一种建立固井质量评价指标的方法及固井质量评价方法
技术领域
本发明涉及一种建立固井质量评价指标的方法及固井质量评价方法，属于石油勘探开发领域。
背景技术
随着固井技术的不断发展，新材料、新工艺的应用给固井质量评价带来了新的挑战。针对低压易漏、窄密度窗口的层位，超低密度水泥浆体系可以很好地解决水泥返高不够、固井漏失等问题，如鄂尔多斯盆地是典型的低压、低渗、致密储层，建井过程中由于地层承压能力低，钻井和固井过程中易发生漏失，杭锦旗区块的刘家沟组、石千峰组等层位地层承压能力当量密度最低达1.10g/cm3，为了解决固井漏失问题，采用了密度为1.10-1.33g/cm3的超低密度水泥浆体系，现场应用表明超低密度水泥浆体系可以很好的满足生产和技术需求。
但同时超低密度水泥浆的使用也给固井质量评价带来了一系列难题，主要表现在以下几方面：
(1)超低密度水泥石的声学特性和强度特性与测井响应的关系不明确。其中，一方面随着水泥石密度的降低，水泥石的强度和声速也越低，水泥石与套管的声耦合性就会变差，声幅测井响应表现为套管波变强，地层波变弱；另一方面，超低密度水泥浆中混配的大量漂珠类减轻材料也会对水泥石的声学特性和强度特性造成一定的影响。
(2)超低密度水泥浆固井质量评价指标不明确。其中，现有评价标准“SY/T 6592-2016：固井质量评价方法”只给出了密度在1.30g/cm3以上的水泥浆体系的固井质量评价指标,针对密度小于1.30g/cm3的超低密度水泥浆体系还无明确的评价指标供参考。因此，应用现有的方法和手段已无法准确的评价超低密度水泥浆固井质量。
针对上述问题，一篇“低密度水泥浆固井质量评价方法探讨”的文献(石油钻探技术，第43卷第5期，步玉环等著)公开了一种针对低密度水泥浆的固井质量评价标准，先建立套管井井下声场模型，之后根据水泥石声学特性进行模拟计算，分别针对胶结良好和胶结一般的井段的常规密度和低密度下的水泥石，计算常规密度水泥石测井响应中的套管波幅度值与低密度水泥石测井响应的套管波幅度值，并分别对比两者的差异，确定相对于常规密度下的低密度对应的改进系数，并利用该改进系数对常规密度下的常规固井质量评价标准进行修正。但是，上述方法中改进的固定质量评价标准，并未考虑其他因素，如温度、固井的深度等，因此，其在进行具体井段的质量评价时，存在不准确、误评价的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种建立固井质量评价指标的方法及固井质量评价方法，以解决现有中的固井评价标准不准确、误评价的问题。
为实现上述目的，本发明的建立超低密度水泥浆的固井质量评价指标的方法的技术方案，包括以下步骤：
(1)针对待测井进行井段水泥浆养护模拟实验，根据待测井所在地理位置的地温梯度和井深，设定不同井深的井段所对应的井段温度，以井段温度作为该井段的井段水泥浆养护模拟实验的温度条件，以设定密度的井段水泥浆进行不同井段的井段水泥浆养护模拟实验，获得与井段对应的井段水泥石，并获得各个井段水泥石抗压强度；
(2)根据预先获得的设定密度的水泥石抗压强度与相对声幅值的定量关系，由步骤(1)获得的各个井段水泥石的抗压强度，获得各井段对应的相对声幅值，以相对声幅值建立不同井深下固井质量评价标准；
所述水泥石抗压强度与相对声幅值的定量关系的建立过程为：
a、以待校核水泥浆进行待校核水泥浆养护模拟实验，获取待校核水泥石纵波声速和横波声速、待校核水泥石的抗压强度的试验数据，对试验数据拟合，确定待校核水泥石横波声速-抗压强度定量关系、待校核水泥石纵波声速-抗压强度定量关系；所述待校核水泥浆的密度与所述井段水泥浆的密度相同，在待校核水泥浆养护模拟实验中，在多个设定温度条件下对待校核水泥浆进行多次养护试验，分别获得与设定温度条件对应的多个待校核水泥石；
