专利名称：水泥环界面剪切强度和抗压强度的分析方法
技术领域：
本发明涉及一种固井质量探测实验技术，具体说涉及一种水泥环界面剪切强度和抗压强度的分析方法。
背景技术：
目前，固井工程界普遍认为，在无水泥沟槽的条件下，水泥环的封隔性能主要取决于其与套管及与地层间两个界面(分别称为第一界面和第二界面)的胶结强度。胶结强度又分为液力胶结强度和剪切胶结强度。实验表明，液力胶结强度大，则剪切胶结强度也大。当水泥环与套管紧密接触时，水泥抗压强度大，则该界面的液力胶结强度和剪切胶结强度也都大。可惜，还没有人能导出这三者之间的严格关系。主要原因是，胶结强度不仅与水泥抗压强度有关，还受界面粗糙程度、锥度、圆度及围压等因素的影响，情况相当复杂。所以，世界著名的道威尔·斯仑贝谢(Dowell Schlumberger)公司认为，在不同条件下测量液力胶结强度和剪切胶结强度的绝对值没有什么对比意义。同时认为，剪切胶结强度几乎与试样的尺寸无关。
在地面条件下，由于存在难以消除的气泡随机干扰，液力胶结强度实验结果离散性太大。有鉴于此，大庆油田罗长吉等人(1993年)对水泥环进行了剪切胶结强度实验研究，得到了界面胶结强度随时间的变化曲线。Nahm等人(1996年)通过界面剪切胶结强度研究泥浆转化水泥浆(MTC)固结后的水泥环封隔性能，取得了重要认识。由以上两项典型研究可以看出第一，固结工程界目前认为，剪切胶结强度是反映水泥环封隔性能的可行途径；第二，尚无人研究胶结强度与声波测井响应的关系。后者正是固井界与测井界都认为至关重要的联系固井～测井之桥，而到目前为止却未见研究先例。
虽然，测量在不同套管表面粗糙度、不同锥度和不同圆度情况下的胶结强度绝对值没有什么价值，但是，在保证同一锥度和圆度的实验条件下，使用同一种表面粗糙度的套管进行实验，研究水泥胶结强度、围压与声波测井响应之间的关系肯定是十分有意义的。因为它揭示了声波响应反映水泥环胶结强度的能力，同时可反映声波响应对于水泥环胶结强度的变化趋势。这种变化趋势与大量的验窜资料结合起来，即可确定相应的测井评价标准。
声波测井是现有检查固井质量的方法技术中使用最广泛、普遍认为较为有效的一种测井方法。G.M.Pardue等人(1962年)在地面条件下对水泥抗压强度与声波测井响应的关系进行了系统研究，并以此为基础，建立了现在广泛使用的声波衰减率(或声幅)与水泥石抗压强度关系的诺模图。Pardue的实验为其后直到目前的固井质量评价奠定了基础。现在，世界各主要的石油测井公司和国内的各个油田，都采用由该实验结果制定的图版进行固井质量评价。这种评价方法适用于利用套管滑行波类套管波幅度和衰减率的固井质量测井，诸如CBL/VDL和SBT等。根据图版，将声波测井信号转换为水泥抗压强度。新近推出的利用套管反射波类的固井质量测井(CET、PET、USI和CAST等)，根据由另外的实验制定的图版将反射波相对幅度转换为水泥抗压强度。由采集到的套管波幅度还可以转化为胶结指数BI。用BI评价固井质量可以避免刻度不准确以及低密度水泥固井等因素的不利影响。
大量实践表明，水泥环的封隔性能不仅与水泥胶结强度关系密切，而且也与水泥环的封隔长度关系相当密切。六十年代，通过在墨西哥湾油气田的许多次验窜实验中，人们发现保证水泥环封隔的最小封隔长度与套管尺寸有关。在应用国外的评价技术过程中，我国石油科技人员发现当BI＜0.8时水泥环仍有可能起到封隔作用，只要BI＞0.6并且最小封隔长度更长一些。
