本發(fā)明涉及一種評(píng)價(jià)固井屏障完整性的方法，屬于石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

固井后，套管-水泥環(huán)-地層會(huì)形成一個(gè)膠結(jié)體，這個(gè)膠結(jié)體起到保護(hù)套管、支撐地層的作用，稱(chēng)之為固井屏障。如何提高井壁與套管間水泥環(huán)的密封質(zhì)量是固井工程長(zhǎng)期關(guān)注的問(wèn)題，固井水泥環(huán)的力學(xué)性能，關(guān)系到固井屏障的質(zhì)量和油氣井壽命。在油氣井生產(chǎn)服役過(guò)程中，固井屏障要受到各種載荷的作用，如經(jīng)套管傳遞的內(nèi)壓力的作用、地層巖石圍壓的作用、井眼溫度變化引起的溫度應(yīng)變和氣井的高壓沖擊等，而在整個(gè)油氣井壽命的周期內(nèi)，往往是多種載荷同時(shí)作用和發(fā)生變化，這些載荷的作用和變化，會(huì)導(dǎo)致固井屏障系統(tǒng)受力狀態(tài)的變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成固井屏障密封系統(tǒng)失效，出現(xiàn)環(huán)空冒氣和地層流體互竄的現(xiàn)象，水泥環(huán)失去對(duì)套管的保護(hù)作用，加速套管損壞，縮短油氣井壽命，輕者會(huì)造成環(huán)空竄流，影響建井周期，重者可能導(dǎo)致井報(bào)廢，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于固井水泥漿環(huán)密封完整性的預(yù)測(cè)以及數(shù)字模擬有很多研究，但是對(duì)于真正的模擬地層一二界面環(huán)境并對(duì)其進(jìn)行固井，利用測(cè)井儀器測(cè)得固井聲幅曲線的實(shí)驗(yàn)方法很少，這就使固井屏障完整性的評(píng)價(jià)存在很大的局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)固井屏障簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)評(píng)價(jià)的固井屏障完整性的方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種評(píng)價(jià)固井屏障完整性的方法，包括以下步驟：1)制作出呈上端開(kāi)口、下端封閉的筒狀結(jié)構(gòu)的模擬地層；2)將制作好的模擬地層置于桶中；3)將涂有鉆井液層的套管放入模擬地層中，放入后的套管與模擬地層具有同軸關(guān)系；4)在套管中通過(guò)固定蓋居中設(shè)置超聲探頭，超聲探頭與外部的示波器、脈沖發(fā)生接收儀和高速瞬態(tài)信號(hào)采集儀電連接；5)在桶中注水，水面高度低于模擬地層1的上端，套管中注滿(mǎn)水；6)根據(jù)NB/T1404.1-2015(頁(yè)巖氣固井工程)中水泥漿性能要求來(lái)確定水泥漿的配方比例，制備水泥漿；7)在套管與模擬地層的內(nèi)壁之間注入水泥漿，注入過(guò)程保證不形成氣泡，水泥環(huán)的上端面應(yīng)高于整個(gè)探頭頂部，待注入結(jié)束后，在桶中繼續(xù)注水，使水面沒(méi)過(guò)模擬地層且與套管上端面平齊，候凝；8)開(kāi)啟超聲探頭，利用脈沖發(fā)生接收儀測(cè)量獲得待測(cè)時(shí)間點(diǎn)的多個(gè)固井聲幅曲線，取固井聲幅曲線首波峰值介于中間的，波形清晰的固井聲幅曲線，讀出此固井聲幅曲線首波峰值；9)根據(jù)下述判據(jù)對(duì)固井完整性進(jìn)行判定：當(dāng)固井曲線首波峰值不高于50mv時(shí)，判定固井完整性為優(yōu)秀；當(dāng)固井曲線首波峰值在50mv與105mv之間時(shí)，判定固井完整性為合格但不優(yōu)秀；當(dāng)固井曲線首波峰值不低于105mv時(shí)，判定固井完整性為不合格。

所述步驟1)中的模擬地層的制作過(guò)程為：根據(jù)模擬地層的尺寸制作相應(yīng)的模具，按待模擬地層的巖性成分制備漿體倒入模具中制造出模擬地層。

在所述步驟3)中，套管外表面的鉆井液層通過(guò)疊層涂抹的方式形成，即先在套管的表面刷一遍鉆井液，待鉆井液晾干之后刷第二遍，直至鉆井液層的厚度達(dá)到預(yù)設(shè)值。

