固井質(zhì)量評價中應(yīng)重視的幾個問題

1、固井質(zhì)量評價中應(yīng)重視的若干問題,主要內(nèi)容 1 二界面膠結(jié)對固井質(zhì)量評價的影響 2 影響二界面膠結(jié)質(zhì)量的因素 3 提高二界面膠結(jié)質(zhì)量的技術(shù)措施 4 針對二界面膠結(jié)的室內(nèi)研究 5 水泥混合材對固井質(zhì)量評價的影響,固井質(zhì)量評價中必須面對的現(xiàn)實,為何僅依靠固井作業(yè)部門，不能夠獲得良好的聲波評價結(jié)果？ 有完善的注水泥工程工藝措施，就一定能夠獲得理想聲波評價結(jié)果？ 本標(biāo)準(zhǔn)采用綜合評判的客觀性 科學(xué)評價固井質(zhì)量，應(yīng)高度重視基礎(chǔ)研究,1 界面膠結(jié)對固井質(zhì)量評價的影響,第一界面封固系統(tǒng)：套管-鉆井液附著物-水泥環(huán) 第二界面封固系統(tǒng)：地層-鉆井液濾餅-水泥環(huán) 地層流體互竄，管外冒汽且外竄至地面均是由于第二界面膠結(jié)

2、被破壞的結(jié)果，第二界面膠結(jié)質(zhì)量好壞是有效層間封隔的保證； 產(chǎn)生固井質(zhì)量問題的根源在于二界面的封固系統(tǒng)上，第二界面封固失效地層流體即通過第二界面進(jìn)入環(huán)空，進(jìn)而對水泥漿（環(huán)）產(chǎn)生破壞作用，導(dǎo)致固井質(zhì)量問題復(fù)雜化； 固井質(zhì)量的好壞，很大程度上取決于二界面膠結(jié)質(zhì)量的好壞。,2 影響二界面膠結(jié)質(zhì)量的因素,（1）地層特性： 地層特性是影響水泥環(huán)第二界面膠結(jié)質(zhì)量的 重要因素之一，在水泥漿凝固過程中地層流體受 到侵污，將由于粘土組分和流體受離子置換變化 影響水泥石與地層的膠結(jié)強(qiáng)度。 （2）井眼狀況： 井眼不規(guī)則，難以有效驅(qū)替干凈泥漿，彎曲 井眼中套管不居中，增加驅(qū)替窄邊泥漿難度，殘 留泥漿和水泥漿不相容，嚴(yán)重

3、影響水泥漿流變性 和膠結(jié)強(qiáng)度的發(fā)展。,2 影響二界面膠結(jié)質(zhì)量的因素,（3）泥漿性能： 厚而疏松的泥餅使水泥漿不能直接接觸井壁，并在 水泥水化過程中脫水粉化，形成微環(huán)隙，引起油氣水混 竄，降低油氣井固井質(zhì)量；性能優(yōu)良的泥漿不僅可提供 一個較為規(guī)則的井眼，而且還會在井壁上形成薄而韌的 泥餅，有利于提高第二界面膠結(jié)質(zhì)量。 （4）水泥石的體積收縮： 水泥水化過程中，水泥熟料在與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后 形成的水化產(chǎn)物體積比水化前的總體積小，純水泥水化 后的總化學(xué)體積收縮率可達(dá)到5，水泥石本身體積收縮 將可能導(dǎo)致水泥石與套管、水泥石與井壁兩個界面的膠 結(jié)強(qiáng)度降低。,3 提高二界面膠結(jié)質(zhì)量的技術(shù)措施,（1）井眼準(zhǔn)

4、備： 一個清潔、穩(wěn)定、合格的井眼是提高固井水泥環(huán)第 二界面膠結(jié)質(zhì)量的首要條件 ,為了改善井眼狀況、提 高頂替效率 ,必須進(jìn)行充分的井眼準(zhǔn)備。 （2）使用套管扶正器和泥餅刷： 應(yīng)用彈性套管扶正器可以提高套管柱在井眼中的居 中度 ,從而提高泥漿頂替效率。泥餅刷作為套管附件 可根據(jù)井眼條件安裝在套管串下部的任何位置 ,與套 管扶正器配合使用安全可靠。它能夠依靠上下或旋轉(zhuǎn) 運動有效清除井壁虛厚泥餅 ,極大地改善井壁上的膠 結(jié)環(huán)境 ,從而提高水泥環(huán)第二界面的膠結(jié)質(zhì)量。,3 提高二界面膠結(jié)質(zhì)量的技術(shù)措施,（3）應(yīng)用膨脹水泥： 室內(nèi)試驗和現(xiàn)場實踐證明 ,水泥漿在水化硬化過程中 體積會收縮 ,從而在水泥環(huán)兩個

