CN106383173B - 一种水泥声阻抗计算方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水泥声阻抗计算方法和装置，该方法包括：通过预先建立的仿真模型获取水泥声阻抗计算关系式；获取深度区间内预设测量点的超声脉冲反射回波信号；根据超声脉冲反射回波信号获取水泥声阻抗计算关系式的计算参数；其中，该计算参数包括：实测信号共振波归一化幅度、超声脉冲反射回波信号频率与套管厚度的曲线系数以及自由套管的共振波归一化幅度；将计算参数代入水泥声阻抗计算关系式，计算当前测量点的水泥声阻抗。通过本发明的方案，能够在不需要自由套管刻度的情况下完成水泥声阻抗的计算，并且提高了计算精度。

Description

一种水泥声阻抗计算方法和装置
技术领域
本发明涉及套管井固井质量检测技术领域，尤其涉及水泥声阻抗计算方法和装置。
背景技术
水泥声阻抗类测井仪器(如斯伦贝谢USI、哈里伯顿CAST、中海油田服务股份有限公司MUIL等)均利用超声脉冲反射原理对测量的超声脉冲反射回波计算套管厚度及一界面的水泥声阻抗，进而评价套管腐蚀及一界面的水泥胶结质量。水泥声阻抗类测井仪在周向及纵向分辨率方面比常规的固井质量仪器(CBL/VDL、SBT等)有独特的技术优势，如中海油田服务股份有限公司研制的MUIL可以分辨最小为6度的水泥沟槽。这类仪器由于采用旋转扫描头非贴井壁的测量方式，因此不受井斜的影响。由于这类仪器采用超声波垂直发射接收的方式，固井质量评价也不受双层套管的影响。因此水泥声阻抗仪器在固井质量检测仪器中的作业地位也越发重要。
由于不同的材料声阻抗有明显的差异，利用声阻抗数值即可判断套管外材料属性，因此声阻抗的计算精度直接影响到固井质量评价的可靠性。计算水泥声阻抗的通用方法是首先获取同等测量条件时已知声阻抗的参考波形，并计算该波形的共振波归一化幅度NORMref，通常的做法是选择自由套管处的测量波形(该处的套管外部声阻抗是已知的)，然后计算归一化的共振波幅度。但是实际时不容易准确的找准自由套管，特别是针对一些老井的固井质量检测，找到自由套管更加困难。因而目前的水泥声阻抗计算方法在实际应用方面存在弊端。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种水泥声阻抗计算方法和装置，能够在不需要自由套管刻度的情况下完成水泥声阻抗的计算，并且提高了计算精度。
为了达到上述目的，本发明提出了一种水泥声阻抗计算方法，该方法包括：
通过预先建立的仿真模型获取水泥声阻抗计算关系式。
获取深度区间内预设测量点的超声脉冲反射回波信号。
根据超声脉冲反射回波信号获取水泥声阻抗计算关系式的计算参数；其中，该计算参数包括：实测信号共振波归一化幅度、超声脉冲反射回波信号频率与套管厚度的曲线系数以及自由套管的共振波归一化幅度。
将计算参数代入水泥声阻抗计算关系式，计算当前测量点的水泥声阻抗。
可选地，通过预先建立的仿真模型获取水泥声阻抗计算关系式包括：
根据预设的模型参数和声学参数仿真超声波回波信号，预先建立已知声源的超声脉冲信号在套管井多层介质中传播的仿真模型。
根据该仿真模型，在保持声源的中心频率不变和套管井的套管厚度不变的情况下，仿真不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号。
建立不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系。
根据共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系获得预设的参考点的水泥声阻抗计算关系式。
可选地，共振波信号的归一化幅度为共振波信号均方根与超声脉冲反射回波信号的均方根之比。
建立不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系包括：
对不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度取对数，获得共振波信号的归一化幅度的自然对数与水泥声阻抗成的第一关系式：ln(Anm)＝-kZ+c。
其中，Anm为共振波信号的归一化幅度，Z为水泥声阻抗，k为关系系数，c为关系因变量。
选取第一关系式所在直线上的任意一点，取该点的共振波信号的归一化幅度为Anmref，水泥声阻抗为Zref，则该点的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的第二关系式为：ln(Anmref)＝-kZref+c。
可选地，根据共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系获得预设的参考点的水泥声阻抗计算关系式包括：
