自制固井質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在測(cè)井專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

陳雪蓮

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 山東 青島 266580)

自制固井質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在測(cè)井專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

陳雪蓮

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 山東 青島 266580)

針對(duì)石油測(cè)井專業(yè)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)操作困難且測(cè)井儀器是在井下工作，具有不可逆、不可視以及高成本和高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，闡述了在實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)固井質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方法和技術(shù)，為在實(shí)驗(yàn)室開展設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供了條件。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 固井質(zhì)量； 本科教育

目前，很多高校以實(shí)施“精英型、特色型和研究型”本科教育為指導(dǎo)，以促進(jìn)學(xué)生的“全面化、個(gè)性化和最大化”發(fā)展為目標(biāo)，在培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、專業(yè)精深、實(shí)踐力強(qiáng)的高素質(zhì)人才時(shí)，理論教育與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合非常適用于本科教育[1-3]。通過科學(xué)優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，突出學(xué)生工程意識(shí)、創(chuàng)新精神、研究能力的培養(yǎng)[4-6]，將學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育落實(shí)到各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

從廣義上講，測(cè)井也叫地球物理測(cè)井或礦場(chǎng)地球物理，簡(jiǎn)稱測(cè)井，是利用巖層的電化學(xué)特性、導(dǎo)電特性、聲學(xué)特性、放射性等地球物理特性[7]測(cè)量地球物理參數(shù)的方法，屬于應(yīng)用地球物理方法(包括重、磁、電、震、核)之一。通常測(cè)井時(shí)，利用電、磁、聲、熱、核等物理原理制造的各種測(cè)井儀器，由測(cè)井電纜下入井內(nèi)，使地面電測(cè)儀可沿著井筒連續(xù)記錄隨深度變化的各種參數(shù)。測(cè)井專業(yè)的本科生雖然有生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)境，但出于安全因素考慮，一般學(xué)生實(shí)習(xí)時(shí)主要以現(xiàn)場(chǎng)觀摩為主，測(cè)井儀器是現(xiàn)成的，對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)還需要通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)一步加強(qiáng)。以聲波測(cè)井中的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例，本文闡述了如何在實(shí)驗(yàn)室重構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)井過程，建立一套完整的聲波測(cè)井教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井儀器的響應(yīng)特征，為本科教學(xué)提供設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)條件。由于石油測(cè)井專業(yè)的專業(yè)性很強(qiáng)，市場(chǎng)上很難買到實(shí)驗(yàn)室直接可用的測(cè)井系統(tǒng)供學(xué)生實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)均需要教師自制完成。

1 固井質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制的目的和意義

對(duì)于畢業(yè)后大多從事測(cè)井領(lǐng)域工作的大學(xué)生而言，在學(xué)習(xí)應(yīng)用地球物理理論課程的同時(shí)，充分進(jìn)行各種測(cè)井方法的原理性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練是十分必要的，專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的結(jié)果直接影響學(xué)生畢業(yè)后在生產(chǎn)實(shí)踐中的工作能力。目前，我校聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)設(shè)備不完善，實(shí)驗(yàn)課開設(shè)的項(xiàng)目少，因此，建立一套完整的聲波測(cè)井教學(xué)系統(tǒng)十分迫切。

固井質(zhì)量決定油井的產(chǎn)能,目前，聲波測(cè)井是唯一有效評(píng)價(jià)固井質(zhì)量的方法。對(duì)固井質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，找出膠結(jié)不好的位置進(jìn)行修補(bǔ)，可以有效地改善油井的產(chǎn)能。用于進(jìn)行固井質(zhì)量評(píng)價(jià)、檢測(cè)套管與水泥環(huán)串漏等系列井下問題的方法，涵蓋了聲波測(cè)井的速度和幅度測(cè)量、全波列記錄等系列工作原理方式，具有典型代表意義。聲幅測(cè)井主要用來檢測(cè)第I界面膠結(jié)情況，變密度可以檢測(cè)第II界面的膠結(jié)情況。結(jié)合本學(xué)科開設(shè)的“聲波測(cè)井”課程的教學(xué)大綱，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立一整套固井質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，闡釋聲波基本工作原理、模擬現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)井過程，有利于學(xué)生從方法、原理、儀器結(jié)構(gòu)、測(cè)井過程以及數(shù)據(jù)處理等方面對(duì)聲波測(cè)井有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)和理解，同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理和顯示，可讓學(xué)生真正觀測(cè)到地層模型的信息，并可以根據(jù)理論學(xué)習(xí)的解釋方法來分析地層，促進(jìn)動(dòng)手實(shí)踐能力的提高和理論知識(shí)的鞏固。

