Page 7 - 《应用声学》2020年第1期
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第 39 卷 第 1 期                    陈雪莲等： 套管中模式波的响应特征                                             3


                                                               和 SV 波在套管内外界面反射叠加形成的，但是反
             0 引言
                                                               对称 Lamb 波速度接近套管材质的横波速度，因此
                 固井质量评价方法自水泥胶结测井技术问世                           在套后的常规水泥中仅能激发水泥横波，在低密
                                                               度水泥可泄漏纵波和横波，此现象使得套管后耦合
             以来，经历了半个世纪的发展。目前，声波测井是
                                                               低密度水泥时的泄漏 Lamb 波衰减较大，很容易与
             评价套环井水泥胶结质量的唯一可靠方法。声幅测
             井 (Cement bonding logging, CBL) 和声波变密度            声阻抗接近的泥浆相区分，但也会导致常规水泥中
             测井 (Variable density logging, VDL) 是固井质量          泄漏 Lamb波的衰减可能与自由套管下的衰减值相
                                                               当，此时需要借助超声反射，也即垂直入射模式区分
             评价的必测项目        [1] ，但 CBL/VDL 不能显示水泥环
                                                               套管后的常规水泥或泥浆。探头辐射的声束垂直入
             环向胶结缺陷，且纵向分辨率低，后来发展了扇区水
                                                               射到套管内壁时主要在套管中激发高阶对称 Lamb
             泥胶结测井 (原阿特拉斯的 SBT，Segmented bond
             tool)、康普乐的 SBT    [2−3]  和水泥声阻抗类测井 (利             波，通常称为套管共振波。
             用声脉冲垂直入射激发的套管共振回波推算与套                                 目前常用的以上测井仪器基本涵盖了 0 ∼
                                                               500 kHz 频段套管中可存在的轴向传播模式，本
             管外壁相接触的介质的声阻抗，例如脉冲回波测井
                                                               文通过理论计算、实验以及数值仿真等手段分析了
             PET、超声井周扫描测井 CAST、超声成像测井USI
                                                               这些模式波的激发方式和衰减特征，并进一步分析
             等)，实现了水泥环环向和纵向的高分辨率探测，且
                                                               了微环存在时这些模式波的响应差异。
             对水泥环微间隙不敏感。水泥声阻抗类测井虽然分
             辨率高，由于套管与其周围其他介质之间的高声阻
                                                               1 套管中模式波的激发特征
             抗反差，绝大部分声波能量被反射回到套管内的井
             液中，因此很难探测第二界面胶结状况和水泥环内                                类似在圆管的套管中传播的模式波，其传播特

             部可能存在的孔道。原美国阿特拉斯公司的扇区水                            征与平板中的 Lamb 波有对应关系。在套管厚度远
             泥胶结测井仪 SBT 利用推靠臂把 6 个贴壁板推靠                        小于直径，且波长小于或与套管厚度相当时，套管
             到套管内壁上，采用了补偿式的衰减测量得到套管                            可近似作为展开的平板            [16] 。在油气田开发井中所
             井环向 6 个方位上的衰减率，实现了水泥环第一界                          使用的套管厚度均远小于其直径，本文讨论的声波
             面方位胶结评价        [4−5] ，此仪器在套管中激发拉伸波，               测井方法所使用的频率均在80 kHz 以上，满足将套
             等同于平板中的零阶对称Lamb波               [6] ，Lamb波是套       管近似成平板的条件，用板中的 Lamb 波分析套管
             管中 P 波 (纵波) 和 SV 波 (垂直偏振的横波) 在自由                  中各模式波的传播特征可大大简化计算过程。在水
             边界上的多次反射叠加形成，由于对称 Lamb 波速                         泥胶结评价中主要应用的模式是零阶对称Lamb波
             度较高，泄漏到水泥环中的声波既有纵波也有横波，                           S0模式、一阶对称Lamb波S1模式以及零阶反对称
             此波在水泥和地层界面发生反射，反射波携带了水                            Lamb波A0模式。图1显示了10.36 mm板中S0、S1
             泥环第二界面的胶结状况，这给评价水泥环第二界                            以及 A0 模式的激发示意图           [9] ，纵轴是波束入射到
             面的方位胶结状况带来了希望。                                    套管内壁的入射角，横轴是波的频率。图2是各模式
                 油田固井时针对低压易漏失地层，一般采用低                          的相速度和群速度曲线。IBC仪器采用了定向发射
             密度水泥浆固井技术，由于低密度水泥比常规水                             和接收技术在套管中主要激发准 A0 和准 S1 模式，
             泥与套管的声耦合差，以上介绍的声波探测技术不                            其工作方式很好地诠释了图1 显示的模式波的激发
             能将井液与低密度水泥有效区分                 [7−8] 。近年斯伦        特点。
             贝谢公司又推出了水泥环封隔成像测井 (Imaging                            斯伦贝谢的IBC仪器，联合弯曲型Lamb波(准
             behind casing, IBC)。它的斜入射模式在套管中激                  A0 模式) 和套管共振波 (准 S1 模式) 实现了对套管
             发弯曲波，也称为泄漏 Lamb 波，利用其衰减可有                         外介质的声阻抗反演，此仪器采用了定向发射和接
             效地改善低密度水泥胶结质量的评价效果，国内                             收技术，有两种工作方式，其一是发射换能器辐射
             外很多学者对此方法展开了研究               [9−16] 。泄漏Lamb       的声束以 33 角斜入射到套管内壁，在套管中激发
                                                                          ◦
             波也被称为弯曲型 Lamb 波，与平板中的零阶反对                         弯曲型 Lamb 波，通过两个接收器接收的泄漏波幅
             称 Lamb 波类似，反对称 Lamb 波也是套管中 P 波                    度计算其衰减；另一个测量方式是换能器自发自收，
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