SBT探頭與套管波實(shí)驗(yàn)研究

摘 要：SBT聲波測(cè)井的聲源不在井軸，靠近井壁，其激發(fā)的聲場(chǎng)是三維聲場(chǎng)，需要利用偏心聲源激發(fā)的聲波在套管井中的傳播規(guī)律。主要探測(cè)井軸圓周方向水泥膠結(jié)的不均勻性。由于套管的內(nèi)徑比較小、管壁比較薄，不同頻率的聲波在其中傳播時(shí)波長(zhǎng)與此接近，所以，其聲波傳播特征比較復(fù)雜，不能夠簡(jiǎn)單地應(yīng)用幾何聲學(xué)、平面波的特征進(jìn)行研究。文章用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)SBT探頭進(jìn)行了研究。用不同源距的測(cè)量波形區(qū)分了不同探頭所激發(fā)的聲波波形特征，確定了套管波和液體波及其它波。探討了套管波與液體波在測(cè)量波形中的差別。以套管波測(cè)量為主要目的，指出了用SBT探頭激發(fā)套管波所存在的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：扇區(qū)；聲波測(cè)井；探頭；頻率

1 概述

SBT聲波測(cè)井已經(jīng)在油田服務(wù)多年，其測(cè)量結(jié)果能夠以圖象的方式直觀地顯示圓周方向上水泥膠結(jié)的不均勻性，能夠?yàn)橛吞锟碧介_(kāi)發(fā)提供比較準(zhǔn)確的固井膠結(jié)信息。隨著該技術(shù)的推廣應(yīng)用，普及該技術(shù)的市場(chǎng)條件正在成熟。

該項(xiàng)技術(shù)包括電子線路、軟件和探頭。探頭與測(cè)井方法緊密相連，是該項(xiàng)技術(shù)的核心。用什么樣的探頭實(shí)現(xiàn)圓周方向固井膠結(jié)質(zhì)量的探測(cè)呢？需要考慮探頭的結(jié)構(gòu)、激發(fā)方式和頻率。由于是在井內(nèi)測(cè)量，井筒對(duì)聲波頻率有很強(qiáng)的過(guò)濾效應(yīng)，所以不同頻率的聲波在井中的傳播特征有很大差別。

固井質(zhì)量檢測(cè)所使用的聲波是套管波：其傳播速度比鋼的縱波速度稍慢，主要沿套管傳播。普通變密度測(cè)井儀器，用單極子探頭發(fā)射、接收，頻率在20kHz附近，能夠在套管井中激發(fā)出幅度比較大的套管波。由于各種變密度測(cè)井儀器的探頭結(jié)構(gòu)有差別、壓電晶體有一定的離散性，發(fā)射出的聲波的主頻和帶寬有較大的差別；導(dǎo)致不同的儀器在自由套管中測(cè)量的套管波幅度不一樣，最后通過(guò)刻度將這些差別進(jìn)行統(tǒng)一。

井眼條件改變，井深增加，井內(nèi)溫度、壓力增加后，探頭的力學(xué)條件發(fā)生變化，激發(fā)的聲波頻率也隨之改變。當(dāng)激發(fā)聲波的頻率偏離套管波的固有頻率范圍后，套管波幅度減小，當(dāng)激發(fā)聲波頻率完全離開(kāi)套管波的固有頻率范圍時(shí)，套管波幅度接近于零。這時(shí)，固井變密度測(cè)井儀器測(cè)量不到固井膠結(jié)信息。這是目前固井變密度測(cè)井所遇到的主要問(wèn)題之一。

同樣，SBT探頭也必須保證在井中所激發(fā)和測(cè)量的聲波是套管波。

2 發(fā)射探頭骨架實(shí)驗(yàn)

用鋁筒模擬套管，用六面形的呢絨骨架安裝寬的壓電片，這樣，壓電片距離筒壁比較近。發(fā)射、接收探頭均采用相同的結(jié)構(gòu)。發(fā)射探頭固定、等距離移動(dòng)接收探頭后所測(cè)量的波形前面部分放大，在近源距時(shí)，所測(cè)量的波形中首波是以液體的速度傳播的，簡(jiǎn)稱液體波；隨著源距的增加，在接收波形中可以看到明顯的以套管波速度傳播的聲波。該波的振動(dòng)周期比較多，開(kāi)始時(shí)其幅度比較小。與液體波的幅度相比，套管波的幅度比較小。

