CN111827976B - 固井质量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固井质量测量装置及方法，包括井筒、套管、支架、加压泵、控温保温装置、联合换能器、超声波测定仪、脱模压力机，固井模型由外向内依次是井筒、水泥环、套管、联合换能器，上下封头通过与环形螺帽紧密连接加以密封固井模型两端，联合换能器通过下封头与超声波测定仪连接。该装置可以模拟不同密度水泥环与套管及水泥环与地层之间的胶结，研究不同密度水泥环在不同填充状况下的固井质量，并且可以进行不同温度、不同压力下的实验，温度控制和压力控制达到自动化，该装置中的联合换能器与套管形成同轴同孔的设计可以自动消除测试系统的误差。

Description

固井质量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及固井质量测量装置及方法，可以在实验室内模拟不同井下条件的固井质量测量装置及方法。本发明属于油气井固井领域。

背景技术

固井是钻井完井工程的重要环节之一，而且固井质量的好坏对油气井寿命、油气井产能和勘探开发的总体效益影响很大。由于固井技术涉及化学、流体力学、材料学等多个学科，且施工过程中会受到诸多复杂因素的影响，很难保证全井段的固井质量。因此，如何对固井质量进行合理评价、及时定位不合格井段以及给出合理补救措施成为固井技术一项重要任务。

固井质量(CBL/VDL)测井，主要是检测固井后水泥环层间封隔性能，包括水泥环纵向或环向上的胶结缺失的分析、第一界面(水泥环与套管之间的界面)及第二界面(水泥环与地层之间的界面)的胶结状况分析。

当前能进行该项研究的装置十分缺乏，徐璧华发明了一种液压式模拟套管围压试验装置及其围压方法(一种液压式模拟套管围压试验装置及其围压方法，公开号：CN107421813A)，但是该装置只能模拟水泥浆在井下环空中带温带压形成水泥环的过程，不能研究测量仪器对套管声波的测量，从而判断水泥环的胶结状况。

目前，尚无用于实验室内模拟不同密度水泥浆在井下环空中的固井质量测量装置。中国专利CN201921605624.0公开了一种油气井水泥环密封完整性测试装置，但该装置也只能模拟地层条件下水泥环的承压状况，并不能测量水泥环的固井胶结状况。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种模拟不同密度水泥浆在井下条件中的固井质量测量装置及方法。该装置能有效模拟真实地层环境，其设备齐全，可以更好地满足研究需要。同时利用该装置可以研究水泥环在环向上胶结缺失的状况，且可使用联合换能器测量出不同密度水泥环在模拟地层环境下的固井一、二界面的胶结质量。为了便于二次使用隔空固井模型，还设计了一台100吨脱模压力机和一套脱模设施以供使用。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种室内模拟固井质量测量装置，包括：固井模型，包括井筒和套管，井筒和套管形成用于环形空腔，井筒和套筒的两端分别设有上封头和下封头；声波测定仪装置，包括超声波测定仪和安装在套筒内的联合换能器，其包括探杆、探杆上设有外周呈圆形的发射探头和外周呈圆形的第一接收探头和第二接收探头，第一接收探头有第一接收通道，第二接收探头有第二接收通道，所述第一接收通道和第二接收通道均设有若干个接收器；所述套管的内径与所述发射探头、第一接收探头和第二接收探头的外径相适配；超声波测定仪通过一发射器电缆和若干个接收器电缆分别与所述第一接收探头和第二接收探头相连；加压装置，其包括设置在井筒上的加压孔，所述加压孔通过管线与加压泵相连，加压泵与压力测量仪相连；控温保温装置，其包括设置在井筒外壁的加热结构，所述加热结构与温度控制仪相连。

可选的，所述井筒设置为上下两部分，上下两部分之间通过中间法兰盘连接，中间法兰盘与圆形旋转板连接。

可选的，所述加热结构包括套设在井筒外壁上的夹套，夹套内设有电热丝。

可选的，所述第一接收通道和第二接收通道的多个接收器之间均布排列；

可选的，所述第一接收通道和第二接收通道均设有4个接收器，4个接收器都是单片接收，每片间的间隔为90度，而每两片为一组180度相背而立，每组间距50mm。所述第一接收通道与发射探头之间的距离设为198mm，第二接收通道与发射探头之间的距离设为330mm，第一接收通道和第二接收通道的间距为132mm。