b、根据步骤a获取的待校核水泥石横波声速-抗压强度定量关系、待校核水泥石纵波声速-抗压强度定量关系，计算设定温度条件下待校核水泥浆在固井完全胶结时的套管波衰减率，该套管波衰减率与待校核水泥石的抗压强度对应；
c、根据步骤b获得的套管波衰减率，结合常规密度水泥浆固井质量评价指标中的相对声幅评价中等的常规上限值、常规下限值，获得待校核水泥石的固井质量评价指标中的相对声幅评价中等改进上限值，相对声幅评价中等改进下限值；
d、将步骤a获取的待校核水泥石的抗压强度与步骤c获得相对声幅评价中等改进上限值、相对声幅评价中等改进下限值进行对应，从而获得设定温度条件下的待校核水泥石的抗压强度与相对声幅评价中等改进上限值、相对声幅评价中等改进下限值的抗压强度-相对声幅值的定量关系；确定多个设定温度条件下的待校核水泥石的抗压强度与相对声幅值的定量关系。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的建立超低密度水泥浆的固井质量评价指标的方法，在建立过程中引入了参数抗压强度，建立了水泥石的抗压强度与相对声幅值的定量关系，实现了利用抗压强度定量校核超低密水泥固井质量评价指标的目的，方法简单可行；
(2)本发明建立的超低密度水泥浆的固井质量评价指标，可以实现分段评价超低密度水泥固井质量，尤其是针对长裸眼段固井时上下温差较大的情况，采用分段精细化评价的方法能够准确第评价超低密度水泥固井质量；
(3)本发明针对密度小于1.30g/cm3的超低密度水泥固井质量评价，具有显著优势，采用该方法不会造成额外的时间成本和施工成本，现场可操作性强。
进一步的，所述步骤d中获取的待校核水泥石的抗压强度与相对声幅值的定量关系为拟合的曲线表达式或者映射表。
进一步的，所述待校核水泥石纵波声速-抗压强度定量关系的表达式为：
所述待校核水泥石横波声速-抗压强度定量关系的表达式为：
其中，P为待校核水泥石的抗压强度；vp为待校核水泥石纵波声速；vs为待校核水泥石横波声速；a、b、c、d分别为系数，通过实验数据拟合得到。
进一步的，所述待校核水泥石的纵波声速、横波声速是利用声速测量仪测量，所述待校核水泥石的抗压强度是利用抗压强度仪测量。
进一步的，所述套管波衰减率的计算表达式为：
其中，P为待校核水泥石的抗压强度，a、b、c、d分别为系数，通过实验数据拟合得到，ρ为待校核水泥浆的密度；h为套管平板厚度。
进一步的，所述步骤c的过程为：根据步骤b获得的套管波衰减率，获得待校核水泥石的固井质量评价指标中的相对声幅评价中等改进上限系数、相对声幅评价中等改进下限系数；再将相对声幅评价中等改进上限系数、相对声幅评价中等改进下限系数分别与常规密度水泥浆固井质量评价指标中的相对声幅评价中等的常规上限、常规下限相乘，获得待校核水泥石的固井质量评价指标中的相对声幅评价中等改进上限值、相对声幅评价中等改进下限值；
其中，相对声幅评价中等改进上限系数为
本发明还提供了超低密度水泥浆的固井质量评价方法的技术方案，该方法为对待测井进行声波测量，由测量的纵波声速和横波声速，获得不同井段的相对声幅值，根据上述建立超低密度水泥浆的固井质量评价指标的方法的技术方案，获得的设定密度水泥浆的固井质量评价指标，对待测井不同井段的固井质量进行评价。
本发明的有益效果是：本发明的超低密度水泥浆的固井质量评价方法，通过预先建立不同密度下的固井质量评价标准；在工程实际应用中，该方法仅需要在实验室进行测试，无需大量人员到现场进行测试，不仅能够准确进行待测区域井质量的评价，而且降低了成本。
