固井水泥環(huán)內(nèi)部缺陷超聲波檢測仿真研究

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目“地面旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井新方法及其控制機理”（51974035，U1262108）、“頁巖和致密油氣田高效開發(fā)建井基礎(chǔ)研究”（U1762214）；長江大學(xué)非常規(guī)油氣省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心開放基金項目“含油鉆屑聚束光熱快速分離特性研究”（UOG2022-26）、“頁巖氣套管鉆井鉆頭及配套技術(shù)研究”（UOGBX2022-04）、“頁巖氣井筒振動固井技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究”（UOGBX2022-05）。

固井水泥環(huán)內(nèi)部的各種缺陷會導(dǎo)致層間竄流、井口帶壓等事故。無損檢測技術(shù)作為一種非破壞性的檢測方法，可以對固井水泥環(huán)內(nèi)部的缺陷進行檢測?；诔暡ㄔ谶B續(xù)介質(zhì)中的傳播規(guī)律，采用COMSOL仿真軟件模擬壓電效應(yīng)以及超聲波在水泥環(huán)中的傳播狀態(tài)和反射規(guī)律，研究水泥環(huán)缺陷反射信號的相關(guān)特性。研究結(jié)果表明：選擇1.0 MHz 5周期Hanning窗調(diào)制的超聲正弦波作為激勵信號，超聲探頭可以在50 μs內(nèi)接收到水泥環(huán)缺陷的反射信號；不同類型的缺陷中，矩形缺陷的檢測效果最佳；當(dāng)缺陷主方向與超聲波入射方向垂直時，檢測效果最佳。研究結(jié)果驗證了超聲波無損檢測技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地確定固井水泥環(huán)內(nèi)部缺陷的類型和位置，同時調(diào)整超聲波入射角度有助于提升檢測效果，可為超聲波在水泥環(huán)內(nèi)部缺陷檢測中的應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)意義。

固井水泥環(huán)缺陷；無損檢測；超聲波；缺陷類型；超聲波入射方向

Simulation Study on Ultrasonic Testing of Defects in Cement Sheath

Zhao Yanqi¹ Zhou Yuanhua¹ Wan Jifang² Li Jingcui² Guo Dengming¹

（1.School of Mechanical Engineering， Yangtze University; 2.China Energy Digital Technology Group Co.， Ltd.）

Various defects in cement sheath may lead to accidents such as interlayer cross flow and wellhead under pressure. Nondestructive testing （NDT） is a technology that can detect the defects in the cement sheath. Based on the propagation pattern of ultrasonic waves in continuous media， the COMSOL simulation software was used to simulate the piezoelectric effect and the propagation state and reflection law of ultrasonic waves in cement sheath， and identify the relevant characteristics of reflected signals of defects in the cement sheath. The results show that when a 1.0 MHz 5-period Hanning window modulated ultrasonic sine wave is selected as the excitation signal， the ultrasonic probe can receive the reflected signal of cement sheath defects within 50 μs. Among different types of defects， the rectangular defects have the best detection effect. When the principal direction of the defect is perpendicular to the direction of ultrasonic incidence， the detection effect is the optimal. The ultrasonic NDT technology can quickly and accurately determine the type and location of defects in the cement sheath. Meanwhile， adjusting the angle of ultrasonic incidence can help improve the detection effect. The study results provide certain guidance for the application of ultrasonic wave in the detection of defects in cement sheath.

cement sheath defect; nondestructive testing; ultrasonic wave; defect type; ultrasonic incidence direction

0 引 言

在油氣井建井階段，固井環(huán)節(jié)至關(guān)重要。固井對維護油氣層以及延長油氣井使用壽命起到了核心作用。通常采用水泥填充套管與地層之間的空隙形成水泥環(huán)，其質(zhì)量直接關(guān)系到油氣井勘探、產(chǎn)能建設(shè)成果與經(jīng)濟效益^［1-2］。然而，固井過程中的水泥竄流和增產(chǎn)作業(yè)中的壓力變化，均可能導(dǎo)致水泥環(huán)中產(chǎn)生缺陷^［3］。因此，快速高效地評估套管井中的水泥環(huán)狀態(tài)尤為重要。

