。与本领域其他固井质 量声波测井装置相同，使用接收信号对固井质量进行评价时，应将测量信号与相同套管井 环境下自由套管胶结状态下的接收信号进行对比处理。
[0037] 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。在一个例子中，为保证超声波发射装置和 超声波接收装置与套管井内壁更好的接触，可在超声波发射装置和超声波接收装置上加载 親合块。
[0038] 超声波接收装置位于交点与反射点之间。如图2所示，超声波接收装置的位置应 位于两点所确定的周向角度之间，其中第一点为上述A点，以A和B两点所确定的圆弧状套 管确定的中间段最佳。
[0039] 需要注意的是，超声波发射装置向套管井内壁发射超声波时，入射角足在声 源的主要频段范围内激励的周向模式构成的速度"平台"对应且只对应相同参数下空心套 管中激发的最低阶模式。如图2所示，超声波发射装置205和超声波接收装置206工作的 套管井为充液套管井，激励的周向模式对应图3的302部分，对入射角的要求是激励产生的 周向模式的频散曲线构成的"平台"与空心管中的最低阶模式，即图3中301部分的最低阶 模式一致，且要求在声源工作频段范围内，只激励最低阶的模式。在超声波发射装置205所 发射的声波频率范围内，其入射角Θ i满足主要激发套管中最低阶周向模式的声波时，其优 点在于超声波接收装置206所接收的信号中包含的模式波传播速度基本一致，减少了由于 模式波传播速度不同引起的时域波形频散和拖尾现象的产生，利于应用接收信号对不同水 泥胶结界面的胶结质量进行检测和分析。
[0040] 超声波接收装置位于交点与反射点之间。如图2所示，超声波接收装置的位置应 位于两点所确定的周向角度之间，其中第一点为上述A点，以A和B两点所确定的圆弧状套 管确定的中间段最佳。
[0041] 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。如图2所示， B点是指自A点以反射角在数值上与入射角相等）发出的反射波到达套管内壁后 的交点。
[0042] 自由套管是水泥层完全是流体的套管井。如图4所示，本实用新型实施例套管井 中由内向外的介质分别是流体401、套管402、水泥403和地层404,当水泥层完全为流体 405时，称为自由套管。此处的流体405可以与流体401相同，也可有所差别。
[0043] 回波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。如图2所示，超 声波发射装置205向套管内壁发射具有方向性的超声波，这部分声波可以激发套管202中 的周向模式，合适的入射角Θ i主要激发较强的最低阶模式，一部分周向模式的声波在套管 中传播，在套管中传播的这部分最先由超声波接收装置206收到，另一部分向水泥203和地 层204中传播，并在套管202与水泥203的胶结面以及水泥203与地层204的胶结面上形 成反射波和透射波，反射波部分可最终由超声波接收装置206接收到。
[0044] 在处理回波信号的过程中取时间窗，计算时间窗内的波形平均能量，并将检测位 置所取时窗的平均能量与自由套管方式相同时间窗内的波形平均能量进行对比得到相对 幅值，并以此评价套管井二界面水泥胶结质量。通常情况下，套管井中包含四种胶结状态。 如图4所示，将图4分为A、B、C和D四个区，A区即代表自由套管的状态；B区代表套管402 和水泥403的界面出现水泥缺失，缺失层由流体405代替，为一界面缺失的状态；C区表示 水泥与套管402和地层404都分别胶结良好，为完全胶结的状态；D区表示水泥403与地层 404的界面上出现水泥缺失，缺失层由流体405代替，为二界面缺失的状态。在一个例子中， 设固井水泥缺失部分的流体为水，分别给出四种不同胶结状态下的测量波形。超声波接收 装置的放置方式与图2中所示的超声波接收装置206的方式基本一致。具体的，与径向方 向r轴的夹角为40°，分别展示四种胶结状态下的接收波形。如图5所示，图5中501为自 由套管状态下的接收信号，502为一界面胶结状态下的接收信号，503为二界面胶结状态下 的接收信号，504为完全胶结时的接收信号。分别对不同胶结状态下的接收信号进行取窗处 理，得到不同胶结状态下某一时间窗内的信号平均能量。计算公式可表示为
公式中1。和t i分别表示对接收信号进行处理的时窗开始和结束时间。t。应在来自套管和 水泥胶结面的周向模式波到达时间附近，h应在水泥和地层胶结面的周向模式到达时间之 后的3-5个周期附近;&为时窗内对应采集点的幅度；n t为时窗内的采集点数。在本实施 例中，处理时窗的起止时间分别为tQ= 0. 066ms，以及t 0. 091ms。
[0045] 进一步的，以自由套管情况下得到的时窗内的信号平均能量为基准，其他几种胶 结状态下得到的平均能量与自由套管时的数值进行对比，得到不同的比值。计算结果表明， 完全胶结、一界面缺失和二界面缺失分别与自由套管的比值是0. 34、1. 67和2. 47。由此 可见，在不同的胶结状态下，时窗内的信号平均能量各不相同，其中完全胶结的相对能量最 低，二界面缺失时的相对能量最高。此外，在实际处理时，可根据套管井中套管规格和水泥 厚度等参数对时窗的位置进行适当移动。
