高温高压测井室内模拟装置及其试验方法与流程

本发明涉及测井技术领域，尤其涉及一种高温高压测井室内模拟装置及其试验方法。

背景技术

油井固井的主要目的是封隔油、气、水层，保护生产层以及加固井壁。固井后套管-水泥环-地层形成的胶结体，作为固井屏障保障油井井筒完整性。但是在实际生产过程中，固井屏障在长期的工作状态下温度不断变化，同时受到各种载荷作用，部分井会出现水泥环密封失效造成井口环空带压，地层层间流体互窜等问题，导致固井屏障失效，严重影响油井的使用寿命，甚至引发重大事故发生。因此，对于井筒完整性的研究，有利于我们发现固井质量存在的问题并进行改进，而现有的室内研究集中在井下温度、压力与抗窜强度影响，或者是通过流体流量检测井筒完整性，虽然也实现了高温高压环境测试，实际上是作为一种验窜装置，通常只能判断胶结质量好坏、界面是否存在间隙，并不能准确判断界面产生间隙所在位置，同时也不能分辨界面间隙所含油、气、水等介质的具体情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种高温高压测井室内模拟装置及其试验方法，解决现有技术中只能判断胶结质量好坏、界面是否存在间隙，并不能准确判断界面产生间隙所在位置，同时也不能分辨界面间隙所含油、气、水等介质的技术问题。

为了达到上述技术目的，本发明实施例提供了一种高温高压测井室内模拟装置及其试验方法，该高温高压测井室内模拟装置包括：

试验釜，其包括釜体、密封釜盖以及模型构件，釜体上端开口，与密封釜盖可拆卸连接，形成一测量腔，模型构件内置于测量腔内，下端与釜体下底面密闭连接，模型构件包括套管以及套接于套管外的模拟地层，模拟地层与套管之间形成一水泥腔，水泥腔包括四个子腔体，第一子腔体、第二子腔体、第三子腔体以及第四子腔体依次连接围绕套管形成一环形，至少一个子腔体内填充有水泥；

测量探头，其包括探杆、多个直探头以及多个斜探头，探杆一端穿过密封釜盖，插入到套管内，直探头以及斜探头与探杆侧壁连接，布置于套管内；

加热器，其与釜体外壁抵接；

加压装置，其包括压力机以及加压管，加压管一端连通压力机，另一端连通测量腔。

该高温高压测井室内模拟装置的试验方法，包括以下步骤：

s1、制作第一模型构件，其第一子腔体以及第三子腔体内填充水泥，并与套管以及模拟地层完全胶结，将第一模型构件下端与试验釜下底面密闭连接，常温常压养护侯凝48h；

s2、在套管内以及第一模型构件与釜体之间注水，第二子腔体内注水，第四子腔体内注油，然后安装密封釜盖以及测量探头，控制加热器以及压力机，使得测量腔内升温至140～160℃，压力45～55mpa，待温度压力升至目标值后，测量探头发出声波信号并接收反射回的声波信号，并将反射回来的声波信号依次传输给数据采集器、声波处理器以及声波显示器，获得第一模型构件水介质以及油介质的声幅曲线图；

s3、将第二子腔体内的水抽出，然后安装密封釜盖以及测量探头，按照s2方法获得第一模型构件的气介质的声幅曲线图；

s4、制作第二模型构件，其第一子腔体、第二子腔体以及第三子腔体内填充水泥，第一子腔体内水泥与套管以及模拟地层完全胶结，第二子腔体内水泥与套管设置第一间隙，与模拟地层完全胶结，第三腔体内水泥与套管设置第二间隙，与模拟地层完全胶结，将第二模型构件下端与试验釜下底面密闭连接，常温常压养护侯凝48h，第一间隙小于第二间隙；

s5、在套管内以及第二模型构件与釜体之间注水，在第四子腔体内注水，按照s2方法获得第二模型构件的水介质的声幅曲线图，然后将第四子腔体内水抽出，按照s2方法获得第二模型构件的气介质的声幅曲线图，再在第四子腔体内注油，按照s2方法获得第二模型构件的油介质的声幅曲线图；

