CBMT第二界面成像理论和实验研究

长期以来,固井质量测井主要利用声波法探测水泥环第一界面进而评价固井质量,水泥环第二界面是水泥封隔系统的最薄弱环节,其胶结状况评价则一直是固井质量评价的重大难点,通常只能根据声波变密度测井曲线进行定性评价,第二界面胶结评价是测井追求的目标。该文在中海油服自主研发的扇区水泥胶结成像测井仪器CBMT基础上,利用CBMT仪器测量的贴壁全波波形,采取系统的数值模拟配以适当的实验室物理模拟相结合的方式,研究了利用水泥环外侧反射波进行第二界面胶结状况评价的技术可行性及影响因素,得出了在CBMT仪器贴壁全波波形中,来自于水泥环外侧的反射波幅度与第二界面胶结差扇区大小关系明显,利用其对水泥环第二界面胶结状况进行评价是可行的结论,并对第二界面胶结差扇区分辨率、适应的水泥环厚度及地层条件进行了探讨。     

相关固井质量的声波测井仪器刻度和标定*

目前,中海油服已经建成了一批用于固井质量和套损检测的刻度井,刻度井群可以物理模拟不同的套管规格、水泥密度以及不同的水泥胶结状况等,可用于实现对固井质量和套损检测的声波测井仪器进行系统的标定和测试。以刻度井群中用于标定仪器在高密度和中密度水泥套管井中测量性能的应用为例,介绍了依据高精度的超声扫描、数值模拟和实际仪器的测试结果,初步实现对固井质量检测中常用的声幅-变密度测井(CBL/VDL)和扇区水泥胶结测井(SBT)仪器进行定量刻度和标定的步骤和方法。研究工作表明,质量测试可以掌握刻度井中各组成部分的声学物理参数以及胶结质量,在此基础上结合数值模拟和实际仪器的测量响应,可基本实现待测仪器工作性能的标定。     

应用声学文摘

固井质量检测方法用于评价套管井水泥胶结质量。方法之一是脉冲回波反射法(工作频率为200—800kHz)。反射回波的首部是套管内壁的反射波,紧随其后的尾部含有套管俘获的模式波在其中多次反射时透射回泥浆中的波。通过测量套管与岩层之间水泥的声阻抗解决胶结质量问题。弱胶结时,水泥声阻抗较小;强胶结时,水泥声阻抗较大。 目前被CET采用的处理反射回波的方法是W2/W1处理方法。它处理宽带发射脉冲产生的回波信号。信号尾部通常是两个以上套管模式波的迭加结果。在做信号处理过程中,要求套管的厚度和外径是一致的,且其它环境条件诸如泥浆衰减等也认为是相同的。     

偶极子声波测井在套管井中的声场特征*

偶极子声波测井在套管井中的应用越来越多,本文重点研究了套管井不同胶结状况下偶极子声源在套管井中激发的声场特征,通过解析方法分析了水泥环第一界面和第二界面不同胶结状况下井孔模式波的频散和衰减。计算结果表明,在水泥环第一界面或第二界面胶结差时井孔声场中可观测地层弯曲波和套管弯曲波;与胶结良好时相比,地层弯曲波的频散曲线向低频偏移,水泥环第二界面胶结差时偏移较大;套管弯曲波对水泥界面存在的流体环厚度很敏感,随着流体环厚度的增加套管弯曲波的相速度逐渐增大,激发幅度也明显增强,这一特征为利用套管弯曲波的相速度估算流体环厚度提供了可能。本文的计算结果为利用套管井中越来越多的偶极子声波测井资料评价水泥胶结质量奠定了理论基础。     

固-固界面退化特性的超声反射评价方法

提出了一种基于有限宽超声束反射的固-固界面退化特性评价方法,从理论和数值仿真角度进行了分析和计算。将两固体界面间的薄层简化为界面弹簧模型,以界面法向和切向劲度系数表征界面的退化程度。通过数值计算求得有限宽超声纵波束在不同入射角和界面不同退化程度下的反射横波、反射纵波的镜面反射系数。进一步地,通过建立二维有限元模型,仿真研究了有限宽超声纵波束在给定入射角及界面不同退化程度下镜面反射系数的变化规律。结果表明,反射纵波和反射横波的镜面反射系数随有限宽超声纵波束的入射角及界面劲度系数的改变而变化,且存在镜面反射系数随界面劲度系数单调且敏感变化的入射角,据此可准确评价界面的退化程度。     

