CN114934769B - 致密气藏压裂套管-水泥环一体化模拟装置及其评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是致密气藏压裂套管‑水泥环一体化模拟装置及其评价方法，其中致密气藏压裂套管‑水泥环一体化模拟装置包括大尺寸真三轴实验架、MTS伺服增压泵、混合热致型形状记忆高分子材料的支撑剂、应变片式压力传感器、惠斯登电桥、数字示波器、超声波发射器、超声波接收器、纳米压痕仪，大尺寸真三轴实验架中固定放置岩样，岩样中心位置放置模拟套管，模拟套管外侧均匀布置应变片，超声波发射器置于岩样底部，超声波接收器置于水泥环上表面，超声波接收器与计算机连接；本发明能够实现监控套管变形情况，分析人造致密岩心压裂后裂缝延伸规律，分析致密气藏压裂过程中套管外水泥环完整情况，对第一界面的密封性进行综合评价。
Description
技术领域：
本发明涉及的是气藏工程技术领域，具体涉及的是致密气藏压裂套管-水泥环一体化模拟装置及其评价方法。
背景技术：
我国油气资源总体十分丰富，其中低渗透油气储量占剩余储量的50％以上，而且新发现油气储量中低渗透难开采油气藏的比例越来越高，低渗油气勘探开发成为我国油气勘探开发的主战场。据国土资源部统计数据，致密砂岩气技术可采储量达到10万亿，未来5～10年是致密砂岩气开发利用快速发展期。预计2030年前后，致密砂岩气产量将达到1000亿m3左右，成为支撑我国天然气工业快速和稳定发展的重要资源。
致密油气藏因储层致密,孔隙度渗透率低(0.001～0.5mD)、储量丰度低、局部超低含水饱和度、高毛管压力、非均质性强、薄层多等特点，油气逃逸速度低于生烃和排烃速度，原生油气藏均为高压油气藏。在对此类油气藏进行开发的过程中，往往出现以下特征：①不高的水驱动用程度；②油井动液面出现较低,采油井底流压太小；③采油速度降低很快；④地层压力降低很快。正因为这样的原因，才不得不采用压裂技术进行开采，若不采取压裂而采取常规开采技术，则开采的产量极低甚至几乎没有，且对地层有破坏，为后面高效的开采埋下障碍。采用多级压裂水平井技术形成多条高导流能力裂缝，大幅提高井筒与地层接触面积方式完成致密气藏经济开发，其结合了水平井技术和人工压裂技术的优点，有效改善了近井地带渗流条件，大幅提高了单井控制储量，已成为有效开发致密砂岩油气藏的重要技术手段，通过利用参数对比法、试井曲线形态判别法、裂缝参数分析法等方法；对多段压裂水平井的有关参数进行评价，进行方案优选。
其中裂缝的形态与方位对于是否可以有效发挥压裂的油藏改造作用密切相关，因为一方面影响油气的聚集与分布，另一方面裂缝的动态变化特征又将极大地影响到油气藏的开发方式和油气的采收率，如果不能实时监测裂缝形态的变化情况，那么就会影响裂缝对于地层油气的导流能力，也不能为后期的井位部署及压裂优化提供可靠的支持。而且现场作业表明，压裂的效果往往不十分明显，有时由于穿透隔层导致失败，造成油层压力体系破坏，影响油田的整体开发效果，这也要求我们必须研究裂缝扩展规律并采取有效措施控制裂缝的扩展形态。
因此，针对裂缝性油气藏开采过程中裂缝的动态行为开展研究，对高效开发该类油气藏具有重要的指导性意义。
但与此同时用压裂技术开发致密砂岩气藏的过程中，伴随着水平井技术的运用，此技术遇到了主要的技术瓶颈：在分段压裂过程中，出现了严重的井简完整性失效问题即套管变形问题突出，制约了我国致密气藏高效开发进程。
1)水平井有直井段、弯曲井段和水平井段，使得套管从下入到开采的应力情况更加复杂。在弯曲井段，套管在运行过程中会产生很大的变形。
