一种利用超声波室内评价固井二界面胶结质量的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用超声波室内评价固井二界面胶结质量的方法，属于固井二界面领域。所述方法按照如下步骤进行操作：首先将固井二界面胶结模型与超声仪的发射换能器和接收换能器的表面粘接，然后使用超声仪测量经过所述固井二界面胶结模型的首波幅度和声速，最后根据上述方法测量所述固井二界面胶结模型的首波幅度和声速，由此判断所述固井二界面的胶结质量随养护时间变化的情况。本发明通过采用上述方法对固井二界面的胶结质量进行室内评价，不会造成固井二界面样品的破损，样品可以重复使用，从而实现了对固井二界面胶结质量随养护时间变化情况的判断，另外，该方法操作简单，数据重复性好，适合在实验室进行大量实验时使用。
【专利说明】一种利用超声波室内评价固井二界面胶结质量的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及固井二界面领域，特别涉及一种利用超声波室内评价固井二界面胶结 质量的方法。
【背景技术】
[0002] 固井是指在已经钻成的井眼内下入一定尺寸的套管，并在套管与井壁之间的环形 空间中注入水泥浆，从而进行封固的作业。在固井过程中，在套管与井壁之间的环形空间中 注入水泥浆后会形成水泥环(石)，水泥环(石）与地层(或套管）之间的胶结面即为固井二界 面，其模型示意图如图1所示。固井的目的是封隔疏松、易塌、易漏等复杂地层；封隔套管外 环形空间的油、气、水层，防止互相串通；形成油气通道；安装井口装置，控制油气流，以利 于安全钻井和保证油井的长期生产。而固井二界面的胶结质量的好坏直接影响到固井的质 量，进而影响到钻井的安全性和油井生产的长期性。
[0003] 在国内外的石油工程中，通过模拟固井二界面，进行室内评价固井二界面的胶结 质量，不仅可以考察固井二界面的封固能力，也为探索提高二界面的胶结质量的方法提供 依据。目前，室内评价固井二界面的胶结质量主要采用机械式剪切法。该方法按照如下步 骤进行操作：首先在高温高压条件下，在圆柱形人造岩心上包覆一层钻井液滤饼；然后将 带有滤饼的岩心放入固结模具中，在模具中带有滤饼的岩心周围注入水泥浆并在一定条件 下进行养护；最后将养护好的胶结模型放在压力试验机上进行测试，通过剪切作用，将岩心 压脱，测试岩心与水泥环的胶结强度。
[0004] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
[0005] 采用机械式剪切法对固井二界面的胶结质量进行室内评价的现有技术中，由于固 井二界面胶结模型会一次性被破坏，因此不能判断同一样品的固井二界面胶结质量随养护 时间连续变化的情况；同时，该方法操作复杂，不适合在实验室进行大量实验时使用。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种利用超声波室内评价固 井二界面胶结质量的方法。所述技术方案如下：
[0007] -种利用超声波室内评价固井二界面胶结质量的方法，所述方法按照如下步骤进 行操作：
[0008] 1)将固井二界面胶结模型置于超声仪的发射换能器与接收换能器之间的位置，并 将发射换能器表面与固井二界面胶结模型表面粘接，接收换能器表面与固井二界面胶结模 型表面粘接，所述固井二界面胶结模型用于模拟实际固井作业中的固井二界面；
[0009] 2)启动超声仪，发射换能器发射的声波经过所述固井二界面胶结模型，由接收换 能器接收，接收的声波经过处理后，获得声波信号中的首波幅度和声速；
[0010] 3)根据步骤2)所述的操作程序，测量通过模拟不同养护时间的固井二界面胶结模 型的声波的首波幅度和声速，由此判断所述固井二界面的胶结质量随养护时间连续变化的 情况。
[0011] 具体地，步骤1)中所述的固井二界面胶结模型由人造岩心、人造岩心上的滤饼和 水泥环构成；其中，所述人造岩心用于模拟地层岩石，人造岩心上的滤饼用于模拟钻井过程 中钻井液在压差作用下向地层渗滤后在地层岩石表面形成的滤饼，所述水泥环用于模拟固 井注水泥后套管与地层岩石之间的水泥环。
