相控线阵声源在裸眼井和套管井外地层中产生的声束对比

套管井中的声传播涉及到波在柱状多层介质中的传播问题。通过数值计算对比了宽频带相控线阵声源在套管井和裸眼井外地层中产生的纵波声场。结果显示声源辐射的声波经过套管、水泥等多层介质后在地层中的声波幅度较裸眼井相比降低了约8.0dB,当套管井胶结差时辐射到地层中的能量更低。套管井的胶结状况基本不影响相控线阵声源在地层中辐射主瓣的偏转方向,但会改变主瓣角宽,且在套管井第Ⅰ或第Ⅱ界面胶结差时使旁瓣级增强。     

偶极子声源在套管井中的应用研究

套管井第I界面胶结差时单极子声波测井通常测量不到地层波信息。在套管井边界条件下,推导出了不同胶结状况下的偶极子声源激发的井内声场,计算了它在井孔中的二维谱和时域波形。计算结果表明在稍高的激发频率下,在第I界面胶结不好时在接收波列中可清晰地观测到纵波和弯曲波振相,分别以地层纵波和横波的速度传播,这表明横向偏振的声源比纵向振动的声源有更好的穿透性;在较低的激发频率下,波形中占主导地位的是地层弯曲波和套管弯曲波;在第I、II界面均胶结良好时主要是地层弯曲波。     

套管井阵列声波测井技术研究及应用

针对套管井阵列声波测井的工程需要,用实轴积分法及二维谱技术研究了不同胶结状况的二维谱及频散曲线.从理论上肯定了对于快速地层,胶结状况良好和第Ⅰ界面窜槽不严重时在套管井内能够测量到地层的纵、横波时差.描述第Ⅰ界面窜槽的等效水环厚度增加,以地层的纵、横波速度传播的声波时差分布不再集中,直到最后消失.第Ⅱ界面脱粘时无法测量到地层的纵、横波时差.根据上述理论计算结果设计了阵列声波测井仪器,用多口套管井的实际测量波形和处理结果肯定了上述理论分析,得到了地层的纵、横波时差.这样,对于套管井,除了能够测量地层的纵、横波时差外,从固井质量评价上,第Ⅰ界面胶结质量的判别方法还可以使用相位信息,即用阵列波形的相位建立模型,得到地层纵波时差分布,该分布越离散,则第Ⅰ界面胶结的程度越差;当集中不起来,不能够显示地层的纵波时差时,则第Ⅰ界面窜槽已经相当严重.     

地层声速对固井质量评价的影响及消除方法

分析研究表明，快速地层水泥完全胶结时的地层波与套管波的主频差别较大．套管波主频明显偏高。通过在频域内计算套管波能量，可有效消除快速地层对固井Ⅰ界面胶结质量评价的影响。另外，结合现场变密度测井资料研究发现，地层波能量不仅反映固井Ⅱ界面胶结情况且受地层声速的严重影响。Ⅰ、Ⅱ界面水泥完全胶结时地层波能量和声波时差存在一定的指数关系。考虑地层声速的影响，可定义出主要反映水泥胶结质量的Ⅱ界面胶结指数。给出了快速地层和复杂岩性地层的现场变密度资料的处理实例。处理结果表明，通过计算套管波能量和定义Ⅱ界面胶结指数基本消除了地层声速对固井Ⅰ、Ⅱ界面胶结质量评价的影响。     

相控线阵声波测井辐射器指向性影响因素研究

从基础物理实验着手,分析了相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间激励延迟时间、声源频率、阵元间距、阵元个数、幅度加权等参数对相控线阵声波辐射器的指向性影响.大量实验研究表明,随着阵元间激励延迟时间的增加,相控线阵辐射声束主瓣角不断增大;随着声源频率降低、阵元间距减小、阵元个数减少以及适当的幅度加权可以使相控线阵辐射声束主瓣角不断变宽.实验测量数据与理论计算结果吻合较好.这为相控线阵声波辐射器在实际测井中的应用提供了设计依据.     

MAK-Ⅱ声波测井资料在定量评价固井质量中的应用

传统利用MAK-Ⅱ测井数据进行水泥固井质量评价时,由于水泥胶结情况差异及衰减系数受到套管尺寸、地层特性的影响,使定量评价困难.为充分利用波形数据,实现定量评价水泥胶结Ⅰ、Ⅱ界面的目的,结合原有的声波时差、幅度衰减以及衰减率曲线,建立了定量计算Ⅰ、Ⅱ界面的胶结指数公式,并根据刻度井测量数据建立定量评价水泥胶结质量的标准....     