國內(nèi)外專家主要對水泥環(huán)膠結(jié)面膠結(jié)質(zhì)量的檢測進行了大量研究與試驗，但對水泥環(huán)自身內(nèi)部缺陷的檢測研究較少。TANG J.等^［4］對傳統(tǒng)的CBL/VDL方法進行了修正，提出一種新的水泥膠結(jié)質(zhì)量評價方法，數(shù)值模擬結(jié)果與標(biāo)定后測井資料符合。車小花等^［5］制作了不同膠結(jié)狀況的縮小模型進行試驗測量，獲得了不同膠結(jié)狀況下的聲全波波形，結(jié)合套管波能量和首波到時，可以很好地判斷第一界面膠結(jié)狀況，套管波到達時間與第二界面的膠結(jié)無關(guān)，但當(dāng)?shù)诙缑婺z結(jié)完好，套管波首波的幅度明顯減小。許飛龍等^［6］利用超聲反射法，對檢測波形進行濾波分析之后檢測水泥膠結(jié)質(zhì)量，以套管的共振頻率為中心頻率對反射全波進行濾波，濾波后的波形呈現(xiàn)出數(shù)個波包，不同膠結(jié)情況下這些波包的幅度存在明顯差異，從而判斷水泥膠結(jié)質(zhì)量，并建立有限聲束模型計算斜入射時的反射全波，研究聲波入射角對反射波的影響。謝丹艷等^［7］提出水平井上可能存在的水泥環(huán)缺陷，利用有限差分法，對復(fù)雜井孔聲場缺陷的水平井進行了數(shù)值模擬。解廷菊等^［8］采用有限元方法模擬超聲波在套管井多層介質(zhì)中的傳播規(guī)律，提取套管聲波特性，對比膠結(jié)良好和水泥環(huán)缺失等情況下聲波的時域特征和頻域特征，并引入敏感頻率，判斷缺陷方位。宋若龍等^［9］針對套管井扇區(qū)水泥缺失的非對稱井孔聲場，采用應(yīng)力速度有限差分法并行程序進行研究，為反演方法提供數(shù)據(jù)，完善了分區(qū)水泥膠結(jié)測井的解釋方法。孫志峰等^［10］研究了基于超聲脈沖反射法對水泥環(huán)第二界面固井質(zhì)量探測方法，模擬不同聲源脈沖寬度及不同聲阻抗地層對第二界面超生反射波的影響，發(fā)現(xiàn)采用窄帶的超聲脈沖回波技術(shù)可以有效評價水泥環(huán)第二界面的固井質(zhì)量。目前，中海油田服務(wù)股份有限公司開發(fā)的多功能超聲波成像測井儀表，采用超聲波換能器沿井壁進行旋轉(zhuǎn)掃描，可實現(xiàn)內(nèi)壁成像、內(nèi)徑成像，進行套管損傷及固井質(zhì)量評價。

超聲波無損檢測（NDT）方法具有快速、高效、便捷等特點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)檢測等方面^［11-13］，檢測方式包含單點檢測和陣列超聲。在實際應(yīng)用中，超聲波探頭的安裝可根據(jù)檢測位置和檢測方式進行特定設(shè)計，從而提高檢測精度^［14］。超聲無損檢測在水泥環(huán)的檢測過程中具有實時、精度高、不會對水泥環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞等特點。本文利用超聲脈沖反射原理，利用COMSOL多物理場有限元計算軟件，模擬超聲波在固井水泥環(huán)中的傳傳播狀態(tài)和反射規(guī)律，研究缺陷超聲反射回波的特性。分析相應(yīng)參數(shù)，得到缺陷的實際形態(tài)。研究結(jié)果可為超聲波在固井水泥環(huán)內(nèi)部缺陷檢測的應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 模型建立

超聲波在兩種不同類型的介質(zhì)中傳播，會發(fā)生折射現(xiàn)象，入射角與反射角的關(guān)系可用斯涅爾定律（Snell’s Law）^［15］來表示：

