CN109507298B - 对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备，用于对位于储气井外层的水泥防护层的胶结质量进行检测，其包括：壳体；多芯铠装电缆；接箍定位器，固定于壳体的内部；电子线路结构，固定于接箍定位器正下部，包括信号放大器、低通滤波器、发射控制器、数字信号处理器、耦合变压器、仪表放大器、带通滤波器、模数转换器以及高速遥传模块；发射传感器；接收传感器，包括固定于发射传感器正下部的短源距接收传感器和长源距接收传感器，短源距接收传感器距离壳体顶部1.4m，长源距接收传感器位于壳体底部，发射传感器与短源距接收传感器之间、短源距接收传感器与长源距接收传感器之间均填充有隔声材料；以及地面控制系统。

Description

对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备

技术领域

本发明涉及一种声波检测设备，尤其是涉及一种对存储压缩气体的储气井的外部水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备。

背景技术

储气井是压缩气体地下储气井的简称，是竖向置于地下用于存储压缩气体的井式管状设备，是地下压力容器的典型代表，多用于压缩天然气汽车加气站、城市燃气调峰储配站及工业储气设施等领域。

其主体部分由井筒、水泥防护层、井口装置、井底装置、排污管、表层套管、扶正器等组成。储气井井筒和地层之间的水泥防护层在预防储气井失效方面有重要作用，一方面可固定井筒，防止井筒的松动、窜动和飞出，另一方面包覆住井筒，防止地层腐蚀性介质对井筒外壁的腐蚀。对于储气井水泥防护层的胶结质量，目前没有专用的检测设备，因其结构特点与油气井类似，可借鉴油气井固井质量评价测井技术。

在油气井行业，已经发展出多种固井质量评价测井技术。根据测井原理的不同，现有的固井质量评价测井技术可以分为水泥胶结类和水泥声阻抗类，相应的测井方法有声波幅度测井(CBL)、声幅/变密度测井(CBL/VDL)、衰减率水泥胶结测井(CBT)、扇区水泥胶结测井(SBT)、水泥评价测井(CET)、脉冲回声测井(PET)、环周声波扫描测井(CAST)等。

储气井与油气井在功能、深度、地层、固井作业等方面存在诸多差异：(1)功能：储气井是一种存储压力容器，油气井提供油气运移的通道；(2)深度：储气井深度一般不超过300m，油气井深度可达数千米到上万米；(3)地层：储气井所在浅地层地质结构简单，不进行裸眼测井，油气井地质结构复杂，需先进行声波、电法、放射性等裸眼测井；(4)固井作业：储气井采用建筑水泥全井段固井防止腐蚀，油气井采用油井水泥只在目的层固井，分隔油气水层防止窜槽，浅地层为自由套管(无水泥防护层)用于刻度；(5)损伤模式：储气井的主要损伤模式是地层介质对井筒外壁的腐蚀，油气井的主要损伤模式是井内流体对井筒内壁的腐蚀。

目前储气井水泥防护层胶结质量检测一般直接采用声幅/变密度测井的方法和设备，而没有考虑储气井与油气井之间的差异，导致检测精度和纵向分辨率低，不能满足储气井水泥防护层胶结质量检测的要求。

发明内容

本发明提供一种对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备，用以对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测。

为达到上述目的，本发明提供了一种对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备，用于对位于储气井外层的水泥防护层的胶结质量进行检测，其包括：

壳体，其呈空心圆柱形，长度为1.7m；

多芯铠装电缆，包括一上端、一下端和一主体，其主体卷绕于一卷扬机上，其下端固定于壳体顶部，用于提供电力、传输电信号以及带动壳体及其内部结构上升及下降；

接箍定位器，固定于壳体的内部，距离壳体顶部0.2m；

电子线路结构，固定于接箍定位器正下部，包括信号放大器、低通滤波器、发射控制器、数字信号处理器、耦合变压器、仪表放大器、带通滤波器、模数转换器以及高速遥传模块；

发射传感器，固定于电子线路结构正下部，距离壳体顶部0.8m，用于发出15kHz-20kHz的声波信号；

接收传感器，包括固定于发射传感器正下部的短源距接收传感器和长源距接收传感器，短源距接收传感器距离壳体顶部1.4m，长源距接收传感器位于壳体底部，发射传感器与短源距接收传感器之间、短源距接收传感器与长源距接收传感器之间均填充有隔声材料；以及

