一种评价水泥环胶结质量的室内模拟装置和方法与流程

本发明属于石油天然气勘探开发领域，特别是涉及一种评价水泥环胶结质量的室内模拟装置和方法。

背景技术：

固井屏障主要包括套管、水泥环、地层、套管-水泥环胶结界面、水泥环-地层胶结界面。其在油气井生命周期中的各个阶段，对井筒和地层内流体的控制都是首要任务。如果流体发生不受控制的流动，油气井在物理和功能上就不具备完整性，就有可能导致严重的、甚至灾难性的后果。水泥环作为油气井井筒的重要组成部分，其主要功能就是为了防止钻井、生产和改造过程中的地层流体窜流，并有效地固定和支撑套管。近年来，随着勘探开发进程的深入开展，多数油田开发进入中后期，流体注入、酸化、压裂等增产改造措施得到广泛应用，越来越多的井却出现了环空带压、层间窜流等水泥环密封完整性失效的问题，特别是对于高压气井，生产过程中的环空压力异常现象非常普遍，而密封性能作为水泥环完整性的直接度量指标，如何实现对其定量评价至关重要。

目前对于真正的模拟地层一二界面环境并对其进行固井，利用测井仪器测得固井声幅曲线的实验方法很少，而且井筒任意方向上的水泥环胶结质量的评价在国内研究不够。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种评价水泥环胶结质量的室内模拟装置和方法，通过实验室物理模型，模拟实际水泥固井，利用声波测井评价水泥固井质量(可以实现井筒内任意方向上水泥环胶结质量评估)，为现场提供合理的固井质量评价依据。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种评价水泥环胶结质量的室内模拟装置，其包括密封桶、模拟地层、套管、超声探头组件以及超声信号接收处理装置；所述密封桶包括螺栓连接的桶体和密封盖，所述桶体呈上端开口、下端封闭的筒状结构，所述桶体底部内壁设置有用于定位的圆柱形凸起，且所述圆柱形凸起的外径与所述套管的内径相匹配，所述密封盖中部开设有供所述超声探头组件与所述超声信号接收处理装置相连的导线接孔；所述模拟地层设置在所述密封桶的桶体内，所述模拟地层顶部与所述密封盖内壁之间预留有间隙，所述模拟地层底部间隔套设在所述桶体底部的圆柱形凸起外侧，所述模拟地层外壁与所述桶体内壁之间形成第一环空；所述套管同轴插设在所述模拟地层内，所述套管上部卡设在所述密封盖内壁的卡槽内，所述套管下部紧密套设在所述圆柱形凸起外侧；所述模拟地层内壁与所述套管外壁之间形成第二环空，所述第二环空用于灌注实验介质或固井水泥；所述超声探头组件同轴插设在所述套管，且所述超声探头组件通过导线与设置在所述密封桶外部的所述超声信号接收处理装置相连。

所述超声探头组件包括探头载体轴以及第一、第二两超声探头组；所述探头载体轴居中插设在模拟地层中的套管内，所述探头载体轴顶部设置有带刻度的可旋转罗盘；所述可旋转罗盘尺寸与模拟地层井口尺寸相匹配，用于带动所述探头载体轴在所述模拟地层内部任意旋转，并与所述探头载体轴的旋转角度一致；所述第一超声探头组垂直间隔固定设置在所述探头载体轴上，所述第一超声探头组中任意两个探头均能够构成第一超声探测组合，每一所述第一超声探测组合中的两个超声探头分别作为发射探头和接收探头；所述第二超声探头组间隔设置在与所述第一超声探头组对侧的所述探头载体轴上，且所述第二超声探头组中各第二超声探头与所述探头载体轴均成角度设置，所述第二超声探头组中任意两个第二超声探头均能够构成第二超声探测组合，每一所述第二超声探测组合中的两个第二超声探头分别作为发射探头和接收探头。

