一種利用超聲波室內評價固井二界面膠結質量的方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用超聲波室內評價固井二界面膠結質量的方法，屬于固井二界面領域。所述方法按照如下步驟進行操作：首先將固井二界面膠結模型與超聲儀的發射換能器和接收換能器的表面粘接，然后使用超聲儀測量經過所述固井二界面膠結模型的首波幅度和聲速，最后根據上述方法測量所述固井二界面膠結模型的首波幅度和聲速，由此判斷所述固井二界面的膠結質量隨養護時間變化的情況。本發明通過采用上述方法對固井二界面的膠結質量進行室內評價，不會造成固井二界面樣品的破損，樣品可以重復使用，從而實現了對固井二界面膠結質量隨養護時間變化情況的判斷，另外，該方法操作簡單，數據重復性好，適合在實驗室進行大量實驗時使用。
【專利說明】一種利用超聲波室內評價固井二界面膠結質量的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及固井二界面領域，特別涉及一種利用超聲波室內評價固井二界面膠結 質量的方法。
【背景技術】
[0002] 固井是指在已經鉆成的井眼內下入一定尺寸的套管，并在套管與井壁之間的環形 空間中注入水泥漿，從而進行封固的作業。在固井過程中，在套管與井壁之間的環形空間中 注入水泥漿后會形成水泥環(石)，水泥環(石）與地層(或套管）之間的膠結面即為固井二界 面，其模型示意圖如圖1所示。固井的目的是封隔疏松、易塌、易漏等復雜地層；封隔套管外 環形空間的油、氣、水層，防止互相串通；形成油氣通道；安裝井口裝置，控制油氣流，以利 于安全鉆井和保證油井的長期生產。而固井二界面的膠結質量的好壞直接影響到固井的質 量，進而影響到鉆井的安全性和油井生產的長期性。
[0003] 在國內外的石油工程中，通過模擬固井二界面，進行室內評價固井二界面的膠結 質量，不僅可以考察固井二界面的封固能力，也為探索提高二界面的膠結質量的方法提供 依據。目前，室內評價固井二界面的膠結質量主要采用機械式剪切法。該方法按照如下步 驟進行操作：首先在高溫高壓條件下，在圓柱形人造巖心上包覆一層鉆井液濾餅；然后將 帶有濾餅的巖心放入固結模具中，在模具中帶有濾餅的巖心周圍注入水泥漿并在一定條件 下進行養護；最后將養護好的膠結模型放在壓力試驗機上進行測試，通過剪切作用，將巖心 壓脫，測試巖心與水泥環的膠結強度。
[0004] 在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術至少存在以下問題：
[0005] 采用機械式剪切法對固井二界面的膠結質量進行室內評價的現有技術中，由于固 井二界面膠結模型會一次性被破壞，因此不能判斷同一樣品的固井二界面膠結質量隨養護 時間連續變化的情況；同時，該方法操作復雜，不適合在實驗室進行大量實驗時使用。
【發明內容】
[0006] 為了解決現有技術存在的問題，本發明實施例提供了一種利用超聲波室內評價固 井二界面膠結質量的方法。所述技術方案如下：
[0007] -種利用超聲波室內評價固井二界面膠結質量的方法，所述方法按照如下步驟進 行操作：
[0008] 1)將固井二界面膠結模型置于超聲儀的發射換能器與接收換能器之間的位置，并 將發射換能器表面與固井二界面膠結模型表面粘接，接收換能器表面與固井二界面膠結模 型表面粘接，所述固井二界面膠結模型用于模擬實際固井作業中的固井二界面；
[0009] 2)啟動超聲儀，發射換能器發射的聲波經過所述固井二界面膠結模型，由接收換 能器接收，接收的聲波經過處理后，獲得聲波信號中的首波幅度和聲速；
[0010] 3)根據步驟2)所述的操作程序，測量通過模擬不同養護時間的固井二界面膠結模 型的聲波的首波幅度和聲速，由此判斷所述固井二界面的膠結質量隨養護時間連續變化的 情況。
[0011] 具體地，步驟1)中所述的固井二界面膠結模型由人造巖心、人造巖心上的濾餅和 水泥環構成；其中，所述人造巖心用于模擬地層巖石，人造巖心上的濾餅用于模擬鉆井過程 中鉆井液在壓差作用下向地層滲濾后在地層巖石表面形成的濾餅，所述水泥環用于模擬固 井注水泥后套管與地層巖石之間的水泥環。
