張新果

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江 大慶 163413）

固井是油氣井施工階段進行的重要工序之一。固井作業(yè)的歷史可以追溯到1859 年，Hardison＆Stewart Oil Company 于1883 年執(zhí)行了第一次水泥作業(yè)。固井作業(yè)有兩個主要目標。第一個目標是通過井筒中不同區(qū)域之間的水力隔離來控制井筒中的流量，從而保護井筒的完整性。因此，成功的固井可以防止地層中的流體流入其他地質區(qū)域或地表。第二個目標是為套管提供支撐。

為了滿足日益復雜的固井需求，世界各國的從業(yè)人員從固井質量評價技術和固井外加劑等方面開展了大量研究。本文綜述了相關固井新技術的研究進展。

1 固井質量評價取得進展

為了確保固井工作的成功，我們必須對固井質量進行測試。迄今為止，確定區(qū)域隔離情況最有效的方法是壓力測試。然而，壓力測試在經(jīng)濟上是不可行的，現(xiàn)場經(jīng)驗表明，在某些情況下，它們可能會對水泥造成損壞。因此，服務公司通常通過測井來評估水泥，將測井工具下放到套管中，用以檢查水泥的質量。

自從Grosmankin等人和Anderson和Walker發(fā)表了第一個基于聲波的水泥評估方法以來，進一步的工具開發(fā)較為緩慢。根據(jù)Allouche 等人的研究成果，在現(xiàn)有方法中，聲學測井技術是最常見和最有效的。聲學測井技術主要包括聲波和超聲波技術。聲學工具記錄的數(shù)據(jù)通過軟件處理后，就可以獲得套管和水泥等油井組件的參數(shù)估值，然后可以從這些結果中解釋油井的水力隔離情況[1-2]。

這種解釋是一項具有風險的復雜任務，必須由訓練有素的專業(yè)人員進行。他們利用自己的理解來整合各種測井結果，用以評估水泥狀態(tài)。此外，這項任務還需要在限定時間內完成，因為進一步的油井開發(fā)需要參考這些評估結果。Belozerov 等人也指出，測井解釋的過程是復雜，耗時的，而且也相當主觀，不同的解釋者可能會從相同的數(shù)據(jù)中得出不同的結論。

以往的固井質量評價高度依賴技術人員的人工評價[3]。而固井智能評價可以實現(xiàn)對固井質量更為客觀、準確和快速的評價。固井質量智能評價主要基于聲波振幅和變密度測井曲線，利用深度算法學習進行訓練模型，達到準確評價固井質量的目的。固井質量智能預測主要基于測井資料，通過智能算法修正測井信息，預測固井質量。

美國阿布扎比公司的Deepak Kumar Voleti 基于聲幅、變密度測井數(shù)據(jù)和超聲成像數(shù)據(jù)建立了一種神經(jīng)網(wǎng)絡算法，利用機器學習（ML）的方法來解釋來自不同承包商的固井質量數(shù)據(jù)。因為，目前的固井質量評估主要依賴聲學參數(shù)的測量，如振幅、折射波的波形、阻抗和衰減等。通常由固井工程師或承包商負責評估水泥膠結質量，但這種評價方法是非常主觀的，其準確性取決于工作時間、工作壓力和評估人員的經(jīng)驗。作者測試了不同的機器學習技術（隨機森林分類和神經(jīng)網(wǎng)絡）和智能數(shù)據(jù)訓練方式。最后使用嵌套模型，將測量數(shù)據(jù)和所需的解決方案分為不同的類，并為每個類構建一個單獨的機器學習模型，并組合所有模型以獲得最終的固井質量評估和建議。最終的結果包括固井質量、水泥膠結質量、異常情況和建議等。這種基于機器學習的固井質量評估被證明是非常有效的，可以節(jié)省相關工作人員75%的工作量。此外，這種評價模型經(jīng)濟效益好，人為誤差小，一致性高，可獨立應用于油井或儲層。

賓夕法尼亞州立大學的Santos和Dahi開發(fā)了一種基于高斯過程回歸（GPR）的機器學習方法，它可以通過估計誤差和置信區(qū)間來評估水泥膠結質量的不確定性。與傳統(tǒng)機器學習技術相比，GPR 只需要少量的模擬用數(shù)據(jù)。在這項工作中，使用水泥膠結測井數(shù)據(jù)用于訓練，并通過與同一油田不同井的數(shù)據(jù)進行比較來驗證模型。結果表明，預測情況與基本情況的相關性非常好。方差函數(shù)給出的初始假設不僅有助于捕獲總體趨勢關系，還有助于捕獲局部變化。此外，該框架提供的不確定性評估可以通過確定水泥環(huán)中最差的情況和潛在的流體遷移路徑來幫助降低固井風險。