發(fā)射裝置不變，將接收探頭換成長(zhǎng)8cm的壓電長(zhǎng)條，不用骨架支撐，自由狀態(tài)于管壁進(jìn)行接收，移動(dòng)接收探頭測(cè)量波形。由于接收探頭本身比較長(zhǎng)（8cm），所以，在其與發(fā)射探頭重疊的一段距離內(nèi)，接收到的波形幅度很大，波形形狀基本不變，隨著離接收探頭的距離的增加，波形中，以套管波速度傳播的聲波逐漸與其它波分開(kāi)。由于接收探頭沒(méi)有固體支架支撐，接收到的波形形狀很不規(guī)則。

將發(fā)射探頭的支撐骨架去掉，發(fā)射和接收均為自由狀態(tài)時(shí)，移動(dòng)接收探頭接收得到波形。從波形中可以看到：測(cè)量的波形中既沒(méi)有以套管波速度傳播的聲波，也沒(méi)有以液體的速度傳播的聲波，所測(cè)量波形的傳播速度介于套管波與液體波的速度之間，更接近于液體的聲速。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以肯定兩點(diǎn)：用非金屬骨架有利于套管波的激發(fā)和接收。所以，實(shí)際使用的聲波測(cè)井儀器，發(fā)射、接收探頭需要用一定的非金屬骨架進(jìn)行支撐；發(fā)射、接收探頭處于完全自由狀態(tài)時(shí)，接收到的波形中以反應(yīng)液體特征的聲波為主，無(wú)法測(cè)量到固井質(zhì)量檢測(cè)所需要的套管波。

3 不同套管尺寸的套管波實(shí)驗(yàn)

在呢絨材料上開(kāi)個(gè)比較深的槽將壓電晶體探頭固定在里邊做成發(fā)射探頭和接收探頭，將發(fā)射、接收探頭分別放在直徑不同的鐵筒和鋁筒中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.1 鋁管中的實(shí)驗(yàn)

發(fā)射與接收探頭的起始源距為11cm，發(fā)射探頭固定，接收探頭每次向上移動(dòng)4mm采集一次波形，一共采集50組波形。從波形中的得到，套管波位于0.1ms附近，頻率比較高，隨著源距的增加，幅度變化比較大，在140-200mm位置幅度比較大，在260mm以上，首波幅度比較小，主要分布的0.15ms位置。液體波的頻率比較低，幅度比較大，位于波形的后面。

3.2 鋼管中的實(shí)驗(yàn)

在鋼管中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探頭之間的起始源距為20cm，固定發(fā)射探頭、移動(dòng)接收探頭，每次向上移8mm采集一次波形，共采集50組波形。測(cè)量的波形中，沒(méi)有以套管波速度傳播的聲波。

從上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看到：當(dāng)鋁管直徑小、當(dāng)探頭距離管壁很近時(shí)，用壓電片組裝的探頭可以激發(fā)出頻率比較高的套管波，其波形位于波形的最前面，傳播速度略低于鋼的縱波速度。但是，當(dāng)鋼管的直徑比較大，探頭距離管壁比較遠(yuǎn)時(shí)，用壓電片組裝的探頭激發(fā)的聲波頻率介于套管波和液體波之間，速度接近于液體聲速。以套管波速度傳播的聲波幅度很小。

4 套管波的激發(fā)與測(cè)量

以上實(shí)驗(yàn)所用的探頭均是用獨(dú)立的小的壓電片制作，對(duì)單個(gè)壓電片激發(fā)，骨架僅僅起到一個(gè)支撐作用，將壓電片子推到靠近井壁附近的位置，壓電片自身以接近自由振動(dòng)的方式，沒(méi)有力學(xué)邊界的影響，其諧振頻率完全是壓電片接近自由狀態(tài)下的固有頻率，該頻率在自由套管中激發(fā)不出套管波或者激發(fā)的套管波幅度很小，沒(méi)有辦法進(jìn)行測(cè)量。