但是，现有技术中，并没有揭示出井下各种参数相互之间的关系。例如，没有揭示在不同围压条件下养护的水泥环的液力胶结强度、剪切胶结强度与水泥抗压强度之间的关系，剪切胶结强度、水泥抗压强度与测井响应之间的关系，以及界面剪切破坏后的测井响应变化等。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种水泥环界面剪切强度和抗压强度的分析方法，对于给定的水灰比和不同的养护时间，能够通过测量在不同养护温度和养护压力条件下水泥环界面胶结强度和对应的声波测井响应，与同样条件下养护的水泥试样的单轴水泥抗压强度测量值结合起来，能够研究不同养护条件下水泥石抗压强度、水泥环界面胶结强度与声波测井响应之间的关系。
技术方案如下水泥环界面剪切强度和抗压强度的分析方法包括如下步骤(1)选择A1n和A1f为计算声波衰减率的声幅测量信息；(2)整理声波测量数据；(3)计算界面剪切强度、养护时间、声波衰减率；(4)得到界面剪切强度、水泥抗压强度与对应的养护时间、声波衰减率的关系。
进一步，步骤(2)中，同一养护条件下的声波幅度数据分在同一个数据组。
进一步，步骤(2)进一步包括，将相同养护条件下采集的声幅数据散点成图。
进一步，步骤(3)中界面剪切强度τ=FA=Ft-Fbπ·OD·L(psi),]]>Ft代表活塞总推力，Fb代表基线推力；养护时间t＝tc-tm(分钟)，tc为水泥剪切强度测量时间，tm为水泥开始养护时间；声波衰减率α=-20d1gAfAn=50.81gAnAf(dB/ft),]]>d为两个声波接收换能器间距，An代表声波响应近波形的正峰，Af代表声波响应远波形的负峰。
进一步，步骤(4)中，随着温度和压力的同步增加，同一抗压强度对应的声波衰减率增大。
进一步，步骤(4)中，水泥剪切强度与衰减率的关系类同于抗压强度与衰减率的关系，在相同的衰减率处抗压强度大于剪切强度。
进一步，步骤(4)中，界面剪切强度随抗压强度的增大而增大，当抗压强度超过2000psi后剪切强度不再增大。
技术效果如下对于给定的水灰比和不同的养护时间，通过测量在不同养护温度和养护压力条件下水泥石抗压强度、水泥环界面胶结强度和对应的声波测井响应，从而能够研究不同养护条件下水泥石抗压强度、水泥环界面胶结强度与声波测井响应之间的关系，为固井质量评价提供可靠的依据。
图1是水泥环界面剪切超声测试仪的结构示意图；图2是水泥养护阶段测量仪器内部的温度与压力的函数图；图3是水泥环胶结强度测试阶段的测试曲线；图4是水泥养护阶段的声波幅度响应图；图5是水泥养护阶段的声波衰减率响应图；图6是声波衰减率与水泥环剪切强度关系图；图7是声波衰减率与水泥抗压强度关系图。
具体实施例方式
如图1所示，水泥环界面剪切超声测试仪的优选实施例，包括油箱10、油泵8，油箱10和油泵8通过管路相连接。在压力容器11的上部设置有上盖3，上盖3设置有上盖通孔15。压力容器11的内部设置有外层套管2，在外层套管2的内部设置有内层套管1，内层套管1的高度低于外层套管2。压力容器11的下部设置有活塞7，活塞7的上部和内层套管1的下部相接触，活塞7的下部设置有推力油缸6，活塞通过推力油缸6获得向上的推力。推力油缸6在侧边设置有推力油缸孔14，通过管路将该推力油缸孔14和油泵8相连接。压力容器11在侧壁的上部设置有加压孔12，通过管路将该加压孔12和油泵8相连接。内层套管1的内部设置有声波测量仪器4，声波测量仪器4通过线路和计算机9相连接，油泵8通过计算机9获得控制信号。
声波幅度测量的采集精度存在档差问题。但衰减率测量可以避免声波幅度测量档差的问题。只要近波形和远波形的幅度测量精度足够高，且在同一个档采集和显示波形，衰减率测量的精度就足够高。受压力容器内部尺寸的限制，内层套管1的内部设置有声波测量仪器4的短源距R1设计为140mm，长源距R2为260mm。
为了调节或者模拟压力容器11内的水泥浆5的温度，在压力容器11内设置有加热片，利用加热片对压力容器11内的流体和水泥浆进行加热。