在所述步驟4)中，所述脈沖發(fā)生接收儀采用CTS-8077PR型脈沖發(fā)生接收儀用于測(cè)固井屏障的聲幅；所述數(shù)字示波器采用普源DS1104Z數(shù)字示波器，用于觀察接收器接受的聲波波形；所述高速瞬態(tài)信號(hào)采集儀用于對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)本發(fā)明將不同巖性地層和不同尺寸固井屏障與不同水泥漿體系的膠結(jié)性能做真實(shí)的室內(nèi)模擬，克服現(xiàn)有方法模擬與分析的不足，使得固井屏障的評(píng)價(jià)更加完整。2)本發(fā)明實(shí)驗(yàn)原理可靠，實(shí)驗(yàn)步驟清晰，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理歸納簡(jiǎn)單。3)本發(fā)明實(shí)驗(yàn)操作無(wú)需大量繁雜的工作。4)為現(xiàn)場(chǎng)不同巖性、不同井筒環(huán)境挑選合適的固井水泥漿體系提供參考意見(jiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種評(píng)價(jià)固井屏障完整性裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的實(shí)施例一的組合實(shí)驗(yàn)俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的實(shí)施例一的第48小時(shí)的固井聲幅曲線圖，其中縱坐標(biāo)每格刻度為0.2v；

圖4為本發(fā)明的實(shí)施例二的組合實(shí)驗(yàn)俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的實(shí)施例二的第48小時(shí)的固井聲幅曲線圖，其中縱坐標(biāo)每格刻度為0.2v；

圖6為本發(fā)明的實(shí)施例三的組合實(shí)驗(yàn)俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明的實(shí)施例三的第24小時(shí)的固井聲幅曲線圖，其中縱坐標(biāo)每格刻度為0.2v；

圖8為本發(fā)明的實(shí)施例三的第48小時(shí)的固井聲幅曲線圖，其中縱坐標(biāo)每格刻度為0.2v；

圖9為本發(fā)明的實(shí)施例四的第48小時(shí)的固井聲幅曲線圖，其中縱坐標(biāo)每格刻度為0.2v。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明提出了一種評(píng)價(jià)固井屏障完整性的方法，包括以下步驟：

1)制作出呈上端開(kāi)口、下端封閉的筒狀結(jié)構(gòu)的模擬地層1。

2)將制作好的模擬地層1置于桶2中。

3)將涂有鉆井液層5的套管3放入模擬地層1中，放入后的套管3與模擬地層1具有同軸關(guān)系。

4)在套管3中通過(guò)固定蓋6居中固定設(shè)置超聲探頭7，超聲探頭7與外部的示波器、脈沖發(fā)生接收儀和高速瞬態(tài)信號(hào)采集儀電連接。

5)在桶2中注水，水面高度低于模擬地層1的上端，套管中注滿(mǎn)水。

6)根據(jù)NB/T1404.1-2015(頁(yè)巖氣固井工程)中水泥漿性能要求來(lái)確定水泥漿的配方比例，制備水泥漿。

7)在套管3與模擬地層1的內(nèi)壁之間注入水泥漿，注入過(guò)程應(yīng)緩慢，盡量保證注入過(guò)程中不形成氣泡，水泥環(huán)4的上端面應(yīng)高于整個(gè)探頭7探測(cè)部分頂部，待注入結(jié)束后，在桶2中繼續(xù)注水，使水面沒(méi)過(guò)模擬地層1且與套管3上端面平齊，候凝，套管3表面的鉆井液層5在注入水泥漿后失水，體積縮減，在鉆井液層5與水泥環(huán)之間形成環(huán)間空隙。

8)開(kāi)啟超聲探頭7，利用脈沖發(fā)生接收儀采集獲得待測(cè)時(shí)間點(diǎn)的固井聲幅曲線，讀出固井聲幅曲線首波峰值，測(cè)量的時(shí)間點(diǎn)根據(jù)養(yǎng)護(hù)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行調(diào)整。

9)根據(jù)下述判據(jù)對(duì)固井完整性進(jìn)行判定：當(dāng)固井曲線首波峰值不高于50mv時(shí)，判定固井完整性為優(yōu)秀；當(dāng)固井曲線首波峰值在50mv與105mv之間時(shí)，判定固井完整性為合格但不優(yōu)秀；當(dāng)固井曲線首波峰值不低于105mv時(shí)，判定固井完整性為不合格。

