CN102128029B - 一种用于套管井二界面的超声检测成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于套管井二界面的超声检测成像方法，采用频率可调的猝发音电脉冲激发宽带换能器，控制激发频率为套管厚度共振频率，换能器在电脉冲的激励下辐射窄带超声脉冲垂直入射到井壁，并径向透射进各层介质，同时各层界面产生反射回波，对接收回波进行处理，分离二界面回波，得到二界面的胶接信息，换能器对套管壁进行多点测量扫描时可得到二界面粘接特性图像。与现有技术相比，本发明克服了目前超声脉冲回波等测井仪无法检测二界面胶接缺陷的缺点，通过分离接收信号中的二界面回波，可以得到二界面水泥胶接质量图像，同时可实现传统的脉冲回波测井的检测结果。

Description

一种用于套管井二界面的超声检测成像方法
技术领域
本发明涉及一种声波测井技术，尤其是涉及一种用于套管井二界面的超声检测成像方法。
背景技术
套管井水泥胶接固井质量检测与评价是一项重要的测井方法和技术，对避免油井油水层间窜漏等问题有重要意义。套管井水泥胶接测井是指通过测井方法进行如下检查与评价：检查钢套管与水泥之间(称为一界面)胶接状况，水泥与地层岩石之间(称二界面)胶接状况，以及钢管与岩石间环形空间水泥的部分缺失。
传统的声幅测井(CBL)与变密度测井(VDL)是使用历史最长和最为普遍的检测方法。CBL方法仅能检测一界面胶接质量。VDL方法虽能定性推测二界面胶接情况，但由于诸多影响因素而非常不准确。它们都使用全向性探头和1米以上的源距，所测结果在井周向无方向性，轴向也是源距范围内的平均结果。因此，无法检测缺陷方位，纵向分辨率也很低。此外，还有诸多其他缺陷。
90年代中后期以及最近，国外几家著名公司推出各自声成像方式的固井水泥胶接质量检测仪器。如Atlas公司的扇区水泥胶接质量测井仪(SBT)，Schlumberger公司，Halliburton公司的脉冲回波井周扫描成像测井仪(USI，CAST-V与CAST-F)。但这些仪器均只能检测一界面胶接质量。
超声脉冲回波扫描测井仪通过向套管表面发射覆盖不同套管厚度共振频率范围的宽带超声脉冲，通过分析回波中的共振波来判断套管与水泥间是否胶接。回波中的主要成分是钢套管内表面反射波及管壁内的共振波。由于这种方法透过钢套管的超声能量只是整个超声脉冲的极小的部分，即只是相应于套管厚度共振频率的成分可以透入，因而回波中二界面的信号很弱，且通常被套管壁内共振波信号所淹没，几乎无法观察到，从而无法检测和评价二界面的胶接状况。因此，如何使超声脉冲更有效透射高声阻抗的钢套管，进入水泥层，成为二界面检测的关键问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以检测二界面胶接信息并能够避免检测盲区的用于套管井二界面的超声检测成像方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于套管井二界面的超声检测成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)采用频率可调的猝发音电脉冲激发宽带换能器，控制激发频率为套管厚度共振频率，换能器在电脉冲的激励下辐射窄带超声脉冲垂直入射到井壁，并径向透射进各层介质，同时各层界面产生反射回波；
(2)对接收回波进行处理，分离二界面回波，得到二界面的胶接信息，换能器对套管壁进行多点测量扫描时可得到二界面粘接特性图像。
所述的激励换能器的电脉冲为频率可调的猝发音。
所述的换能器的带宽覆盖200-650kHz，-6dB相对带宽大于80％，可以采用一个或多个换能器分频段实现。
所述的电脉冲信号的频率调节范围为200-650kHz。
所述的对接收回波进行处理，分离二界面回波的方法包括时域开窗方法或自适应滤波方法。
所述的二界面的胶接信息是对各扫描点二界面回波信号的幅度等信息进行归一化显示得到。
与现有技术相比，本发明可以有效透射高声阻抗钢板，明显增大水泥一岩石二界面回波，配合相应的信号处理方法，可有效检测和评价二界面水泥胶接质量；单频电脉冲的长度可根据井孔尺寸来设置，避免了检测盲区；电路设计为频率可调方式，配合宽带换能器，实现对不同套管厚度套管井的检测。
附图说明
图1为具有不同粘接缺陷的套管井横截面示意图；
图2为自发自收换能器在猝发音电脉冲激发下向套管壁垂直辐射超声脉冲及超声脉冲的透射与反射示意图；
图3为套管厚度与激发频率的关系；
图4为回波信号及各成分；
图5为二界面回波信号的提取示意图。
图中10为套管井孔、11为井液、12为钢套管、13为水泥层、14为地层、15为一界面缺陷、16为水泥缺失、17为二界面缺陷、18为一界面、19为二界面、20为换能器、21为超声脉冲、22为一次反射波、23为共振波、24为水泥中的反射波、25为猝发音电信号、26为接收电脉冲信号。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明是用于检测套管井水泥与地层之间(二界面)的胶接特性的方法。套管井的固井水泥胶接质量的检测与评价主要包括套管与水泥之间(一界面)的胶接特性、水泥与地层之间(二界面)的胶接特性、以及套管与地层之间水泥环的部分缺失等。图1给出了具有这几种粘接缺陷的套管井横截面示意图。图中套管井孔10中充满井液11，井孔外介质分别为钢套管12、水泥层13、地层(岩石层)14。套管与水泥之间的界面为称一界面18，水泥与地层之间的界面称二界面19。图中一界面有缺陷15，二界面有缺陷17，套管与地层之间的水泥有部分缺失16。
图2示意了超声脉冲的辐射、反射、接收及传播路径。自激自收换能器20在猝发音电信号25的激发下通过井液向钢套管辐射超声脉冲21，在钢套管内壁产生一次反射22，并进入套管在套管内产生共振波23，透过套管进入水泥层，形成水泥中的反射波24。该成分在二界面19一部分被反射回到换能器被接收。超声换能器将上述接收的各声信号成分变为电脉冲信号26。
图3是套管厚度与激发频率的关系。若钢套管的厚度在4-15mm范围，则如图3所示，换能器的带宽应覆盖200-650kHz范围，可使超声脉冲透射钢套管。回波成分中，套管内壁一次反射波22幅度一般最大，是换能器所辐射的声脉冲能量的主要部分。
但采用猝发音激发换能器，调节其按图3的频率适应于套管的厚度，声脉冲能量则可最大程度透射套管进入水泥层，对于不同的二界面粘接特性，其回波性质将有所差异，通过正确分离该成分，并分析比较其性质，可以获得二界面的粘接特性。
图4是一个采用上述方法得到的回波，介质条件是图1中有二界面胶接缺陷17情形。其成分包括套管内表面一次反射波，管壁内共振波，二界面反射波。此时信号中二界面回波变成一个十分显著的成分，波包能量仅次于一次反射波。
图5是二界面不同间隙宽度时的一组回波波形。二界面回波信号的幅度随间隙厚度的变化而显著变化。在时间上开窗截取该成分，计算如均方根幅度可以有效评价二界面的粘接特性。当井孔的几何尺寸变小导致波形成分在时间上重叠时，可采用波分离技术，如自适应信号处理等进行相应的信息提取，同样可得到相似结果。
声换能器对套管壁进行多点扫描测量时，即可得到二界面胶接特性图像。对各扫描点二界面回波信号的信息，如幅度均方根值进行归一化显示，即得到二界面胶接图像。
本发明提供了一种用于套管井二界面水泥胶接质量的超声检测和扫描成像的方法与技术。应该被理解的是所公开的方法与技术可以用其他不同的特定形式来实施。本方法和技术由于公开的原因给出了其中的形式，但不限于已公开的形式。
以上所描述的发明完全适合实现上述目标，并且达到了上述的目的和优势。虽然由于公开的目的，给出了本发明的实施办法，但实施过程的细节存在着大量可以变化的地方。这些变化本领域的技术人员是清楚的，它们也包括在本发明所公开的精神与所附权利要求中。

