CN116084917A - 一种随钻套损与固井质量评价的测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种随钻套损与固井质量评价的测试装置及测试方法，改善了测井时效低、测试精准度差、难以实现对水泥环外界面固井质量评价的技术问题。该装置包括钻铤短节、超声波探头以及多个超声波换能器，超声波探头的激发频率能够通过外部控制模块进行调节；多个超声波换能器的中心频率各不相同、且中心频率依次增加。本发明能够实现多种厚度范围套管的测量，一次测井即可实现套损检测以及水泥环内、外界面固井质量评价，既能提高测井时效，还能提高测量精准度。
Description
技术领域
本发明属于测井仪器技术领域，具体涉及一种随钻套损与固井质量评价的测试装置及测试方法。
背景技术
在海洋油气资源开发作业中，套损检测及固井质量评价一直为油气的稳产增产起着重要作用，目前，通常利用超声脉冲反射法探测套管壁厚信息，并且利用套管共振波的衰减，还可以获取水泥环的内界面(水泥环与套管之间的界面)水泥声阻抗成像曲线，从而进行固井质量评价。
目前，电缆式超声波测井装置广泛应用，其通过电缆将带有超声波探头的测井装置下放至井内，然后通过驱动电机驱动测井装置高速转动，与此同时，利用超声波探头发射并接收超声波信号，实现套损检测及固井质量评价。
然而，目前的测试装置有一个共同的特点，就是仪器安装了某种频率的超声波探头，可以对某种厚度范围内的套管进行评价。但是，如果套管厚度超出这种超声波探头的覆盖范围，必须更换另外与之匹配的超声波探头，重新进行测井，因此这种测试装置的测井时效较低。
另外，对某些腐蚀严重的套管，由于套管壁厚很薄，对应的共振频率很高，单一频率的超声波探头无法覆盖较宽的频率范围，因此，对腐蚀严重的套管厚度测量的准确性比较低。
不仅如此，如果想要对水泥环的外界面(水泥环与地层之间的界面)进行评价，需要保证超声波探头的激发频率满足套管的共振频率，超声波才能透过套管进入水泥环。然而，由于套管的腐蚀情况无法确定，并且相关技术中的超声波探头的激发频率恒定，一次测井无法实现对水泥环外界面的评价。
由此可知，现有技术中的存在测井时效低、测试精准度差、难以实现对水泥环外界面固井质量评价等缺陷，因此，提高测井时效、提高测试精准度、实现水泥环外界面固井质量评价，对提高油气资源的勘探开发具有重要意义。
发明内容
为了解决上述全部或部分问题，本发明的目的在于提供一种随钻套损与固井质量评价的测试装置及测试方法，可以实现水泥环外界面固井质量评价，还能提高测井时效、提高测试精准度。
第一方面，本发明提供了一种随钻套损与固井质量评价的测试装置，包括：
钻铤短节，呈圆筒状设置、且用于同轴连接于钻铤的底端；
超声波换能器，数量为多个、且分别嵌设于所述钻铤短节的外表面；
超声波探头，嵌设于所述钻铤短节的外表面，且所述超声波探头的激发频率能够通过外部控制模块进行调节；
其中，所述超声波探头和多个超声波换能器共同沿所述钻铤短节的圆周方向均匀分布，多个所述超声波换能器的中心频率各不相同、且中心频率依次增加。
可选地，所述超声波换能器的中心频率为50KHz～650KHz，所述超声波探头的激发频率为200KHz～500KHz。
可选地，所述钻铤短节的内表面嵌设有泥浆声速探头，且所述泥浆声速探头用于测量超声波在泥浆中传播的声速。
可选地，所述泥浆声速探头的发射端为圆弧面、且与所述钻铤短节的内表面平齐，所述超声波换能器和超声波探头的发射端均为平面。
第二方面，本发明提供了一种随钻套损与固井质量评价的测试方法，使用上述的测试装置，包括如下步骤：
S1，将测试装置连接于钻铤的底端，并通过钻铤将测试装置带入井眼中；
S2，通过多个超声波换能器发射并接收各自的超声波，实现套损检测以及水泥环内界面固井质量评价；
S3，通过超声波探头发射并接收自身的超声波，实现水泥环外界面固井质量评价；
S4，通过泥浆声速探头发射并接收自身的超声波，实现超声波在泥浆中传播声速的测量；
S5，测量结束，将测试装置回收。
可选地，在S2中，多个超声波换能器依次为A1、A2、A3至AN，且超声波换能器A1至AN的中心频率依次增加，计算超声波换能器A1至AN可探测的套管的最大厚度dmax：
在实验室的水池中分别获取超声波换能器A1、A2、A3至AN的反射回波频谱曲线，然后在实验室中测得超声波换能器A1、A2、A3至AN的频谱幅度值下降50％对应的频率下限f1、f2、f3至fN；
根据半波透射公式d＝c/2f，d为套管厚度，c为超声波在套管内的纵波速度常数，依次得到超声波换能器A1、A2、A3至AN可探测的套管最大厚度d1、d2、d3至dN，根据超声波换能器的可探测的套管最大厚度，判断超声波换能器能否进行套损检测以及水泥环内界面固井质量评价。
可选地，根据超声波换能器A1、A2、A3至AN可探测的套管的最大厚度d1、d2、d3至dN以及套管的原始厚度X，选择相应的测量模式：
