一种油气井水泥环完整性及损伤演化定量评价方法

文献发布时间：2023-06-19 18:37:28

技术领域

本发明涉及深井、超深井及深部页岩气水平井固井水泥环完整性检测及评价领域，具体是一种油气井水泥环完整性及损伤演化定量评价方法。

背景技术

在石油天然气的钻探过程中，固井的目的是为封隔地层、加固井眼、建立密封性能良好的井内油气水流动通道，以保障继续高效安全钻进，并保证后期试油、注气/水、压裂、酸化、生产等作业的正常进行。为实现上述固井目的，则需介于地层与套管外壁之间的水泥环长期保持良好的完整性。水泥环完整性是指在油气井服役期间，水泥环保持良好的结构完整性和功能完整性。

由于深部及非常规低孔、低渗油气藏通常需要大规模水力压裂才能获取商业油气产量。然而，在大规模多级水力压裂过程中，因温度和压力的波动、连续变化、交替加载和卸载很容易导致套管-水泥环-地层组合体完整性失效。水泥环完整性失效容易引起层间封隔失效、环空带压、套管腐蚀及服役寿命降低、管外油、气、水容窜通等诸多复杂工况。

调研发现：水泥环完整性失效主要包括界面失效和水泥环本体失效两大类，其中界面失效分为第一界面分离、第二界面分离、轴向滑移，而水泥环本体失效分为环向/轴向开裂、屈服破坏。因此，为预防并控制水泥环完整性失效，迫切需要模拟真实井下温度、压力及作业特征，准确而高效评价水泥环的完整性，进而基于评价结果，及时采取具有针对性地预防及控制措施，保证工程的质量与安全，避免类似事故及风险发生，这对现场安全、高效的生产显得尤为重要。目前，国内外学者基于理论和实验的方法，在水泥环完整性失效机理及水泥环完整性评价等方面展开了诸多的研究，主要包括套管-水泥环界面胶结强度、密封性能及完整性失效形式。上述研究主要基于气窜原理，即采用水泥环内部气体连通这种破坏行为作为判据，并采用气窜评价仪(如FMA7150)开展水泥环完整性评价；分析发现，现有评价仪器及方法均只能定性评价已形成大规模沟通微环隙、裂缝、窜槽的水泥环完整性，而不能用于定量评价无沟通微环隙、裂缝、窜槽的水泥环完整性，且因评价过程中水泥环内部气体连通这种破坏行为不能保证水泥环完整性，从而影响评价结果的准确性。相反，在保持水泥环完整性的前提下，有关定量评价模拟真实工况下水泥环完整性及损伤演化特征的方法及相关研究鲜见报道。

近年来，随着深井、超深井及非常规水平井的开发，钻完井数量不断增加，油气井具有超深、超高压、高温的特点，水泥环完整性问题越发突出。为了保证水泥环在油气井服役期间保持良好的结构完整性和功能完整性，预防并控制水泥环完整性失效，迫切需要建立一种定量评价模拟工况下水泥环完整性的新方法。

因此，本发明针对目前在模拟工况下水泥环完整性难以定量评价的技术难题，基于分形理论，提出一种油气井水泥环完整性及损伤演化定量评价方法，该方法可准确获取真实工况下水泥环界面、水泥环本体孔隙、颗粒、裂纹形态的分形维数及其与宏观力学性能的相关性，并基于此评价水泥环完整性及其在交变载荷下的损伤演化规律，可为油气井固井水泥浆体系的优化设计及水泥环完整性定量评价提供支撑。

发明内容

本发明的目的是提供一种油气井水泥环完整性及损伤演化定量评价方法，以解决实际模拟工况下水泥环完整性定量评价的技术难题，该方法简单易行，且完全适用于深井、超深井及非常规油气井水泥环在实际服役工况下的完整性定量评价。

为实现上述目的，本发明所述的一种油气井水泥环完整性及损伤演化定量评价方法，其特征在于：该方法主要基于分形理论、图像处理技术及套管-水泥环-地层组合体结构特征及失效机理，采用以下原理定量评价套管-水泥环-地层组合体中水泥环完整性及损伤演化规律：(1)采用空白组水泥环界面(包括与水泥环接触的套管外壁及与套管接触的水泥环内壁)形态分形维数、水泥环本体孔隙形态分形维数、颗粒形态分形维数及其与宏观力学性能(水泥环界面径向胶结强度、抗拉强度和抗压强度)之间的相关性来定量评价空白组水泥环完整性；(2)采用条件对照组水泥环界面形态分形维数、水泥环本体孔隙形态分形维数、颗粒形态分形维数、裂纹形态分形维数及其与宏观力学性能之间的相关性来定量评价条件对照组水泥环完整性损伤演化规律，具体采取的技术方案如下：

