一种超高温高压测井验窜评价装置及评价方法与流程

本发明涉及石油测井技术领域，尤其涉及一种超高温高压测井验窜评价装置及评价方法。

背景技术：

油气井固井后形成的水泥环的主要作用就是有效的保护生产套管柱和封堵相邻的油、气、水层。固井水泥浆在凝固后会在整口井的纵向上形成一个水力封隔系统，该系统必须在整个油气井寿命期间及报废之后都能够实现有效的层间封隔。在整个油气井寿命的周期内，温度、压力引起的多种载荷往往同时作用和发生变化，这些载荷的作用和变化，会导致固井封隔系统受力状态的变化，严重时会造成固井密封系统失效，如果水泥环密封失效，会引起环空带压或油气水窜，严重时会造成套管损坏，甚至油气井报废，造成严重的经济损失。因此，对水泥环密封系统的试验评估，有利于我们发现水泥环胶结质量存在的问题，指导水泥浆体系设计与改进。

从测试功能上来说，当前室内对于水泥环的胶结质量评价多数是单独采用声波模拟测井(cbl)或者单独采用模拟验窜来测试，前者能够测试固井胶结质量问题，但是不能判断当前胶结质量情况下是否会引起窜漏；后者虽然明确的窜漏的结果，但是不清楚各个方位的胶结情况，不利于整体固井质量情况的分析。

从模拟温压条件来说，常规的测井或验窜等类似功能的装置和评价方法无法在超高温高压工况条件下进行试验。美国石油协会(api)将超高温高压井定义为：井底温度超过350℉(175℃)、地层压力超过15000psi(103mpa)的井。我国部分超高温高压油气田温度超过210℃，压力达到120mpa，由于装置试验温压条件不能满足超高温高压工况，导致固井质量和验窜的结果与工程实际不匹配，难于评价和优化水泥浆体系，严重影响固井质量、固井技术的提升和发展，甚至威胁超高温高压油气井的安全生产和油气井寿命。