密封再好，也不可避免地存在压力泄漏。随着时间的推移，压力容器11中的压力也会逐渐下降。另外，由于温度传递的滞后性和惯性，在加温过程中经常出现压力容器内11压力过大的现象。所以，装置上安装稳定液压系统是十分必要的。当液压力在目标养护压力基础上再下降100psi时，程序控制系统自动启动液压泵加压，一直加到目标养护压力为止；当液压力在目标养护压力基础上再上升100psi时，程序控制系统自动启动电磁阀门泄压，一直泄到目标养护压力为止。
水泥浆在给定的温度和压力(模拟给定的井深)条件下在内层套管1和外层套管2之间养护一段时间后，固定外层套管2，用位于内层套管1底部的活塞7向内层套管1施加一个向上的推力，以此测量水泥剪切胶结强度。由于内层套管1的外表面面积比外层套管2的内表面面积小得多，推力必然使内层套管1作剪切位移而并不破坏水泥环与外层套管2之间的胶结。
防护罩套在压力容器11的外面，防止流体直接从压力容器11中泄出，当压力容器11内的液压力高于实验给定压力值100psi时，电磁阀门自动开启排泄孔13进行泄压。
本优选实施例的主要技术参数如下1、最高工作液压力5000psi(35Mpa，或350atm.)；2、最高工作温度80℃；
3、衰减率测量间距120mm；4、活塞最大推力80000kg；5、水泥养护期温度波动±2℃；6、水泥养护期液压波动±100psi(±0.69Mpa，或±6.9atm.)；7、界面剪切强度测试期液压波动±100psi(±0.69Mpa，或±6.9atm.)；8、压力容器内最大垂向温差±2℃；9、压力容器内的最高升温速率1.5℃/min.；10、剪切胶结强度测量时间10sec.～2min.；11、设计最大界面剪切强度1000psi(7Mpa，或70atm.)；12、发射换能器频率(在清水中)40kHz；13、内层套管外径(OD)2-7/8″(73mm)；14、内层套管内径(ID)57.4mm；15、内层套管壁厚0.3079″(7.8mm)；16、内层套管长度380mm；17、外层套管外径(OD)5″(127mm)；18、外层套管长度400mm；19、爆裂盘额定承压力6000psi(42Mpa，或420atm.)20、系统断电时的容器内液压力8000psi(56.2Mpa，或562atm.)；21、水泥养护期的温度时间采样率1次/sec.；22、水泥养护期的压力时间采样率1次/sec.；23、界面剪切强度测试期推力时间采样率0.055次/sec.。
水泥界面剪切胶结强度与水力胶结强度具有等效作用，都可用来反映水泥与套管的胶结力。由于CBL测井利用对界面剪切强度最为敏感的套管波来检测水泥与套管的胶结质量，因而研究CBL测井响应与剪切胶结强度之间的关系是很有意义的。
剪切胶结强度等于峰值推力与套管外表面(即套管-水泥环接触面积)之比。
本次实验利用置于井轴上的单极子声源和单发双收声波测量装置，测量内层套管上的滑行波衰减率，以此模拟井下的CBL测井和SBT测井。
在实验尺寸与实际尺寸不同的情况下进行实验的条件是，各种实验模型的几何参数和物理参数必须满足相似性准则。
固井工程界通过实验已经得知，剪切胶结强度几乎与试样的尺寸无关。所以，对于本次研究的水泥环剪切胶结强度测量来说，用缩小模型进行胶结强度实验是可行的。
另一方面，还要考虑声波测量在缩小模型中的情况。在声学理论中，相似性准则可用下式表达M=Mr×MλMv]]>其中，Mv为模型井与实际井的声速之比；Mr为模型井与实际井的半径之比；Mλ为模型井与实际井眼中的声波波长之比。
模型井的声速与实际井的声速一致，即Mv＝1。取模型井与实际井的半径之比约为Mr＝0.5，所以，为保证声学测量结果与实际井下测量结果一致，即达到M＝1，应有模型井与实际井的声波波长之比Mλ＝0.5。声波波长λ、声波频率f和声波速度v的关系式为λ=vf]]>由于声波传播途径中的声学介质相同，声速v相等，为使Mλ＝0.5，就要使模型井与实际井的频率之比为2。实际井中CBL测井声波频率为20kHz，因而模型井中的声波频率应为40kHz。为了解决源距矛盾，采取单发双收声系测量声波衰减率的办法。
