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。     

套管井声场合成波形及其时频特征分析

数值计算了点声源激励下套管井声场的声压波形。计算模型包括了实际中所有的三类岩石及两个界面的各种胶结情况,声源频率采用实际的测井频率。对合成波形进行了基于Wigner－Ville分布的时频分析。计算和分析结果说明,波列中的套管波、伪瑞利波在一、二界面不同的胶结情况下有明显的变化规律。二界面未胶结时,套管波模式的时频分布随管外水泥层厚度的变化而变化。它们与地层体波成分的特征可作为管外水泥胶结质量评价的重要依据;而中速地层时地层体波能量最强,有利于胶结质量评价。     

超声脉冲窄带激励的水泥环第二界面探测方法*

如何评价水泥环的第二界面固井质量一直是声波测井领域的世界性难题。本文利用有限元方法研究了基于超声脉冲反射法的水泥环第二界面固井质量探测方法。数值模拟了不同声源脉冲宽度及不同声阻抗地层对第二界面超声反射回波的影响。研究结果表明采用窄带的激励信号源可有效的提高水泥环第二界面反射波回波幅度,有望解决水泥环第二界面固井质量评价问题。制作了水泥环第二界面具有胶结缺陷的实验室样品及大型固井质量刻度井,在此基础上开展了基于窄带超声脉冲激励的实验室及刻度井群实验研究。实验结果表明满足水泥环第一界固井质量良好条件,采用窄带的超声脉冲回波技术可有效评价水泥环第二界面固井质量。     

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。     

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。      

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。     

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。      

套管井中相控线阵声源激发的声场研究

利用相控线阵声源的动态声束偏转技术可大大增强套管井孔中有用模式波的幅度。通过实轴积分方法计算了相控线阵声源在多种胶结状况下的充液套管井中的声场,计算结果表明在Ⅰ、Ⅱ界面均胶结良好时随着相控线阵阵元间激励延迟时间的增加,地层滑行纵波和滑行横波的幅度逐渐增强,当相控线阵声源的声束偏转角先后等于地层第一临界角和第二临界角时可使滑行纵波和滑行横波幅度分别加强到最大;在Ⅰ(或Ⅱ)界面存在微环时,单个点声源激发的套管井全波波形中观测不到地层信息,当采用相控线阵声源做发射器时,通过选择相邻阵元间合适的激励延迟时间,可有效地增强地层滑行纵横波的幅度,同时还可较好的抑制套管波的能量。     

一种基于简正波模态消频散变换的声源距离深度估计方法

针对浅海环境中传播的低频宽带水声脉冲信号,基于简正波水平波数差和波导不变量之间的关系,本文提出了一种利用距离-频散参数二维平面聚焦测距与匹配模态能量定深的目标声源定位方法.首先,通过将由频散参数和波导不变量表示的前几阶模态相速度与由环境模型计算的相速度进行对比分析,从而估计出前几阶模态的频散参数和环境的波导不变量.其次,利用估计出的频散参数值和波导不变量对接收信号进行消频散变换处理,只有当接收信号的距离参数等于目标声源距离时,各号简正波的幅度均达到最大值,在距离-频散参数二维平面上,出现声压聚焦的现象,利用此现象可以估计目标声源的距离.不仅如此,消频散变换后的接收信号,前几阶模态在时域上明显地分离开来,可以准确地估计出前几阶模态的能量,采用多模态能量匹配的方式,可以估计出目标声源的深度.最后,通过对仿真和冬季获得的气枪信号数据处理结果验证了本文方法的有效性.     

套管中模式波的响应特征*

在固井质量评价中主要利用套管中模式波的幅度或衰减变化反映水泥的胶结状况,不同测井仪器在套管中激发的模式波的类型不同,研究套管中各模式波的传播特征和影响因素可充分挖掘测量数据的潜在应用价值。CBL和SBT等测井仪器在套管中主要激发拉伸波,类同于平板中的零阶对称Lamb波,水泥环封隔测井仪器的斜入射模式在套管中主要激发套管弯曲波,类同于平板中的零阶反对称Lamb波,垂直入射模式激发套管共振波,类同于平板中的高阶对称Lamb波。该文重点分析了这些模式波的衰减特征及其对微环的响应,套管弯曲波在套后耦合轻质水泥时对微环不敏感,但在套后耦合常规水泥或重水泥时,其衰减明显高于胶结良好的状况;拉伸波对微环的存在最为敏感;套管共振波对微环不敏感。     

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。     

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.     

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。     

Reflection of Lamb waves obliquely incident on the free edge of a plate

The reflection of obliquely incident symmetric and anti-symmetric Lamb wave modes at the edge of a plate is studied. Both in-plane and Shear-Horizontal (SH) reflected wave modes are spawned by an obliquely incident in-plane Lamb wave mode. Energy reflection coefficients are calculated for the reflected wave modes as a function of frequency and angle of incidence. This is done by using the method of orthogonal mode decomposition and by enforcing traction free conditions at the plate edge using the method of collocation. A PZT sensor network, affixed to an Aluminum plate, is used to experimentally verify the predictions of the analysis. Experimental results provide support for the analytically determined results.     

倾斜入射光入射于一维非线性光子晶体中带宽加宽的二次谐波的产生

研究了置于空气中的含缺陷的一维非线性光子晶体中二次谐波的产生.由于反射的二次谐波很强而不能忽略,缓变振幅近似在系统中是不适用的.本文提出了一种不采用缓变振幅近似来处理二次谐波产生问题的方法,并应用这种方法计算相关的二次谐波转换效率.结果表明:随着入射波角度的增加,缺陷模对应的波长将变短,并且通过调整基频波入射的角度,可以产生宽带宽并且高转换效率的二次谐波.这个方法适用于任何一维非均匀系统,可以简单方便地计算出二次谐波转换效率.     

Circumferential resonance modes of solid elastic cylinders excited by obliquely incident acoustic waves

When an immersed solid elastic cylinder is insonified by an obliquely incident plane acoustic wave, some of the resonance modes of the cylinder are excited. These modes are directly related to the incidence angle of the insonifying wave. In this paper, the circumferential resonance modes of such immersed elastic cylinders are studied over a large range of incidence angles and frequencies and physical explanations are presented for singular features of the frequency-incidence angle plots. These features include the pairing of one axially guided mode with each transverse whispering gallery mode, the appearance of an anomalous pseudo-Rayleigh in the cylinder at incidence angles greater than the Rayleigh angle, and distortional effects of the longitudinal whispering gallery modes on the entire resonance spectrum of the cylinder. The physical explanations are derived from Resonance Scattering Theory (RST), which is employed to determine the interior displacement field of the cylinder and its dependence on insonification angle.     

倾斜入射光入射于一维非线性光子晶体中带宽加宽的二次谐波的产生(英文)

研究了置于空气中的含缺陷的一维非线性光子晶体中二次谐波的产生.由于反射的二次谐波很强而不能忽略,缓变振幅近似在系统中是不适用的.本文提出了一种不采用缓变振幅近似来处理二次谐波产生问题的方法,并应用这种方法计算相关的二次谐波转换效率.结果表明:随着入射波角度的增加,缺陷模对应的波长将变短,并且通过调整基频波入射的角度,可以产生宽带宽并且高转换效率的二次谐波.这个方法适用于任何一维非均匀系统,可以简单方便地计算出二次谐波转换效率.