用黏弹滑移界面表征的固井声波测井理论

在地球介质弹性波传播问题中,常采用滑移界面来描述介质分层对波的影响.文章利用这一方法来求解油井固井质量检测中的声传播问题.将套管与地层之间的水泥环表征为具有复数耦合刚度的黏弹性滑移界面,不仅可以简化原有的经典弹性波理论对此问题的复杂描述,还能够有效模拟原有理论难以解释的各种复杂测井声波传播特征.具体而言,这一固井声波测井新理论很好地描述了套管与地层之间(水泥)胶结状态的变化以及这种变化发生的位置(即套管-水泥间的一界面,或水泥-地层间的二界面)对声波传播的影响,具有较强的模拟和预测功能.对实际声波测井数据的模拟和对比表明,这一新理论较好地解释了套管井中的声传播特征,为油田固井质量检测提供了一个行之有效的基础理论.     

基于黏弹滑移界面理论揭示套管中模式波的传播特征

目前固井质量评价主要是利用套管中模式波的幅度或衰减变化判断套管与水泥间的胶结状况.在超声测量频段（70~500 kHz）,现有声波测井仪器工作时在套管中激发的模式波类似薄板中的对称兰姆波（拉伸波）或反对称兰姆波（弯曲型兰姆波）.本文将黏弹滑移界面理论应用到套管和水泥的耦合界面,探讨了套管中的准兰姆波（包括拉伸波和弯曲型兰姆波）与套管后物质的耦合方式,拉伸波与套后物质主要以剪切刚度耦合,即便是0.01 mm的微环也会使得拉伸波的衰减明显降低,接近套后是流体时的响应特征;而弯曲型兰姆波与套管后物质主要以法向刚度耦合,这使得在套后胶结轻质水泥时弯曲型兰姆波对微环不敏感,在套后耦合常规水泥时微环的存在又会使得弯曲型兰姆波的衰减明显增强,衰减的增加说明其与套后物质的声耦合更紧密,也表明微环与常规水泥的等效声阻抗适当降低,更有利于弯曲型兰姆波传播时与套后介质实现法向刚度的匹配.拉伸波和弯曲型兰姆波对同一胶结状况的不同响应特征也为固井质量综合评价时区分不同的水泥胶结状况提供了可能.     

基于黏弹滑移界面理论揭示套管中模式波的传播特征

目前固井质量评价主要是利用套管中模式波的幅度或衰减变化判断套管与水泥间的胶结状况.在超声测量频段(70～500 kHz),现有声波测井仪器工作时在套管中激发的模式波类似薄板中的对称兰姆波(拉伸波)或反对称兰姆波(弯曲型兰姆波).本文将黏弹滑移界面理论应用到套管和水泥的耦合界面,探讨了套管中的准兰姆波(包括拉伸波和弯曲型兰姆波)与套管后物质的耦合方式,拉伸波与套后物质主要以剪切刚度耦合,即便是0.01 mm的微环也会使得拉伸波的衰减明显降低,接近套后是流体时的响应特征;而弯曲型兰姆波与套管后物质主要以法向刚度耦合,这使得在套后胶结轻质水泥时弯曲型兰姆波对微环不敏感,在套后耦合常规水泥时微环的存在又会使得弯曲型兰姆波的衰减明显增强,衰减的增加说明其与套后物质的声耦合更紧密,也表明微环与常规水泥的等效声阻抗适当降低,更有利于弯曲型兰姆波传播时与套后介质实现法向刚度的匹配.拉伸波和弯曲型兰姆波对同一胶结状况的不同响应特征也为固井质量综合评价时区分不同的水泥胶结状况提供了可能.     