[0012] 具體地，步驟1)中所述固井二界面膠結模型按照如下操作程序制備：首先選取人 造巖心，然后模擬井下條件在所述人造巖心的側面形成濾餅，隨后將上述帶濾餅的人造巖 心放入模具中，在模具中向所述人造巖心周圍加入水泥漿，最后將模具放入恒溫水浴鍋或 高溫高壓養護釜中進行養護，得到固井二界面膠結模型。
[0013] 具體地,所述人造巖心為圓柱形。
[0014] 具體的，所述固井二界面膠結模型為正方體形。
[0015] 具體地，步驟1)中所述的粘接采用的粘合劑為水溶性高分子凝膠耦合劑。
[0016] 具體地，步驟1)中所述粘結采用的操作程序如下：將所述水溶性高分子凝膠耦合 劑涂覆在發射換能器表面、固井二界面膠結模型表面和接收換能器表面，然后將涂覆了水 溶性高分子凝膠耦合劑的發射換能器表面、固井二界面膠結模型表面粘結在一起，將涂覆 了水溶性高分子凝膠耦合劑的接收換能器表面與固井二界面膠結模型表面粘結在一起。
[0017] 具體地，步驟2)所述的"接收的聲波經過處理"中的"處理"包括：放大濾波、采樣、 數模轉換和計算機軟件波形分析。
[0018] 具體地，在步驟3)中所述的"判斷所述固井二界面的膠結質量隨養護時間連續變 化的情況"之前還包括：繪制首波幅度對養護時間的變化曲線、聲速對養護時間的變化曲 線。
[0019] 具體的，所述步驟3)中所述判斷所述固井二界面的膠結質量隨時間連續變化的情 況包括判斷不同水泥漿密度形成的所述固井二界面的膠結質量隨時間連續變化的情況，以 及判斷相同水泥漿密度形成的所述固井二界面的膠結質量隨時間連續變化的情況。
[0020] 本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：
[0021] 采用上述方法對固井二界面的膠結質量進行室內評價，不會造成固井二界面樣品 的破損，樣品可以重復使用，從而實現了對固井二界面的膠結質量隨養護時間連續變化情 況的判斷，為提高實際鉆井工作中二界面的膠結質量提供可靠的參數。另外，該方法操作簡 單，數據重復性好，適合在實驗室進行大量實驗時使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022] 為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見，下面描述的附圖僅僅是對本發明的一些實施例的說明， 對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得 其他的附圖。
[0023] 圖1是本發明實施例提供的固井二界面膠結模型示意圖；
[0024] 圖2是本發明實施例提供的帶濾餅的人造巖心形成裝置示意圖；
[0025] 圖3是本發明實施例提供的聲波法測試二界面膠結質量原理圖；
[0026] 圖4是本發明實施例提供的不同密度的水泥漿與人造巖心構成的二界面膠結模 型的首波幅度隨養護時間的變化曲線；
[0027] 圖5是本發明實施例提供的不同密度的水泥漿與人造巖心構成的二界面膠結模 型的聲速隨養護時間的變化曲線。
[0028] 圖1中各符號的含義如下：
[0029] 1模具(模擬套管)，2水泥環(模擬套管與地層巖石之間注入水泥漿后形成的水泥 環)，3人造巖心(模擬地層巖石)，4模具與水泥環之間的界面(模擬固井一界面)，5水泥環與 人造巖心之間的界面(模擬固井二界面）；
[0030] 圖2中各符號的含義如下：
[0031] 1釜體，2上釜蓋，3下釜蓋，4加熱套，5人造巖心，6人造巖心的中孔，7濾液出口；
[0032] 圖4中各符號的含義如下：
[0033] 1密度為I. 50g/cm3水泥漿與人造巖心構成的二界面膠結模型的首波幅度隨養護 時間的變化曲線，2密度為I. 70g/cm3水泥漿與人造巖心構成的二界面膠結模型的首波幅度 隨養護時間的變化曲線，3密度為I. 90g/cm3水泥漿與人造巖心構成的二界面膠結模型的首 波幅度隨養護時間的變化曲線，4密度為2. 10g/cm3水泥漿與人造巖心構成的二界面膠結模 型的首波幅度隨養護時間的變化曲線，5密度為2. 30g/cm3水泥漿與人造巖心構成的二界面 膠結模型的首波幅度隨養護時間的變化曲線；