2)在水平段，由于自重的作用，套管与井壁的接触面积会增大，从而增大井壁与套管之间的摩擦阻力。当摩擦阻力达到一定值时，会损坏套管，影响井下作业的顺利进行。
3)在压裂过程中，会导致岩石性能下降、地应力重新分布、地层温度应力变化等情况。此外，套管外壁本身也受到不均匀载荷和内压的作用，使得套管受力情况复杂。当套管的应力达到强度极限时，很容易引起套管变形。
4)压裂过程中套管、水泥环与地层系统之间的位移与力耦合，以及不同应力状态下水泥体的损伤。压裂过程中套管损坏的主要原因是三者之间的耦合失效，即粘接面密封失效和水泥体损伤。
5)水泥环的力学性能也会影响套管的损坏。对于低弹性模量地层，水泥环的弹性模量越高，水泥环上的应力越大，而水泥环的弹性模量越高，水泥环上的应力越小。对于高弹性模量的水泥环，结果则相反。水泥环的应力、应变随泊松比的增大而增大。因此，水泥环力学性能参数的减小会导致套管有效应力的减小，减小套管应力更安全。
简而言之套管变形后，压裂段数减少，降低了单井产量，缩短了井的生命周期，套管的完好程度关系到采油效率。
基于以上所述，开发一种模拟装置，实时监测岩心压裂裂缝扩展情况、水泥环、套管变形情况，对该技术的研发与推广具有重要意义。
发明内容：
本发明的目的是提供致密气藏压裂套管-水泥环一体化模拟装置，这种致密气藏压裂套管-水泥环一体化模拟装置用于解决现有技术中不能实时监控水泥环、套管变形情况、岩心裂缝扩展情况等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种致密气藏压裂套管-水泥环一体化模拟装置包括大尺寸真三轴实验架、MTS伺服增压泵、混合热致型形状记忆高分子材料的支撑剂、应变片式压力传感器、惠斯登电桥、数字示波器、超声波发射器、超声波接收器、纳米压痕仪，大尺寸真三轴实验架中固定放置岩样，岩样中心位置放置模拟套管，模拟套管由水泥环内设置套管构成，模拟套管外侧均匀布置应变片，超声波发射器置于岩样底部，超声波接收器置于水泥环上表面，超声波接收器与计算机连接；通过引线将应变片均接入惠斯登电桥，并与数字示波器相连；MTS伺服增压泵向模拟套管注高压液体，形成人工裂缝；通过液压稳压源向扁千斤提供液压，模拟提供地应力，压裂液通过钢丝网管的孔隙进入岩样，混有热致型形状记忆高分子材料的支撑剂注入到岩样中。
上述方案中岩样的第一界面处划分四部分，每部分均放置应变片。
上述方案中岩样具有非均质性，根据弹性模量的不同，岩样分成多层。
上述方案中岩样具有4层。
上述方案中大尺寸真三轴模拟实验架模拟地层条件，地层三向主应力互不相等，且不同层位水平地应力的大小也不同。
上述方案中通过混合热致型形状记忆高分子材料的支撑剂支撑压裂后裂缝，利用形状记忆材料的性质，通过纳米压痕仪测量其原始应力应变情况、实时应力应变情况进行对比，得出裂缝延伸情况，且根据岩石的弹性模量不同，进行分层测量。
上述利用致密气藏压裂套管-水泥环一体化模拟装置进行评价的方法：
步骤一：岩样为立方体，尺寸为50×50×50cm，模拟套管高度为420mm；大尺寸真三轴模拟实验架采用扁千斤向岩样的侧面和顶面施加刚性载荷，在其中的一个水平方向采用三对扁千斤分别模拟产层和上、下隔层的地应力，地层三向主应力互不相等，而且不同层位水平地应力的大小也不同，由MTS液压源向扁千斤提供液压，利用真三轴加载方式人为的控制裂缝延伸方向，采用MTS伺服增压器向模拟套管注高压液体；