偶极子声波测井在双层套管井中激发的声场特征

多层套管井中的套管-水泥以及水泥-地层在径向上的分布较单层套管井界面多且径向分布范围更深.目前还未有针对多层套管井固井质量评价的有效方法,偶极子阵列声波测井具有工作频率低径向探测深的优势,本文通过实轴积分和三维有限差分计算了偶极子声源在不同胶结状况的双层套管井中激发的声场,旨在探讨偶极子阵列声波在双层套管井中评价外层套管和地层之间胶结状况的可行性.计算结果表明,在两层套管之间充填泥浆时,全波波形中可明显观测到地层弯曲波和套管弯曲波,若外层套管和地层之间充填水泥套管弯曲波的慢度明显高于充填泥浆时的慢度值;在外层套管和地层之间胶结的水泥出现缺失,套管弯曲波的频散曲线会处于完全胶结与完全无胶结之间,其变化量与水泥在外层环空的占比近似成线性关系,几乎不受水泥缺失的径向位置影响.由于偶极子声源的指向性,套管弯曲波的响应特征主要受与声源振动指向的方位扇区胶结状况的影响;在两层套管之间充填水泥时,若外层套管和地层之间充填泥浆,仍可观测到套管弯曲波,模拟波列提取的套管弯曲波的频散曲线与解析解计算的频散曲线吻合,两层套管通过水泥胶结在一起,其弯曲振动的传播速度稍有增加,类似单层套管厚度加厚的响应特征.两种模拟方法得到的结果均表明套管弯曲波对外层套管和地层之间的充填介质敏感,验证了偶极子阵列声波测井在双层套管井固井质量评价中应用的可行性.     

界面不规则性对套后超声波成像测井响应影响的模拟研究（英文）

超声泄漏兰姆波对多层介质缺陷及胶结缺失十分敏感,针对其在水泥胶结评价测井中的适用性问题,本文首次利用有限差分法数值模拟探讨了泄漏弯曲波在套管存在腐蚀缺陷和水泥-地层界面不规则起伏时的响应。结果表明,将超声倾斜定向入射时,可有效激发弯曲波模式。套管存在腐蚀时会影响首至弯曲波波幅,首至弯曲波波幅会随套管外壁的缺陷厚度的增加而逐渐减小,并在缺陷长度与波长尺寸相当时达到最弱,缺陷的存在增加了散射,导致直接泄漏回井内流体的首至弯曲波能量减弱。水泥-地层界面的不规则起伏时,首至弯曲波不变,后续弯曲波波幅由于不规则界面散射而减弱。     

不良胶结水泥环缝隙中高阻流体的过套管电阻率测井响应

考虑不良胶结水泥环缝隙中高阻流体对地层横向电阻的影响后,由传输线方程实现了缝隙中含流体的过套管电阻率测井响应的计算,并考察了缝隙中高阻流体的过套管电阻率测井响应.算例表明:水泥环不良胶结缝隙中的高阻流体对低阻地层视电阻率测量结果会有较大的影响;地层视电阻率曲线与流体包围套管的扇环张角呈非线性关系,高阻流体环比高阻流体扇环有更高的电阻率测井响应.     

双层套管井中单极子声波测井的响应特征

目前,在深井中采用多层套管实现层间封隔的方法已非常普遍,对多层套管井固井质量评价的需求越来越迫切,目前还未有针对外层套管与地层之间水泥胶结评价的有效手段.本文利用三维有限差分仿真了单极声波测井在双层套管井中的响应特征,探讨了利用套管波幅度和斯通利波频散特征识别外层套管与地层之间环空是否胶结水泥的可行性.数值计算结果显示在两层套管之间胶结水泥时,套管波的幅度或衰减对外层套管和地层之间是否胶结水泥非常敏感,外层环空若充填水泥则全波中的套管波幅度降低明显;在两层套管之间充填泥浆时,全波波形中首先到达的套管波幅度较大,其对外层套管的胶结状况不再敏感,通过对接收的阵列波形做频率-慢度相关分析发现,在外层套管和地层之间胶结水泥后,井孔内接收到的低于10 kHz的外斯通利波慢度明显增大,仿真波形的处理结果与解析计算的斯通利波的频散曲线吻合较好,进一步验证了可尝试利用内层环空激发的外斯通利波判断外层套管与地层之间是否胶结水泥.     

