1. 引言
水泥返高是固井质量的重要指标，国内外关于固井水泥浆量计算大多以完井测井井径为计算基础，以完井测井井径曲线为依据，所以井径曲线的准确性直接影响到水泥返高。随着勘探开发的不断深入，冀东油田部署的大斜度大位移定向井以及水平井的数量越来越多，给电缆测井施工带来了困难。冀东油田自2011年开始应用存储式 [1] LWF测井系统，解决了电缆测井风险大、成功率低的难题，但由于LWF测井方式中井径测量比常规电缆井径测井相比数据值偏小，水泥浆附加量受多种因素影响，所以需要分析LWF存储式测井井径误差原因，提出合理的水泥浆量附加值，保证水泥返高，确保固井质量。
2. 问题的出现
自2011年以来冀东油田应用存储式LWF测井施工，已有10余口井，在按照常规水泥浆量附加(在设计值基础上增加15%~20%的浆量)固井后，发现多数井实际水泥浆返高与设计要求相差较大，例如在NP4-39井中，实际水泥返高高于设计1293 m，在T30X2井中，高于设计1310 m，而G42X1井中实际水泥返高低于设计305 m尤其在出现复杂事故井中多出现水泥返高不够的严重现象，具体情况见表1。
Table 1. Cement return height of wells with storage logging
表1. 应用存储式测井的井固井水泥返高情况
3. 原因分析
3.1. 存储式LWF测井系统自身缺陷
3.1.1. 系统简介
存储式LWF测井系统是一种钻杆输送存储式测井系统，能完成大斜度井、水平井和复杂井测井施工。下井时仪器串被放置于加重钻具和保护套内，用钻具输送至井底，完成泥浆循环后，将仪器从钻杆内释放到钻具外，起钻时进行测井。
存储式LWF井径测量采用偏心弹簧进行偏心测量方式 [2]，除了用于确定井眼大小，同时也为其它测井曲线校正及工程提供数据，还用作密度和中子仪器的推靠，使得密度和中子探头能更好地贴紧井壁。测井过程中，井径臂的变化会引起仪器内部电压信号的变化，经过差分放大和等效转换后进行实时存储，经地面采集面板刻度，计算后就可得出井径曲线。
3.1.2. 井径测井误差分析
1) 测量臂与井壁接触方式的差异。传统的四臂井径测量仪(图1)采用的居中测量，井径测井仪器为支臂，与井壁接触为点接触。而存储式井径测量仪(图2)采用偏心测量，偏心弹簧作为测量臂，与井壁接触为圆弧面接触。两种接触方式相比，前者支臂与井壁的点接触可更加有效地伸入不规则井眼，与内壁相接触，测得数据更真实有效；而后者弹簧片与井壁的弧面接触，受到弹簧片整体的限制，无法伸入、接触不规则井眼内壁，从而造成测量出现误差。
Figure 2. Storage type caliper measuring instrument
图2. 存储式井径测量仪
2) 施工方式的差异。传统的四臂井径测量仪 [3] 采用液压或电动马达方式推动测量臂的伸展与收缩，而存储式井径仪则采用偏心弹簧的自由伸展来测量井径变化，其测量臂的强度及硬度远远不及传统的四臂井径测量仪，从而导致测量臂无法真实的接触井壁情况，造成测出井径值偏小。
3) 测量范围的差异。常规测井井径测量仪器测量范围为152.4~457.2 mm，而存储式井径测量仪器为60~254 mm。在井眼较规则的情况下，LWF井径曲线能较为准确地反映实际情况。但在尺寸大于254 mm的不规则井眼中，存储式井径测量仪器就无法准确测出实际井径。例如NP3-27井相同井段两种不同测井方式下井径图(图3)，井径图差距较大。
Figure 3. Caliper measurement of NP3-27 well using storage LWF and wireline logging
图3. NP3-27井采用存储式LWF和采用电缆测井井径测量情况
3.2. 井径及复杂情况的影响
从表1中可以看出，井径是否规则，对水泥浆量的确定非常重要，尤其是在存储式测井条件下。在井径较为规则的情况下(在存储式测井仪器的基本测量范围内)，即便有井漏、测井复杂等等的出现，传统的水泥浆附加方法都能保证水泥返高在设计值之上，保证封固质量。但在井径不规则，特别是垮塌、井漏或卡钻事故发生的井中，传统的水泥浆附加量多数达不到设计要求，甚至是施工正常的井，也有低于设计值情况的出现。
