CN114293976B - 使用sh模式波和a0模式波识别套管井水泥环胶结状况的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用SH模式波和A0模式波识别套管井水泥环胶结状况的方法，在套管环向一周均匀放置8个收发互易的换能器，第一换能器为发射探头；第二、三换能器接收环向传播的波形；第四换能器在套管中分别激发环向传播的波；对第二、三换能器接收的全波波形做希尔伯特变换，分别计算所在扇区上的衰减值，环向8个测量单元分时工作，得到环向相邻两个换能器的8个扇区上的SH模式波和A0模式波的衰减；反演套后介质的横波阻抗，计算得到其所在扇区的套管后介质的横波速度；通过A0模式波的衰减值反演得到套后介质的纵波阻抗，计算得到其纵波速度；给出套管与水泥环之间的胶结状况。本发明可以识别套管与水泥环以及水泥环与地层之间界面的胶结状况。

Description

使用SH模式波和A0模式波识别套管井水泥环胶结状况的方法

技术领域

本发明涉及一种使用声波测井评价固井质量的方法。

背景技术

声波测井是常用的固井质量评价方法。目前声幅-变密度测井、扇区水泥胶结测井、水泥声阻抗类测井等均需要声源在井内流体中辐射声波，通过流体耦合到套管中，激发沿轴向传播的纵向模态的套管波，利用套管波的幅度或衰减评价套管与水泥环之间的胶结质量。但这些方法在重泥浆或含气井眼中的应用受到了限制。

在套管中还可激发沿套管环向传播的导波，本发明实现了在套管中激发和接收沿着套管环向传播的SH模式波和A0弯曲模式波，联合SH模式波和A0模式波的衰减评价水泥环的胶结状况。套管中SH模式波沿轴向振动、环向传播，不向流体中泄漏能量；A0模式以径向振动为主、沿套管环向传播，可向套后耦合的固体或流体中泄露声波能量。另外，套管中SH模式波衰减仅受水泥密度和水泥剪切波速影响(除了扩散衰减)，也就是说，当套管规格已知，套管中环向SH模式波的衰减仅反映水泥横波阻抗。套管中A0模式波是由SV波和P波在套管中传播形成，以沿径向振动为主，其衰减受水泥纵波阻抗和横波阻抗的共同影响，因此，单独使用A0模式衰减不足够准确得到水泥的纵波阻抗和横波阻抗，联合SH模式波和A0模式波的衰减可较准确反应水泥的剪切模量和压缩模量。

通常套管井中水泥的胶结状况可分为自由套管、胶结良好、水泥环第I(套管和水泥环之间的界面)或第II界面(水泥环与地层之间的界面)不胶结、水泥环第I或第II界面有微环等情况。在自由套管井段，忽略SH模式波的扩散衰减和频散导致的耗散衰减，SH模式波的衰减可视为零，记录的全波波形中仅有沿套管环向传播的直达波；A0模式波向井中流体及套管外流体中泄漏纵波，存在一定的衰减。在胶结良好的套管井段，SH模式波和A0模式沿套管环向传播的同时，均向水泥环中泄漏能量，不同的是，SH模式波向水泥环中泄漏横波，因此其衰减值直接反映了水泥的横波阻抗，即表征了水泥的剪切模量；A0模式波向水泥环中泄漏的声波能量是水泥纵波阻抗和横波阻抗的函数(即便在快速水泥时仅在水泥环中辐射横波，但泄漏的能量也与水泥的纵波速度有关)，因此，联合SH模式波和A0模式的方法能够更加完整表征套后水泥的力学性能。对于水泥环第I界面不胶结或存在微环的情况，SH模式波的传播特征与自由套管一致，但A0模式仍有衰减，且在I界面存在微环时其衰减值大于I界面胶结差的情况，因此，结合SH模式波几乎不衰减与A0模式有明显的衰减特征，能够区分水泥环第I界面是没有水泥胶结还是存在微环。对于水泥环第II界面不胶结或存在微环的情况，泄漏到水泥环中的SH模式波在固-液界面反射，可耦合到套管继续沿着套管环向传播，因此接收器能够清晰接收到沿套管传播的直达SH模式波和来自水泥环第II界面反射的SH模式波，反射波的相位信息携带了水泥环第II界面的胶结状况，其到时反映了水泥环的厚度。类似的，A0模式波也会在水泥环第II界面产生反射，结合SH模式波和A0模式的反射波特征，判断水泥环第II界面的胶结状况。