所述第二超声探头组中，各所述第二超声探头与所述探头载体轴之间的夹角为第二临界角。

所述超声信号接收处理装置包括依次相连的数字示波器、脉冲发生接收仪、高速瞬态信号采集仪和计算机终端；所述数字示波器通过信号线与所述超声探头组件相连，对接收的所述超声探头组件的声波波形进行显示；所述脉冲发生接收仪对所述超声探头组件采集的待测点的声学特性进行评价和性能指标测试并将结果发送到所述高速瞬态信号采集仪；所述高速瞬态信号采集仪对接收的信号进行模/数转换，把接收信号变为数值量并发送到所述计算机终端；所述计算机终端对所述高速瞬态信号采集仪发送的待测点的固井声幅曲线进行分析处理，得到套管波、地层波、水泥环波数据。

一种评价水泥环胶结质量的室内模拟方法，其包括以下步骤：1)实验准备工作；2)实验准备工作完成后，根据实际工况分别向第一环空、第二环空以及套管内注入相应实验介质；3)利用脉冲发生接收仪测量待测时间点的固井声幅曲线，读出固井声幅曲线首波峰到达时间，测量的时间点根据实际情况进行调整；4)根据固井声幅曲线，对水泥环胶结情况进行判断，得到水泥环胶结质量结果。

所述步骤1)中，实验准备工作包括以下步骤：1.1)根据待模拟地层的岩性组分制作筒状模拟地层；1.2)将制作完成的模拟地层置于密封桶的桶体中部；1.3)根据实际工况，将自由套管或具有水泥胶结模型的套管放入模拟地层中，并使得放入后的自由套管或具有水泥胶结模型的套管与模拟地层具有同轴关系；1.4)在自由套管或具有水泥胶结模型的套管中固定好超声探头组件，再将超声探头组件与外部的超声信号接收处理装置相连。

所述模拟地层的制作方法为：首先制作出模具，然后根据待模拟地层的岩性组分和比例制备浆体，再将浆体倒入模具中，待浆体逐渐成形且不流动时将模具与模拟地层分离，分离后的模拟地层置于阴凉处使其中的成分充分水化，由此完成模拟地层的制作。

所述具有水泥胶结模型的套管的制作方法为：在套管的径向随机挑选两个角度均匀涂抹泥浆，其中一个角度是在套管外壁均匀涂抹泥浆形成第一界面微间隙，第二个角度是在对应的模拟地层内壁上均匀涂抹泥浆，待泥浆干透后，将涂有泥浆的套管与模拟地层的内壁之间的第一环空注入水泥浆，注入过程应缓慢，保证注入过程中不形成气泡，水泥环的高度高于整个超声探头组件上的最高一个超声探头，待注入结束后，候凝。

所述步骤2)中，根据实际工况分别向第一环空、第二环空以及套管内注入相应实验介质的方法为：当采用自由套管时，则向模拟地层与密封桶之间构成的第一环空、套管与超声探测组件之间构成的第二环空以及套管内注入实验介质，使得实验介质液面高度至模拟地层上部端口，水面高度与模拟地层上端口保持平齐，之后将密封盖与桶体螺栓连接；当采用具有水泥胶结模型的套管时，则向模拟地层与密封桶之间构成的第一环空、套管内注入实验介质，向套管与模拟地层构成的第二环空内注入固井水泥形成固井水泥环，之后将密封盖与桶体螺栓连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1)本发明通过对密封桶、模拟地层的合理设计，模拟自由套管和水泥胶结模型的评价方法，测得实验数据有效反应了套管-水泥环-地层的胶结情况；2)本发明由于横向上5个垂直套管的声波探头和4个斜发射声波探头，可以进行任意发射和接收组合，测试不同层位的水泥环界面胶结；3)本发明由于探头载体轴能够在模型井内360度旋转，使得纵向上通过旋转任意角度的探头进行测试，实现了任意方向上水泥胶结的判断；4)本发明可以通过声波波形首波幅值的大小，直观的判断水泥环胶结质量，测井声系具有较高纵向分辨率及横向识别能力，为水泥环胶结质量判断提高可靠的依据。