将第一关系式与第二关系式相减获得水泥声阻抗计算关系式：其中，ratio为实测信号共振波归一化幅度与自由套管的共振波归一化幅度的比值；k为关系系数。
可选地，根据超声脉冲反射回波信号获取水泥声阻抗计算关系式的计算参数包括：
获取预设测量点的超声脉冲反射回波信号的测量波形曲线。
截取超声脉冲反射回波信号作为声源信号。
在超声脉冲反射回波信号结束后的预设时间内截取信号作为超声脉冲反射回波信号的共振波信号；计算截取的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度，并作为实测信号共振波归一化幅度。
对超声脉冲反射回波信号的实测波形曲线的共振波信号做频谱分析，获取频谱曲线，并根据频谱曲线计算套管厚度；获取频率与套管厚度之间的曲线关系；根据频率与套管厚度之间的曲线关系获取曲线系数。
将截取的声源信号以及计算出的套管厚度作为模型参数，建立自由套管仿真模型，；获取自由套管仿真模型的超声脉冲反射回波信号；计算自由套管仿真模型的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度，作为自由套管的共振波归一化幅度。
为了达到上述目的，本发明还提出了一种水泥声阻抗计算装置，该装置包括：第一获取模块、第二获取模块、第一计算模块和第二计算模块。
第一获取模块，用于通过预先建立的仿真模型获取水泥声阻抗计算关系式。
第二获取模块，用于获取深度区间内预设测量点的超声脉冲反射回波信号。
第一计算模块，用于根据超声脉冲反射回波信号获取水泥声阻抗计算关系式的计算参数；其中，该计算参数包括：实测信号共振波归一化幅度、超声脉冲反射回波信号频率与套管厚度的曲线系数以及自由套管的共振波归一化幅度。
第二计算模块，用于将该计算参数代入水泥声阻抗计算关系式，计算当前测量点的水泥声阻抗。
可选地，第一获取模块包括：模型建立子模块、仿真子模块、关系建立子模块和阻抗关系式获取子模块。
模型建立子模块，用于根据预设的模型参数和声学参数仿真超声波回波信号，预先建立已知声源的超声脉冲信号在套管井多层介质中传播的仿真模型。
仿真子模块，用于根据仿真模型，在保持声源的中心频率不变和套管井的套管厚度不变的情况下，仿真不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号。
关系建立子模块，用于建立不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系。
阻抗关系式获取子模块，用于根据共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系获得预设的参考点的水泥声阻抗计算关系式。
可选地，共振波信号的归一化幅度为共振波信号均方根与超声脉冲反射回波信号的均方根之比。
关系建立子模块包括：第一关系建立子模块和第二关系建立子模块。
第一关系建立子模块，用于对不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度取对数，获得共振波信号的归一化幅度的自然对数与水泥声阻抗成的第一关系式：ln(Anm)＝-kZ+c。
其中，Anm为共振波信号的归一化幅度，Z为水泥声阻抗，k为关系系数，c为关系因变量。
第二关系建立子模块，用于选取第一关系式所在直线上的任意一点，取该点的共振波信号的归一化幅度为Anmref，水泥声阻抗为Zref，则该点的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的第二关系式为：ln(Anmref)＝-kZref+c。
可选地，阻抗关系式获取子模块根据共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系获得预设的参考点的水泥声阻抗计算关系式包括：
将第一关系式与第二关系式相减获得所述水泥声阻抗计算关系式：其中，ratio为实测信号共振波归一化幅度与自由套管的共振波归一化幅度的比值；k为关系系数。
可选地，第一计算模块包括：第一获取子模块、截取子模块、实测信号共振波归一化子模块、系数获取子模块和自由套管共振波归一化子模块。
第一获取子模块，用于获取预设测量点的超声脉冲反射回波信号的测量波形曲线。
截取子模块，用于截取超声脉冲反射回波信号作为声源信号。
实测信号共振波归一化子模块，用于在超声脉冲反射回波信号结束后的预设时间内截取信号作为超声脉冲反射回波信号的共振波信号；计算截取的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度，并作为实测信号共振波归一化幅度。
系数获取子模块，用于对超声脉冲反射回波信号的实测波形曲线的共振波信号做频谱分析，获取频谱曲线，并根据频谱曲线计算套管厚度；获取频率与套管厚度之间的曲线关系；根据频率与套管厚度之间的曲线关系获取曲线系数。