3.3. 影响实际水泥返高其它因素
1) 实际井筒中，井径只是设计值的略值，不可能是精确值。为了保证返高，一般在按照设计的井径计算所需水泥浆量的基础上增加15%~20%的量，这样对于常规水泥浆来讲，一般实际返高高于设计值200~300 m，而低密度水泥浆涉及在上部地层的凝固，高于设计值500~700 m。
2) 如果顶替效率不好，残留在井筒中泥浆发生固化，也会增加固井后水泥返高的增加。
3) 泥浆性能和套管居中度等也会对水泥返高产生影响。
从以上分析可知，影响实际水泥返高 [4] 的因素较多。但排除施工复杂情况的影响，存储式LWF井径测量仪的结构对于较大井眼或者井径不规则井眼有着自身不能避免的缺点也给这种条件下的水泥浆设计及施工造成更大的困惑。电缆测井方式条件下已经成熟的经验作法不能适用存储式LWF测井条件下的水泥浆量的计算，因此必须摸索新的经验计算方法确定固井用水泥浆量，保证水泥返高，有效封堵地层。
4. 水泥浆附加量的经验推导
通过对应用存储式测井方式井完井固井质量的跟踪、分析、总结，探寻完井固井新型水泥浆量附加量的标准，利用反向推导的方式提出该种测井方式下的水泥量附加量经验值，确定出水泥浆附加量的基本原则。
4.1. 南堡4-39井完井情况
南堡4-39井为一口三开三段制定向井，三开215.9 mm井眼完钻井深4874 m，最大井斜47.7˚。本井在三开钻井过程中无掉块、井漏、卡钻等复杂事故，施工正常。完井方式为套管完井，技术套管下深3579 m，油层套管下深4848 m，阻位4838 m。完井测井采用存储式LWF测井方式，测量结果见表2，井径曲线见图4。由图4完井测井井径图可以看出：本井三开裸眼段井径较规则，仅有个别段出现超出测量范围，但井段较短，不影响水泥浆量的计算。该井设计封固井段1269 m，水泥返高至井深3579 m。按常规方法，附加429 m水泥段。施工中实际打入46 m3水泥浆，实测水泥返高至井深2286 m，满足了设计要求，固井质量合格。
Table 2. Diameter data of NP4-39 open hole section
表2. NP4-39完井裸眼段井径数据
在井径较规则井中，常规水泥浆量附加方法虽然满足了水泥浆返高设计要求，但也存在附加量偏多，导致水泥封固段较长等情况，这对地层承压能力提出了更加严格的要求，也对完井固井施工中防漏工作产生不利的影响。因此需要针对存储式测井井径图研究、总结出新的水泥浆量附加方法来满足完井固井要求。
4.2. 高37X3井完井情况
高37X3井为一口三开四段制定向井，三开215.9 mm井眼完钻井深4522 m，裸眼段长2037 m，裸眼段最大井斜31.2˚。测井采用存储式LWF测井方式，完井为套管完井，技术套管下深2484 m，φ139.7mm油层套管下深4212 m，阻位4202 m，设计水泥返高至2625 m，设计水泥封固段1587 m。在三开施工过程中发生了2次复杂事故：1) 变换钻具组合下钻至3571 m发生卡钻，通过浸泡原油解卡无效后，浸泡解卡剂解卡成功，本次事故共损失时间106 h；2) 3484~4264 m井段划眼困难，划眼期间造成钻具脱扣。将方保接头公扣加工为长圆扣，接原钻具对扣成功。划眼至原井深4264 m复杂解除，损失时间459.5 h。LWF测井井径数据见表3，井径曲线见图5。由表3可知，该井完井井径数据中多个测量点的测量值出现超出仪器测量范围的情况，表中显示最大井径为274.3 mm，数据的参考性较差，影响到后期计算固井水泥浆量。从图5完井井径图中可以看出，3448 m~3830 m等段显示超出仪器测量范围，出现连续平直线情况，井段较长、占整个裸眼段比例较大，对后期水泥浆量计算影响较大。
Table 3. LWF logging diameter data of well G37X3
表3. G37X3井完井LWF测井井径数据
