CN109611079A - 一种水泥环胶结界面整体评价声波测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水泥环胶结界面整体评价声波测试装置及方法，其特征在于：其包括超声探头组件、模型井、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；超声探头组件可旋转地居中插设在模型井中的套管内，其通过信号线依次与设置在模型井外部的数字示波器、脉冲发生接收仪和高速瞬态信号采集仪相连；数字示波器对接收的超声探头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，并发送到计算机终端，计算机终端对接收的数据进行分析处理。本发明可广泛应用于固井质量评价领域。

Description

一种水泥环胶结界面整体评价声波测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种水泥环胶结界面评价装置，具体涉及一种水泥环胶结界面整体评价声波测试装置及方法。

背景技术

固井质量评价主要是对水泥环的胶结质量进行评价,即对套管与水泥环之间的界面、水泥环与地层之间的界面的胶结情况进行评价。目前声波测井是评价水泥胶结质量的主要手段，设计和制作了许多种评价水泥胶结仪器。其中，最常用最典型最简单的是CBL(声波幅度测井)/VDL(声波变密度测井)测井,CBL利用声波在套管中的传播幅度定量判别水泥与套管胶结(第一界面)，VDL是测得声波在套管、水泥、地层中传播的波形，定量识别水泥与套管胶结、水泥与地层胶结(第二界面)。但这些仪器利用常规声波方法对套管与水泥环之间的界面进行半定量评价、水泥环与地层之间的界面的胶结状况进行定性分析,均无法对水泥环胶结情况进行准确的定量评价，并且不能判断任意方向上的水泥胶结情况。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种水泥环胶结界面整体评价声波测试装置及方法，利用测井超声测试方法评价水泥环界面的胶结质量。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种水泥环胶结界面整体评价声波测试装置，其包括超声探头组件、模型井、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；所述超声探头组件可旋转地居中插设在位于模型井中的套管内，且模型井与套管之间灌注有水泥，形成套管-水泥胶结界面和水泥与地层胶结界面，所述超声探头组件通过信号线依次与设置在所述模型井外部的所述数字示波器、脉冲发生接收仪和高速瞬态信号采集仪相连；所述数字示波器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，将其转化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。

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；所述探头载体轴可旋转地插设在位于所述模型井内的套管中心；所述第一超声探头组包括若干第一超声探头，各所述第一超声探头均竖直间隔排列在所述探头载体轴上；所述第二超声探头组包括若干第二超声探头，各所述第二超声探头均间隔排列在与所述第一超声探头组对侧的所述探头载体轴上，且各所述第二超声探头与所述探头载体轴均成角度设置。

所述探头载体轴顶部设置有可旋转罗盘，所述可旋转罗盘尺寸与所述模型井的井口尺寸相匹配，且所述可旋转罗盘与所述探头载体轴相连，带动所述探头载体轴在所述模型井内部任意旋转，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。

所述第一超声探头组中任意两个所述第一超声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中任意两个所述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。

所述第一超声探头组包括5个超声探头，第二超声探头组包括4个超声探头，且所述第二超声探头组中的各所述第二超声探头的设置高度位于所述第一超声探头组内两两所述第一超声探头之间。

一种水泥环胶结界面整体评价声波测试方法，其包括以下步骤：

1)手动将超声探头组件旋转至任意角度，依次随机挑选第一超声探头组中两两相邻组合、隔一个组合以及其他组合的探头作为超声探测组合，对模型井进行声波测试；

2)将超声探头组件旋转在任意一个角度，以第二超声探头组中两两相邻组合、隔一个组合一个其他组合的探头作为超声探测组合，对模型井进行声波测试；

3)根据第一、第二超声探头组的声波测试结果，确定能够判断出第一界面和第二界面水泥胶结的最优的组合探头；

4)采用最优探头组合对待评价模型井进行声波测试，得到该模型井水泥胶结界面的整体评价结果。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1)本发明通过模拟实际水泥固井，克服现有探头测试的不足，研制出含有五个垂直入射和4个斜入射的超声探头进行测井超声测试，水泥环胶结界面的评价更加符合真实情况；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)本发明操作方便、结构简单，实验数据真实可靠，与理论相符合，能够为现场提供合理的固井质量评价依据。本发明可以广泛应用于固井质量评价领域。

