專利名稱：水泥環界面剪切超聲測試方法
技術領域：
本發明涉及一種固井質量探測實驗技術，具體說涉及一種水泥環界面剪切超聲測試方法。
背景技術：
目前，固井工程界普遍認為，在無水泥溝槽的條件下，水泥環的封隔性能主要取決于其與套管及與地層間兩個界面(分別稱為第一界面和第二界面)的膠結強度。膠結強度又分為液力膠結強度和剪切膠結強度。實驗表明，液力膠結強度大，則剪切膠結強度也大。當水泥環與套管緊密接觸時，水泥抗壓強度大，則該界面的液力膠結強度和剪切膠結強度也都大。可惜，還沒有人能導出這三者之間的嚴格關系。主要原因是，膠結強度不僅與水泥抗壓強度有關，還受界面粗糙程度、錐度、圓度及圍壓等因素的影響，情況相當復雜。所以，世界著名的道威爾·斯侖貝謝(Dowell Schlumberger)公司認為，在不同條件下測量液力膠結強度和剪切膠結強度的絕對值沒有什么對比意義。同時認為，剪切膠結強度幾乎與試樣的尺寸無關。
在地面條件下，由于存在難以消除的氣泡隨機干擾，液力膠結強度實驗結果離散性太大。有鑒于此，大慶油田羅長吉等人(1993年)對水泥環進行了剪切膠結強度實驗研究，得到了界面膠結強度隨時間的變化曲線。Nahm等人(1996年)通過界面剪切膠結強度研究泥漿轉化水泥漿(MTC)固結后的水泥環封隔性能，取得了重要認識。由以上兩項典型研究可以看出第一，固結工程界目前認為，剪切膠結強度是反映水泥環封隔性能的可行途徑；第二，尚無人研究膠結強度與聲波測井響應的關系。后者正是固井界與測井界都認為至關重要的聯系固井～測井之橋，而到目前為止卻未見研究先例。
雖然，測量在不同套管表面粗糙度、不同錐度和不同圓度情況下的膠結強度絕對值沒有什么價值，但是，在保證同一錐度和圓度的實驗條件下，使用同一種表面粗糙度的套管進行實驗，研究水泥膠結強度、圍壓與聲波測井響應之間的關系肯定是十分有意義的。因為它揭示了聲波響應反映水泥環膠結強度的能力，同時可反映聲波響應對于水泥環膠結強度的變化趨勢。這種變化趨勢與大量的驗竄資料結合起來，即可確定相應的測井評價標準。
聲波測井是現有檢查固井質量的方法技術中使用最廣泛、普遍認為較為有效的一種測井方法。G.M.Pardue等人(1962年)在地面條件下對水泥抗壓強度與聲波測井響應的關系進行了系統研究，并以此為基礎，建立了現在廣泛使用的聲波衰減率(或聲幅)與水泥石抗壓強度關系的諾模圖。Pardue的實驗為其后直到目前的固井質量評價奠定了基礎。現在，世界各主要的石油測井公司和國內的各個油田，都采用由該實驗結果制定的圖版進行固井質量評價。這種評價方法適用于利用套管滑行波類套管波幅度和衰減率的固井質量測井，諸如CBL/VDL和SBT等。根據圖版，將聲波測井信號轉換為水泥抗壓強度。新近推出的利用套管反射波類的固井質量測井(CET、PET、USI和CAST等)，根據由另外的實驗制定的圖版將反射波相對幅度轉換為水泥抗壓強度。由采集到的套管波幅度還可以轉化為膠結指數BI。用BI評價固井質量可以避免刻度不準確以及低密度水泥固井等因素的不利影響。
大量實踐表明，水泥環的封隔性能不僅與水泥膠結強度關系密切，而且也與水泥環的封隔長度關系相當密切。六十年代，通過在墨西哥灣油氣田的許多次驗竄實驗中，人們發現保證水泥環封隔的最小封隔長度與套管尺寸有關。在應用國外的評價技術過程中，我國石油科技人員發現當BI＜0.8時水泥環仍有可能起到封隔作用，只要BI＞0.6并且最小封隔長度更長一些。
