有效测量套管井泄漏Lamb波衰减的实验研究

低密度水泥在油气井中的广泛应用使得常规的声阻抗类测井方法难以准确、有效地评价固井质量,而声波倾斜入射在套管中激发的弯曲型Lamb波对水泥的性质及胶结情况具有很高的分辨能力,能够很好地解决低密度水泥的固井质量评价问题。弯曲型Lamb波对套管后介质声学信息的响应反映在声波衰减中,因此该文通过实验研究了激发弯曲型Lamb波的有效方式,分析了声波入射和接收角度对Lamb波衰减的影响。实验结果表明,入射和接收角度在一定范围内变化时,虽然激发出的Lamb波模式均为弯曲型Lamb波,但在同一套管模型下测量的声波衰减值会有差异,选择激发弯曲型Lamb波的最有效方式,计算得到的Lamb波衰减对套管后介质的灵敏度才会最高。     

泄漏Lamb波在固井质量评价中的应用

轻质水泥在油气田固井中的广泛应用使得传统声阻抗测井方式难以准确地对固井水泥胶结质量作出评价。本文基于弯曲型Lamb波传播特征对层状介质胶结质量较为敏感的特点,首先对套管井建立合适的层状介质模型,计算了层状介质的平面波反射系数,从反射系数的角度探讨了在套管井内激发弯曲型Lamb波的条件。然后依据该条件并结合声波角谱理论计算了稳态有限宽脉冲束入射时在套管井内产生的弯曲型Lamb波泄漏波的时间波列信号。通过对泄漏波波列信号的分析,得到了弯曲型Lamb波与套管井水泥胶结质量间的关系。研究表明,入射声波在满足一定条件下可以在套管内激发弯曲型Lamb波,其传播时的衰减率与套管水泥胶结质量以及水泥的声学参数均相关,当水泥为轻质水泥或者普通水泥时,其衰减率随着套管水泥间水层厚度的增加而减小,当水泥为快水泥时,其衰减率随着水层厚度的减小而增加,但当水层厚度减为零即套管水泥胶结良好情况下,其衰减率转而变小。     

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。     

套管中泄漏弯曲型Lamb波的传播特征

低阻抗水泥固井质量检测是油气田生产亟需解决的问题。套管中传播的最低阶泄漏弯曲型Lamb波(以下简称为A0弯曲型Lamb波)对套管后介质尤其是低阻抗水泥的声学参数和胶结状况具有很高的敏感性。通过建立多层介质模型,从理论上计算了其频散和衰减与套管后介质属性及水泥环第Ⅰ界面胶结状况的关系,并数值模拟了有限尺寸定向辐射探头激发和接收的全波波形。结果表明,在套管后耦合慢速水泥时,A0弯曲型Lamb波的频散曲线存在断点,曲线分为两个分支;A0弯曲型Lamb波的衰减在套管后耦合慢速水泥时最大并且对水泥环第Ⅰ界面胶结差时流体环厚度有很高的灵敏度,利用其衰减可以实现对套管后介质类型、水泥环第Ⅰ界面胶结状况及窜槽厚度的有效判别。      

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。     

有粒滞液层负载时薄板中类Lamb波的传播

本文从弹性波传播理论出发，结合边界条件，导出了薄板一面有粘滞液层负载时板中类Lamb波传播的色散方程；研究了液层粘滞引起的类Lamb波衰减．数值计算表明，板和液层的驻波共振振动引起极中类Lamb波对称和反对称模式的模式转换以及衰减系数的变化。文中对ktd《1时，Ao模式类Lamb波的微质量和粘滞传感特性也作了讨论。     

圆管内的偏心声源在圆管内外激发的声场

为了分析环形声波测井、扇区水泥胶结测井以及声波成像测井仪器在套管井内测量的波形,识别套管外界面的腐蚀或串槽情况,研究了偏心声源在圆管内、外激发的二维声场,给出了不同时刻的声场分布图和不同方位角的波形图,分析了不同回管厚度和声速时环绕圆管传播的波,并给出了实验结果。     

套管井体胶结状态对井孔中声传播的影响

从波动方程出发,利用匹配边界条件,木文推导出套管井中由单极子和多极子声源激发的井内声场定解表达式及相应的导波色散方程．利用实轴积分法和快速傅里叶交换数值方法,具体计算了套管井中不同胶结情况时由单极子声源和偶极子声源激发的井轴上不同源距处的全波列波形。结合套管井中的轴对称导波模式,分析了胶结状况对套管井中单极子和偶极子声源激发的声场的影响．研究结果表明：仅利用普通单极子声源或偶极子声源进行套管井测井,难以区分出套管胶结良好、套管与水泥为滑移胶结和自由套管情况三种不同的胶结情况;只有把普通单极子声源测井与偶极子声源测井结合起来,才有可能准确评价套管的胶结情况。     

