井眼是开采油气的通道,钻井施工结束后,需要通过固井作业给井眼增加一个双层结构的“保护层”,即套管和水泥环。水泥环是由固井水泥浆凝固而成,它是套管和地层的“粘合剂”,水泥环与套管之间的粘结界面称为“固井一界面”,而水泥环与地层之间的粘结界面称为“固井二界面”
水泥环完整性和两个界面封隔性直接反映了固井质量的好坏,其主要影响因素如下:(1)套管居中度对固井质量的影响。当套管在井眼内完全居中时,井眼轴线将与套管轴线重合。然而,井下条件复杂,且井型不仅是直井,还可能为斜井或水平井,因此套管轴线无法与井眼轴线完全重合,使得套管与井壁的间隙有大有小,这种情况称作套管的“偏心”或者“不居中”。不同位置处间隙的差异将导致水泥浆的流速、流态均不一致,给窄间隙的钻井液顶替造成较大的困难,使得套管偏心后顶替效率低于居中时的顶替效率,偏心程度越大对固井质量的影响越大。(2)水泥浆性能与前置液性能对固井质量的影响。水泥浆性能的影响主要是两方面:一是对注水泥顶替效率的影响,主要体现在水泥浆的流变性、水泥浆密度等性能上;二是对注水泥后水泥凝固过程的影响,主要有水泥石的强度和水泥浆的失水、自由水以及水泥浆的失重等因素,这些因素可能造成注水泥后环空窜流等问题。(3)注水泥顶替参数对固井质量的影响。注水泥过程影响顶替效率的因素主要有前置液的使用、顶替流态、紊流接触时间、钻井液性能调节等。
油气井固井质量的好坏显著影响着后期的生产效果,但由于水泥石存在于套管和地层的间隙内,且长度有几百米、几千米甚至上万米,无法直接对环空中水泥石性能进行测试,因此,需要通过专门的间接技术手段来评价固井质量。早期利用固井水泥在凝固时放出热量,使用井温测井定性地进行固井质量检查。20世纪50年代国外应用声波幅度测井测量套管外“一界面”胶结质量,70年代应用声波变密度测井测量两个界面胶结质量。在70—80年代中国将声幅测井和声波变密度测井用于固井质量检查,推广应用了声波—自然伽马—接箍定位器组合测井仪;80年代末发展了超声脉冲回波测井,利用水泥胶结评价测井仪(CET)和脉冲回波测井仪(PET)等依次向井壁发射声脉冲,使套管产生厚度型谐振,水泥胶结好坏与谐振衰减及其快慢有关,依此确定水泥一二界面的胶结质量和套管变形;90年代大庆等油田从美国引进了扇区声波水泥胶结测井仪、从俄罗斯引进了伽马密度套管壁厚测井仪,促进了固井质量检查测井技术的提高。进入21世纪,固井质量检查测井在向应用声波测井、核测井和井温测井等方法组合,综合判断微环(水泥凝固时与套管之间形成微米级的间隙,未形成窜槽)、套管外一二界面胶结质量、套管偏心、水泥环密度及其中的窜槽(水泥环窜通)与空穴等。现场常用固井质量检查方法主要包括:(1)套管试压。套管试压是检查固井质量的重要手段,主要包括套管头密封的耐压力检查、防喷器连接的密封试压、套管柱的压力检验以及地层破裂压力试验。(2)声波测井。最常用的固井质量检测手段是声波测井,它是利用声波在介质中的传播特性,通过记录套管波幅度进行“固井一界面”胶结质量评价。固井质量较好的井段,套管与水泥环紧密固结,声波通过水泥环向地层传播而衰减较大,仪器接收到的折射波幅就小;如果固井不好,水泥环或界面可能存在缝隙,声波能量衰减少,仪器接收到的折射波幅度就大。折射波幅度大小能够反映水泥胶结情况。(3)声波变密度测井。在声波测井的基础上增加了接收器,在解释时使用水泥胶结指数作为定量评价指标。(4)扇区水泥胶结测井。以声波变密度测井为基础,将水泥环圆周分为8个扇区,周向上记录8组套管波,分别解释8个45°分区的胶结质量,描述套管外水泥环分布的均匀性。该方法可以识别水泥环的局部缺失,评价结果更加准确。(5)声波伽马密度测井。是声波变密度测井与伽马密度仪器的组合,通过声波传播时间、首波幅度、首波衰减以及全波列确定套管外的水泥胶结状态,比声波变密度测井评价结果更全面更精细。