步骤二：应变片受到压力发生应变，通过引线将应变片接入惠斯登电桥，将应变片阻值的变化测量出来，将输出的电阻值转换成一个电压信号，传输到数字示波器，数字示波器显示屏上出现被测信号电压的瞬时值的变化曲线，利用数字示波器能观察信号幅度随时间变化的波形曲线，数字示波器上的数值实时传回到计算机中，实时监控模拟套管变形，一旦数值超过模拟套管受压变形时对应的最大电阻值时，计算机警报，则此时判断模拟套管损坏；
步骤三：由于岩样具有非均质性，根据弹性模量的不同，将岩样分成4层，分别标记为E1、E2、E3、E4，携砂液首先注入E1层中，携砂液将混合热致型形状记忆高分子材料的支撑剂带入压裂裂缝预定位置充填裂缝，形成具有足够长度、一定宽度和高度的不再闭合的裂缝；在压裂稳定之后，将热致型形状记忆材料从支撑剂中取出，然后根据纳米压痕仪的工作原理，在线圈导线中导入电流施加驱动荷载，通过计量线圈中电流测量原始的激励荷载，再从纳米压痕仪系统的力学响应中反演，确定压入岩样的荷载和深度，确定应力应变；
建立等效力学模型，计算得出等效刚度：
K＝(S-1+Kf -1)-1+KS ①
根据式①所得出的等效刚度，推导出试样的接触刚度为：
由式②得到压入荷载为:F(t)＝Fe(t)-KsZ③
其中经过直接测量的参数K是电磁驱动荷载F和压头位置h的函数：
K＝Fe(t)/Z ④
得到压入深度函数为:
式中：υt-热漂移速率/nm/s；Δt-表示测试时长/s；S为压头接触岩样时的接触刚度，Ks为柔性支撑部分整体的等效垂直刚度，Kf为刚性支撑部件整体的等效刚度；
热漂移速率是表示因为温度波动所引起的压头和压杆部分膨胀和收缩的速率，在测试过程中，只有保证接触点可靠以及局部环境稳定，才能获得准确的压入深度，最终使其应变程度达到记录的值时，此时对应的应力值就是E1层；同理，依次监测出E2、E3、E4的应力应变情况，从而绘出应力应变曲线；而压裂后裂缝的延伸的位置，其应力应变与无裂缝位置的数值有差异，通过计算机绘制压裂后裂缝延伸位置图，分析裂缝延伸规律；
步骤四、超声波发射器在压裂开始时启动，发出信号，信号首先穿过岩样，接着穿过水泥环，被位于水泥环上表面的超声波接收器接收到，超声波接收器将接收到的电脉冲信号进行放大，并将超声波波形显示在超声波接收器的显示屏上，计算机对声波信号进行数据处理，并通过计算机程序实时监测数值，若水泥环出现损害，则超声波信号接收器接收的信号频率、波形与完好情况下接收的产生差异，此时计算机报警，实时监测水泥环状况；
步骤五：待压裂结束后，拆卸大尺寸真三轴模拟实验架，取出岩样；在岩样右侧高度为400mm处进行打孔，向岩样内部方向直线距离打孔215.06mm，然后向岩样底部方向直线打孔20mm，到达第一界面位置；同理，在岩样左侧打孔，到达第一界面，在岩样右侧放一个工作泵并配上一个压力计来测流体压力，在岩样左侧放置压力调节器用来绘制压力变化曲线；工作泵开始工作，向孔眼注入高压流体并用压力计实时测量流体注入压力；流体到达第一界面处，沿着界面向岩样左侧的压力调节器流去；压力调节器接收流体，根据流体所受压力实时绘制压力变化曲线图；若第一界面的密封性较差，流体的流进压力与流出压力数值接近；若密封性较好，则流体的流进压力与流出压力数值差异较大，说明流体难以穿过第一界面。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用人工致密岩石，切割成立方体岩心，对岩心钻孔后下入模拟套管、注入水泥，建立致密岩石套管完井模型；通过在套管内侧、第一界面设置应变片，能够实现监控套管变形情况。
2、本发明利用室内压裂模拟装置，分析人造致密岩心压裂后裂缝延伸规律。
