超声泄漏弯曲波固井质量检测理论与实验研究

The cementing quality has great significance for the layered exploitation in oil wells. The cementing quality detection, especially at the interface between the cement annulus and the formation (i.e., the second interface), is an unsolved global problem. Thus we intend to seek a new method in this project for ultrasonic cementing quality evaluation using the high-frequency leaky flexural mode imaging technique, after studying the acoustic wave-guide in a cased wellbore. First, the wave propagation features, especially the characteristics of leaky flexural modes, in a cased borehole are investigated thoroughly. The influences of parameters of the casing, cement annulus, and formation on leaky flexural waves are revealed. Second, the wave fields in a non-axisymmetric cased well with cement sector defects are simulated through a 3-D finite difference algorithm. The Time reversal propagation of leaky flexural modes is modeled for the research of a new imaging technique of cementing quality detection. Finally, an acoustic measurement system in a cased borehole model is established. The effects of cement defect sizes on the wave fields are studied experimentally. The measurement results are compared with those from theoretical analyses and numerical simulations. And an interpretation method for cementing quality is thus explored. This research has academic significance or application values in several aspects including the development of the wave-guide theory in complex media, the optimization of newly designed acoustic logging tool for cementing quality, and the improvement of the relevant evaluation standard.

固井质量对油井分层开采具有十分重要的意义。固井质量检测，特别是对水泥环与地层之间的第二界面胶结质量的检测，属于目前尚未解决的国际难题。本项申请通过研究套管井声波导问题，探索利用高频泄漏弯曲模式进行超声成像的固井质量评价新方法。具体有：第一，深入研究套管井声波导中声波传播的模式及影响因素，特别注重泄漏弯曲模式波的传播特点研究，明晰套管、水泥环和地层参数对模式波的影响规律；第二，利用三维有限差法，模拟计算分区胶结情况下非轴对称井中的声波传播特点，并对泄漏弯曲波进行声波逆传播反演，研究新的固井质量检测成像技术；第三，建立套管井模型声学测量系统，通过实验考察水泥环缺失尺寸等对管井中声波响应的影响，与理论分析和数值模拟结果相对比，探索新的固井质量评价方法。本项目研究对于丰富和发展复杂声波导理论，优化新型固井质量声波测井仪，完善其质量评价标准等都具有重要的学术意义或潜在的应用价值。

良好的固井质量是保护油气储层和保证油气井正常生产的前提和基础。声波固井质量检测，特别是对水泥环与地层之间的第二界面胶结质量检测，此前一直是学术上和工程上的难题。为此在本项目中，我们先后开展了以下研究工作：理论分析了柱面分层管波和平面薄板兰姆波的频散、衰减和激发强度等特征；利用二维和三维时域有限差分法数值模拟了分层套管井中超声波场的分布和接收器声响应，具体考察了多种因素对人工合成测井响应的影响；搭建模型井并在实验中分别测量记录了水泥胶结良好及胶结缺失时的超声兰姆波信号。通过这些研究工作，揭示了分层套管井中声波导传播规律，初步提出了利用超声泄漏弯曲波进行固井质量综合评价的有效方法，并明确了这种新检测方法在不同测井环境中的适用性。主要研究结论有：(1)在载液分层套管井模型中，当超声波发射器入射角大于30度时，套管中的兰姆波以泄漏弯曲模式为主，这种声波导频散弱、成分单一，适用于套管后介质胶结质量的检测；(2)数值模拟结果表明，定向发射的非对称声源可在套管中激发出先后到达的两类弯曲波，包括全程沿套管直接传播的首至弯曲波以及由水泥-地层界面反射后在套管形成的后续弯曲波；(3)首至弯曲波衰减率对套管-水泥之间的第一界面胶结质量敏感，当该界面的间隙增大时，首至弯曲波衰减随之减小，因此可应用于第一界面固井质量的定量评价；(4) 多数情况下，后续弯曲波的幅度与水泥-地层界面胶结质量相关，当该界面胶结缺失时，后续弯曲波幅度增强，可以此定性评价第二界面胶结质量，此外，后续弯曲波的到达时间还可应用于水泥环第二界面的成像反演中；(5)利用超声泄漏弯曲波评价水泥环的胶结质量，对胶结缺失的环向尺寸、水泥波阻抗以及仪器偏心率均有一定的要求，只有当满足这些条件时，固井质量评价结果才是有效可靠的；(6)实验中成功记录到套管模型井中的首至和后续弯曲波群，其响应规律符合理论和数值模拟结果。这些研究成果，进一步丰富和发展了固体声学理论和分层介质声波导理论，在一定程度上解决了水泥-地层界面胶结质量评价的技术难题，并为今后新型的超声固井质量测井仪器的设计、研制和优化提供了必要的理论基础和实验依据。