模式1：若d2＜X≤d1，则超声波换能器A1、A2、A3至AN同时工作；
模式2：若d3＜X≤d2，则超声波换能器A2、A3至AN同时工作；
模式3：若d4＜X≤d3，则超声波换能器A3至AN同时工作；
依次类推，
模式N：若dN+1＜X≤dN，则超声波换能器AN单独工作。
可选地，依据所选定的测量模式，再根据幅度判断准则，选取相应的超声波换能器进行测试：
幅度判断准则为
Amp_resonance为套管共振波的幅度，Amp_reflection为套管内壁反射波的幅度，δ为阈值参数，超声波换能器A1、A2、A3至AN的计算结果分别为δ1、δ2、δ3至δN；
若δ1＜δ，则证明超声波换能器A1无法满足套管厚度的测量要求，此时，对超声波换能器A2进行判定；
若δ2＜δ，则证明超声波换能器A2无法满足套管厚度的测量要求，此时，对超声波换能器A3进行判定；
依次类推，直到某个超声波换能器的δ某＞δ时，选取该超声波换能器进行测试，并根据该超声波换能器的测试结果进行套损检测以及水泥环内界面固井质量评价。
可选地，在S3中，超声波探头为B，计算超声波探头B可探测的套管的最小厚度dmin：
在实验室的水池中获取超声波探头B的反射回波频谱曲线，然后在实验室中测得超声波探头B频谱幅度值下降50％对应的频率上限fB，再根据半波透射公式d＝c/2f，得到超声波探头B可探测的套管最小厚度dB，根据超声波探头的可探测的套管最小厚度，判断超声波探头能否进行水泥环外界面固井质量评价。
可选地，通过外部控制模块对超声波探头B的激发频率逐步进行调整，使得超声波探头B的激发频率满足套管沿周向方向位置的平均共振频率：
在初始深度点，根据超声波换能器在此深度点测得的套管厚度，取初始深度点的平均套管厚度D_depth1，再根据半波透射公式d＝c/2f，计算套管平均厚度对应的套管共振频率F_depth1，此时，超声波探头B的初始激发频率为F_depth0，并使超声波探头B以F_depth0的初始激发频率在初始深度点进行测量；
在下一深度点，根据超声波换能器在此深度点测得的套管厚度，取当前深度点的平均套管厚度D_depth2，再根据半波透射公式d＝c/2f，计算套管平均厚度对应的套管共振频率F_depth2，此时，通过外部控制模块调整此深度点超声波探头B的激发频率为F_depth1，并使超声波探头B以F_depth1的激发频率在该深度点进行测量；
在下一深度点，根据超声波换能器在此深度点测得的套管厚度，取当前深度点的平均套管厚度D_depth3，再根据半波透射公式d＝c/2f，计算套管平均厚度对应的套管共振频率F_depth3，此时，通过外部控制模块调整此深度点超声波探头B的激发频率为F_depth2，并使超声波探头B以F_depth2的激发频率在该深度点进行测量；
依次类推，利用上一深度点的套管共振频率，做为当前深度点的超声波探头B的激发频率进行测试，由此进行水泥环外界面固井质量评价。
可选地，通过外部控制模块对超声波探头B的激发频率实时进行动态调整，使得超声波探头B的激发频率满足套管沿周向方向每个位置的共振频率：
在当前深度点，根据超声波换能器在此深度点测得的套管厚度，取当前深度点每个位置的套管厚度D_depthi，再根据半波透射公式d＝c/2f，计算套管每个位置对应的套管共振频率F_depthi，此时，通过外部控制模块对超声波探头B的激发频率F_depth实时进行调整，并使超声波探头B的激发频率F_depth满足套管各个位置共振频率的要求；
在下一深度点，根据超声波换能器在此深度点测得的套管厚度，取当前深度点每个位置的套管厚度D_depthi，再根据半波透射公式d＝c/2f，计算套管每个位置对应的套管共振频率F_depthi，此时，通过外部控制模块对超声波探头B的激发频率F_depth实时进行调整，并使超声波探头B的激发频率F_depth满足套管各个位置共振频率的要求；
依次类推，根据当前深度点每个位置的套管厚度D_depth，通过外部控制模块对超声波探头B的激发频率F_depth实时进行调整，并通过激发频率实时调整的超声波探头B进行测试，由此进行水泥环外界面固井质量评价。
可选地，在S4中，根据泥浆声速探头的回波到时T1以及钻铤短节的内径L，求得超声波在泥浆中的声速V，再根据超声波换能器的回波到时T2以及超声波声速V即可求得超声波换能器与套管内壁之间的距离S1，套管的内径S2＝钻铤短节的内径L+超声波换能器与套管内壁之间的距离S1+钻铤短节的壁厚；
当套损检测的测试结果显示套管受到腐蚀，如果所测套管的内径S2小于套管的原始内径X，则判定套管的内表面受到腐蚀，如果所测套管的内径S2与套管的原始内径X相差不大，则判定套管的外表面受到腐蚀。
由上述技术方案可知，本发明提供的随钻套损与固井质量评价的测试装置及测试方法，具有以下优点：