综合上述不同的胶结情况，SH模式波和A0模式波的衰减及波形特征与水泥胶结状况密切相关，联合SH模式波和A0模式波能够更为清晰识别套管后水泥的胶结质量。无损检测领域常用电磁超声技术直接激发管中导波，Tang(2009,2010)将此技术引入声波测井中，即使用洛伦兹力机理的电磁超声换能器在套管内壁附近直接激发和接收SH模式波和A0模式波。这种方法不需井内流体耦合，在气井中依然适用，且能够在高温高压井下作业，具有广泛的应用空间。本发明设计了适用于在套管中激发SH模式波以及A0模式波的电磁超声换能器，其由周期磁铁(可为永磁铁或电磁铁)、跑道型线圈和套管三部分组成，可实现在重泥浆或含气的套管井中激发和接收SH模式波或A0模式波。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用SH模式波和A0模式波识别套管井水泥环胶结状况的方法，以解决使用沿套管环向传播的SH模式波和A0模式波的衰减值测量套后水泥阻抗，并利用其衰减特征和来自水泥环外侧的反射波特征分别识别套管与水泥环以及水泥环与地层之间界面的胶结状况的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种使用SH模式波和A0模式波识别套管井水泥环胶结状况的方法，包括以下步骤，

步骤一、在套管环向一周均匀放置8个收发互易的电磁超声换能器，该点此超声换能器由周期磁铁、跑道型线圈和套管三部分组成，基于洛伦兹力可实现在重泥浆或含气的套管井中分别激发和接收SH模式波或A0模式波；每相邻的四个换能器作为一个测量单元，首先使用一个测量单元的第一电磁超声换能器EM1为发射探头在套管中分别激发环向传播的零阶SH0模式或一阶的SH1模式波或两种模式都激发和A0模式波；

步骤二、在距离第一发射换能器45°和90°方位上的第二电磁超声换能器EM2和第三电磁超声换能器EM3接收环向传播的SH模式波和A0模式波波形，SH模式波根据水泥实际情况选择激发SH0模式或SH1模式或两种模式都激发；

步骤三、第四电磁超声换能器EM4作为发射探头在套管中分别激发环向传播的零阶SH0模式或一阶的SH1模式波或两种模式都激发和A0模式波；

步骤四、使用步骤二中的第二接电磁超声换能器EM2和第三电磁超声换能器EM3分别接收SH0模式波或SH1模式波或两者模式都激发和A0模式波形进行补偿衰减测量；

步骤五、对第一电磁超声换能器EM1发射时，在第二电磁超声换能器EM2和第三电磁超声换能器EM3接收的全波波形做希尔伯特变换，取直达波的波包幅度，分别标记为A12_45°和A13_90°，对第四电磁超声换能器EM4发射时在第三电磁超声换能器EM3和第二电磁超声换能器EM2接收的全波波形做希尔伯特变换，取直达波的波包幅度，分别标记为A43_45°和A42_90°，可分别计算SH0模式波或SH1模式波或两者都有和A0模式波在第二电磁超声换能器EM2和第三电磁超声换能器EM3所在扇区上的衰减值，计算公式：

式中，ID和OD分别表示套管的内径和外径；

步骤六、环向8个测量单元分时工作，可以得到环向相邻两个换能器所对应的8个扇区上的SH模式波和A0模式波的衰减；

步骤七、根据不同扇区测量的SH模式波的衰减值反演套后介质的横波阻抗，在已知套后介质的密度时计算得到其所在扇区的套管后介质的横波速度；

步骤八、在步骤七计算套后介质横波阻抗的基础上，通过A0模式波的衰减值反演得到套后介质的纵波阻抗，在已知套后介质的密度时计算得到其纵波速度；

步骤九、综合SH模式波和A0模式波的衰减，给出套管与水泥环之间的胶结状况；不同的胶结状况包括套管与水泥环之间水泥缺失且充填的是液体、套管与水泥环之间水泥缺失且充填的是气体、套管与水泥环之间胶结好、套管与水泥环之间存在微环，即厚度小于1mm；

步骤十、在步骤二和步骤四中的接收的SH模式波的全波波形中包含了直达波和来自水泥环外侧的反射波，反射波被耦合到套管中沿着套管环向继续传播时被接收器接收到；在水泥的横波阻抗小于地层的横波阻抗时，若反射波的相位和直达波的相位相反，则水泥环第II界面胶结良好，若反射波的相位和直达波的相位相同，则水泥环第II界面胶结差或存在微环。

