8 in(45 mm)的全波形三组单极子声波探头，带有弓形弹簧扶正器。探头包括一个发射器和沿长度方向布置的三个接收器，可用以测量100 in的长度范围。三个接收器与发射器的距离分别为60 cm(RX1)、80 cm(RX2)和100 cm(RX3)。探头能够测量速度/慢速、首波到达时间、综合传输时间以及每个接收器的自然伽马能谱和全波形数据。测井仪器的频率响应在8～50 kHz范围内，在15～35 kHz范围内最为敏感。

在每口模拟井中，设计了三处孔隙，采用热缩包固定在内层钢管上的充水真空密封袋模拟。然后，使用水泥泵，在其中一口井的环形空间填充标准泡沫水泥，另一口井填充智能泡沫水泥，如图5所示。每个井筒模拟装置都铺设在深度为6.5 ft的沟中，同时保持注入口向上倾斜。

图5 水泥泵入装置

测井操作在多种载荷组合和管道内压可变的条件下进行。首先在无应力作用下测量；然后施加弯曲应力，同时在多个位置施加径向压应力；最后用支柱施加地层载荷。在时域和频域中分析记录的测井曲线，并对测试结果进行对比。测井结果显示，频率带隙效应、孔隙尺寸和位置识别以及局部应力检测具有唯一可识别性。

使用智能水泥填充的模拟井的测井结果与对照井(用纯水泥填充)和未填充水泥的模拟井显著不同。与实验室和亚尺度测试结果类似，在15 kHz附近可以清楚地看到信号带隙。除了频域的差异外，在时域上也存在差异。最后，与纯水泥相比，智能水泥的慢度(接收器端的信号到达时间量度)较低。

基体水泥和智能水泥环空的不同密度下的测井曲线如图6所示，图中高亮标出了孔隙区域。图7中绘制了频域中每个接收器的声能与深度的关系，其中高亮带处为孔隙位置。智能水泥中的孔隙位置和尺寸明显较为清晰，尤其是在第三接收器处。需要指出的是，以上测试中，带隙效应发生在所用测井仪器频率范围的低频端，但在 10 ～ 15 kHz 范围内的衰减仍可通过对声能频谱进行对比而清楚地看到，且同样是对第三个接收器的影响最大，如图8所示。

图6 带孔隙基体水泥和智能水泥的变密度测井曲线

图7 每个接收器显示的基体水泥和智能水泥的声波信号幅度与频率

图8 三个接收器显示的基体水泥和智能水泥的幅频图(上图)以及两种水泥的传输速度差异(下图)

弯曲负载通过在油井上方安装的起重设备进行模拟。两组4×4木制井字梁立于沟的两侧地面上，一根4 in钢管与梁固定在一起，位于“油井管”的正上方并与其对齐。两个重型棘轮拉紧带绕过钢管上部和“油井管”下部，两条拉紧带相距约18 in。带子可以逐步通过棘轮收紧，缓慢地提升“井筒管柱”，从而向其施加弯曲载荷。先递增加载，再递减卸载。声学测试结果如图9、10和11所示。

图9 施加弯曲载荷后在RX1、RX2和RX3位置接收器测得的智能水泥频率响应

图10 施加弯曲载荷后在RX3位置接收器测得的智能水泥频率响应

图11 带隙频率范围内能量分数与载荷变化的关系图(上图为加载，下图为卸载)

3 结 论

本文详细介绍了一种适用于井筒完整性声波测井的复合型智能水泥的研制和响应性能测试。测试结果表明，该智能水泥具有独特的带隙效应，可用于测定水泥质量、准确判定水泥孔隙尺寸和位置以及检测应力异常。该技术将有助于提升井筒完整性检测的效果，对由于质量较差的固井作业以及复杂的地质应力变化引起的风险能够及时制定管理措施。此外，这一技术还可应用于油井和储层的实时监测，对井筒完整性实现不间断监控。

参 考 文 献(略)

本文译自：Hani ELSHAHAWI, Shan HUANG, Jacob POLLOCK and Vinod VEEDU. Novel smart cement for improved well integrity evaluation [C]∥SPWLA 59th Annual Logging Symposium, 2018.