固井质量评价中应重视的几个问题

1、固井质量评价中应重视的若干问题,主要内容 1 二界面胶结对固井质量评价的影响 2 影响二界面胶结质量的因素 3 提高二界面胶结质量的技术措施 4 针对二界面胶结的室内研究 5 水泥混合材对固井质量评价的影响,固井质量评价中必须面对的现实,为何仅依靠固井作业部门，不能够获得良好的声波评价结果？ 有完善的注水泥工程工艺措施，就一定能够获得理想声波评价结果？ 本标准采用综合评判的客观性 科学评价固井质量，应高度重视基础研究,1 界面胶结对固井质量评价的影响,第一界面封固系统：套管-钻井液附着物-水泥环 第二界面封固系统：地层-钻井液滤饼-水泥环 地层流体互窜，管外冒汽且外窜至地面均是由于第二界面胶结

2、被破坏的结果，第二界面胶结质量好坏是有效层间封隔的保证； 产生固井质量问题的根源在于二界面的封固系统上，第二界面封固失效地层流体即通过第二界面进入环空，进而对水泥浆（环）产生破坏作用，导致固井质量问题复杂化； 固井质量的好坏，很大程度上取决于二界面胶结质量的好坏。,2 影响二界面胶结质量的因素,（1）地层特性： 地层特性是影响水泥环第二界面胶结质量的 重要因素之一，在水泥浆凝固过程中地层流体受 到侵污，将由于粘土组分和流体受离子置换变化 影响水泥石与地层的胶结强度。 （2）井眼状况： 井眼不规则，难以有效驱替干净泥浆，弯曲 井眼中套管不居中，增加驱替窄边泥浆难度，残 留泥浆和水泥浆不相容，严重

3、影响水泥浆流变性 和胶结强度的发展。,2 影响二界面胶结质量的因素,（3）泥浆性能： 厚而疏松的泥饼使水泥浆不能直接接触井壁，并在 水泥水化过程中脱水粉化，形成微环隙，引起油气水混 窜，降低油气井固井质量；性能优良的泥浆不仅可提供 一个较为规则的井眼，而且还会在井壁上形成薄而韧的 泥饼，有利于提高第二界面胶结质量。 （4）水泥石的体积收缩： 水泥水化过程中，水泥熟料在与水发生化学反应后 形成的水化产物体积比水化前的总体积小，纯水泥水化 后的总化学体积收缩率可达到5，水泥石本身体积收缩 将可能导致水泥石与套管、水泥石与井壁两个界面的胶 结强度降低。,3 提高二界面胶结质量的技术措施,（1）井眼准

4、备： 一个清洁、稳定、合格的井眼是提高固井水泥环第 二界面胶结质量的首要条件 ,为了改善井眼状况、提 高顶替效率 ,必须进行充分的井眼准备。 （2）使用套管扶正器和泥饼刷： 应用弹性套管扶正器可以提高套管柱在井眼中的居 中度 ,从而提高泥浆顶替效率。泥饼刷作为套管附件 可根据井眼条件安装在套管串下部的任何位置 ,与套 管扶正器配合使用安全可靠。它能够依靠上下或旋转 运动有效清除井壁虚厚泥饼 ,极大地改善井壁上的胶 结环境 ,从而提高水泥环第二界面的胶结质量。,3 提高二界面胶结质量的技术措施,（3）应用膨胀水泥： 室内试验和现场实践证明 ,水泥浆在水化硬化过程中 体积会收缩 ,从而在水泥环两个

5、界面上产生微环隙 ,导致 地层封隔不良。而膨胀水泥能有效地弥补水泥石的体积收 缩 ,增加水泥石两个界面的胶结强度。 （4）应用高效前置液： 高效前置液具有良好冲洗、隔离效果，含有多种表面 活性剂，可使井壁表面润湿反转，与泥浆、水泥浆相容性 好，有助于界面胶结强度发展，可有效提高水泥环第二界 面胶结质量。 （5）采用其他合理的固井工艺技术措施。,4 针对二界面胶结的室内研究,（1）评价方法 模拟二界面： HTHP试验在人造岩心上形成泥饼 模拟一界面：模拟套管钻井液中浸泡24h形成吸附层 将形成泥饼的人造岩心和带吸附层的试件放入模具中 与水泥浆进行胶结试验 采用压力机测试其胶结强度(剪切固结强度)

