自制固井质量评价实验系统在测井专业实验教学中的应用

陈雪莲

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院， 山东 青岛 266580)

自制固井质量评价实验系统在测井专业实验教学中的应用

陈雪莲

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院， 山东 青岛 266580)

针对石油测井专业学生现场实习操作困难且测井仪器是在井下工作，具有不可逆、不可视以及高成本和高风险的特点，阐述了在实验室自主研发固井质量评价实验系统的方法和技术，为在实验室开展设计型和创新型实验项目提供了条件。

实验教学； 固井质量； 本科教育

目前，很多高校以实施“精英型、特色型和研究型”本科教育为指导，以促进学生的“全面化、个性化和最大化”发展为目标，在培养基础扎实、专业精深、实践力强的高素质人才时，理论教育与实践教学结合非常适用于本科教育[1-3]。通过科学优化实践教学课程体系和教学内容，强化学生实践创新能力培养，突出学生工程意识、创新精神、研究能力的培养[4-6]，将学生实践能力培养和创新创业教育落实到各个教学环节。

从广义上讲，测井也叫地球物理测井或矿场地球物理，简称测井，是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性[7]测量地球物理参数的方法，属于应用地球物理方法(包括重、磁、电、震、核)之一。通常测井时，利用电、磁、声、热、核等物理原理制造的各种测井仪器，由测井电缆下入井内，使地面电测仪可沿着井筒连续记录随深度变化的各种参数。测井专业的本科生虽然有生产实习环境，但出于安全因素考虑，一般学生实习时主要以现场观摩为主，测井仪器是现成的，对学生动手能力和创新能力的培养还需要通过实验教学进一步加强。以声波测井中的固井质量评价实验系统为例，本文阐述了如何在实验室重构现场声波测井过程，建立一套完整的声波测井教学实验系统，在实验室模拟现场测井仪器的响应特征，为本科教学提供设计型实验和创新型实验条件。由于石油测井专业的专业性很强，市场上很难买到实验室直接可用的测井系统供学生实验，实验的各个环节均需要教师自制完成。

1 固井质量评价实验系统研制的目的和意义

对于毕业后大多从事测井领域工作的大学生而言，在学习应用地球物理理论课程的同时，充分进行各种测井方法的原理性实验的训练是十分必要的，专业课实验教学质量的结果直接影响学生毕业后在生产实践中的工作能力。目前，我校声波测井实验设备不完善，实验课开设的项目少，因此，建立一套完整的声波测井教学系统十分迫切。

固井质量决定油井的产能,目前，声波测井是唯一有效评价固井质量的方法。对固井质量进行评价，找出胶结不好的位置进行修补，可以有效地改善油井的产能。用于进行固井质量评价、检测套管与水泥环串漏等系列井下问题的方法，涵盖了声波测井的速度和幅度测量、全波列记录等系列工作原理方式，具有典型代表意义。声幅测井主要用来检测第I界面胶结情况，变密度可以检测第II界面的胶结情况。结合本学科开设的“声波测井”课程的教学大纲，在实验室内建立一整套固井质量评价实验系统，阐释声波基本工作原理、模拟现场声波测井过程，有利于学生从方法、原理、仪器结构、测井过程以及数据处理等方面对声波测井有一个全面的认识和理解，同时，对数据的分析处理和显示，可让学生真正观测到地层模型的信息，并可以根据理论学习的解释方法来分析地层，促进动手实践能力的提高和理论知识的巩固。

2 固井质量评价系统的组成和功能

固井质量评价实验系统主要包括套管井实验模型、缩小比例的声系结构、声波激励信号源、数据采集软件和波形显示等5部分。整个系统将声幅、声波全波列等常规声波测量、电缆传输及地面控制处理等一套从井下到地面完整的测井系统引入实验教学，对于学生完整认识测井系统、从事测井系统的操作及开发具有重要意义，结合现有的裸眼井模型还可以给学生模拟常规裸眼井声波测井过程。

2.1 套管井实验模型

由于现场实际井眼直径约20 cm左右，井深约几km，若在实验室钻取实际井大小的实验井不仅浪费实验空间，而且需要投入大量的资金。因此，在开设固井质量评价实验系统时，为了使实验室的基础研究工作与现场实际工作的情况具有相似的效果，要求实验室模型井的尺寸与声波换能器的尺寸和频率之间的比例关系与实际的声波测井情况下各参数之间满足相似性原理[8]。按照10∶1的比例制作了若干小型模拟井，用于学生研究水泥的各种胶结状况对声波测井波形的影响。本实验共制作了30只缩小型的套管模型井，包含I界面胶结差、I界面胶结良好、I界面由胶结差到胶结良好的渐变过程、I界面存在环形窜槽、I界面胶结良好II界面胶结差、I界面胶结良好II界面胶结良好、I界面胶结差II界面胶结差以及I界面胶结差II界面胶结良好等8种胶结状况的套管井模型。为学生观测、分析各种固井胶结状况下全波列波形的特征提供了可能。

