自制固井質量評價實驗系統在測井專業實驗教學中的應用

陳雪蓮

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院， 山東 青島 266580)

自制固井質量評價實驗系統在測井專業實驗教學中的應用

陳雪蓮

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院， 山東 青島 266580)

針對石油測井專業學生現場實習操作困難且測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險的特點，闡述了在實驗室自主研發固井質量評價實驗系統的方法和技術，為在實驗室開展設計型和創新型實驗項目提供了條件。

實驗教學； 固井質量； 本科教育

目前，很多高校以實施“精英型、特色型和研究型”本科教育為指導，以促進學生的“全面化、個性化和最大化”發展為目標，在培養基礎扎實、專業精深、實踐力強的高素質人才時，理論教育與實踐教學結合非常適用于本科教育[1-3]。通過科學優化實踐教學課程體系和教學內容，強化學生實踐創新能力培養，突出學生工程意識、創新精神、研究能力的培養[4-6]，將學生實踐能力培養和創新創業教育落實到各個教學環節。

從廣義上講，測井也叫地球物理測井或礦場地球物理，簡稱測井，是利用巖層的電化學特性、導電特性、聲學特性、放射性等地球物理特性[7]測量地球物理參數的方法，屬于應用地球物理方法(包括重、磁、電、震、核)之一。通常測井時，利用電、磁、聲、熱、核等物理原理制造的各種測井儀器，由測井電纜下入井內，使地面電測儀可沿著井筒連續記錄隨深度變化的各種參數。測井專業的本科生雖然有生產實習環境，但出于安全因素考慮，一般學生實習時主要以現場觀摩為主，測井儀器是現成的，對學生動手能力和創新能力的培養還需要通過實驗教學進一步加強。以聲波測井中的固井質量評價實驗系統為例，本文闡述了如何在實驗室重構現場聲波測井過程，建立一套完整的聲波測井教學實驗系統，在實驗室模擬現場測井儀器的響應特征，為本科教學提供設計型實驗和創新型實驗條件。由于石油測井專業的專業性很強，市場上很難買到實驗室直接可用的測井系統供學生實驗，實驗的各個環節均需要教師自制完成。

1 固井質量評價實驗系統研制的目的和意義

對于畢業后大多從事測井領域工作的大學生而言，在學習應用地球物理理論課程的同時，充分進行各種測井方法的原理性實驗的訓練是十分必要的，專業課實驗教學質量的結果直接影響學生畢業后在生產實踐中的工作能力。目前，我校聲波測井實驗設備不完善，實驗課開設的項目少，因此，建立一套完整的聲波測井教學系統十分迫切。

固井質量決定油井的產能,目前，聲波測井是唯一有效評價固井質量的方法。對固井質量進行評價，找出膠結不好的位置進行修補，可以有效地改善油井的產能。用于進行固井質量評價、檢測套管與水泥環串漏等系列井下問題的方法，涵蓋了聲波測井的速度和幅度測量、全波列記錄等系列工作原理方式，具有典型代表意義。聲幅測井主要用來檢測第I界面膠結情況，變密度可以檢測第II界面的膠結情況。結合本學科開設的“聲波測井”課程的教學大綱，在實驗室內建立一整套固井質量評價實驗系統，闡釋聲波基本工作原理、模擬現場聲波測井過程，有利于學生從方法、原理、儀器結構、測井過程以及數據處理等方面對聲波測井有一個全面的認識和理解，同時，對數據的分析處理和顯示，可讓學生真正觀測到地層模型的信息，并可以根據理論學習的解釋方法來分析地層，促進動手實踐能力的提高和理論知識的鞏固。

2 固井質量評價系統的組成和功能

固井質量評價實驗系統主要包括套管井實驗模型、縮小比例的聲系結構、聲波激勵信號源、數據采集軟件和波形顯示等5部分。整個系統將聲幅、聲波全波列等常規聲波測量、電纜傳輸及地面控制處理等一套從井下到地面完整的測井系統引入實驗教學，對于學生完整認識測井系統、從事測井系統的操作及開發具有重要意義，結合現有的裸眼井模型還可以給學生模擬常規裸眼井聲波測井過程。

