本發(fā)明屬于油氣田鉆完井，具體而言，尤其是關(guān)于一種利用螺旋纏繞分布式光纖監(jiān)測全尺寸水泥環(huán)候凝溫度數(shù)據(jù)以及循環(huán)加載應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行水泥環(huán)缺陷識別的實(shí)驗(yàn)評價(jià)裝置及方法。
背景技術(shù)：
1、固井水泥環(huán)是套管與地層之間的安全屏障，對油氣井整個(gè)生命周期內(nèi)井身結(jié)構(gòu)的完整以及套管的有效使用起著至關(guān)重要的作用。水泥環(huán)的強(qiáng)度隨著候凝過程逐步增強(qiáng)，水泥候凝水化釋放出大量熱量，對此過程的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行精確監(jiān)測可對水泥環(huán)候凝后建立的強(qiáng)度及完整性進(jìn)行預(yù)估，為后續(xù)鉆完井作業(yè)的計(jì)劃與實(shí)施提供重要依據(jù)。后續(xù)鉆進(jìn)過程中或井筒全部完井后的水力壓裂過程中，套管內(nèi)會注入高壓流體擠壓套管水泥環(huán)，不同固井質(zhì)量的水泥段受擠壓產(chǎn)生的應(yīng)變不同，通過監(jiān)測這一過程的應(yīng)變響應(yīng)可對水泥環(huán)服役過程的完整性進(jìn)行評估。
2、然而，長久以來對固井等井下作業(yè)過程的監(jiān)測并非易事，傳統(tǒng)監(jiān)測方法如井下溫度/壓力傳感器、聲波/超聲波監(jiān)測技術(shù)，對井下惡劣環(huán)境的適應(yīng)性較差，測量精度時(shí)常難以滿足監(jiān)測需求，對判斷固井過程中井下發(fā)生的事件類型與維持長期監(jiān)測有很大的局限性，且大部分傳統(tǒng)監(jiān)測方法只能以單點(diǎn)或多點(diǎn)形式在特定時(shí)間內(nèi)實(shí)施監(jiān)測，在全井筒監(jiān)測方面難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速、長期的測量。
3、分布式光纖傳感技術(shù)為油田固井作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析提供了更好的監(jiān)測方法。光纖本身具有耐溫、耐壓、耐腐蝕、抗電磁干擾的特性，同時(shí)光纖可以實(shí)現(xiàn)沿井筒實(shí)時(shí)連續(xù)的監(jiān)測，通過在套管內(nèi)外下入光纖電纜，幾乎可以實(shí)現(xiàn)從地面到油藏完整的固井場景監(jiān)測。光纖電纜中包含多根光纖，可同時(shí)對溫度、聲波、應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，通過不同數(shù)據(jù)的分析可以交叉印證水泥環(huán)完整性的評價(jià)結(jié)果，提高評價(jià)精確性。中國專利公開文獻(xiàn)cn116446850a利用光纖光柵對極端溫度壓力條件下的井筒完整性進(jìn)行評價(jià)測試，但光纖光柵的成本以及安裝與維護(hù)的困難使其在現(xiàn)場的應(yīng)用受到限制。中國專利公開文獻(xiàn)cn116044379a公開了現(xiàn)場利用分布式光纖測量固井質(zhì)量的現(xiàn)場監(jiān)測方法、工藝與監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程，其應(yīng)用主要是對油田現(xiàn)場壓裂射孔對固井質(zhì)量影響的評價(jià)，并不涉及固井施工過程的質(zhì)量評價(jià)，具有一定的延遲性，且并未給出定性或定量的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明提供一種固井水泥環(huán)完整性的實(shí)驗(yàn)評價(jià)裝置及方法，旨在利用螺旋纏繞分布式光纖監(jiān)測水泥環(huán)候凝溫度數(shù)據(jù)以及循環(huán)加載應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行水泥環(huán)缺陷識別。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