自由套管共振波归一化子模块，用于将截取的声源信号以及计算出的套管厚度作为模型参数，建立自由套管仿真模型；获取自由套管仿真模型的超声脉冲反射回波信号；计算自由套管仿真模型的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度，作为自由套管的共振波归一化幅度。
与现有技术相比，本发明实施例方案包括：通过预先建立的仿真模型获取水泥声阻抗计算关系式；获取深度区间内预设测量点的超声脉冲反射回波信号；根据超声脉冲反射回波信号获取水泥声阻抗计算关系式的计算参数；其中，该计算参数包括：实测信号共振波归一化幅度、超声脉冲反射回波信号频率与套管厚度的曲线系数以及自由套管的共振波归一化幅度；将计算参数代入水泥声阻抗计算关系式，计算当前测量点的水泥声阻抗。通过本发明的方案，能够在不需要自由套管刻度的情况下完成水泥声阻抗的计算，并且提高了计算精度。
附图说明
下面对本发明实施例中的附图进行说明，实施例中的附图是用于对本发明的进一步理解，与说明书一起用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限制。
图1为本发明实施例的水泥声阻抗计算方法流程图；
图2为本发明实施例中理论计算出的不同水泥声阻抗条件下的共振波归一化幅度与声阻抗的关系示意图；
图3为本发明实施例中理论计算出的不同水泥声阻抗条件下的共振波归一化幅度取自然对数后与声阻抗的关系示意图；
图4为本发明实施例中图3中不同的声源激励频率下，不同的套管厚度与k系数的关系示意图；
图5为本发明实施例的水泥声阻抗计算方法示意图；
图6为本发明实施例的水泥声阻抗类仪器实测的超声反射回波信号示意图；
图7为本发明实施例中被测波形中的共振波信号的频谱曲线示意图；
图8为本发明实施例中理论模拟的自由套管处的超声脉冲反射回波信号示意图；
图9为本发明实施例的水泥声阻抗计算装置组成框图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述，并不能用来限制本发明的保护范围。
本发明公开了一种不需要自由套管刻度的水泥声阻抗计算方法。根据超声波在套管井中多层介质中的传播模型，理论仿真不同水泥声阻抗的超声反射回波，建立共振波归一化幅度的自然对数与水泥声阻抗的线性关系，联合已知参考点的共振波归一化幅度的自然对数与水泥声阻抗可得到水泥声阻抗的计算公式。参考点的共振波归一化幅度通过数值模拟的方法得到，具体方法是利用实测回波的套管内壁反射波与声源信号的相似性，截取实测波形的反射波信号作为声源信号，数值模拟在自由套管井中的回波，即可得到参考点的共振波归一化幅度。
本发明得到的声阻抗计算方法考虑了声源信号的差异对计算结果的影响，同时本方法不需要测井仪器在自由套管处刻度，而是通过数值模拟的方法计算参考点的共振波归一化幅度。本发明实施例方案解决了水泥声阻抗类仪器在进行固井质量评价时，由于水泥声阻抗计算误差导致评价固井质量不准确的问题。
为了达到上述目的，本发明提出了一种水泥声阻抗计算方法，如图1、图5所示，该方法包括步骤S101-S104：
S101、通过预先建立的仿真模型获取水泥声阻抗计算关系式。
可选地，通过预先建立的仿真模型获取水泥声阻抗计算关系式包括步骤S1011-S1014：
S1011、根据预设的模型参数和声学参数仿真超声波回波信号，预先建立已知声源的超声脉冲信号在套管井多层介质中传播的仿真模型。
在本发明实施例中，根据预设的模型参数和声学参数模拟一定频率的超声脉冲信号在套管井多层介质中传播后的回波信号。这里的套管井多层介质可以为流体、套管、水泥环三层介质，声波仿真模型为近似的一维声波模型，也可以为更为复杂的三维模型，在此不做具体限制。具体仿真过程如下所述：
以角频率为ω＝2πf的超声脉冲信号源Pin(ω)为入射信号，入射到多层介质后发生反射，回波信号为Pr(ω)，则回波和入射波关系为：
其中，R(ω)就是层状系统的超声反射谱，代表的是系统本身的特性。其中流体声阻抗z0＝ρ0c0，ρ0为流体密度，c0为流体声速。而z1'是为套管表面等效阻抗。
另外，z1'可由阻抗传输线理论计算得到：
其中套管声阻抗z1＝ρ1c1，ρ1为套管密度，c1为套管声速。d1是套管的厚度，k1＝2πf/c1，z2'为水泥表面的等效阻抗。
这样就可由各层材料的密度、声速及厚度确定阻抗z1'。假定输入声波脉冲时域波形为Pin(t)，将其进行傅里叶展开：
其中，Pin(t)和Pin(ω)互为傅里叶变换。
则理论计算的回波时域波形为：
这样通过数值方法就可以由输入声波脉冲波形(声源)和各层材料声学参数及厚度仿真模拟出超声波回波信号波形。