式中：α為壓力聲波的入射角，（°）；β為剪切聲波的折射角，（°）；γ壓力聲波折射角，（°）；c_p、c_s分別為壓力聲波和剪切聲波在介質(zhì)中的傳播速度，m/s。當(dāng)聲波在2種介質(zhì)中傳播時的折射現(xiàn)象如圖1所示。

由圖1可以得出：隨著入射角α的不斷增大，壓力聲波折射角γ也隨之增大并達到90°，此時，將沒有壓力聲波在水泥環(huán)中傳播；隨著入射角α的繼續(xù)增大，剪切聲波的折射角β也隨之達到90°，此時，將沒有聲波在水泥環(huán)中傳播^［15］。壓力聲波折射角γ為90°時的入射角定義為第一臨界角，剪切聲波折射角β為90°的入射角定義為第二臨界入射角。為了降低壓力聲波的反射對檢測的影響，需調(diào)整入射角范圍，保證入射角度在第一臨界入射角和第二臨界入射角之間。

采用壓電片激發(fā)超聲波，壓電片、水泥環(huán)按實際尺寸等比例縮小，在水泥環(huán)中間設(shè)置一處缺陷。將壓電片貼于水泥環(huán)表面，并向水泥環(huán)內(nèi)部發(fā)送超聲波，缺陷水泥環(huán)及超聲探頭位置如圖2所示。

由于水泥環(huán)材料的各向同性并考慮計算速度，最大限度提高計算效率。參照缺陷樣式，在COMSOL仿真軟件中建立帶缺陷的水泥環(huán)橫截面二維模型，缺陷截面面積為整體水泥環(huán)截面積的1/5～，將其放在水泥環(huán)中間的任意位置。由于超聲波在檢測水泥環(huán)缺陷時，聲波可以沿水泥環(huán)圓周方向多角度進行傳播，為方便結(jié)果對比，將水泥環(huán)中不同類型的缺陷構(gòu)建在同一位置，并保證不同類型缺陷的面積相同。由于水泥環(huán)在井下復(fù)雜環(huán)境中會產(chǎn)生形態(tài)各異的缺陷，主要以多方位裂紋為主，這里采用二維模型進行仿真，根據(jù)三維缺陷剖面建立矩形、圓形、裂縫以及星形等4種平面缺陷。缺陷類型如圖3所示。

COMSOL軟件建模中，考慮到壓電激發(fā)的超聲波容易發(fā)生散射、折射等現(xiàn)象，影響檢測的準(zhǔn)確性，在壓電片周圍建立吸音層以及匹配層。壓電片激發(fā)超聲波后先傳播至有機玻璃中，通過有機玻璃傳播到水泥環(huán)，并在水泥環(huán)的兩邊設(shè)置完美匹配層，吸收傳播到水泥環(huán)邊界處的超聲波，減少反射，保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。在壓電片的一端設(shè)置邊界探針，探測傳遞到此處的電勢。建立的水泥環(huán)缺陷檢測二維模型如圖4所示。

1.2 材料選取

COCEM-Resin水泥漿體系是以PC-RS10L樹脂為主要功能性材料，配合降失水劑、緩凝劑、消泡劑以及其他添加劑組成的水泥漿體系，具有防腐防竄、增韌增強增膠結(jié)、抗溫抗鹽、體系穩(wěn)定、普適性強等特點，使用溫度范圍4～220 ℃，適用于高溫高壓、含腐蝕氣體固井，以及各種技術(shù)套管固井、尾管固井等。這里模擬仿真選用COCEM-Resin水泥漿體系為水泥環(huán)的基體材料。采用伸縮型PZT-5H壓電陶瓷片作為超聲波的激發(fā)裝置，將其貼在有機玻璃上，產(chǎn)生的超聲波通過有機玻璃材料傳入水泥環(huán)中。吸音層和匹配層為自定義材料。主要物理仿真參數(shù)如表1所示。

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分會對計算的精度和效率產(chǎn)生直接影響。劃分的網(wǎng)格大小與介質(zhì)中超聲波傳遞的速度、聲源頻率等因素有關(guān)。為滿足超聲波壓電片和超聲波在水泥環(huán)內(nèi)部傳遞計算精度的要求，網(wǎng)格類型選擇自由三角形網(wǎng)格^［16］。并將超聲波壓電片、吸音層、匹配層、有機玻璃等的網(wǎng)格進行加密。網(wǎng)格最大尺寸為：