地面控制系统，与卷扬机以及多芯铠装电缆的上端连接，用于控制卷扬机、通过测量多芯铠装电缆的移动距离进行深度定位以及对电信号进行后续处理；

其中，信号放大器与接箍定位器连接，用于放大接箍定位器发送而来的接箍信号；

低通滤波器与信号放大器连接，用于对放大后的接箍信号进行低通滤波；

发射控制器与发射传感器连接；

数字信号处理器与发射控制器连接，用于控制发射控制器发出0～2000V的电压脉冲信号；

耦合变压器与短源距接收传感器和长源距接收传感器连接，用于对短源距接收传感器和长源距接收传感器发送而来的全波列声波信号进行耦合；

仪表放大器与耦合变压器连接，用于对耦合变压器输出的全波列声波信号进行放大；

带通滤波器与仪表放大器连接；

模数转换器与数字信号处理器和带通滤波器连接；

高速遥传模块与数字信号处理器连接；

数字信号处理器对模数转换器输出的全波列声波信号、低通滤波器输出的接箍信号进行数据压缩，之后再经由高速遥传模块将每64ms数据编码为一帧并上传至地面控制系统，

发射传感器、短源距接收传感器和长源距接收传感器的外部均套有一皮囊，皮囊呈圆环状，其壁厚度为3mm、内径为60mm、长度为100mm，其内部盛放有硅油并且其顶部和底部分别设有一灌油孔，

每一皮囊外侧的壳体上均匀分布有多个竖(轴)向镂空孔，隔声材料外侧的壳体上均匀分布有多个横(径)向镂空孔。

在本发明的一实施例中，所述发射传感器为压电陶瓷换能器。

在本发明的一实施例中，所述仪表放大器为INA128。

在本发明的一实施例中，所述带通滤波器的带宽介于10kHz～30kHz之间。

在本发明的一实施例中，所述模数转换器为AD9240，所述数字信号处理器为DSPic33EP256MC502。

在本发明的一实施例中，对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备还包括：

配重块，固定于壳体下端；

吊装勾，固定于配重块的下端。

在本发明的一实施例中，数字信号处理器发出的信号采用曼彻斯特编码。

在本发明的一实施例中，所述隔声材料为聚四氟乙烯。

在本发明的一实施例中，灌油孔处设有堵头螺丝。

在本发明的一实施例中，所述壳体的材质为钢。

本发明提供的对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备充分考虑了储气井的结构特点，能够对储气井水泥防护层的胶结质量进行快速、准确的检测，并能够满足储气井水泥防护层的胶结质量检测对于检测精度和纵向分辨率上的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备中部分元件的示意图；

图2为本发明提供的对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备中电气元件的连接示意图；

图3为本发明的检测原理图；

图4为水泥防护层胶结声波检测全波列波形曲线示意图；

图5为水泥防护层胶结声波检测全波列辉度曲线示意图。

附图标记说明：1-壳体；2-多芯铠装电缆；3-接箍定位器；4-电子线路结构；41-信号放大器；42-低通滤波器；43-发射控制器；44-数字信号处理器；45-耦合变压器；46-仪表放大器；47-带通滤波器；48-模数转换器；49-高速遥传模块；5-发射传感器；6-接收传感器；61-短源距接收传感器；62-长源距接收传感器；63-隔声材料；7-地面控制系统；8-竖(轴)向镂空孔；9-横(径)向镂空孔，10-配重块；11-吊装勾。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明适用于储气井底部至井口的竖直距离介于40～300m之间的储气井。本发明基于声幅/变密度检测基本原理，根据储气井水泥防护层胶结质量检测的要求，提出一种对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备，其中，传感器采用的是单发双收液浸式声波传感器。

图1为本发明提供的对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备中部分元件的示意图，图2为本发明提供的对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备中电气元件的连接示意图，图3为本发明的检测原理图。如图1、图2所示，本发明提供的对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备其包括：

壳体1，其呈空心圆柱形，长度为1.7m，壳体1对整个设备位于井下的部分起到保护内部结构/线路、固定内部各元件等作用，本实施例中，壳体1的材质选用的是钢；

多芯铠装电缆2，包括一上端、一下端和一主体，其主体卷绕于一卷扬机(图中未示出)上，其下端固定于壳体1顶部，用于提供电力、传输电信号以及带动壳体1及其内部结构上升及下降；

接箍定位器3，固定于壳体1的内部，距离壳体1顶部0.2m，接箍定位器3是本领域的常用设备，基于电磁感应原理进行工作，为本领域技术人员所熟知，其于本发明中进行辅助深度定位；