可选的，还包括脱模设备，所述脱模设备包括用于容设固井模型的脱模架，脱模架内设有脱模压力机，脱模压力机与手动泵相连。

可选的，所述井筒上端设有上端法兰盘，下端设有下端法兰盘，上端法兰盘和下端法兰盘分别通过环形螺帽与上封头和下封头相连。

可选的，所述下封头还设有与套筒内部连通的出水口。

可选的，还包括转动装置，所述转动装置与探杆相连，当转动装置转动时，带动探杆转动，从而带动第一接收通道和/或第二接收通道转动。

一种采用室内模拟固井质量测量装置的固井质量测量方法，包括以下步骤：

(1)安装好井筒，在井筒中放入套筒，套筒居中在井筒中，使套管与井筒之间形成水泥环腔；

(2)将联合换能器从套管底部按发射探头在上，两个接收探头在下的顺序居中置于套管中；

(3)把发射换能器电缆插头和八个接收换能器电缆插头分别插入超声波测定仪器面板上相对应的插孔中，然后开启超声波测定仪的电源开关；

(4)将套管中放入清水，用于模拟泥浆，同时配制所需测量的水泥浆，然后缓慢注入水泥环空腔内，装好上封头，实现水泥环的密封；

(5)安装加压装置和控温保温装置，然后调整使井筒内温度和压力满足实验要求；

(6)打开计算机中的测试软件，进行套管波的参数获取，利用相对声幅法来评价实验中水泥环的固井质量，计算公式为：U＝A/Afp*100％，

式中：U为相对声幅值；A为目的井段声幅值，mv；Afp为自由井段声幅值，mv；

(7)实验结束后，卸掉上下封头，将联合换能器从套管中取出，利用脱模设施把水泥环和套管脱离出井筒。

一种声波测定仪装置的室内评价模拟固井质量的声波测定方法，包括以下步骤：

(1)将一发多收换能器从套管底部按发射探头在上，两个接收探头在下的顺序放入套管中；

(2)把发射换能器电缆插头和八个接收换能器电缆插头分别插入超声波测定仪器面板上相对应的插孔中，然后开启超声波测定仪器主机面板上的两个电源开关，打开加热开关，在温度控制仪上调整实验温度，；

(3)启动计算机，打开操作测试软件，进入波形检测界面；

(4)在操作面板中，根据需要调整好发射电压、发射脉冲宽度、T0时间、消除干扰时间、首波确认幅度、关门电压和接受增益，输入第一通道长度参数、第二通道长度参数和两通道的间距长度参数；

(5)勾选0°、90°、180°、270°四个接收角度，并勾选双通道和连续采集功能，然后在工程创建功能中，新建一个工程名称，进入自动检测功能中开启定时检测并输入间隔时间；

(6)点击开启自动按钮，则声波测定仪器系统开始进行自动采集数据，自动采集的数据会保存在新建的工程项目中；

(7)一次实验结束后，取出一发双收换能器，然后进行数据处理；

(8)进入操作测试软件的数据分析中，打开新建的工程项目，可以清晰地看到波形图、首波声时、首波幅度、首波频率、首波速度、时间长度数据；

(9)根据超声波测定仪测得的实验数据，利用相对声幅法来评价实验中水泥环的固井胶结状况，计算公式为：U＝A/A_fp*100％，

式中：U为相对声幅值；A为目的井段声幅值，mv；A_fp为自由井段声幅值，mv。

步骤(1)中用于跟实验室内的固井模型配套使用，因为九根电缆线及下封头在接收探头的一端，要保证模拟钻井液在套管里时，必须用下封头把井口下段密封住，发射探头放在上面，接收探头放在下面便于实验及仪器(固井模型)操作。

步骤(4)的发射电压主要是控制发射器的激励电压，根据不同的测量需求，产生相应合适的声波激励以适应不同介质信息分析；发射脉冲主要是调节信号的频率；TO时间和消除干扰时间的设定的目的是有效避免首波前面的干扰，首波确认幅度、关门电压和接受增益主要是用于调整声波信号，使波形处于稳定、清晰且最佳状态。这些参数的设定主要是避免影响首波幅度的获取，从而保证固井质量评价的准确性。

步骤(8)中的首波声时，首波频率，首波速度和时间长度是为了得到更全面的声波数据而设置的参数，首波声时与首波速度是相对应的，可以通过首波速度的大小，定性地评估一下不同水泥介质的胶结情况。而首波幅度是可以用来定量评价水泥固井胶结情况，利用首波幅度与自由套管的首波幅度的比值来判断固井胶结质量的好坏。主要利用到的参数是首波幅度。

