Page 149 - 《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 145

10 倍显示，可以看到随着入射角度的变化，能够测
30°
量到套管中不同模式的 Lamb 波。图 5显示了入射
角度分别是10 、20 和30 时，处理接收波列得到的
◦
◦
◦
20°
К࠱ᝈए/(°) 15° 频率-速度相关图。在10 入射时相关图中的主要模
◦
式是 A1 模式，与解析解得到的 A1 模式的频散曲线
◦
◦
5° ×10 (图5中的实线)吻合，在20 和30 入射时激发的主
要模式分别是 S0 和A0 模式，与解析解得到的 S0 和
0° ×10
A0模式的频散曲线吻合；在入射角度较大，例如30 ◦
0 50 100 150 200 时，激发的模式波种类相对较少，只有 A0 (弯曲型
t/µs
Lamb 波) 模式，这为利用弯曲型 Lamb 波的测量和
图 4 不同角度下接收的原始波形 应用提供了方便。实验测量和数值计算结果均验证
Fig. 4 The original waveform received at different angles 了图 2 的结论，即通过调整换能器的中心频率和入
射角度，可以获得较为单纯的 Lamb波模式，尤其是
9000
A0模式波。
8000 A1
ᤴए/(mSs -1 ) 6000 S0 3 入射角微调对测量弯曲型Lamb波衰减
7000
的影响分析
5000
4000
根据公式 (1) 可以准确计算出有效激发和接收
3000 A0
弯曲型 Lamb波的角度，但在实际测井中，井内泥浆
2000
100 150 200 250 300 350 的密度变化以及在套管厚度的改变都会导致 Lamb
ᮠဋ/kHz
波的最有效激发条件不能实时满足，因此有必要了
(a) К࠱ᝈ10°
6000 解在入射角偏离有效激发角度时，Lamb 波的衰减
5500 变化规律。图6(a) 是实验测量不同入射角度下激发
5000 S0 Lamb波，改变接收角度记录的泄漏Lamb波幅度的
ᤴए/(mSs -1 ) 4500 变化曲线。可以看出相同入射角度下，接收角度在

4000
低于 33 时，幅度随接收角度的增加而增大；大于
◦
3500
3000 A0 33 时，泄漏Lamb波的幅度随接收角度的增加而减
◦
2500
小；且固定接收角度时，入射角度为 33 时声波幅度
◦
2000
100 150 200 250 300 350 也具有高值的响应。因此，入射和接收角度均为33 ◦
ᮠဋ/kHz
下的 Lamb 波幅度最大，易于测量。图 6(b) 是超声
(b) К࠱ᝈ20°
6000 波不同角度入射时，探头接收到的泄漏 Lamb 波波
5500 S0 形主频值的变化曲线，相同入射角度下，频率具有
ᤴए/(mSs -1 ) 4500 随接收角度的增加而减小的规律，且入射和接收角
5000
度均为 33 时测量的波形，其频率为 250 kHz 左右。
◦
4000
3500
◦
◦
◦
◦
3000 A0 图 7 是入射和接收角度分别为 28 、30 、33 、35 和
◦
2500 38 情况下探头接收的全波波形对比 (相邻角度下
2000 分别滞后 500 点显示)，可以清楚地看到 33 下的波
◦
50 100 150 200 250 300 350 形具有最大的幅度值，且入射角度越大波形中的尾
ᮠဋ/kHz
(c) К࠱ᝈ30° 波幅度越小，波形成分也越来越少。
图 5 实验测量波列的频率 -速度相关图 图 8 是实验和理论模拟的 4 个套管厚度下在入
◦
◦
Fig. 5 The frequency-velocity coherence graphs 射角从 30 ∼ 35 改变时记录的衰减值变化，实验测
from measured waveforms with 3 incident angles 量和理论模拟均显示随着角度的增加，Lamb 波的