一種用於套管井二界面的超聲檢測成像方法

2023-10-06 22:43:09 1

專利名稱：一種用於套管井二界面的超聲檢測成像方法
技術領域：
本發明涉及一種聲波測井技術，尤其是涉及一種用於套管井二界面的超聲檢測成 像方法。
背景技術：
套管井水泥膠接固井質量檢測與評價是一項重要的測井方法和技術，對避免油井 油水層間竄漏等問題有重要意義。套管井水泥膠接測井是指通過測井方法進行如下檢查與 評價檢查鋼套管與水泥之間(稱為一界面)膠接狀況，水泥與地層巖石之間(稱二界面) 膠接狀況，以及鋼管與巖石間環形空間水泥的部分缺失。傳統的聲幅測井(CBL)與變密度測井(VDL)是使用歷史最長和最為普遍的檢測方 法。CBL方法僅能檢測一界面膠接質量。VDL方法雖能定性推測二界面膠接情況，但由於諸 多影響因素而非常不準確。它們都使用全向性探頭和1米以上的源距，所測結果在井周向 無方向性，軸向也是源距範圍內的平均結果。因此，無法檢測缺陷方位，縱向解析度也很低。 此外，還有諸多其他缺陷。90年代中後期以及最近，國外幾家著名公司推出各自聲成像方式的固井水泥膠 接質量檢測儀器。如Atlas公司的扇區水泥膠接質量測井儀(SBT)，khlumberger公司， Halliburton公司的脈衝回波井周掃描成像測井儀(USI，CAST-V與CAST-F)。但這些儀器 均只能檢測一界面膠接質量。超聲脈衝回波掃描測井儀通過向套管表面發射覆蓋不同套管厚度共振頻率範圍 的寬帶超聲脈衝，通過分析回波中的共振波來判斷套管與水泥間是否膠接。回波中的主要 成分是鋼套管內表面反射波及管壁內的共振波。由於這種方法透過鋼套管的超聲能量只是 整個超聲脈衝的極小的部分，即只是相應於套管厚度共振頻率的成分可以透入，因而回波 中二界面的信號很弱，且通常被套管壁內共振波信號所淹沒，幾乎無法觀察到，從而無法檢 測和評價二界面的膠接狀況。因此，如何使超聲脈衝更有效透射高聲阻抗的鋼套管，進入水 泥層，成為二界面檢測的關鍵問題。

發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種可以檢測二界 面膠接信息並能夠避免檢測盲區的用於套管井二界面的超聲檢測成像方法。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種用於套管井二界面的超聲檢測成像方法，其特徵在於，該方法包括以下步 驟(1)採用頻率可調的猝發音電脈衝激發寬帶換能器，控制激發頻率為套管厚度共 振頻率，換能器在電脈衝的激勵下輻射窄帶超聲脈衝垂直入射到井壁，並徑向透射進各層 介質，同時各層界面產生反射回波；(2)對接收回波進行處理，分離二界面回波，得到二界面的膠接信息，換能器對套管壁進行多點測量掃描時可得到二界面粘接特性圖像。所述的激勵換能器的電脈衝為頻率可調的猝發音。所述的換能器的帶寬覆蓋200-650kHz，-6dB相對帶寬大於80%，可以採用一個或 多個換能器分頻段實現。所述的電脈衝信號的頻率調節範圍為200_650kHz。所述的對接收回波進行處理，分離二界面回波的方法包括時域開窗方法或自適應 濾波方法。所述的二界面的膠接信息是對各掃描點二界面回波信號的幅度等信息進行歸一 化顯示得到。與現有技術相比，本發明可以有效透射高聲阻抗鋼板，明顯增大水泥一巖石二界 面回波，配合相應的信號處理方法，可有效檢測和評價二界面水泥膠接質量；單頻電脈衝的 長度可根據井孔尺寸來設置，避免了檢測盲區；電路設計為頻率可調方式，配合寬帶換能 器，實現對不同套管厚度套管井的檢測。


