一种用于评价套管井二界面水泥胶结质量的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种声波测井技术，尤其涉及一种用于评价套管井二界面（水泥 和地层界面）水泥胶结质量的装置。
【背景技术】
[0002] 套管井中水泥胶结质量的检测和评价对于油井工程和油田开发具有重要的意义， 主要包括一界面（套管和水泥界面）以及二界面的胶结状况评价。最早的CBL/VDL水泥胶 结测井是固井质量检测中常用的检测方法。其中，CBL可以用于定量判断一界面的水泥胶 结质量；VDL可用于定性判断二界面的水泥胶结质量。但是，两种技术都只是测量水泥环周 向一定纵向距离内的平均胶结质量，无法反映环向上水泥的不均匀分布，即无方位分辨率， 且纵向分辨率较低。
[0003] 扇区测量技术和超声脉冲技术弥补了无法对一界面的胶结质量进行周向检测的 缺陷。扇区测量技术包括两类：一类是声源居中发射，接收器分扇区分别接收的方式；第二 类是将发射和接收都紧贴套管内壁，进行扇区衰减测量的方式。超声脉冲发射类仪器可以 根据测量套管谐振波的方式辨别与套管外壁接触物质的声学特性，可用于在周向和纵向上 对一界面的水泥胶结质量进行评价。此外，常规脉冲和挠曲波成像技术的结合，可以对套管 外环空间进行三维成像，确定测量方位上套管外物质的形态，从而生成固-液-气固井质量 评价的成果图。但由于采集信号受到多种因素的影响，目前在国内外现场应用实例中，未见 该技术在二界面水泥胶结质量评价中的应用。
[0004] 目前应用的固井质量检测方法和技术多数只适合对一界面的胶结质量进行评价， 对二界面固井质量的检测还存在一定的困难。因此，亟需一种针对二界面胶结质量的检测 装置，简单方便的实现固井二界面胶结质量的检测。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提出一种利用超声波在套管井中激发 周向模式，从而检测套管井中水泥和地层界面的胶结质量的装置。
[0006] 为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于评价套管井二界面水泥胶结质量的 装置，该装置包括：
[0007] 超声波发射装置、超声波接收装置和控制系统；
[0008] 超声波发射装置和超声波接收装置位于测量短节，测量短节与控制系统相连；
[0009] 控制系统包括存储模块和上传模块，用于回波信号的存储及传输，以及，控制超声 波发射装置和超声波接收装置的旋转；
[0010] 超声波发射装置以入射角向套管井内壁发射超声波，超声波在套管井中激励 周向模式，套管井中各层介质反射超声波形成反射波，其中，入射角Θ i是超声波发射装置 的辐射面中轴线与套管井内壁的交点处，中轴线与法线的夹角；
[0011] 超声波接收装置接收回波信号，并将回波信号发送至存储模块进行存储，上传模 块将回波上传至处理系统，处理系统将回波信号与自由套管方式下接收的回波信号进行对 比处理，得到套管井中回波信号形成位置对应的水泥胶结质量。
[0012] 优选地，超声波接收装置位于交点与反射点之间。
[0013] 优选地，反射点位于自交点以反射角Θ ^发出的反射波与套管井内壁的交点。
[0014] 优选地，超声波发射装置包括发射换能器和发射声系。
[0015] 优选地，超声波接收装置包括接收换能器和接收声系。
[0016] 优选地，自由套管是水泥层完全是流体的套管井。
[0017] 优选地，用于评价套管井二界面水泥胶结质量的装置还包括耦合块，用于超声波 发射装置和超声波接收装置与套管井内壁更好的接触。
[0018] 优选地，用于评价套管井二界面水泥胶结质量的装置还包括保护短节，用于保护 所述测量短节。
[0019] 本实用新型实施例实现了一种用于评价套管井二界面水泥胶结质量的装置，采用 激励套管井中产生的最低阶周向模式的方式检测固井水泥界面的胶结质量，将超声波发射 装置与超声波接收装置水平周向间隔布置在套管井中，增大了回波信号包含的信息量。通 过放置一组或多组超声波发射装置和超声波接收装置，或者利用控制系统对超声波发射装 置与超声波接收装置进行旋转，产生的回波信号包含了套管井整体性结构信息，配合回波 信号数据的处理，可以对固井水泥在不同界面上的胶结情况进行有效检测。
【附图说明】
[0020] 图1为本实用新型实施例提供的一种用于评价套管井二界面水泥胶结质量的装 置示意图；
[0021] 图2为本实用新型实施例提供的超声波发射装置与超声波接收装置工作原理示 意图；
[0022] 图3为本实用新型实施例提供的周向模式频散曲线示意图；
[0023] 图4为本实用新型实施例提供的套管井中不同水泥胶结状态的示意图；