受压力容器内部尺寸的限制，短源距(图1中的T-R1)设计为140mm，长源距(图1中的T-R2)为260mm。
在上述的水泥环界面剪切超声测试仪的基础上，测试方法如下1、将内层套管1和外层套管2垂直而同心地放置在压力容器中，在压力容器的底部涂上一层黄油，再放置一块薄层隔板。
1、根据水泥配方要求配制水泥浆5。
水泥品种嘉华G级(高抗)；水质塘沽自来水；外加剂品种和掺量TD-80(1.5％)，TD-801(0.15％)；水灰比0.44。
2、小心谨慎地将水泥浆5注入两层套管之间的环形空间内，注意防止水泥浆5倒到内层套管1内或外层套管2外，一直注到指定的高度。
3、在环空水泥顶面放置薄层隔板，防止其上的水与水泥浆混合。
4、向内层套管1内和外层套管2外灌水，一直将压力容器灌满。
5、在内层套管1内垂直、同心地安置声波测量仪器。
6、盖紧压力容器的上盖3，由上盖3上的上盖通孔15继续向压力容器中灌水，并一边用改锥或其它物件在容器的顶部搅动一边灌水，直到把压力容器顶部的空气都排尽。
7、连接加温电源线路和所有温度、压力传感器与声波测量电路。
8、接通电源。
9、启动计算机并进入WINDOWS95。
10、对压力容器进行加温。
11、等到温度接近给定值时，对压力容器内部泵入液体，将液压提高到给定值。
12、进行第一次声波测量。
测量以下参数套管波到时、E1峰幅度、E2峰幅度和E3峰幅度。
13、在键盘上按F2，水泥浆5进入恒温恒压养护阶段，计算机自动控制压力容器内部的温度和液压力。
首先，说明计算机的温度控制。
水泥浆候凝开始时的温度升高速度是模拟水泥浆在井眼内流动过程中温度升高的速度，需要考虑升温速率和热量传导和对流。
(1)升温速率A、水泥浆在泵入井内时在套管内的流动速度V；B、当地的地温梯度T。
塔里木盆地的地温梯度一般为T＝2.1℃/100米，设水泥浆在井内的流动速度为72米/分钟(即1.2米/秒)，则压力容器内流体的升温速率应为t＝T×V＝(2.1×72)/100＝1.51℃/分钟。
(2)热量传导和对流利用加热片对压力容器内的流体和水泥浆加热。在容器内，热的辐射是很小的，可以忽略不计。热量主要以传导和对流的方式传递。
在初始升温阶段，热量从容器外表面开始由外向里径向传导，传导次序为压力容器外壁、外层套管2外的水、外层套管2、水泥浆5、内层套管1和内层套管1内的水。但在恒温养护阶段，热量不断向外散失，如果不加热，径向上由内至外温度逐层降低。由于温度传导具有很大的惯性，内外温度就总有一个时间差。严格地说，在容器的轴向上温度也是不均衡的。这就要求加温按照一定的程序进行。为此，分别在容器的上、中、下三个位置装上温度传感器，再利用程控加热方式使容器内的最大温差小于2℃，并且各点温度与目标养护温度的差别小于2℃。
另一方面，热量在轴向上发生对流，水热者变轻上升，较冷者下沉。所以，加热片在纵向上的分布应不均衡，下部功率比上部大得多。
加热片之外是隔热层，它和最外面的不锈钢外套一起，构成压力容器的外保护层。由这个保护层向外辐射的热量非常少。但是，压力容器的两端无法隔热，大量热量从此(尤其是上端)散失。因此，需要在水泥养护的过程中按程序控制启动加热片，以补充散失的热量。
接下来，说明计算机对压力的控制。
(1)升压原理实验开始时压力容器中已经灌满水，在需要升压的时候启动液压泵。由于水可压缩性很小，故向容器中加入很少的液压油即可使其压力升高较大。液压油加入量，视当前压力与给定的目标养护压力之差而定。压力之差越大，所加的油就越多。
