CN105134170B - 一种用于评价套管井二界面水泥胶结质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于评价套管井二界面水泥胶结质量的方法。在一个实施例中，所述方法包括：将超声波发射装置与超声波接收装置水平方向周向间隔，放入套管井中；超声波发射装置以入射角θ_i向套管井内壁发射超声波，超声波在套管井中激励周向模式，套管井中各层介质反射超声波形成反射波，入射角θ_i是超声波发射装置的辐射面中轴线与套管井内壁的交点处,中轴线与法线的夹角；超声波接收装置接收回波信号，将回波信号与自由套管方式下接收的回波信号进行对比处理，得到套管井中回波信号形成位置对应的水泥胶结质量。本发明实施例通过发射具有方向性的超声波，在套管井中激励形成周向模式，并对回波信息进行处理，实现了对固井水泥不同界面胶结状态的检测。

Description

一种用于评价套管井二界面水泥胶结质量的方法

技术领域

本发明涉及一种声波测井技术，尤其涉及一种用于评价套管井二界面(水泥和地层界面)水泥胶结质量的方法。

背景技术

套管井中水泥胶结质量的检测和评价对于油井工程和油田开发具有重要的意义，主要包括一界面(套管和水泥界面)以及二界面的胶结状况评价。最早的CBL/VDL水泥胶结测井是固井质量检测中常用的检测方法。其中，CBL可以用于定量判断一界面的水泥胶结质量；VDL可用于定性判断二界面的水泥胶结质量。但是，两种技术都只是测量水泥环周向一定纵向距离内的平均胶结质量，无法反映环向上水泥的不均匀分布，即无方位分辨率，且纵向分辨率较低。

扇区测量技术和超声脉冲技术弥补了无法对一界面的胶结质量进行周向检测的缺陷。扇区测量技术包括两类：一类是声源居中发射，接收器分扇区分别接收的方式；第二类是将发射和接收都紧贴套管内壁，进行扇区衰减测量的方式。超声脉冲发射类仪器可以根据测量套管谐振波的方式辨别与套管外壁接触物质的声学特性，可用于在周向和纵向上对一界面的水泥胶结质量进行评价。此外，常规脉冲和挠曲波成像技术的结合，可以对套管外环空间进行三维成像，确定测量方位上套管外物质的形态，从而生成固-液-气固井质量评价的成果图。但由于采集信号受到多种因素的影响，目前在国内外现场应用实例中，未见该技术在二界面水泥胶结质量评价中的应用。

目前应用的固井质量检测方法和技术多数只适合对一界面的胶结质量进行评价，对二界面固井质量的检测还存在一定的困难。因此，亟需一种针对二界面胶结质量的检测技术，简单方便的实现固井二界面胶结质量的检测。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种利用超声波在套管井中激发周向模式，从而检测套管井中水泥和地层界面的胶结质量的方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于评价套管井二界面水泥胶结质量的方法，该方法包括：

将超声波发射装置与超声波接收装置水平方向周向间隔，放入套管井中；

超声波发射装置以入射角θ_i向套管井内壁发射超声波，超声波在套管井中激励周向模式，套管井中各层介质反射超声波形成反射波，其中，入射角θ_i是超声波发射装置的辐射面中轴线与套管井内壁的交点处,中轴线与法线的夹角；

超声波接收装置接收回波信号，并将回波信号与自由套管方式下接收的回波信号进行对比处理，得到套管井中回波信号形成位置对应的水泥胶结质量。

优选地，用于评价套管井二界面水泥胶结质量的方法还包括，超声波发射装置向套管井内壁发射超声波时，入射角θ_i满足在声源的主要频段范围内激励的周向模式构成的速度“平台”对应空心套管激发的最低阶模式。

优选地，用于评价套管井二界面水泥胶结质量的方法还包括，超声波接收装置位于交点与反射点之间。

具体地，反射点位于自交点以反射角θ_r发出的反射波与套管井内壁的交点。

优选地，用于评价套管井二界面水泥胶结质量的方法还包括耦合块,用于超声波发射装置和超声波接收装置与套管井内壁更好的接触。

优选地，回波信号主要包括自流体-套管界面上形成的反射波和激发的周向模式波与套管井的不同介质相互作用产生的反射波。

优选地，自由套管是水泥层完全为流体的套管井。

优选地，用于评价套管井二界面水泥胶结质量的方法还包括，在处理回波信号的过程中取时间窗，计算时间窗内的波形平均能量，并将检测位置所取时窗的平均能量与自由套管方式相同时间窗内的波形平均能量进行对比得到相对幅值，并以此评价套管井二界面水泥胶结质量。