Reolon 等開發(fā)了基于多分辨率圖聚類（MRGC）的算法，該算法首先識別聲學和超聲測井/圖表中的數(shù)據(jù)，然后通過熵將MRGC 集成到貝葉斯框架中，以計算獲得膠結相的概率和相關的不確定性。該方法可以實時解釋和分析固井質量。該方法的使用效果已經(jīng)通過實際應用得以證明。在實際應用過程中，首先采用概率法預測水泥膠結情況及不確定性；然后對結果進行無偏評估，統(tǒng)計代表性和高質量的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)分析方法可以有效模仿專家的工作。并且這種數(shù)據(jù)算法只需要幾秒鐘就可以提供詳盡的固井解釋，而傳統(tǒng)方法至少需要一天時間。

維根等開發(fā)了一個可以自動解釋固井質量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡，使用600份測井數(shù)據(jù)對其進行訓練。該系統(tǒng)的任務是根據(jù)周圍井的測井數(shù)據(jù)，對每米井段的粘結質量（6個有序類）和水力隔離（2類）進行分類，最終可以獲得6類井的固井質量，準確率為86.7%。

IA Merciu 等開發(fā)了基于機器學習（ML）的自動解釋評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以提供即時簡單的固井質量報告，用作后期人工解釋的基礎。該系統(tǒng)比較了兩種解釋系統(tǒng)的性能，一種是以前發(fā)布的，另一種是最新發(fā)布的。以前的方法基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN），它可以自主從測井數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)，而新方法使用特征算法，可以使用系統(tǒng)自己的儲備知識來提取特征。結果表明，使用特征工程的評估系統(tǒng)表現(xiàn)更好，其準確率可達88.9%。

T Eltsov 等開發(fā)了一種可以檢測井筒形狀以及套管中水泥缺陷的感應測井工具。該測井工具可用于測試非導電外殼后面弱磁性水泥的完整性。長度為0.25～0.6m 的工具對磁性水泥特性最敏感。最適合磁性水泥檢測的頻率在0.1～10kHz范圍內，這是磁化率測井的典型特征。振幅可用于推斷套管后磁性水泥的完整性，但要獲得有關水泥流變學的信息，必須進行高頻電阻率測量。在200MHz 下將固體水泥與液體區(qū)分開來，并量化了水泥凝固狀態(tài)。高頻下的信號相位對水泥凝固更敏感。在測井記錄上可以看到充滿磁性水泥的空洞和裂縫。該工具可用于確定水泥脫粘區(qū)域?？梢允褂脧较蚍植紓鞲衅鳈z測外殼偏心率和徑向不均勻性。水泥的缺失會導致二次磁場的急劇下降。該磁測井技術可用于中溫井水泥質量檢測（＜150 ℃）。

2 固井外加劑取得進展

作為鉆井作業(yè)的一部分，水泥漿是由水泥、水和其他添加劑混合制備的，然后沿著套管一直流到環(huán)形空間。與建筑行業(yè)使用的水泥相比，油井水泥需要暴露在不同的地層條件下。固井工作的目的之一是確保在套管外具有設計量的水泥，確保竄槽不會發(fā)生。油井水泥的強度通常取決于固化時間、環(huán)境條件、配方設計和添加劑的使用等因素。水泥中需要添加許多添加劑，以增強水泥的各種性能。水泥凝結時間的減少可以通過使用促進劑來實現(xiàn)，水泥的增稠時間可以通過添加緩凝劑等來實現(xiàn)。此外，我們還可以使用不同的添加劑來提高水泥的抗壓強度，減少水泥內的流體損失并增加水泥的密度。氯化鈉和氯化鈣可作為水泥漿中的促進劑，減少水泥的凝結時間。重晶石或赤鐵礦等加重劑廣泛用于增加水泥漿的密度。除了這些常用的添加劑外，許多特殊添加劑，如稀釋劑、填充劑、密度減輕劑、緩蝕劑、膨脹添加劑、硫化氫清除劑、除氧劑等，都是根據(jù)固井要求添加到水泥中的。