附图说明

图1为本发明水泥环胶结界面整体评价声波测试装置示意图；

图2为本发明实施例一中水泥环胶结界面整体评价两两组合探头声波测井波形图；

图3为本发明实施例二中水泥环胶结界面整体评价隔一个探头组合声波测井波形图；

图4为本发明实施例三中水泥环胶结界面整体评价其它探头组合方式声波测井波形图；

图5为本发明实施例四中水泥环胶结界面整体评价斜入射组合声波测井波形图；

图6为本发明实施例五中水泥环胶结界面整体评价模型井第一界面水泥胶结影像图；

图7为本发明实施例五中水泥环胶结界面整体评价模型井第二界面水泥胶结影像图。

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。

本发明提供的一种水泥环胶结界面整体评价声波测试装置，其包括超声探头组件、模型井、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。其中，超声探头组件可旋转地居中插设在位于模型井中的套管内，且模型井与套管之间灌注有水泥，形成套管-水泥胶结界面和水泥与地层胶结界面，超声探头组件通过信号线依次与设置在模型井外部的数字示波器、脉冲发生接收仪和高速瞬态信号采集仪相连；数字示波器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，将其转换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。

如图1所示，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。其中，探头载体轴居中插设在模型井中的套管内，探头载体轴顶部设置有可旋转罗盘；可旋转罗盘尺寸与模型井口尺寸相匹配，用于带动探头载体轴在模型井内部任意旋转，并与探头载体轴的旋转角度一致；第一超声探头组垂直间隔固定设置在探头载体轴上，且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；第二超声探头组间隔设置在与第一超声探头组对侧的探头载体上，且第二超声探头组与探头载体轴成角度设置，第二超声探头组中任意两个探头均能够构成超声探测组合，每一超声探测组合中的两个探头分别作为发射探头和接收探头。

作为一个优选的实施例，第一超声探头组包括5个超声探头1～5，第二超声探头组包括4个超声探头6～9，且第二超声探头组中各超声探头的设置高度位于第一超声探头组内两两超声探头之间。

作为一个优选的实施例，第二超声探头组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，第一超声探头组和第二超声探头组内各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。

作为一个优选的实施例，数字示波器采用普源DS1104Z数字示波器。

基于上述水泥环胶结界面整体评价声波测试装置，本发明还提供一种水泥环胶结界面整体评价声波测试方法，包括以下步骤：

1)将超声探头组件旋转任意角度，依次随机挑选第一超声探头组中两两相邻组合、隔一个组合以及其他组合的探头作为超声探测组合，对模型井进行声波测试；

2)将超声探头组件旋转在任意一个角度，以第二超声探头组中两两相邻组合、隔一个组合一个其他组合的探头作为超声探测组合，对模型井进行声波测试；

3)根据第一、第二超声探头组的声波测试结果，确定能够判断出套管-水泥胶结界面和水泥与地层胶结界面的胶结质量的最优的组合探头；

4)采用最优探头组合对待评价模型井进行声波测试，得到该模型井水泥胶结界面的整体评价结果。

下面通过具体实施例说明本发明方法的评价效果：

本发明中以垂直入射探头共有5个、斜入射声波探头共有4个为例进行介绍，垂直入射探头至上而下垂直设置在探头载体上，分别为5号探头、4号探头、3号探头、2号探头及1号探头，两两探头之间的间隔分别为178mm、172mm、175mm和174mm。5个垂直入射探头中的任意两个可以作为发射和接收组合具体的，相邻两两组合为5号—4号，4号—3号，3号—2号，2号—1号；隔一个组合即5号—3号，4号—2号，3号—1号；其它组合即5号—2号，5号—1号，4号—1号；每一组合中两个探头分别作为发射探头和接收探头。