上述實(shí)施例中，步驟1)中，為了能夠?qū)Σ煌瑤r性的地層進(jìn)行模擬，可以根據(jù)待模擬地層1的巖性成分制作相應(yīng)的模擬地層1。在制作每一個(gè)模擬地層1時(shí)，先制作出模具，然后根據(jù)該模擬地層1的巖性成分和比例制備漿體，再將漿體倒入模具中，待漿體漸成形且不流動(dòng)時(shí)將模具與模擬地層1分離，分離后的模擬地層1置于陰涼處使其中的成分充分水化，由此完成模擬地層1的制作。

上述實(shí)施例中，步驟3)中，套管3外表面的鉆井液層5可通過(guò)疊層涂抹的方式形成，即先在套管3的表面刷一遍鉆井液，待鉆井液晾干之后刷第二遍，直至鉆井液層5的厚度達(dá)到預(yù)設(shè)值。

上述實(shí)施例中，步驟4)中，利用CTS-8077PR型脈沖發(fā)生接收儀測(cè)固井屏障的聲幅，該儀器符合歐標(biāo)(EN12668：2000)探頭測(cè)試系統(tǒng)要求，具有極低噪聲和寬頻帶的接收放大器，并由高性能方波脈沖發(fā)生器和高壓電路組成先進(jìn)的發(fā)射電路，與數(shù)字示波器可組成對(duì)超聲探頭聲學(xué)特性的評(píng)價(jià)和性能指標(biāo)的測(cè)試，該探頭為一發(fā)一收聲波探頭，可模擬實(shí)際聲幅測(cè)井，探頭頻率為18Khz左右，與實(shí)際生產(chǎn)用的探頭20Khz接近。

上述實(shí)施例中，步驟4)中，利用數(shù)字示波器用于觀察接收器接受的聲波波形，可以采用普源DS1104Z數(shù)字示波器，該示波器帶寬為100MHz；有4個(gè)通道，單通道時(shí)實(shí)時(shí)采樣率為1GSa/s，標(biāo)配是單通道存儲(chǔ)深度為12Mpts，選配時(shí)單通道存儲(chǔ)深度為24Mpts，通過(guò)模擬和數(shù)字通道進(jìn)行混合信號(hào)分析。

上述實(shí)施例中，所述步驟4)中，利用高速瞬態(tài)信號(hào)采集儀對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將接收信號(hào)變?yōu)閿?shù)值量；計(jì)算機(jī)與高速瞬態(tài)信號(hào)采集儀連接，高速瞬態(tài)信號(hào)采集儀利用軟件通過(guò)網(wǎng)線對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采集，探頭探測(cè)到的波依次有套管波、地層波、水泥環(huán)波和鉆井液波。

本發(fā)明基于超聲探頭7對(duì)固井屏障完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其理論根據(jù)為當(dāng)套管3與水泥環(huán)4、模擬地層1的膠結(jié)程度不同時(shí)，通過(guò)脈沖發(fā)生接收儀測(cè)量得到的固井聲幅曲線圖有所不同。當(dāng)為自由套管時(shí)只產(chǎn)生套管波，其幅度大，固井聲幅測(cè)井往往以自由套管波幅度作刻度，套管波有規(guī)則，整個(gè)波型的包絡(luò)線有高的振幅和能量,延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)套管3僅與水泥環(huán)4膠結(jié)好時(shí)，大部分能量進(jìn)入水泥環(huán)4，因?yàn)樗喹h(huán)波衰減大，所以套管波幅度大大減?。惶坠懿ê蟪霈F(xiàn)的為水泥環(huán)波，水泥環(huán)波衰減無(wú)規(guī)則，幅度小，有時(shí)不顯示；無(wú)地層波；僅少量能量進(jìn)入環(huán)形流體層，進(jìn)入地層更少，最后出現(xiàn)的為鉆井液波。當(dāng)水泥環(huán)4與套管3和模擬地層1完全膠結(jié)好時(shí)，由于套管3、水泥環(huán)4和模擬地層1之間的聲耦合好，進(jìn)入套管3的大部分能量透射到模擬地層1，地層波幅度大，套管波幅度很小，疊加在地層波的末端。

下面通過(guò)具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明方法的評(píng)價(jià)效果：

特別說(shuō)明下述四個(gè)實(shí)施例中的四個(gè)模擬地層1是用相同比例成分的漿體制備而成的，下述四個(gè)實(shí)施例中的四個(gè)套管3是從同一根管子上截取的。

實(shí)施例一

1、自由套管實(shí)施過(guò)程如下：

1)制作出呈上端開(kāi)口、下端封閉的筒狀結(jié)構(gòu)的模擬地層1，其高為1200mm，外徑為φ500mm，內(nèi)徑為φ215.9mm。

2)將制作好的模擬地層1置于桶2中。

3)利用吊車(chē)將未涂有鉆井液層5的套管3放入模擬地層1中，套管3其外徑為φ139.7mm，內(nèi)徑為φ127.6mm，長(zhǎng)度為1200mm。放入后的套管3與模擬地層1具有同軸關(guān)系。