本发明的优点及积极效果：

本发明使用洛伦兹力机理的电磁超声换能器技术在套管中直接激发环向传播的SH模式波和A0模式波，并联合SH模式波、A0模式波识别套管后水泥的胶结状况。本发明提供的评价水泥胶结状况的方法具有广泛应用空间，其在含气井孔、含重泥浆井孔、使用轻质水泥的套管井中均适用，在水泥环第I或第II界面不胶结或存在微环的情况下均可准确区分，并且兼具轴向和环向分辨率，为适应复杂井下环境进行固井质量评价提供有效的方法和技术。

附图说明

图1为本发明的联合环向SH模式波和A0模式波的补偿衰减测量示意图。

图2为本发明的洛伦兹力机理的电磁超声换能器示意图。

图3以7in套管为例，沿环向传播的A0模式波的频散曲线。

图4以7in套管为例，沿环向传播的SH模式波的频散曲线。

图5是特定套管规格下SH0、SH1模式波的衰减与套后介质横波阻抗的关系。

图6是特定套管规格下A0模式波的衰减与套后介质纵波阻抗的关系。

图7为不同胶结情况时接收的SH0模式波波形。

图8为不同胶结情况时接收的SH1模式波波形。

图9为不同胶结情况时接收的A0模式波波形。

图10给出了不同胶结情况时套管中环向SH0模式、SH1模式和A0模式波的衰减图。

图11是水泥环第II界面胶结好和胶结差时接收的SH0模式波的波形图。

图12为联合SH模式波和A0模式波的衰减判段水泥环第I界面胶结状况的流程图。

图13为利用反射波特征判段水泥环第II界面胶结状况的工作流程图。

图中编号：1、套管，2、水泥，3、地层，4、磁铁，5、线圈，6、套管。

具体实施方式

本发明所述的一种评价套管井水泥胶结状况的方法，包括以下步骤：

步骤一、在套管环向一周均匀放置8个收发互易的电磁超声换能器，如图1所示分别标注为EM1～EM8，换能器的结构如图2所示，其由周期磁铁(可为永磁铁或电磁铁)、跑道型线圈和套管三部分组成，基于洛伦兹力可实现在重泥浆或含气的套管井中分别激发和接收SH模式波或A0模式波，SH模式波和A0模式波的频散特征如图3和图4所示。每相邻的四个换能器作为一个测量单元，分别为EM1、EM2、EM3和EM4，EM2、EM3、EM4和EM5，EM3、EM4、EM5和EM6，EM4、EM5、EM6和EM7，EM5、EM6、EM7和EM8，EM6、EM7、EM8和EM1，EM7、EM8、EM1和EM2，EM8、EM1、EM2和EM3。以EM1～EM4为例，首先使用电磁超声换能器EM1作为发射探头在套管中分别激发环向传播的零阶SH0模式(或一阶的SH1模式波)和A0模式波；

步骤二、在距离发射换能器45°和90°方位上的EM2和EM3接收环向传播的SH模式波(可根据水泥实际情况选择激发SH0模式或SH1模式或两种模式都激发)和A0模式波波形；

步骤三、电磁超声换能器EM4作为发射探头在套管中分别激发环向传播的零阶SH0模式(或一阶的SH1模式波)和A0模式波；

步骤四、使用步骤二中的接收探头EM2和EM3分别接收SH0模式波(或SH1模式波)和A0模式波形进行补偿衰减测量。

步骤五、对EM1发射时在EM2和EM3接收的全波波形做希尔伯特变换，取直达波的波包幅度，分别标记为A12_45°和A13_90°，对EM4发射时在EM3和EM2接收的全波波形做希尔伯特变换，取直达波的波包幅度，分别标记为A43_45°和A42_90°，可分别计算SH0模式波(或SH1模式波)和A0模式波在EM2和EM3所在扇区上的衰减值，计算公式：

式中，ID和OD分别表示套管的内径和外径；

步骤六、环向8个测量单元分时工作，可以得到环向相邻两个换能器所对应的8个扇区上的SH模式波和A0模式波的衰减；

步骤七、根据不同扇区测量的SH模式波的衰减值反演套后介质的横波阻抗(见图5)，在已知套后介质的密度时可以计算得到其所在扇区的套管后介质的横波速度；

步骤八、在步骤七计算套后介质横波阻抗的基础上，通过A0模式波的衰减值反演得到套后介质的纵波阻抗，在已知套后介质的密度时可以计算得到其纵波速度(见图6)；

步骤九、综合SH模式波和A0模式波的衰减，给出套管与水泥环之间的胶结状况，图7、图8、图9和图10分别展示了不同胶结状况下SH模式波和A0模式波的全波响应和衰减变化。不同的胶结状况包括套管与水泥环之间水泥缺失且充填的是液体、套管与水泥环之间水泥缺失且充填的是气体、套管与水泥环之间胶结好、套管与水泥环之间存在微环(厚度小于1mm)等，处理流程图见图12所示；