超声反射成像测井的有限元分析*

利用有限元方法研究了有限长换能器激发的超声波在套管井多层介质中的传播规律。数值模拟了换能器长度及套管曲率对反射回波的影响。随着换能器长度增加,反射回波频谱谱陷个数由单一向多个变化;套管共振透射窗的反射波相对能量先逐渐减小后振荡变化,较小长度的换能器对套管与水泥环界面的声阻抗区分能力优于较大长度的换能器。随着套管曲率的增大,套管共振透射窗的反射波由单一模式的厚度振动纵波向其他模式波变化。数值模拟结果对超声脉冲反射声波测井仪器的换能器结构优化设计起到了良好的指导作用。     

水泥密度和套管尺寸对油井套管波的影响

通过数值模拟结合实验测量,研究了第一、第二界面胶结良好情况下套管井内的声场,考察了水泥密度、套管直径及其壁厚对套管波幅度的影响,并将部分数值模拟结果与实验结果进行了对比.结果表明,套管波幅度随固井水泥密度增大而减小,低密度水泥和常规密度水泥固井时所得到的套管波幅度相差较大;因此,进行固井质量评价时对不同密度的水泥应采用不同的评价标准.当套管直径不变而壁厚增大时,套管波到时不变而幅度增大;当套管壁厚不变而直径增大时,套管波到时延后而其绝对幅度减小.对油田中常用的三种套管,在大型号套管中所得到的套管波的相对幅度也较大.另外,数值结果中套管波相对幅度随水泥密度的变化规律与实验测量结果基本一致.     

分扇区水泥胶结测井胶结质量的定量评价研究*

为了实现分扇区水泥胶结测井仪(SBT)对第二界面(水泥-地层界面)的检测,本文在SBT的声系结构基础上,通过优化声源入射角提出检测水泥胶结质量的新方法。本文首先分析了不同充液条件下薄壁管激发的模态波频散特征;之后应用三维有限差分算法模拟薄壁管和实际套管井在斜入射声源激励下的声场,由计算结果提出激励速度"平台"上的模态有利于检测界面胶结质量;最后通过一系列波场模拟与分析来论证应用接收信号定量评价一二界面胶结质量的可行性。结果表明,特定的入射角可激励出对应速度"平台"处的模态,该模态波的特征较好的体现在接收信号中,可利用其幅度衰减程度判断水泥的胶结质量。该成果为套管井二界面水泥胶结质量的定量检测提供了研究基础。     

CBMT测井数值模拟及水泥环第二界面成像

从油田开发实际情况来看,在第一界面胶结良好的井段进行射孔,会因第二界面胶结差引起部分地层间流体窜槽,因此,研究第二界面胶结质量的评价方法是一项急需解决的工作。本文在中海油服自主研发的扇区水泥胶结成像测井仪器 CBMT 基础上,采用反褶积等算法,对数值模拟的CBMT 仪器贴井壁测量的全波波形进行水泥环第二界面成像处理,并分析第一界面、第二界面不同胶结情况下的成像效果。通过成像分析得出,在水泥环第一界面胶结良好时,可以对水泥环第二界面胶结状况较好地成像;在水泥环第一界面胶结差时,较难评价水泥环第二界面的胶结状况。     

窄带脉冲信号测量横波衰减系数-频率曲线的方法

提出一种测量材料超声横波衰减-频率曲线(αs-f)的方法:应用窄带脉冲驱动接触式横波探头的脉冲反射方式,采用石英晶体作为耦合块,通过测量耦合块和被测试块耦合界面的声压反射和透射系数,并在衍射修正下测量得到单频率下的超声横波衰减系数;在探头有效带宽内改变发射频率并重复测量,得到不同频率下超声横波衰减系数数值;利用非线性最...     

Evaluation of the cement bond quality through filtering the reflected ultrasonic waves

High cement bond quality is required to keep an oil well from hydraulic communication between zones.In the cement bond evaluation,the ultrasonic echo method is widely used for its capability of channeling azimuth detection.Full waveforms reflected from the cased hole are simulated for different bonding conditions by the generalized transfer matrix method.Because of the high acoustic impedance of casing,the amplitudes of the reflected waves from the cement and the formation are small and cannot easily be used to evaluate the cementing condition.The wave that can propagate into the cement and the formation through the casing concentrates closely on the casing resonant frequency.To reduce the amplitude of the reflected wave from the casing inner surface and highlight the part of the reflected wave which carries the cementing quality information,the reflected full wave is filtered according to the casing resonant frequency.There are several wave packets in the filtered waveform.When the amplitude of the second wave packet is low,the cement bonds well with the casing,otherwise poorly.A low amplitude third wave packet is an indication of a good bond of the cement with the formation,otherwise poor.To reveal the sensitivity of the reflection wave amplitudes to the incident angle,reflected full waveform is modeled when an acoustic beam with finite width is incident on the casing.It is shown that the bond evaluation method based on filtered wave packets is valid for incident angle less than 5 degrees.     