圖1為具有不同粘接缺陷的套管井橫截面示意圖；圖2為自發自收換能器在猝發音電脈衝激發下向套管壁垂直輻射超聲脈衝及超 聲脈衝的透射與反射示意圖；圖3為套管厚度與激發頻率的關係；圖4為回波信號及各成分；圖5為二界面回波信號的提取示意圖。圖中10為套管井孔、11為井液、12為鋼套管、13為水泥層、14為地層、15為一界面 缺陷、16為水泥缺失、17為二界面缺陷、18為一界面、19為二界面、20為換能器、21為超聲 脈衝、22為一次反射波、23為共振波、24為水泥中的反射波、25為猝發音電信號、26為接收 電脈衝信號。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。實施例本發明是用於檢測套管井水泥與地層之間(二界面)的膠接特性的方法。套管井 的固井水泥膠接質量的檢測與評價主要包括套管與水泥之間(一界面)的膠接特性、水泥 與地層之間(二界面)的膠接特性、以及套管與地層之間水泥環的部分缺失等。圖1給出 了具有這幾種粘接缺陷的套管井橫截面示意圖。圖中套管井孔10中充滿井液11，井孔外介 質分別為鋼套管12、水泥層13、地層(巖石層)14。套管與水泥之間的界面為稱一界面18， 水泥與地層之間的界面稱二界面19。圖中一界面有缺陷15，二界面有缺陷17，套管與地層 之間的水泥有部分缺失16。圖2示意了超聲脈衝的輻射、反射、接收及傳播路徑。自激自收換能器20在猝發 音電信號25的激發下通過井液向鋼套管輻射超聲脈衝21，在鋼套管內壁產生一次反射22， 並進入套管在套管內產生共振波23，透過套管進入水泥層，形成水泥中的反射波24。該成分在二界面19 一部分被反射回到換能器被接收。超聲換能器將上述接收的各聲信號成分 變為電脈衝信號26。圖3是套管厚度與激發頻率的關係。若鋼套管的厚度在4_15mm範圍，則如圖3所 示，換能器的帶寬應覆蓋200-650kHz範圍，可使超聲脈衝透射鋼套管。回波成分中，套管內 壁一次反射波22幅度一般最大，是換能器所輻射的聲脈衝能量的主要部分。但採用猝發音激發換能器，調節其按圖3的頻率適應於套管的厚度，聲脈衝能量 則可最大程度透射套管進入水泥層，對於不同的二界面粘接特性，其回波性質將有所差異， 通過正確分離該成分，並分析比較其性質，可以獲得二界面的粘接特性。圖4是一個採用上述方法得到的回波，介質條件是圖1中有二界面膠接缺陷17情 形。其成分包括套管內表面一次反射波，管壁內共振波，二界面反射波。此時信號中二界面 回波變成一個十分顯著的成分，波包能量僅次於一次反射波。圖5是二界面不同間隙寬度時的一組回波波形。二界面回波信號的幅度隨間隙厚 度的變化而顯著變化。在時間上開窗截取該成分，計算如均方根幅度可以有效評價二界面 的粘接特性。當井孔的幾何尺寸變小導致波形成分在時間上重疊時，可採用波分離技術，如 自適應信號處理等進行相應的信息提取，同樣可得到相似結果。聲換能器對套管壁進行多點掃描測量時，即可得到二界面膠接特性圖像。對各掃 描點二界面回波信號的信息，如幅度均方根值進行歸一化顯示，即得到二界面膠接圖像。本發明提供了一種用於套管井二界面水泥膠接質量的超聲檢測和掃描成像的方 法與技術。應該被理解的是所公開的方法與技術可以用其他不同的特定形式來實施。本方 法和技術由於公開的原因給出了其中的形式，但不限於已公開的形式。以上所描述的發明完全適合實現上述目標，並且達到了上述的目的和優勢。雖然 由於公開的目的，給出了本發明的實施辦法，但實施過程的細節存在著大量可以變化的地 方。這些變化本領域的技術人員是清楚的，它們也包括在本發明所公開的精神與所附權利 要求中。
權利要求
1.一種用於套管井二界面的超聲檢測成像方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟(1)採用頻率可調的猝發音電脈衝激發寬帶換能器，控制激發頻率為套管厚度共振頻 率，換能器在電脈衝的激勵下輻射窄帶超聲脈衝垂直入射到井壁，並徑向透射進各層介質， 同時各層界面產生反射回波；(2)對接收回波進行處理，分離二界面回波，得到二界面的膠接信息，換能器對套管壁 進行多點測量掃描時可得到二界面粘接特性圖像。
2.根據權利要求1所述的一種用於套管井二界面的超聲檢測成像方法，其特徵在於， 所述的激勵換能器的電脈衝為頻率可調的猝發音。
3.根據權利要求1所述的一種用於套管井二界面的超聲檢測成像方法，其特徵在於， 所述的換能器的帶寬覆蓋200-650kHz，-6dB相對帶寬大於80%，可以採用一個或多個換能 器分頻段實現。
4.根據權利要求1或2所述的一種用於套管井二界面的超聲檢測成像方法，其特徵在 於，所述的電脈衝信號的頻率調節範圍為200-650kHz。
5.根據權利要求1所述的一種用於套管井二界面的超聲檢測成像方法，其特徵在於， 所述的對接收回波進行處理，分離二界面回波的方法包括時域開窗方法或自適應濾波方法。
6.根據權利要求1所述的一種用於套管井二界面的超聲檢測成像方法，其特徵在於， 所述的二界面的膠接信息是對各掃描點二界面回波信號的幅度等信息進行歸一化顯示得 到。
全文摘要
本發明涉及一種用於套管井二界面的超聲檢測成像方法，採用頻率可調的猝發音電脈衝激發寬帶換能器，控制激發頻率為套管厚度共振頻率，換能器在電脈衝的激勵下輻射窄帶超聲脈衝垂直入射到井壁，並徑向透射進各層介質，同時各層界面產生反射回波，對接收回波進行處理，分離二界面回波，得到二界面的膠接信息，換能器對套管壁進行多點測量掃描時可得到二界面粘接特性圖像。與現有技術相比，本發明克服了目前超聲脈衝回波等測井儀無法檢測二界面膠接缺陷的缺點，通過分離接收信號中的二界面回波，可以得到二界面水泥膠接質量圖像，同時可實現傳統的脈衝回波測井的檢測結果。
文檔編號E21B47/14GK102128029SQ20101002272
公開日2011年7月20日 申請日期2010年1月12日 優先權日2010年1月12日
發明者王浩, 胡文祥, 閆鑫, 馬琦 申請人:同濟大學