附图说明

图1为本发明评价水泥环胶结质量装置的室内模拟装置的结构示意图；

图2为本发明的实施例一的自由套管组合实验俯视结构示意图；

图3(a)和图3(b)为本发明的实施例一的自由套管声波波形曲线图；

图4为本发明实施例二中水泥胶结组合实验俯视结构示意图；

图5为本发明的实施例二的一界面胶结不好，二界面胶结好的固井声幅曲线图；

图6为本发明的实施例二的二界面胶结不好，一界面胶结好的固井声幅曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提出的一种评价水泥环胶结质量的室内模拟装置，其包括：密封桶1、模拟地层2、套管3、超声探头组件4以及超声信号接收处理装置(图中未示出)。其中，密封桶1包括螺栓连接的桶体11和密封盖12，桶体11呈上端开口、下端封闭的筒状结构，桶体11底部内壁设置有用于定位的圆柱形凸起13，且该圆柱形凸起13的外径与套管3的内径相匹配，密封盖12中部开设有供超声探头组件4与超声信号接收处理装置相连的导线接孔；模拟地层2设置在密封桶1内，模拟地层2顶部与密封盖12内壁之间预留有间隙，模拟地层2底部间隔套设在桶体11底部的圆柱形凸起13外侧，模拟地层2的外壁与密封桶1内壁之间形成第一环空；套管3同轴插设在模拟地层2内，套管3上部卡设在密封盖12内壁的卡槽内，套管3下部紧密套设在圆柱形凸起13外侧；模拟地层2内壁与套管3外壁之间形成第二环空，且第二环空用于灌注实验介质或固井水泥；超声探头组件4同轴插设在套管3内，超声探头组件4通过导线与设置在密封桶1外部的超声信号接收处理装置相连。

超声探头组件4包括探头载体轴41以及第一、第二两超声探头组42、43。其中，探头载体轴41居中插设在模拟地层2中，探头载体轴41顶部设置有带刻度的可旋转罗盘44；可旋转罗盘44尺寸与模拟地层2井口尺寸相匹配，用于带动探头载体轴41在模拟地层内部任意旋转，并与探头载体轴41的旋转角度一致；第一超声探头组42垂直间隔固定设置在探头载体轴41上，第一超声探头组42中任意两个超声探头均能够构成第一超声探测组合，各第一超声探测组合中的两个超声探头分别作为发射探头和接收探头；第二超声探头组43间隔设置在与第一超声探头组42对侧的探头载体轴41上，且第二超声探头组43与探头载体轴41成角度设置，第二超声探头组43中任意两个超声探头均能够构成第二超声探测组合，每一第二超声探测组合中的两个超声探头分别作为发射探头和接收探头。

超声信号接收处理装置包括依次相连的数字示波器、脉冲发生接收仪、高速瞬态信号采集仪和计算机终端。数字示波器通过信号线与超声探头组件相连，对接收的超声探头组件的声波波形进行显示；脉冲发生接收仪对超声探头组件采集的待测点的声学特性进行评价和性能指标测试并将结果发送到高速瞬态信号采集仪，高速瞬态信号采集仪对接收的信号进行模/数转换，把接收信号变为数值量并发送到计算机终端，计算机终端对高速瞬态信号采集仪发送的待测点的固井声幅曲线进行分析处理，得到套管波、地层波、水泥环波数据。

作为一个优选的实施例，套管3与固井水泥形成的固定水泥环5之间设置有第一界面微间隙6，固井水泥环5与模拟地层2之间设置有第二界面微间隙7，第一界面微间隙6采用泥浆涂覆在套管3外壁形成，第二界面微间隙7采用泥浆涂覆在模拟地层2内壁形成。

作为一个优选的实施例，第一、第二界面微间隙6、7的长为400mm，宽为30mm，厚为3mm。其中，长度是指第一、第二界面微间隙沿套管轴向的深度，宽度是指泥浆的弧长，由于泥浆相较于套管管径而言较小，本发明近似用宽度表示，厚度是指你娘沿套管径向的长度。