為了在自由套管中激發(fā)出固井質(zhì)量檢測(cè)所需要的套管波，必須改變激發(fā)探頭的頻率。即改變探頭的振動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于SBT探頭來(lái)講，即改變壓電片的力學(xué)邊界條件，對(duì)壓電片的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行限制。為此，我們將八個(gè)壓電片粘接成一個(gè)圓筒，直徑為6cm，使壓電片的振動(dòng)受到限制。粘接時(shí)八個(gè)壓電陶瓷片中間的膠層與壓電片子的寬度接近，間隙均勻。將八個(gè)壓電片的其中一個(gè)用電激發(fā)，將帶深槽呢絨材料固定的探頭作為接收探頭，在鐵筒中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。起始源距為180mm，源距每次移動(dòng)8mm采集一次波形數(shù)據(jù)，得到原始波形仍然沒(méi)有明顯的以套管波速度傳播的聲波。endprint

以上實(shí)驗(yàn)中發(fā)射探頭壓電片和接收探頭壓電片不在一個(gè)方位角上，將兩者調(diào)整到一個(gè)方位角上后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。發(fā)射和接收探頭之間的起始源距為180mm，每次移動(dòng)8mm采集一個(gè)波形。直線所表示的套管波的幅度很小，另外，波形的振動(dòng)周期比較多，這說(shuō)明：發(fā)射、接收探頭的Q值均很大（對(duì)聲波測(cè)井不利，是測(cè)井盡量避免的）。

為了減小接收探頭的Q值并且降低接收探頭的頻率，我們選擇了普通聲波測(cè)井常用的壓電晶體管（八條切向極化，接收沒(méi)有指向性），而發(fā)射探頭仍采用粘接成圓筒后八個(gè)壓電片中的一個(gè)。將兩者放到鐵筒中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到波形中有兩條直線，分別表示以液體速度傳播和以鋼的縱波速度傳播的聲波。在源距大于500mm以后，首波是套管波，其傳播速度與鋼的縱波速度接近。但是，幅度衰減很快。為了進(jìn)一步確定套管波的特征，我們加長(zhǎng)源距后（起始源距限定在400mm，每次移動(dòng)8mm）又進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量波形中，液體或者與液體速度接近的聲波的幅度很大，而與縱波速度接近的套管波的幅度仍然很小。

5 分析與討論

聲波測(cè)井用套管波來(lái)測(cè)量套管外的水泥膠結(jié)情況。SBT測(cè)井通過(guò)偏心激發(fā)和接收來(lái)測(cè)量套管外圓周方向上的水泥膠結(jié)不均勻性。其核心部分是如何激發(fā)出幅度比較大的套管波。本實(shí)驗(yàn)肯定了：如果發(fā)射、接收片緊緊靠著套管壁，則可以激發(fā)出幅度比較大的套管波。但是，這種方案現(xiàn)實(shí)中不能夠?qū)崿F(xiàn)。發(fā)射或接收探頭離管壁稍遠(yuǎn)套管波幅度急劇下降。剩下幅度比較大的波，其傳播速度與液體聲速接近。

用細(xì)的鋁管實(shí)驗(yàn)表明：發(fā)射探頭在鋁管中激發(fā)的套管波的頻率比液體波和其它傳播速度與液體接近的聲波的頻率高。該結(jié)果說(shuō)明：同一個(gè)發(fā)射探頭，在相同激勵(lì)情況下，套管波與液體波的頻率是有差別的，波阻抗越高，激發(fā)聲波的頻率越高。

將壓電片子粘接成圓筒后的實(shí)驗(yàn)使我們認(rèn)識(shí)到：改變壓電片子的力學(xué)邊界條件有利于套管波的激發(fā)。改變接收探頭可以測(cè)量到我們所需要的套管波。但是，源距太遠(yuǎn)時(shí)，套管波幅度比較小。

另外，用壓電片子作探頭，力學(xué)邊界條件應(yīng)該加強(qiáng)，以減小整個(gè)探頭的Q值。

SBT探頭設(shè)計(jì)是該儀器制作的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果肯定了：完成固井質(zhì)量檢測(cè)所需要的套管波的測(cè)量，壓電片子緊邊界是一個(gè)比較好的選擇。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：張智勇（1979，12-），男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，2001年畢業(yè)于西南石油大學(xué)應(yīng)用地球物理專業(yè)，本科學(xué)歷，中國(guó)石油大學(xué)（華東）地質(zhì)工程專業(yè)在職研究生在讀，現(xiàn)在中石化中原石油工程有限公司地球物理測(cè)井公司從事外部測(cè)井市場(chǎng)管理和技術(shù)工作。endprint