但是，現有技術中，并沒有揭示出井下各種參數相互之間的關系。例如，沒有揭示在不同圍壓條件下養護的水泥環的液力膠結強度、剪切膠結強度與水泥抗壓強度之間的關系，剪切膠結強度、水泥抗壓強度與測井響應之間的關系，以及界面剪切破壞后的測井響應變化等。
發明內容
本發明所解決的技術問題是提供一種水泥環界面剪切超聲測試方法，對于給定的水灰比和不同的養護時間，能夠通過測量在不同養護溫度和養護壓力條件下水泥環界面膠結強度和對應的聲波測井響應，與同樣條件下養護的水泥試樣的單軸水泥抗壓強度測量值結合起來，能夠研究不同養護條件下水泥石抗壓強度、水泥環界面膠結強度與聲波測井響應之間的關系。
技術方案如下水泥環界面剪切超聲測試方法包括如下步驟(1)將按比例配置的水泥漿注入內層套管和外層套管之間，直到水泥漿達到指定的高度；(2)在環空水泥頂面放置薄層隔板，防止其上的水與水泥漿混合；(3)向內層套管內和外層套管外灌水，一直將壓力容器灌滿；(4)在內層套管內垂直、同心地安置聲波測量儀器；(5)蓋緊壓力容器的上蓋，通過上蓋的上蓋通孔繼續向壓力容器中灌水，直到把壓力容器頂部的空氣都排盡；(6)連接加溫電源線路和所有溫度、壓力傳感器與聲波測量電路，并接通電源；(7)啟動計算機；(8)對壓力容器進行加溫，等到溫度接近給定值時，對壓力容器內部泵入液體，將液壓提高到給定值；(9)第一次聲波測量，測量的參數包括套管波到時、E1峰幅度、E2峰幅度或者E3峰幅度；(10)水泥漿進入恒溫恒壓養護階段，計算機自動控制壓力容器內部的溫度和液壓力；(11)每隔一定時間進行一次聲波測量，并且在水泥達到了給定的強度時，再進行一次聲波測量；(12)當系統進入膠結強度測試階段時，進行膠結強度測試，測試完畢后，再一次進行聲波測量。
進一步，步驟(1)具體為(100)將內層套管和外層套管垂直而同心地放置在壓力容器中，在壓力容器的底部涂上一層黃油，再放置一塊薄層隔板；(101)根據水泥配方要求配制水泥漿；(102)將水泥漿注入兩層套管之間的環形空間內，直注到指定的高度。
進一步，步驟(11)中，所述聲波測量得到聲波相應，所述聲波相應包括近波形和遠波形。
進一步，進一步包括步驟(13)，分析得到的參數和實時記錄曲線。
進一步，步驟(13)中，所述分析的數據包括界面剪切強度、養護時間或者聲波衰減率。
進一步包括如下步驟(14)壓力容器泄壓，加溫、液壓和聲波測量系統斷電；(15)按計算機ESC鍵，退回到主菜單；(16)等壓力容器溫度降低到可以操作的時候，打開壓力容器，取出聲波測量儀器，取出經水泥固結的內、外層套管；(17)清除壓力容器中的水和水泥碎屑；(18)壓力容器冷卻；(19)單軸水泥抗壓強度試驗；(20)準備下一個水泥環膠結和聲波響應實驗。
技術效果如下對于給定的水灰比和不同的養護時間，通過測量在不同養護溫度和養護壓力條件下水泥石抗壓強度、水泥環界面膠結強度和對應的聲波測井響應，研究不同養護條件下水泥石抗壓強度、水泥環界面膠結強度與聲波測井響應之間的關系。
圖1是水泥環界面剪切超聲測試儀的結構示意圖；
圖2是水泥養護階段測量儀器內部的溫度與壓力的函數圖；圖3是水泥環膠結強度測試階段的測試曲線。
具體實施例方式
如圖1所示，水泥環界面剪切超聲測試儀的優選實施例，包括油箱10、油泵8，油箱10和油泵8通過管路相連接。在壓力容器11的上部設置有上蓋3，上蓋3設置有上蓋通孔15。壓力容器11的內部設置有外層套管2，在外層套管2的內部設置有內層套管1，內層套管1的高度低于外層套管2。壓力容器11的下部設置有活塞7，活塞7的上部和內層套管1的下部相接觸，活塞7的下部設置有推力油缸6，活塞通過推力油缸6獲得向上的推力。推力油缸6在側邊設置有推力油缸孔14，通過管路將該推力油缸孔14和油泵8相連接。壓力容器11在側壁的上部設置有加壓孔12，通過管路將該加壓孔12和油泵8相連接。內層套管1的內部設置有聲波測量儀器4，聲波測量儀器4通過線路和計算機9相連接，油泵8通過計算機9獲得控制信號。