[0034] 圖5中各符號的含義如下：
[0035] 1密度為I. 50g/cm3水泥漿與人造巖心構成的二界面膠結模型的聲速隨養護時間 的變化曲線，2密度為I. 70g/cm3水泥漿與人造巖心構成的二界面膠結模型的聲速隨養護時 間的變化曲線，3密度為I. 90g/cm3水泥楽與人造巖心構成的二界面膠結模型的聲速隨養護 時間的變化曲線，4密度為2.lOg/cm3水泥漿與人造巖心構成的二界面膠結模型的聲速隨養 護時間的變化曲線，5密度為2. 30g/cm3水泥漿與人造巖心構成的二界面膠結模型的聲速隨 養護時間的變化曲線。
【具體實施方式】
[0036] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方 式作進一步地詳細描述。
[0037] -種利用超聲波室內評價固井二界面膠結質量的方法，所述方法按照如下步驟進 行操作：
[0038] 步驟100,參見圖3,將固井二界面膠結模型置于超聲儀的發射換能器與接收換能 器之間的位置，并將發射換能器表面與固井二界面膠結模型表面粘接，接收換能器表面與 固井二界面膠結模型表面粘接，所述固井二界面膠結模型用于模擬實際固井作業中的固 井二界面。
[0039] 步驟101，制備帶濾餅的人造巖心。
[0040] 參見圖2,在高溫高壓濾餅形成裝置中模擬井下條件，按照本領域技術人員制備帶 濾餅的人造巖心的常規方法，制備帶濾餅的人造巖心。在制備過程中，根據井下實際條件選 擇以下對濾餅的形成有影響的參數值：人造巖心的滲透率、濾餅的形成壓力、濾餅的養護時 間、養護溫度和鉆井液體系，根據所選擇的參數值制備帶濾餅的人造巖心。本發明實施例 中，上述參數值均是本領域技術人員在制備帶濾餅的人造巖心時的常規選擇。
[0041]步驟102,制備固井二界面膠結模型。
[0042]所述固井二界面膠結模型用于模擬實際固井作業中的固井二界面，供固井二界面 膠結質量室內評價時使用。參見圖1，所述固井二界面膠結模型由模具1、人造巖心3、人造 巖心上的濾餅（圖中未畫出）和水泥環2構成；其中，所述模具1用于模擬套管，所述人造巖 心用于模擬地層巖石，人造巖心上的濾餅用于模擬鉆井過程中鉆井液在壓差作用下向地層 滲濾后在地層巖石表面形成的濾餅，所述水泥環用于模擬固井注水泥后，套管與地層巖石 之間形成的水泥環，模具與水泥環之間的界面4用于模擬固井一界面，水泥環與人造巖之 間的界面5用于模擬固井二界面。
[0043]所述固井二界面膠結模型按照如下方法進行制備：首先選取人造巖心，然后按照 步驟101所述的方法制備帶濾餅的人造巖心，隨后將上述帶濾餅的人造巖心放入能夠形成 固井二界面膠結模型的模具中，其中，所選擇的模具是本領域技術人員在制備固井二界面 膠結模型時常規的選擇。最后向模具中帶濾餅的人造巖心周圍加入水泥漿，并將模具放入 一定溫度的恒溫水浴鍋或高溫高壓養護釜中養護一段時間，得到固井二界面膠結模型，其 中，所選擇的養護溫度和氧化時間是本領域技術人員在制備固井二界面膠結模型時的常規 選擇。
[0044]固井二界面膠結模型的制備過程中，根據巖心滲透率、養護溫度、養護時間等參數 對固井二界面膠結模型質量的影響選擇參數值，本發明實施例中的上述參數值均是本領域 技術人員在制備固井二界面膠結模型時的常規選擇。
[0045]本發明實施例中，人造巖心為圓柱形，形成的固井二界面膠結模型為正方體形。
[0046] 步驟103,參見圖3,將固井二界面膠結模型置于超聲儀的發射換能器與接收換能 器之間的位置。本發明利用聲波法對固井二界面的膠結質量進行判斷，所以，在使用超聲儀 檢測經過固井二界面膠結模型的首波振幅和聲速時，將固井二界面膠結模型置于發射換能 器與接收換能器之間的位置，使發射換能器發射的聲波經過所述固井二界面膠結模型后， 由接收換能器接收。