2.1 套管井實驗模型

由于現場實際井眼直徑約20 cm左右，井深約幾km，若在實驗室鉆取實際井大小的實驗井不僅浪費實驗空間，而且需要投入大量的資金。因此，在開設固井質量評價實驗系統時，為了使實驗室的基礎研究工作與現場實際工作的情況具有相似的效果，要求實驗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系與實際的聲波測井情況下各參數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，用于學生研究水泥的各種膠結狀況對聲波測井波形的影響。本實驗共制作了30只縮小型的套管模型井，包含I界面膠結差、I界面膠結良好、I界面由膠結差到膠結良好的漸變過程、I界面存在環形竄槽、I界面膠結良好II界面膠結差、I界面膠結良好II界面膠結良好、I界面膠結差II界面膠結差以及I界面膠結差II界面膠結良好等8種膠結狀況的套管井模型。為學生觀測、分析各種固井膠結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。模擬套管采用長度為0.5 m, 內、外直徑分別為15.6 mm和17 mm的鋼管，水泥環的厚度一般為3 mm。在制作水泥泥漿時使用了適量的水泥、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之間的竄槽。一種方法是將膠帶粘結在鋼管上來實現。膠帶的寬度為17 mm、單層厚度大約0.1 mm，模擬膠結不良處采用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 縮小比例的聲系結構

現場聲波測井換能器所使用的單極子源的中心頻率在6～18 kHz附近，由于實驗使用的模擬井井眼的尺寸與現場的井眼尺寸比為1∶10，根據相似性原理，所以實驗室使用的換能器的工作頻率應該在60～180 kHz以內。圖3顯示了定制的聲波測井探頭，包括發射和接收探頭，學生在實驗過程中需要根據聲波測井原理自行設計聲系中的2個關鍵參數，源距和間距，以保證能檢測到有用波，且滿足一定的縱向分辨率。

2.3 激勵信號源和數據采集系統

實驗中用美國Panametrics公司生產的5800PR型超聲波分析儀做發射信號源，使用惠普公司生產的數字存儲示波器實現數據的采集和顯示，計算機和數字示波器之間通過USB線連接，簡單方便。實驗時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、聲波分析儀和測量系統均由計算機控制，形成一套自動聲學測量系統。通過定位系統在模型井中控制移動聲波發射和接收探頭，可以模擬現場聲波測井的過程， 由此可見，由聲發射子系統、發射和接收探頭構成的聲系、數據采集子系統以及數據顯示和處理子系統等構成的一整套固井質量評價實驗系統，可以闡釋聲波測井的基本工作原理，模擬現場聲波測井過程，有利于學生從方法、原理、儀器結構、測井過程以及數據處理等方面對聲波測井有一個全面的認識和理解。整個實驗裝置見圖3。

圖3 實驗測量裝置

2.4 實驗功能

項目組針對實驗模型，進行以下4種情況下的實驗研究：

(1) I界面膠結良好、膠結差。

(2) I界面存在環形竄槽。

(3) I界面膠結漸變II膠結良好。

(4) I界面膠結漸變II界面膠結差。

圖4顯示了在套管井I界面由膠結好漸變到膠結差時測量的全波波形，可見套管波幅度由弱變強。實驗得到的結論與教科書上講解的固井質量評價的方法是一致的，學生通過上述實踐課獲得的認識可以幫助學生更好地掌握理論課上所學的知識，加深學生對聲波測井原理和方法的理解，對培養學生的動手和創造能力有很大的幫助[9-10]。因此，學生在學習應用地球物理理論課程的同時,充分進行各種測井方法的原理性實驗的訓練是十分必要的，專業課實驗教學質量的結果直接影響學生畢業后在生產實踐中的工作能力[11-14]。

圖4 漸變模型中測量的聲波波形

3 結語

自制的固井質量評價系統首次將聲幅、聲波全波列等常規聲波測量,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井系統引入實驗教學，應用對象不僅適合勘查技術與工程(物探、測井)本專業教學實驗，還適合資源勘查工程和石油工程等石油勘探開發類專業學生開設觀摩實驗，主要應用于“礦場地球物理基礎”和“測井方法及綜合解釋”等課程的實驗教學。本系統可開設的實驗項目有固井I界面突變實驗、固井I界面環狀竄槽實驗、固井I界面漸變實驗、I界面和II界面均膠結良好的固井實驗、I界面漸變II界面膠結良好的固井實驗。

利用該系統配備其他實驗模型還可開設多個設計性實驗項目，如全波列聲波測井物理模擬實驗、多極聲波測井輻射器(含單極)空間輻射特征實驗、巖石彈性參數的測定、井間地震模擬實驗、多極子聲波測井實驗、井下電視模擬實驗等。該系統可推廣到國內石油和地質院校相關專業實驗室。

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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，主要從事聲波測井的教學和科研工作.

E-mailchenxl@upc.edu.cn