该装置通过采用多个不同中心频率的超声波换能器，使得测试装置的探测范围更大，一次测井即可获取全频域中的套管厚度及水泥胶结质量曲线，从而使得一次测井即可完成套损检测以及水泥环内界面固井质量评价，大大提高测井时效。同时，通过设置激发频率能够进行动态调整的超声波探头，通过调整超声波探头的激发频率，使得超声波探头的激发频率满足套管共振频率要求，使得更多的超声波能量能够透过水泥环，从而能够获取较强的水泥环外界面反射回波，一次测井即可评价水泥环外界面胶结质量，既能提高测井时效，还能提高测试精准度。不仅如此，此设计还增加对超声波在泥浆中传播声速的测量，根据泥浆声速可计算套管的内径，再根据套管的所测内径与原始内径进行对比，即可判定套管的内表面或外表面腐蚀，测试方便，并且大大提高作业时效。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例1的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1中测井装置的剖视图；
图3为本发明实施例1中测井装置进入井内时的结构示意图；
图4为本发明实施例1中钻铤短节的剖视图；
图5为本发明实施例1中泥浆声速探头的结构示意图；
图6为本发明实施例1中泥浆声速探头的剖视图；
图7为本发明实施例1中超声波换能器的剖视图；
图8为本发明实施例2中测井装置进行测试时的结构示意图；
图9为本发明实施例2中超声波换能器的激发频谱曲线示意图；
图10为本发明实施例2中超声波探头的激发频谱曲线示意图；
图11为本发明实施例2中超声波换能器A1测量的波形及其频谱曲线图；
图12为本发明实施例2中超声波换能器A2测量的波形及其频谱曲线图；
图13为本发明实施例2中超声波换能器A3测量的波形及其频谱曲线图；
图14为本发明实施例2中模式1的判断流程图；
图15为本发明实施例2中模式2的判断流程图；
图16为本发明实施例2中模式3的判断流程图；
图17为本发明实施例2中超声波探头B的激发波形和频谱曲线图；
图18为本发明实施例2中超声波探头B的超声脉冲反射回波波形图；
图19为本发明实施例2中泥浆声速探头的超声脉冲反射回波波形图。
附图标记说明：
1、钻铤短节；2、超声波探头；3、超声波换能器；4、堵塞；5、泥浆声速探头；
100、测试装置；200、水眼；300、套管；400、水泥环；500、水泥环内界面；600、水泥环外界面；700、地层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
如图1～图7所示为本发明实施例1，该实施例中公开了一种随钻套损与固井质量评价的测试装置，包括呈圆筒状的钻铤短节1，钻铤短节1用于同轴连接于钻铤的底端，钻铤短节1也可以钻铤的一部分，也就是钻铤短节1与钻铤一体成型连接，其目的是保证测试装置能够随钻铤一起在井眼中转动和进退，从而实现随钻式测井作业。
在一个实施例中，如图1、图2、图3所示，钻铤短节1的外表面嵌设有超声波探头2以及多个超声波换能器3，超声波探头2和多个超声波换能器3位于同一平面，且共同沿钻铤短节1的圆周方向均匀分布。超声波探头2的激发频率能够通过外部控制模块进行调节，并且多个超声波换能器3的中心频率各不相同、且中心频率依次增加。
在实施例中，仅展示三个超声波换能器3的状态，也就是超声波探头2和三个超声波换能器3间隔90°分布在钻铤短节1上。当然，如果超声波换能器3的数量为五个，则超声波探头2和五个超声波换能器3间隔60°分布在钻铤短节1上，在此不做过多举例。
本实施例中的随钻套损与固井质量评价的测试装置，采用多个不同中心频率的超声波换能器3，使得测试装置的探测范围更大，一次测井即可获取全频域中的套管厚度及水泥胶结质量曲线，从而使得一次测井即可完成套损检测以及水泥环内界面500固井质量评价，大大提高测井时效。不仅如此，通过设置激发频率能够进行动态调整的超声波探头2，通过调整超声波探头2的激发频率，使得超声波探头2的激发频率满足套管共振频率要求，使得超声波能量能够尽可能完全透过水泥环400，从而能够获取较强的水泥环外界面600反射回波，一次测井即可评价水泥环外界面600胶结质量，既能提高测井时效，还能提高测试精准度。
在一个实施例中，如图2、图3所示，超声波换能器3的中心频率为50KHz～650KHz，超声波探头2的激发频率为200KHz～500KHz，在本实施中，三个超声波换能器3的中心频率分别为200kHz、350kHz、500kHz，且-6dB相对带宽为80％左右，超声波探头2的初始激发频率为350kHz，-6dB相对带宽为120％左右。由此可知，超声波探头2的带宽比超声波换能器3的带宽要宽一些，有利于超声波探头2发出的超声波能量能够完全透过水泥环400，以提高对水泥环外界面600固井质量评价的精准度。
在其他实施例中，超声波换能器3的中心频率以及超声波探头2的激发频率也可以是其他范围和其他值，可根据套管300的厚度或者实际工作需要进行调整，在此不做过多列举。