技术实现要素：

本发明所有解决的技术问题在于，提供一种既能用于模拟测井测试固井质量，也可以进行水力密封验窜的超高温高压测井验窜评价装置及评价方法。

为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明提供了一种超高温高压测井验窜评价装置，包括：

超高温高压试验釜，

耦合模型，所述耦合模型位于试验釜内部，并连接在试验釜的底部；

测量探头总成，所述测量探头总成与超高温高压试验釜相连接，用于采集耦合模型的数据信息，所述测量探头总成与记录仪器电连接；

加热器，所述加热器连接在超高温高压试验釜外侧；

加压装置，所述加压装置与反应釜相连接。

其中，所述超高温高压试验釜包括上端开口的釜体和可拆卸连接开口处的密封釜盖，所述釜体与密封釜盖之间形成密封的测试仓，所述密封釜盖的中部设有安装孔。

其中，所述耦合模型包括套管、地层模拟环和水泥环，所述地层模拟环套接于套管外并与套管同轴，所述水泥环位于套管和地层模拟环之间。

其中，所述测量探头总成包括探杆和多个探头，所述多个探头均连接在探杆的中下部，所述探杆的上部穿过密封釜盖上的安装孔并与密封釜盖相连接。

其中，所述加压装置包括压力机和加压管，所述加压管的一端连通压力机，另一端连通测试仓。

其中，所述探头用于采集耦合模型不同方向上的界面胶结情况。

其中，所述加热器连接在釜体外侧并与釜体外壁相抵接。

其中，釜体与密封釜盖之间设置有密封胶圈。

其中，所述测试仓内部设有温度传感器和压力传感器，所述温度传感器与加热器电连接；所述压力传感器与压力机相连接。

本发明还提供一种超高温高压测井验窜评价方法，包括如下步骤：

1)耦合模型的预制；

2)利用超高温高压测井验窜评价装置对耦合模型进行的声幅测井评价，得出耦合模型的固井胶结质量关系曲线；

3)然后对耦合模型进行超高温高压养护，进行第二次声幅测井；得出超高温高压条件下的耦合模型的固井胶结质量关系曲线，并与步骤2)中的关系曲线比较；

4)开展验窜测试，然后进行第三次声幅测井评价，记录固井胶结质量变化的趋势，得出验窜测试后的耦合模型的固井胶结质量关系曲线；

5)对比步骤2)-4)中的三组测井情况，分析模拟井下环境对固井质量的影响。

其中，所述步骤1)中耦合模型为由外至内依次为地层模拟环、水泥环和套管的模型。

其中，所述步骤1)中耦合模型的预制方法包括：选用预制的混凝土模型作为地层模拟环，将套管和模拟地层置于同心结构底座装置上，在模拟地层与套管之间的环形水泥腔内填充水泥浆形成水泥环，灌注后的耦合模型在超高温高压试验釜内进行养护。

其中，所述步骤1)中的养护温度为90℃，养护压力10mpa，养护时间为48小时。

其中，所述步骤3)中的超高温为180～220℃，超高压为103～150mpa，养护时间为24～48小时。

其中，所述步骤4)中的验窜测试是指在水泥环底部施加初始压力1-15mpa，逐渐升高施加的压力直到模型上部的压力表出现读数，即为模型达到了最大突破压力出现了窜漏。

本发明能够更好的进行水泥环胶结情况及水力密封影响因素研究，将测井评价和模拟验窜两种方式结合起来进行研究，室内设计了一种既能够用于模拟测固井质量，也可以进行水力密封验窜的超高温高压测井验窜评价装置。

附图说明

图1是本发明提供的超高温高压测井验窜评价装置的连接框图；

图2是本发明提供的超高温高压测井验窜评价装置釜体的结构图；

图3(a)是本发明“完全胶结”模型初始胶结质量的声幅曲线图；

图3(b)是本发明“完全胶结”模型养护后胶结质量的声幅曲线图；

图3(c)是本发明“完全胶结”模型验窜后胶结质量的声幅曲线图；

图4(a)是本发明“一界面微裂隙”模型初始胶结质量的声幅曲线图；

图4(b)是本发明“一界面微裂隙”模型养护后胶结质量的声幅曲线图；

图4(c)是本发明“一界面微裂隙”模型验窜后胶结质量的声幅曲线图；

图4(d)是本发明“一界面微裂隙”固井胶结质量三次曲线测试声幅值增加趋势图；

图4(e)测试角度与一界面模型三次曲线测试声幅值对照表；

图5(a)是本发明“二界面微裂隙”模型初始胶结质量的声幅曲线图；

图5(b)是本发明“二界面微裂隙”模型养护后胶结质量的声幅曲线图；

图5(c)是本发明“二界面微裂隙”模型验窜后胶结质量的声幅曲线图；

图5(d)是本发明“二界面微裂隙”固井胶结质量三次曲线测试声幅值增加趋势图；图5(e)测试角度与二界面模型三次曲线测试声幅值对照表。

附图标记说明：

100、超高温高压试验釜体，1、模拟地层，2、釜体外壁及加热套，3、套管，4、水泥环，5、固井后水泥环与模拟地层间存在的微间隙，6、测井探头总成，7、固井后水泥环与套管间存在的微间隙，8、探头密封轴承，9、套管底部密封组件，10、加热器，11、加压装置，12、记录仪器13、声波转化开关，14、数据采集器，15、声波处理器，16、声波显示器，17、远程终端，18、压力表，19、压力控制系统，20、温度控制系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中实例，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1至图4，图1是本发明提供的超高温高压测井验窜评价装置连接框图；图2是图1中试验釜的结构图；图3是固井胶结质量的声幅曲线图，图4是本发明固井胶结质量在验窜测试前后趋势变化对比图。

本发明涉及的超高温高压测井验窜评价装置如图1所示包括：超高温高压试验釜100，耦合模型，所述耦合模型位于超高温高压试验釜100内部，并连接在超高温高压试验釜的底部；测量探头总成6，所述测量探头总成与超高温高压试验釜相连接，用于采集耦合模型的数据信息，所述测量探头总成与记录仪器12电连接；加热装置，所述加热装置连接在超高温高压试验釜外侧；加压装置，所述加压装置与反应釜相连接。