通过滤波检测水泥胶结质量的超声反射法

为防止流体沿井轴向窜槽,水泥与套管和地层的胶结必须是良好的。在固井质量检测中,超声反射法因具有较强的方位指向性而被广泛使用。但套管的高声阻抗导致了套管后的反射波信号比较微弱,使得水泥胶结质量的判别变得困难。为提高超声反射法的识别能力,我们以套管的共振频率为中心频率对反射全波进行滤波,降低套管的前表面反射波幅度,凸显套管后面携带水泥胶结信息的反射波。滤波后的波形呈现出数个波包,不同胶结情况下这些波包的幅度存在明显差异,通过这些差异可以判断水泥胶结质量。我们还利用有限声束模型计算了斜入射时的反射全波,探讨了入射角对超声反射波的影响。      

低频声波油井液面检测方法研究

为克服冲击声波法油井液面检测设备寿命短的缺陷,研究了一种低频声波测量油井内液面深度的方法,采用电磁式扬声器产生伪随机码调制的低频声波作为探测信号。通过对回波信号的解码和相关检测处理可以抑制背景噪声的干扰。完成了油井液面检测仪的硬件和软件系统的初样设计,并对不同信噪比下的回波信号作了仿真分析,仿真分析结果表明,该方法在低信噪比情况下,仍具有良好的辨识效果。     

弯曲型Lamb波传播特性与固井质量相关性研究

轻质水泥在油田固井中的广泛应用使得传统测井方式无法有效的对固井水泥胶结质量做出评价。为了研究新的可行的评价方法,本文采用传递矩阵方法对套管中传播的弯曲型Lamb波进行建模,并通过对所建模型进行数值计算研究了套管外水泥等介质的声学参数变化对弯曲型Lamb波衰减率的影响。数值计算的结果表明,弯曲型Lamb波的衰减率与水泥的声学参数以及水泥与套管的胶结状况有较强相关性,据此可对水泥与套管胶结状况进行评价。本文的计算结果与分析对弯曲型Lamb波在水泥胶结评价中的应用具有一定的参考意义。     

一种基于FPGA的超宽带雷达控制系统的设计

脉冲超宽带雷达发射信号为窄带信号,回波信号带宽很大难以直接采样,文中设计了一种以FPGA作为控制器的超宽带(UWB)雷达信号采集与控制系统。根据回波信号呈周期性的特点,实现了时域延时式等效采样。为了使雷达主机与PC机之间实现高速通信,设计了USB 2.0接口电路。实验结果表明,该控制系统等效采样速率可达5 GS/s,可以有效的接收雷达回波信号,并且能检测到人体教具的位置和呼吸频率。     

Magnetic resonance imaging of acoustic streaming: absorption coefficient and acoustic field shape estimation

In this study, magnetic resonance imaging (MRI) is used to visualize acoustic streaming in liquids. A single-shot spin echo sequence (HASTE) with a saturation band perpendicular to the acoustic beam permits the acquisition of an instantaneous image of the flow due to the application of ultrasound. An average acoustic streaming velocity can be estimated from the MR images, from which the ultrasonic absorption coefficient and the bulk viscosity of different glycerol-water mixtures can be deduced. In the same way, this MRI method could be used to assess the acoustic field and time-average power of ultrasonic transducers in water (or other liquids with known physical properties), after calibration of a geometrical parameter that is dependent on the experimental setup.     

虚拟式声显微镜及应用技术研究

本文描述一台虚拟式扫描声显微镜及应用技术研究，它的硬件特别简单，仅由一台带有超高速A/D卡和快脉冲收发卡的PC机和机械扫描系统组成，主要的功能均由软件完成，脉冲收发卡仅包括脉冲产生和高频放大器，A/D卡采用PCI总线，采样率1GSPS，数据传输率100MB/s，系统能采集并实时显示频率达百兆的未检波回波信号，采修订本以的信号经软件处理，可在屏幕上实时显示样品的A、B、C型幅度像或相位像，仪器利用信号处理技术提高信号的信噪比；进行特征提取，识别，该仪器在材料识别，电子、光电子器件和焊接质量检测等方面功能较强，具有广阔的开发应用前景。