Page 127 - 《应用声学》2024年第6期

第 43 卷 第 6 期 李萌等： 套管井超声弯曲波测井逆时偏移数值实验研究 1303

The proposed method is illustrated to hold the potential to reveal the cement absence both at casing-cement
interface and cement-formation interface. Finally, it requires to employ various migration velocity models to
determine the position and structural geology of the cement-formation interface since effective velocity analysis
approaches are scare.
Keywords: Acoustic logging; Cased well; Reverse time migration; Cement bond evaluation
不同水泥胶结质量与 TIE 反射波幅度的关系，揭示
0 引言
了采用 TIE 反射波幅度特征评价 II 界面胶结质量
的潜力。Duan 等 [19] 分析了 TIE 反射波与 A0 模式
固井质量定量评价是油气与地热资源开采、储
波之间的时差与水泥层厚度的关系，探讨了采用
气库建设和二氧化碳地质埋存等领域必不可少的
重要环节 [1−3] 。套管外环空介质的成像可以定量 TIE与A0到时差估算水泥环空介质厚度的可行性。
评价套管-水泥界面(I界面)和水泥-地层界面(II界 杨旭辉等 [20] 研究了 TIE 反射波的衰减率与不同种
面) 的胶结质量，从而估算水泥环空介质的厚度，判 类水泥胶结质量的关系，其变化规律比较复杂，指出
断井筒的完整性，实现油、气、水层的封隔，防止层 仅使用 TIE 的衰减率无法准确评价 II 界面的水泥
间流体和可燃气体的窜槽，对射孔层位的准确确定、 胶结质量。胡文祥等 [21] 基于中海油田服务股份有
提高油气井开采效率和使用寿命、保障生态环境和 限公司研制的超声兰姆波成像测井仪 (Ultrasonic
开采安全具有重要意义 [4−6] 。 corrosion and cement bonding scanner, UCCS)，分
声幅 -变密度测井是固井质量评价测井的基本 析了 TIE 反射波包络的衰减与水泥材料的关系，结
方法，这种方法能够定性或半定量评价 I 界面和 II 合脉冲回波测井的阻抗反演结果，给出了环空介质
界面的胶结质量，但是无法识别局部水泥缺失，评 空间的水力联通图像，为有效识别“窜槽” 提供技术
价标准受套管尺寸、仪器偏心、水泥厚度和泥浆性 支撑。Sirevaag 等 [22] 基于物理模型实验，通过拾取
质等因素影响较大 [7−8] 。超声脉冲回波测井采用套 TIE反射波与A0模式波之间的到时差，结合套管和
管厚度共振模式的超声声源沿套管法向入射并进 环空介质的速度信息，估算了水泥环空介质的厚度。
行旋转测量，在套管中激发一阶对称Lamb波，通过 然而，受套管厚度、声源频率、入射角、仪器倾
反射回波的衰减计算套管厚度和套后环空介质的 斜、仪器与套管偏心等因素的影响，TIE 反射波往
阻抗。该方法具有较高的周向和垂向分辨率，但是 往在时域与套管反射波和 A0 模式波混叠且难以分
难以适用于轻质水泥的胶结质量评价 [9−10] 。超声 离。其次，当环空介质 -地层界面不规则时，TIE 不
弯曲波测井基于单发 -双收测量声系 (图1(a))，采用 再为镜面反射，其波长与界面粗糙程度处在相同量
特定的入射角向井壁激发声场，在套管中激发沿着 级，加重了散射现象，降低了 TIE 的幅度。此外，套
井轴方向传播的零阶反对称模式 Lamb 波(A0 模式 管与水泥、地层界面的多次波使得超声弯曲波测井
波)。图 1 所示的 I 界面和 II 界面分别为套管 -水泥 的波场传播特征较为复杂，TIE 的到时往往无法准
界面和水泥 -地层界面。在声学领域也将 II 界面称 确拾取，在复杂测量环境中难以通过 TIE 的到时计
为第三声学反射界面。A0 首波衰减与超声脉冲回 算地层界面的准确位置。这些因素使得基于TIE走
波计算的套后介质声阻抗交会分析可以有效地识 时信息的方法无法对 II 界面的构造形态进行精确
别固-液-气三相介质 [11−14] 。A0模式波在传播过程 成像，难以定量评价复杂井孔环境中的 II 界面胶结
中部分能量泄露到环空介质并被地层界面反射回 质量。
井内，形成携带环空介质 -地层界面信息的第三声 Wang 等 [23] 借鉴勘探地震学中的逆时偏移
学界面反射回波(Third interface echo, TIE)。分析 (Reverse time migration, RTM) 方法，综合使用
TIE 反射波的初至、频散和幅度特征可估算水泥环 TIE反射波的运动学和动力学特征对其进行偏移归
空介质的厚度和套管偏心量，为II 界面胶结质量的 位，基于三维合成数据证明了该方法能够对环空介
定量评价奠定基础 [15−17] 。 质 -地层界面的构造形态进行高精度成像 (图 1(b))，
基于 TIE 反射波特征定量评价套管井 II 界面 在水泥环空介质厚度的估算、判断局部水泥缺失
的胶结质量是当前测井学术界和工业界的研究难 和定位水泥返高面等领域具有应用价值。随后，Li
点。He 等 [18] 基于有限差分数值模拟分析了II界面 等 [24] 基于中海油服等比例物理实验刻度井数据验