Page 147 - 《应用声学》2020年第1期

第 39 卷 第 1 期 李疾翎等： 有效测量套管井泄漏 Lamb 波衰减的实验研究 143

波在全波中相对幅度的情况。由激发强度变化曲线
0 引言 可知，A0 弯曲型 Lamb 波的激发强度随频率的升高

而减小，在 0 ∼ 200 kHz 频率范围内激发强度较大；
随着科学技术的发展和油气勘探开发的需要，
而S0、S1 模式波在 200 kHz ∼ 300 kHz 范围内具有
低密度水泥的应用越来越广泛。使用低密度水泥可
较高的激发强度，但由于 S1 模式的传播衰减较大，
以在薄弱地层和长井段固井时降低注水泥过程中
在实验中一般很难观测。
的井底压力，便于水泥浆泵送，防止水泥浆漏失和
储层污染。由于低密度水泥的声阻抗较低，使得现 8000 A1
S1
有的水泥声阻抗类测井方法很难区分套管外介质
是井液还是低密度水泥。大量的研究表明，套管中 v/(mSs -1 ) 6000 S0
的弯曲型 Lamb波对多层介质中声学参数和胶结特 4000
性敏感，是探测介质弹性参数和缺陷的有效手段 [1] 。 A0
2000
斯伦贝谢研制的 Isolation Scanner 测井仪 [2] 将声
阻抗测量与弯曲型 Lamb波衰减测量两种方式相结 0
100 200 300 400 500
合，改善了低密度水泥的固井质量评价效果，解决了 f/kHz
声阻抗类测井方法无法区分阻抗相近的固体和液 (a) 仁ᮓᴢ㓯
体这一难题，一次下井就可以进行全面的水泥环封 200
隔评价 [3] 。斯伦贝谢道尔研究中心的 Froelich [4] 对 S1
弯曲型 Lamb 波的频散和衰减特征已经展开了大量 150
的理论研究，本文通过实验测量的方式进一步验证 㺠߿/(dBSm -1 ) 100
了 Lamb 波的弯曲模式波的有效激发方式，并探讨
A0
了在激发弯曲型 Lamb 波时，声波的入射和接收角 50
度对弯曲型Lamb波的衰减测量的影响。 S0 A1
0
100 200 300 400 500
1 理论分析Lamb波的有效激发方式 f/kHz
(b) 㺠߿ᴢ㓯
在 100 kHz 以上的高频声波测井中，超声脉冲 0.03
辐射在套管上的区域很小，因此可以将套管的曲率 A0
忽略不计，而将套管模型简化为平板模型 [5] 。图1即 0.02

为厚度 10 mm 浸水钢板 (平板模型) 中可激发的模 ༏ԧूए S1
式波 (导波) 频散、衰减与激发强度曲线。由图 1(a)
0.01
的频散曲线可知，在 0 ∼ 300 kHz 频率范围内存在
两个对称模式波和两个反对称模式波，对称模式表 S0 A1
0
示为 S0 和 S1，即 0 阶模式波和 1 阶模式波，而反对 0 100 200 300 400 500
f/kHz
称模式表示是 A0 和 A1，有时也称为弯曲型 Lamb
(c) ༏ԧूए
波。本文研究的泄漏 Lamb 波为 A0 反对称模式波，
图 1 浸水薄板中模式波的频散和衰减特征
图 1(a) 中实线表示相速度，虚线表示群速度，可知
Fig. 1 Dispersion and attenuation characteristics
泄漏弯曲型Lamb波的群速度在100 kHz ∼ 500 kHz
of mode waves in immersed sheets
的频率段保持不变，因此可以从弯曲型 Lamb 波波
包中准确地提取声波衰减值。图1(b)与图1(c) 即为 由图 1 可知在 0 ∼ 500 kHz 套管中可存在的模
不同频段下各模式波衰减与激发强度的变化 [6] ，衰 式波个数比较多，且在弯曲型 Lamb 波群速度较为
减曲线和激发强度的计算方法见参考文献 [6]，这里 稳定的频段，其激发强度也相对较弱。因此，如何有
不再赘述。分析两曲线即可研究不同频段内各模式 效地激发和测量弯曲型Lamb 波是利用其评价水泥