[0047] 步驟104,參見圖3,將發射換能器表面與固井二界面膠結模型表面粘接，接收換 能器表面與固井二界面膠結模型表面粘接。具體按照如下步驟進行操作：首先選擇水溶性 高分子凝膠耦合劑，將其涂覆在超聲儀的發射換能器表面、固井二界面膠結模型表面和接 收換能器表面，然后將上述涂覆了水溶性高分子凝膠耦合劑的發射換能器表面與固井二界 面膠結模型表面在水溶性高分子凝膠耦合劑的耦合作用下粘結在一起，將涂覆了水溶性高 分子凝膠耦合劑的接收換能器表面與固井二界面膠結模型表面在水溶性高分子凝膠耦合 劑的耦合作用下粘結在一起。水溶性高分子凝膠耦合劑可以是超聲儀自帶的，也可以是在 市場上購買的。水溶性高分子凝膠耦合劑的種類、型號、用量以及涂覆厚度無特殊的要求和 規定，只要能夠保證將換能器表面與固井二界面膠結模型的表面牢固的粘接在一起，沒有 縫隙存在就可以。
[0048]本發明實施例中，測試前采用水溶性高分子凝膠耦合劑將發射換能器表面與固井 二界面膠結模型表面粘接在一起，使發射換能器與固井二界面膠結模型接觸的部位不存在 縫隙；將接收換能器表面與固井二界面膠結模型表面粘接在一起，使接收換能器與固井二 界面膠結模型接觸的部位不存在縫隙。經過上述操作，可以避免發射換能器與固井二界面 膠結模型之間、固井二界面膠結模型與接收換能器之間存在空氣層。空氣層的存在可能導 致從發射換能器發射的、經過固井二界面膠結模型后由接收換能器接收的聲能在傳遞過程 中被反射，從而影響聲波法對固井二界面膠結質量的評價結果，甚至導致評價過程的失敗。
[0049] 步驟200,啟動超聲儀，所述超聲儀的發射換能器發射的聲波經過所述固井二界面 膠結模型，由所述超聲儀的接收換能器接收，接收的聲波經過處理后，獲得聲波信號中的首 波幅度和聲速。
[0050] 其中，發射換能器的工作頻率為50KHz，與聲波測井所用發射換能器的工作頻率 相當。
[0051] 本發明實施例中，由接收換能器接收的聲波信號按照如下步驟進行處理：放大濾 波、采樣、數模轉換和計算機軟件波形分析。所述獲得聲波信號中的首波幅度和聲速的具體 過程為：由超聲儀的發射換能器發射聲波，聲波經過固井二界面膠結模型后，由超聲儀的接 收換能器將聲波信號接收下來，接收下來的聲波信號經常規的放大濾波、采樣和數模轉換 處理后，進入計算機，進入計算機的聲波信號經過超聲儀自帶的波形分析軟件處理后，最終 獲得聲波信號中的首波幅度和聲速。
[0052] 步驟300,根據步驟200所述的操作程序，測量通過所述固井二界面膠結模型的聲 波隨養護時間連續變化的首波幅度和聲速，判斷所述固井二界面的膠結質量隨養護時間連 續變化的情況。
[0053] 步驟301，根據步驟200所述的操作程序，測量通過所述固井二界面膠結模型的聲 波隨養護時間連續變化的首波幅度和聲速。
[0054] 步驟302,將步驟301得到的隨養護時間連續變化的首波幅度和聲速繪制成首波 幅度對養護時間的變化曲線以及聲速對養護時間的變化曲線。具體操作為：以時間為橫坐 標，首波幅度為縱坐標，繪制首波幅度對養護時間的變化曲線；以時間為橫坐標，聲速為縱 坐標，繪制聲速對4養護時間的變化曲線。
[0055] 步驟303,根據步驟302繪制的首波幅度對養護時間的變化曲線或聲速對養護時 間的變化曲線，判斷所述固井二界面的膠結質量隨時間連續變化的情況。其中，判斷所述固 井二界面的膠結質量隨時間連續變化的情況包括：判斷不同水泥漿密度形成的所述固井二 界面的膠結質量隨時間連續變化的情況，以及判斷相同水泥漿密度形成的所述固井二界面 的膠結質量隨時間連續變化的情況。按照如下方法進行判斷。
[0056] 兩種判斷方式的原理如下：
[0057] (1)根據首波幅度判斷固井二界面的膠結質量的方法：聲波的波幅反映聲波的動 力學特征，即聲波衰減變化的規律與特征。由于聲波在介質中傳播時，能量被逐漸吸收，聲 波幅度會產生衰減。聲波在介質中傳播的時間越長，聲波能量被吸收的越多，聲波幅度衰減 的越多。一般可以利用首波幅度的變化研究聲波幅度的衰減情況。首波幅度是超聲儀接收 換能器接收到的第一個波前半周的幅值。聲波在介質中傳播的時間越長，則首波幅度衰減 的越多，首波振幅越低。因此，當聲波投射到固井二界面膠結模型時，若模型的水泥環與巖 心之間膠結質量好，則聲波在固井二界面上傳播的時間短，被吸收的聲波能量就小，聲耦合 就高，投射過固井二界面被接收換能器接收到的聲波能量就大，首波幅度就高。因此，首波 幅度越高，說明其對應的固井二界面的膠結質量越好，反之，固井二界面的膠結質量越差。