近年來，納米技術正以驚人的速度發(fā)展，納米技術已經(jīng)在紡織、國防、航空航天和能源等各種行業(yè)開展了廣泛應用。在石油和天然氣工業(yè)中，納米材料已在勘探、儲層保護、鉆井、精煉和加工中得到應用。納米二氧化硅在石油工業(yè)中有多種用途，例如減少多孔介質中的阻力、提高石油采收率（EOR）、提高泡沫和乳液穩(wěn)定性、減少頁巖中的水相侵入、流體中的過濾控制和流體中的流變控制。固井相關從業(yè)者也做出了許多努力，通過在水泥漿中添加納米材料來改善水泥的性能。

納米技術引起廣泛關注的主要原因是物體在納米尺度上形成時所顯示的特性。其中自我感應、自我修復、自我清潔和強度增強是現(xiàn)在業(yè)界經(jīng)常討論的方向。二氧化硅以石英或砂子的形式存在于自然界中。在納米尺度上對二氧化硅結構進行控制，即可生成二氧化硅納米顆粒。在波特蘭水泥漿、砂漿或混凝土中加入納米級顆?？梢再x予水泥漿不同的功能。金屬氧化物的納米顆粒，例如納米二氧化硅、納米二氧化鈦、納米氧化鐵、納米氧化鋁、納米氧化銅、納米過氧化鋅和許多其他磁性納米顆粒已經(jīng)被用作與水泥漿添加劑，用以最大限度地減少現(xiàn)場施工問題。目前，已經(jīng)被報道的有關納米材料的特殊性能有：①早強；②增加抗拉強度；③增加粘度；④增加早期抗壓強度；⑤降低水泥稠化時間[4]。

大量研究已經(jīng)確定，通過使用納米材料可以改善水泥漿性能。納米材料，如納米二氧化鈦、納米氧化鋅、富勒烯、碳納米管、納米二氧化硅、納米氧化鋁可以提高混凝土材料的強度、剛度和延展性特性。

G.Quercia 等的研究表明，碳納米管具有較大的比表面積和電子特性，并有高達2TPa 高楊氏模量。碳原子之間存在非常強的化學鍵，這大大增加了其強度。并有助于提高水泥石的抗拉強度值。碳納米管具有很高的彎曲強度和良好的導熱性和導電性。納米管的直徑通常在1～100nm之間，長度在2～10nm之間。部分研究證實碳納米管可以顯著改善水泥漿的微觀力學參數(shù)。但成本因素是碳納米管應用的主要障礙，此外碳納米管對凝固水泥的附著力差，摻混過程中它們會結塊并且很難均勻地分布在水泥漿中。

M.Rupasinghe等研究了石墨烯對水泥漿進行改性的方法。石墨烯是一種具有高機械強度的、成本更低的材料。與納米管相比，它不會呈現(xiàn)單個結構的聚集，從而消除了漿料中排列不均勻的問題。氧化石墨烯是一種石墨烯衍生物，具有平行的機械性能可以使水泥漿中的材料均勻化。0.01%～0.05%的氧化石墨烯濃度即可以降低漿料孔隙率，加速水化過程，并增加機械性能。最近的研究描述了氧化石墨烯對水泥漿力學性能的積極影響。這是由于氧化石墨烯納米片邊緣有-COOH 基團，水泥漿中的鈣離子可以與之發(fā)生反應，該反應可產(chǎn)生由水泥顆粒和氧化石墨烯的水化產(chǎn)物組成的強化空間結構。

3 結論

（1）固井是油氣井施工階段進行的重要工序之一。為了滿足日益復雜的固井需求，世界各國的相關從業(yè)人員在固井質量評價技術和固井外加劑等方面開展了大量研究。

（2）以往的固井質量評價高度依賴技術人員的人工評價。固井智能評價可以實現(xiàn)對固井質量更為客觀、準確和快速的評價。固井質量智能評價主要基于聲波振幅和變密度測井曲線，利用深度算法學習訓練模型，達到準確評價固井質量的目的。固井質量智能預測主要基于測井資料，通過智能算法修正測井信息，預測固井質量。

（3）大量研究表明，使用納米材料可以改善水泥漿和水泥石的強度、剛度和延展性，水泥漿的力學性能有積極的影響。