所述超高温高压试验釜包括上端开口的釜体和可拆卸连接开口处的密封釜盖，所述釜体与密封釜盖之间形成密封的测试仓，所述密封釜盖的中部设有安装孔。所述测量探头总成6包括探杆和多个探头，所述多个探头均连接在探杆的中下部，所述探杆的上部穿过密封釜盖上的安装孔并与密封釜盖相连接。所述测量探头总成6与安装孔之间装有探头密封轴承8。所述耦合模型包括套管3、地层模拟环1和水泥环4，所述地层模拟环1套接于套管3外并与套管3同轴，所述水泥环4位于套管3和地层模拟环1之间。所述耦合模型的下端设有套管底部密封组件9，所述套管底部密封组件9用于密封套管3的下端开口。其中水泥环为在模拟地层和套管围成环形空间浇筑水泥浆，水泥浆凝固后形成的水泥环，故而，所述套管3与水泥环4之间具有固井后水泥环与套管间存在的微间隙7；所述地层模拟环1和水泥环4之间具有固井后水泥环与模拟地层间存在的微间隙。

所述测量探头总成6包括探杆和多个探头，所述多个探头均连接在探杆的中下部，探杆从试验釜体顶端插入到水泥环构件模型的套管内，另一端与记录仪器连接。每个探头可以用于单发单收、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。不同角度探头，可以测试水泥环构件不同方向上的界面胶结情况，根据波形采集和分析后，能够分辨水泥的胶结的薄弱点，判断当前固井胶结质量情况。

加热器与釜体外壁抵接，用于给试验釜加热，来模拟高温条件。加热器采用电磁加热装置，内置有一个连通测试仓的温度传感器，用于探测测量腔内的温度，指导加热器将测试仓内温度维持在规定范围。还可以包括用于调节控制温度的温度控制系统20，所述温度控制系统20与温度传感器和加热器10电连接。所述加热器可以为加热套也可以为其他加热装置。

加压装置11包括压力机以及加压管，加压管一端连通压力机，另一端连通测试仓。加压装置11用于给测量腔加压，来模拟高压条件。超高温高压釜体上还设置有一个连通测试仓的压力计18，用于探测测试仓内的压强，指导加压装置将测试仓内压强维持在规定范围。还可以包括用于调节控制压力的压力控制系统19，所述压力控制系统19与加压装置和压力传感器相连接，用于调节控制压力。

本发明的装置还包括声波转化开关13、数据采集器14、声波处理器15和声波显示器16，所述声波转化开关13、数据采集器14、声波处理器15以及声波显示器16依次连接，并与测量探头总成6相连接，将测量探头测量到的数据依次通过数据采集器、声波处理器、声波显示器以及远程终端17(可以为计算机或者其他处理数据设备)进行处理，得到声幅曲线图。

进行测井时，直接使用的探头密封轴承进行密封进行测井测试，在验窜时，模型构建底部的套管处由套管底部组件进行密封，水泥环和模拟地层部分未进行密封，与釜体内腔联通，模型构建上部未与釜体联通，而与套管联通为一整体，验窜时密封轴承处外接一个压力传感装置，在釜体内加压时，实际上底部的水泥环和模拟地层同时也进行了加压，此时上部压力传感器出现读数，即为窜通。

所述超高温高压测井验窜评价装置的试验方法包括以下步骤：

(1)模型构建制作，首先制作模拟地层-水泥环-套管耦合模型，其中模拟地层选用在预制厂定制的混凝土模型，模拟地层外径400mm，内径360mm，然后将套管(外径139.7mm，内径127.6mm)和模拟地层置于同心结构底座装置上，使得套管和模拟地层同轴，在模拟地层与套管之间的环形水泥腔内填充水泥浆，水泥浆体系采用油井g水泥配制，灌注后的模型在超高温高压试验釜内进行养护，设置养护温度为90℃，养护压力10mpa，养护48小时待测试，养护完成后的模型为“完全胶结模型”，即水泥浆凝固成水泥石后与模拟地层和套管间不产生微间隙。同时也可以设置其他类型的胶结模型，如在制作模型的套管外表面涂抹少量的坂土涂层，待其干燥后，进行水泥浆浇筑，固井养护后可在套管与固井水泥石间形成微间隙，即为“一界面微裂隙模型”；类似的在预制的地层模型的内表面涂抹少量的坂土涂层，待其干燥后，进行水泥浆浇筑，固井养护后可在预制地层与固井水泥石间形成微间隙，即为“二界面微裂隙模型”。