[0024] 图5为本实用新型实施例提供的不同胶结状态下的测量波形示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细、清楚、完整的说明，附图中， 显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实 用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其 它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0026] -种用于评价套管井二界面水泥胶结质量的装置示意图。如图1所示，该装置包 括：超声波发射装置、超声波接收装置和控制系统。
[0027] 超声波发射装置101包括发射换能器和发射声系，超声波接收装置102包括接收 换能器和接收声系，超声波发射装置101和超声波接收装置102位于测量短节103上并与 控制系统104相连接；
[0028] 控制系统104可对超声波发射装置101和超声波接收装置102进行旋转控制，调 节其在套管井中的相对位置。此外，控制系统104中还包含存储模块和上传模块，用于临时 存储数据量较大的回波信号，存储的信号经电缆105最终传输到处理系统106进行后续处 理。
[0029] 保护短节107,位于测量短节103前方，主要用于保护测量短节在工作过程中不会 受到套管井中前方异物的损伤。
[0030] 测量装置在套管井中工作时，其周围的介质由内向外一般由流体108、套管109、 水泥110和地层111构成。
[0031] 具体地，将超声波发射装置101与超声波接收装置102设为周向间隔布置，水平放 入套管井中。在一个例子中，在套管井中的一个点激励超声波（超声波发射装置101所在 位置），超声波接收装置102和激励源具有一段距离，则超声波接收装置接收到的回波信号 就包含了有关超声波发射装置与超声波接收装置两点之间结构整体性的信息，可一次性检 测套管井的一个面，大大提高了检测效率。
[0032] 在一个例子中，控制系统104可以控制超声波发射装置101和超声波接收装置102 在套管井中的角度方位，从而达到对套管井〇到360度的范围内的周向胶结情况进行检测 的目的。超声波发射装置101以入射角向套管井内壁发射超声波，超声波在套管井中 激励周向模式，套管井中各层介质反射超声波形成反射波，其中，入射角Θ i是超声波发射 装置101的辐射面中轴线与套管井内壁的交点处，中轴线与法线的夹角。
[0033] 图2为本实用新型实施例提供的超声波发射装置与超声波接收装置工作原理示 意图。图2中套管井中由内向外的介质分别是流体201、套管202、水泥203和地层204。超 声波发射装置205发出的超声波以射线形式射向套管内壁，该射线与套管内壁的交点A处 法线方向的夹角。超声波发射装置205以入射角01向套管井中激励超声波，超声波沿 套管井壁周向传播（周向模式），超声波在套管井中各层介质中传播，一部分超声波可以透 射到水泥和地层中，并在一界面和二界面上发生一次和多次反射，另一部分则穿过水泥和 地层。
[0034] 在一个例子中，套管井中充填的流体为水，套管的内外半径分别是0. 11m和 0. 122m，数值计算得到的充液套管和空心套管中周向模式的频散曲线。如图3所示，图3中 横轴表示频率，纵轴表示超声波发射装置发射的超声波到套管内壁上时的入射角。图中虚 线301表不空心管中的周向模式，黑色实线302表不充液管中的周向模式。分析表明，当发 射声波的频率介于100kHz到200kHz之间，入射角介于20度到30度之间时，充液管中多个 模式构成的速度"平台"位置处的模式对接收波形贡献最大，这个速度"平台"与空心管中 的最低阶周向模式基本吻合。因此，本实施例中超声波发射装置25发出的最佳的超声波频 率在100kHz到200kHz之间，入射角应介于20到30度之间。
[0035] 在一个例子中，超声波接收装置206接收回波信号，通过将在套管井中实际测量 得到的回波信号与自由套管方式下接收的回波信号进行对比处理，得到套管井中回波信号 形成位置对应的水泥胶结质量。
[0036] 具体地，与超声波发射装置呈一定角度的超声波接收装置206可接收回波信号， 这些信号主要包括两部分，一部分是来自流体-套管界面上的反射波，另一部分是激发的 周向模式在套管井中传播时与不同介质相互作用产生的反射波。后者主要是来自一界面以 及二界面上产生的反射波。考虑到接收装置206接收到的回波信号数据量较大，而目前井 下数据传输到地面的速度较低。因此，本实施例中的接收信号将临时存储到控制系统104 中，之后通过电缆105将存储的数据上传到处理系统106并进行后续处理。当套管井中与 水泥胶结的两个界面的胶结质量不同时，接收信号的形态各不相同