套管井声波测井中首波幅度衰减研究

讨论了套管波首波幅度关于源距衰减变化随着激发声源中心频率的变化而变化的关系.通过考察套管波首波幅度衰减快慢随声源中心频率变化规律,在理论上利用这些规律区分套管井第Ⅰ、Ⅱ界面均胶结良好和自由套管井2种情况,为实际固井质量定量解释提供一定的参考依据.对在不同声源中心频率作用下的套管首波的不同波峰幅值、不同波谷幅值和波峰-波谷峰峰值进行计算研究,为分析实际测井波形,以合适的幅度为更加准确地表征首波衰减提供了基础参数.认为当声源中心频率从低到高变化时,第Ⅰ、Ⅱ界面均胶结良好的套管井中首波幅度随源距的衰减系数的变化相差不大,但是在自由套管井中首波幅度随源距的衰减其系数有着明显的变化.     

声幅-变密度测井定量评价固井质量的研究

利用裸眼井声波资料估计变密度井波列中地层波到达时间，由能量分析法确定套管波和地层波的能量，并进行相应的归一化处理，使计算得到的Ⅰ、Ⅱ界面胶结参数标准化，最终由相应的评价标准确定固井质量Ⅰ、Ⅱ界面的胶结情况。解决了目前声幅－变密度定量评价问题。     

声波测井相控线阵辐射器幅度加权的实验研究

在声波测井工程中使用相控线阵声波辐射器可以使声波向着接收探头一侧辐射,从而提高声波测井的信噪比和探测距离.对相控线阵进行幅度加权可以改变其辐射主瓣的角宽,这种技术在声波测井中有良好的应用前景.推导了幅度加权条件下相控线阵声波辐射器的指向性函数,研究了利用幅度加权方法增加和减小相控线阵辐射主瓣的方法并用实验测量结果进行了校验,二者取得了良好的一致性.研究表明,当相控线阵阵元幅度由阵的中心向两边对称单调增加时,阵的辐射主瓣角会变窄,反之变宽.     

相控线阵声波辐射技术在反射声波测井中的应用探讨

采用有限元方法对相控线阵声波辐射技术在反射声波测井中的应用进行探讨,从信号的幅度、能量和损耗等角度考察了相控线阵声波辐射器的相位加权和幅度加权对在井孔中接收到的反射纵波的影响.结果表明使用相控线阵声波辐射器可以明显提高在井孔中接收到的有用信号的信噪比;应用相控辐射器的相位加权和幅度加权技术,即调节相控线阵声波辐射器的相邻阵元间激励信号的延迟时间和信号幅度,可使各个阵元辐射的声波信号在介质的传播过程中某个给定方向上的能量最大,从而使反射纵波信号得到明显增强.为相控线阵声波辐射技术在反射声波测井中的应用提供了理论基础.     

Numerical simulation of an acoustic field generated by a phased arc array in a fluid-filled cased borehole

Transducers that are widely applied in cement bond evaluation tools, such as cement bond logs and variable density logs, cannot radiate acoustic energy directionally because of the characteristics of monopole sources. A phased arc array transmitter, which is a novel transducer that differs from monopole and dipole transducers, is presented in this study. To simulate the acoustic field generated by a phased arc array in a fluid-filled cased borehole with different channelings, a 3D finite-difference time-domain method is adopted. The acoustic field generated by a traditional monopole source is also simulated and compared with the field generated by the phased arc array transmitter. Numerical simulation results show that the phased arc array radiates energy directionally in a narrow angular range in the borehole, thereby compressing the acoustic energy into a narrow range in the casing pipe, the cement, and the formation. We present the analyses of first-arrival waveforms and the amplitudes of casing waves at different azimuthal angles for the two different sources. The results indicate that employing a directional source facilitates azimuthal identification and analysis of possible channeling behind the casing pipe.     

Numerical simulation of an acoustic field generated by a phased arc array in a fluid-filled borehole

The acoustic tools widely used in borehole well logging and being developed in borehole acoustic reflection imaging do not have the function of azimuthal measurement due to a symmetric source, so they can not be used to evaluate the azimuthal character of borehole formation. In this paper, a 3D finite difference method was used to simulate the acoustic fields in a fluid-filled borehole generated by a traditional monopole source and a phased arc array. Acoustic waveforms were presented for both cases. The analysis of the simulated waveforms showed that different from the monopole source, the acoustic energy generated by the phased arc array transmitter mainly radiated to the borehole in a narrow azimuthal range, which was the key technique to implement azimuthal acoustic well logging. Similar to the monopole source, the waveforms generated by the phased arc array in the fluid-filled borehole also contain compressional （P） waves and shear （S） waves refracted along the borehole, which is the theoretical foundation of phased arc array acoustic well logging.     