2)将制作并养护完成的水泥环构件模型进行实时的声幅测井评价，得出该模型的固井胶结质量关系曲线，并命名为模型的“初始胶结质量”，测试过程选用每个角度(从0°、45°、90°...一直到360°结束)垂直方向上相邻探头，也可以选用相间隔探头，即测试探头声波测试距离实际值为170mm或者340mm，每一角度可测试2条声幅曲线，360°共8条声幅曲线。

然后对模型进行超高温高压(温度可设定在100～260℃之间，压力设定在0～150mpa之间)养护一定的时间(24～48小时)，再进行一次声幅测井，命名为模型“养护后胶结质量”，同样的测试8条声幅曲线，对比第一次的测井结论，温度压力下固井质量是否有所改变。再次开展验窜测试，在水泥环底部施加初始压力(气压)1-15mpa，逐渐升高直到模型上部的压力表出现读数，即为模型达到了最大突破压力出现了窜漏，最后进行第三次声幅测井评价，测试8条声幅曲线，记录固井胶结质量变化的趋势，命名为模型“验窜后胶结质量”，对比前三测井情况分析模拟井下环境对固井质量的影响，得出测试结论。

实施例一、

(1)制作完全胶结模型：将制作好的模拟地层(外径400mm，内径360mm)与套管(外径139.7mm，内径127.6mm)置于同心结构底座装置上，使得套管和模拟地层同轴，在模拟地层与套管之间的环形水泥腔内填充水泥浆，灌注后的模型放置在超高温高压试验釜内进行养护，设置养护温度为90℃，养护压力10mpa，养护48小时待测试。

(2)将制作好的完全胶结模型，进行固井胶结质量测试，选用相间隔的探头进行测试，探头间距0.34m，每间隔45°测试一条声幅曲线，360°一共测试8条声幅曲线，我们将其中四个点0°、90°、180°和270°的曲线选出进行排列对比，对比图如图3(a)所示。测试曲线声幅值较小，表明固井胶结质量较好。

对模型进行超高温高压温度养护，养护温度200℃，压力103mpa养护24小时，再进行一次声幅测井，测试8条声幅曲线，我们将其中四个点0°、90°、180°和270°的曲线选出进行排列对比，测试图如图3(b)所示。

然后开展验窜测试，在水泥环底部施加初始压力气压从3mpa逐渐增加到10mpa，模型上部的压力表未出现读数，即为模型胶结情况较好未出现窜漏，最后进行第三次声幅测井评价，测试8条声幅曲线，我们将其中四个点0°、90°、180°和270°的曲线选出进行排列对比，测试图如图3(c)所示。

测试完毕后，将其中四个点0°、90°、180°和270°的三次测井曲线进行对比，得出结论曲线声幅值较为接近，未出现明显变化，此种情况下固井胶结质量较好，经过超高温高压后，其防气窜性能依然保持较好。

实施例二、

(1)制作一界面微间隙的模型：将制作好的模拟地层(外径400mm，内径360mm)与套管(外径139.7mm，内径127.6mm)置于同心结构底座装置上，使得套管和模拟地层同轴，在套管外表面涂抹少量的坂土涂层，待其干燥后，进行水泥浆浇筑，灌注后的模型放置在超高温高压试验釜内进行养护，设置养护温度为90℃，养护压力10mpa，养护48小时待测试。

(2)将制作好的一界面微间隙的模型，进行固井胶结质量测试，选用相间隔的探头进行测试，探头间距0.34m，每间隔45°测试一条声幅曲线，360°一共测试8条声幅曲线，我们将其中四个点0°、90°、180°和270°的曲线选出进行排列对比，对比图如4(a)所示。测试曲线声幅值较小，表明固井胶结质量较好。