5、界面上產(chǎn)生微環(huán)隙 ,導(dǎo)致 地層封隔不良。而膨脹水泥能有效地彌補(bǔ)水泥石的體積收 縮 ,增加水泥石兩個界面的膠結(jié)強(qiáng)度。 （4）應(yīng)用高效前置液： 高效前置液具有良好沖洗、隔離效果，含有多種表面 活性劑，可使井壁表面潤濕反轉(zhuǎn)，與泥漿、水泥漿相容性 好，有助于界面膠結(jié)強(qiáng)度發(fā)展，可有效提高水泥環(huán)第二界 面膠結(jié)質(zhì)量。 （5）采用其他合理的固井工藝技術(shù)措施。,4 針對二界面膠結(jié)的室內(nèi)研究,（1）評價方法 模擬二界面： HTHP試驗在人造巖心上形成泥餅 模擬一界面：模擬套管鉆井液中浸泡24h形成吸附層 將形成泥餅的人造巖心和帶吸附層的試件放入模具中 與水泥漿進(jìn)行膠結(jié)試驗 采用壓力機(jī)測試其膠結(jié)強(qiáng)度(剪切固結(jié)強(qiáng)度)

6、 （2）評價裝置及原理圖 圖1 改進(jìn)的HTHP失水裝置照片,4 針對二界面膠結(jié)的室內(nèi)研究,巖心夾持器,氮氣加壓,濾液,鉆井液,加熱套,釜體,人造巖心,圖2 HTHP濾失示意圖,4 針對二界面膠結(jié)的室內(nèi)研究,圖3 剪切膠結(jié)強(qiáng)度測量示意圖,（1）鉆井液調(diào)整對界面膠結(jié)的影響,大港油田聚合物鉆井液調(diào)整對第一、第二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響,室內(nèi)對大港油田聚合物鉆井液進(jìn)行調(diào)整，并模擬第一界面和第二界面的膠結(jié)情況，室內(nèi)結(jié)果表明：未調(diào)整前吸附層及泥餅均較厚，表面呈虛狀絮凝團(tuán)聚物，調(diào)整后的鉆井液，第一界面吸附層厚度及第二界面泥餅厚度明顯降低，且界面膠結(jié)強(qiáng)度明顯提高。,（2）多周循環(huán)沖洗對膠結(jié)強(qiáng)度的影響,沖洗實驗?zāi)康氖?/p>

7、模擬完井前進(jìn)行固井作業(yè)時調(diào)整鉆井液性能進(jìn)行的大排量洗井，結(jié)果表明隨著沖洗時間的延長，第一、第二界面膠結(jié)質(zhì)量均有所改善。,（3）界面泥餅狀況對膠結(jié)強(qiáng)度的影響,巖心經(jīng)清洗后，泥餅厚度明顯降低，第二界面膠結(jié)強(qiáng)度成倍提高；巖心經(jīng)清除清洗處理后，第二界面膠結(jié)強(qiáng)度提高了上百倍，而且已經(jīng)高于空白巖心與水泥漿的膠結(jié)強(qiáng)度近一倍。第二界面僅經(jīng)特殊前置液清洗處理，泥餅就已幾乎不存在，且膠結(jié)強(qiáng)度提高了數(shù)十倍。,（4）泥餅對界面膠結(jié)的影響,圖1 滲透性井壁處聚合物 虛泥餅狀態(tài),圖2 模擬滲透井壁、泥漿 與水泥漿與套管,圖3 滲透性井筒、泥餅 與凝固水泥石,泥餅的存在特別是虛泥餅的存在嚴(yán)重影響二界面的膠結(jié)質(zhì)量，對層間封隔

8、水力密封影響較大。,（5）虛泥餅對界面膠結(jié)的影響,常規(guī)水泥漿與1#鉆井液的泥餅之間無有效膠結(jié)，界面清晰。,常規(guī)水泥漿與1#鉆井液泥餅的結(jié)合面的膠結(jié)情況,（5）虛泥餅對界面膠結(jié)的影響, 常規(guī)水泥漿與2#鉆井液泥餅的結(jié)合面的膠結(jié)情況,常規(guī)水泥漿與2#鉆井液（加入改善泥餅與水泥膠結(jié)的材料）的泥餅之間形成有效膠結(jié)，無明顯界面，膠結(jié)區(qū)域致密性好。,（5）虛泥餅對界面膠結(jié)的影響, 2#水泥漿與3#鉆井液泥餅的結(jié)合面的膠結(jié)情況,2#水泥漿與3#鉆井液（均加入改善泥餅與水泥膠結(jié)的材料）的泥餅之間形成有效膠結(jié)，膠結(jié)區(qū)域形成大量的凝膠，泥餅基本被固化。,（6）提高第二界面膠結(jié)的關(guān)鍵技術(shù),泥餅的清除或泥餅轉(zhuǎn)化固結(jié)的