附图说明
图1是本发明固井质量评价方法的实施例一中的固井质量评价标准流程图；
图2是本发明固井质量评价方法的实施例一中的水泥石抗压强度与相对声幅值的定量关系的建立流程图；
图3是本发明固井质量评价方法的实施例一中待校核水泥浆养护模拟试验，获得的待校核水泥石纵波声速-抗压强度定量关系的关系图；
图4是本发明固井质量评价方法的实施例一中待校核水泥浆养护模拟试验，获得的待校核水泥石纵波声速-抗压强度定量关系的关系图；
图5是本发明固井质量评价方法的实施例一中对密度为1.25g/cm3水泥浆进行待校核水泥浆养护模拟试验后，获得的水泥石抗压强度与相对声幅值的定量关系的关系图。
具体实施方式
固井质量评价方法的实施例一
本发明的固井质量评价方法的实施例，是对鄂尔多斯地区某井(以下简称待测井)二开技术套管的固井质量进行评价，待测井固井的水泥浆密度为1.25g/cm3，封固井段为0-2470米，现场相关数据如表1所示。
表1
本实施例在进行固井质量评价之前，需要先建立针对该待测井的超低密度为1.25g/cm3的水泥浆的固井质量评价指标，如图1所示，建立该固井质量评价指标的过程，包括如下步骤：
1、对待测井进行井段水泥浆养护模拟实验，根据待测井所在地理位置的地温梯度和井深，设定不同井深的井段所对应的井段温度，以井段温度作为该井段的井段水泥浆养护模拟实验的温度条件，以设定密度的井段水泥浆进行不同井段的井段水泥浆养护模拟实验，获得与井段对应的井段水泥石，并获得各个井段水泥石抗压强度。
本实施例中的井段水泥浆养护模拟实验，包括以下步骤：
1)根据井深设定三段井段，第一井段为0-1000m，第二井段为1000-2000m，第三井段为2000-2470m。
2)根据待测井所在位置地表年平均温度6℃，地温梯度为2.73℃/100m，确定第一井段的温度为33.3℃；第二井段的温度为60.6℃；第三井段的温度为73.4℃。
其中，不同井段温度的确定是将每一井段最大井深处的温度作为该段井段的温度。
3)在实验室内配置三组与待测井实际水泥浆密度(超低密度为1.25g/cm3)相同的水泥浆试样，并将该水泥浆试样注入到三组50mm×50mm×50mm试模内。
4)将三组水泥浆试样试模分别放入温度为33.3℃、60.6℃和73.4℃的恒温水浴养护釜室内进行48小时养护，分别获得与待测井的第一井段、第二井段和第三井段的井段水泥石。
5)测量井段水泥浆养护模拟实验中获得的第一井段、第二井段和第三井段的水泥石的抗压强度，分别为3.5Mpa、7.5Mpa和10.5Mpa。
2、根据预先获得的设定密度的水泥石抗压强度与相对声幅值的定量关系(如图5所示)，由步骤1获得的各个井段水泥石的抗压强度，获得各井段对应的相对声幅值，以相对声幅值建立不同井深下固井质量评价标准；
本实施例中，测量的井段水泥浆养护模拟实验中获得的第一井段、第二井段和第三井段的水泥石的抗压强度，分别为3.5Mpa、7.5Mpa和10.5Mpa，根据图5所示的水泥石抗压强度与相对声幅值的定量关系，获得抗压强度3.5Mpa对应的相对声幅评价中等上限值为46.9％，相对声幅评价中等下限值为27.2％；抗压强度7.5Mpa对应的相对声幅评价中等上限值为44.4％，相对声幅评价中等下限值为25.2％；抗压强度10.5Mpa对应的相对声幅评价中等上限值为43.4％，相对声幅评价中等下限值为24.5％；建立以相对声幅值的不同井深下固井质量评价标准，如下表2所示。
表2
其中，对于图5中所反映的水泥石的抗压强度与相对声幅值的定量关系，如图2所示，其建立过程进行如下介绍：