优选地，用于评价套管井二界面水泥胶结质量的方法还包括，根据超声波发射装置与超声波接收装置的相对位置，放置一组或多组超声波发射装置和超声波接收装置，或者旋转超声波发射装置与超声波接收装置，对井周的二界面水泥胶结质量进行检测。

本发明实施例实现了一种用于评价套管井二界面水泥胶结质量的方法，采用激励套管井中产生的最低阶周向模式的方式检测固井水泥界面的胶结质量，将超声波发射装置与超声波接收装置水平周向间隔布置在套管井中，增大了回波信号包含的信息量。通过放置一组或多组超声波发射装置和超声波接收装置，或者旋转超声波发射装置与超声波接收装置，产生的回波信号包含了套管井整体性结构信息，配合回波信号数据的处理，可以对固井水泥在不同界面上的胶结情况进行有效检测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于评价套管井二界面水泥胶结质量的方法示意图；

图2为本发明实施例提供的超声波发射装置与超声波接收装置工作原理示意图；

图3为本发明实施例提供的周向模式频散曲线示意图；

图4为本发明实施例提供的套管井中不同水泥胶结状态的示意图；

图5为本发明实施例提供的不同胶结状态下的测量波形示意图。

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、清楚、完整的说明，附图中，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种用于评价套管井二界面水泥胶结质量的方法示意图。如图1所示，本发明实施例具体包括以下步骤：

步骤101，将超声波发射装置与超声波接收装置水平方向周向间隔，放入套管井中。

具体地，将超声波发射装置与超声波接收装置设为周向间隔布置，水平放入套管井中。在一个例子中，在套管井中的一个点激励超声波(超声波发射装置所在位置)，超声波接收装置和激励源具有一段距离，则超声波接收装置接收到的回波信号就包含了有关超声波发射装置与超声波接收装置两点之间结构整体性的信息，可一次性检测套管井的一个面，大大提高了检测效率。如图2所示，套管井中自内向外分别是流体21、套管22、水泥23和地层24。流体21可以为水，水的纵波速度和密度分别是1500m/s和1000kg/m³。实际井中可能充填水基泥浆或者油基泥浆，其声学物理参数与水稍有差别。套管22的材质为钢，其纵横波速度和密度分别是5900m/s和3100m/s以及7800kg/m³。水泥23的种类很多，可以以密度大小分为低、中、常规和高密度水泥四种，本实施例中应用的水泥23为常规密度的水泥，也是目前实际固井中较为常用的一种水泥，其纵横波速度和密度分别采用3470m/s、2136m/s以及1900kg/m³。此外，本实施例中的地层24为中速地层，其纵横波速度分别是4000m/s、2300m/s，密度为2300kg/m³。

步骤102，超声波发射装置以入射角θ_i向套管井内壁发射超声波，超声波在套管井中激励周向模式，套管井中各层介质反射超声波形成反射波，其中，入射角θ_i是超声波发射装置的辐射面中轴线与套管井内壁的交点处,中轴线与法线的夹角；

具体的，入射角θ_i为超声波发射装置的辐射面中轴线与套管井内壁的交点处法线方向的夹角。如图2所示，超声波发射装置发出的超声波以射线形式射向套管内壁，该射线与套管内壁的交点A处法线方向的夹角θ_i。超声波发射装置以入射角θ_i向套管井中激励超声波，超声波沿套管井壁周向传播(周向模式)，超声波在套管井中各层介质中传播，一部分超声波可以透射到水泥和地层中，并在一界面和二界面上发生一次和多次反射，另一部分则穿过水泥和地层。

在一个例子中，套管井中充填的流体为水，套管的内外半径分别是0.11m和0.122m，数值计算得到的充液套管和空心套管中周向模式的频散曲线。如图3所示，图3中横轴表示频率，纵轴表示超声波发射装置发射的超声波到套管内壁上时的入射角。图中虚线31表示空心管中的周向模式，黑色实线32表示充液管中的周向模式。分析表明，当发射声波的频率介于100kHz到200kHz之间，入射角介于20度到30度之间时，充液管中多个模式构成的速度“平台”位置处的模式对接收波形贡献最大，这个速度“平台”与空心管中的最低阶周向模式基本吻合。因此，本实施例中超声波发射装置25发出的最佳的超声波频率在100kHz到200kHz之间，入射角应介于20到30度之间。