对模型进行超高温高压温度养护，养护温度200℃，压力103mpa养护24小时，再进行一次声幅测井，测试8条声幅曲线，我们将其中四个点0°、90°、180°和270°的曲线选出进行排列对比，测试图如图4(b)所示。此时可以看出经过超高温高压养护后，部分角度出现了声幅值增大的情况，表明这个地方的裂缝有扩大趋势，胶结质量变差。

然后开展验窜测试，在水泥环底部施加初始压力气压从3mpa逐渐增加到10mpa，从施加压力到4.2mpa上部压力表开始出现读数，此时一界面已经出现窜漏，继续施加压力保持窜漏状态10min，再进行一次声幅测井，测试8条声幅曲线，测试图如图4(c)所示。此时我们得出结论，“一界面微间隙模型”的气窜突破压力为4.2mpa，同时可以看出气窜后，测井曲线整体的声幅值都有增大趋势，部分角度声幅值增大非常明显，表明此时已经出现了窜流通道，窜流通道处胶结质量变为较差。

测试完毕后，将其中四个点0°、90°、180°和270°的三次测井曲线进行对比，利用软件成图进行显示，如图4(d)所示，得出结论“一界面微间隙模型”经过超高温高压后，界面间隙处容易出现胶结质量变差，其防气窜性能会降低，突破压力降低为4.2mpa，此时部分微间隙已经发展成窜流通道，而且窜流通道处胶结质量变为较差。

实施例三、

(1)制作二界面微间隙的模型：将制作好的模拟地层(外径400mm，内径360mm)与套管(外径139.7mm，内径127.6mm)置于同心结构底座装置上，使得套管和模拟地层同轴，在地层模型的内表面涂抹少量的坂土涂层，待其干燥后，进行水泥浆浇筑，灌注后的模型放置在超高温高压试验釜内进行养护，设置养护温度为90℃，养护压力10mpa，养护48小时待测试。

(2)将制作好的二界面微间隙的模型，进行固井胶结质量测试，选用相间隔的探头进行测试，探头间距0.34m，每间隔45°测试一条声幅曲线，360°一共测试8条声幅曲线，我们将其中四个点0°、90°、180°和270°的曲线选出进行排列对比，对比图如5(a)所示。测试曲线声幅值较小，表明固井胶结质量较好。

对模型进行超高温高压温度养护，养护温度200℃，压力103mpa养护24小时，再进行一次声幅测井，测试8条声幅曲线，我们将其中四个点0°、90°、180°和270°的曲线选出进行排列对比，测试图如图5(b)所示。此时可以看出经过超高温高压养护后，部分角度出现了声幅值增大的情况，表明这个地方的裂缝有扩大趋势，胶结质量变差。

然后开展验窜测试，在水泥环底部施加初始压力气压从3mpa逐渐增加到10mpa，从施加压力到6.5mpa上部压力表开始出现读数，此时一界面已经出现窜漏，继续施加压力保持窜漏状态10min，再进行一次声幅测井，测试8条声幅曲线，测试图如图5(c)所示。此时我们得出结论，“二界面微间隙模型”的气窜突破压力为6.5mpa，同时可以看出气窜后，测井曲线整体的声幅值都有增大趋势，部分角度声幅值增大非常明显，表明此时已经出现了窜流通道，窜流通道处胶结质量变为较差。

测试完毕后，将其中四个点0°、90°、180°和270°的三次测井曲线进行对比，利用软件成图进行显示，如图5(d)所示，得出结论“二界面微间隙模型”经过超高温高压后，界面间隙处容易出现胶结质量变差，其防气窜性能会降低，突破压力降低为6.5mpa，此时部分微间隙已经发展成窜流通道，而且窜流通道处胶结质量变为较差。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明采用现场所使用的套管来进行固井水泥环构件模型制作，模拟实际井下超高温高压环境开展固井过程，固井后直接进行测井评价，得到固井胶结质量情况，能够更加真实的展现井下固井状态及模拟测试。同时进行初始测井后，开展验窜评价，在评价过程中可实时进行测井评价，能够直观的检测到固井胶结质量发生变化具体位置及发展趋势，指导室内水泥浆体系的进行改进。

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，所属领域技术人员应该明白，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。