S1012、根据该仿真模型，在保持声源的中心频率不变和套管井的套管厚度不变的情况下，仿真不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号。
在本发明实施例中，在步骤S201建立了套管井多层介质的仿真模型的基础上，分别仿真不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号。可选地，在仿真过程中，激励声源可以采用高斯函数调制的正弦信号，声源中心频率可以为250kHz，相对带宽可以为60％。流体的密度可以为1000kg/m3，流体的声速可以为1500m/s。套管的密度可以为7850kg/m3，套管的声速可以为5900m/s，套管的厚度可以为10mm。以0.4MRayl步长改变水泥声阻抗，从1MRayl增加到7.8MRayl进行仿真。
S1013、建立不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系。
可选地，共振波信号的归一化幅度为共振波信号均方根与超声脉冲反射回波信号的均方根之比。
建立不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系包括S10131-S10132：
S10131、对不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度取对数，获得共振波信号的归一化幅度的自然对数与水泥声阻抗成的第一关系式：ln(Anm)＝-kZ+c。
其中，Anm为共振波信号的归一化幅度，Z为水泥声阻抗，k为关系系数，c为关系因变量。
在本发明实施例中，计算步骤S1012中不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度，其中，共振波信号的归一化幅度为共振波信号均方根与超声脉冲反射回波信号的均方根之比。建立水泥声阻抗与共振波归一化幅度的关系曲线，如图2所示。再将共振波归一化幅度取自然对数，图3为水泥声阻抗与共振波归一化幅度取自然对数后的关系曲线。由图可见，共振波归一化幅度自然对数与声阻抗成线性关系。
S10132、选取第一关系式所在直线上的任意一点，取该点的共振波信号的归一化幅度为Anmref，水泥声阻抗为Zref，则该点的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的第二关系式为：ln(Anmref)＝-kZref+c。
在本发明实施例中，选取步骤S10131中所获取的共振波归一化幅度自然对数与声阻抗的关系直线上的任意一点，从而可以获得k与c的关系式。
S1014、根据共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系获得预设的参考点的水泥声阻抗计算关系式。
可选地，根据共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系获得预设的参考点的水泥声阻抗计算关系式包括：
将第一关系式与第二关系式相减获得水泥声阻抗计算关系式：其中，ratio为实测信号共振波归一化幅度与自由套管的共振波归一化幅度的比值；k为关系系数。该关系系数k即为步骤S1013中第一关系式，即线性关系式的直线斜率，该直线斜率可以通过曲线拟合的方法获得。
在本发明实施例中，将第一关系式与第二关系式相减后可得：
因此可得水泥声阻抗的计算公式为：
该计算公式中系数k即为图3中直线的斜率，因此该系数与声源信号的频率及套管厚度均有关系。改变步骤S1012中的声源信号中心频率及套管厚度，重复步骤S1012、步骤S1013，可分别计算特定频率及厚度对应的k系数。图4计算了三种声源中心频率(250kHz、350kHz及450kHz)，套管厚度范围为0.1in～0.7in的套管对应的k系数。声源信号的中心频率及套管厚度可为其他数值，但不限于上述实施例中所列举的数值。
S102、获取深度区间内预设测量点的超声脉冲反射回波信号。
在本发明实施例中，首先需要获取预设处理深度处，以及预设处理方位处的波形数据，即预设测量点的超声脉冲反射回波信号。对于超声脉冲反射回波信号的具体获取方法在此不做限制，可以采用当前任意可以实施的方法获取该超声脉冲反射回波信号。
S103、根据超声脉冲反射回波信号获取水泥声阻抗计算关系式的计算参数；其中，该计算参数包括：实测信号共振波归一化幅度、超声脉冲反射回波信号频率与套管厚度的曲线系数以及自由套管的共振波归一化幅度。
可选地，根据超声脉冲反射回波信号获取水泥声阻抗计算关系式的计算参数包括S1031-S1035：
S1031、获取预设测量点的超声脉冲反射回波信号的测量波形曲线。
在本发明实施例中，在某一预设的深度区间内获取声阻抗类仪器的超声脉冲反射回波信号以后，可以获取该超声脉冲反射回波信号的测量波形曲线。