步骤(9)中，A_fp的声幅值的获取：通过测量套管外没有水泥胶结时的套管首波幅度。

本发明的有益效果：

(1)利用本发明的测量装置可以模拟不同密度水泥环与套管及水泥环与地层之间的胶结；

(2)利用本发明的测量装置可以进行不同密度水泥环在不同填充状况下固井质量评价实验；

(3)利用本发明的测量装置可以进行不同温度、不同压力下的实验，温度控制和压力控制达到自动化；

(4)利用本发明的测量装置可以自动消除测试系统的误差；

(5)利用本发明的测量装置可以进行水泥环模的脱落，使得该装置可以再次使用。

附图说明

图1是本发明一种固井质量测量装置的结构示意图

附图标记：1-井筒；2-水泥环；3-第一螺栓；4-第一插销；5-中间法兰盘；6-套管；7-夹套；8-支架；9-第二螺栓；10-下端法兰盘；11-环形螺帽；12-下封头；13-第三螺栓；14-九孔橡胶垫；15-密封圈；16-出水口；17-第二接收探头；18-加压孔；19-第一接收探头；20-发射探头；21-探杆；22-上端法兰盘；23-第四螺栓；24-第五螺栓；25-上封头；26-加压泵；27-圆形旋转板；28-第二插销；29-第一电源开关；30-加热开关；31压力测量仪；32-温度控制仪；33-第二电源开关；34-电缆插孔；35-计算机；36-脱模架；37-液压千斤顶；38-手动泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本法明，并不对其内容进行限定。

实施例1：

如图1所示，一种室内模拟固井质量测量装置，由井筒1、套管6、支架8、加压泵26、控温保温装置(夹套7和温度控制仪32)、联合换能器(发射探头20、第一接收探头19、第二接收探头17、探杆21)、计算机35、脱模压力机(液压千斤顶37、手动泵38)和脱模架36组成；

具体的，所述井筒1设置为两部分，其上部分长400mm，下部分长600mm，中间用法兰盘5连接，所述中间法兰盘5与圆形旋转板27连接，使井筒1能够转动，井筒1通过与第一插销4和第二插销28连接固定在支架8上，所述井筒1上下两部分利用第一螺栓3连接，井筒1两端分别设有上端法兰盘22和下端法兰盘10，上端法兰盘22和下端法兰盘分别通过第四螺栓23、第二螺栓9与井筒1连接。井筒1下半部分设有加压孔18，用于向水泥浆腔注入液体控制水泥环压力，所述加压孔18通过管线与所述加压泵25连接，加压泵25位于支架8的侧面通过电线与所述压力测量仪31连接。支架8是用于固定隔空固井模型，便于实验过程中易操作。压力测量仪31用于测量和控制所述水泥环2所受的压力。在井筒1与所述套管6之间的环形空腔中注入水泥浆，形成水泥环2，水泥浆腔体内可填充水泥浆与部分泡沫板，用于模拟水泥环2部分缺失状况。

所述套管6两端分别设有上封头25和下封头12，所述下封头12设有内筒，所述内筒设有两个密封圈15和一个九孔橡胶垫14，九孔橡胶垫14位于两个密封圈14中间，所述九孔橡胶垫14用来穿过联合换能器上的九根电缆，所述九根电缆由一根发射电缆和八根接收电缆组成，九根电缆分别插在超声波测定仪的九个电缆插口34上，用于传输电信号，所述下封头12安装在联合换能器的九根电缆上，下封头12的侧面设有与套管内部连通的出水口16，目的是排除套管中的流体。所述套管两端分别刻有螺纹，并设有两个环形螺帽11，所述环形螺帽11用于密封套管与上端法兰盘22和下端法兰盘10之间的空隙，上封头25、下封头12通过第五螺栓、第三螺栓13与环形螺帽紧密连接。

所述联合换能器是由探杆21、发射探头20、第一接收探头19、第二接收探头17组成，联合换能器通过下封头12的高压密封装置按照发射探头20在上、第一接收探头19和第二接收探头17在下的顺序放入套管6中，所述联合换能器通把在套管6中测得的信息通过电信号传输到超声波测定仪中，超声波测定仪中设有整机通连系统和计算机35，所述整机通连系统上设有第一电源开关29、加热开关30、压力测量仪31、温度控制仪32、第二电源开关33以及九个电缆插口34，所述计算机35中安装了测试软件。