(一)，以待校核水泥浆进行待校核水泥浆养护模拟实验，获取待校核水泥石纵波声速和横波声速、待校核水泥石的抗压强度的试验数据，对试验数据拟合，确定待校核水泥石横波声速-抗压强度定量关系、待校核水泥石纵波声速-抗压强度定量关系；其中待校核水泥浆的密度与所述井段水泥浆的密度相同，在待校核水泥浆养护模拟实验中，在多个设定温度条件下对待校核水泥浆进行多次养护试验，分别获得与设定温度条件对应的多个待校核水泥石。
其中的待校核水泥石纵波声速-抗压强度定量关系的表达式为：
待校核水泥石横波声速-抗压强度定量关系的表达式为：
其中，P为待校核水泥石的抗压强度；vp为待校核水泥石纵波声速；vs为待校核水泥石横波声速；a、b、c、d分别为系数，通过实验数据拟合得到。
本实施例中的待校核水泥浆养护模拟实验的具体过程为：
1)根据不同密度的待校核水泥浆所在井的位置的地表年平均温度，结合井深，选取对应密度下的多组温度；
本实施例中的温度为将每隔设定深度的最大井深处的温度。
本实施例中，选取五种不同的待校核的水泥浆密度，分别为1.1g/cm3、1.15g/cm3、1.2g/cm3、1.25g/cm3和1.33g/cm3，针对不同的水泥浆密度，设定不同的养护温度。其中待校核的密度为1.25g/cm3的水泥浆与上述的井段水泥浆密度一致。
2)在实验室内分别配置每种待校核的水泥浆密度下多组水泥浆试样，并将该待校核的水泥浆试样注入到与水泥浆试样对应的多组50mm×50mm×50mm试模内。
3)将每种密度的各个待校核水泥浆试样试模分别放入对应的设定温度的恒温水浴养护釜室内进行48小时养护，分别获得每种密度下的不同温度下的待校核水泥石。
4)利用声速测量仪测量每种密度的不同温度下的待校核水泥石的纵波声速和横波声速；利用抗压强度仪测量每种密度的不同温度下的待校核水泥石的抗压强度。
5)根据上述步骤4)中获取的不同密度下的待校核水泥石纵波声速和横波声速、待校核水泥石的抗压强度的试验数据，如表3所示，对试验数据拟合，确定不同密度下的待校核水泥石横波声速-抗压强度定量关系、待校核水泥石纵波声速-抗压强度定量关系。
表3
如图3和图4所示，本实施例中拟合出的五种不同密度(密度分别为1.1g/cm3、1.15g/cm3、1.2g/cm3、1.25g/cm3、1.33g/cm3)的待校核水泥石纵波声速-抗压强度定量关系、待校核水泥石纵波声速-抗压强度定量关系。
下面仅针对待校核水泥浆密度为1.25g/cm3的水泥石进行后续的计算，其它密度的水泥石的计算过程不再赘述。
具体的，通过步骤(一)获得的待校核水泥浆密度为1.25g/cm3的水泥石纵波声速-抗压强度定量关系的表达式为：
水泥石横波声速-抗压强度定量关系的表达式为：
其中：P为水泥石的抗压强度；vp为水泥石的纵波声速；vs为水泥石的横波声速。
(二)，根据获取的待校核水泥浆密度为1.25g/cm3的水泥石横波声速-抗压强度定量关系、待校核水泥石纵波声速-抗压强度定量关系，计算每个设定温度条件下待校核水泥浆在固井完全胶结时的套管波衰减率。
其中，套管波衰减率的表达式为：
其中：P为水泥石的抗压强度，a、b、c、d为系数，αT为套管波衰减率；l为测井源距；ρ固井水泥浆密度；h为套管平板厚度。
通过上述公式(5)，计算出水泥浆密度为1.25g/cm3的水泥石在不同设定温度下对应的套管波衰减率,具体数据见表4中的内容。
(三)，根据步骤(二)获得的套管波衰减率，结合常规密度水泥浆固井质量评价指标中的相对声幅值的常规上限、常规下限，获得每个设定温度下的密度为1.25g/cm3的待校核水泥石的固井质量评价指标中的相对声幅评价中等改进上限值、相对声幅评价中等改进下限值。