3、本发明通过超声波实时检测，分析致密气藏压裂过程中套管外水泥环完整情况。
4、本发明能够通过渗透实验，对第一界面的密封性进行综合评价。
附图说明：
图1是本发明整体组成图。
图2是套管-水泥环-岩石组合体示意图。
图3是本发明局部结构图。
图4是模拟地层压裂形成的裂缝形态图。
图5是渗透实验图。
图6是等效力学模型。
图中：1-大尺寸真三轴实验架；2-套管；3-水泥环；4-应变片；5-岩样；6-MTS伺服增压器；7-MTS液压源；8-MTS控制器；9-数字示波器；10-超声波发射器；11-超声波接收器；12-计算机；22-混有热致感应型形状记忆材料的支撑剂；23-裂缝；25-引线；50-压力调节器；51-工作泵；52-第一界面；53-压力计。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
结合图1-图3所示，这种致密气藏压裂套管-水泥环一体化模拟装置包括大尺寸真三轴实验架1、MTS伺服增压泵6、混有热致感应型形状记忆材料的支撑剂22、应变片式压力传感器、惠斯登电桥、数字示波器9、超声波发射器10、超声波接收器11、纳米压痕仪、超声波探伤仪，大尺寸真三轴实验架1中固定放置岩样5，岩样5中心位置放置模拟套管，模拟套管由水泥环3内设置套管2构成，模拟套管外侧均匀布置应变片4，超声波发射器10置于岩样5底部，超声波接收器11置于水泥环3上表面，超声波接收器11与计算机12连接；通过引线25将应变片4均接入惠斯登电桥，并与数字示波器9相连；MTS伺服增压泵6向模拟套管注高压液体，形成人工裂缝；通过液压稳压源(MTS液压源7)向扁千斤提供液压，模拟提供地应力，压裂液通过钢丝网管的孔隙进入岩样，混有热致感应型形状记忆材料的支撑剂22注入到岩样5中。MTS控制器8连接计算机12。
本发明开始工作时就启动超声波发射器10与超声波接收器11同时开始运作，形成一个完整的信号回路，并将超声波接收器11与计算机12连接，进行数据分析处理。
本发明利用人工致密岩石，切割成立方体岩心，对岩心钻孔后下入模拟套管、注入水泥，建立致密岩石套管完井模型；通过在套管内侧、第一界面52设置应变片4，能够实现监控套管变形情况；利用室内压裂模拟装置，分析人造致密岩心压裂后裂缝延伸规律；通过超声波实时检测，分析致密气藏压裂过程中套管外水泥环完整情况；能够通过渗透实验，对第一界面的密封性进行综合评价。
岩样5通过专用模具切割成立方体，岩样5用大尺寸真三轴实验架1进行固定。通过混有热致感应型形状记忆材料的支撑剂22支撑压裂后裂缝，利用形状记忆材料的性质，通过纳米压痕仪测量其原始应力应变情况、实时应力应变情况进行对比，从而得出裂缝延伸情况，且根据岩石的弹性模量不同，进行分层测量。在第一界面52处划分四部分均匀放置应变片4。
结合图1-图6所示，利用上述致密气藏压裂套管-水泥环一体化模拟装置进行评价的方法：
步骤一：开始工作时，采用专用模具来制作岩样5，将岩样5切割成立方体，尺寸为50×50×50cm，接着用工具对岩样5的岩心进行打孔(井筒尺寸为：半径为53.97mm、高度为450mm)，从而模拟实际工程的钻孔工作；然后下入厚度为4.58mm的钢质模拟套管(外半径为34.92mm、内半径为30.34mm、高度为420mm)；在套管2内侧以及第一界面均匀的放置应变片4，从套管2注入水泥浆，并从套管2底部上返，从环空返至岩样5顶部，形成厚度为19.05mm的水泥环3(外半径为53.97mm、内半径为34.92mm)；再从套管2中下入直径较小的工具，钻穿水泥塞，与岩样5建立连接通道；接着将超声波发射器10置于岩样5底部(具体位置为：离岩样中心距离为34.92～53.97mm的范围内)、超声波接收器11置于水泥环3上表面；实验架采用扁千斤向试样的侧面和顶面施加刚性载荷，在其中的一个水平方向采用三对扁千斤分别模拟产层和上、下隔层的地应力即地层三向主应力互不相等，而且不同层位水平地应力的大小也不同。