聲波幅度測量的采集精度存在檔差問題。但衰減率測量可以避免聲波幅度測量檔差的問題。只要近波形和遠波形的幅度測量精度足夠高，且在同一個檔采集和顯示波形，衰減率測量的精度就足夠高。受壓力容器內部尺寸的限制，內層套管1的內部設置有聲波測量儀器4的短源距R1設計為140mm，長源距R2為260mm。
為了調節或者模擬壓力容器11內的水泥漿5的溫度，在壓力容器11內設置有加熱片，利用加熱片對壓力容器11內的流體和水泥漿進行加熱。
密封再好，也不可避免地存在壓力泄漏。隨著時間的推移，壓力容器11中的壓力也會逐漸下降。另外，由于溫度傳遞的滯后性和慣性，在加溫過程中經常出現壓力容器內11壓力過大的現象。所以，裝置上安裝穩定液壓系統是十分必要的。當液壓力在目標養護壓力基礎上再下降100psi時，程序控制系統自動啟動液壓泵加壓，一直加到目標養護壓力為止；當液壓力在目標養護壓力基礎上再上升100psi時，程序控制系統自動啟動電磁閥門泄壓，一直泄到目標養護壓力為止。
水泥漿在給定的溫度和壓力(模擬給定的井深)條件下在內層套管1和外層套管2之間養護一段時間后，固定外層套管2，用位于內層套管1底部的活塞7向內層套管1施加一個向上的推力，以此測量水泥剪切膠結強度。由于內層套管1的外表面面積比外層套管2的內表面面積小得多，推力必然使內層套管1作剪切位移而并不破壞水泥環與外層套管2之間的膠結。
防護罩套在壓力容器11的外面，防止流體直接從壓力容器11中泄出，當壓力容器11內的液壓力高于實驗給定壓力值100psi時，電磁閥門自動開啟排泄孔13進行泄壓。
本優選實施例的主要技術參數如下1、最高工作液壓力5000psi(35Mpa，或350atm.)；2、最高工作溫度80℃；3、衰減率測量間距120mm；4、活塞7最大推力80000kg；5、水泥養護期溫度波動±2℃；6、水泥養護期液壓波動±100psi(±0.69Mpa，或±6.9atm.)；7、界面剪切強度測試期液壓波動±100psi(±0.69Mpa，或±6.9atm.)；8、壓力容器內最大垂向溫差±2℃；9、壓力容器內的最高升溫速率1.5℃/min.；10、剪切膠結強度測量時間10sec.～2min.；11、設計最大界面剪切強度1000psi(7Mpa，或70atm.)；12、發射換能器頻率(在清水中)40kHz；13、內層套管1外徑(OD)2-7/8″(73mm)；14、內層套管1內徑(ID)57.4mm；15、內層套管1壁厚0.3079″(7.8mm)；16、內層套管1長度380mm；
17、外層套管2外徑(OD)5″(127mm)；18、外層套管2長度400mm；19、爆裂盤額定承壓力6000psi(42Mpa，或420atm.)20、系統斷電時的容器內液壓力8000psi(56.2Mpa，或562atm.)；21、水泥養護期的溫度時間采樣率1次/sec.；22、水泥養護期的壓力時間采樣率1次/sec.；23、界面剪切強度測試期推力時間采樣率0.055次/sec.。
水泥界面剪切膠結強度與水力膠結強度具有等效作用，都可用來反映水泥與套管的膠結力。由于CBL測井利用對界面剪切強度最為敏感的套管波來檢測水泥與套管的膠結質量，因而研究CBL測井響應與剪切膠結強度之間的關系是很有意義的。