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。     

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。     

Absorption of zero Lamb waves in an elastic layer by mechanical resonators with friction

The propagation of zero Lamb waves in a plate with mechanical resonators attached to its surfaces is studied. It is shown that, in a plate that is single-mode for symmetric (antisymmetric) waves, the zero symmetric (antisymmetric) Lamb wave can be absorbed by mechanical resonators with a certain friction. The single-mode (for symmetric or antisymmetric waves) plate can be not thin compared to the wavelength of the transverse wave.     

用于储罐底板缺陷检测的超声兰姆波模式研究

从超声兰姆波的声场方程出发,得到板材表面离面位移(法向位移)为零的条件,即当超声兰姆波的相速度等于板材介质的纵波声速时,在板材表面的离面位移为零。在给定适当频厚积的条件下,分别数值模拟了仅有切向位移而无离面位移的A1、S1、A2和S2兰姆波模式在有液体负载的单层钢板中的传播情形。结果表明:离面位移为零的S2模式频散较小且对板中缺陷更为敏感。     

套管井超声导波成像系统开发与工程应用研究*

针对现有套管井检测与评价技术存在的缺陷,开展了进一步的导波成像方法与技术开发研究。对套管壁A0导波模式频散与泄漏衰减特性,以及泄漏衰减特性与管外粘结材料特性阻抗的关系进行了分析。在此基础上进行了不同粘结载荷钢板模型A0模泄漏衰减等特性以及脉冲回波厚度共振波特性的实验测试。结果显示,结合A0模式的衰减与管外粘结材料特性阻抗的测试结果,可有效定征管外粘结材料特性,进一步确定和成像管外环形空间水力联通特性。以此为基础,开发了耐温和耐压宽带超声换能器,以及检测与成像系统。通过模型井和实际井的测试,获得良好效果。     

板状结构Lamb波频散补偿与聚焦接收成像检测

对板状结构中Lamb波的频散和多模现象进行了理论分析,采用有限元仿真方法获取了Lamb波与缺陷作用后的回波信号,对信号进行聚焦接收处理,即在一定距离范围内利用导波频散特性对各个模式信号进行频散补偿,提取补偿后信号的幅值,结果表明当所得信号幅值最大时,所对应的补偿距离等于缺陷与换能器之间的实际距离.利用这一结论,提出了以...     

Mode selection of Lamb waves for the evaluation of solid plates with liquid loading

This paper studies the mode selection of Lamb waves for evaluating solid plates with liquid loading. For this purpose, the Lamb wave selected should have the features such as zero normal displacement components at the plate surface in contact with liquid, small dispersion, and maximum group velocity. It is found that when the phase velocity of Lamb wave is equal to the longitudinal wave velocity of the plate material, its normal displacement at the plate surface is always zero. Through the numerical analyses, the specific S₂ Lamb wave that has zero normal displacement component at the plate surface, small dispersion and maximum group velocity compared with the other Lamb waves has been found. With respect to the specific S₂ Lamb wave, some experimental examinations have been carried out. It is found that the liquid loading on the plate surface has less influence on the specific S₂ Lamb wave signal but it can effectively eliminate the other signals. Moreover, the specific S₂ Lamb wave selected exhibits the capability of detecting multiple defects in the solid plate with the liquid loading. It can be concluded that the specific S₂ Lamb wave selected is suitable for the evaluation of solid plates with liquid loading.     

Coupled flexural-longitudinal wave motion in a periodic beam

Periodic structure theory is used to study the interactions between flexural and longitudinal wave motion in a beam (representing a plate) to which offset spring-mounted masses (representing stiffeners) are attached at regular intervals. An equation for the propagation constants of the coupled waves is derived. The response of a semi-infinite periodic beam to a harmonic force or moment at the finite end is analyzed in terms of the characteristic free waves corresponding to these propagation constants. Computer results are presented which show how the propagation constants are affected by the coupling, and how the forced response varies with distance from the excitation point. The spring-mounted masses can provide very high attenuation of both longitudinal and flexural waves when no coupling is present, but when coupling is introduced the two waves combine to give very low (or zero) attenuation of the longitudinal wave. The influence of different damping levels on spatial attenuation is also studied.