S1032、截取超声脉冲反射回波信号作为声源信号。
在本发明实施例中，获取预设处理深度处以及预设处理方位处的波形数据，即超声脉冲反射回波信号以后，需要进一步获得该处的声源信号。
由于声源信号与套管内壁的反射回波信号具有相似性，因此可以截取反射回波信号作为其声源信号。截取方法为：确定反射回波的起始位置，截取此刻位置后的15～20μs时间内的信号为反射波信号，该时间长度是根据测量仪器采用的声源信号的频率决定的，对具体数值不做限制。计算反射回波信号的到达时间，可采用阈值检测法，对波形进行扫描，当波形的幅度大于峰值的20％时，此刻对应的时间即为反射波的起始位置。图6中首波窗内的信号为截取的反射回波信号，即反射波信号。
S1033、在超声脉冲反射回波信号结束后的预设时间内截取信号作为超声脉冲反射回波信号的共振波信号；计算截取的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度，并作为实测信号共振波归一化幅度。
在本发明实施例中，还需进一步获得超声脉冲反射回波信号的共振波信号。具体获取方法为：获取处理深度处，处理方位处的波形数据，在步骤S1032中反射波结束的位置即为共振波的起始位置，在该位置后的12～15μs时间内的信号为共振波信号，改时间值即为上述的预设时间，该预设时间可以根据不同的应用场景自行定义，不做具体限制。图6中反射波后窗内的信号为截取的共振波信号。
在本发明实施例中，归一化幅度均为共振波信号均方根与反射回波信号的均方根之比。
S1034、对超声脉冲反射回波信号的实测波形曲线的共振波信号做频谱分析，获取频谱曲线，并根据频谱曲线计算套管厚度；获取频率与套管厚度之间的曲线关系；根据频率与套管厚度之间的曲线关系获取曲线系数。
在本发明实施例中，对步骤S1033中获得的共振波信号做频谱分析，得到频谱曲线，如图7所示。搜索峰值对应的频率freq，该频率即为套管的共振频率。由共振频率可计算套管厚度，计算公式为：套管厚度＝套管声速/(2×freq)，其中套管声速可以为5900m/s。
在本发明实施例中，可以根据仪器测量探头的频率及步骤S1034中计算的套管厚度，在图4中搜索该频率及套管厚度对应的k系数。为了获取更为精确的k系数，可以采用插值的方法计算k值，即上述的曲线系数。
S1035、将截取的声源信号以及计算出的套管厚度作为模型参数，建立自由套管仿真模型；获取自由套管仿真模型的超声脉冲反射回波信号；计算自由套管仿真模型的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度，作为自由套管的共振波归一化幅度。
在本发明实施例中，利用步骤S1032截取的声源信号及步骤S1034计算的套管厚度，采用步骤S1011的理论仿真流体、套管以及流体模型(即自由套管仿真模型)的超声脉冲反射回波信号，如图8所示。并计算该自由套管仿真模型的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度，作为自由套管的共振波归一化幅度。其中，归一化幅度仍为共振波信号均方根与反射波信号的均方根之比。其中反射波及共振波的开窗方法与步骤S1032和图6相同。
S104、将计算参数代入水泥声阻抗计算关系式，计算当前测量点的水泥声阻抗。
在本发明实施例中，将步骤S1033计算的实测信号共振波归一化幅度，步骤S1034中计算的k系数，步骤S1035中计算的自由套管的共振波归一化幅度，代入到步骤S1014中计算的声阻抗关系式中，可计算当前测量点的水泥声阻抗。
在本发明实施例中，重复测量整个深度区间内的不同测量点的水泥声阻抗可以获得整个深度区间的水泥声阻抗。并且在整个深度区间的水泥声阻抗计算完毕后还可以获得深度连续变化的声阻抗成像曲线。至此，某个深度区间的水泥声阻抗计算完毕。
本发明的方案，能够在不需要自由套管刻度的情况下完成水泥声阻抗的计算，并且提高了计算精度；解决了水泥声阻抗类仪器在进行固井质量评价时，由于水泥声阻抗计算误差导致评价固井质量不准确的问题。
为了达到上述目的，本发明还提出了一种水泥声阻抗计算装置1，如图9所示，需要说明的是，上述的水泥声阻抗计算方法实施例中的任何实施例均适用于本发明的装置实施例，在此不再一一赘述。该装置包括：第一获取模块01、第二获取模块02、第一计算模块03和第二计算模块04。
第一获取模块01，用于通过预先建立的仿真模型获取水泥声阻抗计算关系式。
第二获取模块02，用于获取深度区间内预设测量点的超声脉冲反射回波信号。
第一计算模块03，用于根据超声脉冲反射回波信号获取水泥声阻抗计算关系式的计算参数；其中，该计算参数包括：实测信号共振波归一化幅度、超声脉冲反射回波信号频率与套管厚度的曲线系数以及自由套管的共振波归一化幅度。
第二计算模块04，用于将该计算参数代入水泥声阻抗计算关系式，计算当前测量点的水泥声阻抗。