9、技術(shù)途徑； 提高界面膠結(jié)力的固井液組分； 在鉆井液中加入適當(dāng)量類型的材料，水泥漿可將鉆井液泥餅轉(zhuǎn)化為固結(jié)； 在鉆井液和水泥漿中，分別或同時加入適當(dāng)類型的材料，能使水泥漿與鉆井液泥餅實現(xiàn)良好膠結(jié)，且具致密性。,5 水泥混合材對固井質(zhì)量評價的影響,固井質(zhì)量評價主要依賴于水泥膠結(jié)測井結(jié)果;而聲波水泥膠結(jié)測井結(jié)果受被測介質(zhì)（套管水泥、水泥地層）的影響 ； 聲波測井缺乏聲波耦合與水泥封固質(zhì)量間的關(guān)系，所測得的固井“膠結(jié)良好”僅僅表示聲耦合良好，并不意味著層間封隔質(zhì)量良好，事實上聲波測井結(jié)果還與水泥石的物理特性密切相關(guān)； 水泥石的聲學(xué)特性隨時間與溫度而改變，同時受水泥石的組分及外摻料組成影響較大，這種本質(zhì)

10、性的差異對測井結(jié)果的影響是非常關(guān)鍵的 ；,5 水泥混合材對固井質(zhì)量評價的影響,CBL與VDL固井質(zhì)量評價的依據(jù)主要還是依賴于反射回接收器的聲波能量； 聲波在兩個介質(zhì)界面上反射回的能量的大小，主要還是依賴于兩相鄰介質(zhì)聲阻抗的大小差異； 對CBL與VDL來講，地層巖性的聲阻抗可以通過巖石取樣在實驗室測得，套管的聲阻抗也可以計算得到，唯一不明了的就是固井水泥石的聲阻抗； 影響水泥石聲阻抗的因素較多，很難將高、低密度水泥石的物理特性與其聲阻抗有機(jī)統(tǒng)一起來，相應(yīng)于固井質(zhì)量評價指標(biāo)也難以用同一標(biāo)準(zhǔn)來評價； 聲阻抗是介質(zhì)密度與聲速之間的乘積，介質(zhì)密度為定值時，聲速變化將決定阻抗數(shù)值，從而直接影響到對聲波響應(yīng)

11、的正確解釋。,常見物質(zhì)(固井時井下介質(zhì))的聲學(xué)參數(shù) 物質(zhì) 密度 聲速(Km/s) 聲阻抗(Mrayl) 空氣 0.0013-0.13 0.33 0.0004-0.04 淡/鹽水 1 1.5 1.5 鉆井液 1-2 1.3-1.8 1.5-3 水泥漿 1-2 1.5-1.8 1.8-3 水泥/G級1.9 2.7-3.7 5.0-7.0 泥 巖 2.55 1.83-3.962 砂 巖 2.65 5.5 石灰?guī)r 2.71 6.4-7.0 12-16.6 鋼 7.89 5.9 46,高、中、低三種密度水泥石組成、物理特性對聲速的影響,表中結(jié)果表明：相同密度的水泥石配方中因加重劑、減輕劑及外加劑的不同，

12、其24小時和48小時聲速結(jié)果不同，且高、中、低三種密度間聲速測量結(jié)果也相差較大，因此對于不同密度范圍的水泥石固井質(zhì)量評價采用同一標(biāo)準(zhǔn)顯然不準(zhǔn)確。,（1）水泥石組份、物理特性對聲速的影響,（1）水泥石組份對聲速的影響, 正常密度水泥石的組分、物理特性與聲速之間的關(guān)系,注：表中配方1、3所用降失水劑為高分子型；配方2、4所用為水溶聚合物。,表中數(shù)據(jù)結(jié)果表明：高分子型降失水劑1-2天早期強(qiáng)度略高，水溶聚合物早期強(qiáng)度略低，聲速略有差異；與減阻劑復(fù)配后，高分子體系顯示出緩凝效應(yīng)，強(qiáng)度下降,水溶聚合物聲速值則略有增加；說明配方設(shè)計和外加劑選擇會影響早期強(qiáng)度，從而導(dǎo)致聲速變化；因此，固井質(zhì)量評價中應(yīng)兼顧水泥

