超声波水泥分析仪的应用

【摘要】介绍了超声波水泥分析仪的特点，论述了超声波水泥分析仪在国内外固井工程中的应用，指出了在国内的发展趋势及发展前景，对促进油井水泥化验仪器的发展及研究具有重要意义。

【关键词】超声波水泥分析仪 固井 水泥 前景

近年来，随着电子技术、计算机技术等科技的迅猛发展，油井水泥化验仪器也发生了深刻的变化，传统的油井水泥化验仪器分析法出现了新面貌，在国外，特别是美国，新型的水泥化验分析仪先后研制成功并得以广泛应用，这些新型化验仪器有超声波水泥分析仪、静胶凝强度-稠化一体仪等电子集成化的仪器，新型化验仪器能更加透彻的分析水泥浆凝结时间及硬化后强度的发展变化，特别是超声波水泥分析仪（UCA2000）的应用已得到了石油界的认可，广泛应用于固井水泥浆化验室，指导现场作业，现将超声波水泥分析仪的应用情况介绍如下：

1 国内外研制应用现状

美国是石油开采业的先驱，在此行业的带领下，各种配套技术迅速发展，进入80年代，美国研发的各类石油化验仪器已经在世界范围得到广泛应用，在水泥化验方面有符合API规定的高温高压稠化仪、高温高压养护釜、流变仪、失水仪等主要仪器，进入20世纪，电子集成化新型水泥化验仪器进入研制试用阶段，进入21世纪，特别是近年来，在世界范围内，超声波水泥分析仪已经得到了广泛的应用。目前，美国各石油仪器公司不断改进、生产超声波强度分析仪，目前该仪器已经发展到第四代产品，在这些石油公司中美国哈里伯顿公司的UCA2000、CTE公司的CTE2000都做到了行业领先，他们生产的超声波强度分析仪已出口到世界各地。

在国内，在水泥化验仪器方面的自主研发还比较落后，目前，国内的油井水泥化验仪器主要靠模拟国外产品进行加工生产，新型、前缘的水泥化验仪器依赖于进口，处于模拟阶段。

2 超声水泥分析仪的使用

钻井完成后需要进行下套管固井作业，固井质量的好坏直接影响油气的开采，因此固井是完井作业中至关重要的工程，在固井工程中，水泥需要达到特定的性能要求，可利用专门的化验仪器来测定水泥浆的密度、粘度、稠化时间、抗压强度和防气窜性等，在油井水泥的各项性能当中最终决定固井质量的因素在于水泥石的抗压强度，传统上，抗压强度的测定需要高温高压养护釜和恒应力压力试验机两个仪器来进行，而超声波水泥分析仪可直接测试水泥石的发展过程，通过电子计算机的集成技术，实现了可视化实时监测。

2.1 仪器描述

超声波水泥分析仪用于测试水泥样品在模拟井底温度和压力下养护时的抗压强度发展，通过测量水泥样品硬化时穿过水泥样品的超声波信号速度的变化，可确定水泥的抗压强度。随着水泥样品抗压强度的增加，穿过水泥样品的超声波信号的传送时间不断减少，所以可计算出相应的抗压强度，抗压强度以及升高的温度和压力是通过时间来进行监测的，目的是提供某种特定水泥浆的强度发展过程。2.2 操作

按照API的推荐方法制备待测的水泥样品，把水泥样品放入控温控压的高压釜体、，以此模拟井底养护坏境。2000/2000-2型（双）超声波水泥分析仪的每一个釜体都是独立的，用于提供完整数据集。对于可操作的釜体或须购买的二次昂贵处理器没有数据的限制，数据可下载到PC机上用于数据归档。

仪器嵌入式控制器代替了中央处理器，可运行特定的windows软件，此软件可测量超声波信号穿过水泥样品的传送时间，还可计算相对的抗压强度值。测量的数据点连续记录在闪存盘中，可实现当前强度测试、温度及传送时间的数字显示，或每个显示器上设置的触摸屏上不断显示这些测试参数和时间的图表。可持续数字式显示当前温度及压力，还可按需求，用传送时间代替压力图。触摸屏监控器还可允许用户进入嵌入式控制器的控制、诊断和校准功能。

用于增压养护釜和稠化仪上的同样的控制器，根据数糊逻辑控制算法可提供温度控制，通过使用控制器的触摸屏特性，可容易地所需温度曲线图进行编程，监控器上显示每一步的指示操作，对于初次使用者也无需进行训练。进入所需的温度曲线图之后，以图表方式显示斜率预览，用于预测试的检查，以防止编程错误。使用气动高压泵和压力释放阀来手动控制压力，也可选择自动压力控制系统，以便提供更精确的控制。图1为超声波水泥分析仪（CTE2000）实物图及测试曲线图。

图1b 实物图及测试曲线图

仪器参数：

输入电压：2 3 0 VA C（±1 5 %，

50/60HZ）；

压缩空气： 50-100psig，20升储气罐；冷 却 水： 5-80psig，2升/分；

操作温度： 32-120（0-50℃）。

2.3 特点

无损：不损坏水泥试样下，可连续观察强度发展和时间。灵活便于操作：体积小，便于操作；触摸屏监视器，屏上可显示每一步操作，特制的数据采集软件，数据归档并永久保存，多种保存方式；断电时数据保护；加热冷却保护；可选择性报警。精准可靠：超精确的温度控制，可显示样品温度，每一对立单元显示测试数据；可用来预测WOC时间；屏幕指示把操作培训时间降到最短或无需培训，增强了操作可靠性。温度高达204℃，压力高达138MPa（Twin-Cell为34.5MPa），可真实模拟井底环境。自动化：windows软件系统，电脑集成控制，数据屏幕实时显示，自动生成Excel表格便于分析。

3 超声波水泥分析仪的应用前景

目前，国外固井公司已普遍应用超声波水泥分析仪进行水泥浆性能研究及现场试验，国内的引进及应用较少，随着石化系统国际化开拓，以及外出投标的要求，国外固井对超声波水泥试验已经成为一项必不可少的要求，因此，超声波水泥分析仪在国内的将具有远大的发展前景，对促进国内石油仪器的发展及水泥科研的发展具有深远的意义。

4 结论

（1）超声波水泥分析仪实现了水泥强度的实时监测，自动分析，是先进的水泥化验分析仪器。

（2）超声波水泥分析仪在国外已广泛应用，在国内应用不多，随着市场的开拓，超声波水泥分析仪越来越发挥出优势，应用前景远大。

作者简介

李韶利（1977-2）女，汉，河南长垣人，工程师，主要从事固井水泥浆体系研究工作。