步骤103，超声波接收装置接收回波信号，并将回波信号与自由套管方式下接收的回波信号进行对比处理，得到套管井中回波信号形成位置对应的水泥胶结质量。

具体地，与超声波发射装置呈一定角度的超声波接收装置可接收回波信号，这些信号主要包括两部分，一部分是来自流体-套管界面上的反射波，另一部分是激发的周向模式在套管井中传播时与不同介质相互作用产生的反射波。后者主要是来自一界面以及二界面上产生的反射波。当套管井中与水泥胶结的两个界面的胶结质量不同时，接收信号的形态各不相同。与本领域其他固井质量声波测井方法相同，使用接收信号对固井质量进行评价时，应将测量信号与相同套管井环境下自由套管胶结状态下的接收信号进行对比处理。

优选地，超声波发射装置向套管井内壁发射超声波时，入射角θ_i满足在声源的主要频段范围内激励的周向模式构成的速度“平台”对应且只对应相同参数下空心套管中激发的最低阶模式。如图2所示，超声波发射装置25和超声波接收装置26工作的套管井为充液套管井，激励的周向模式对应图3的32部分，对入射角的要求是激励产生的周向模式的频散曲线构成的“平台”与空心管中的最低阶模式，即图3中31部分的最低阶模式一致，且要求在声源工作频段范围内，只激励最低阶的模式。在超声波发射装置25所发射的声波频率范围内，其入射角θ_i满足主要激发套管中最低阶周向模式的声波时，其优点在于超声波接收装置26所接收的信号中包含的模式波传播速度基本一致，减少了由于模式波传播速度不同引起的时域波形频散和拖尾现象的产生，利于应用接收信号对不同水泥胶结界面的胶结质量进行检测和分析。

优选地，超声波接收装置位于交点与反射点之间。如图2所示，超声波接收装置的位置应位于两点所确定的周向角度之间，其中第一点为上述A点，以A和B两点所确定的圆弧状套管确定的中间段最佳。

优选地，反射点位于自交点以反射角θ_r发出的反射波与套管井内壁的交点。如图2所示，B点是指自A点以反射角θ_r(在数值上与入射角θ_i相等)发出的反射波到达套管内壁后的交点。

优选地，用于评价套管井二界面水泥胶结质量的方法还包括耦合块,用于超声波发射装置和超声波接收装置与套管井内壁更好的接触。在一个例子中，为保证超声波发射装置和超声波接收装置与套管井内壁更好的接触，可在超声波发射装置和超声波接收装置上加载耦合块。

优选地，所述回波信号主要包括两部分，一部分是来自流体-套管界面上的反射波，另一部分是激发的周向模式在套管井中传播时与不同介质相互作用产生的反射波。如图2所示，超声波发射装置25向套管内壁发射具有方向性的超声波，这部分声波可以激发套管22中的周向模式，合适的入射角θ_i主要激发较强的最低阶模式，一部分周向模式的声波在套管中传播，在套管中传播的这部分最先由超声波接收装置26收到，另一部分向水泥23和地层24中传播，并在套管22与水泥23的胶结面以及水泥23与地层24的胶结面上形成反射波和透射波，反射波部分可最终由超声波接收装置26接收到。

优选地，自由套管是水泥层完全是流体的套管井。如图4所示，本发明实施例套管井中由内向外的介质分别是流体41、套管42、水泥43和地层44，当水泥层完全为流体45时，称为自由套管。此处的流体45可以与流体41相同，也可有所差别。

