用于室内固井质量评价的声波测定仪装置及声波测定方法与流程

本发明涉及固井质量一、二界面胶结质量评价的测定仪器及方法，可以在室内测量套管与水泥、水泥与井壁之间的胶结质量状况。属于油气井固井领域。

背景技术：

油田固井是一项重要的基础工作，它关系到油井后期工作状况以及安全性能，目前国内大多油田上固井质量检测主要是采用声波水泥胶结测井方法，众所周知，声波在不同的介质中传播，它的声学特性会不同，声波测井技术正是利用了岩石的这些不同声学特性，从而来判断固井质量。在声波水泥胶结测井方法里，其中就包括声幅变密度测井(cbl/vdl)，现场的声幅变密度测井仪包括电子线路和声系两大部分，其中声系包括一个发射器和两个接收器，源距分别为3英尺和5英尺。尽管现在现场的声幅变密度测井仪器已经比较完善，但是随着在室内开展模拟固井质量评价实验具有越来越重要的意义，因此，设计一套用于室内固井质量评价的声波测定仪很有必要。

当前能用于室内固井质量评价的声波测定仪十分缺乏，李玉霞发明了一种室内频散分析校正声波测井仪器的装置及方法(李玉霞,黄飞,路涛,李剑,于国华,张晗,李亚敏,李文博.一种室内频散分析校正声波测井仪器的装置及方法[p].cn109782369a,2019-05-21)，但是该装置是当测井数据到解释中心处理时，直接对数据进行校正的一个发明，并不能进行室内模拟水泥环固井胶结质量评价的实验研究。王槐仁提供了一种带油压方式的一发双收测井换能器(王槐仁.带油压方式的一发双收测井换能器[p].cn204583643u,2015-08-26.)，该装置解决了传统一发双收换能器200米以上深孔无法检测的缺陷问题，但是并不能在室内用于模拟测井实验。中国专利cn202731903u公开了一种声波仪一发双收测井换能器，但是该仪器只包含两个接收器，因此可能使得接收到的数据质量不能更好的符合实际的固井情况。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于室内模拟固井质量评价的声波测定仪装置及使用方法。该装置可在室内用于评价不同密度水泥环固井模拟实验的胶结质量，这对实际应用中指导固井质量评价具有重要的参考意义。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种声波测定仪装置，用于室内固井质量评价，包括：一发多收换能器，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；圆形的套管，所述一发多收换能器安装在套管内，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，其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。

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。

可选的，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，所述还包括用于连接加温装置的温度控制仪和用于连接加压装置的压力测量仪。

可选的，还包括数据处理系统。

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/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。

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，afp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。

本发明采用一发多收换能器可以使环向上的声波测井结果更为精确，同时还能根据4个接受器得到的首波幅度判断环向上不同扇区的固井质量，使固井质量评价结果更为准确。

本发明的有益效果：

(1)利用本发明的装置可以进行室内评价不同密度水泥环固井模拟实验的胶结质量研究；

(2)利用本发明采用的一个发射器和八个接收器的设计，可以对同一个深度采集更多的数据，可以提高实验数据质量，并使得测量结果更为准确；

(3)利用本发明的装置可以自动消除系统误差；

(4)利用本发明的装置可以对学校实验室内模拟固井质量评价的测试研究具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明一种用于室内固井质量评价的声波测定仪装置的结构示意图；

附图标记：1-套管；2-探杆；3-发射探头；4-第一接收探头；5-第二接收探头；6-发射器电缆；7-接收器电缆；8-超声波测定仪；9-温度控制仪；10-压力测量仪；11-加热开关；12-第一电源开关；13-接收器电缆插孔；14-发射器电缆插孔；15-第二电源开关；16-计算机。

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，一种用于室内固井质量评价的声波测定仪装置，由一发多收换能器(由探杆2、发射探头3、第一接收探头4和第二接收探头5组成)、电缆(一根发射器电缆6和八根接收器电缆7)、超声波测定仪9及配套的隔空固井模型组成。