套后介质声学性质对套管中三种模式波影响的对比分析

由于套管的厚度小于目前声波测井仪器工作频率下的波长,声波仪器工作时可在套管中激发Lamb波或SH模式波.目前评价水泥胶结质量的声波测井仪器主要是利用套管中的对称Lamb波(拉伸波,S0模式)或反对称Lamb波(泄漏弯曲波,A0模式)的相对幅度或衰减评价套管与水泥之间的胶结程度.Lamb波可看作是纵波和横波在套管边界的耦合形成的,在套管中还存在另一种非耦合的SH横波,偏振方向与套管轴向平行沿着周向传播.本文基于定向声源辐射技术,实现了对称Lamb波、反对称Lamb波的分波模拟技术,数值研究了套管后耦合不同声阻抗介质时,对称Lamb波、反对称Lamb波以及SH横波的测井响应,通过频散衰减曲线以及模式波的波形响应幅度的直观显示表明,由于套管中的SH波仅向固体水泥中辐射剪切波,这一传播特征与套管中的Lamb波相比可以极大提高套管-水泥界面胶结状况的测量灵敏度.Lamb波的固有缺陷是套管与两侧介质的较大声阻抗反差使得在井中测量套管后面水泥界面的灵敏度受到相当大的限制.     

套管井贴壁声源激发的非轴对称声场的有限差分模拟及结果分析

套管井贴壁声波测井仪器在固井质量评价中的应用越来越广泛.本文利用三维交错网格高阶有限差分方法首次研究了贴壁声源在套管井中激发的非轴对称声场特征,给出了测井声源在贴壁固体弹性介质中激发时的数值模拟方法,模拟的全波波形与测井仪器在实际井中记录的波形吻合较好,这为利用数值模拟方式开发贴壁声波仪器的潜在应用奠定了基础.通过对套管井不同胶结状况下的数值模拟,得到了贴壁声源在套管井中激发的声场特征和传播规律,模拟结果显示加载声源的贴壁滑板的存在大大压制了套管中弯曲型Lamb波的幅度;套管中传播的拉伸波的幅度相对较强,其泄漏到水泥中的声波传播到水泥和地层界面时发生反射,反射波的幅度和相位特征携带了水泥环第二界面的胶结信息.数值计算结果为利用贴壁声源激发接收的波形实现水泥环第二界面井周不同角度上的胶结评价奠定了理论基础.     

水平应力作用下套管井不同胶结状况导波的声弹效应

油田的套管完井常伴有异常地应力的作用,对于套管井,井孔-套管-水泥环-地层组合的系统使井周的应力集中更为复杂.为认识地应力作用下不同胶结状态的套管井导波声弹效应,本文基于非线性声学理论,实现了受应力作用不同胶结状态套管井井周应力和径向横波速度计算与分析;采用摄动求解推导了套管井导波的声弹性方程,模拟并分析由应力引起不同胶结状态套管井斯通利波、伪瑞利波、弯曲波相速度的变化.研究结果表明:不同胶结状态会改变井周的应力分布,当界面出现滑移时井周地层中的应力集中有所增强,从而影响导波的声弹效应.本文的研究结果为地应力作用的套管井的声场特性提供认识和理论依据.     

实际井眼条件下过套管电阻率测井响应的传输线方程正演算法

过套管电阻率测井通过测量套管壁电势实现测量地层视电阻率,不同的地层模型对过套管电阻率测井会有不同的测井响应. 在传输线方程系数中本文考虑了径向含多个界面地层的影响,对轴向（井轴方向）呈层状、径向阶跃变化地层模型,给出了电势分布递推公式,计算了过套管电阻率测井响应,绘出了测井响应曲线. 算例表明,该方法有较强的轴向地层界面分辨能力;对径向均匀地层计算结果非常接近地层模型电导率,能较好地反映实际地层特征;对高电导地层,低电导水泥环有明显的测井响应;当径向存在多个地层界面时计算结果则为径向各层电导率的综合反映,不是某一径向层的电导率;算例显示该方法有较快（算例运行时间在1s内）的计算速度.     