(2)稳压原理密封再好，也不可避免地存在压力泄漏。随着时间的推移，容器中的压力也会逐渐下降。另外，由于温度传递的滞后性和惯性，在加温过程中经常出现容器内压力过大的现象。所以，装置上安装稳定液压系统是十分必要的。当液压力在目标养护压力基础上再下降100psi时，程序控制系统自动启动液压泵加压，一直加到目标养护压力为止；当液压力在目标养护压力基础上上升100psi时，程序控制系统自动启动电磁阀门泄压，一直泄到目标养护压力为止。
在系统的“胶结强度测试”模式下，液压泵转向推动活塞上移，系统最大推力可达80吨。
压力容器设计最高工作压力为5000psi；当容器内的液压力高于实验给定压力值100psi时，电磁阀门自动开启泄压；当液压超过7000psi时，系统自动断电；当液压超过6000psi时，爆裂盘爆裂，排泄通道立即大口径畅通，从而立即泄压。
14、每隔大约2小时，进行一次声波测量。
15、在水泥达到了给定的强度时，再进行一次声波测量。
16、在键盘上按F3，系统进入胶结强度测试阶段。
17、胶结强度测试完毕后，最后一次进行声波测量。
18、分析实验得到的各种实时记录曲线。
下列条件①水泥养护阶段的温度和压力达到给定值，且波动范围符合规定；②水泥强度测试阶段的液压曲线仍然保持在压力给定值，且波动范围符合规定；③由水泥强度测试阶段的推力曲线和位移曲线推知，水泥环确实相对于内层水泥环发生了明显的位移(≥2mm)；④声波测量正确。
如果上述条件成立，那么，说明本次实验成功。
19、压力容器泄压，加温、液压和声波测量系统断电；20、按计算机ESC键，退回到主菜单；21、等压力容器温度降低到可以操作的时候，打开压力容器，取出声波测量仪器，取出经水泥固结的内、外层套管；22、清除压力容器中的水和水泥碎屑；23、压力容器冷却；24、单轴水泥抗压强度试验；25、准备下一个水泥环胶结和声波响应实验。
通过实验，取得了大量的数据。
如图2所示，为水泥养护期间实时记录的温度、压力曲线，图3为界面胶结强度测试期间实时记录的推力、位移、温度和压力曲线。
每次实验在水泥养护过程中，用实验的声波仪器隔一段时间测量一次声波响应，它们分别是近波形首波传播时间Tn，第1正峰A1n，第1负峰A2n和第2正峰A3n；远波形首波传播时间Tf，第1正峰A1f，第1负峰A2f和第2正峰A3f。
对于水泥胶结强度实验，在每次实验中测量活塞总推力Ft，并由推力曲线读出基线推力Fb。
实验结束后，进行下述的数据整理和分析研究1、选择A1n和A1f为计算声波衰减率的声幅测量信息。
当环空的水泥只要有了一点儿强度时外层套管的反射波就对A2和A3形成干扰，但A1并不受其干扰。
2、声波测量数据整理。
整理的方法为，同一养护条件下的声波幅度数据分在一个数据组。将测量的A1n与A1f列于表1中。A1值均为示波器上肉眼定位的第一正峰显示值。由于波形曲线峰点定位本身难免存在偏差，而且整个声波测量系统存在不容忽视的噪声，该值无可避免地存在随机干扰，所以若直接用上表计算衰减率，就会出现一定幅度的随机突跳。
3、将上表中相同养护条件下采集的声幅数据散点成图。
如图4所示，A1随时间增大呈明显的衰减特征，而A1f与A1n曲线随时间按不同的速度衰减。
4、有关计算①界面剪切强度τ=FA=Ft-Fbπ·OD·L(psi),]]>Ft代表活塞总推力，Fb代表基线推力。
表1各种水泥养护条件下声幅值随时间的变化
其中，OD为内层套管外径；L为内层套管长度。
②养护时间t＝tc-tm(分钟)其中，tc为水泥剪切强度测量时间；tm为水泥开始养护时间。
③声波衰减率α=-20d1gAfAn=50.81gAnAf(dB/ft)]]>
其中，d为两个声波接收换能器间距，An代表声波响应近波形的正峰，Af代表声波响应远波形的负峰。
5、示界面剪切强度、水泥抗压强度与对应的养护时间、声波衰减率的关系。
将以上各种数据列于表2，绘成图5。
表2各种水泥养护条件下水泥强度和声波衰减率之间的关系