步骤一：制备用于开展水泥环完整性及损伤演化定量评价实验样品：(1)采用现场井身结构和水泥浆体系，模拟实际温度及压力养护制备套管-水泥环-地层组合体，定义与水泥环接触的套管外壁为目标面，与套管接触的水泥环内壁为接触面，目标面和接触面为套管-水泥环界面；(2)将制备的套管-水泥环-地层组合体分为空白组和条件对照组，空白组用于定量评价水泥环完整性，条件对照组用于定量评价交变载荷下水泥环完整性损伤演化规律，需要说明的是条件对照组为交变载荷作用后得到的套管-水泥环-地层组合体，空白组为初始状态的套管-水泥环-地层组合体；(3)分离空白组的水泥环和套管，采用空白组的水泥环和套管制备水泥石力学性能测试试样、目标面及接触面三维轮廓扫描试样、水泥石SEM扫描试样、水泥石压汞测试试样；(4)分离条件对照组的水泥环和套管，采用条件对照组的水泥环和套管制备水泥石力学试样、目标面及接触面的三维轮廓试样、水泥石SEM试样、水泥石压汞试样。

步骤二：测定有无交变载荷作用的水泥环宏观力学性能：(1)采用步骤一制备的空白组套管-水泥环-地层组合体开展界面力学性能测试，获取空白组套管-水泥环界面径向胶结强度S

步骤三：测定及评价无交变载荷作用的套管-水泥环界面形态的分形维数：(1)采用光学衍射仪对步骤一得到的空白组及条件对照组目标面和接触面三维轮廓试样进行三维扫描，获取目标面和接触面的三维轮廓图及不同测量尺度τ

步骤四：测定及评价有无交变载荷作用的水泥环本体孔隙形态的分形维数：(1)采用压汞法对步骤一得到的空白组及条件对照组水泥石压汞试样进行压汞测试，获取空白组及条件对照组水泥石的真实孔隙率φ、不同注入压力P

步骤五：测定及评价有无交变载荷作用的水泥环本体颗粒形态的分形维数：(1)采用扫描电镜对步骤一得到的空白组及条件对照组水泥石SEM试样进行面扫描，获取空白组及条件对照组水泥石在不同放大倍率下的SEM图像；(2)采用Python+OpenCV程序对SEM图像进行二值化处理，得到不同阀值下的二值化图像，白色区域代表微观颗粒，黑色区域代表微观孔隙；(3)基于步骤四采用压汞法获取的水泥石试样真实孔隙率φ，以水泥石试样的真实孔隙率为控制对象，采用基于边缘强度的阀值分割算法，对二值化图像阀值进行适配调控，直到二值化图像的三维孔隙率等于真实孔隙率，确定最佳阀值，从而优选出与水泥石试样真实孔隙率相等的目标二值化图像；(4)采用Matlab编程计算目标二值化图像中所有白色区域的面积和周长；(5)采用面积-周长分形模型Lg(A

步骤六：测定及评价交变载荷作用后水泥环本体裂纹形态的分形维数：(1)采用扫描电镜对步骤一得到的条件对照组水泥石SEM试样进行面扫描，获取条件对照组水泥石在不同放大倍率下的SEM图像；(2)采用与步骤五相同的方法获取水泥石裂纹的目标二值化图像；(3)采用Matlab编程计算用不同边长δ