3、第一方面，本發(fā)明提供了一種固井水泥環(huán)完整性的實(shí)驗(yàn)評價(jià)裝置，包括固井水泥環(huán)模擬單元和分布式光纖溫度/應(yīng)變監(jiān)測單元；
4、其中，所述固井水泥環(huán)模擬單元包括：井筒底座；內(nèi)層套管，緊固連接在所述井筒底座上，用于模擬井筒；外層套管，套設(shè)在所述內(nèi)層套管外部且亦緊固連接在所述井筒底座上，用于模擬地層，且所述外層套管與所述內(nèi)層套管之間形成水泥環(huán)澆注環(huán)空；井蓋，封蓋在所述內(nèi)層套管上端，用于密封井筒；蓋壓加載器，設(shè)置在所述井蓋上，用于壓緊所述井蓋；內(nèi)筒加注組件，與所述內(nèi)層套管相連通，用于向所述內(nèi)層套管內(nèi)泵注壓力液以憋壓達(dá)到設(shè)定目標(biāo)壓力，然后進(jìn)行壓力循環(huán)加載；以及加壓組件，與所述蓋壓加載器相連接，用于向所述蓋壓加載器施加蓋壓以平衡所述內(nèi)層套管的加載壓力，使所述內(nèi)層套管順利憋壓；
5、所述分布式光纖溫度/應(yīng)變監(jiān)測單元包括：測量光纖，所述測量光纖的一端通過尾端反射器固定在所述內(nèi)層套管底部外壁上，所述測量光纖的另一端螺旋纏繞在所述內(nèi)層套管外壁上并穿出所述外層套管，所述測量光纖用于監(jiān)測所述內(nèi)層套管外壁與水泥環(huán)界面處的溫度與應(yīng)變；光纖信號解調(diào)器，與所述測量光纖的另一端連接，用于發(fā)射激光脈沖以及解調(diào)光信號為溫度或應(yīng)變數(shù)據(jù)；以及計(jì)算機(jī)，用于保存所述光纖信號解調(diào)器傳輸來的溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)。
6、作為優(yōu)選：所述測量光纖以20°的上升傾角螺旋纏繞在所述內(nèi)層套管外壁上。
7、作為優(yōu)選：所述內(nèi)筒加注組件包括第一壓力泵、第一壓力計(jì)和第一泵壓管線，所述第一壓力泵通過所述第一壓力計(jì)和第一泵壓管線與所述內(nèi)層套管相連通。
8、作為優(yōu)選：所述加壓組件包括第二壓力泵、第二壓力計(jì)和第二泵壓管線，所述第二壓力泵通過所述第二壓力計(jì)和第二泵壓管線與所述蓋壓加載器相連通。
9、作為優(yōu)選：所述外層套管的頂部設(shè)置有僅能使所述測量光纖通過的光纖接出口，用于將所述測量光纖的另一端接出至所述外層套管外部。
10、第二方面，本發(fā)明提供了一種固井水泥環(huán)完整性的實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法，基于本發(fā)明第一方面所述的實(shí)驗(yàn)評價(jià)裝置，該實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法包括：
11、纏繞光纖的步驟：將測量光纖的一端與尾端反射器相連，并將尾端反射器固定在內(nèi)層套管底部外壁上，然后將測量光纖從下到上從預(yù)設(shè)的點(diǎn)位起，以20°的上升傾角螺旋纏繞至預(yù)設(shè)出口深度；
12、光纖測點(diǎn)的步驟：將測量光纖的另一端連接光纖信號解調(diào)器，測量信號顯示正常后，用液氮在測量光纖上噴點(diǎn)進(jìn)行測點(diǎn)位置光纖長度的確定；
13、組裝外層套管的步驟：以測量光纖從內(nèi)層套管的纏繞起點(diǎn)為起始點(diǎn)預(yù)留一定長度的測量光纖，剪斷測量光纖，組裝外層套管，并將其底部與井筒底座固定；將測量光纖從外層套管的光纖接出口接出井筒外，將接出的測量光纖與光纖信號解調(diào)器的連接線熔接，測量信號顯示正常開始下一步；
14、環(huán)空澆注水泥，候凝溫度監(jiān)測的步驟：首先通過內(nèi)筒加注組件向內(nèi)層套管內(nèi)注滿水，為后續(xù)內(nèi)層套管內(nèi)憋壓及壓力循環(huán)加載做好準(zhǔn)備；然后按照預(yù)設(shè)高度進(jìn)行水泥澆注與模擬水泥缺失段的環(huán)形泡沫放置，當(dāng)水泥澆注高度淹沒水泥環(huán)澆注環(huán)空內(nèi)的測量光纖后停止；最后安裝井蓋密封井筒后開始候凝溫度監(jiān)測；