[0012] 具体地，步骤1)中所述固井二界面胶结模型按照如下操作程序制备：首先选取人 造岩心，然后模拟井下条件在所述人造岩心的侧面形成滤饼，随后将上述带滤饼的人造岩 心放入模具中，在模具中向所述人造岩心周围加入水泥浆，最后将模具放入恒温水浴锅或 高温高压养护釜中进行养护，得到固井二界面胶结模型。
[0013] 具体地,所述人造岩心为圆柱形。
[0014] 具体的，所述固井二界面胶结模型为正方体形。
[0015] 具体地，步骤1)中所述的粘接采用的粘合剂为水溶性高分子凝胶耦合剂。
[0016] 具体地，步骤1)中所述粘结采用的操作程序如下：将所述水溶性高分子凝胶耦合 剂涂覆在发射换能器表面、固井二界面胶结模型表面和接收换能器表面，然后将涂覆了水 溶性高分子凝胶耦合剂的发射换能器表面、固井二界面胶结模型表面粘结在一起，将涂覆 了水溶性高分子凝胶耦合剂的接收换能器表面与固井二界面胶结模型表面粘结在一起。
[0017] 具体地，步骤2)所述的"接收的声波经过处理"中的"处理"包括：放大滤波、采样、 数模转换和计算机软件波形分析。
[0018] 具体地，在步骤3)中所述的"判断所述固井二界面的胶结质量随养护时间连续变 化的情况"之前还包括：绘制首波幅度对养护时间的变化曲线、声速对养护时间的变化曲 线。
[0019] 具体的，所述步骤3)中所述判断所述固井二界面的胶结质量随时间连续变化的情 况包括判断不同水泥浆密度形成的所述固井二界面的胶结质量随时间连续变化的情况，以 及判断相同水泥浆密度形成的所述固井二界面的胶结质量随时间连续变化的情况。
[0020] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
[0021] 采用上述方法对固井二界面的胶结质量进行室内评价，不会造成固井二界面样品 的破损，样品可以重复使用，从而实现了对固井二界面的胶结质量随养护时间连续变化情 况的判断，为提高实际钻井工作中二界面的胶结质量提供可靠的参数。另外，该方法操作简 单，数据重复性好，适合在实验室进行大量实验时使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述的附图仅仅是对本发明的一些实施例的说明， 对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他的附图。
[0023] 图1是本发明实施例提供的固井二界面胶结模型示意图；
[0024] 图2是本发明实施例提供的带滤饼的人造岩心形成装置示意图；
[0025] 图3是本发明实施例提供的声波法测试二界面胶结质量原理图；
[0026] 图4是本发明实施例提供的不同密度的水泥浆与人造岩心构成的二界面胶结模 型的首波幅度随养护时间的变化曲线；
[0027] 图5是本发明实施例提供的不同密度的水泥浆与人造岩心构成的二界面胶结模 型的声速随养护时间的变化曲线。
[0028] 图1中各符号的含义如下：
[0029] 1模具(模拟套管)，2水泥环(模拟套管与地层岩石之间注入水泥浆后形成的水泥 环)，3人造岩心(模拟地层岩石)，4模具与水泥环之间的界面(模拟固井一界面)，5水泥环与 人造岩心之间的界面(模拟固井二界面）；
[0030] 图2中各符号的含义如下：
[0031] 1釜体，2上釜盖，3下釜盖，4加热套，5人造岩心，6人造岩心的中孔，7滤液出口；
[0032] 图4中各符号的含义如下：
[0033] 1密度为I. 50g/cm3水泥浆与人造岩心构成的二界面胶结模型的首波幅度随养护 时间的变化曲线，2密度为I. 70g/cm3水泥浆与人造岩心构成的二界面胶结模型的首波幅度 随养护时间的变化曲线，3密度为I. 90g/cm3水泥浆与人造岩心构成的二界面胶结模型的首 波幅度随养护时间的变化曲线，4密度为2. 10g/cm3水泥浆与人造岩心构成的二界面胶结模 型的首波幅度随养护时间的变化曲线，5密度为2. 30g/cm3水泥浆与人造岩心构成的二界面 胶结模型的首波幅度随养护时间的变化曲线；
[0034] 图5中各符号的含义如下：