剪切膠結強度等于峰值推力與套管外表面(即套管-水泥環接觸面積)之比。
本次實驗利用置于井軸上的單極子聲源和單發雙收聲波測量裝置，測量內層套管1上的滑行波衰減率，以此模擬井下的CBL測井和SBT測井。
在實驗尺寸與實際尺寸不同的情況下進行實驗的條件是，各種實驗模型的幾何參數和物理參數必須滿足相似性準則。
固井工程界通過實驗已經得知，剪切膠結強度幾乎與試樣的尺寸無關。所以，對于本次研究的水泥環剪切膠結強度測量來說，用縮小模型進行膠結強度實驗是可行的。
另一方面，還要考慮聲波測量在縮小模型中的情況。在聲學理論中，相似性準則可用下式表達M=Mr×MλMv]]>其中，Mv為模型井與實際井的聲速之比；Mr為模型井與實際井的半徑之比；Mλ為模型井與實際井眼中的聲波波長之比。
模型井的聲速與實際井的聲速一致，即Mv＝1。取模型井與實際井的半徑之比約為Mr＝0.5，所以，為保證聲學測量結果與實際井下測量結果一致，即達到M＝1，應有模型井與實際井的聲波波長之比Mλ＝0.5。聲波波長λ、聲波頻率f和聲波速度v的關系式為λ=vf]]>由于聲波傳播途徑中的聲學介質相同，聲速v相等，為使Mλ＝0.5，就要使模型井與實際井的頻率之比為2。實際并中CBL測井聲波頻率為20kHz，因而模型井中的聲波頻率應為40kHz。為了解決源距矛盾，采取單發雙收聲系測量聲波衰減率的辦法。
受壓力容器內部尺寸的限制，短源距(圖1中的T-R1)設計為140mm，長源距(T-R2)為260mm。
在上述的水泥環界面剪切超聲測試儀的基礎上，測試方法如下1、將內層套管1和外層套管2垂直而同心地放置在壓力容器中，在壓力容器的底部涂上一層黃油，再放置一塊薄層隔板。
1、根據水泥配方要求配制水泥漿5。
水泥品種嘉華G級(高抗)；水質塘沽自來水；外加劑品種和摻量TD-80(1.5％)，TD-801(0.15％)；水灰比0.44。
2、小心謹慎地將水泥漿5注入兩層套管之間的環形空間內，注意防止水泥漿5倒到內層套管1內或外層套管2外，一直注到指定的高度。
3、在環空水泥頂面放置薄層隔板，防止其上的水與水泥漿混合。
4、向內層套管1內和外層套管2外灌水，一直將壓力容器灌滿。
5、在內層套管1內垂直、同心地安置聲波測量儀器。
6、蓋緊壓力容器的上蓋3，由上蓋3上的上蓋通孔15繼續向壓力容器中灌水，并一邊用改錐或其它物件在容器的頂部攪動一邊灌水，直到把壓力容器頂部的空氣都排盡。
7、連接加溫電源線路和所有溫度、壓力傳感器與聲波測量電路。
8、接通電源。
9、啟動計算機并進入WINDOWS95。
10、對壓力容器進行加溫。
11、等到溫度接近給定值時，對壓力容器內部泵入液體，將液壓提高到給定值。
12、進行第一次聲波測量。
測量以下參數套管波到時、E1峰幅度、E2峰幅度和E3峰幅度。
13、在鍵盤上按F2，水泥漿5進入恒溫恒壓養護階段，計算機自動控制壓力容器內部的溫度和液壓力。
首先，說明計算機的溫度控制。
水泥漿候凝開始時的溫度升高速度是模擬水泥漿在井眼內流動過程中溫度升高的速度，需要考慮升溫速率和熱量傳導和對流。
(1)升溫速率A、水泥漿在泵入井內時在套管內的流動速度V；B、當地的地溫梯度T。
塔里木盆地的地溫梯度一般為T＝2.1℃/100米，設水泥漿在井內的流動速度為72米/分鐘(即1.2米/秒)，則壓力容器內流體的升溫速率應為t＝T×V＝(2.1×72)/100＝1.51℃/分鐘。
(2)熱量傳導和對流利用加熱片對壓力容器內的流體和水泥漿加熱。在容器內，熱的輻射是很小的，可以忽略不計。熱量主要以傳導和對流的方式傳遞。