所述井筒1的外壁设有夹套7，夹套7内设有电热丝，夹套7通过电线与温度控制仪连接，用于控制调节温度，模拟井下环境。

上述装置还包括一套脱模设备，由脱模架36、脱模压力机37和手动泵38组成，压力脱模机37的顶盘的外径比井筒内径略小点，当实验完成后，将固井模型放在脱模压力机37上，然后使用手动泵38使得顶盘向上移动，从而实现水泥环2和套管6的脱离。所述手动泵38设有压力表，可观察脱模压力机37的压力使用情况。

优选的，所述上、下端法兰盘通过螺栓与井筒上下端连接，所述法兰盘内设有密封圈。

优选的，所述加压泵设有四根手动加压杆，所述加压泵设有压力表，当加压泵通过管线连通加压孔加压时，目的是模拟地层压力。

优选的，所述套管两端的上、下封头内设有密封圈，且上、下封头通过八个螺栓与所述环形螺帽连接以实现套管的密封。

优选的，所述联合换能器为一发双收超声波探测器，包括一个发射探头、两个接收探头和探杆，所述两个接收探头共设有八个接收器，所述联合换能器居中在套管中，与套管形成同轴同孔，目的是自动清除测试系统的误差。

优选的，所述下封头上设置与套管内部连通的通孔(出水口16)，目的是用于一次实验完成后排尽套管中的液体。

优选的，所述水泥环腔内可模拟不同密度水泥浆在不同填充条件下的固井实验，所述不同填充条件可通过置入泡沫板加以实现。

优选的，所述脱模压力机是一台液压千斤顶，由液压油缸和手动泵组成，所述液压千斤顶位于脱模设施中间，所述脱模设施是由四根钢柱、上下钢板和所述液压千斤顶组成的设备，目的是用于脱落实验完成后的水泥环。

作为本实施例的一个示例，还可以包括转动装置(未图示)，所述转动装置与探杆相连，当转动装置转动时，带动探杆转动，从而带动第一接收通道和/或第二接收通道转动。转动装置可设置在套管1的上方或下方，用电机驱动，可以旋转90度。采用转动装置，可以(1)通过探头转动，能实现测得水泥环圆周不同方向上的声波衰减量，从而能具体判断周向上水泥缺失或胶结质量的位置。(2)通过探头转动，可以测得周向上每一点的套管首波幅度，当旋转一周时，4个接收器都可以经过某一点，根据4个接收器测出的数据，可精确得出该点的固井胶结状况。(3)通过转动探头，带动4个接收器的旋转，可以消除由于固定某一个接收器测量而带来的误差。

实施例2

利用上述装置模拟不同密度水泥浆在不同填充状况下的固井质量测量方法：

固井质量模拟实验：先将下部分井筒与上部分井筒通过第一螺栓3密封连接好，装好下端法兰盘10，拧上下端的环形螺帽11，然后从井筒1上端口放入套管6，套管6居中在井筒1中，然后将联合换能器从套管6下端口按照发射探头20在上第一接收探头19和第二接收探头17在下的顺序居中置于套管6中，通过第三螺栓13连接下封头12与环形螺帽11，然后把发射电缆和八根接收电缆分别对应插入整机通连系统上的电缆插孔34上，在套管6中倒入清水，用于模拟泥浆，将配制好的水泥浆缓慢注入水泥环空腔内，形成水泥环2，当模拟水泥环2部分缺失时，可在水泥环空腔内插入泡沫板，使用第四螺栓23连接上端法兰盘与井筒1，然后拧上环形螺帽11，通过第五螺栓24连接环形螺帽11与上封头25，在井筒1外壁上套上夹套7，并将加压泵26通过管线与加压孔18连接，然后打开第一电源开关29、第二电源开关33、加热开关29，在温度控制仪32和压力测量仪31上调整实验所需温度及压力，之后打开计算机35中的测试软件，进行套管波的参数获取，利用相对声幅法来评价实验中水泥环的固井质量，计算公式为U＝A/Afp*100％，式中：U为相对声幅值；A为目的井段声幅值，mv；Afp为自由井段声幅值，mv；实验结束后，卸掉上封头25、下封头12和两端的环形螺帽，将联合换能器从套管6中取出，拆卸上端法兰盘22、下端法兰盘10和中间法兰盘5，之后将井筒1下部分、套管6和水泥环2放入脱模压力机37上，然后使用手动泵38使得脱模压力机37的顶盘向上移动，从而实现水泥环2、套管6与井筒1的脱离。