斜入射声波探头共有4个，至上而下分别标有6号探头、9号探头、7号探头、8号探头，且6号探头与9号探头、7号探头、8号探头之间的间隔分别为230mm、470mm和610mm。四个探头中的两两探头均可以进行任意发射和接收组合，具体的，相邻两两组合为：6号—9号、9号—7号、7号—8号；隔一个组合为：6号—7号，9号—8号；其他组合为6号—8号，共有六组，且各组合中两探头分别作为发射探头和接收探头。

实施例中，模型井是分区进行水泥固井，共分为6个扇区，其中，0-60度扇区模拟自由套管，60度-120度扇区模拟水泥完全胶结好，120度-180度扇区模拟第一界面水泥胶结不好，水泥和套管之间有1mm的间隙，180度-240度扇区模拟第二界面水泥胶结不好，水泥和地层之间有1mm的间隙，240度-300度扇区模拟第一界面水泥胶结不好，水泥和套管之间有3mm的间隙，300度-360度扇区模拟第二界面水泥胶结不好，水泥和地层之间有3mm的间隙。

实施例一

旋转任意角度(即各个扇区内的任意角度，比如对自由套管区域进行声波测试时，只要探头处于0-60度扇区内即可)，任意两两探头组合声波测试：

如图2所示，是实验模型井中测得一组两两组合声波波形,分别为1号探头发射-2号探头接收、2号探头发射-3号探头接收。由上而下分别为自由套管测得声波波形、第一界面水泥胶结不好声波波形、水泥完全胶结好的声波波形(由于1号探头发射-2号探头接收、2号探头发射-3号探头接收中，探头的间距是一样的，所以图2中选取一组波形说明问题)。图中横坐标为时间，单位为微秒，纵坐标为幅度，单位为伏，从横向(时间)看图中第1条竖线为套管波到时，第二条竖线为直达波到时。从纵向(幅度)看自由套管和第一界面水泥胶结不好时幅度接近，水泥完全胶结好时套管波幅度明显降低。套管波出现在直达波之前，由于两两组合之间距离只有0.17m,很难观测到水泥和地层中传播的波。两两组合声波探头测得的声波波形对第一界面判别较好，不能识别第二界面。

实施例二：

旋转任意角度，隔一个探头组合的声波测试：

如图3所示，是实验模型井中测得一组隔一个探头组合声波波形，为5号探头发射-3号探头接收，隔一组合声波探头之间距离是0.34米，比两两组合声波探头之间距离长了一倍，有利于接收来自水泥和地层传播的声波信号，套管波到时大约在106微秒，直达波到时在234微秒左右。图3共有4条声波波形，至上而下分别为自由套管、第一界面水泥胶结不好、第二界面水泥胶结不好、水泥完全胶结好。

1)自由套管

自由套管是套管与地层之间无水泥，环空主要是流体。根据声学原理，套管声波速度和密度很高，声阻抗也很大；水的声波速度和密度很低，声阻抗很小，两种介质属于固体和流体耦合，耦合不好很难形成一个整体，有一束声波入射到套管，由于套管和水的阻抗差异较大，绝大部分声波信号在套管中传播，声波接收探头接收到的声波信号很强，图3中第一条波形，清楚看到套管波较高幅度持续振动接近直达波；

2)第一界面水泥胶结不好

第一界面水泥胶结不好是指水泥和套管之间有一个裂隙，裂隙为1mm,水泥与地层胶结好，与自由套管相比，不同之处自由套管为环空，第一界面水泥胶结不好是裂隙，相同之处是套管与裂隙由于声阻抗差异耦合不好，大部分声波能量在套管中传播，能够观测到与自由套管相似的声波波形，图3中第二条波形。