步骤七：基于步骤二和步骤三，建立空白组界面径向胶结强度与套管水泥环界面形态分形维数之间的函数关系F

步骤八：基于步骤二和步骤四，建立空白组水泥石力学性能与套管水泥环本体孔隙形态分形维数之间的函数关系F

步骤九：基于步骤二和步骤五，建立空白组水泥石力学性能与套管水泥环本体颗粒形态分形维数之间的函数关系F

步骤十：基于步骤二和步骤三，建立条件对照组界面径向胶结强度与套管水泥环界面形态分形维数之间的函数关系F

步骤十一：基于步骤二和步骤四，建立条件对照组水泥石力学性能与套管水泥环本体孔隙形态分形维数之间的函数关系F

步骤十二：基于步骤二和步骤五，建立条件对照组水泥石力学性能与套管水泥环本体颗粒形态分形维数之间的函数关系F

步骤十三：基于步骤二和步骤六，建立条件对照组水泥石力学性能与套管水泥环本体颗粒形态分形维数之间的函数关系F

步骤十四：采用分形维数D

步骤十五：采用分形维数D

本发明的优点是：

基于分析理论、图形处理技术及水泥环完整性失效机理，准确构建水泥环完整性与其微观结构形态之间的相关性，实现模拟工况下套管-水泥环-地层组合体中水泥环完整性及损伤演化规律的定量评价，且能更好的预防和控制水泥环完整性失效，同时，为油气井固井水泥浆体系、施工工艺参数的优化设计及水泥环完整性评价提供一种新方法。

附图说明

图1为空白组水泥环本体孔隙Lg|dVPi/dRi|与LgRi之间的关系曲线

图2为空白组水泥环本体颗粒Lg(AGi)与Lg(PGi)之间的关系曲线

图3为15次交变温度作用后水泥环本体孔隙Lg|dVPi/dRi|与LgRi之间的关系曲线

图4为15次交变温度作用后水泥环本体颗粒Lg(AGi)与Lg(PGi)之间的关系曲线

图5为不同次数的交变温度载荷作用后水泥环本体孔隙及颗粒形态的分形维数

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行详细的描述。

参见附图，本发明提出了一种油气井水泥环完整性及损伤演化定量评价方法，所述方法主要包括以下步骤：

步骤一：制备用于开展水泥环完整性及损伤演化定量评价实验样品：(1)采用我国西部油田某井井身结构和水泥浆体系，在120℃*35MPa养护条件下制备套管-水泥环-地层组合体两组(甲组和乙组)，甲组为空白组，乙组分别置于温度30℃→120℃→30℃下交变作用10次、15次、20次、25次得到条件对照组；(2)分离空白组的水泥环和套管，采用空白组的水泥环和套管制备水泥石力学性能测试试样、目标面及接触面三维轮廓扫描试样、水泥石SEM扫描试样、水泥石压汞测试试样；(4)分离条件对照组的水泥环和套管，采用条件对照组的水泥环和套管制备水泥石力学试样、目标面及接触面的三维轮廓试样、水泥石SEM试样、水泥石压汞试样。

步骤二：测定有无交变温度(30℃→120℃→30℃)作用的水泥环宏观力学性能：(1)采用步骤一制备的空白组套管-水泥环-地层组合体开展界面力学性能测试，获取空白组套管-水泥环界面径向胶结强度S

步骤三：测定及评价有无交变温度(30℃→120℃→30℃)作用的套管-水泥环界面形态的分形维数：(1)采用光学衍射仪对步骤一得到的空白组及条件对照组目标面和接触面三维轮廓试样进行三维扫描，获取目标面和接触面的三维轮廓图及不同测量尺度τ

步骤四：测定及评价有无交变温度(30℃→120℃→30℃)作用的水泥环本体孔隙形态的分形维数：(1)采用压汞法对步骤一得到的空白组及条件对照组水泥石压汞试样进行压汞测试，获取空白组及条件对照组水泥石的真实孔隙率φ、不同注入压力P

步骤五：测定及评价有无交变温度(30℃→120℃→30℃)作用的水泥环本体颗粒形态的分形维数：(1)采用扫描电镜对步骤一得到的空白组及条件对照组水泥石SEM试样进行面扫描，获取空白组及条件对照组水泥石在不同放大倍率下的SEM图像；(2)采用Python+OpenCV程序对SEM图像进行二值化处理，得到不同阀值下的二值化图像，白色区域代表微观颗粒，黑色区域代表微观孔隙；(3)基于步骤四采用压汞法获取的水泥石试样真实孔隙率φ，以水泥石试样的真实孔隙率为控制对象，采用基于边缘强度的阀值分割算法，对二值化图像阀值进行适配调控，优选出与水泥石试样真实孔隙率相等的目标二值化图像；(4)采用Matlab编程计算目标二值化图像中所有白色区域的面积和周长；(5)采用面积-周长分形模型Lg(A

步骤六：测定及评价交变温度(30℃→120℃→30℃)作用后水泥环本体裂纹形态的分形维数：(1)采用扫描电镜对步骤一得到的条件对照组水泥石SEM试样进行面扫描，获取条件对照组水泥石在不同放大倍率下的SEM图像；(2)采用与步骤五相同的方法获取水泥石裂纹的目标二值化图像；(3)采用Matlab编程计算用不同边长δ