15、內(nèi)層套管套內(nèi)循環(huán)加載的步驟：候凝溫度監(jiān)測完成后，啟動加壓組件以通過蓋壓加載器向井蓋加載蓋壓，并保證加載蓋壓始終大于內(nèi)層套管內(nèi)的壓力；蓋壓加載好后內(nèi)層套管內(nèi)憋壓至設(shè)定壓力，然后開始內(nèi)層套管內(nèi)循環(huán)加載擠壓水泥環(huán)，并設(shè)置不同最高加載壓力與加載壓力步長，在監(jiān)測水泥缺失段的應(yīng)變響應(yīng)的同時(shí)測試測量光纖對壓力變化的敏感性，循環(huán)加載達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)次數(shù)后停止；
16、數(shù)據(jù)預(yù)處理的步驟：將測量光纖監(jiān)測到的溫度/應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；
17、數(shù)據(jù)分析的步驟：首先繪制水泥候凝與低壓/高壓循環(huán)加載過程的溫度變化以及應(yīng)變瀑布圖，分析水泥缺失段的光纖信號響應(yīng)特征以及與正常水泥段的光纖信號響應(yīng)的區(qū)別；然后依據(jù)水泥缺失段的溫度與應(yīng)變的降低范圍進(jìn)行缺陷尺寸及缺陷邊界的識別，完成固井水泥環(huán)完整性評價(jià)。
18、作為優(yōu)選：在進(jìn)行纏繞光纖的步驟時(shí)，用帶彈性的玻璃膠固定和保護(hù)測量光纖，且在纏繞完畢后測量光纖的另一端熔接橡膠護(hù)套后再從水泥環(huán)澆注環(huán)空接出。
19、作為優(yōu)選：在進(jìn)行光纖測點(diǎn)的步驟時(shí)，測點(diǎn)位置包括測量光纖的纏繞起點(diǎn)、終點(diǎn)及預(yù)設(shè)泡沫缺陷邊界點(diǎn)。
20、作為優(yōu)選：在進(jìn)行環(huán)空澆注水泥，候凝溫度監(jiān)測的步驟時(shí)，在水泥環(huán)澆注環(huán)空上部放入扶正器，以防止內(nèi)層套管在水泥環(huán)未凝固時(shí)偏心。
21、作為優(yōu)選：在進(jìn)行內(nèi)層套管套內(nèi)循環(huán)加載的步驟時(shí)，設(shè)置不同最高加載壓力與加載壓力步長具體為：
22、①進(jìn)行低壓循環(huán)加載，加載最高壓力設(shè)置為20mpa，加載壓力步長分別設(shè)置為2mpa/次、5mpa/次和20mpa/次；
23、②進(jìn)行中壓循環(huán)加載，最高加載壓力設(shè)置為40mpa，加載壓力步長分別設(shè)置為5mpa/次、10mpa/次和40mpa/次；
24、③進(jìn)行高壓循環(huán)加載，最高加載壓力設(shè)置為60mpa，加載壓力步長設(shè)置為60mpa/次。
25、本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：
26、1、本發(fā)明主要針對固井水泥候凝過程及后續(xù)鉆井套內(nèi)加壓擠壓水泥環(huán)過程進(jìn)行分布式光纖監(jiān)測完成對水泥環(huán)完整性的評價(jià)，能夠真實(shí)的模擬環(huán)空固井的動態(tài)過程，結(jié)合分布式光纖能夠?qū)崟r(shí)完整對固井過程的響應(yīng)事件進(jìn)行捕捉。并且，利用分布式光纖進(jìn)行監(jiān)測更加符合現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)際要求，水泥環(huán)完整性評價(jià)的結(jié)果更加精確完整，同時(shí)能夠在較早的水泥候凝階段提供評價(jià)結(jié)果。
27、2、本發(fā)明采用內(nèi)層套管外安裝纏繞光纖的方式能夠較好地模擬現(xiàn)場監(jiān)測條件，不僅能增加光纖的測量長度提高光纖安裝的容錯(cuò)率，同時(shí)還能獲取各方向上的測量值，有利于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)尺度下獲取更加豐富的有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。