本实施例中，首先，通过下述的公式(6)和公式(7)，计算密度为1.25g/cm3的待校核水泥石的固井质量评价指标中的相对声幅评价中等改进上限系数、相对声幅评价中等改进下限系数；
其中的相对声幅评价中等改进上限系数为：
相对声幅评价中等改进下限系数为：
其中，αT为套管波衰减率，l为测井源距。
其次，将相对声幅评价中等改进上限系数、相对声幅评价中等改进下限系数分别与常规密度水泥浆固井质量评价指标中的相对声幅评价中等的常规上限值(30％)、常规下限值(15％)相乘，获得密度为1.25g/cm3的待校核水泥石的固井质量评价指标中的相对声幅评价中等改进上限值(λU*30％)、相对声幅评价中等改进下限值(λD*15％)。
具体的，如表4所示，给出了密度为1.25g/cm3的待校核水泥石在不同的设定温度下对应的固井质量评价指标中的相对声幅评价中等改进上限值、相对声幅评价中等改进下限值。
表4
(四)，将步骤一获取的待校核水泥石的抗压强度与步骤三获得相对声幅改进上限值、相对声幅改进下限值进行对应(见表4)，从而获得每个设定温度条件下的待校核水泥石的抗压强度与相对声幅改进上限值、相对声幅改进下限值的抗压强度-相对声幅值的定量关系；将多个设定温度条件下的待校核水泥石的抗压强度-相对声幅值的定量关系进行拟合，如图5所示。
需要说明的是，上述固井质量评价指标的建立过程中，步骤(一)至步骤(四)中，属于在进行待测井质量评价之前所做的准备，这样就为后续的待测井的质量评价做准备；在工程实际应用中，该方法仅需要在实验室进行测试，无需大量人员到现场进行测试，不仅能够准确进行待测区域井质量的评价，而且降低了成本。
3、对待测井进行声波测量，由测量的纵波声速和横波声速，获取待测的不同井段的相对声幅值，根据步骤1-2中预先建立的固井质量评价指标，对待测井的不同井段的固井质量进行评价。
需要说明的是，本实施例中的表固井质量评价指标是针对设定密度为1.25g/cm3的固井质量评价指标，因此，针对不同的区域的固井水泥浆的密度，若要实现准确的固井质量评价，需要按照本发明的上述建立固井质量评价指标的方法，事先根据待测目标区的井深以及对应的温度，建立好固井质量评价标准。
固井质量评价方法的实施例二
本实施例的固井质量评价方法，与上述的固井质量评价方法的实施例一的不同之处仅在于，获得的设定密度的水泥石抗压强度与相对声幅值的定量关系为映射表。
本实施例中，是将获取的待校核水泥石的抗压强度与获得相对声幅改进上限值、相对声幅改进下限值进行对应，从而获得设定温度条件下的待校核水泥石的抗压强度与相对声幅改进上限值、相对声幅改进下限值的抗压强度-相对声幅值的对应映射表；建立多个不同温度条件下的待校核水泥石的抗压强度-相对声幅值的映射表。
即本实施例中由待测井井段的抗压强度，通过映射表进行查表，获得相对声幅值时，并建立固井质量评价指标。
建立的固井质量评价指标的方法的实施例
本发明的建立的固井质量评价指标的方法的实施例，与上述固井质量评价方法的实施例一中的步骤1和步骤2的具体内容相同；由于上述实施例中已对步骤1和步骤2进行了详细的介绍，此处不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，已经用一般性说明、具体实施方式对本发明作了详尽的描述，但并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种修改或改进。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