可选地，第一获取模块01包括：模型建立子模块、仿真子模块、关系建立子模块和阻抗关系式获取子模块。
模型建立子模块，用于根据预设的模型参数和声学参数仿真超声波回波信号，预先建立已知声源的超声脉冲信号在套管井多层介质中传播的仿真模型。
仿真子模块，用于根据仿真模型，在保持声源的中心频率不变和套管井的套管厚度不变的情况下，仿真不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号。
关系建立子模块，用于建立不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系。
阻抗关系式获取子模块，用于根据共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系获得预设的参考点的水泥声阻抗计算关系式。
可选地，共振波信号的归一化幅度为共振波信号均方根与超声脉冲反射回波信号的均方根之比。
关系建立子模块包括：第一关系建立子模块和第二关系建立子模块。
第一关系建立子模块，用于对不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度取对数，获得共振波信号的归一化幅度的自然对数与水泥声阻抗成的第一关系式：ln(Anm)＝-kZ+c。
其中，Anm为共振波信号的归一化幅度，Z为水泥声阻抗，k为关系系数，c为关系因变量。
第二关系建立子模块，用于选取第一关系式所在直线上的任意一点，取该点的共振波信号的归一化幅度为Anmref，水泥声阻抗为Zref，则该点的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的第二关系式为：ln(Anmref)＝-kZref+c。
可选地，阻抗关系式获取子模块根据共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系获得预设的参考点的水泥声阻抗计算关系式包括：
将第一关系式与第二关系式相减获得所述水泥声阻抗计算关系式：其中，ratio为实测信号共振波归一化幅度与自由套管的共振波归一化幅度的比值；k为关系系数。
可选地，第一计算模块03包括：第一获取子模块、截取子模块、实测信号共振波归一化子模块、系数获取子模块和自由套管共振波归一化子模块。
第一获取子模块，用于获取预设测量点的超声脉冲反射回波信号的测量波形曲线。
截取子模块，用于截取超声脉冲反射回波信号作为声源信号。
实测信号共振波归一化子模块，用于在超声脉冲反射回波信号结束后的预设时间内截取信号作为超声脉冲反射回波信号的共振波信号；计算截取的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度，并作为实测信号共振波归一化幅度。
系数获取子模块，用于对超声脉冲反射回波信号的实测波形曲线的共振波信号做频谱分析，获取频谱曲线，并根据频谱曲线计算套管厚度；获取频率与套管厚度之间的曲线关系；根据频率与套管厚度之间的曲线关系获取曲线系数。
自由套管共振波归一化子模块，用于将截取的声源信号以及计算出的套管厚度作为模型参数，建立自由套管仿真模型；获取自由套管仿真模型的超声脉冲反射回波信号；计算自由套管仿真模型的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度，作为自由套管的共振波归一化幅度。
与现有技术相比，本发明实施例方案包括：通过预先建立的仿真模型获取水泥声阻抗计算关系式；获取深度区间内预设测量点的超声脉冲反射回波信号；根据超声脉冲反射回波信号获取水泥声阻抗计算关系式的计算参数；其中，该计算参数包括：实测信号共振波归一化幅度、超声脉冲反射回波信号频率与套管厚度的曲线系数以及自由套管的共振波归一化幅度；将计算参数代入水泥声阻抗计算关系式，计算当前测量点的水泥声阻抗。通过本发明的方案，能够在不需要自由套管刻度的情况下完成水泥声阻抗的计算，并且提高了计算精度。
总之，与相关技术相比，本发明实施例具有以下优势：
1、传统的水泥声阻抗计算公式没有考虑声源频率对声阻抗精度的影响。本发明提出的声阻抗计算公式考虑了声源频率对计算结果的影响，不同的发射频率计算公式中的k系数不同，所以采用本发明实施例计算的水泥声阻抗精度更高。
2、传统的方法需要找准自由套管处测量的超声脉冲反射回波，获取此处的共振波幅度，认为对应的水泥声阻抗为1.5MRayl。本发明提出的声阻抗计算方法不需要对自由套管刻度进行刻度，通过理论模拟自由套管处的超声反射回波获取共振波信号的幅度。