6、绘制剪切强度与衰减率交会图，如图6所示。
7、绘制抗压强度与衰减率交会图，如图7所示。
综合分析上述图表，可以得到如下的认识A.声波幅度和衰减率在开始养护后的几十分钟或一百多分钟内变化很小，但从某一时刻(该时刻与养护温度和养护压力有关温压越高，则该时刻到来越早)起，随养护时间的增大声幅迅速降低，衰减率则迅速上升。
B.源距较大处，声波幅度随养护时间增大的降低速度较快。
C.随着温度和压力的同步增加(等效于深度增大)，同一抗压强度对应的声波衰减率有所增大。
D.随着温度和压力的同步增加(等效于深度增大)，声波幅度(或衰减率)随时间的变化趋势是相同的，但温压大处声波幅度降低(或衰减率上升)到某一特定值的时间明显减小。
E.水泥抗压强度与衰减率的关系曲线与标准图板值趋势一致，只是同一抗压强度对应的衰减率实验值稍大。
F.水泥剪切强度与衰减率的关系类同于抗压强度与衰减率的关系，但在相同的衰减率处抗压强度比剪切强度大得多。
G.分析A2和A3可知，水泥有了一定的胶结强度以后，明显地存在外层套管的干扰。
H.第一界面破裂后，衰减率测量值一般均有1～5dB/ft的下降，这说明微小的第一界面胶结破坏也足以引起测井响应的明显变化。
I.界面剪切强度随抗压强度的增大而增大，但抗压强度超过2000psi后剪切强度就几乎不再增大。
权利要求
1.一种水泥环界面剪切强度和抗压强度的分析方法，包括如下步骤(1)选择A1n和A1f为计算声波衰减率的声幅测量信息；(2)整理声波测量数据；(3)计算界面剪切强度、养护时间、声波衰减率；(4)得到界面剪切强度、水泥抗压强度与对应的养护时间、声波衰减率的关系。
2.根据权利要求1所述的水泥环界面剪切强度和抗压强度的分析方法，其特征在于，步骤(2)中，同一养护条件下的声波幅度数据分在同一个数据组。
3.根据权利要求2所述的水泥环界面剪切强度和抗压强度的分析方法，其特征在于，步骤(2)进一步包括，将相同养护条件下采集的声幅数据散点成图。
4.根据权利要求2所述的水泥环界面剪切强度和抗压强度的分析方法，其特征在于，步骤(3)中界面剪切强度τ=FA=Ft-Fbπ·OD·L(psi),]]>Ft代表活塞总推力，Fb代表基线推力；养护时间t＝tc-tm(分钟)，tc为水泥剪切强度测量时间，tm为水泥开始养护时间；声波衰减率α=-20d1gAfAn=50.81gAnAf(dB/ft),]]>d为两个声波接收换能器间距，An代表声波响应近波形的正峰，Af代表声波响应远波形的负峰。
5.根据权利要求1所述的水泥环界面剪切强度和抗压强度的分析方法，其特征在于，步骤(4)中，随着温度和压力的同步增加，同一抗压强度对应的声波衰减率增大。
6.根据权利要求1所述的水泥环界面剪切强度和抗压强度的分析方法，其特征在于，步骤(4)中，水泥剪切强度与衰减率的关系类同于抗压强度与衰减率的关系，在相同的衰减率处抗压强度大于剪切强度。
7.根据权利要求1所述的水泥环界面剪切强度和抗压强度的分析方法，其特征在于，步骤(4)中，界面剪切强度随抗压强度的增大而增大，当抗压强度超过2000psi后剪切强度不再增大。
全文摘要
本发明公开了一种水泥环界面剪切强度和抗压强度的分析方法，包括如下步骤选择A1n和A1f为计算声波衰减率的声幅测量信息；整理声波测量数据；计算界面剪切强度、养护时间、声波衰减率；得到界面剪切强度、水泥抗压强度与对应的养护时间、声波衰减率的关系。通过本发明研究不同养护条件下水泥石抗压强度、水泥环界面胶结强度与声波测井响应之间的关系，为固井质量评价工作提供可靠的依据。
文档编号G01N3/08GK101017157SQ20061011356
公开日2007年8月15日 申请日期2006年9月30日 优先权日2006年9月30日
发明者魏涛 申请人:中国海洋石油总公司, 中海油田服务股份有限公司