作为一个优选的实施例，超声探头组件4中，第一超声探头组42包括5个超声探头，第二超声探头组43包括3个超声探头，本发明仅以此为例介绍但不限于此，各超声探头组内的超声探头个数可以根据实际探测精度合理设置。

作为一个优选的实施例，超声探头组件4中，第二超声探头组43的入射角为第二临界角。根据声波传播原理，声波斜入射声波探头的入射角取决于套管内流体和套管声波波速，显然套管波声波速度远大于水的声波速度，入射角在15度以下(在测井中称第一临界角)。考虑到套管的横波速度，入射角为28度以下(在测井中称第二临界角)，斜入射声波探头采用第二临界角设计。

作为一个优选的实施例，超声探头组件4中，第一超声探头组42和第二超声探头组43内各超声探头之间的间隔根据实际需要进行调整，调整方法为常规方法，本发明在此不再赘述。

作为一个优选的实施例，脉冲发生接收仪采用cts-8077pr型脉冲发生接收仪测固井声幅，该仪器符合欧标(en12668:2000)探头测试系统要求,具有极低噪声和宽频带的接收放大器，并由高性能方波脉冲发生器和高压电路组成先进的发射电路。

基于上述评价水泥环胶结质量的室内模拟装置，本发明还提出了一种评价水泥环胶结质量的室内模拟方法，包括以下步骤：

1)根据待模拟地层的岩性组分制作筒状模拟地层2。

制作模拟地层时，需要根据地层的岩性组分制作相应的地层来模拟地层实际情况。在制作时，首先制作出模具，然后根据待模拟地层的岩性组分和比例制备浆体，再将浆体倒入模具中，待浆体逐渐成形且不流动时将模具与模拟地层2分离，分离后的模拟地层2置于阴凉处使其中的成分充分水化，由此完成模拟地层2的制作。

2)将制作完成的模拟地层2置于密封桶1的桶体11中部。

3)根据实际工况，将自由套管或具有水泥胶结模型的套管放入模拟地层2中，并使得放入后的自由套管或具有水泥胶结模型的套管与模拟地层2具有同轴关系。

本发明中，套管包括自由套管或具有水泥胶结模型的套管，其中，自由套管即为工程使用的常规套管，具有水泥胶结模型的套管即在套管外壁上涂覆泥浆，用于模拟第一界面或第二界面没有胶结好的情况。

具体的，具有水泥胶结模型的套管的制作方法为：在套管3随机挑选两个角度均匀涂抹泥浆，形成第一界面微间隙6和第二界面微间隙7，本发明中分别选择套管3上标注的0°方向和150°方向作为第一界面微间隙6和第二界面微间隙7，并在套管3的0°方向和150°方向上均匀的涂上长400mm宽30mm厚3mm的一层泥浆(从图3看，泥浆应该为弧形，但是由于相对于套管来说泥浆弧长比较小所以本发明近似用宽来表示，界面间隙深度(长)为400mm，厚度指的是沿套管径向的长度)，待泥浆干透后，将涂有泥浆的套管3与模拟地层2的内壁之间的环空注入水泥浆，注入过程应缓慢，尽量保证注入过程中不形成气泡，固井水泥环5的高度高于整个超声探头组件4上的最高一个超声探头，待注入结束后，候凝。

4)在自由套管或具有水泥胶结模型的套管中固定好超声探头组件4，再将可旋转罗盘44放置在探头载体轴41上端，超声探头组件4与外部的超声信号接收处理装置相连。

其中，当采用的套管为具有水泥胶结模型的套管时，需要将可旋转罗盘44上的0度与套管3上对应涂有泥浆的0度对应放置。

5)根据实际工况分别向模拟地层2与密封桶1之间构成的第一环空、套管内部注水或其他相应介质，使得水面或其他介质高度至模拟地层2上部端口，水面高度与模拟地层2上端口保持平齐，之后将密封盖12与密封桶体11螺栓连接，当采用自由套管时，则向自由套管与模拟地层构成的环空内注水或其他介质，当采用具有水泥胶结模型的套管时，则向套管与模拟地层构成的环空内注入固井水泥形成固井水泥环。