Claims (5)

1.一种用于套管井二界面的超声检测成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）采用频率可调的猝发音电脉冲激发宽带换能器，控制激发频率为套管厚度共振频率，换能器在电脉冲的激励下辐射窄带超声脉冲垂直入射到井壁，并径向透射进各层介质，同时各层界面产生反射回波；
（2）对接收回波进行处理，分离二界面回波，得到二界面的胶结信息，换能器对套管壁进行多点测量扫描时可得到二界面粘接特性图像。
2.根据权利要求1所述的一种用于套管井二界面的超声检测成像方法，其特征在于，所述的换能器的带宽覆盖200-650kHz，-6dB相对带宽大于80%，采用一个或多个换能器分频段实现。
3.根据权利要求1所述的一种用于套管井二界面的超声检测成像方法，其特征在于，所述的电脉冲信号的频率调节范围为200-650kHz。
4.根据权利要求1所述的一种用于套管井二界面的超声检测成像方法，其特征在于，所述的对接收回波进行处理，分离二界面回波的方法包括时域开窗方法或自适应滤波方法。
5.根据权利要求1所述的一种用于套管井二界面的超声检测成像方法，其特征在于，所述的二界面的胶结信息是对各扫描点二界面回波信号的幅度信息进行归一化显示得到。
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