步骤十、步骤二和步骤四中的接收的SH模式波的全波波形中包含了直达波和来自水泥环外侧的反射波，见图7所示，来自水泥环外侧的反射波是指沿着套管环向传播的SH模式波泄漏到水泥环中并在水泥环与地层界面发生反射，反射波被耦合到套管中沿着套管环向继续传播时被接收器接收到。在水泥的横波阻抗小于地层的横波阻抗时，若反射波的相位和直达波的相位相反(见图11所示)，则水泥环第II界面胶结良好，若反射波的相位和直达波的相位相同，则水泥环第II界面胶结差或存在微环，处理流程图见图13所示。

参见图1，联合环向SH模式波和A0模式波的补偿衰减测量工作时，相邻四个换能器组成一个测量单元，两端发射中间接收实现衰减的步长测量方式，在一个测量深度下，环向可得到8个扇区的衰减值。

参见图2，洛伦兹力机理的电磁超声换能器，EMATs工作时，跑道型线圈中通入交变电流J_m，根据麦克斯韦方程，导电套管中感生出交变磁场B_m，交变磁场在套管中引发出涡流J_e，涡流中的电子在永磁体产生的偏置磁场B_s中受到洛伦兹力F_L作用冲击晶格，晶格产生受迫振动激发超声波。

参见图3，图3的横坐标单位为频率f/(kHz)，纵坐标单位为速度v/(m/s)。以7in套管为例，沿环向传播的A0模式波的频散曲线，在本发明选择的频率范围(150kHz左右)环向A0模式波的群速度约为3150m/s。

参见图4，图4的横坐标单位为频率f/(kHz)，纵坐标单位为速度v/(m/s)。以7in套管为例，沿环向传播的SH模式波的频散曲线，包括SH0，SH1，SH2模式，在低于150kHz频率时仅激发SH0，在200kHz附近主要激发SH1。

参见图5，图5的横坐标为阻抗Z/(MRay1s)，纵坐标为衰减Att/(dB/ft)。反映了特定套管规格下SH0、SH1模式波的衰减与套后介质横波阻抗的关系，不同套管厚度的关系曲线不同。

参见图6，图6的横坐标为阻抗Z/(Mray1s)，横坐标为衰减Att/(dB/ft)。反映了特定套管规格下A0模式波的衰减与套后介质纵波阻抗的关系，A0模式波的衰减与套后介质的纵波阻抗和横波阻抗均有关，在横波阻抗确定后可反演纵波阻抗。

参见图7，反映了不同胶结情况时接收的SH0模式波波形。SH0模式波在自由套管、I界面胶结差和I界面有微环情况下衰减接近0，在胶结良好、II界面胶结差和II界面有微环情况有较大衰减，且均接收到水泥环第II界面的反射波，其中II界面胶结差时反射波幅度远大于胶结良好时的反射波幅度。

参见图8，不同胶结情况时接收的SH1模式波波形。SH1模式在自由套管、第I界面胶结差和第I界面有微环情况下因频散导致稍有衰减，在胶结良好、第II界面胶结差和第II界面有微环情况有衰减较大，且均接收到水泥环第II界面的反射波，第II界面胶结差时反射波幅度远大于胶结良好时的反射波幅度。

参见图9，不同胶结情况时接收的A0模式波波形。A0模式在自由套管和第I界面不胶结时衰减较小，在第I界面有微环、胶结良好和第II界面胶结差时衰减较大。

参见图10，给出了不同胶结情况时套管中环向SH0模式、SH1模式和A0模式波的衰减。图10的横坐标为不同胶结情况，从左到右各个点依次代表自由套管、胶结良好、Ⅰ界面不胶结、Ⅰ界面微环、Ⅱ界面不胶结、Ⅱ界面微环；横坐标单位为Att/(dB/ft)；图中方块节点的曲线代表SH0，三角节点的曲线代表A0，圆节点的曲线代表SH1。对于SH模式波，胶结良好时衰减值最大，第II界面胶结差时衰减相对较小，I界面胶结差时和自由套管时衰减最小，且SH1模式衰减值要高于SH0模式；对于A0模式波，自由套管和第I界面胶结差时衰减小，第I界面有微环、第II界面胶结差和第II界面有微环时衰减相对较大。因此，忽略扩散衰减和频散耗散衰减，在套后耦合介质是气体时SH模式波和A0模式波(忽略井内流体影响)基本不衰减；耦合介质为液体时，SH模式波基本不衰减，A0模式波的衰减较低；在套管与水泥环之间存在微环时，SH模式波基本不衰减，A0模式波的衰减较大；在SH模式波衰减较大时套后介质是固体。这也是区分套管与水泥环之间胶结状况的依据。