由多通道MTS液压源7向扁千斤提供液压，各通道的压力大小可分别控制(每个通道的最大供液压力可达60MPa)，利用真三轴加载方式人为的控制裂缝延伸方向，使实验试件尽可能地接近实际岩层的受力状况。装置采用MTS伺服增压器6向模拟套管注高压液体，MTS伺服增压器6具有程序控制器，既可以恒定的排量泵注液体，也可发预先设定的泵注程序进行。
步骤二：基于电阻应变效应原理工作，采用应变片式传感器将应变片所受到的压力数值转换成电压的变化；应变片4受到压力发生应变，其阻值也发生变化；通过引线将应变片接入惠斯登电桥，从而将应变片4阻值的变化测量出来；接着接入桥式电路，通过该测量电路将输出的电阻值转换成一个电压信号。最后将应变片式压力传感器接入数字示波器9，从而示波器显示屏上出现被测信号电压的瞬时值的变化曲线；利用示波器能观察信号幅度随时间变化的波形曲线，最后将示波器上的数值实时传回到计算机12中，通过计算机的程序设定：一旦数值超过模拟套管受压变形时对应的最大电阻值时计算机就会出现警报，则此时可以判断套管2已经损坏，从而达到实时监控套管2变形的目的。
步骤三：由于岩样具有非均质性，可根据弹性模量的不同，可将岩样5分成4层，分别标记为E1、E2、E3、E4，混有热致感应型形状记忆材料的支撑剂22，其携砂液首先注入E1层中，携砂液将支撑剂带入压裂裂缝预定位置充填裂缝，可在地层中形成具有足够长度、一定宽度和高度的不再闭合的裂缝23。在压裂稳定之后，将热致感应型形状记忆材料从支撑剂中取出，然后根据纳米压痕仪的工作原理即在线圈导线中导入电流施加驱动荷载，通过计量线圈中电流测量原始的激励荷载，再从纳米压痕仪系统的力学响应中反演，确定压入试样的荷载和深度，确定应力应变。具体方法：首先通过纳米压痕仪来确定材料的原始应变和受到外力之后的应变，并以数据的形式记录下来，而热致型形状记忆高分子材料是指由于温度改变而发生形状记忆和恢复过程的形状记忆材料，所以可以接着利用热致型形状记忆高分子材料的特殊性质即在一定范围内受热会恢复到初始状态。在SMP结构中存在两种相,分别是记忆起始形状的固定相和随温度变化能可逆固化和软化的可逆相。当热致型形状记忆高分子处于形变温度T转换以下时,高分子链段被解冻,固定相和可逆相也均处于冻结状态,此时高分子聚合物处于玻璃态；当温度高于T转换时,链段开始运动,高分子聚合物对应处于高弹态,材料的链段则被解冻且其运动逐渐恢复,在固定相的作用下,材料形状也恢复到初始形态。此时将恢复到原始状态的记忆材料放入纳米压痕仪中，进行压痕测试。
建立等效力学模型见图6；
其中Mass表示压头、压杆等全部压入部分的等效惯性质量，S为压头接触试样时的接触刚度，Ks为柔性支撑部分整体的等效垂直刚度，Kf为刚性支撑部件整体的等效刚度，C为加载系统的整体阻尼，因为每次试验测试时间很长，所以可以将试验整体看作为准静态加载，即阻尼C可以忽略不计。
等效刚度可基于上述力学模型直接计算得出：
K＝(S-1+Kf -1)-1+KS ①
根据式①所得出的等效刚度，推导出试样的接触刚度为：
由式②可知压入荷载为:F(t)＝Fe(t)-KsZ ③
其中经过直接测量的参数K是电磁驱动荷载F和压头位置h的函数：