3)第二界面水泥胶结不好

第二界面水泥胶结是指水泥与地层之间有裂隙，裂隙为1mm,第一界面水泥胶结好，由于套管和水泥属于固体耦合，构成一个整体，有一束波传播到套管，很小部分声波信号在套管中传播，大部分通过套管在水泥中传播，又由于水泥与地层之间裂隙，水泥和水声阻抗差异大，耦合不好，几乎没有声波信号在地层中传播，接收探头接收的声波波形在直达波到达之前，首先看到的是声波信号很弱的套管波，其次是高于套管波信号的水泥环中传播的声波信号。利用套管波信号强弱判断第一界面水泥胶结，利用直达波之前的水泥环波判断第二界面水泥胶结。图3中第三条波形，

4)水泥完全胶结好

水泥完全胶结好是指第一、二界面水泥完全胶结好，套管、水泥和地层都耦合较好，入射到套管中声波信号被分为三部分，即套管、水泥和地层，显然在直达波到达之前，声波接收探头接收到的声波信号都很弱，图3中第4条波形。

5)声波到时界面时窗

声波到时界面时窗主要用于获取窗内声波信号平均幅度，时窗从套管波到时开始，直达波到时之前结束，图3中开了两个声波到时窗，一个是从窗内获取反映第一界面水泥胶结的声波信号平均幅度，一个是从窗内获取反映第二界面水泥胶结的声波信号平均幅度。

实施例三：

探头旋转任意角度，其它组合声波探头测试：

如图4所示，是实验模型井中其它组合声波探头测得声波波形，其它组合声波探头是指5号探头发射，2号探头和1号探头分别接收，它们之间距离分别为0.525m和0.7m。图4是水泥完全胶结好时测得的声波波形，第一条是5号探头发射，2号探头接收，第二条是5号探头发射，1号探头接收，图中看出，测量的声波波形幅度很小，套管波到直达波之间时间很长，声波波形显得更为复杂。分析原因主要是由于探头之间距离较远，声波信号衰减，另外就是仪器的发射电压偏低，大约在-400v左右。还有就是模型制作过程中的不足，模型井底部没有水泥胶结，底部探头1号探头不在水泥胶结区，造成声波信号很小。

实施例四：

探头任意一个角度，斜入射声波探头测试：

如图5所示，是实验模型井中斜入射声波探头测得声波波形，斜入射声波探头采用第二临界角设计，入射角为30度，6号探头发射，7号探头和8号探头分别接收，它们之间的距离分别为0.46米和0.6米。图6是斜入射声波探头在水泥完全胶结好时测得的声波波形，第一条是6号探头发射，7号探头接收，第二条是6号探头发射，8号探头接收。图中看出，由于探头之间距离较远，测得声波波形幅度较小，另外就是仪器的发射电压偏低，大约在-400v左右。还有就是模型制作过程中的不足，模型井底部没有水泥胶结，底部探头7号和8号探头不在水泥胶结区，造成声波信号很小。

综合上述分析认为：从4组声波探头测得的声波波形分析，隔一个探头得声波探头组合相对效果要好，反映第一、二界面水泥胶结更为清楚，两两组合对第一界面水泥胶结判断有效，其它组合声波探头和斜入射声波探头可以辅助测试和验证实验结果，使得测试结果更加真实反应水泥环界面胶结的实际情况，更加全面的评价固井胶结质量。

实施例五：

声波探头采用隔一个探头组合测试的水泥胶结整体评价。

如图6、图7所示，分别是模型井第一界面和第二界面水泥胶结影像图，图6中颜色由黑到白对应是声波信号幅度由小到大，横坐标是声波探头在模型井中旋转角度，纵坐标是模型井的高度，模型井高度是由上至下，图中纵坐标由下至上。0度-60度，颜色最白，声波幅度最大，自由套管；60度-120度颜色最黑，声波信号幅度最小，第一界面水泥胶结好，120度-180度，颜色比自由套管暗，声波信号幅度比自由套管小，比第一界面水泥胶结幅度大，第一界面水泥胶结不好。以此类推分析。