在一个实施例中，如图1、图4所示，钻铤短节1的内表面嵌设有泥浆声速探头5，且泥浆声速探头5用于测量超声波在泥浆中传播的声速。通过测得超声波的声速，即可计算超声波换能器3与套管300内壁之间的距离，由此可计算套管300的内径，如果套损检测显示套管300出现腐蚀时，根据所测套管内径与套管原始内径进行对比，即可判断套管300的内壁或外壁发生腐蚀，具体测试方法在实施例2中进行详细叙述。
在一个实施例中，如图1、图4所示，泥浆声速探头5与超声波换能器3不在同一平面内，并且泥浆声速探头5位于相邻两个超声波换能器3之间，或者位于超声波探头2与相邻的超声波换能器3的之间。
在一个实施例中，如图5、图6、图7所示，泥浆声速探头5的发射端为圆弧面、且与钻铤短节1的内表面平齐，以保证泥浆在钻铤短节1内部的水眼200中流动时，降低泥浆声速探头5的发射端收到冲蚀的风险。同时，超声波换能器3和超声波探头2的发射端均为平面，有利于超声波能量透射套管300和水泥环400。
在一个实施例中，如图1、图4所示，泥浆声速探头5的安装方式可以在钻铤短节1上挖孔，然后将泥浆声速探头5嵌入孔的一端，并在孔的另一端安装堵塞4，以避免泥浆进入孔眼。在其他实施例中，也可以直接在钻铤短节1的内壁开槽，再将泥浆声速探头5嵌入槽内。泥浆声速探头5的激发频率根据钻铤短节1的内径(也就是水眼200的内径)决定，如果钻铤短节1的内径比较大，则选用低频的泥浆声速探头5，反之，则选用高频的泥浆声速探头5，以提高超声波声速的测量精准度。
有上述可知，本实施例中的测试装置，一次测井即可获取全频域中的套管厚度及水泥胶结质量曲线，从而使得一次测井即可完成套损检测以及水泥环内、外界面固井质量评价，大大提高测井时效和测量精准度。不仅如此，此设计还增加对超声波在泥浆中传播声速的测量，根据泥浆声速可计算套管300的内径，再根据套管的所测内径与原始内径进行对比，即可判定套管300的内表面或外表面腐蚀，测试方便，并且大大提高作业时效。
如图8～图19所示为本发明实施例2，该实施例中公开了一种随钻套损与固井质量评价的测试方法，使用实施例1中的测试装置100，包括如下步骤：
S1，将测试装置100连接于钻铤的底端，并通过钻铤将测试装置100带入井眼中，然后通过钻铤的转动与进退，带动测试装置100同步运动；
S2，通过多个超声波换能器3发射并接收各自的超声波，实现套损检测以及水泥环内界面500固井质量评价；
S3，通过超声波探头2发射并接收自身的超声波，实现水泥环外界面600固井质量评价；
S4，通过泥浆声速探头5发射并接收自身的超声波，实现超声波在泥浆中传播声速的测量；
S5，测量结束，将测试装置100回收。
在一个实施例中，如图9所示，在S2中，多个超声波换能器3依次为A1、A2、A3至AN，且超声波换能器A1至AN的中心频率依次增加，计算超声波换能器A1至AN可探测的套管的最大厚度dmax，根据超声波换能器3可探测的套管最大厚度，判断超声波换能器3能否进行套损检测以及水泥环内界面500固井质量评价，具体计算方法如下：
首先，在实验室的水池中分别获取超声波换能器A1、A2、A3至AN的反射回波频谱曲线，计算超声波换能器A1频谱幅度值下降50％对应的频率下限f1，根据半波透射公式d＝c/2f，d为套管厚度，c为超声波在套管内的纵波速度常数，得到超声波换能器A1可探测的套管最大厚度d1；
然后，获取超声波换能器A1与超声波换能器A2的反射回波频谱曲线的交点对应的频率f2，采用半波透射公式d＝c/2f公式，求得超声波换能器A2可探测的套管最大厚度d2；
随后，获取超声波换能器A2与超声波换能器A3的反射回波频谱曲线的交点对应的频率f3，采用半波透射公式d＝c/2f公式，求得超声波换能器A3可探测的套管最大厚度d3；
依次类推，获取超声波换能器AN-1与超声波换能器AN的反射回波频谱曲线的交点对应的频率fN，采用半波透射公式d＝c/2f公式，求得超声波换能器AN可探测的套管最大厚度dN。此时，根据超声波换能器3的可探测的套管最大厚度，即可判断超声波换能器3能否进行套损检测以及水泥环内界面500固井质量评价。
在S2中，根据套管300的原始厚度X以及超声波换能器A1、A2、A3至AN可探测的套管300的最大厚度d1、d2、d3至dN，选择相应的测量模式，具体测量模式如下：
模式1：若d2＜X≤d1，则超声波换能器A1、A2、A3至AN需要同时工作；
模式2：若d3＜X≤d2，则超声波换能器A2、A3至AN需要同时工作；
模式3：若d4＜X≤d3，则超声波换能器A3至AN需要同时工作；
依次类推，
模式N：若dN+1＜X≤dN，则仅需要超声波换能器AN单独工作即可。
根据套管300的原始厚度，采用合适的测量模式对套管300进行测量，所获得的测试数据更加准确，避免后续对非必要数据的筛除等工作，既能提高测井时效，还能提高测试精准度。