6、 （2）评价装置及原理图 图1 改进的HTHP失水装置照片,4 针对二界面胶结的室内研究,岩心夹持器,氮气加压,滤液,钻井液,加热套,釜体,人造岩心,图2 HTHP滤失示意图,4 针对二界面胶结的室内研究,图3 剪切胶结强度测量示意图,（1）钻井液调整对界面胶结的影响,大港油田聚合物钻井液调整对第一、第二界面胶结强度的影响,室内对大港油田聚合物钻井液进行调整，并模拟第一界面和第二界面的胶结情况，室内结果表明：未调整前吸附层及泥饼均较厚，表面呈虚状絮凝团聚物，调整后的钻井液，第一界面吸附层厚度及第二界面泥饼厚度明显降低，且界面胶结强度明显提高。,（2）多周循环冲洗对胶结强度的影响,冲洗实验目的是

7、模拟完井前进行固井作业时调整钻井液性能进行的大排量洗井，结果表明随着冲洗时间的延长，第一、第二界面胶结质量均有所改善。,（3）界面泥饼状况对胶结强度的影响,岩心经清洗后，泥饼厚度明显降低，第二界面胶结强度成倍提高；岩心经清除清洗处理后，第二界面胶结强度提高了上百倍，而且已经高于空白岩心与水泥浆的胶结强度近一倍。第二界面仅经特殊前置液清洗处理，泥饼就已几乎不存在，且胶结强度提高了数十倍。,（4）泥饼对界面胶结的影响,图1 渗透性井壁处聚合物 虚泥饼状态,图2 模拟渗透井壁、泥浆 与水泥浆与套管,图3 渗透性井筒、泥饼 与凝固水泥石,泥饼的存在特别是虚泥饼的存在严重影响二界面的胶结质量，对层间封隔

8、水力密封影响较大。,（5）虚泥饼对界面胶结的影响,常规水泥浆与1#钻井液的泥饼之间无有效胶结，界面清晰。,常规水泥浆与1#钻井液泥饼的结合面的胶结情况,（5）虚泥饼对界面胶结的影响, 常规水泥浆与2#钻井液泥饼的结合面的胶结情况,常规水泥浆与2#钻井液（加入改善泥饼与水泥胶结的材料）的泥饼之间形成有效胶结，无明显界面，胶结区域致密性好。,（5）虚泥饼对界面胶结的影响, 2#水泥浆与3#钻井液泥饼的结合面的胶结情况,2#水泥浆与3#钻井液（均加入改善泥饼与水泥胶结的材料）的泥饼之间形成有效胶结，胶结区域形成大量的凝胶，泥饼基本被固化。,（6）提高第二界面胶结的关键技术,泥饼的清除或泥饼转化固结的

9、技术途径； 提高界面胶结力的固井液组分； 在钻井液中加入适当量类型的材料，水泥浆可将钻井液泥饼转化为固结； 在钻井液和水泥浆中，分别或同时加入适当类型的材料，能使水泥浆与钻井液泥饼实现良好胶结，且具致密性。,5 水泥混合材对固井质量评价的影响,固井质量评价主要依赖于水泥胶结测井结果;而声波水泥胶结测井结果受被测介质（套管水泥、水泥地层）的影响 ； 声波测井缺乏声波耦合与水泥封固质量间的关系，所测得的固井“胶结良好”仅仅表示声耦合良好，并不意味着层间封隔质量良好，事实上声波测井结果还与水泥石的物理特性密切相关； 水泥石的声学特性随时间与温度而改变，同时受水泥石的组分及外掺料组成影响较大，这种本质

10、性的差异对测井结果的影响是非常关键的 ；,5 水泥混合材对固井质量评价的影响,CBL与VDL固井质量评价的依据主要还是依赖于反射回接收器的声波能量； 声波在两个介质界面上反射回的能量的大小，主要还是依赖于两相邻介质声阻抗的大小差异； 对CBL与VDL来讲，地层岩性的声阻抗可以通过岩石取样在实验室测得，套管的声阻抗也可以计算得到，唯一不明了的就是固井水泥石的声阻抗； 影响水泥石声阻抗的因素较多，很难将高、低密度水泥石的物理特性与其声阻抗有机统一起来，相应于固井质量评价指标也难以用同一标准来评价； 声阻抗是介质密度与声速之间的乘积，介质密度为定值时，声速变化将决定阻抗数值，从而直接影响到对声波响应