[0058] (2)根據聲速判斷固井二界面的膠結質量的方法：一般來說，材料內部越是致密， 彈性模量越高，其聲速也就越高。如果材料內部有缺陷，或界面層膠結不好，聲波會在缺陷 處多次反射，從而導致聲速降低。聲波傳播速度可按照如下公式進行計算：
[0059]
【權利要求】
1. 一種利用超聲波室內評價固井二界面膠結質量的方法，其特征在于，所述方法按照 如下步驟進行操作： 1) 將固井二界面膠結模型置于超聲儀的發射換能器與接收換能器之間的位置，并將發 射換能器表面與固井二界面膠結模型表面粘接，接收換能器表面與固井二界面膠結模型表 面粘接，所述固井二界面膠結模型用于模擬實際固井作業中的固井二界面； 2) 啟動超聲儀，發射換能器發射的聲波經過所述固井二界面膠結模型，由接收換能器 接收，接收的聲波經過處理后，獲得聲波信號中的首波幅度和聲速； 3) 根據步驟2)所述的操作程序，測量通過模擬不同養護時間的固井二界面膠結模型 的聲波的首波幅度和聲速，由此判斷所述固井二界面的膠結質量隨養護時間連續變化的情 況。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)所述的固井二界面膠結模型由人造 巖也、人造巖也上的濾餅和水泥環構成；其中，所述人造巖也用于模擬地層巖石，所述人造 巖也上的濾餅用于模擬鉆井過程中鉆井液在壓差作用下向地層滲濾后在地層巖石表面形 成的濾餅，所述水泥環用于模擬固井注水泥后套管與地層巖石之間的水泥環。
3. 如權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟1)所述的固井二界面膠結模型按照如 下操作程序制備：首先選取人造巖也，然后模擬井下條件在所述人造巖也的側面形成濾餅， 隨后將上述帶濾餅的人造巖也放入模具中，在模具中向所述人造巖也周圍加入水泥漿，最 后將模具放入恒溫水浴鍋或高溫高壓養護蓋中進行養護，得到固井二界面膠結模型。
4. 如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述人造巖也為圓柱形。
5. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述固井二界面膠結模型為正方體形。
6. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)中所述的粘接采用的粘合劑為水溶 性高分子凝膠禪合劑。
7. 如權利要求6所述的方法，其特征在于，步驟1)中所述粘結的操作程序如下：將所 述水溶性高分子凝膠禪合劑涂覆在發射換能器表面、固井二界面膠結模型表面和接收換能 器表面，然后將涂覆了水溶性高分子凝膠禪合劑的發射換能器表面、固井二界面膠結模型 表面粘結在一起，將涂覆了水溶性高分子凝膠禪合劑的接收換能器表面與固井二界面膠結 模型表面粘結在一起。
8. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2)所述的"接收的聲波經過處理"中的 處理包括：放大濾波、采樣、數模轉換和計算機軟件波形分析。
9. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟3)判斷所述固井二界面的膠結質量 隨養護時間連續變化的情況之前還包括如下步驟：繪制首波幅度對養護時間的變化曲線、 聲速對養護時間的變化曲線。
10. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3)中所述判斷所述固井二界面的 膠結質量隨時間連續變化的情況包括判斷不同水泥漿密度形成的所述固井二界面的膠結 質量隨養護時間連續變化的情況，W及判斷相同水泥漿密度形成的所述固井二界面的膠結 質量隨養護時間連續變化的情況。
【文檔編號】G01N29/04GK104345088SQ201310341911
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年8月7日 優先權日:2013年8月7日
【發明者】胥志雄, 李曉春, 梁紅軍, 袁中濤, 李鍵, 郭小陽, 李早元, 李明, 周超, 程小偉 申請人:中國石油天然氣股份有限公司