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。      

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。     

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。      

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

外表面应力自由的充液有限壁厚井孔中的声场及其频散曲线的“平台”特征

为了开发一种新型标准刻度井,对外表面应力自由的充液有限壁厚井孔中的声场进行了更加深入的研究,计算分析了这种圆柱形封闭声波导结构中的声场和多阶对称模式波的频散特性。结果表明:充液有限壁厚井孔中高阶对称模式波的相速度频散曲线在一定频率范围内出现“平台”现象;当声源激发主频大于5 kHz且慢度时间相关法(STC)的窗长取4到5个周期时,得到全波波形中的“首波”速度与高阶模式波相速度频散曲线上的“平台”区域速度接近,该“平台”区域的速度与有限壁厚管材的纵波速度相差百分比随管材泊松比增加呈指数型上升;通过选择合适的管材材料以及改变其几何尺寸,可在一定频率范围内控制对称模式波相速度频散曲线的“平台”宽度、位置及平稳度。这一研究可为建立行业标准的声速刻度井提供新思路。      

Electroseismic waves excited by vertical magnetic dipole in borenole

Acoustic and electromagnetic fields are coupled in a fluid saturated porous medium due to seismoelectric effect. Seismoelectric well logging method has been proposed to detect deep target formation utilizing such effect. Because of uncoupling of SH waves with P-SV waves, a simple and forthright way to get shear waves information is possible, especially for soft or slow formation whose shear wave velocity is lower than the velocity of borehole fluid. We consider the wave fields excited by a vertical magnetic dipole (VMD) source. Two methods are used to simulate, one is the coupled method based on Pride model and the other is the uncoupled method. For two methods, the frequency wavenumber domain representations of the acoustic field and associated seismoelectric field are formulated. The full waveforms of acoustic waves and electromagnetic wave induced SH waves excited by VMD source in the time domain propagation in borehole are simulated and analyzed.     

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。     

横波速度径向层析成像方法及应用研究

近来三维声波成像技术的一个重要进展是利用偶极子弯曲波反演地层径向横波速度剖面。确定地层径向横波速度变化对评价井壁稳定性、估算地应力和优化油藏生产等有着重要的意义。偶极横波测井激发的弯曲波低频探测较深,高频探测较浅,本文根据偶极弯曲波的频散特征,采用约束反演的方法求取地层径向横波速度变化。在实际测井中,经常会遇到偶极子弯曲波的频散曲线在高频时缺失或者不准确的情况,这会使约束反演方法产生误差。针对这一现象,本文提出利用理论频散数据进行高频约束,并通过数值模拟验证了改进后约束反演方法的正确性。本文给出了一个致密气层的横波速度径向剖面综合应用实例,发现地层径向横波速度变化程度与岩石脆性有很好的对应关系,最终的压裂效果由压前、压后正交偶极横波各向异性的变化得到了印证,压裂后油气产量提高。     

A numerical investigation of the acoustic mode waves in a deviated borehole penetrating a transversely isotropic formation

A 2.5-dimensional method in frequency wave-number domain is developed to investigate the mode waves in a deviated borehole penetrating a transversely isotropic formation. The phase velocity dispersion characteristics of the fast and slow flexural mode waves excited by a dipole source are computed accurately at various deviation angles for both hard and soft formations. The sensitivities of the flexural mode waves to all elastic constants in a transversely isotropic formation are calculated. Numerical results show that, for a soft formation, the fast flexural mode wave is dominated by c66 at high deviation angles and low frequencies, while the slow flexural mode wave is dominated by c44 at the same conditions. Waveforms in time domain are also presented to support the conclusions.     

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。