4)在套管3中通過(guò)固定蓋6居中固定設(shè)置超聲探頭7，超聲探頭7與外部的示波器、脈沖發(fā)生接收儀和高速瞬態(tài)信號(hào)采集儀電連接。

5)在桶2中注水，水面高度低于模擬地層1的上端，套管中注滿(mǎn)水。

6)因?yàn)楸緦?shí)施例觀察的是自由套管時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以不制備水泥漿以備后續(xù)使用。

7)在套管3與模擬地層1的內(nèi)壁之間注入水，注入過(guò)程應(yīng)緩慢，盡量保證注入過(guò)程中不形成氣泡，水的上端面應(yīng)高于整個(gè)探頭7探測(cè)部分頂部，待注入結(jié)束后，在桶2中繼續(xù)注水使水面沒(méi)過(guò)模擬地層1且與套管3上端面平齊。其俯視結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

8)開(kāi)啟超聲探頭7，利用CTS-8077PR脈沖發(fā)生接收儀采集獲得第48小時(shí)的波形清晰的固井聲幅曲線，讀出固井聲幅曲線首波峰值，即自由套管的聲幅，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3。

9)根據(jù)固井完整性的判定規(guī)則，測(cè)量的固井首波聲幅199.2mv大于105mv，說(shuō)明固井膠結(jié)不好，這種情況是固井屏障完整性最差的情況。

實(shí)施例二

2、當(dāng)套管3僅與水泥環(huán)4膠結(jié)的實(shí)施過(guò)程如下：

1)制作出呈上端開(kāi)口、下端封閉的筒狀結(jié)構(gòu)的模擬地層1，其高為1200mm，外徑為φ500mm，內(nèi)徑為φ215.9mm。

2)將制作好的模擬地層1置于桶2中。

3)利用吊車(chē)將未涂有鉆井液層5的套管3放入模擬地層1中，套管3其外徑為φ139.7mm，內(nèi)徑為φ127.6mm，長(zhǎng)度為1200mm。放入后的套管3與模擬地層1具有同軸關(guān)系。

4)在套管3中通過(guò)固定蓋6居中固定設(shè)置超聲探頭7，超聲探頭7與外部的示波器、脈沖發(fā)生接收儀和高速瞬態(tài)信號(hào)采集儀電連接。

5)在桶2中注水，水面高度低于模擬地層1的上端，套管3中注滿(mǎn)水。

6)用100份G級(jí)油井水泥、27.5份淡水、1份消泡劑、1份膠乳穩(wěn)定劑、5份膠乳、4份增韌劑、1份分散劑和0.5份緩凝劑來(lái)配制水泥漿。

7)在套管3與模擬地層1的內(nèi)壁之間注入水泥漿，注入過(guò)程應(yīng)緩慢，盡量保證注入過(guò)程中不形成氣泡，水泥環(huán)4的上端面應(yīng)高于整個(gè)探頭7探測(cè)部分頂部，待注入結(jié)束后，在桶2中注水，使水面高度與套管3上端面平齊，候凝，套管3表面的鉆井液層5在注入水泥漿后失水，體積縮減，在鉆井液層5與水泥環(huán)之間形成環(huán)間空隙。其俯視結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

8)開(kāi)啟超聲探頭7，利用CTS-8077PR脈沖發(fā)生接收儀采集獲得第48小時(shí)的波形清晰的固井聲幅曲線，讀出固井聲幅曲線首波峰值，其固井聲幅曲線見(jiàn)圖5。

9)根據(jù)固井完整性的判定規(guī)則，測(cè)量結(jié)果表面固井聲幅曲線首波峰值為62.44mv，說(shuō)明固井屏障完整性質(zhì)量合格，這種情況是固井屏障完整性最好的情況。

實(shí)施例三

3、水泥環(huán)4與套管3和模擬地層1都膠結(jié)好的情況一過(guò)程如下：

1)制作出呈上端開(kāi)口、下端封閉的筒狀結(jié)構(gòu)的模擬地層1，其高為1200mm，外徑為φ500mm，內(nèi)徑為φ215.9mm。

2)將制作好的模擬地層1置于桶2中。

3)利用吊車(chē)將涂有鉆井液層5的套管3放入模擬地層1中，套管3其外徑為φ139.7mm，內(nèi)徑為φ127.6mm，長(zhǎng)度為1200mm。放入后的套管3與模擬地層1具有同軸關(guān)系。