过套管地层电阻率曲线环境影响校正方法研究

过套管电阻率测井是在金属套管井中测量地层电阻率的一种电法测井技术,其测量结果受套管、层厚/围岩、水泥环等井眼环境因素的影响,所以在进行过套管电阻率测井资料解释时必须进行测井环境影响因素校正.本文在论述过套管电阻率测井原理的基础上,针对大庆油田引进的俄罗斯过套管电阻率测井仪器ECOS,分别考察了层厚/围岩、水泥环对测量结果的响应规律,利用正演模拟方法研制完成了层厚/围岩影响校正图版以及水泥环影响校正图版.在计算机上实现了层厚/围岩、水泥环影响校正的算法,并利用模型算例和测井实例验证了本文方法的合理性.该方法能够减少水泥环的影响,提高层厚小于1.0 m薄层电阻率的测量精度,为过套管电阻率测井资料正确解释提供了保障.     

随钻声波测井固井质量评价理论与数值模拟研究

大斜度井、水平井的固井质量评价需求,推动了基于随钻测井仪器的固井质量评价技术的发展.本文基于弹性波传播理论,建立柱状分层介质的套管井随钻测井模型,模拟了不同水泥胶结情况的随钻声场响应,特别是其波形特征.结果表明,套管井中随钻与电缆波形特征最大的区别在于随钻波列中存在隔声衰减后的钻铤波.特别是当水泥胶结较好时,钻铤波与套管波幅度大小相近,甚至钻铤波幅度更大,而时间域上两者波形重叠,该特点使得常规电缆声波(声幅/变密度)固井质量评价方法不适用于随钻测井环境.本文考察了不同水泥胶结程度下随钻波列中套管波幅度和衰减与胶结指数的关系,形成一种同时利用幅度和衰减的随钻声波胶结指数计算方法,为随钻声波固井质量评价提供理论指导.     

用斜入射超声波评价水泥胶结质量的方法研究(英文)

超声波水泥胶结质量评价测井是目前较为广泛使用的固井质量评价方法。将传统的脉冲回波技术与超声波斜入射方法相结合,可以形成评价固井质量的新技术。本文使用有限差分方法模拟研究了超声波斜入射时所激发出的波形特征与水泥性质以及胶结状况之间的关系。通过对三种常用水泥的数值模拟,得到了AO模式和SO模式Lamb波在不同胶结水泥及胶结情况下的声衰减系数;通过对不同厚度胶结水泥的数值模拟,得到了次生AO模式Lamb波和AO模式Lamb波的到时差与水泥性质及厚度的关系,并理论推导了水泥层厚度与时间差之间的关系,且从有限差分时域波形中提取的时间差与由理论公式计算结果能够较好的吻合。因此利用AO模式Lamb波到时及衰减信息可以在一定程度上评价水泥胶结状况及水泥厚度。     

声电效应测井的有限差分模拟

本文研究声电效应测井波场的有限差分模拟算法.忽略井外地层中诱导电磁场对孔隙弹性波的影响,将求解动电耦合波方程组的问题解耦,先计算孔隙弹性波,再计算其诱导电磁场.基于轴对称柱坐标系下的速度-应力交错网格,采用时域有限差分计算井孔流体声波和井外地层孔隙弹性波.将电磁场近似看作似稳场,基于轴对称柱坐标系下的5点式有限差分网格,求解不同时刻的电位Poisson方程,计算诱导电场.结果表明:本文算法可准确模拟频率6.0 kHz的声电效应测井全波;在声波测井频率范围内,电导率、动电耦合系数和动态渗透率的低频近似对伴随电磁场的计算影响不大;地层水平界面导致伴随反射斯通利波的电场和显著的界面电磁波,后者对于探测地层界面具有潜在的应用价值.     

