Page 111 - 《应用声学》2021年第5期
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第 40 卷 第 5 期 季运佳等： 钻具遇卡声波检测理论与实验研究 755
基于前人的一系列研究，本文拟借鉴固井质量
0 引言 评价中的声波检测方法，使用单发双收声系记录到
的钻铤波响应特征来检测钻具遇卡事故。首先使用
石油钻井过程中，由于复杂的地质构造和不可
有限差分方法模拟了钻具外为流体和泥沙介质时
预见的因素、钻井液性能与井内情况的不吻合及其
接收到的钻铤波，随后开展了实验，结合理论与实际
滞后性，以及措施不当、检査不严、操作不慎等各种
数据分析结果，证实了使用声波检测技术进行卡钻
原因都有可能造成钻具陷入泥浆或泥沙中从而不
检测的有效性。
能在井内自由活动，这种现象称之为卡钻 [1−2] 。卡
钻事故发生后，需要确定卡点位置，目前工程卡点测 1 理论模拟
量方式通常采用注磁式和扭矩式。但注磁方式受低
温影响大，有时不能准确确定卡点位置；而扭矩式操 钻具在井孔中的模型是柱面径向分层的物理
作繁琐复杂、施工时间长，同时还极易受到井内管 结构，考虑到模型的对称性，图1 仅给出了该模型的
具长度的影响。 二维示意图，从左到右的 4层介质分别表示流体、钻
声波检测技术是解决卡钻定量评价难题的潜 具、流体或泥沙、地层。图1(a)和图1(b)分别表示钻
在可行手段。在固井质量评价中利用套管波响应特 具自由状态和遇卡状态模型，其区别在于钻具与地
征评价套管与水泥环之间的粘接状况以及探测套 层的环向空间中充填的是流体还是泥沙。采用单发
后介质属性，已经有非常成熟的应用 [3−6] 。实际情 双收声系，依照固井质量检测声波仪器，两个接收器
况下，钻具在井孔中的模型与套管井模型非常相似， 的源距分别设定为91.44 cm和152.4 cm。钻具外径
它们都是柱面径向分层的物理模型，由里到外均为 为 127 mm, 内径为 100 mm，井径为 244.5 mm。流
泥浆、钢管、固体或液体、地层，且钻具和套管尺寸较 体假设为理想流体，钻具、泥沙、地层均被看作弹性
为接近；待测的对象都是钻具或套管外介质，需要识 固体。
别介质的属性；声波仪器都可放置在最内层泥浆之
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中。根据上述的几点共同之处，本文考虑将固井质
量声波检测方法应用到钻具卡钻检测之中。
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关于以上柱状分层模型的理论研究已相对较
为完善，Tubman 等 [7] 早在 1984年就研究了套管井
中接收的全波信号，随后又研究了套管外固结质量 ᨛᨿฉ ᨛᨿฉ
较差时的井孔声场 [8] ；Zhang 等 [9] 研究了固井水泥 3ft R 3ft R
层内外界面固结不好时的泄漏模式和首波；进一步
地，Wang等 [10] 研究了固结水泥厚度对井孔声场的 5ft R 5ft R
影响；Jiang 等 [11] 探究了不同水泥胶结情况下的随
钻固井质量评价。
(a) ᨛЦᒭႀ࿄গ (b) ᨛЦ᥅ӵ࿄গ
钻铤波是在钻具中传播的导波，也是仪器接收
图 1 钻具置于井孔内的径向分层模型二维示意图
到的首波。钻铤波的幅度和衰减等响应特征是评价
Fig. 1 A 2D schematic diagram of the drill collar
钻具外介质属性的重要评判参数。杨玉峰等 [12] 研
in the borehole
究了钻铤完好和截断情况下接收到的钻铤波；Wang
等 [13] 研究了钻铤自身性质对钻铤波速度频散的影 针对该模型，本文采用柱坐标系下的二维
响，发现钻铤横波速度对频散影响较大；He等 [14] 将 时域有限差分方法 (Finite difference time-domain,
钻铤波分为直接钻铤波和间接钻铤波，并通过波场 FDTD) 进行模拟仿真并在计算区域外设置了完全
分离单独研究了各自的传播特性；Zheng 等 [15] 通 匹配层 (Perfectly matched layer, PML) [16] ，用以
过解析方法单独研究了钻铤波的频散和激发特性， 吸收传到边界处的声波，从而可模拟模型无穷大
发现地层性质不影响钻铤波速度频散但会影响其 的状态。声源为点源激发，源函数采用余弦包络
激发强度。 脉冲，具体表达式见文献 [17]。有限差分计算区