K＝Fe(t)/Z ④
得到压入深度函数为:
式中：υt-热漂移速率/nm/s；
Δt-表示测试时长/s。
热漂移速率是表示因为温度波动所引起的压头和压杆部分膨胀和收缩的速率，在测试过程中，只有保证接触点可靠以及局部环境稳定，才能获得准确的压入深度，最终使其应变程度达到记录的值时，此时对应的应力值就是E1层。同理，可依次监测出E2、E3、E4的应力应变情况，从而绘出应力应变曲线；而压裂后裂缝的延伸的位置，其应力应变与无裂缝23位置的数值有较大差异，从而通过计算机绘制压裂后裂缝23延伸位置图，从而分析其延伸规律。
步骤四：位于岩样5底部的超声波发射器10在压裂开始时启动，发出信号，信号首先穿过岩样，接着穿过水泥环3，被位于水泥环上表面的超声波接收器11接收到，接收器将接收到的电脉冲信号进行放大，并将超声波波形显示在接收器的显示屏上，接收机与计算机12连接，则可对声波信号进行数据处理，并通过计算机程序实时监测数值，若水泥环3出现损害，则超声波信号接收器11接收的信号频率、波形等数值就会与完好情况下接收的产生差异，此时通过计算机设置的报警程序，开始报警。信号传输不间断，贯穿整个压裂过程，从而达到实时监测水泥环3状况的目的。
步骤五：待压裂结束后，取走附加设备，保留岩样5；在岩样右侧高度为400mm处进行打孔：打孔轨迹为往岩样内部方向直线距离打孔215.06mm，然后往底部方向直线打孔20mm，到达第一界面52位置；同理，在岩样5左侧沿相同轨迹打孔，到达第一界面52。参阅图5，在右侧放一个工作泵51并配上一个压力计53来测流体压力，在左侧放置压力调节器50用来绘制压力变化曲线；工作泵51开始工作，向孔眼注入高压流体并用压力计53来实时测量流体注入压力；流体到达第一界面52处，沿着界面往岩样左侧的压力调节器50流去；压力调节器接收流体，根据流体所受压力实时绘制压力变化曲线图。若第一界面的密封性较差，流体的流进压力与流出压力数值接近；而密封性较好，则数值差异较大，说明流体难以轻松穿过第一界面。
本发明可以通过建立致密岩石套管完井模型、设置应变片、利用室内压裂模拟装置、通过超声波实时检测以及渗透实验来实现监控套管变形情况、致密岩心压裂后裂缝延伸规律、套管外水泥环完整情况以及对第一界面的密封性进行综合评价。本发明创新点：
1)现有技术监测套管变形并没有利用机械与自动化方面的技术，而本发明利用应变片式传感器，将套管受到的压力转换为电阻值的变化，通过测量电路将其转换成毫伏级电势输出，与数字示波器相连，在其屏幕上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线，从而实时监测套管受力情况；接着通过计算机方面的专业技术，将数据传输到计算机中，若出现数据异常，则计算机开始警报；若是不通过计算机程序进行实时监控，而采取人工监测数字示波器上信号变化曲线，由于人工监测存在读取结果不准确的情况，而人工监测也需要成本，而通过计算机来监测就不会存在这些问题。
2)其次，对于压裂之后产生的裂缝扩展的监测也是一个创新点。现有技术对于裂缝监测往往采用①室外试验：微地震裂缝监测法，这个方法的有诸多弊端。一方面通过这个微地震监测得到的测量结果与实际现场情况有较大误差，裂缝的扩展方位、距离以及缝宽等都不是太正确，即对裂缝形态的监测与实际存在误差。另一方面经济成本较高，所以此技术也不宜推广使用。②室内实验：前人也会采用RFPA(Rock Fracturing ProcessAnalysis)软件数据计算在不同压裂参数情况下裂缝起裂压力和扩展情况，通过声发射图来较为直观描述裂缝形态变化。