优选的，所述步骤(4)中水泥浆的制备方法为：根据所需要进行的水泥环固井实验，按照现场给的水泥浆配方先在电子秤上将各种固体材料(水泥干灰、密度减轻剂和各种添加剂中的固体成分)的质量分别称好，然后倒入桶中用长搅拌棒将固体材料搅拌均匀，把液体材料如自来水、消泡剂等倒入固体材料中，之后利用搅拌机中速搅拌3～5分钟使其水泥浆混合均匀。制备好的水泥浆即可缓慢倒入水泥环空腔内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种室内模拟固井质量测量装置，其特征在于，包括：

固井模型，包括井筒和套管，井筒和套管形成用于环形空腔，井筒和套管的两端分别设有上封头和下封头；

声波测定仪装置，包括超声波测定仪和安装在套管内的联合换能器，其包括探杆、探杆上自上而下设有外周呈圆形的发射探头和外周呈圆形的第一接收探头和第二接收探头，第一接收探头有第一接收通道，第二接收探头有第二接收通道，所述第一接收通道和第二接收通道均设有若干个接收器；所述套管的内径与所述发射探头、第一接收探头和第二接收探头的外径相适配；超声波测定仪通过一发射器电缆和若干个接收器电缆分别与所述第一接收探头和第二接收探头相连；

加压装置，其包括设置在井筒上的加压孔，所述加压孔通过管线与加压泵相连，加压泵与压力测量仪相连；

控温保温装置，其包括设置在井筒外壁的加热结构，所述加热结构与温度控制仪相连；

所述第一接收通道和第二接收通道均设有4个接收器，4个接收器都是单片接收，每片间的间隔为90度，而每两片为一组180度相背而立，每组间距50mm；所述第一接收通道与发射探头之间的距离设为198mm，第二接收通道与发射探头之间的距离设为330mm，第一接收通道和第二接收通道的间距为132mm。

2.根据权利要求1所述的室内模拟固井质量测量装置，其特征在于，所述井筒设置为上下两部分，上下两部分之间通过中间法兰盘连接，中间法兰盘与圆形旋转板连接。

3.根据权利要求1所述的室内模拟固井质量测量装置，其特征在于，所述加热结构包括套设在井筒外壁上的夹套，夹套内设有电热丝。

4.根据权利要求1所述的室内模拟固井质量测量装置，其特征在于，所述第一接收通道和第二接收通道的多个接收器之间均布排列。

5.根据权利要求1所述的室内模拟固井质量测量装置，其特征在于，还包括脱模设备，所述脱模设备包括用于容设固井模型的脱模架，脱模架内设有脱模压力机，脱模压力机与手动泵相连。

6.根据权利要求1所述的室内模拟固井质量测量装置，其特征在于，所述井筒上端设有上端法兰盘，下端设有下端法兰盘，上端法兰盘和下端法兰盘分别通过环形螺帽与上封头和下封头相连。

7.根据权利要求1所述的室内模拟固井质量测量装置，其特征在于，所述下封头还设有与套管内部连通的出水口。

8.根据权利要求1所述的室内模拟固井质量测量装置，其特征在于，还包括转动装置，所述转动装置与探杆相连，当转动装置转动时，带动探杆转动，从而带动第一接收通道和/或第二接收通道转动。

9.采用权利要求1-8任一项所述的室内模拟固井质量测量装置的固井质量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)安装好井筒，在井筒中放入套管，套管居中在井筒中，使套管与井筒之间形成水泥环腔；

(2)将联合换能器从套管底部按发射探头在上，两个接收探头在下的顺序居中置于套管中；

(3)把发射换能器电缆插头和八个接收换能器电缆插头分别插入超声波测定仪面板上相对应的插孔中，然后开启超声波测定仪的电源开关；

(4)将套管中放入清水，用于模拟泥浆，同时配制所需测量的水泥浆，然后缓慢注入水泥环空腔内，装好上封头，实现水泥环的密封；

(5)安装加压装置和控温保温装置，然后调整使井筒内温度和压力满足实验要求；

(6)打开计算机中的测试软件，进行套管波的参数获取，利用相对声幅法来评价实验中水泥环的固井质量，计算公式为：U＝A/Afp*100％，

式中：U为相对声幅值；A为目的井段声幅值，mv；Afp为自由井段声幅值，mv；

(7)实验结束后，卸掉上下封头，将联合换能器从套管中取出，利用脱模设施把水泥环和套管脱离出井筒。