[发明专利]水泥浆演化的超声波测量装置、系统以及方法

说明书

本发明提供了水泥浆演化的超声波测量装置、系统以及方法。其中，测试装置包括筒体和设置在筒体两头的活塞和堵头，筒体内沿轴线设置有相连通的水泥浆舱和活塞腔，水泥浆舱包括滑道和喇叭口，喇叭口包括大端和小端，滑道与活塞腔相连接，在滑道和活塞腔的连接处形成一环形台阶；堵头设置有第一超声波探头，活塞上设置有第二超声波探头，第二超声波探头至少部分位于滑道内并能沿筒体的轴向移动。与现有技术相比，本发明提供的水泥浆演化的超声波测量装置可准确测量特殊水泥浆候凝过程中的声学参数，获得水泥石的岩石力学强度和固结时间，研究水泥浆从液态到固态最后水泥石成型的声学变化规律，为特殊水泥浆固井质量和测井评价方法提供理论依据。

技术领域

本发明涉及固井用的特殊水泥浆超声波测量技术领域，尤其涉及一种水泥浆演化的超声波测量装置、系统以及方法。

背景技术

近年来，随着深井超深井、页岩气、致密砂岩油气等的勘探开发，为了防止油气水窜以及固井漏失，泡沫低密度、高密度及特殊材料固井水泥浆体系得到广泛应用。与常规的水泥浆相比，特殊材料的添加对水泥石的性能造成较大影响，但固井水泥胶结质量评价仍采用传统方法，测井响应机理及特征不清，造成测井固井水泥胶结质量解释结果与固井工艺评价水泥胶结质量不相符，给后续作业带来很大困扰。

由于大量泡沫、微珠、纳米液硅、钛铁矿等特殊材料的加入，非水泥的材料加量甚至达到了水泥浆占比的100％，造成了特殊水泥浆体系的密度发生较大的变化，现场应用最低密度已经达到1.15g/cm³，最高密度已经达到2.82g/cm³。复杂材料的增加，造成了水泥浆声学特性的变化，并且不同的特殊水泥浆体对声学特性的影响也不同，给目前常用的以声学特性测井为基础的固井质量评价技术带来了难题，其适用性有待评价。

早期水泥胶结和固井质量评价主要是通过发射10-20kHz的超声波信号，测量声波信号振幅和信号衰减，给出不同套管外径下的水泥环最小封隔长度，这类仪器主要有水泥胶结测井(CBL)、变密度测井(VDL)、水泥评价测井(CET)等测井仪器。后来斯伦贝谢和哈里伯顿相继推出了超声成像测井仪(USI)和井周扫描测井仪(CAST)，采用超声波频率250-700kHz发射宽频带超声波，从而激发出套管共振模式波，这类仪器能探测套管外水泥环分布特征。阿特拉斯研制的SBT固井质量评价仪，是目前分扇区测量测井仪器中探测能力最强的，也是目前固井质量评价和套管外窜槽检测的主要仪器之一，该仪器探头以贴井壁的方式工作，衰减率测量采用的是分扇区测量方法，其主要研究套管内沿螺旋向“滑行”的套管波的衰减率。

但是，现有固井质量评价仪和评价方法已经不适用特殊材料固井水泥浆体系，为了完善固井质量评价方法和评价标准，需要对特殊水泥浆在候凝过程中的声学特性进行超声波测量，进而研究特殊水泥浆的强度等力学参数随时间、温度和压力的变化情况，因此需要设计一种特殊水泥浆演化的超声波测量装置及方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供水泥浆演化的超声波测量装置，其可用于水泥浆演化过程中的声学特性测量。

本发明提供的一种水泥浆演化的超声波测量装置，包括：

筒体，其内沿轴线设置有相连通的水泥浆舱和活塞腔，所述水泥浆舱包括相连通的圆筒状的滑道和喇叭口，所述滑道与所述活塞腔相连接，所述滑道的直径小于所述活塞腔的直径从而在所述滑道和所述活塞腔的连接处形成一环形台阶；所述喇叭口包括一大端和一小端，所述小端连接所述滑道，所述小端的直径与所述滑道的直径相等，所述大端的直径大于所述小端的直径；

活塞，其包括相连的活塞头和活塞杆，所述活塞头设置在所述活塞腔内并能沿所述筒体的轴向移动，所述活塞头朝向所述水泥浆舱的一端设置有第二超声波探头，所述第二超声波探头至少部分位于所述滑道内并能沿所述筒体的轴向移动；