但这种方法测量测量的结果仍然不是很准确的。③以往也会采用在压裂液中混入染料，待压裂完毕后，将套管取出，用铁锤沿压裂裂缝将水泥块剖开，从而观察裂缝的形态。但这种方法最大的弊端就是不可以实时监测裂缝形态扩展情况，且模拟装置只能使用一次，不能重复使用，造成了浪费，导致经济成本变高。而本发明都巧妙的解决了这些问题，首先热致型形状记忆高分子材料加入支撑剂中，利用其记忆特性将其受压变形时的应力应变测出，在将其恢复到原始状态，记录此时的应力应变，这是第一次将记忆材料运用到压裂中；接着测量应力应变也是一个重大创新，首次引进了一个新设备：纳米压痕仪，在压裂稳定之后，将热致感应型形状记忆材料从支撑剂中取出，然后根据纳米压痕仪的工作原理即在线圈导线中导入电流施加驱动荷载，通过计量线圈中电流测量原始的激励荷载，再从纳米压痕仪系统的力学响应中反演，确定压入试样的荷载和深度，确定应力应变，此仪器测量结果与实际基本上准确无误，通过测量的应力应变情况，从而转换成裂缝形态的变化。
3)本发明对于水泥环的监测，是用超声波发射器、超声波接收器二者形成一个信号传输的闭环，一旦水泥环完整性出现问题，则接受到的信号频率就会有变化，即信号缺失。现有技术对于水泥环的完整性监测并没有过多研究，更多的是从水泥环失效形式、影响因素来研究水泥环完整性，实时监测水泥环有无损坏，更多的是从整个井筒角度来看，即运用微地震的方式对套管、水泥环整个进行监测，但这样做效果并不是太明显，在实际油田开发中并没有提升太高经济收益。超声波是一个高频率,短波信号，使用超声波监测，优点在于：①超声波定向好；②快速、准确的声参量自动判读。实时动态波形显示，保证了检测的效率；③超声波仪器可用在喧闹环境；④信号接收能力强；⑤超声波仪器容易使用。
Claims (3)
1.一种致密气藏压裂套管-水泥环一体化模拟装置，其特征在于：这种致密气藏压裂套管-水泥环一体化模拟装置包括大尺寸真三轴模拟实验架、MTS伺服增压泵、混有热致型形状记忆高分子材料的支撑剂、应变片式压力传感器、惠斯登电桥、数字示波器、超声波发射器、超声波接收器、纳米压痕仪，大尺寸真三轴模拟实验架中固定放置岩样，岩样中心位置放置模拟套管，模拟套管由水泥环内设置套管构成，模拟套管外侧均匀布置应变片，超声波发射器置于岩样底部，超声波接收器置于水泥环上表面，超声波接收器与计算机连接；通过引线将应变片均接入惠斯登电桥，并与数字示波器相连；MTS伺服增压泵向模拟套管注高压液体，形成人工裂缝；通过液压稳压源向扁千斤提供液压，模拟提供地应力，压裂液通过钢丝网管的孔隙进入岩样，混有热致型形状记忆高分子材料的支撑剂注入到岩样中；
利用所述的致密气藏压裂套管-水泥环一体化模拟装置进行评价的方法，包括如下步骤：
步骤一：岩样为立方体，尺寸为50cm×50cm×50cm，模拟套管高度为420mm；大尺寸真三轴模拟实验架采用扁千斤向岩样的侧面和顶面施加刚性载荷，在其中的一个水平方向采用三对扁千斤分别模拟产层和上、下隔层的地应力，地层三向主应力互不相等，而且不同层位水平地应力的大小也不同，由MTS液压源向扁千斤提供液压，利用真三轴加载方式人为地控制裂缝延伸方向，采用MTS伺服增压器向模拟套管注高压液体；
步骤二：应变片受到压力发生应变，通过引线将应变片接入惠斯登电桥，将应变片阻值的变化测量出来，将输出的电阻值转换成一个电压信号，传输到数字示波器，数字示波器显示屏上出现被测信号电压的瞬时值的变化曲线，利用数字示波器能观察信号幅度随时间变化的波形曲线，数字示波器上的数值实时传回到计算机中，实时监控模拟套管变形，一旦数值超过模拟套管受压变形时对应的最大电阻值时，计算机警报，则此时判断模拟套管损坏；