在图7、8、9、10中，A-直达波，B-反射波；I-自由套管，II-胶结良好，III-I界面不胶结，IV-I界面微环，V-II界面不胶结，VI-II界面微环。

参见图11，图11的横坐标单位为时间μs，纵坐标为幅度。水泥环第II界面胶结好和胶结差时接收的SH0模式波的波形，可见在水泥环第II界面胶结好A和胶结差B时反射波的相位正好相反，在水泥环第II界面胶结差时反射波的相位与直达波相位相同，反之胶结好时相位相反，这也是利用反射波相位信息评价水泥环第II界面胶结状况的依据，另外在水泥环第II界面胶结差时反射波的幅度明显增强，这一特征也是评价水泥环第II界面胶结状况的佐证。

参见图12，联合SH模式波和A0模式波的衰减判段水泥环第I界面胶结状况的流程图。

参见图13，利用反射波特征判段水泥环第II界面胶结状况的工作流程图。

Claims (1)

1.一种使用SH模式波和A0模式波识别套管井水泥环胶结状况的方法，包括以下步骤：

步骤一、在套管环向一周均匀放置8个收发互易的电磁超声换能器，超声换能器由周期磁铁、跑道型线圈和套管三部分组成，基于洛伦兹力可实现在重泥浆或含气的套管井中分别激发和接收SH模式波或A0模式波；每相邻的四个换能器作为一个测量单元，首先使用一个测量单元的第一电磁超声换能器EM1为发射探头在套管中分别激发环向传播的零阶SH0模式波或/和一阶的SH1模式波、A0模式波；

步骤二、在距离第一发射换能器45°和90°方位上的第二电磁超声换能器EM2和第三电磁超声换能器EM3接收环向传播的SH模式波和A0模式波波形，SH模式波根据水泥实际情况选择激发SH0模式波或/和SH1模式波；

步骤三、第四电磁超声换能器EM4作为发射探头在套管中分别激发环向传播的零阶SH0模式波或/和一阶的SH1模式波、A0模式波；

步骤四、使用步骤二中的第二接电磁超声换能器EM2和第三电磁超声换能器EM3分别接收SH0模式波或/和SH1模式波、A0模式波形进行补偿衰减测量；

步骤五、对第一电磁超声换能器EM1发射时，在第二电磁超声换能器EM2和第三电磁超声换能器EM3接收的全波波形做希尔伯特变换，取直达波的波包幅度，分别标记为A12_45°和A13_90°，对第四电磁超声换能器EM4发射时在第三电磁超声换能器EM3和第二电磁超声换能器EM2接收的全波波形做希尔伯特变换，取直达波的波包幅度，分别标记为A43_45°和A42_90°，可分别计算SH0模式波或/和SH1模式波、A0模式波在第二电磁超声换能器EM2和第三电磁超声换能器EM3所在扇区上的衰减值，计算公式：

式中，ID和OD分别表示套管的内径和外径；

步骤六、环向8个测量单元分时工作，可以得到环向相邻两个换能器所对应的8个扇区上的SH模式波和A0模式波的衰减；

步骤七、根据不同扇区测量的SH模式波的衰减值反演套后介质的横波阻抗，在已知套后介质的密度时计算得到其所在扇区的套管后介质的横波速度；

步骤八、在步骤七计算套后介质横波阻抗的基础上，通过A0模式波的衰减值反演得到套后介质的纵波阻抗，在已知套后介质的密度时计算得到其纵波速度；

步骤九、综合SH模式波和A0模式波的衰减，给出套管与水泥环之间的胶结状况；不同的胶结状况包括套管与水泥环之间水泥缺失且充填的是液体、套管与水泥环之间水泥缺失且充填的是气体、套管与水泥环之间胶结好、套管与水泥环之间存在微环，即厚度小于1mm；

步骤十、在步骤二和步骤四中的接收的SH模式波的全波波形中包含了直达波和来自水泥环外侧的反射波，反射波被耦合到套管中沿着套管环向继续传播时被接收器接收到；在水泥的横波阻抗小于地层的横波阻抗时，若反射波的相位和直达波的相位相反，则水泥环第II界面胶结良好，若反射波的相位和直达波的相位相同，则水泥环第II界面胶结差或存在微环。

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