13、漿配方設(shè)計和所選擇的外加劑，合理評價固井質(zhì)量。,（1）水泥石組份對聲速的影響, 加重水泥石的組分、物理特性與聲速之間的關(guān)系,實驗結(jié)果表明：相同密度和外加劑配比，重晶石體系24小強(qiáng)度均大于鐵礦粉體系；鐵礦粉體系2天強(qiáng)度增長率均大于重晶石體系，聲速變化并未與強(qiáng)度變化呈絕對正比，根據(jù)超聲測試原理，聲波速度應(yīng)與凝結(jié)物強(qiáng)度和致密性相關(guān)，說明外摻料加入后與水泥晶相的結(jié)合特性會影響聲波速度變化。,（1）水泥石組份對聲速的影響, 不同減輕劑的低密度水泥石聲速特點,實驗結(jié)果表明：密實減輕材料低密度水泥石（類火灰）12天強(qiáng)度大大低于空心減輕材料（漂珠）水泥石，用水量大是主要原因；但同樣的低密度水泥石，密實減輕材料

14、（類火山灰）的聲速測量結(jié)果卻不明顯小于空心減輕材料（漂珠）的聲速測量結(jié)果。,注：表中配方1、2所用降失水劑為高分子型；配方3、4所用為水溶聚合物,（2）水泥石抗壓強(qiáng)度與聲速變化的對應(yīng)關(guān)系, 正常密度水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展與聲速的對應(yīng)關(guān)系,上表考察了纖維素類降失水單劑類配方水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展與聲速的對應(yīng)關(guān)系，沒有考慮配方的綜合工程性。表中數(shù)據(jù)表明：抗壓強(qiáng)度的發(fā)展與聲速有一定的對應(yīng)關(guān)系，隨時間的發(fā)展抗壓強(qiáng)度與聲速測試結(jié)果對應(yīng)較好。,（2）水泥石抗壓強(qiáng)度與聲速變化的對應(yīng)關(guān)系, 正常密度水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展與聲速的對應(yīng)關(guān)系,與減阻劑復(fù)配后的兩種體系，1天強(qiáng)度都隨溫度升高而呈下降趨勢；但強(qiáng)度絕對值高分子體系較

15、高，聲速對應(yīng)關(guān)系不規(guī)則；2天強(qiáng)度數(shù)值高分子體系強(qiáng)度隨溫度升高而增大，水溶性聚合物體系呈波動趨勢，聲速對應(yīng)關(guān)系較明顯；3天強(qiáng)度數(shù)值高分子體系強(qiáng)度隨溫度升高而增大，水溶性聚合物體系呈波動趨勢，聲速呈相應(yīng)變化。,（2）水泥石抗壓強(qiáng)度與聲速變化的對應(yīng)關(guān)系,加重水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展與聲速的對應(yīng)關(guān)系,鐵礦粉加重體系1天與3天的強(qiáng)度隨溫度的升高呈單調(diào)上升趨勢，2天強(qiáng)度隨溫度升高呈單調(diào)下降趨勢，有溫度效應(yīng)點，橫向比較聲速與強(qiáng)度正相關(guān)，縱向上2天聲速與強(qiáng)度正相關(guān)； 隨溫度的升高，重晶石加重體系1天強(qiáng)度有明顯溫度效應(yīng)點，2天強(qiáng)度呈單調(diào)下降趨勢，3天強(qiáng)度變化呈波動變化，橫向與縱向比較聲速與強(qiáng)度都正相關(guān)；,（2）水泥石

16、抗壓強(qiáng)度與聲速變化的對應(yīng)關(guān)系, 低密度水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展與聲速的對應(yīng)關(guān)系,對于同一密度范圍內(nèi)的低密度水泥漿，減輕劑不同，抗壓強(qiáng)度相差極大，但表現(xiàn)在聲速上的差異卻不大，因此聲速反映值應(yīng)結(jié)合減輕劑種類作具體分析。而且對于同一種材質(zhì)的低密度水泥石，其聲速測值受溫度的影響也較大，其規(guī)律性并不明顯，同時測井時間對聲速測值影響也較大，具體應(yīng)針對外摻料種類和加量以及其物理特性來分析。,（3）水泥石密實度與聲速變化的對應(yīng)關(guān)系,混合材質(zhì)自身物理特性決定了水泥石聲速測值的差異，孔隙率越小，水泥石越致密，其聲速測值越大，如果以正常密度水泥石的聲學(xué)反映為標(biāo)準(zhǔn)來評價低密度和高密度水泥石固井質(zhì)量顯然不準(zhǔn)確。,（3）水泥石