所述一发多收换能器是由探杆2、一个发射探头3、第一接收探头4、第二接收探头5组成，所述发射探头3是一个发射器，其中的发射振子由环形振荡器可以向四周发射超声波，所述第一接收探头4和第二接收探头5有两个接收通道，分别为第一接收通道和第二接收通道，第一接收通道设有四个接收器，第二接收通道设有四个接收器，所述第一、二接收通道中的四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；由于现场使用的声幅变密度一发双收测井仪器的源距分别为3英尺(0.9144米)和5英尺(1.524米)，根据源距缩小4.618倍的比例，设计所述一发多收换能器的源距分别为198mm和330mm，即第一接收探头4与发射探头3之间的距离设为198mm，第二接收探头5与发射探头3之间的距离设为330mm，两个接收通道的间距为132mm；所述一发多收换能器(由探杆2、发射探头3、第一接收探头4和第二接收探头5组成)可以耐受30个mpa的围压和150℃以下的高温；

所述的电缆包括一根发射器电缆6和八根接收器电缆7，所述电缆通过插入声波测定仪8上相对应的发射器电缆插孔14和接收器电缆插孔13中来连接一发多收换能器和超声波测定仪8；

所述超声波测定仪器8分为了上、下两个系统，上部分的系统显示屏上设有第一电源开关12、第二电源开关15、加热开关11、温度控制仪9、压力测量仪10、发射器电缆插孔14、接收器电缆插孔13。所述温度控制仪9是用于控制调节模拟固井井下温度，所述压力测量仪10是用于监测调整模拟固井井下压力；所述超声波测定仪器8装置中有一个超声波发射机和接收机，超声波发射机的目的是发射超声波，接收机的目的将接收到的超声振动信号转换为电信号，并通过所述电缆将信号传送至声波仪采集接收；所述下部分的系统内设有一台计算机16，所述计算机16中安装了一版操作测试软件并设有数据库管理系统；换能器在套管1中测得的信息通过转化处理后，可在计算机16中的测试软件里显示；

所述隔空固井模型由井筒和套管组成，所述井筒与套管之间形成环空腔，在环空腔内可注入不同密度的水泥浆；所述套管1内径略大于所述一发多收换能器的外径，使得所述一发多收换能器与所述套管1形成同轴同孔，从而保证了仪器居中的问题，消除了测试系统的误差，一发多收换能器在套管1中能读取清晰的声波波形。

所述一发多收换能器是一种压电陶瓷换能器，整个换能器长度小于600mm，直径略小于55mm，可以在所述内径为55mm的套管中读取清晰的声波波形。

所述电缆是将一发多收换能器在所述套管中测得的电信号传送到所述超声波测定仪中。

所述超声波发射机的发射脉冲电压500v～1000v连续可调，脉冲宽度0.5us～5us连续可调。

所述多点双道宽带高频接收机的工作频率为10khz～1mhz，其精密电子衰减器的总增益为80db，调节范围1-80db，步级为1db。

所述操作测试软件具有测试精度高、智能化程度高、功能强大的特点。

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：

利用上述声波测定仪装置进行室内固井质量评价实验的方法：

固井质量评价实验：首先将一发多收换能器从套管1底部按发射探头3在上第一接收探头4和第二接收探头5在下的顺序放入套管1中。然后把发射器电缆6和接收换能器电缆7插头分别对应插入发射器电缆插孔14和接收器电缆插孔13中，开启第一电源开关12、加热开关11，第二电源开关5，然后在温度控制仪9上调整好实验温度，启动计算机16，打开操作测试软件，在操作测试软件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，并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，然后勾选0°、90°、180°、270°四个接收角度，并勾选双通道和连续采集功能，在工程创建功能中，新建一个工程名称，调整好自动检测参数，点击开启自动按钮，则声波测定仪器8开始自动采集数据，当实验结束后，将一发双收换能器从套管1中缓慢地取出，然后根据超声波测定仪8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/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。

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。