步骤三：由于岩样具有非均质性，根据弹性模量的不同，将岩样分成4层，分别标记为E1、E2、E3、E4，携砂液首先注入E1层中，携砂液将混有热致型形状记忆高分子材料的支撑剂带入压裂裂缝预定位置充填裂缝，形成具有足够长度、一定宽度和高度的不再闭合的裂缝；在压裂稳定之后，将热致型形状记忆高分子材料从支撑剂中取出，然后根据纳米压痕仪的工作原理，在线圈导线中导入电流施加驱动荷载，通过计量线圈中电流测量原始的激励荷载，再从纳米压痕仪系统的力学响应中反演，确定压入岩样的荷载和深度，确定应力应变；
建立等效力学模型，计算得出等效刚度：
K＝(S-1+Kf -1)-1+KS ①
根据式①所得出的等效刚度，推导出试样的接触刚度为：
由式②得到压入荷载为:F(t)＝Fe(t)-KsZ③
其中经过直接测量的参数K是电磁驱动荷载F和压头位置h的函数：
K＝Fe(t)/Z ④
得到压入深度函数为:
式中：υt-热漂移速率/nm/s；Δt-表示测试时长/s；S为压头接触岩样时的接触刚度，Ks为柔性支撑部分整体的等效垂直刚度，Kf为刚性支撑部件整体的等效刚度；
热漂移速率是表示因为温度波动所引起的压头和压杆部分膨胀和收缩的速率，在测试过程中，只有保证接触点可靠以及局部环境稳定，才能获得准确的压入深度，最终使其应变程度达到记录的值时，此时对应的应力值就是E1层；同理，依次监测出E2、E3、E4的应力应变情况，从而绘出应力应变曲线；而压裂后裂缝的延伸的位置，其应力应变与无裂缝位置的数值有差异，通过计算机绘制压裂后裂缝延伸位置图，分析裂缝延伸规律；
步骤四、超声波发射器在压裂开始时启动，发出信号，信号首先穿过岩样，接着穿过水泥环，被位于水泥环上表面的超声波接收器接收到，超声波接收器将接收到的电脉冲信号进行放大，并将超声波波形显示在超声波接收器的显示屏上，计算机对声波信号进行数据处理，并通过计算机程序实时监测数值，若水泥环出现损害，则超声波信号接收器接收的信号频率、波形与完好情况下接收的产生差异，此时计算机报警，实时监测水泥环状况；
步骤五：待压裂结束后，拆卸大尺寸真三轴模拟实验架，取出岩样；在岩样右侧高度为400mm处进行打孔，向岩样内部方向直线距离打孔215.06mm，然后向岩样底部方向直线打孔20mm，到达第一界面位置；同理，在岩样左侧打孔，到达第一界面，在岩样右侧放一个工作泵并配上一个压力计来测流体压力，在岩样左侧放置压力调节器用来绘制压力变化曲线；工作泵开始工作，向孔眼注入高压流体并用压力计实时测量流体注入压力；流体到达第一界面处，沿着界面向岩样左侧的压力调节器流去；压力调节器接收流体，根据流体所受压力实时绘制压力变化曲线图；若第一界面的密封性较差，流体的流进压力与流出压力数值接近；若密封性较好，则流体的流进压力与流出压力数值差异较大，说明流体难以穿过第一界面。
2.根据权利要求1所述的致密气藏压裂套管-水泥环一体化模拟装置，其特征在于：所述的岩样的第一界面处划分四部分，每部分均放置应变片。
3.根据权利要求2所述的致密气藏压裂套管-水泥环一体化模拟装置，其特征在于：所述混有热致型形状记忆高分子材料的支撑剂支撑压裂后裂缝，利用热致型形状记忆高分子材料的性质，通过纳米压痕仪测量其原始应力应变情况、实时应力应变情况进行对比，得出裂缝延伸情况，且根据岩石的弹性模量不同，进行分层测量。
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