图7中颜色由黑到白对应是声波信号幅度由小到大，横坐标是声波探头在模型井中旋转角度，纵坐标是模型井的高度，模型井高度是由上至下，图中纵坐标由下至上。0度-60度，颜色最白，声波幅度最大，自由套管；60度-180度颜色最黑，声波信号幅度最小，第二界面水泥胶结好，180度-240度，颜色比自由套管暗，声波信号幅度比自由套管小，比第二界面水泥胶结幅度大，第二界面水泥胶结不好。以此类推分析。

综合上面分析，0度-60度自由套管，60度-120度水泥完全胶结好，120度-180度第一界面水泥胶结不好，第二界面水泥胶结好，180度-240度第一界面水泥胶结好，第二界面水泥胶结不好。

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。

Claims (7)

1.一种水泥环胶结界面整体评价声波测试装置，其特征在于：其包括超声探头组件、模型井、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；

所述超声探头组件可旋转地居中插设在位于模型井中的套管内，且所述模型井与所述套管之间灌注有水泥，形成套管-水泥胶结界面和水泥与地层胶结界面，所述超声探头组件通过信号线依次与设置在所述模型井外部的所述数字示波器、脉冲发生接收仪、高速瞬态信号采集仪和计算机相连；

所述数字示波器对所述超声探头组件采集的待测点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，将其转化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。

2.如权利要求1所述的一种水泥环胶结界面整体评价声波测试装置，其特征在于：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；

所述探头载体轴可旋转地插设在位于所述模型井内的套管中心；

所述第一超声探头组包括若干第一超声探头，各所述第一超声探头均竖直间隔排列在所述探头载体轴上；

所述第二超声探头组包括若干第二超声探头，各所述第二超声探头均间隔排列在与所述第一超声探头组对侧的所述探头载体轴上，且各所述第二超声探头与所述探头载体轴均成角度设置。

3.如权利要求2所述的一种水泥环胶结界面整体评价声波测试装置，其特征在于：所述探头载体轴顶部设置有可旋转罗盘，所述可旋转罗盘尺寸与所述模型井的井口尺寸相匹配，且所述可旋转罗盘与所述探头载体轴相连，带动所述探头载体轴在所述模型井内部任意旋转，并与所述探头载体轴的旋转角度一致。

4.如权利要求2所述的一种水泥环胶结界面整体评价声波测试装置，其特征在于：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。

5.如权利要求2所述的一种水泥环胶结界面整体评价声波测试装置，其特征在于：所述第一超声探头组中任意两个所述第一超声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中任意两个所述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。

6.如权利要求2所述的一种水泥环胶结界面整体评价声波测试装置，其特征在于：所述第一超声探头组包括5个超声探头，第二超声探头组包括4个超声探头，且所述第二超声探头组中的各所述第二超声探头的设置高度位于所述第一超声探头组内两两所述第一超声探头之间。

7.一种采用如权利要求1～6任一项所述装置的水泥环胶结界面整体评价声波测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1)手动将超声探头组件旋转至任意角度，依次随机挑选第一超声探头组中两两相邻组合、隔一个组合以及其他组合的探头作为超声探测组合，对模型井进行声波测试；

2)将超声探头组件旋转在任意一个角度，以第二超声探头组中两两相邻组合、隔一个组合一个其他组合的探头作为超声探测组合，对模型井进行声波测试；

3)根据第一、第二超声探头组的声波测试结果，确定能够判断出第一界面和第二界面水泥胶结的最优的组合探头；

4)采用最优探头组合对待评价模型井进行声波测试，得到该模型井水泥胶结界面的整体评价结果。