[0035] 1密度为I. 50g/cm3水泥浆与人造岩心构成的二界面胶结模型的声速随养护时间 的变化曲线，2密度为I. 70g/cm3水泥浆与人造岩心构成的二界面胶结模型的声速随养护时 间的变化曲线，3密度为I. 90g/cm3水泥楽与人造岩心构成的二界面胶结模型的声速随养护 时间的变化曲线，4密度为2.lOg/cm3水泥浆与人造岩心构成的二界面胶结模型的声速随养 护时间的变化曲线，5密度为2. 30g/cm3水泥浆与人造岩心构成的二界面胶结模型的声速随 养护时间的变化曲线。
【具体实施方式】
[0036] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。
[0037] -种利用超声波室内评价固井二界面胶结质量的方法，所述方法按照如下步骤进 行操作：
[0038] 步骤100,参见图3,将固井二界面胶结模型置于超声仪的发射换能器与接收换能 器之间的位置，并将发射换能器表面与固井二界面胶结模型表面粘接，接收换能器表面与 固井二界面胶结模型表面粘接，所述固井二界面胶结模型用于模拟实际固井作业中的固 井二界面。
[0039] 步骤101，制备带滤饼的人造岩心。
[0040] 参见图2,在高温高压滤饼形成装置中模拟井下条件，按照本领域技术人员制备带 滤饼的人造岩心的常规方法，制备带滤饼的人造岩心。在制备过程中，根据井下实际条件选 择以下对滤饼的形成有影响的参数值：人造岩心的渗透率、滤饼的形成压力、滤饼的养护时 间、养护温度和钻井液体系，根据所选择的参数值制备带滤饼的人造岩心。本发明实施例 中，上述参数值均是本领域技术人员在制备带滤饼的人造岩心时的常规选择。
[0041]步骤102,制备固井二界面胶结模型。
[0042]所述固井二界面胶结模型用于模拟实际固井作业中的固井二界面，供固井二界面 胶结质量室内评价时使用。参见图1，所述固井二界面胶结模型由模具1、人造岩心3、人造 岩心上的滤饼（图中未画出）和水泥环2构成；其中，所述模具1用于模拟套管，所述人造岩 心用于模拟地层岩石，人造岩心上的滤饼用于模拟钻井过程中钻井液在压差作用下向地层 渗滤后在地层岩石表面形成的滤饼，所述水泥环用于模拟固井注水泥后，套管与地层岩石 之间形成的水泥环，模具与水泥环之间的界面4用于模拟固井一界面，水泥环与人造岩之 间的界面5用于模拟固井二界面。
[0043]所述固井二界面胶结模型按照如下方法进行制备：首先选取人造岩心，然后按照 步骤101所述的方法制备带滤饼的人造岩心，随后将上述带滤饼的人造岩心放入能够形成 固井二界面胶结模型的模具中，其中，所选择的模具是本领域技术人员在制备固井二界面 胶结模型时常规的选择。最后向模具中带滤饼的人造岩心周围加入水泥浆，并将模具放入 一定温度的恒温水浴锅或高温高压养护釜中养护一段时间，得到固井二界面胶结模型，其 中，所选择的养护温度和氧化时间是本领域技术人员在制备固井二界面胶结模型时的常规 选择。
[0044]固井二界面胶结模型的制备过程中，根据岩心渗透率、养护温度、养护时间等参数 对固井二界面胶结模型质量的影响选择参数值，本发明实施例中的上述参数值均是本领域 技术人员在制备固井二界面胶结模型时的常规选择。
[0045]本发明实施例中，人造岩心为圆柱形，形成的固井二界面胶结模型为正方体形。
[0046] 步骤103,参见图3,将固井二界面胶结模型置于超声仪的发射换能器与接收换能 器之间的位置。本发明利用声波法对固井二界面的胶结质量进行判断，所以，在使用超声仪 检测经过固井二界面胶结模型的首波振幅和声速时，将固井二界面胶结模型置于发射换能 器与接收换能器之间的位置，使发射换能器发射的声波经过所述固井二界面胶结模型后， 由接收换能器接收。
[0047] 步骤104,参见图3,将发射换能器表面与固井二界面胶结模型表面粘接，接收换 能器表面与固井二界面胶结模型表面粘接。具体按照如下步骤进行操作：首先选择水溶性 高分子凝胶耦合剂，将其涂覆在超声仪的发射换能器表面、固井二界面胶结模型表面和接 收换能器表面，然后将上述涂覆了水溶性高分子凝胶耦合剂的发射换能器表面与固井二界 面胶结模型表面在水溶性高分子凝胶耦合剂的耦合作用下粘结在一起，将涂覆了水溶性高 分子凝胶耦合剂的接收换能器表面与固井二界面胶结模型表面在水溶性高分子凝胶耦合 剂的耦合作用下粘结在一起。水溶性高分子凝胶耦合剂可以是超声仪自带的，也可以是在 市场上购买的。水溶性高分子凝胶耦合剂的种类、型号、用量以及涂覆厚度无特殊的要求和 规定，只要能够保证将换能器表面与固井二界面胶结模型的表面牢固的粘接在一起，没有 缝隙存在就可以。