在一个实施例中，如图14、图15、图16所示，在S2中，依据所选定的测量模式，再根据幅度判断准则，选取相应的超声波换能器3进行测试，具体判断准则如下：
幅度判断准则为
Amp_resonance为套管共振波的幅度，Amp_reflection为套管内壁反射波的幅度，δ为阈值参数，并且δ通常为0.01，计算超声波换能器A1、A2、A3至AN的结果分别为δ1、δ2、δ3至δN；
若δ1＜δ，则证明超声波换能器A1无法满足套管厚度的测量要求，此时，对超声波换能器A2进行判定；
若δ2＜δ，则证明超声波换能器A2无法满足套管厚度的测量要求，此时，对超声波换能器A3进行判定；
依次类推，直到某个超声波换能器3的δ某＞δ时，选取该超声波换能器3进行测试，并根据该超声波换能器3的测试结果进行套损检测以及水泥环内界面500质量质量评价，如果所有的超声波换能器3均不符合要求，则判定无法进行测试。
当超声波换能器3工作时，首先对超声波换能器3激励一个超声波脉冲信号，声波脉冲信号在流体中传播然后入射到套管300内壁。此时，大部分声波能量反射回来被超声波换能器3接收，首波即为超声波在套管300内壁的反射波形，利用反射波的幅度可以检测套管300内表面的腐蚀情况。
超声波在套管300内壁反射后的剩余声波能量进入套管300，声波脉冲信号在套管300与水泥环400(水泥环内界面500)以及水泥环400与地层700表面(水泥环外界面600)之间进行多次反射。在每个表面，都会有一些能量被反射，一些能量传播出去，能量的大小是由两种材料声阻抗的差异决定的。
由于套管300的声阻抗和流体的声阻抗为常数，所以套管300内的信号是以一定的速率衰减，信号的大小依赖于套管300外面材料的声阻抗。套管300外面材料的声阻抗越大，套管300内的共振波幅度越小，反之，套管300外面材料的声阻抗越小，套管300内的共振波幅度越大。
因此，利用套管共振波幅度的强弱可以评价套管300外面材料的声阻抗大小，进而对套管300外水泥胶结质量(水泥环内界面500)进行评价。同时，利用套管共振波及声波在套管中的纵波传播速度可以评价套管300的厚度。
在一个实施例中，如图10所示，在S3中，超声波探头2为B，计算超声波探头B可探测的套管的最小厚度dmin，判断超声波探头2能否进行水泥环外界面600固井质量评价，具体计算方法如下：
首先，在实验室的水池中获取超声波探头B的反射回波频谱曲线，然后在实验室中测得超声波探头B频谱幅度值下降50％对应的频率上限fB，再根据半波透射公式d＝c/2f，得到超声波探头B可探测的套管最小厚度dB，根据超声波探头2的可探测的套管最小厚度，即可判断超声波探头2能否进行水泥环外界面600固井质量评价。
水泥环外界面600固井质量评价模式分为两种，一种模式为平均值测量法，另一种模式为动态值测量法，具体如下：
(1)平均值测量法
通过外部控制模块对超声波探头B的激发频率逐步进行调整，使得超声波探头B的激发频率满足套管300沿周向方向位置的平均共振频率，也就是钻铤在某个深度点转动的过程中，根据套管300在这一周位置的平均共振频率，调整超声波探头B的激发频率，具体如下：
在初始深度点，根据超声波换能器3在此深度点测得的所有套管厚度，取初始深度点的平均套管厚度D_depth1，再根据半波透射公式d＝c/2f，计算套管平均厚度对应的套管共振频率F_depth1，此时，超声波探头B的初始激发频率为F_depth0，并使超声波探头B以F_depth0的初始激发频率在初始深度点进行测量；
在下一深度点，根据超声波换能器3在此深度点测得的所有套管厚度，取当前深度点的平均套管厚度D_depth2，再根据半波透射公式d＝c/2f，计算套管平均厚度对应的套管共振频率F_depth2，此时，通过外部控制模块调整此深度点超声波探头B的激发频率为F_depth1，并使超声波探头B以F_depth1的激发频率在该深度点进行测量；
在下一深度点，根据超声波换能器3在此深度点测得的所有套管厚度，取当前深度点的平均套管厚度D_depth3，再根据半波透射公式d＝c/2f，计算套管平均厚度对应的套管共振频率F_depth3，此时，通过外部控制模块调整此深度点超声波探头B的激发频率为F_depth2，并使超声波探头B以F_depth2的激发频率在该深度点进行测量；
依次类推，利用上一深度点的套管共振频率，做为当前深度点的超声波探头B的激发频率进行测试，由此进行水泥环外界面600固井质量评价。因为钻铤每次的行进距离比较短，套管300的内壁厚度的变化范围也比较小，那么下一个深度点的套管厚度可以近似等于当前深度点的厚度，套管共振频率变化也就比较小，因此，利用上一深度点的套管共振频率做为当前深度点的超声波探头B的激发频率，能够保证较多的超声波透过套管300，从而能够实现对水泥环外界面600固井质量评价。
(2)动态值测量法