固井时，按照常规方法附加465 m水泥段，注入水泥浆量63.2 m3。固井后65 h第二次测声幅，水泥返高为井深2850 m，比设计要求低225 m，比固井附加后返高少650 m。将环空650 m水泥段换算为水泥浆量，按理论计算占水泥浆总量为31.6%，约20 m3水泥浆。反推按照理论计算情况，本井水泥浆量附加20 m3左右，可以满足固井设计返高要求。
4.3. 南堡3-20井完井情况
NP3-20井是部署在南堡3号构造上的一口预探井，四开215.9 mm井眼完钻井深5686 m，最大井斜43.2˚。该井完井阶段受CO2污染造成起下钻“拔活塞”现象、井漏与气侵并存，严重影响完井周期，完井周期长达64 d。完井方式为套管完井，技术套管下深4002 m，φ139.7 mm油层套管下深5682 m，阻位5662 m，设计水泥返高至3800 m，设计水泥封固井段1882 m。完井测井采用存储式LWF测井施工，由表4和图6可以看出，三开裸眼段中有部分井段超出了LWF井径测量仪的测量范围，在图6中出现了平直线的情况，影响了后期水泥浆量的计算。
该井设计封固井段为1882 m，固井时按照常规方法，附加500 m水泥段，打入水泥浆量为61 m3。完井声幅检查实际水泥返高至井深3875 m，比设计水泥浆返高少75 m，比固井附加后返高少575 m (14 m3水泥浆)。反推按照理论计算情况，本井水泥浆量63 m3，可以满足固井设计返高要求。
Table 4. LWF logging diameter data of NP3-20 well
表4. NP3-20井完井LWF测井井径数据
针对井径不规则井，由于存储式LWF井径仪测量范围的限制，对“大肚子”井眼无法反映出真实井径，导致计算出的平均井径偏小，且出现平直线段长度较长，影响到了固井水泥浆量附加，造成水泥返高不足，固井质量不合格。
Figure 4. LWF logging caliper of NP4-39 well
图4. NP4-39井完井LWF测井井径图
Figure 5. LWF logging caliper of G37X3 well
图5. G37X3井存储式LWF测井井径图
Figure 6. LWF logging caliper of NP3-20 well
图6. NP3-20井完井LWF测井井径图
4.4. 新的水泥浆量附加方法
在实际应用中，平均井径的计算还应参考井径图进行，根据井径图的情况，增加水泥浆附加量，以满足水泥返高要求。寻求一种较为合理的水泥浆附加量，根据井径图中平直线长度作为附加标准。
1) 根据G37X3井可得水泥浆量附加值：本井井径图中平直线井段398 m，理论水泥浆附加量约20 m3可满足返高要求，即水泥浆量应附加50 l/m (每米平直段)左右，在理论上可满足设计要求。
2) 根据NP3-20井可得水泥浆量附加值：本井井径图中平直线井段275 m，理论水泥浆附加量约14 m3，即水泥浆量应附加50 l/m (每米平直段)左右，在理论上可满足设计要求。
因参考井G37X3井和NP3-20在钻完井过程中发生了复杂事故，井壁受到严重破坏，导致个别井段井径扩大率较大，所以水泥浆量附加值也相应增加。因此固井水泥浆量根据平直段长度进行附加量，建议水泥浆附加量在35 l/m~50 l/m。
5. 新方法的初步验证
根据以上两口井的施工情况，推导出了存储式测井施工井固井水泥浆量附加值，并对水泥浆量附加值在G131X1井、G42X1井中验证，结果表明该水泥浆量附加值很好的解决了存储式测井所带来的误差，弥补了水泥浆量与设计要求不足或过量的情况，有一定的借鉴意义。
5.1. 高131X1井完井情况
G131X1井是部署在南堡凹陷高尚堡构造带高南断裂带的一口重点评价井，三开215.9 mm井眼完钻井深4179 m，最大井斜53.88˚，完井测井采用存储式LWF测井施工，完井方式为套管完井，技术套管下深2420.9 m，φ139.7 mm油层套管下深4170 m，阻位4160 m，设计水泥返高至2320 m，设计水泥封固井段1859 m。井身结构为Φ444.5 mm × 310 m + Φ311.1 mm × 2424 m + Φ215.9 mm × 4179 m，套管程序为Φ339.7 mm × 307 m + Φ244.5 mm × 2420 m + Φ139.7 mm × 4175 m。