[0048]本发明实施例中，测试前采用水溶性高分子凝胶耦合剂将发射换能器表面与固井 二界面胶结模型表面粘接在一起，使发射换能器与固井二界面胶结模型接触的部位不存在 缝隙；将接收换能器表面与固井二界面胶结模型表面粘接在一起，使接收换能器与固井二 界面胶结模型接触的部位不存在缝隙。经过上述操作，可以避免发射换能器与固井二界面 胶结模型之间、固井二界面胶结模型与接收换能器之间存在空气层。空气层的存在可能导 致从发射换能器发射的、经过固井二界面胶结模型后由接收换能器接收的声能在传递过程 中被反射，从而影响声波法对固井二界面胶结质量的评价结果，甚至导致评价过程的失败。
[0049] 步骤200,启动超声仪，所述超声仪的发射换能器发射的声波经过所述固井二界面 胶结模型，由所述超声仪的接收换能器接收，接收的声波经过处理后，获得声波信号中的首 波幅度和声速。
[0050] 其中，发射换能器的工作频率为50KHz，与声波测井所用发射换能器的工作频率 相当。
[0051] 本发明实施例中，由接收换能器接收的声波信号按照如下步骤进行处理：放大滤 波、采样、数模转换和计算机软件波形分析。所述获得声波信号中的首波幅度和声速的具体 过程为：由超声仪的发射换能器发射声波，声波经过固井二界面胶结模型后，由超声仪的接 收换能器将声波信号接收下来，接收下来的声波信号经常规的放大滤波、采样和数模转换 处理后，进入计算机，进入计算机的声波信号经过超声仪自带的波形分析软件处理后，最终 获得声波信号中的首波幅度和声速。
[0052] 步骤300,根据步骤200所述的操作程序，测量通过所述固井二界面胶结模型的声 波随养护时间连续变化的首波幅度和声速，判断所述固井二界面的胶结质量随养护时间连 续变化的情况。
[0053] 步骤301，根据步骤200所述的操作程序，测量通过所述固井二界面胶结模型的声 波随养护时间连续变化的首波幅度和声速。
[0054] 步骤302,将步骤301得到的随养护时间连续变化的首波幅度和声速绘制成首波 幅度对养护时间的变化曲线以及声速对养护时间的变化曲线。具体操作为：以时间为横坐 标，首波幅度为纵坐标，绘制首波幅度对养护时间的变化曲线；以时间为横坐标，声速为纵 坐标，绘制声速对4养护时间的变化曲线。
[0055] 步骤303,根据步骤302绘制的首波幅度对养护时间的变化曲线或声速对养护时 间的变化曲线，判断所述固井二界面的胶结质量随时间连续变化的情况。其中，判断所述固 井二界面的胶结质量随时间连续变化的情况包括：判断不同水泥浆密度形成的所述固井二 界面的胶结质量随时间连续变化的情况，以及判断相同水泥浆密度形成的所述固井二界面 的胶结质量随时间连续变化的情况。按照如下方法进行判断。
[0056] 两种判断方式的原理如下：
[0057] (1)根据首波幅度判断固井二界面的胶结质量的方法：声波的波幅反映声波的动 力学特征，即声波衰减变化的规律与特征。由于声波在介质中传播时，能量被逐渐吸收，声 波幅度会产生衰减。声波在介质中传播的时间越长，声波能量被吸收的越多，声波幅度衰减 的越多。一般可以利用首波幅度的变化研究声波幅度的衰减情况。首波幅度是超声仪接收 换能器接收到的第一个波前半周的幅值。声波在介质中传播的时间越长，则首波幅度衰减 的越多，首波振幅越低。因此，当声波投射到固井二界面胶结模型时，若模型的水泥环与岩 心之间胶结质量好，则声波在固井二界面上传播的时间短，被吸收的声波能量就小，声耦合 就高，投射过固井二界面被接收换能器接收到的声波能量就大，首波幅度就高。因此，首波 幅度越高，说明其对应的固井二界面的胶结质量越好，反之，固井二界面的胶结质量越差。