通过外部控制模块对超声波探头B的激发频率实时进行动态调整，使得超声波探头B的激发频率满足套管300沿周向方向每个位置的共振频率，也就是钻铤在某个深度点转动的过程中，根据套管300在这一周各个点的共振频率，实时动态调整超声波探头B的激发频率，具体如下：
在当前深度点，根据超声波换能器3在此深度点测得的套管厚度，取当前深度点每个位置的套管厚度D_depthi，再根据半波透射公式d＝c/2f，计算套管300每个位置对应的套管共振频率F_depthi，此时，通过外部控制模块对超声波探头B的激发频率F_depth实时进行调整，并使超声波探头B的激发频率F_depth满足套管各个位置共振频率的要求；
在下一深度点，根据超声波换能器3在此深度点测得的套管厚度，取当前深度点每个位置的套管厚度D_depthi，再根据半波透射公式d＝c/2f，计算套管300每个位置对应的套管共振频率F_depthi，此时，通过外部控制模块对超声波探头B的激发频率F_depth实时进行调整，并使超声波探头B的激发频率F_depth满足套管各个位置共振频率的要求；
依次类推，根据当前深度点每个位置的套管厚度D_depth，通过外部控制模块对超声波探头B的激发频率F_depth实时进行调整，并通过激发频率实时调整的超声波探头B进行测试，由此进行水泥环外界面600固井质量评价。因为超声波探头B的激发频率能够进行动态调整，尽可能保证所有超声波均能够透过套管300，从而提高水泥环外界面600固井质量评价的精准度。
如图9～图18所示，为了清楚的解释本实施例，以下为本实施例的详细举例：
如图9、图10所示，超声波换能器3的数量采用三个，也就是超声波换能器A1、A2、A3，超声波换能器A1、A2、A3的对应频率分别采用200kHz、350kHz、500kHz，超声波探头B的初始激发频率为350kHz。
那么，超声波换能器A1频谱幅度值下降50％对应的频率下限f1＝119kHz，根据超声波在套管中的半波透射原理，由半波透射公式d＝c/2f，得到超声波换能器A1可探测的套管最大厚度d1＝23.9mm；
获取超声波换能器A1与超声波换能器A2的反射回波频谱曲线的交点对应的频率f2＝254.5kHz，采用相同的公式得到超声波换能器A2可探测的套管最大厚度d2＝11.2mm；
获取超声波换能器A2与超声波换能器A3的反射回波频谱曲线的交点对应的频率f3＝411kHz，采用相同的公式得到超声波换能器A3可探测的套管最大厚度d3＝6.9mm；
计算超声波探头B频谱幅度值下降50％对应的频率上限fB＝705kHz，采用相同的公式得到超声波探头B可探测的套管最小厚度dB＝4.0mm，因此本事例采用了三种超声波换能器3组合测量的模式，一次下井就可以覆盖4.0-23.9mm厚度之间的套管300。
如图11、图12、图13、图14所示，如果实际待测的套管300厚度为X＝13mm，然而实际的套管300厚度已经腐蚀严重，变为了4mm，首先判定d2＜X≤d1，需要采用模式1来测量，也就是超声波换能器A1、A2、A3的同时工作。
根据幅度判断准则为
超声波换能器A1为
属于δ1＜δ的情况，因此超声波换能器A1无法获取正确的套管厚度，此时，对超声波换能器A2进行判定。
超声波换能器A2为
属于δ2＜δ的情况，因此超声波换能器A2也无法获取正确的套管厚度，此时，对超声波换能器A3进行判定。
超声波换能器A3为
属于δ3＞δ的情况，因此，超声波换能器A3可以获取正确的套管厚度，所以，根据超声波换能器A3的测试结果进行套损检测以及水泥环内界面500固井质量评价。
如果套管300的厚度为8.1mm，那么给超声波探头B施加一个中心频率为350kHz、11个周期的高斯调制正弦波，由图17可见，激发信号的频带非常窄，这样超声波的能量就非常集中，可以透过水泥环400。由图18可见，首先到达信号幅度最强的波为套管内壁的反射波，其次到达的为套管共振波，最后达到的为水泥环400与地层700界面(水泥环外界面600)的反射波，利用水泥环外界面600的反射波就可以评价水泥环外界面600胶结质量。
在一个实施例中，如图19所示，在S4中，根据泥浆声速探头5的回波到时T1以及钻铤短节1的内径L，求得超声波在泥浆中的声速V。由于钻铤短节1的内径L已知，泥浆声速探头5向水眼200的另一侧发射超声波信号后，超声波到另一侧水眼200内壁上会发生反射，又入射到泥浆声速探头5表面后反射，那么超声波信号会在水眼200中来回反射。此时，通过任意两次的反射波峰值到时T1，就可以计算超声波在泥浆中的传播速度V。
同理，计算超声波换能器3的回波到时T2，然后根据回波到时T2以及超声波声速V即可求得超声波换能器3与套管300内壁之间的距离S1。随后，将钻铤短节1的内径L、超声波换能器3与套管300内壁之间的距离S1、钻铤短节1的壁厚进行叠加，即可得到套管300的内径S2。
