Page 25 - 《应用声学》2020年第1期

第 39 卷 第 1 期 胡文祥等： 套管井超声导波成像系统开发与工程应用研究 21

这种波模式实际上与所谓 S 1 零群速度兰姆波模式
0 引言
(S 1 -ZGV共振)相关 [3−5] 。
但上述超声脉冲回波测井技术亦有明显不足，
油气井岩壁与井内钢套管之间的环形空间通
如对与钢管接触的管外材料的切向耦合不敏感。因
常灌注不同类型水泥进行井壁保护和不同深度岩
此，对管外胶结良好的轻质水泥与无水泥时的液体
石层之间的封隔。该结构中，套管锈蚀等损伤以及
二者无法区分。此外，该技术亦无法检测水泥 -岩石
管外水泥胶结质量问题会对油气井的生产产生明
界面 (俗称二界面)，当然也无法判断环形空间内的
显影响。比如，环形空间由于水泥灌注缺陷会导致
材料性质，以及井眼结构等几何信息。
油气井不同深度水层与油气层之间的串漏，产生严
近年来的研究显示，针对上述检测方法的不足，
重问题。因此，进行套管井检测，以获取套管损伤及
可以进一步利用钢套管兰姆波的其他模式来实施
水泥胶结缺陷信息是十分重要的工作。
套管井的超声检测。最低阶反对称 A 0 模式是一种
声波测井技术是目前进行套管井检测的最主
很好的可以补偿上述不足的检测手段 [6−7] 。由于管
要甚至唯一的手段。传统的检测方法是所谓水泥胶
内外介质的低声速，套管A 0 模传播时会产生向管内
结测井(Cement bonding logging, CBL)。通过井轴
外介质的声能泄漏，所谓泄漏 A 0 模式 (或泄漏弯曲
上液体中 20 kHz 左右低频的对称单极子声源激发
波模式)。一方面可利用泄漏 A 0 模式对管外介质的
和不同深度位置接收获得的声信号，来了解和分析
切向耦合敏感来区分轻质水泥和液体；另一方面通
钢套管与井壁岩石之间的水泥胶结信息。其中主要
过检测管外泄漏 A 0 模式的转换波在井壁的反射来
信息是由钢套管管壁内传播模式 (俗称套管波) 的
检测和成像井孔几何形状以及套管在井中位置图
幅度与衰减。该信息对钢管外材料的特性阻抗是敏
像。最重要的性质是，由于A 0 模式传播时的泄漏衰
感的。因此，管外为良好的固体水泥粘结时幅度显
减与管外耦合材料特性紧密相关，因此通过其衰减
著减小，而水泥缺失为液体时，则有明显的幅度，这
的测量，可实现对管外材料性质的有效定征。
实际上是管外材料的一种阻尼作用。通常认为这种
上述不同检测方法都利用了钢套管内的导波
管壁内的波模式为最低阶的兰姆波对称模式S 0 。
模式，它们用于钢套管锈蚀及管外介质的检测与成
传统的 CBL 测井通常用于定性判断水泥胶结
像各有其优缺点。因此，如果组合使用这几种检测
质量。近 20年来由于生产需求，进行了一些研究来
方式，将可以有效利用它们所有的长处，克服各自的
探讨定量应用的可能 [1−2] 。但很显然，CBL 测井技
不足。具体的工程实施方式，可以脉冲回波井周扫
术的确存在明显的不足：如无法获得水泥胶结缺陷
描系统为基础，增加一组斜入射的泄漏A 0 模式收发
的方位信息，无法有效进行轻质水泥情形评价，测量
探头实现组合扫描成像；同时可以集成传统的CBL
结果明显受井内测量声探头的偏心影响，快速地层
测试方式，实现综合检测分析。本项研究是在多年
时无法有效评价等。
前本课题组所开发的套管井多功能超声成像系统
超声脉冲回波测井技术是 20 世纪 90 年代后
基础上的一种全新改造与功能升级。
期以来开始应用的套管井检测技术。该技术采
本文将主要阐述 A 0 模式特点，其衰减的测量，
用沿井周向旋转扫描的宽带自发自收超声探头
结合脉冲回波测量进行导波检测与成像系统的开
垂直于套管壁发射和接收宽带超声脉冲。由于井
发与综合应用。
液 -钢管显著的阻抗失配，只能通过激发钢管的
厚度共振模式来实现对钢管的透射。通过采用约
1 负载钢板A 0 模式的基本特性
200 kHz ∼ 700 kHz 范围的宽带超声脉冲来覆盖较
大的套管厚度范围。通过该检测技术可以获得管 由于钢套管内径较大，在较高的超声频段 (比
外介质的声阻抗图像，判断管外介质性质。该方法 如大于 100 kHz) 时，沿管内壁纵向斜入射的超声
对管外水泥胶结缺陷有很好的周向分辨率。该检 脉冲，可近似看成与平面钢板的作用。由此理论计
测技术还可以较为有效地检测套管的厚度，对套管 算其相速度与衰减，相关理论分析与计算方法作者
壁的腐蚀与锈蚀进行成像，是一种有效的套管井超 已在其他文章讨论 [7−9] ，不在此一一列出。图 1 分
声成像技术。近年来的研究显示，所激发的套管的 别为板两侧均为液体时 A 0 与S 0 模式的相速度与群