2 固井質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)的組成和功能

固井質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括套管井實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、縮小比例的聲系結(jié)構(gòu)、聲波激勵(lì)信號(hào)源、數(shù)據(jù)采集軟件和波形顯示等5部分。整個(gè)系統(tǒng)將聲幅、聲波全波列等常規(guī)聲波測(cè)量、電纜傳輸及地面控制處理等一套從井下到地面完整的測(cè)井系統(tǒng)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)于學(xué)生完整認(rèn)識(shí)測(cè)井系統(tǒng)、從事測(cè)井系統(tǒng)的操作及開發(fā)具有重要意義，結(jié)合現(xiàn)有的裸眼井模型還可以給學(xué)生模擬常規(guī)裸眼井聲波測(cè)井過程。

2.1 套管井實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際井眼直徑約20 cm左右，井深約幾km，若在實(shí)驗(yàn)室鉆取實(shí)際井大小的實(shí)驗(yàn)井不僅浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)空間，而且需要投入大量的資金。因此，在開設(shè)固井質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)，為了使實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究工作與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作的情況具有相似的效果，要求實(shí)驗(yàn)室模型井的尺寸與聲波換能器的尺寸和頻率之間的比例關(guān)系與實(shí)際的聲波測(cè)井情況下各參數(shù)之間滿足相似性原理[8]。按照10∶1的比例制作了若干小型模擬井，用于學(xué)生研究水泥的各種膠結(jié)狀況對(duì)聲波測(cè)井波形的影響。本實(shí)驗(yàn)共制作了30只縮小型的套管模型井，包含I界面膠結(jié)差、I界面膠結(jié)良好、I界面由膠結(jié)差到膠結(jié)良好的漸變過程、I界面存在環(huán)形竄槽、I界面膠結(jié)良好II界面膠結(jié)差、I界面膠結(jié)良好II界面膠結(jié)良好、I界面膠結(jié)差I(lǐng)I界面膠結(jié)差以及I界面膠結(jié)差I(lǐng)I界面膠結(jié)良好等8種膠結(jié)狀況的套管井模型。為學(xué)生觀測(cè)、分析各種固井膠結(jié)狀況下全波列波形的特征提供了可能。

圖1是制作模型的模具。模擬套管采用長(zhǎng)度為0.5 m, 內(nèi)、外直徑分別為15.6 mm和17 mm的鋼管，水泥環(huán)的厚度一般為3 mm。在制作水泥泥漿時(shí)使用了適量的水泥、膨脹劑、減水劑，所有這些材料均需要過0.1 mm的篩。采用了2種方式來模擬套管與水泥膠結(jié)之間的竄槽。一種方法是將膠帶粘結(jié)在鋼管上來實(shí)現(xiàn)。膠帶的寬度為17 mm、單層厚度大約0.1 mm，模擬膠結(jié)不良處采用4層膠帶，做成的樣品如圖2所示。

圖1 制作微型模型井所用的模具

圖2 制作的縮小型套管井模型

2.2 縮小比例的聲系結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)井換能器所使用的單極子源的中心頻率在6～18 kHz附近，由于實(shí)驗(yàn)使用的模擬井井眼的尺寸與現(xiàn)場(chǎng)的井眼尺寸比為1∶10，根據(jù)相似性原理，所以實(shí)驗(yàn)室使用的換能器的工作頻率應(yīng)該在60～180 kHz以內(nèi)。圖3顯示了定制的聲波測(cè)井探頭，包括發(fā)射和接收探頭，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中需要根據(jù)聲波測(cè)井原理自行設(shè)計(jì)聲系中的2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，源距和間距，以保證能檢測(cè)到有用波，且滿足一定的縱向分辨率。