[0058] (2)根据声速判断固井二界面的胶结质量的方法：一般来说，材料内部越是致密， 弹性模量越高，其声速也就越高。如果材料内部有缺陷，或界面层胶结不好，声波会在缺陷 处多次反射，从而导致声速降低。声波传播速度可按照如下公式进行计算：
[0059]
【权利要求】
1. 一种利用超声波室内评价固井二界面胶结质量的方法，其特征在于，所述方法按照 如下步骤进行操作： 1) 将固井二界面胶结模型置于超声仪的发射换能器与接收换能器之间的位置，并将发 射换能器表面与固井二界面胶结模型表面粘接，接收换能器表面与固井二界面胶结模型表 面粘接，所述固井二界面胶结模型用于模拟实际固井作业中的固井二界面； 2) 启动超声仪，发射换能器发射的声波经过所述固井二界面胶结模型，由接收换能器 接收，接收的声波经过处理后，获得声波信号中的首波幅度和声速； 3) 根据步骤2)所述的操作程序，测量通过模拟不同养护时间的固井二界面胶结模型 的声波的首波幅度和声速，由此判断所述固井二界面的胶结质量随养护时间连续变化的情 况。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述的固井二界面胶结模型由人造 岩也、人造岩也上的滤饼和水泥环构成；其中，所述人造岩也用于模拟地层岩石，所述人造 岩也上的滤饼用于模拟钻井过程中钻井液在压差作用下向地层渗滤后在地层岩石表面形 成的滤饼，所述水泥环用于模拟固井注水泥后套管与地层岩石之间的水泥环。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1)所述的固井二界面胶结模型按照如 下操作程序制备：首先选取人造岩也，然后模拟井下条件在所述人造岩也的侧面形成滤饼， 随后将上述带滤饼的人造岩也放入模具中，在模具中向所述人造岩也周围加入水泥浆，最 后将模具放入恒温水浴锅或高温高压养护蓋中进行养护，得到固井二界面胶结模型。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述人造岩也为圆柱形。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述固井二界面胶结模型为正方体形。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述的粘接采用的粘合剂为水溶 性高分子凝胶禪合剂。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述粘结的操作程序如下：将所 述水溶性高分子凝胶禪合剂涂覆在发射换能器表面、固井二界面胶结模型表面和接收换能 器表面，然后将涂覆了水溶性高分子凝胶禪合剂的发射换能器表面、固井二界面胶结模型 表面粘结在一起，将涂覆了水溶性高分子凝胶禪合剂的接收换能器表面与固井二界面胶结 模型表面粘结在一起。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)所述的"接收的声波经过处理"中的 处理包括：放大滤波、采样、数模转换和计算机软件波形分析。
9. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3)判断所述固井二界面的胶结质量 随养护时间连续变化的情况之前还包括如下步骤：绘制首波幅度对养护时间的变化曲线、 声速对养护时间的变化曲线。
10. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中所述判断所述固井二界面的 胶结质量随时间连续变化的情况包括判断不同水泥浆密度形成的所述固井二界面的胶结 质量随养护时间连续变化的情况，W及判断相同水泥浆密度形成的所述固井二界面的胶结 质量随养护时间连续变化的情况。
【文档编号】G01N29/04GK104345088SQ201310341911
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年8月7日 优先权日:2013年8月7日
【发明者】胥志雄, 李晓春, 梁红军, 袁中涛, 李键, 郭小阳, 李早元, 李明, 周超, 程小伟 申请人:中国石油天然气股份有限公司