4)在套管3中通過(guò)固定蓋6居中固定設(shè)置超聲探頭7，超聲探頭7與外部的示波器、脈沖發(fā)生接收儀和高速瞬態(tài)信號(hào)采集儀電連接。

5)在桶2中注水，水面高度低于模擬地層1的上端，套管3中注滿(mǎn)水。

6)用100份G級(jí)油井水泥、27.5份淡水、1份消泡劑、1份膠乳穩(wěn)定劑、5份膠乳、4份增韌劑、1份分散劑和0.5份緩凝劑來(lái)配制水泥漿。

7)在套管3與模擬地層1的內(nèi)壁之間注入水泥漿，注入過(guò)程應(yīng)緩慢，盡量保證注入過(guò)程中不形成氣泡，水泥環(huán)4的上端面應(yīng)高于整個(gè)探頭7探測(cè)部分頂部，待注入結(jié)束后，在桶2中注水，使水面高度與套管3上端面平齊，候凝，套管3表面的鉆井液層5在注入水泥漿后失水，體積縮減，在鉆井液層5與水泥環(huán)之間形成環(huán)間空隙。其俯視結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

8)開(kāi)啟超聲探頭7，利用CTS-8077PR脈沖發(fā)生接收儀采集獲得第24小時(shí)和48小時(shí)的波形清晰的固井聲幅曲線，讀出固井聲幅曲線首波峰值，其固井聲幅曲線見(jiàn)圖7和圖8。

9)根據(jù)固井完整性的判定規(guī)則，測(cè)量結(jié)果表面固井聲幅曲線首波峰值為113.2mv和85.88mv，可以得知第24小時(shí)的固井屏障完整性不合格，第48小時(shí)的固井屏障完整性合格，這從一方面說(shuō)明了固井屏障完整性與膠結(jié)時(shí)間有關(guān)一定的關(guān)系。

實(shí)施例四

4、水泥環(huán)與套管和模擬地層都膠結(jié)好的情況二過(guò)程如下：

1)制作出呈上端開(kāi)口、下端封閉的筒狀結(jié)構(gòu)的模擬地層1，其高為1200mm，外徑為φ500mm，內(nèi)徑為φ215.9mm。

2)將制作好的模擬地層1置于桶2中。

3)利用吊車(chē)將涂有鉆井液層5的套管3放入模擬地層1中，套管3其外徑為φ139.7mm，內(nèi)徑為φ127.6mm，長(zhǎng)度為1200mm。放入后的套管3與模擬地層1具有同軸關(guān)系。

4)在套管3中通過(guò)固定蓋6居中固定設(shè)置超聲探頭7，超聲探頭7與外部的示波器、脈沖發(fā)生接收儀和高速瞬態(tài)信號(hào)采集儀電連接。

5)在桶2中注水，水面高度低于模擬地層1的上端，套管3中注滿(mǎn)水。

6)用100份G級(jí)油井水泥、43.75份淡水、0.125份消泡劑、0.25份分散劑、0.25份降失水劑和0.375份緩凝劑來(lái)配制水泥漿。

7)在套管3與模擬地層1的內(nèi)壁之間注入水泥漿，注入過(guò)程應(yīng)緩慢，盡量保證注入過(guò)程中不形成氣泡，水泥環(huán)4的上端面應(yīng)高于整個(gè)探頭7探測(cè)部分頂部，待注入結(jié)束后，在桶2中注水，使水面高度與套管3上端面平齊，候凝，套管3表面的鉆井液層5在注入水泥漿后失水，體積縮減，在鉆井液層5與水泥環(huán)之間形成環(huán)間空隙。

8)開(kāi)啟超聲探頭7，利用CTS-8077PR脈沖發(fā)生接收儀采集獲得第48小時(shí)的波形清晰的固井聲幅曲線，讀出固井聲幅曲線首波峰值，其固井聲幅曲線見(jiàn)圖9。

9)根據(jù)固井完整性的判定規(guī)則，測(cè)量結(jié)果表面固井聲幅曲線首波峰值為117.1mv，可以得知48小時(shí)的固井屏障完整性不合格，這說(shuō)明了固井屏障完整性與固井水泥漿體系有關(guān)系。

通過(guò)這個(gè)實(shí)例說(shuō)明不同的水泥漿體系的固井屏障的完整性不同。

通過(guò)上述四個(gè)實(shí)施例可以看出此方法可以評(píng)價(jià)固井屏障是否完整。

上述各實(shí)施例僅用于對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。