s6、制作第三模型构件，其第一子腔体、第二子腔体以及第三子腔体内填充水泥，第一子腔体内水泥与套管以及模拟地层完全胶结，第二子腔体内水泥与模拟地层设置第一间隙，与套管完全胶结，第三腔体内水泥与模拟地层设置第二间隙，与套管完全胶结，将第二模型构件下端与试验釜下底面密闭连接，常温常压养护侯凝48h；

s7、在套管内以及第三模型构件与釜体之间注水，在第四子腔体内注水，按照s2方法获得第三模型构件的水介质的声幅曲线图，然后将第四子腔体内水抽出，按照s2方法获得第三模型构件的气介质的声幅曲线图，再在第四子腔体内注油，按照s2方法获得第三模型构件的油介质的声幅曲线图。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的高温高压测井室内模拟装置及其试验方法能够模拟水泥环完全胶结、一界面出现间隙、二界面出现间隙以及自由套管四种情况，并且通过在子腔体以及间隙内填充水、油或者不填充介质，来模拟自由套管内充满水、油或者气介质这三种情况，通过这些模拟获得不同情况下的声幅曲线图，并和实际测井过程中获得的声幅曲线图比对，来了解固井的胶结情况。

附图说明

图1是本发明提供的高温高压测井室内模拟装置的连接框图；

图2是图1中试验釜的剖视图；

图3是图2中模型构件的俯视图；

图4是该高温高压测井室内模拟装置的试验方法的流程框图；

图5是不同环空间隙与固井胶结质量的声幅曲线图；

图6是图4中第一模型构件的水、气、油介质的声幅曲线图；

图7是图4中第二模型构件的水、气、油介质的声幅曲线图；

图8是图4中第三模型构件的水、气、油介质的声幅曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参见图1至图3，图1是本发明提供的高温高压测井室内模拟装置的连接框图；图2是图1中试验釜的剖视图；图3是图2中模型构件的俯视图。

高温高压测井室内模拟装置包括试验釜1、测量探头2、加热器3、加压装置4、声波转化开关5、数据采集器6、声波处理器7、声波显示器8、温度计31以及压力计41。

试验釜1包括釜体11、密封釜盖12、模型构件13以及旋转刻度盘14。釜体11上端开口，该开口与密封釜盖12可拆卸连接，形成一测量腔。釜体11与密封釜盖12之间设置有密封胶圈，来保证测量腔的密封性。密封釜盖12上开设有一安装孔，旋转刻度盘14内嵌于安装孔内。模型构件13内置于测量腔内，下端与釜体11下底面密闭连接，模型构件13包括套管131、套接于套管131外的模拟地层133，模拟地层133与套管131之间形成一水泥腔132。水泥腔132包括四个子腔体，四个子腔体均为90°扇形结构。第一子腔体1321、第二子腔体1322、第三子腔体1323以及第四子腔体1324依次连接围绕套管131形成环形的水泥腔132，至少一个子腔体内填充有水泥。

测量探头2包括探杆21、多个直探头22以及多个斜探头23。探杆21一端插入到套管131内，另一端与旋转刻度盘14连接，旋转刻度盘14可以带动测量探头2旋转，用于不同方向的测量。直探头22以及斜探头23与探杆21侧壁连接，也布置于套管131内。直探头22和斜探头23都可以独立的进行发射和接收，即每个探头都可以作为发射探头也可作为接收探头。直探头22可以用于单发单收、相邻发射与接收或是间隔发射与接收，该设计方式可以对地层不同高度位置进行测试。斜探头23不能单发单收，只能相邻发射与接收或是间隔发射与接收。直探头和斜探头分别测试两种不同的波形及反射情况，来判断地层胶结情况，同时测量探头2连接到旋转刻度盘14上，可以自由转动角度，即可以测试水泥构件不同方向上的界面胶结情况，根据波形采集和分析后，能够查找水泥腔132中水泥的胶结的薄弱点，以及判断出界面薄弱处所含(油、气、水)介质情况。