图1是制作模型的模具。模拟套管采用长度为0.5 m, 内、外直径分别为15.6 mm和17 mm的钢管，水泥环的厚度一般为3 mm。在制作水泥泥浆时使用了适量的水泥、膨胀剂、减水剂，所有这些材料均需要过0.1 mm的筛。采用了2种方式来模拟套管与水泥胶结之间的窜槽。一种方法是将胶带粘结在钢管上来实现。胶带的宽度为17 mm、单层厚度大约0.1 mm，模拟胶结不良处采用4层胶带，做成的样品如图2所示。

图1 制作微型模型井所用的模具

图2 制作的缩小型套管井模型

2.2 缩小比例的声系结构

现场声波测井换能器所使用的单极子源的中心频率在6～18 kHz附近，由于实验使用的模拟井井眼的尺寸与现场的井眼尺寸比为1∶10，根据相似性原理，所以实验室使用的换能器的工作频率应该在60～180 kHz以内。图3显示了定制的声波测井探头，包括发射和接收探头，学生在实验过程中需要根据声波测井原理自行设计声系中的2个关键参数，源距和间距，以保证能检测到有用波，且满足一定的纵向分辨率。

2.3 激励信号源和数据采集系统

实验中用美国Panametrics公司生产的5800PR型超声波分析仪做发射信号源，使用惠普公司生产的数字存储示波器实现数据的采集和显示，计算机和数字示波器之间通过USB线连接，简单方便。实验时把套管井模型放置于自制的2 m×1.8 m×1 m的消声池中，自制的定位系统、声波分析仪和测量系统均由计算机控制，形成一套自动声学测量系统。通过定位系统在模型井中控制移动声波发射和接收探头，可以模拟现场声波测井的过程， 由此可见，由声发射子系统、发射和接收探头构成的声系、数据采集子系统以及数据显示和处理子系统等构成的一整套固井质量评价实验系统，可以阐释声波测井的基本工作原理，模拟现场声波测井过程，有利于学生从方法、原理、仪器结构、测井过程以及数据处理等方面对声波测井有一个全面的认识和理解。整个实验装置见图3。

图3 实验测量装置

2.4 实验功能

项目组针对实验模型，进行以下4种情况下的实验研究：

(1) I界面胶结良好、胶结差。

(2) I界面存在环形窜槽。

(3) I界面胶结渐变II胶结良好。

(4) I界面胶结渐变II界面胶结差。

图4显示了在套管井I界面由胶结好渐变到胶结差时测量的全波波形，可见套管波幅度由弱变强。实验得到的结论与教科书上讲解的固井质量评价的方法是一致的，学生通过上述实践课获得的认识可以帮助学生更好地掌握理论课上所学的知识，加深学生对声波测井原理和方法的理解，对培养学生的动手和创造能力有很大的帮助[9-10]。因此，学生在学习应用地球物理理论课程的同时,充分进行各种测井方法的原理性实验的训练是十分必要的，专业课实验教学质量的结果直接影响学生毕业后在生产实践中的工作能力[11-14]。

图4 渐变模型中测量的声波波形

3 结语

自制的固井质量评价系统首次将声幅、声波全波列等常规声波测量,以及电缆传输、地面控制处理等一套从井下到地面完整的测井系统引入实验教学，应用对象不仅适合勘查技术与工程(物探、测井)本专业教学实验，还适合资源勘查工程和石油工程等石油勘探开发类专业学生开设观摩实验，主要应用于“矿场地球物理基础”和“测井方法及综合解释”等课程的实验教学。本系统可开设的实验项目有固井I界面突变实验、固井I界面环状窜槽实验、固井I界面渐变实验、I界面和II界面均胶结良好的固井实验、I界面渐变II界面胶结良好的固井实验。

利用该系统配备其他实验模型还可开设多个设计性实验项目，如全波列声波测井物理模拟实验、多极声波测井辐射器(含单极)空间辐射特征实验、岩石弹性参数的测定、井间地震模拟实验、多极子声波测井实验、井下电视模拟实验等。该系统可推广到国内石油和地质院校相关专业实验室。

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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

陈雪莲(1976—)，女，河北武邑，博士，副教授，主要从事声波测井的教学和科研工作.

E-mailchenxl@upc.edu.cn