在初始升溫階段，熱量從容器外表面開始由外向里徑向傳導，傳導次序為壓力容器外壁、外層套管2外的水、外層套管2、水泥漿5、內層套管1和內層套管1內的水。但在恒溫養護階段，熱量不斷向外散失，如果不加熱，徑向上由內至外溫度逐層降低。由于溫度傳導具有很大的慣性，內外溫度就總有一個時間差。嚴格地說，在容器的軸向上溫度也是不均衡的。這就要求加溫按照一定的程序進行。為此，分別在容器的上、中、下三個位置裝上溫度傳感器，再利用程控加熱方式使容器內的最大溫差小于2℃，并且各點溫度與目標養護溫度的差別小于2℃。
另一方面，熱量在軸向上發生對流，水熱者變輕上升，較冷者下沉。所以，加熱片在縱向上的分布應不均衡，下部功率比上部大得多。
加熱片之外是隔熱層，它和最外面的不銹鋼外套一起，構成壓力容器的外保護層。由這個保護層向外輻射的熱量非常少。但是，壓力容器的兩端無法隔熱，大量熱量從此(尤其是上端)散失。因此，需要在水泥養護的過程中按程序控制啟動加熱片，以補充散失的熱量。
接下來，說明計算機對壓力的控制。
(1)升壓原理實驗開始時壓力容器中已經灌滿水，在需要升壓的時候啟動液壓泵。由于水可壓縮性很小，故向容器中加入很少的液壓油即可使其壓力升高較大。液壓油加入量，視當前壓力與給定的目標養護壓力之差而定。壓力之差越大，所加的油就越多。
(2)穩壓原理密封再好，也不可避免地存在壓力泄漏。隨著時間的推移，容器中的壓力也會逐漸下降。另外，由于溫度傳遞的滯后性和慣性，在加溫過程中經常出現容器內壓力過大的現象。所以，裝置上安裝穩定液壓系統是十分必要的。當液壓力在目標養護壓力基礎上再下降100psi時，程序控制系統自動啟動液壓泵加壓，一直加到目標養護壓力為止；當液壓力在目標養護壓力基礎上上升100psi時，程序控制系統自動啟動電磁閥門泄壓，一直泄到目標養護壓力為止。
在系統的“膠結強度測試”模式下，液壓泵轉向推動活塞上移，系統最大推力可達80噸。
壓力容器設計最高工作壓力為5000psi；當容器內的液壓力高于實驗給定壓力值100psi時，電磁閥門自動開啟泄壓；當液壓超過7000psi時，系統自動斷電；當液壓超過6000psi時，爆裂盤爆裂，排泄通道立即大口徑暢通，從而立即泄壓。
14、每隔大約2小時，進行一次聲波測量。
15、在水泥達到了給定的強度時，再進行一次聲波測量。
16、在鍵盤上按F3，系統進入膠結強度測試階段。
17、膠結強度測試完畢后，最后一次進行聲波測量。
18、分析實驗得到的各種實時記錄曲線。
下列條件①水泥養護階段的溫度和壓力達到給定值，且波動范圍符合規定；②水泥強度測試階段的液壓曲線仍然保持在壓力給定值，且波動范圍符合規定；③由水泥強度測試階段的推力曲線和位移曲線推知，水泥環確實相對于內層水泥環發生了明顯的位移(≥2mm)；④聲波測量正確。
如果上述條件成立，那么，說明本次實驗成功。
19、壓力容器泄壓，加溫、液壓和聲波測量系統斷電；20、按計算機ESC鍵，退回到主菜單；21、等壓力容器溫度降低到可以操作的時候，打開壓力容器，取出聲波測量儀器，取出經水泥固結的內、外層套管；22、清除壓力容器中的水和水泥碎屑；23、壓力容器冷卻；24、單軸水泥抗壓強度試驗；25、準備下一個水泥環膠結和聲波響應實驗。
通過實驗，取得了大量的數據。
如圖2所示，得到水泥養護期間實時記錄的溫度、壓力曲線。
如圖3所示，得到界面膠結強度測試期間實時記錄的推力、位移、溫度和壓力曲線。
每次實驗在水泥養護過程中，用實驗的聲波儀器隔一段時間測量一次聲波響應，它們分別是近波形首波傳播時間Tn，第1正峰A1n，第1負峰A2n和第2正峰A3n；遠波形首波傳播時間Tf，第1正峰A1f，第1負峰A2f和第2正峰A3f。