低密度水泥套管井中声波全波波形分析

根据柱状多层几何模型,得到标势函数和矢势函数表达式,应用井中声压公式,选择适当的参数作数学计算,并绘制了低密度水泥套管井中的声波全波理论波形。通过时域和频谱分析,研究了在套管井中常见的4种水泥胶结情况下,声波全波列中各组分波的传播时间、频率及能量特征,并与高密度水泥套管井中声波全波列的各组分波作了比较。分析结果表明,用声波全波测井不仅可解决低密度水泥固井质量评价问题,而且在水泥完全胶结好的情况下可提供地层声波信息。图8表4参6。     

交叉多极阵列声波测井在套管井中的应用

为寻求裸眼井地层纵波测井资料缺失时的补救办法,对在大港油田滩海区块5口井中的声波测井资料进行了分析,试探从过套管交叉多极阵列声波(XMAC)测井资料中提取地层纵波信号的可行性.XMAC在套管井中采用单极全波测量模式.从下套管前后测得的全波波形的差异可区别套管波和地层纵波,采用慢度-时间相关STC(Slowness-Time Coherence)法可提取地层纵波.对比了在不同水泥胶结质量、套管状况和井眼条件下的套管井与裸眼井声波测井资料,归纳出了过套管声波测井的使用条件和局限性.当套管及地层都与水泥环胶结良好时,方可从过套管XMAC全波资料中提取出地层纵波信号.     

相控圆弧阵声波辐射器在井旁地层中产生的声场特征

常规的单极子声波测井仪器无法对井旁地层的方位性质进行评价,多极子声波测井仪器有一定的方位测量能力,方位分辨率较低且反演地层性质时存在多解性。设计了一种具有方位辐射特性的声波测井相控圆弧阵声波辐射器,采用三维有限差分法对其在井旁地层中产生的声场进行了数值模拟。对模拟声场的方位特征进行的分析表明：相控圆弧阵声波辐射器产生的声波能量基本向某一周向角范围的井壁入射,进入地层的声波在一定周向角范围内传播。随着轴向源距的不断增大,相控圆弧阵声波辐射器在井旁地层中产生的声束周向角宽度逐渐变大。这种相控圆弧阵声波辐射器可用于方位反射声波测井新技术中,能评价井旁地层声学性质沿井周方向的变化,有助于复杂油气藏的识别和评价。     

等效相控接收阵及其在声波测井波形处理中的应用

通过调节施加于相控线阵发射探头相邻阵元的激励信号的延迟时间，改变相控线阵辐射声波能量的方向，使得各个阵元辐射的声波信号在介质的传播过程中某个给定方向上的能量最大。根据声声的互易原理，当对一个接收阵列的不同阵元接收到的信号进行处时相加时，调节阵列接收器中每个阵元所接收的声波信号的延迟时间使它们同相位叠加，也可以有利于接收某一个特定方向的声波，从而使得接收到的声波能量最大。利用该思想处理了声波全波信号，取得了预期效果。     

随钻前视声波测井钻头前方声场特征研究

现有声波测井仪器无法满足前视探测需求,为此开展了基于相控阵技术的随钻前视声波测井技术研究。采用相控线阵声波辐射器和相控圆弧阵声波接收站,分别实现声波能量的定向辐射和扫描接收;利用有限差分算法,分别模拟了随钻条件下钻头前方存在一个地层界面时的单极和相控阵声波测井响应。模拟结果表明,由于井底散射的影响,随钻前视声波测井的波场比常规反射声波测井的声场更为复杂;与单极声波辐射器相比,相控线阵声波辐射器能够定向增强辐射到钻头前方地层中的声波能量,可以显著增强P-P回波的幅度;与单极声波接收器相比,通过统计相控圆弧阵声波接收站扫描接收到的不同方位P-P回波的幅度,可以近似判断钻前地层界面的方位。研究结果验证了利用相控阵声波测井技术探测钻前地质异常体的可行性,为后续工业样机的开发提供了理论依据。