复杂情况：1) 三开过程中钻进至井深4094.85~4130 m井段发生气侵，泥浆密度由1.35 g/cm³提至1.56 g/cm³。钻至4130 m，气测异常，节流循环时进行液器分离器排气，出口最低泥浆密度1.30 g/cm³，点火，燃烧管线出口火苗高达7 m；2) 完井电缆测井时穿心打捞测井扶正器一次；3) 通井过程中发生井漏和水侵，漏失泥浆336方。
设计水泥浆返高至2320 m，根据存储式测井井径情况，计算环空水泥浆用量为50 m3。根据文中推荐水泥浆附加量进行附加。
据统计，井径在254 mm左右的井段共计7个井段，总计井段长度124 m。由于该井在钻完井过程中发生了井漏、水侵、气侵等复杂事故，钻井液浸泡时间长，井壁扩大情况较大，应用水泥浆量在附加50 l/m。建议该井水泥浆附加量为124 m × 50 l/m = 6200 l，推荐水泥浆总量为50 m3 + 6.2 m3 = 56.2 m3。
该井设计封固井段为1859 m，固井时按照常规附加水泥方法，附加320 m水泥段，共打入水泥浆量为68 m3，完井声幅检查实际水泥返高至1840米，比设计返高多408米水泥段，约11.6 m3。按照理论计算打入水泥浆量56.4 m3即可满足设计返高要求。对比室内推荐水泥浆量56.2 m3，与后期推算应该用量56.4 m3相近，更加符合设计要求。
5.2. G42X1井
高42X1井部署一口在南堡凹陷高尚堡构造带高20区块岩性圈闭较高部位的三段制定向井，钻探目的预探高20区块东三段岩性圈闭含油气情况。完钻井深5107 m，稳斜段设计井斜30.84˚，造斜点571 m，最大井斜35.3˚/2722 m，技套鞋井斜34.2˚，稳斜到井底，三开裸眼井段1910 m。井身结构为Φ444.5 mm × 458 m + Φ311.1 mm × 3200 m + Φ215.9 mm × 5107 m，套管程序为Φ339.7 mm × 455 m + Φ244.5 mm × 3197 m + Φ139.7 × 4870 m。
设计水泥浆返高至2800 m，根据存储式测井井径情况，计算环空水泥浆用量为55.59 m3。根据文中推荐水泥浆附加量进行附加。
1) 对本井存储式井径图中井径在254 mm左右平直段进行统计。
据统计，井径在254 mm左右的井段共计8个井段，总计井段长度315 m。G42X1井钻进过程中无异常情况，钻井较顺利、无井壁垮塌等情况发生，鉴于此，该井选取水泥浆量附加35 l/m，建议该井附加水泥浆量为315 m × 35l/m = 11,025 l，推荐水泥浆总量为55.59 m3 + 11 m3 = 66.59 m3。
本井现场实际附加值为200 m水泥段，打入水泥浆共60 m3，其中速凝15 m3、缓凝28 m3、低密度17 m3，测得声幅图中水泥返高3105 m。
测得声幅图中水泥返高3105 m，设计返高2800 m。实际返高低于设计返高305 m，换算为水泥浆为7.3 m3。故如果实际打入水泥浆量60 + 7.3 = 67.3 m3的话，水泥浆返高达到设计2800 m的要求。对比室内推荐水泥浆量66.59 m3，与后期推算应该用量67.3 m3相近，更加符合设计要求。
6. 结论与建议
1) 存储式LWF测井由于井径测井自身测量特点，测得井径值参考性较差，影响到后期完井固井水泥量的计算。
2) 提出了针对钻井期间发生过卡钻、井壁垮塌等复杂事故的井，根据现场应用经验，对井径图中平直段长度按照每米50 l/m进行附加水泥浆，针对施工中未出现复杂事故的井，水泥浆附加量在35 l/m，有一定的借鉴意义。
3) 在水泥浆量附加量的基础上，还应综合考虑地层承压能力等多方面因素，防止固井井漏等复杂情况发生，保证固井施工安全和固井质量合格。
4) 水泥浆附加量受到施工井井壁稳定性、泥浆性能、施工情况等多方面影响，并带有一定区域性，对于附加量的确定，还需要进一步理论方面探讨、研究。
NOTES
*通信作者。