[0046] 根据超声波发射装置与超声波接收装置的相对位置，放置一组或多组超声波发射 装置和超声波接收装置，或者应用控制系统旋转超声波发射装置与超声波接收装置，对井 周的二界面水泥胶结质量进行检测。若将同一组发射接收装置进行周向旋转测量，或者沿 套管内壁布置多组发射接收装置后进行测量，则可以获得同一个深度点不同角度方位上的 接收信号。进一步的，可以通过在不同深度点进行测量，得到不同深度不同周向方位上的接 收信号。通过对接收信号进行适当处理，最终得到反映固井水泥胶结状态的二维灰度图，通 过判断灰度图中幅度的大小来得到二界面的胶结质量成像结果图。
[0047] 本实用新型提供了一种用于对套管井中固井水泥二界面的胶结情况进行超声检 测的装置和技术，其优势在于可弥补目前多数技术的不足，用于检测固井水泥二界面的胶 结质量，同时该技术还可以用于判断完全胶结和一界面缺失的情况。
[0048] 以上所述的【具体实施方式】，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进 一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的【具体实施方式】而已，并不用于 限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替 换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种用于评价套管井二界面水泥胶结质量的装置，其特征在于，所述装置包括：超 声波发射装置、超声波接收装置和控制系统； 所述超声波发射装置和所述超声波接收装置位于测量短节，所述测量短节与所述控制 系统相连； 所述控制系统包括储存模块和上传模块，用于回波信号的存储及传输，以及，控制所述 超声波发射装置和所述超声波接收装置的旋转； 所述超声波发射装置以入射角Θi向套管井内壁发射超声波，所述超声波在所述套管 井中激励周向模式，所述套管井中各层介质反射所述超声波形成反射波，其中，所述入射角 Θi是所述超声波发射装置的辐射面中轴线与所述套管井内壁的交点处，所述中轴线与法 线的夹角； 所述超声波接收装置接收回波信号，并将所述回波信号发送至存储模块进行存储，所 述上传模块将所述回波上传至处理系统，所述处理系统将所述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。2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声波接收装置位于所述交点与反 射点之间。3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述反射点位于自所述交点以反射角Θ^ 发出的反射波与所述套管井内壁的交点。4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声波发射装置包括发射换能器和 发射声系。5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声波接收装置包括接收换能器和 接收声系。6. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自由套管是水泥层完全是流体的套 管井。7. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括耦合块，用于所述超声波 发射装置和所述超声波接收装置与所述套管井内壁更好的接触。8. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括保护短节，用于保护所述 测量短节。
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于评价套管井二界面水泥胶结质量的装置。在一个实施例中，所述装置包括：超声波发射装置、超声波接收装置和控制系统；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；控制系统包括储存模块和上传模块，控制超声波发射装置和超声波接收装置的旋转；超声波发射装置以入射角θi向套管井内壁发射超声波；超声波接收装置接收回波信号，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。本实用新型实施例通过发射具有方向性的超声波，在套管井中激励形成周向模式，并对回波信息进行处理，实现了对固井水泥不同界面胶结情况的检测。
【IPC分类】E21B47/005
【公开号】CN205036370
【申请号】CN201520701134
【发明人】张秀梅, 苏畅, 林伟军, 王秀明
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2016年2月17日
【申请日】2015年9月11日