加热器3与釜体11外壁抵接，用于给试验釜1加热，来模拟高温条件。加热器3可以采用电加热装置、油浴加热装置、电磁加热装置等不同的加热装置。釜体11上还设置有一个连通测量腔的温度计31，用于探测测量腔内的温度，指导加热器3将测量腔内温度维持在规定范围。

加压装置4包括压力机以及加压管，加压管一端连通压力机，另一端连通测量腔。加压装置4用于给测量腔加压，来模拟高压条件。釜体11上还设置有一个连通测量腔的压力计41，用于探测测量腔内的压强，指导加压装置4将测量腔内压强维持在规定范围。

声波转化开关5、数据采集器6、声波处理器7以及声波显示器8依次连接，声波转化开关5通过旋转刻度盘14与测量探头2，测量探头2测量到的数据依次通过数据采集器6、声波处理器7、声波显示器8以及辅助计算机进行处理，得到声幅曲线图。

请参见图4，图4是该高温高压测井室内模拟装置的试验方法的流程框图。

该高温高压测井室内模拟装置的试验方法包括以下步骤：

s1、制作第一模型构件，其第一子腔体以及第三子腔体内填充水泥，并与套管以及模拟地层完全胶结，将第一模型构件下端与试验釜下底面密闭连接，常温常压养护侯凝48h。

s2、在套管内以及第一模型构件与釜体之间注水，第二子腔体内注水，第四子腔体内注油，然后安装密封釜盖以及测量探头，控制加热器以及压力机，使得测量腔内升温至140～160℃，压力45～55mpa。优选的，温度目标值为150℃，压强目标值为50mpa。待温度压力升至目标值后，测量探头发出声波信号并接收反射回的声波信号，并将反射回来的声波信号依次传输给数据采集器、声波处理器以及声波显示器，获得第一模型构件水介质以及油介质的声幅曲线图；

s3、将第二子腔体内的水抽出，然后安装密封釜盖以及测量探头，按照s2方法获得第一模型构件的气介质的声幅曲线图。

s4、制作第二模型构件，其第一子腔体、第二子腔体以及第三子腔体内填充水泥，第一子腔体内水泥与套管以及模拟地层完全胶结，第二子腔体内水泥与套管设置第一间隙，与模拟地层完全胶结，第三腔体内水泥与套管设置第二间隙，与模拟地层完全胶结，将第二模型构件下端与试验釜下底面密闭连接，常温常压养护侯凝48h，在本实施例中，第一间隙为1mm，第二间隙为3mm。

s5、在套管内以及第二模型构件与釜体之间注水，在第四子腔体内注水，按照s2方法获得第二模型构件的水介质的声幅曲线图，然后将第四子腔体内水抽出，按照s2方法获得第二模型构件的气介质的声幅曲线图，再在第四子腔体内注油，按照s2方法获得第二模型构件的油介质的声幅曲线图。

s6、制作第三模型构件，其第一子腔体、第二子腔体以及第三子腔体内填充水泥，第一子腔体内水泥与套管以及模拟地层完全胶结，第二子腔体内水泥与模拟地层设置第一间隙，与套管完全胶结，第三腔体内水泥与模拟地层设置第二间隙，与套管完全胶结，将第二模型构件下端与试验釜下底面密闭连接，常温常压养护侯凝48h。

s7、在套管内以及第三模型构件与釜体之间注水，在第四子腔体内注水，按照s2方法获得第三模型构件的水介质的声幅曲线图，然后将第四子腔体内水抽出，按照s2方法获得第三模型构件的气介质的声幅曲线图，再在第四子腔体内注油，按照s2方法获得第三模型构件的油介质的声幅曲线图。

在本实施例中，釜体11高度为1200mm，釜体11内径为600mm，外径为750mm，试验釜1设计最高温度为200℃，最高压力为70mpa。套管131外径为139.7mm，内径为127.6mm，模拟地层133直径为400mm，内径为215.9mm，高度为1100mm。模型构件13模拟出套管131、水泥环以及地层133所形成的一、二界面，水泥环完全胶结、一界面出现间隙、二界面出现间隙以及自由套管四种胶结实例。