對于水泥膠結強度實驗，在每次實驗中測量活塞總推力Ft，并由推力曲線讀出基線推力Fb。
權利要求
1.一種水泥環界面剪切超聲測試方法，包括如下步驟(1)將按比例配置的水泥漿注入內層套管和外層套管之間，直到水泥漿達到指定的高度；(2)在環空水泥頂面放置薄層隔板，防止其上的水與水泥漿混合；(3)向內層套管內和外層套管外灌水，一直將壓力容器灌滿；(4)在內層套管內垂直、同心地安置聲波測量儀器；(5)蓋緊壓力容器的上蓋，通過上蓋的上蓋通孔繼續向壓力容器中灌水，直到把壓力容器頂部的空氣都排盡；(6)連接加溫電源線路和所有溫度、壓力傳感器與聲波測量電路，并接通電源；(7)啟動計算機；(8)對壓力容器進行加溫，等到溫度接近給定值時，對壓力容器內部泵入液體，將液壓提高到給定值；(9)第一次聲波測量，測量的參數包括套管波到時、E1峰幅度、E2峰幅度或者E3峰幅度；(10)水泥漿進入恒溫恒壓養護階段，計算機自動控制壓力容器內部的溫度和液壓力；(11)每隔一定時間進行一次聲波測量，并且在水泥達到了給定的強度時，再進行一次聲波測量；(12)當系統進入膠結強度測試階段時，進行膠結強度測試，測試完畢后，再一次進行聲波測量。
2.根據權利要求1所述的水泥環界面剪切超聲測試方法，其特征在于，步驟(1)具體為(100)將內層套管和外層套管垂直而同心地放置在壓力容器中，在壓力容器的底部涂上一層黃油，再放置一塊薄層隔板；(101)根據水泥配方要求配制水泥漿；(102)將水泥漿注入兩層套管之間的環形空間內，直注到指定的高度。
3.根據權利要求1所述的水泥環界面剪切超聲測試方法，其特征在于，步驟(11)中，所述聲波測量得到聲波相應，所述聲波相應包括近波形和遠波形。
4.根據權利要求1所述的水泥環界面剪切超聲測試方法，其特征在于，進一步包括步驟(13)，分析得到的參數和實時記錄曲線。
5.根據權利要求4所述的水泥環界面剪切超聲測試方法，其特征在于，步驟(13)中，所述分析的數據包括界面剪切強度、養護時間或者聲波衰減率。
6.根據權利要求4所述的水泥環界面剪切超聲測試方法，其特征在于，進一步包括(14)壓力容器泄壓，加溫、液壓和聲波測量系統斷電；(15)按計算機ESC鍵，退回到主菜單；(16)等壓力容器溫度降低到可以操作的時候，打開壓力容器，取出聲波測量儀器，取出經水泥固結的內、外層套管；(17)清除壓力容器中的水和水泥碎屑；(18)壓力容器冷卻；(19)單軸水泥抗壓強度試驗；(20)準備下一個水泥環膠結和聲波響應實驗。
全文摘要
本發明公開了一種水泥環界面剪切超聲測試方法，包括如下步驟將按比例配置的水泥漿注入內層套管和外層套管之間，直到水泥漿達到指定的高度；向內層套管內和外層套管外灌水，一直將壓力容器灌滿；在內層套管內垂直、同心地安置聲波測量儀器；連接加溫電源線路和所有溫度、壓力傳感器與聲波測量電路，并接通電源；對壓力容器進行加溫，等到溫度接近給定值時，對壓力容器內部泵入液體，將液壓提高到給定值；每隔一定時間進行一次聲波測量，并且在水泥達到了給定的強度時，再進行一次聲波測量；當系統進入膠結強度測試階段時，進行膠結強度測試，測試完畢后，最后一次進行聲波測量。
文檔編號E21B47/14GK101016837SQ20061011356
公開日2007年8月15日 申請日期2006年9月30日 優先權日2006年9月30日
發明者魏濤 申請人:中國海洋石油總公司, 中海油田服務股份有限公司