电子线路结构4，固定于接箍定位器3正下部，包括信号放大器41、低通滤波器42、发射控制器43、数字信号处理器44、耦合变压器45、仪表放大器46、带通滤波器47、模数转换器48以及高速遥传模块49；

发射传感器5，固定于电子线路结构4正下部，距离壳体1顶部0.8m，用于发出15kHz-20kHz的声波信号，如图4所示为水泥防护层胶结声波检测全波列波形曲线示意图，对于一般的井筒和地层而言，井管波主频为20kHz左右，地层波主频范围为14kHz～17kHz，为了满足检测的灵敏度和准确性，本实施例中，发射传感器选用的是20kHz的压电陶瓷换能器；

接收传感器6，包括固定于发射传感器5正下部的短源距接收传感器61和长源距接收传感器62，短源距接收传感器61距离壳体1顶部1.4m，长源距接收传感器62位于壳体1下部，“源距”(传感器之间的距离)是决定检测精度和纵向分辨率的主要因素，源距越小，检测精度和纵向分辨率越高，但源距过小会导致井管波与直达波、地层波、一次反射波、多次反射波同时被传感器接收而无法分辨。本发明中的上述源距是通过模拟计算和实验测试而最终得出的最佳源距。发射传感器5与短源距接收传感器61之间、短源距接收传感器61与长源距接收传感器62之间均填充有隔声材料63，本实施例中，隔声材料选用的是聚四氟乙烯；以及

地面控制系统7，与卷扬机以及多芯铠装电缆2的上端连接，用于控制卷扬机、通过测量多芯铠装电缆2的移动距离进行深度定位以及对电信号进行后续处理；

其中，信号放大器41与接箍定位器3连接，用于放大接箍定位器3发送而来的接箍信号；

低通滤波器42与信号放大器41连接，用于对放大后的接箍信号进行低通滤波；

发射控制器43与发射传感器5连接；

数字信号处理器与44发射控制器43连接，用于控制发射控制器43发出0～2000V的电压脉冲信号；

耦合变压器45与短源距接收传感器61和长源距接收传感器62连接，用于对短源距接收传感器61和长源距接收传感器62发送而来的全波列声波信号进行耦合；

仪表放大器46与耦合变压器45连接，用于对耦合变压器45输出的全波列声波信号进行放大，本实施例中，仪表放大器选用的是INA128；

带通滤波器47与仪表放大器46连接，本实施例中，将带通滤波器的带宽设置为介于10kHz～30kHz之间；

模数转换器48与数字信号处理器44和带通滤波器47连接，本实施例中，模数转换器选用的是AD9240，；

高速遥传模块49与数字信号处理器44连接；

数字信号处理器44对模数转换器48输出的全波列声波信号、低通滤波器42输出的接箍信号进行数据压缩，之后再经由高速遥传模块49将每64ms数据编码为一帧并上传至地面控制系统7，本实施例中，数字信号处理器44选用的是DSPic33EP256MC502，数字信号处理器44发出的信号采用曼彻斯特编码。

发射传感器5、短源距接收传感器61和长源距接收传感器62的外部均套有一皮囊(图中未示出)，皮囊呈圆环状，其壁厚度为3mm、内径为60mm、长度为100mm，其内部盛放有硅油并且其顶部和底部分别设有一灌油孔，灌油孔处设有堵头螺丝，皮囊用于平衡传感器在储气井中的压力。

每一皮囊外侧的壳体上均匀分布有多个竖(轴)向镂空孔8，以保证传感器发送、接收信号均能够正常进行，隔声材料外侧的壳体上均匀分布有多个横(径)向镂空孔9，防止声波信号沿壳体传播而造成干扰，隔声材料能够防止声波信号在壳体内部传播而造成干扰。

为了进一步满足实际应用需要，本实施例中，对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备还包括：

配重块10，固定于壳体下端，使用配重块是因为，本发明使用时，向下移动以进行检测依靠的是本发明置于储气井内部的部分的自身重力，为保证检测过程顺利进行，需增加配重，配重块10可采用密度较大的金属制造而成，其直径以与壳体直径大致相等为佳，长度根据实际配重需要而定；

吊装勾11，固定于配重块的下端，其形状为圆锥体并在其上打孔，以便于搬运、维修和保养仪器。

现有技术中，声幅/变密度测井技术中的短源距传感器只接收全波列中首波的信号，而舍弃了包含大量信息的续至波信号，尤其是第二界面胶结情况的信息，第二界面对于储气井水泥防护层评价同样重要，而油气井不注重第二界面。本发明采用曼彻斯特编码发送不同的采集时间命令，可控制模数转换器48采集500us或1500us的数据，从而实现短源距接收传感器接收全波列信号，以获取更多有效信息。