11、的正确解释。,常见物质(固井时井下介质)的声学参数 物质 密度 声速(Km/s) 声阻抗(Mrayl) 空气 0.0013-0.13 0.33 0.0004-0.04 淡/盐水 1 1.5 1.5 钻井液 1-2 1.3-1.8 1.5-3 水泥浆 1-2 1.5-1.8 1.8-3 水泥/G级1.9 2.7-3.7 5.0-7.0 泥 岩 2.55 1.83-3.962 砂 岩 2.65 5.5 石灰岩 2.71 6.4-7.0 12-16.6 钢 7.89 5.9 46,高、中、低三种密度水泥石组成、物理特性对声速的影响,表中结果表明：相同密度的水泥石配方中因加重剂、减轻剂及外加剂的不同，

12、其24小时和48小时声速结果不同，且高、中、低三种密度间声速测量结果也相差较大，因此对于不同密度范围的水泥石固井质量评价采用同一标准显然不准确。,（1）水泥石组份、物理特性对声速的影响,（1）水泥石组份对声速的影响, 正常密度水泥石的组分、物理特性与声速之间的关系,注：表中配方1、3所用降失水剂为高分子型；配方2、4所用为水溶聚合物。,表中数据结果表明：高分子型降失水剂1-2天早期强度略高，水溶聚合物早期强度略低，声速略有差异；与减阻剂复配后，高分子体系显示出缓凝效应，强度下降,水溶聚合物声速值则略有增加；说明配方设计和外加剂选择会影响早期强度，从而导致声速变化；因此，固井质量评价中应兼顾水泥

13、浆配方设计和所选择的外加剂，合理评价固井质量。,（1）水泥石组份对声速的影响, 加重水泥石的组分、物理特性与声速之间的关系,实验结果表明：相同密度和外加剂配比，重晶石体系24小强度均大于铁矿粉体系；铁矿粉体系2天强度增长率均大于重晶石体系，声速变化并未与强度变化呈绝对正比，根据超声测试原理，声波速度应与凝结物强度和致密性相关，说明外掺料加入后与水泥晶相的结合特性会影响声波速度变化。,（1）水泥石组份对声速的影响, 不同减轻剂的低密度水泥石声速特点,实验结果表明：密实减轻材料低密度水泥石（类火灰）12天强度大大低于空心减轻材料（漂珠）水泥石，用水量大是主要原因；但同样的低密度水泥石，密实减轻材料

14、（类火山灰）的声速测量结果却不明显小于空心减轻材料（漂珠）的声速测量结果。,注：表中配方1、2所用降失水剂为高分子型；配方3、4所用为水溶聚合物,（2）水泥石抗压强度与声速变化的对应关系, 正常密度水泥石抗压强度发展与声速的对应关系,上表考察了纤维素类降失水单剂类配方水泥石抗压强度发展与声速的对应关系，没有考虑配方的综合工程性。表中数据表明：抗压强度的发展与声速有一定的对应关系，随时间的发展抗压强度与声速测试结果对应较好。,（2）水泥石抗压强度与声速变化的对应关系, 正常密度水泥石抗压强度发展与声速的对应关系,与减阻剂复配后的两种体系，1天强度都随温度升高而呈下降趋势；但强度绝对值高分子体系较

15、高，声速对应关系不规则；2天强度数值高分子体系强度随温度升高而增大，水溶性聚合物体系呈波动趋势，声速对应关系较明显；3天强度数值高分子体系强度随温度升高而增大，水溶性聚合物体系呈波动趋势，声速呈相应变化。,（2）水泥石抗压强度与声速变化的对应关系,加重水泥石抗压强度发展与声速的对应关系,铁矿粉加重体系1天与3天的强度随温度的升高呈单调上升趋势，2天强度随温度升高呈单调下降趋势，有温度效应点，横向比较声速与强度正相关，纵向上2天声速与强度正相关； 随温度的升高，重晶石加重体系1天强度有明显温度效应点，2天强度呈单调下降趋势，3天强度变化呈波动变化，横向与纵向比较声速与强度都正相关；,（2）水泥石