当套损检测的测试结果显示套管300受到腐蚀，如果所测套管的内径S2小于套管的原始内径X，则判定套管300的内表面受到腐蚀；如果所测套管的内径S2与套管的原始内径X相差不大，则判定套管300的外表面受到腐蚀。
由上述可知，采用该测试方法能够套管厚度的快速测量，并且套管厚度的测量结果更加精准，从而提高套损检测以及水泥环内、外界面质量评价的精准度。不仅如此，还可以根据泥浆声速计算套管300的内径，再根据套管的所测内径与原始内径进行对比，即可判定套管的内表面腐蚀还是外表面腐蚀，测试方便，并且大大提高作业时效。
需要注意的是，除非另有说明，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (12)
1.一种随钻套损与固井质量评价的测试装置，其特征在于，包括：
钻铤短节(1)，呈圆筒状设置、且用于同轴连接于钻铤的底端；
超声波换能器(3)，数量为多个、且分别嵌设于所述钻铤短节(1)的外表面；
超声波探头(2)，嵌设于所述钻铤短节(1)的外表面，且所述超声波探头(2)的激发频率能够通过外部控制模块进行调节；
其中，所述超声波探头(2)和多个超声波换能器(3)共同沿所述钻铤短节(1)的圆周方向均匀分布，多个所述超声波换能器(3)的中心频率各不相同、且中心频率依次增加。
2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述超声波换能器(3)的中心频率为50KHz～650KHz，所述超声波探头(2)的激发频率为200KHz～500KHz。
3.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于，所述钻铤短节(1)的内表面嵌设有泥浆声速探头(5)，且所述泥浆声速探头(5)用于测量超声波在泥浆中传播的声速。
4.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于，所述泥浆声速探头(5)的发射端为圆弧面、且与所述钻铤短节(1)的内表面平齐，所述超声波换能器(3)和超声波探头(2)的发射端均为平面。
5.一种随钻套损与固井质量评价的测试方法，使用如权利要求1-4任一项所述的测试装置(100)，其特征在于，包括如下步骤：
S1，将测试装置(100)连接于钻铤的底端，并通过钻铤将测试装置(100)带入井眼中；
S2，通过多个超声波换能器(3)发射并接收各自的超声波，实现套损检测以及水泥环内界面(500)固井质量评价；
S3，通过超声波探头(2)发射并接收自身的超声波，实现水泥环外界面(600)固井质量评价；
S4，通过泥浆声速探头(5)发射并接收自身的超声波，实现超声波在泥浆中传播声速的测量；
S5，测量结束，将测试装置(100)回收。
6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，在S2中，多个超声波换能器(3)依次为A1、A2、A3至AN，且超声波换能器A1至AN的中心频率依次增加，计算超声波换能器A1至AN可探测的套管的最大厚度dmax：
在实验室的水池中分别获取超声波换能器A1、A2、A3至AN的反射回波频谱曲线，然后在实验室中测得超声波换能器A1、A2、A3至AN的频谱幅度值下降50％对应的频率下限f1、f2、f3至fN；
根据半波透射公式d＝c/2f，d为套管(300)的厚度，c为超声波在套管(300)内的纵波速度常数，依次得到超声波换能器A1、A2、A3至AN可探测的套管(300)最大厚度d1、d2、d3至dN，根据超声波换能器(3)的可探测的套管最大厚度，判断超声波换能器(3)能否进行套损检测以及水泥环内界面(500)固井质量评价。
7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，根据超声波换能器A1、A1、A2、A3至AN可探测的套管的最大厚度d1、d2、d3至dN以及套管(300)的原始厚度X，选择相应的测量模式：
模式1：若d2＜X≤d1，则超声波换能器A1、A2、A3至AN同时工作；
模式2：若d3＜X≤d2，则超声波换能器A2、A3至AN同时工作；
模式3：若d4＜X≤d3，则超声波换能器A3至AN同时工作；
依次类推，
模式N：若dN+1＜X≤dN，则超声波换能器AN单独工作。
8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，依据所选定的测量模式，再根据幅度判断准则，选取相应的超声波换能器(3)进行测试：
幅度判断准则为
Amp_resonance为套管共振波的幅度，Amp_reflection为套管内壁反射波的幅度，δ为阈值参数，超声波换能器A1、A2、A3至AN的计算结果分别为δ1、δ2、δ3至δN；
若δ1＜δ，则证明超声波换能器A1无法满足套管厚度的测量要求，此时，对超声波换能器A2进行判定；