需要说明的是，以上所述的实施例仅是为了便于本领域的技术人员理解而已，并不用于限制本发明的保护范围，在不脱离本发明的发明构思的前提下，本领域技术人员对本发明所做出的任何显而易见的替换和改进等均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水泥声阻抗计算方法，其特征在于，所述方法包括：
通过预先建立的仿真模型获取水泥声阻抗计算关系式；所述仿真模型是已知声源的超声脉冲信号在套管井多层介质中传播的模型，用于仿真不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号；所述水泥声阻抗计算关系式是根据预设的参考点的共振波信号的归一化幅度以及所述不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗之间的关系获得的；所述参考点的共振波归一化幅度通过数值模拟的方法得到；
获取深度区间内预设测量点的超声脉冲反射回波信号；
根据所述超声脉冲反射回波信号获取所述水泥声阻抗计算关系式的计算参数；其中，所述计算参数包括：实测信号共振波归一化幅度、超声脉冲反射回波信号频率与套管厚度的曲线系数以及自由套管的共振波归一化幅度；
将所述计算参数代入所述水泥声阻抗计算关系式，计算当前测量点的水泥声阻抗。
2.如权利要求1所述的水泥声阻抗计算方法，其特征在于，所述通过预先建立的仿真模型获取水泥声阻抗计算关系式包括：
根据预设的模型参数和声学参数仿真超声波回波信号，预先建立已知声源的所述超声脉冲信号在套管井多层介质中传播的仿真模型；
根据所述仿真模型，在保持所述声源的中心频率不变和所述套管井的套管厚度不变的情况下，仿真不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号；
建立不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系；
根据共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系获得预设的参考点的水泥声阻抗计算关系式。
3.如权利要求2所述的水泥声阻抗计算方法，其特征在于，所述共振波信号的归一化幅度为共振波信号均方根与超声脉冲反射回波信号的均方根之比；
所述建立不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系包括：
对所述不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度取对数，获得所述共振波信号的归一化幅度的自然对数与水泥声阻抗成的第一关系式：ln(Anm)＝-kZ+c；
其中，Anm为所述共振波信号的归一化幅度，Z为所述水泥声阻抗，k为关系系数，c为关系因变量；
选取所述第一关系式所在直线上的任意一点，取该点的共振波信号的归一化幅度为Anmref，水泥声阻抗为Zref，则该点的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的第二关系式为：ln(Anmref)＝-kZref+c。
4.如权利要求3所述的水泥声阻抗计算方法，其特征在于，所述根据共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系获得预设的参考点的水泥声阻抗计算关系式包括：
将所述第一关系式与所述第二关系式相减获得所述水泥声阻抗计算关系式：其中，ratio为所述实测信号共振波归一化幅度与所述自由套管的共振波归一化幅度的比值；k为所述关系系数。
5.如权利要求1所述的水泥声阻抗计算方法，其特征在于，所述根据所述超声脉冲反射回波信号获取所述水泥声阻抗计算关系式的计算参数包括：
获取所述预设测量点的超声脉冲反射回波信号的测量波形曲线；
截取所述超声脉冲反射回波信号作为声源信号；
在所述超声脉冲反射回波信号结束后的预设时间内截取信号作为所述超声脉冲反射回波信号的共振波信号；计算截取的所述超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度，并作为实测信号共振波归一化幅度；
对所述超声脉冲反射回波信号的实测波形曲线的共振波信号做频谱分析，获取频谱曲线，并根据所述频谱曲线计算套管厚度；获取频率与套管厚度之间的曲线关系；根据频率与套管厚度之间的曲线关系获取曲线系数；
将截取的所述声源信号以及计算出的所述套管厚度作为模型参数，建立自由套管仿真模型；获取所述自由套管仿真模型的超声脉冲反射回波信号；计算所述自由套管仿真模型的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度，作为自由套管的共振波归一化幅度。
6.一种水泥声阻抗计算装置，其特征在于，所述装置包括：第一获取模块、第二获取模块、第一计算模块和第二计算模块；
