Page 140 - 《应用声学》2023年第3期
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价或许是解决该问题的一个技术方向，该技术声源
0 引言
的中心频率为200 ∼ 700 kHz，因此比扇区水泥胶结
固井的主要目的是建立水泥层间分隔，防止油 技术有更高的方位分辨能力。乔文孝等 [9] 采用物理
气层与其他层间出现油气水串通 [1] 。套管与水泥环 模拟和理论模拟的方法研究了利用超声脉冲法评
(第一界面) 或水泥环与地层 (第二界面) 中任何一 价第二界面固井质量问题，研究结果表明水泥环第
个界面水泥密封不好，都会导致水泥环层间分隔问 二界面的超声脉冲回波信号不明显。乔文孝等 [10]
题。因此准确地评价水泥环第一、第二界面固井质 还在实验室研究了利用直接耦合在套管内壁的超
量对油气开发尤为重要。目前的声波测井技术可以 声探头进行第二界面固井质量探测方法，在实验室
很好地解决水泥环第一界面固井质量评价问题，但 观测到了明显的水泥环第二界面的反射回波信号，
是如何定量评价水泥环第二界面固井质量一直是 但是贴套管内壁这种测量方式无法满足旋转扫描
声波测井界的难题。 测量条件，因此在机械设计上很难实现。套管内流
人们在定量评价水泥环第二界面固井质量方 体与套管的声阻抗差异悬殊，导致入射到套管内壁
面做过各种尝试。早期提出了利用变密度测井 的声波信号大部分被反射，从而接收到的第二界面
(Variable density logging, VDL) 资料定量评价水 反射回波信号幅度极低。如何使更多的声波能量入
泥环第二界面固井质量的方法。孙建孟等 [2] 提出了 射到套管内，是解决利用超声波进行水泥环第二界
对 VDL 波形中的地层波信号进行傅里叶变换，在 面固井质量探测的关键。
频域内计算地层波能量的方法。张宏兵等 [3] 采用数 声源信号的脉冲宽度对于入射到套管内的声
值模拟和刻度井实验结合的方法探索了 VDL 波形 波信号能量有较大的影响，且超声换能器的几何尺
评价第二界面固井质量的方法。苏远大等 [4] 结合地 寸对声场传播有一定影响。有限元法可以考虑许
层波能量和声波时差的指数关系提出了一种利用 多复杂物理模型，PZFlex是专门针对压电换能器设
VDL 资料进行水泥环第二界面固井质量评价的胶 计和超声波传播问题开发的时域有限元分析软件，
结指数方法。王卫等 [5] 构建了VDL 资料中直达波、 广泛用于无损检测及医疗超声等工业应用和学术
地层波及套管波的能量谱，提出评价水泥环第二界 研究的许多领域 [11] 。本文采用 PZFlex有限元软件
面固井质量的计算公式。以上采用的声波变密度测 模拟了不同脉冲宽度的声源信号在套管井多层介
量技术的声源中心频率约为 20 kHz，因此利用该技 质中的声波传播规律，研究了影响第二界面反射回
术评价第二界面固井质量无方位分辨率。 波信号幅度的因素，并制作了实验样品进行了实验
后来人们提出了利用扇区水泥胶结测井资料 验证。
评价第二界面固井质量的方法。陈雪莲等 [6] 采用三
维有限差分方法理论模拟了贴井壁声波测井仪器 1 超声波换能器在多层介质的有限元模型
在套管井中声场激发特征和传播规律，为利用扇区
图1为超声波在套管井柱状多层介质中的二维
水泥胶结测井评价水泥环第二界面固井质量提供
有限元分析模型，从内到外依次为井眼流体、套管、
了理论基础。牛德成等 [7] 研究了扇区水泥胶结测
水泥环及地层。由于换能器的尺寸对超声脉冲反射
井仪水泥环第二界面反射回波与第二界面胶结扇
回波的信号强度有影响，因此对换能器尺寸进行了
区大小的关系，并对第二界面胶结扇区分辨率、水
优化选择，取换能器长度为 L = 12 mm，换能器表
泥环厚度及地层条件进行了深入研究。钱玉萍等 [8]
面与套管内壁的距离为 D = 48 mm，套管的半径为
采用了反褶积算法对扇区水泥胶结测井仪的第二
R = 80 mm。每层介质的声学参数见表1。
界面回波进行反演，获取了水泥环第二界面固井质
采 用 的 声 源 脉 冲 中 心 频 率 f 0 为 350 kHz，
量成像曲线，为该技术的实际应用提供了指导。扇
−6 dB 相对带宽可调的高斯调制正弦波 [12] ，声
区水泥胶结测井仪声源的中心频率为 70 kHz 左右，
源信号的表达式如式 (1) 所示，其中 k 的表达式如
因此该技术的方位分辨率优于传统的变密度测量
式 (2)所示：
方法。
2
利用超声波进行水泥环第二界面固井质量评 S(t) = Ae −k(t−t 0 ) cos(2πf 0 (t − t 0 )), (1)