套管井声波全波列中地层波的幅度特性

套管井声全渡中的地层波可以检测固井第二界面的水泥胶结质量状况.地层波不仅受地层衰减、套管波干扰等因素影响,更主要受第二界面两侧的声阻抗差值的影响.为此,基于固体介质的声势函数和界面的边界条件,推导了固-固界面纵横波的反射系数和透射系数,以及第一临界角入射情况下反射系数和透射系数的近似公式,并且分析了透射系数与声阻抗之间的关系.数值计算结果发现,地层波幅度随第二界面两侧声阻抗差增大而减小,且这种关系是非线性的.基于临界入射的透射系数,对经过衰减校正和干扰校正的地层波进行声阻抗校正,消除地层声阻抗对地层波幅度影响.使用地层波幅度评价第二界面的水泥胶结状况,并在实际资料处理中见到了好的效果.     

基于相控圆弧阵的方位声波固井质量评价:数值模拟与现场测试（英文）

我们研制了一种基于相控圆弧阵声波辐射器的新型方位声波固井质量仪器(AABT),并结合数值模拟及现场测量实例对仪器进行了验证。研究了周向不同角宽的窜槽和窜槽尺寸固定但相控圆弧阵声波辐射器的辐射声束主瓣方向改变时对套管波的影响。数值模拟结果显示,套管波幅度最大的那一道波形所对应的圆弧阵子阵辐射脉冲主瓣方向恰好是条状窜槽的方位角位置。随着水泥窜槽的周向角宽的增大,周向不同辐射方位激励时产生的套管波幅度的差异更明显。对基于相控圆弧阵声波辐射器的AABT仪器在中国的北部和西部油田进行了现场测试,现场测量结果表明,AABT可以评价套管接箍的位置以及套管一水泥界面周向方位胶结质量,直观地显示窜槽大小、位置及方位;在套管一水泥界面胶结质量好的情况下,通过地层波幅度和速度成像,可以对水泥-地层界面的周向方位胶结质量进行评价。     

非轴对称套管井中声场的并行有限差分模拟

本文提出了一种用于模拟非轴对称套管井中扇区水泥胶结测井100 kHz 3维瞬态声场的并行算法.采用时域有限差分方法,以及非裂化的完全匹配层吸收边界条件,基于信息传递接口(MPI)并行环境,在计算机集群上实现并行计算.对内边界上的差分方程进行参数平均处理,提高了计算稳定性.通过在轴对称情况下将有限差分模拟结果与实轴积分法计算结果对比,验证了方法的正确性.使用并行有限差分算法,模拟了水泥环有不同大小和在不同方位缺失时非轴对称套管井中8扇区的扇区水泥胶结测井仪的测井波形,并分析了套管波幅度随水泥缺失-换能器夹角的变化.根据模拟和分析结果,得到了非轴对称套管井中新的声场传播规律,并建议了一种用于反演水泥缺失大小和方位的方法.     

过套管电阻率测井数值模拟研究

国内油气田的剩余油评价和动态监测需要过套管电阻率测井技术,开展过套管电阻率测井基础理论和方法研究非常必要.本文在全面论述过套管电阻率测井原理的基础上,首次提出修正的传输线方程法(MTLEM),并用之于过套管电阻率测井响应模拟计算;基于数值模拟方法,分析了过套管电阻率测井的影响因素(地层电阻率、水泥环和套管等),得到了规律性认识,并确定了不同地层条件下测量信号的大小,可以为国内过套管电阻率测井仪器研制以及实际资料的应用提供定量依据.     

CHFR测井原理及影响因素研究

应用电磁场理论及传输线模型可建立CHFR测井响应方程,应用传输线模型可研究CHFR测井的测量原理及其影响因素.研究表明中场区电场电位二阶导数稳定,电位二阶导数对地层电阻率变化敏感,在套管外仅存在径向分量,该区延伸范围大,通过测量测点中场区的电位二阶导数和电位可实现过套管地层电阻率的测量.测量频率、电极距、水泥环、套管非均质性等因素都对测井响应产生影响.