6)利用脉冲发生接收仪测量待测时间点的固井声幅曲线，读出固井声幅曲线首波峰到达时间，测量的时间点根据实际情况进行调整。

7)根据固井声幅曲线，对水泥环胶结情况进行判断，得到水泥环胶结质量结果。

本发明利用声波组合测试方法评价水泥环胶结质量，当套管3与固井水泥环5、模拟地层2的胶结程度不同时，通过脉冲发生接收仪测量得到的固井声幅曲线图有所不同：当为自由套管时只产生套管波，其幅度大，固井声幅测井往往以自由套管波幅度作刻度，套管波有规则，整个波型的包络线有高的振幅和能量,延续时间长。当套管3仅与固井水泥环5胶结好时(即仅第一界面胶结好)，大部分能量进入水泥环，套管波幅度大大减小，水泥环幅度小，比自由套管波幅值小，但比水泥完全胶结好幅值大；当固井水泥环5与套管3和模拟地层2完全胶结好时，由于套管3、固井水泥环5和模拟地层2之间的声耦合好，进入套管3的大部分能量透射到模拟地层2，地层波幅度大，套管波幅度很小。

下面通过具体实施例对本发明方法的评价效果进行详细介绍。

具体实施例一

1、自由套管实施过程如下：

1)制作高1200mm，外径300mm，内径为215.9mm的模拟地层2。

2)用吊车将制作好的模拟地层2置于密封桶1的桶体中。

3)选用现场使用的自由套管，用吊车将自由套管放入模拟地层2中，其规格外径为139.7mm，内径为φ127.6mm，长度为1200mm。放入后的自由套管与模拟地层2具有同轴关系，且在模拟地层2中的自由套管应保持居中。

4)在自由套管3中固定置入超声探头组件4，并将超声探头组件4与外部的示波器、脉冲发生接收仪和高速瞬态信号采集仪电连接，再将网线连接到高速瞬态信号采集仪，利用高速瞬态信号采集仪专用软件通过网线对接收信号进行采集。

5)最后再将可旋转罗盘44固定放置在超声探头组件4的探头载体轴41顶部。

6)如图2所示，分别向自由套管内、密封桶1和模拟地层2构成的第一环空内以及自由套管与模拟地层2构成的第二环空内注水，使水面高度与自由套管上端口平齐。

7)根据步骤1)～5)，利用cts-8077pr脉冲发生接收仪采集波形：

①如图3(a)和图3(b)所示，第一种纵向上分层测量，不考虑角度，分别测得自由套管6个层位(本实施例中第一超声探头组件内的各探头编号由上向下依次为1-5，则6个层位分别对应1号探头-2号探头，2号探头-3号探头，3号探头-4号探头，4号探头-5号探头，1号探头-3号探头，3号探头-5号探头，层位的不同高度是根据探头距离确定的)的声波波形。图3(a)和图3(b)中可以看出,6条声波波形都是在自由套管中测得的，由于不在同一层，套管波首波幅度不一样，第一条与第三条套管波首波幅度基本相同，第二条与第四条套管波首波幅度基本相同，说明套管本身是不均匀的。通过第5条，第6条声波波形可以看出下部套管波幅度值高于上部。

②如图4所示，第二种纵向上采取同距离声波组合方式进行同一层位不同方向的波形测试，4个层位，共4组声波波形，横向上每旋转30度角度测量一次，共测量12次，每个测量角度均测量4组声波波形，完成全部自由套管测量，测得48条声波波形。从48条声波波形中读出套管波到达接收探头时间和首波幅度，列入表1中，从表中看出，随角度变化，各接收探头测得的套管波的到时和首波幅度差异，说明套管本身不均匀，也不是绝对的圆套管。