在本实施例中，制作水泥环完全胶结、一界面出现间隙、二界面出现间隙以及自由套管一般采用如下办法：自由套管，采用两个隔片将该子腔体两端进行隔离，浇筑水泥浆时，此子腔体不浇筑，即为自由套管；一界面间隙，在选定的子腔体的套管131外壁涂抹一层坂土浆，坂土浆干后形成一层薄膜，然后再浇筑水泥，坂土膜在水中长期浸泡下会溶于水中，所以在实验时坂土膜溶于水，形成间隙，通过控制坂土膜厚度来控制间隙的大小；二界面间隙的制作方式与一界面相似，即在选定的子腔体的模拟地层133的内壁上涂抹坂土浆；完全胶结即为按照普通的方式浇筑水泥。

探杆21上设置有5个直探头22以及3个斜探头23,相邻两个直探头间距为170mm，相邻两个斜探头23的间距分别为340mm以及170mm。进行声幅测试时，选用两个间距为340mm的直探头22，声波在套管131(材质为钢材)中的传播速率为5400m/s，在水中的传播速率是1450m/s，在油中的传播速率是1295m/s，在水泥环中的传播速率是2650m/s，模拟地层133的传播速率是3800m/s，在空气中的传播速率是331m/s。根据声波反射原理，内层套管波从发射探头传播至接收探头的时间为：其中di为套管内径，vt和vf为套管内和流体内的声波传播速度，l是探头之间的距离，外层套管波从发射探头传播到接收探头的时间其中a为探头外壁到套管内壁间的距离，d0为外层套管的内径，vc为水泥内声波传播速度。因此，依次接收到的声波信号顺序为：套管波、水泥环波、地层波、直达波。时我们可以计算得到套管波到时大约在106微秒，直达波到时在234微秒左右。

对测试的声幅曲线通过dap瞬态信号测试分析软件进行分析，如附图5，图5是不同环空间隙与固井胶结质量的声幅曲线图。图5从上至下，分别为自由套管、一界面间隙、二界面间隙和完全胶结的声幅曲线图，图中两个声波时窗，左边窗内为获取反映第一界面水泥胶结的声波信号，声波时差值在106us～170us区间；右边窗内为获取反映第二界面水泥胶结的声波信号，声波时差值在170us～234us区间。判断第一界面胶结情况，参照第一界面识别窗，如完全胶结时，声幅振幅很小，而一界面出现裂缝时，声幅振幅就会增大，而且裂缝宽度越大振幅越高，自由套管时振幅最大。同理，判断第二界面胶结情况，参照第二界面识别窗，完全胶结时振幅最小，自由套管时振幅最大。

请参见图6至图8，图6是图4中第一模型构件的水、气、油介质的声幅曲线图；图7是图4中第二模型构件的水、气、油介质的声幅曲线图；图8是图4中第三模型构件的水、气、油介质的声幅曲线图。

由于水、油、气的声波速度和密度都不相同，它们的速度和密度低于套管、水泥和地层。声波阻抗也不同(声波阻抗值分别为：套管40500g/cm²s，水泥5724g/cm²s，地层8740g/cm²s，水1450g/cm²s，油1036g/cm²s，空气99g/cm²s)，固体声阻抗大于大于流体声阻抗。如果是固流界面即固体与流体相接触，根据声阻抗大小判别，固流界面耦合不好，当声波在固体中传播时，大部分声波能量在固体中传播，极少部分在流体中传播。相比之下水与固体耦合比油、气要好。对于界面水泥胶结不好时，界面填充介质为水时套管波幅度值小(声幅值为136～140mv)；界面填充介质为油时套管波幅度值与水接近(声幅值为153～160mv)，且略大于水；界面填充介质为气时，套管波幅度值最大(声幅值为203～290mv)。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明的高温高压测井室内模拟装置及其试验方法能够模拟水泥环完全胶结、一界面出现间隙、二界面出现间隙以及自由套管四种情况，并且通过在子腔体以及间隙内填充水、油或者不填充介质，来模拟自由套管内充满水、油或者气介质这三种情况，通过这些模拟获得不同情况下的声幅曲线图，并和实际测井过程中获得的声幅曲线图比对，来了解固井的胶结情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。