2.3 激勵(lì)信號(hào)源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中用美國(guó)Panametrics公司生產(chǎn)的5800PR型超聲波分析儀做發(fā)射信號(hào)源，使用惠普公司生產(chǎn)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和顯示，計(jì)算機(jī)和數(shù)字示波器之間通過USB線連接，簡(jiǎn)單方便。實(shí)驗(yàn)時(shí)把套管井模型放置于自制的2 m×1.8 m×1 m的消聲池中，自制的定位系統(tǒng)、聲波分析儀和測(cè)量系統(tǒng)均由計(jì)算機(jī)控制，形成一套自動(dòng)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。通過定位系統(tǒng)在模型井中控制移動(dòng)聲波發(fā)射和接收探頭，可以模擬現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)井的過程， 由此可見，由聲發(fā)射子系統(tǒng)、發(fā)射和接收探頭構(gòu)成的聲系、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)顯示和處理子系統(tǒng)等構(gòu)成的一整套固井質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以闡釋聲波測(cè)井的基本工作原理，模擬現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)井過程，有利于學(xué)生從方法、原理、儀器結(jié)構(gòu)、測(cè)井過程以及數(shù)據(jù)處理等方面對(duì)聲波測(cè)井有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)和理解。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置

2.4 實(shí)驗(yàn)功能

項(xiàng)目組針對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行以下4種情況下的實(shí)驗(yàn)研究：

(1) I界面膠結(jié)良好、膠結(jié)差。

(2) I界面存在環(huán)形竄槽。

(3) I界面膠結(jié)漸變II膠結(jié)良好。

(4) I界面膠結(jié)漸變II界面膠結(jié)差。

圖4顯示了在套管井I界面由膠結(jié)好漸變到膠結(jié)差時(shí)測(cè)量的全波波形，可見套管波幅度由弱變強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論與教科書上講解的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法是一致的，學(xué)生通過上述實(shí)踐課獲得的認(rèn)識(shí)可以幫助學(xué)生更好地掌握理論課上所學(xué)的知識(shí)，加深學(xué)生對(duì)聲波測(cè)井原理和方法的理解，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)造能力有很大的幫助[9-10]。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)應(yīng)用地球物理理論課程的同時(shí),充分進(jìn)行各種測(cè)井方法的原理性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練是十分必要的，專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的結(jié)果直接影響學(xué)生畢業(yè)后在生產(chǎn)實(shí)踐中的工作能力[11-14]。

圖4 漸變模型中測(cè)量的聲波波形

3 結(jié)語

自制的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)首次將聲幅、聲波全波列等常規(guī)聲波測(cè)量,以及電纜傳輸、地面控制處理等一套從井下到地面完整的測(cè)井系統(tǒng)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，應(yīng)用對(duì)象不僅適合勘查技術(shù)與工程(物探、測(cè)井)本專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，還適合資源勘查工程和石油工程等石油勘探開發(fā)類專業(yè)學(xué)生開設(shè)觀摩實(shí)驗(yàn)，主要應(yīng)用于“礦場(chǎng)地球物理基礎(chǔ)”和“測(cè)井方法及綜合解釋”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本系統(tǒng)可開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有固井I界面突變實(shí)驗(yàn)、固井I界面環(huán)狀竄槽實(shí)驗(yàn)、固井I界面漸變實(shí)驗(yàn)、I界面和II界面均膠結(jié)良好的固井實(shí)驗(yàn)、I界面漸變II界面膠結(jié)良好的固井實(shí)驗(yàn)。

利用該系統(tǒng)配備其他實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€可開設(shè)多個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如全波列聲波測(cè)井物理模擬實(shí)驗(yàn)、多極聲波測(cè)井輻射器(含單極)空間輻射特征實(shí)驗(yàn)、巖石彈性參數(shù)的測(cè)定、井間地震模擬實(shí)驗(yàn)、多極子聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)、井下電視模擬實(shí)驗(yàn)等。該系統(tǒng)可推廣到國(guó)內(nèi)石油和地質(zhì)院校相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。

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Application of self-made cementing quality evaluation experimental system in experimental teaching of Logging major

Chen Xuelian

(School of Geosciences and Technology, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

In view of the fact that it is difficult for the students majoring in petroleum logging to perform the field practice, and based on the characteristics that the logging tools work underground with the irreversibility, non-visibility, high cost and high risk, the methods and techniques for the independent development of cementing quality evaluation experimental system are expounded upon, which provides the conditions for design-based and innovative experimental projects in the laboratory.

experimental teaching； cementing quality； undergraduate education

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.046

TE19；G642.0

A

1002-4956(2017)11-0187-03

2017-07-28

陳雪蓮(1976—)，女，河北武邑，博士，副教授，主要從事聲波測(cè)井的教學(xué)和科研工作.

E-mailchenxl@upc.edu.cn