16、抗压强度与声速变化的对应关系, 低密度水泥石抗压强度发展与声速的对应关系,对于同一密度范围内的低密度水泥浆，减轻剂不同，抗压强度相差极大，但表现在声速上的差异却不大，因此声速反映值应结合减轻剂种类作具体分析。而且对于同一种材质的低密度水泥石，其声速测值受温度的影响也较大，其规律性并不明显，同时测井时间对声速测值影响也较大，具体应针对外掺料种类和加量以及其物理特性来分析。,（3）水泥石密实度与声速变化的对应关系,混合材质自身物理特性决定了水泥石声速测值的差异，孔隙率越小，水泥石越致密，其声速测值越大，如果以正常密度水泥石的声学反映为标准来评价低密度和高密度水泥石固井质量显然不准确。,（3）水泥石

17、密实度与声速变化的对应关系,正常密度孔径分布,漂珠低密度(1.50)孔径分布,（4）水泥石微观结构对声速的影响, 正常密度水泥石微观结构,正常密度的水泥石微观结构上存在缺陷，通过外加剂可改善水泥石内部缺陷，由于处理剂的不同，其内部密实程度及晶相结构存在差异，在声速测量值上有一定的反映。,（4）水泥石微观结构对声速的影响, 低密度水泥石微观结构,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体系中，微硅的加入可以增加水泥石的密实性，其声速测值相应增大。,（4）水泥石微观结构对声速的影响, 低密度水泥石微观结构,漂珠低密度水泥石SEM,漂珠微硅低密度水泥石SEM,材质自身的

18、不均质性及存在裂纹等缺陷，微硅的加入起到充填密实的作用，又在一定程度上提高了水泥石抗压强度，但其声速测值在60和75低于漂珠低密度水泥石，在90时又高于漂珠低密度水泥石的声速测值。这说明声速测值不仅与密实程度有关，还与水泥石内部晶相结构有关，温度越高越有利于水化反应，各组份不再是简单的充填作用。,（4）水泥石微观结构对声速的影响, 低密度水泥石微观结构（硅藻土低密度水泥石SEM）,硅藻土低密度水泥石较漂珠水泥和漂珠微硅水泥石的密实程度要高，但其抗压强度远低于漂珠和漂珠微硅水泥石，其声速测值却与二者差不多，因此，声波水泥胶结测井反映材质藕合问题，有关水泥石真实物理特性反映指标还需要进一步深入研究

19、。,（4）水泥石微观结构对声速的影响, 低密度水泥石组份分析,图中1为漂珠低密度水泥石试样的X射线衍射图，3为漂珠微硅低密度水泥石试样的X射线衍射图，由于微硅的加入，试样3中氢氧化钙峰值明显降低，这是由于微硅中二氧化硅与水泥水化产物氢氧化钙反应生成硅酸钙凝胶的原故，由于水化产物及晶相结构的差异在声速测值上表现出一定差异，对于同样低密度水泥石声速测值应针对不同的水化晶相结构具体分析才能真实反映固井质量。,（4）水泥石微观结构对声速的影响, 低密度水泥石组份分析,图中4为硅藻土低密度水泥石X衍射曲线，1和3分别是漂珠低密度和漂珠微硅低密度水泥石X衍射曲线，从图中可以看出硅藻土水泥石组份与漂珠和漂珠微硅低密度水泥石存在一定的差异，三者声速测值必然不同，相对于低密度固井质量的评价反映指标也应各不相同。,（4）水泥石微观结构对声速的影响, 高密度水泥石组份分析,图中5为重晶石加重水泥石X射线衍射图，图中6为钛铁加重水泥石的X射线衍射图，图中曲线清晰地反映了加重材料组份的差异，其水化产物晶相受外掺料的影响使其晶相结构具有一定的差异，对于同样密度的加重水泥石由于加重材料的不同其声速反映也不同。,（4）水泥石微观结构对声速的影响, 高密度水泥石微观结构,重晶石加重水泥石SEM,钛铁矿加重水泥石SEM,重晶石与周围水化物的胶结程度明显高于钛铁矿与周围水泥水化物的胶结程度，