现有技术中，声幅/变密度测井技术在数据分析时基于油井水泥的性质而制定评价指标，储气井很少采用油井水泥，多采用建筑水泥，搅拌过程中也不添加水泥外加剂，两者声学性质存在差异，尤其是声波时差，检测声波传播直接影响数据处理分析，本发明通过模拟计算和实际水泥声学实验，制定数据处理分析指标。

另外，实际采集全波列信号时，首波的位置会发生沿时间轴的左右偏移，要提取首波最大幅值就要规定一个采样范围，比如从200us～300us，这个范围称为闸门位置和闸门宽度，这在信号采集领域是常见的方法，本发明亦同。

本发明是将全波列中首波信号的绝对声幅值—深度曲线转化为以水泥防护层无胶结时声幅值为100％的相对声幅—深度曲线，计算公式如下：

式中：

U——相对声幅值，％；

A——测量深度点的声幅值，单位为毫伏(mV)；

A_fp——对比试验井或试验管测量无水泥胶结的最大声幅值，单位为毫伏(mV)。

声幅值越大，第一界面水泥胶结情况越差。相对声幅曲线用于定量分析第一界面胶结情况，本实施例以表1作为分级依据。

表1第一界面胶结声幅质量分级

如图5所示为水泥防护层胶结声波检测全波列辉度曲线示意图，本发明使用时，接收到的全波列信号的到达时间(横坐标)根据套管内径、水泥密度、地层密度等均不相同，具体表现为整体左右移动，且与理论计算数值有差异，全波列的幅度值(纵坐标)根据传播过程中的衰减、供电电压等也有差异，实际工程应用中要进行实际标定。

对全波列信号进行全波正半周调辉处理，处理方法为：电子线路结构将全波列信号转换为与其幅度成正比的电信号，地面控制系统进行检波后，只保留电信号的正半周部分，将这部分电信号呈现在示波器或显象管上，调制其光点亮度。波幅大、电压高，光点就亮，测井图上显示条带为黑色。而光点亮度低时，测井图上显示为灰色条带。负半周电压为零，光点不亮，测井图上显示为白色条带。变密度测井图就是黑(灰)白色相见的条带，以其颜色的深浅表示接收到的信号的强弱，称之为辉度。信号幅度大，即辉度强，反之，信号幅度小，则辉度弱。全波列辉度曲线用于定性分析第一界面和第二界面胶结情况。

全波列辉度曲线用于定性分析胶结情况，可参考《SY/T 6592-2016固井质量评价方法》，在实际检测中，不同储气井的辉度曲线差异很大，一般将同一储气井于不同深度下的全波列辉度曲线特征进行互相对比，以得到质量分级，如表2所示。

表2第一界面和第二界面胶结辉度质量分级

根据储气井整体第一界面和第二界面胶结情况，综合评价储气井水泥防护层胶结质量。

本发明使用方式如下：

步骤一：

采用液体耦合剂(如水)置换储气井井筒内全部气体介质，必要时采取措施对井筒内表面进行清理，以去除影响检测结果的油污和杂质等；

步骤二：

将图1所示的结构，包括接箍定位器、发射传感器、短源距接收传感器以及长源距接收传感器下吊至储气井中，并采取有效措施保证图1所示的结构居中；

步骤三：

根据井筒材质、内径和壁厚等参数选择对比试验井标定文件，或采用对比试验管现场标定，进行参数的确认或调整；

其中，对比试验井标定文件在石油测井中称为刻度文件，在无损检测领域称为标定，一般采用井管外完全无水泥胶结的对比试验井进行标定，采集标定过程中的最大声幅值即公式(1)中的A_fp，该值与井筒材质(声速)、内径和壁厚(传播距离)均有关系，因此检测不同规格的储气井要选取在对应规格的对比试验井中的标定文件，这将影响对最终结果的判断，同时，因为试验井与实际检测储气井无法完全一致，在检测时需要调整的参数主要为仪器供电电压电流和衰减增益等，以保证检测数据符合数据验收的相关要求。

步骤四：

操作地面控制系统，以控制各个传感器工作，地面控制系统接收并储存发回的信号。

其中，发射传感器发射的声波信号，经由耦合剂沿不同角度入射到井管壁，由于各介质声阻抗的不同，在各界面处会发生声波的反射、折射和波形转换。在特定位置以相同角度折射回耦合剂并被接收传感器接收，据此获得检测信号。