所述第一获取模块，用于通过预先建立的仿真模型获取水泥声阻抗计算关系式；所述仿真模型是已知声源的超声脉冲信号在套管井多层介质中传播的模型，用于仿真不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号；所述水泥声阻抗计算关系式是根据预设的参考点的共振波信号的归一化幅度以及所述不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗之间的关系获得的；所述参考点的共振波归一化幅度通过数值模拟的方法得到；
所述第二获取模块，用于获取深度区间内预设测量点的超声脉冲反射回波信号；
所述第一计算模块，用于根据所述超声脉冲反射回波信号获取所述水泥声阻抗计算关系式的计算参数；其中，所述计算参数包括：实测信号共振波归一化幅度、超声脉冲反射回波信号频率与套管厚度的曲线系数以及自由套管的共振波归一化幅度；
所述第二计算模块，用于将所述计算参数代入所述水泥声阻抗计算关系式，计算当前测量点的水泥声阻抗。
7.如权利要求6所述的水泥声阻抗计算装置，其特征在于，所述第一获取模块包括：模型建立子模块、仿真子模块、关系建立子模块和阻抗关系式获取子模块；
所述模型建立子模块，用于根据预设的模型参数和声学参数仿真超声波回波信号，预先建立已知声源的所述超声脉冲信号在套管井多层介质中传播的仿真模型；
所述仿真子模块，用于根据所述仿真模型，在保持所述声源的中心频率不变和所述套管井的套管厚度不变的情况下，仿真不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号；
所述关系建立子模块，用于建立不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系；
所述阻抗关系式获取子模块，用于根据共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系获得预设的参考点的水泥声阻抗计算关系式。
8.如权利要求7所述的水泥声阻抗计算装置，其特征在于，所述共振波信号的归一化幅度为共振波信号均方根与超声脉冲反射回波信号的均方根之比；
所述关系建立子模块包括：第一关系建立子模块和第二关系建立子模块；
所述第一关系建立子模块，用于对所述不同水泥声阻抗材料的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度取对数，获得所述共振波信号的归一化幅度的自然对数与水泥声阻抗成的第一关系式：ln(Anm)＝-kZ+c；
其中，Anm为所述共振波信号的归一化幅度，Z为所述水泥声阻抗，k为关系系数，c为关系因变量；
所述第二关系建立子模块，用于选取所述第一关系式所在直线上的任意一点，取该点的共振波信号的归一化幅度为Anmref，水泥声阻抗为Zref，则该点的共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的第二关系式为：ln(Anmref)＝-kZref+c。
9.如权利要求8所述的水泥声阻抗计算装置，其特征在于，所述阻抗关系式获取子模块根据共振波信号的归一化幅度与水泥声阻抗的关系获得预设的参考点的水泥声阻抗计算关系式包括：
将所述第一关系式与所述第二关系式相减获得所述水泥声阻抗计算关系式：其中，ratio为所述实测信号共振波归一化幅度与所述自由套管的共振波归一化幅度的比值；k为所述关系系数。
10.如权利要求6所述的水泥声阻抗计算装置，其特征在于，所述第一计算模块包括：第一获取子模块、截取子模块、实测信号共振波归一化子模块、系数获取子模块和自由套管共振波归一化子模块；
所述第一获取子模块，用于获取所述预设测量点的超声脉冲反射回波信号的测量波形曲线；
所述截取子模块，用于截取所述超声脉冲反射回波信号作为声源信号；
所述实测信号共振波归一化子模块，用于在所述超声脉冲反射回波信号结束后的预设时间内截取信号作为所述超声脉冲反射回波信号的共振波信号；计算截取的所述超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度，并作为实测信号共振波归一化幅度；
所述系数获取子模块，用于对所述超声脉冲反射回波信号的实测波形曲线的共振波信号做频谱分析，获取频谱曲线，并根据所述频谱曲线计算套管厚度；获取频率与套管厚度之间的曲线关系；根据频率与套管厚度之间的曲线关系获取曲线系数；
所述自由套管共振波归一化子模块，用于将截取的所述声源信号以及计算出的所述套管厚度作为模型参数，建立自由套管仿真模型；获取所述自由套管仿真模型的超声脉冲反射回波信号；计算所述自由套管仿真模型的超声脉冲反射回波信号的共振波信号的归一化幅度，作为自由套管的共振波归一化幅度。
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