表1自由套管模型井中套管波到时和首波幅度

具体实施例二

水泥胶结模型(其中水泥胶结模型中有完全胶结好、一界面胶结不好、二界面胶结不好)实施过程如下：

1)制作高1200mm，外径300mm，内径为215.9mm的模拟地层2。

2)用吊车将制作好的模拟地层2置于密封桶1中的桶体内。

3)选用现场使用的套管3，在套管3上选取两个位置均匀的涂上长400mm宽30mm厚3mm的一层泥浆，待泥浆干透后，用吊车将涂有泥浆的套管3放入模拟地层2中，套管3规格外径为139.7mm，内径为φ127.6mm，长度为1200mm。放入后的套管3与模拟地层2具有同轴关系，在模拟地层中的套管应保持居中。

4)在涂有3mm泥浆的套管3与模拟地层2的内壁之间的环空注入水泥浆，注入过程应缓慢，尽量保证注入过程中不形成气泡，水泥环5的高度高于整个超声探头组件4中的最高一个超声探头，待注入结束后，候凝。

5)在套管3中固定置入超声探头组件4，超声探头组件4与外部的示波器、脉冲发生接收仪和高速瞬态信号采集仪电连接，再将网线连接到高速瞬态信号采集仪，利用高速瞬态信号采集仪专用软件通过网线对接收信号进行采集。

6)最后再将刻度盘固定放置在探头上面。套管3两个位置上分别涂有长400mm宽30mm厚3mm的一层泥浆分别对应刻度盘的0°方向和的150°方向，其中套管0度方向涂有的泥浆是套管外壁和水泥之间做的一个3mm的间隙，模拟一界面胶结不好；套管150度方向涂有的泥浆是水泥与地层之间做的一个3mm的间隙，模拟二界面胶结不好。

7)如图5所示，分别向套管内以及密封桶1与模拟地层2构成的环空内注水，使水面高度与套管上端口平齐。

8)根据步骤1)～6)，利用cts-8077pr脉冲发生接收仪采集波形：

①一界面胶结不好，二界面胶结好

在制作水泥胶结模型时，特意在套管外壁和水泥之间做了一个3mm的间隙，模拟一界面胶结不好，考虑到测井声系旋转，选择一界面胶结不好的地方作为测井声系旋转的0度角。测井声系中利用声波组合方式测试，对最上部层位进行声波采集，图5中第一条曲线为自由套管声波波形，第二条是一界面胶结不好的声波波形，第三条是水泥完全胶结好，清楚的看到第一二两条曲线套管波首波幅度很接近，第三条曲线套管波首波幅度明显小于其他两条。

②二界面胶结不好，一界面胶结好

在制作水泥胶结模型时，特意在水泥与地层之间做了一个3mm的间隙，模拟二界面胶结不好，测井声系对着二界面胶结不好的位置，由于识别是二界面胶结不好，声波传播的路径较远，选择远距离声波组合方式(本实施例中选的5号探头发射-3号探头接收组探头，对应测量的套管角度为任意，高度是5号探头到3号探头的距离350mm)，选择发射探头和接收探头远比探头之间近的声波组合方式，更利于识别二界面水泥胶结。

如图6所示，图6中第一条为自由套管声波波形，第二条是二界面水泥胶结不好声波波形，第三条水泥完全胶结好声波波形。图中第二条套管波声波波形幅度小于第一条，大于或接近第三条。

通过几种模型的套管波波形分析，初步认为，利用此装置，判断自由套管和一界面水泥胶结效果好，利用远距离声波组合方式测试声幅曲线，判断二界面水泥胶结和水泥完全胶结效果较好。同时证明了测井声系的可行性。实验模型的精细制作，一、二界面环形空间和测井声系在旋转过程中是一致的，获得的实验结果也较好，为下一步高温高压套管井声波测量打下坚实基础。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。