17、密實度與聲速變化的對應(yīng)關(guān)系,正常密度孔徑分布,漂珠低密度(1.50)孔徑分布,（4）水泥石微觀結(jié)構(gòu)對聲速的影響, 正常密度水泥石微觀結(jié)構(gòu),正常密度的水泥石微觀結(jié)構(gòu)上存在缺陷，通過外加劑可改善水泥石內(nèi)部缺陷，由于處理劑的不同，其內(nèi)部密實程度及晶相結(jié)構(gòu)存在差異，在聲速測量值上有一定的反映。,（4）水泥石微觀結(jié)構(gòu)對聲速的影響, 低密度水泥石微觀結(jié)構(gòu),漂珠低密度水泥石SEM,漂珠微硅低密度水泥石SEM,在漂珠低密度水泥石體系中，微硅的加入可以增加水泥石的密實性，其聲速測值相應(yīng)增大。,（4）水泥石微觀結(jié)構(gòu)對聲速的影響, 低密度水泥石微觀結(jié)構(gòu),漂珠低密度水泥石SEM,漂珠微硅低密度水泥石SEM,材質(zhì)自身的

18、不均質(zhì)性及存在裂紋等缺陷，微硅的加入起到充填密實的作用，又在一定程度上提高了水泥石抗壓強(qiáng)度，但其聲速測值在60和75低于漂珠低密度水泥石，在90時又高于漂珠低密度水泥石的聲速測值。這說明聲速測值不僅與密實程度有關(guān)，還與水泥石內(nèi)部晶相結(jié)構(gòu)有關(guān)，溫度越高越有利于水化反應(yīng)，各組份不再是簡單的充填作用。,（4）水泥石微觀結(jié)構(gòu)對聲速的影響, 低密度水泥石微觀結(jié)構(gòu)（硅藻土低密度水泥石SEM）,硅藻土低密度水泥石較漂珠水泥和漂珠微硅水泥石的密實程度要高，但其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于漂珠和漂珠微硅水泥石，其聲速測值卻與二者差不多，因此，聲波水泥膠結(jié)測井反映材質(zhì)藕合問題，有關(guān)水泥石真實物理特性反映指標(biāo)還需要進(jìn)一步深入研究

19、。,（4）水泥石微觀結(jié)構(gòu)對聲速的影響, 低密度水泥石組份分析,圖中1為漂珠低密度水泥石試樣的X射線衍射圖，3為漂珠微硅低密度水泥石試樣的X射線衍射圖，由于微硅的加入，試樣3中氫氧化鈣峰值明顯降低，這是由于微硅中二氧化硅與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)生成硅酸鈣凝膠的原故，由于水化產(chǎn)物及晶相結(jié)構(gòu)的差異在聲速測值上表現(xiàn)出一定差異，對于同樣低密度水泥石聲速測值應(yīng)針對不同的水化晶相結(jié)構(gòu)具體分析才能真實反映固井質(zhì)量。,（4）水泥石微觀結(jié)構(gòu)對聲速的影響, 低密度水泥石組份分析,圖中4為硅藻土低密度水泥石X衍射曲線，1和3分別是漂珠低密度和漂珠微硅低密度水泥石X衍射曲線，從圖中可以看出硅藻土水泥石組份與漂珠和漂珠微硅低密度水泥石存在一定的差異，三者聲速測值必然不同，相對于低密度固井質(zhì)量的評價反映指標(biāo)也應(yīng)各不相同。,（4）水泥石微觀結(jié)構(gòu)對聲速的影響, 高密度水泥石組份分析,圖中5為重晶石加重水泥石X射線衍射圖，圖中6為鈦鐵加重水泥石的X射線衍射圖，圖中曲線清晰地反映了加重材料組份的差異，其水化產(chǎn)物晶相受外摻料的影響使其晶相結(jié)構(gòu)具有一定的差異，對于同樣密度的加重水泥石由于加重材料的不同其聲速反映也不同。,重晶石加重水泥石SEM,鈦鐵礦加重水泥石SEM,重晶石與周圍水化物的膠結(jié)程度明顯高于鈦鐵礦與周圍水泥水化物的膠結(jié)程度，惰性充