优选地，在处理回波信号的过程中取时间窗，计算时间窗内的波形平均能量，并将检测位置所取时窗的平均能量与自由套管方式相同时间窗内的波形平均能量进行对比得到相对幅值，并以此评价套管井二界面水泥胶结质量。通常情况下，套管井中包含四种胶结状态。如图4所示，将图4分为A、B、C和D四个区，A区即代表自由套管的状态；B区代表套管42和水泥43的界面出现水泥缺失，缺失层由流体45代替，为一界面缺失的状态；C区表示水泥与套管42和地层44都分别胶结良好，为完全胶结的状态；D区表示水泥43与地层44的界面上出现水泥缺失，缺失层由流体45代替，为二界面缺失的状态。在一个例子中，设固井水泥缺失部分的流体为水，分别给出四种不同胶结状态下的测量波形。超声波接收装置的放置方式与图2中所示的超声波接收装置26的方式基本一致。具体的，与径向方向r轴的夹角为40°，分别展示四种胶结状态下的接收波形。如图5所示，图5中51为自由套管状态下的接收信号，52为一界面胶结状态下的接收信号，53为二界面胶结状态下的接收信号，54为完全胶结时的接收信号。分别对不同胶结状态下的接收信号进行取窗处理，得到不同胶结状态下某一时间窗内的信号平均能量。计算公式可表示为公式中t₀和t₁分别表示对接收信号进行处理的时窗开始和结束时间。t₀应在来自套管和水泥胶结面的周向模式波到达时间附近，t₁应在水泥和地层胶结面的周向模式到达时间之后的3-5个周期附近；A_i为时窗内对应采集点的幅度；n_t为时窗内的采集点数。在本实施例中，处理时窗的起止时间分别为t₀＝0.066ms，以及t₁＝0.091ms。

进一步的，以自由套管情况下得到的时窗内的信号平均能量为基准，其他几种胶结状态下得到的平均能量与自由套管时的数值进行对比，得到不同的比值。计算结果表明，完全胶结、一界面缺失和二界面缺失分别与自由套管的比值是0.34、1.67和2.47。由此可见，在不同的胶结状态下，时窗内的信号平均能量各不相同，其中完全胶结的相对能量最低，二界面缺失时的相对能量最高。此外，在实际处理时，可根据套管井中套管规格和水泥厚度等参数对时窗的位置进行适当移动。

优选地，根据超声波发射装置与超声波接收装置的相对位置，放置一组或多组超声波发射装置和超声波接收装置，或者旋转超声波发射装置与超声波接收装置，对井周的二界面水泥胶结质量进行检测。若将同一组发射接收装置进行周向旋转测量，或者沿套管内壁布置多组发射接收装置后进行测量，则可以获得同一个深度点不同角度方位上的接收信号。进一步的，可以通过在不同深度点进行测量，得到不同深度不同周向方位上的接收信号。通过对接收信号进行适当处理，最终得到反映固井水泥胶结状态的二维灰度图，通过判断灰度图中幅度的大小来得到二界面的胶结质量成像结果图。

本发明提供了一种用于对套管井中固井水泥二界面的胶结情况进行超声检测的方法和技术，其优势在于可弥补目前多数技术的不足，用于检测固井水泥二界面的胶结质量，同时该技术还可以用于判断完全胶结和一界面缺失的情况。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于评价套管井二界面水泥胶结质量的方法，其特征在于，包括：

将超声波发射装置与超声波接收装置水平方向周向间隔，放入套管井中；

所述超声波发射装置以入射角θ_i向套管井内壁发射超声波，所述超声波在所述套管井中激励周向模式，所述套管井中各层介质反射所述超声波形成反射波，其中，所述入射角θ_i是所述超声波发射装置的辐射面中轴线与所述套管井内壁的交点处,所述中轴线与法线的夹角；

所述超声波接收装置接收回波信号，并将所述回波信号与自由套管方式下接收的回波信号进行对比处理，得到所述套管井中回波信号形成位置对应的水泥胶结质量；

所述方法还包括：所述超声波发射装置向所述套管井内壁发射超声波时，所述入射角θ_i满足在声源的主要频段范围内激励的周向模式构成的速度“平台”对应空心套管激发的最低阶模式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述超声波接收装置位于所述交点与反射点之间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述反射点位于自所述交点以反射角θ_r发出的反射波与所述套管井内壁的交点。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括耦合块,用于所述超声波发射装置和所述超声波接收装置与所述套管井内壁更好的接触。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述回波信号主要包括自流体-套管界面上形成的反射波和激发的周向模式波与套管井的不同介质相互作用产生的反射波。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自由套管是水泥层完全是流体的套管井。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在处理所述回波信号的过程中取时间窗，计算时间窗内的波形平均能量，并将检测位置所取时窗的平均能量与所述自由套管方式相同时间窗内的波形平均能量进行对比得到相对幅值，并以此评价所述套管井二界面水泥胶结质量。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述超声波发射装置与所述超声波接收装置的相对位置，放置一组或多组所述超声波发射装置和所述超声波接收装置，或者旋转所述超声波发射装置与所述超声波接收装置，对井周的二界面水泥胶结质量进行检测。