若δ2＜δ，则证明超声波换能器A2无法满足套管厚度的测量要求，此时，对超声波换能器A3进行判定；
依次类推，直到某个超声波换能器(3)的δ某＞δ时，选取该超声波换能器(3)进行测试，并根据该超声波换能器(3)的测试结果进行套损检测以及水泥环内界面(500)固井质量评价。
9.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，在S3中，超声波探头(2)为B，计算超声波探头B可探测的套管的最小厚度dmin：
在实验室的水池中获取超声波探头B的反射回波频谱曲线，然后在实验室中测得超声波探头B频谱幅度值下降50％对应的频率上限fB，再根据半波透射公式d＝c/2f，得到超声波探头B可探测的套管最小厚度dB，根据超声波探头(2)的可探测的套管最小厚度，判断超声波探头(2)能否进行水泥环外界面(600)固井质量评价。
10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，通过外部控制模块对超声波探头B的激发频率逐步进行调整，使得超声波探头B的激发频率满足套管沿周向方向位置的平均共振频率：
在初始深度点，根据超声波换能器(3)在此深度点测得的套管厚度，取初始深度点的平均套管厚度D_depth1，再根据半波透射公式d＝c/2f，计算套管(300)平均厚度对应的套管共振频率F_depth1，此时，超声波探头B的初始激发频率为F_depth0，并使超声波探头B以F_depth0的初始激发频率在初始深度点进行测量；
在下一深度点，根据超声波换能器(3)在此深度点测得的套管厚度，取当前深度点的平均套管厚度D_depth2，再根据半波透射公式d＝c/2f，计算套管(300)平均厚度对应的套管共振频率F_depth2，此时，通过外部控制模块调整此深度点超声波探头B的激发频率为F_depth1，并使超声波探头B以F_depth1的激发频率在该深度点进行测量；
在下一深度点，根据超声波换能器(3)在此深度点测得的套管厚度，取当前深度点的平均套管厚度D_depth3，再根据半波透射公式d＝c/2f，计算套管(300)平均厚度对应的套管共振频率F_depth3，此时，通过外部控制模块调整此深度点超声波探头B的激发频率为F_depth2，并使超声波探头B以F_depth2的激发频率在该深度点进行测量；
依次类推，利用上一深度点的套管共振频率，做为当前深度点的超声波探头B的激发频率进行测试，由此进行水泥环外界面(600)固井质量评价。
11.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，通过外部控制模块对超声波探头B的激发频率实时进行动态调整，使得超声波探头B的激发频率满足套管沿周向方向每个位置的共振频率：
在当前深度点，根据超声波换能器(3)在此深度点测得的套管厚度，取当前深度点每个位置的套管厚度D_depthi，再根据半波透射公式d＝c/2f，计算套管(300)每个位置对应的套管共振频率F_depthi，此时，通过外部控制模块对超声波探头B的激发频率F_depth实时进行调整，并使超声波探头B的激发频率F_depth满足套管各个位置共振频率的要求；
在下一深度点，根据超声波换能器(3)在此深度点测得的套管厚度，取当前深度点每个位置的套管厚度D_depthi，再根据半波透射公式d＝c/2f，计算套管(300)每个位置对应的套管共振频率F_depthi，此时，通过外部控制模块对超声波探头B的激发频率F_depth实时进行调整，并使超声波探头B的激发频率F_depth满足套管各个位置共振频率的要求；
依次类推，根据当前深度点每个位置的套管厚度D_depth，通过外部控制模块对超声波探头B的激发频率F_depth实时进行调整，并通过激发频率实时调整的超声波探头B进行测试，由此进行水泥环外界面(600)固井质量评价。
12.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，在S4中，根据泥浆声速探头(5)的回波到时T1以及钻铤短节(1)的内径L，求得超声波在泥浆中的声速V，再根据超声波换能器(3)的回波到时T2以及超声波声速V即可求得超声波换能器(3)与套管(300)内壁之间的距离S1，套管(300)的内径S2＝钻铤短节(1)的内径L+超声波换能器(3)与套管(300)内壁之间的距离S1+钻铤短节(1)的壁厚；
当套损检测的测试结果显示套管(300)受到腐蚀，如果所测套管的内径S2小于套管的原始内径X，则判定套管(300)的内表面受到腐蚀，如果所测套管的内径S2与套管的原始内径X相差不大，则判定套管(300)的外表面受到腐蚀。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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