步骤五：

通过地面控制系统控制卷扬机，以匀速下放和上提图1所示结构，以获取储气井不同深度的全波列检测信号。

匀速是为了保证采集信号的稳定，避免因为卷扬机带动多芯铠装电缆突然加速或减速移动而造成传感器接收数据异常，或者速度过快造成的数据丢失。经过试验验证，在不超过0.15m/s的检测速度下，可获得稳定的检测数据，当然速度过慢会影响检测效率。

步骤六：

地面控制系统进行数据处理，以得到储气井水泥防护层的胶结质量。

本发明提供的对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备充分考虑了储气井的结构特点，能够对储气井水泥防护层的胶结质量进行快速、准确的检测，并能够满足储气井水泥防护层的胶结质量检测在检测精度和纵向分辨率上的要求。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备，用于对位于储气井外层的水泥防护层的胶结质量进行检测，其特征在于，包括：

壳体，其呈空心圆柱形，长度为1.7m；

多芯铠装电缆，包括一上端、一下端和一主体，其主体卷绕于一卷扬机上，其下端固定于壳体顶部，用于提供电力、传输电信号以及带动壳体及其内部结构上升及下降；

接箍定位器，固定于壳体的内部，距离壳体顶部0.2m；

电子线路结构，固定于接箍定位器正下部，包括信号放大器、低通滤波器、发射控制器、数字信号处理器、耦合变压器、仪表放大器、带通滤波器、模数转换器以及高速遥传模块；

发射传感器，固定于电子线路结构正下部，距离壳体顶部0.8m，用于发出15kHz-20kHz的声波信号；

接收传感器，包括固定于发射传感器正下部的短源距接收传感器和长源距接收传感器，短源距接收传感器距离壳体顶部1.4m，长源距接收传感器位于壳体底部，发射传感器与短源距接收传感器之间、短源距接收传感器与长源距接收传感器之间均填充有隔声材料；以及

地面控制系统，与卷扬机以及多芯铠装电缆的上端连接，用于控制卷扬机、通过测量多芯铠装电缆的移动距离进行深度定位以及对电信号进行后续处理；

其中，信号放大器与接箍定位器连接，用于放大接箍定位器发送而来的接箍信号；

低通滤波器与信号放大器连接，用于对放大后的接箍信号进行低通滤波；

发射控制器与发射传感器连接；

数字信号处理器与发射控制器连接，用于控制发射控制器发出0～2000V的电压脉冲信号；

耦合变压器与短源距接收传感器和长源距接收传感器连接，用于对短源距接收传感器和长源距接收传感器发送而来的全波列声波信号进行耦合；

仪表放大器与耦合变压器连接，用于对耦合变压器输出的全波列声波信号进行放大；

带通滤波器与仪表放大器连接；

模数转换器与数字信号处理器和带通滤波器连接；

高速遥传模块与数字信号处理器连接；

数字信号处理器对模数转换器输出的全波列声波信号、低通滤波器输出的接箍信号进行数据压缩，之后再经由高速遥传模块将每64ms数据编码为一帧并上传至地面控制系统，

发射传感器、短源距接收传感器和长源距接收传感器的外部均套有一皮囊，皮囊呈圆环状，其壁厚度为3mm、内径为60mm、长度为100mm，其内部盛放有硅油并且其顶部和底部分别设有一灌油孔，

每一皮囊外侧的壳体上均匀分布有多个竖向镂空孔，隔声材料外侧的壳体上均匀分布有多个横向镂空孔，

所述发射传感器为压电陶瓷换能器，

所述仪表放大器为INA128。

2.根据权利要求1所述的对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备，其特征在于，所述带通滤波器的带宽介于10kHz～30kHz之间。

3.根据权利要求1所述的对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备，其特征在于，所述模数转换器为AD9240，所述数字信号处理器为DSPic33EP256MC502。

4.根据权利要求1所述的对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备，其特征在于，还包括：

配重块，固定于壳体下端；

吊装勾，固定于配重块的下端。

5.根据权利要求1所述的对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备，其特征在于，数字信号处理器发出的信号采用曼彻斯特编码。

6.根据权利要求1所述的对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备，其特征在于，所述隔声材料为聚四氟乙烯。

7.根据权利要求1所述的对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备，其特征在于，灌油孔处设有堵头螺丝。

8.根据权利要求1所述的对储气井水泥防护层的胶结质量进行检测的声波检测设备，所述壳体的材质为钢。