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。     

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.     

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。     

套管井中偏心对声场的影响分析*

目前在油田的实际应用中,声幅-变密度水泥胶结测井(CBL/VDL)在套管井的水泥胶结质量评价中发挥重要作用。但是,在一些大斜度井或者水平井中,往往由于仪器或者套管的重量等原因导致套管井中出现偏心现象,这给利用声波测井资料进行水泥胶结质量评价带来一些难题。为此,本文建立了套管偏心和仪器偏心两种情况下的三维声学模型,利用柱坐标系下的三维交错网格有限差分算法数值模拟了两种偏心情况下的声波传播情况,并着重研究了偏心率的变化对套管井中声场波形特征,尤其是套管波及地层波特征的影响。另外,模拟了具有不同外径尺寸的套管和偏心率的组合情况下的声场传播情况,在此基础上研究了偏心率的大小对声场特征的影响规律。本文的研究结果表明,套管偏心和仪器偏心均会给声场波形特征带来影响,且随着偏心率的增加而增大;相比较而言,仪器偏心对套管波的影响更大。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。      

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。     

套管井中相控线阵声源激发声场的实验室物理模拟研究

为了探讨任意胶结状况下的套管井中均能直接并清晰的测量到地层信息的可行性,开展了套管井缩小模型的声波测井实验室物理模拟研究。实验测量了套管井不同胶结状况下相控线阵声源做发射器时的全波波形。通过对相控线阵声源不同偏转角时测量的全波波形分析表明,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,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井孔中接收的地层滑行纵波和滑行横波幅度分别加强到最大;在套管井Ⅰ界面胶结差以及自由套管中,仍有效的探测到了地层的滑行纵波和横波信息。此实验结果验证了在任意胶结状况下的套管井中均能直接测量到地层信息的可行性,为开发新一代的套管井相控线阵声波测井仪奠定了实验基础。      

A cased-hole acoustic logging technique using the dual source of opposite polarity

It is usually difficult to measure acoustic velocities through a casing,especially when the casing is poorly bonded with formation.An acoustic logging technique using the dual source of opposite polarity is proposed to enhance the Signal to Noise Ratio of the formation signal and to reduce the casing wave in the data acquisition process.In what follows,a theoretical modeling is used to caculate the wavefroms of cased wells.And then,a scaled experiment was conducted in the 1:10 scaled experimental well using the proposed technique in the poorlybonded condition.The results show that this technique can effectively suppress the casing wave and enhance the formation wave,even in the poorly-bonded condition.By analyzing the measured wavefroms,the amplitude of casing wave is reduced to 12%compared to the conventional one-source technique,and the compressional wave velocity can be easily obtained by using this technique.Both the theoretical modeling and experiment results demonstrate the feasibility of the proposed technique.This study establishes the theoretical and experimental foundation for the cased-hole,dual source of opposite polarity,acoustic logging tool development.     

一种过套管双源反激声波测井方法

套管井胶结差时,地层声速的测量是一个很重要的测井难题。为解决这一难题,提出了一种过套管双源反激声波测井方法,从数据采集上压制套管波,增强地层波的信噪比。模拟计算了这种情况下双源反激的测井声波波形,并在实验室制作了1:10的套管模型井,进行了物理模拟实验。计算结果表明利用该方法可以有效压制套管波,并能清晰地识别出地层纵波。对实测波形的分析表明,实验条件下采用双源反激方法套管波幅度能够被压制到单源激励时的0.12倍,有效提高了地层波的信噪比,并能有效提取地层波的速度。理论和物理模拟结果验证了该方法的可行性,为其工程应用奠定了基础。      

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。     

宽带相控线阵声源在套管井外地层辐射声场的指向性

套管井中的声传播涉及到波在柱状多层介质中的传播问题。通过数值计算对比了宽带相控线阵声源在套管井外均匀地层中产生的纵横波声场的指向性。结果表明,在任意胶结状况下,均可实现向套管井外地层定向辐射纵横波的技术;与地层中纵波的传播特征不同的是在主瓣偏转角方向横波幅度随着偏转角的增大逐渐增加,且在主瓣辐射方向的横波幅度受套管井胶结状况的影响较纵波小;采用玻璃钢套管代替钢套管,会进一步减弱地层声场受胶结状况的影响,这有利于实现在套管井外地层较大范围内的精确定向辐射声波的技术。     

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.