式中：S_m為網(wǎng)格最大尺寸，mm；C_s為在材料中剪切聲波的傳播速度， m/s；f₀為超聲波頻率，MHz；k為網(wǎng)格劃分系數(shù)，根據(jù)仿真需求可取1.5～5.0。

構(gòu)建不同類型的缺陷模型，劃分網(wǎng)格，并且對缺陷周邊的網(wǎng)格進行細化處理。劃分模型網(wǎng)格圖如圖5所示。

1.4 計算求解

一般情況下，進行有限元模型求解時，為了確保求解的精確性，需要限定求解器的時間步長。選擇較大步長達不到計算精度的要求，計算效果會與實際結(jié)果產(chǎn)生偏差；選擇較小步長會增加計算成本，

降低計算效率^［17］。通過測試，設(shè)置本模型的時間步長Δt為：

式中：T₀為超聲波周期。

如果超聲波頻率增加，在滿足計算精度的前提下可以適當(dāng)增加時間步長。

根據(jù)固井水泥環(huán)實際的截面尺寸，進行等比例縮放，設(shè)定水泥環(huán)模型的尺寸為長60 mm，高20 mm。停止時間應(yīng)設(shè)定在超聲波能夠傳播到水泥環(huán)內(nèi)部的缺陷位置，并且由該缺陷反射回來的聲波能夠完全返回至探頭的位置即可。超聲波在水泥環(huán)中的傳播路徑如圖6所示。

1.5 激勵信號設(shè)置

聲波信號的類型可分為多種波形，如正弦波、三角波、矩形波等。為了減少聲波二次衍生所產(chǎn)生的影響，通常采用能力集中的波形來降低干擾。這里采用Hanning窗調(diào)制的正弦函數(shù)作為激勵聲源，對不同周期的Hanning窗正弦信號激勵的波形進行對比分析。超聲波中心頻率選擇為1 MHz^［18］。將5T₀、7T₀、10T₀、15T₀下1 MHz的Hanning窗調(diào)制的正弦信號進行對比，研究信號周期對反射回波的影響，從而選擇合適的周期作為水泥環(huán)缺陷檢測的激勵信號周期。不同周期的 Hanning 窗正弦信號波形圖如圖7所示。

將以上4種周期的信號分別作為壓電超聲波的激勵信號，發(fā)送的聲波能量沿壓電片橫向平均分布。壓電片所發(fā)出的超聲波時間分布函數(shù)為：

式中：f₀為激勵中心的超聲波頻率，MHz；n為信號周期數(shù)，n=5、7、10、15。

采用相同方式建立超聲波垂直入射模型，研究超聲波的直達波與底面反射波之間的波形圖，結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，激勵信號的周期數(shù)越大，波在時域上的寬度也越寬。提取底面反射波的最大幅值與直達波的最大幅值，研究缺陷反射波波峰受周期數(shù)影響的變化^［19］。將底面反射波最大幅值與直達波最大幅值之比定義為底面反射率。圖9為以上4種周期底面反射率曲線圖。從圖9可以看出，隨著聲波激勵信號的周期數(shù)增加，它的底面反射率逐漸降低，并且信號在時域范圍內(nèi)的寬頻也隨著信號周期的增加而變大，容易引起信號疊加，導(dǎo)致結(jié)果不明確。綜合考慮，本文選擇5T₀ Hanning窗調(diào)制的正弦信號作為激勵信號進行后續(xù)的缺陷檢測模擬仿真。

除超聲波周期外，頻率也會對檢測結(jié)果產(chǎn)生較大影響。這里對比分析了5T₀ Hanning窗調(diào)制的0.6、0.8、1.0、1.2 MHz 這4種頻率下的正弦波，結(jié)合檢測波形和底面反射率選擇合適的超聲波頻率。采用相同的聲波入射方式，改變激勵信號的頻率進行模擬仿真，研究頻率對超聲探頭接收回波的影響。4種不同頻率下超聲波的直達波與底面反射波的波形圖如圖10所示。

為選擇合適的超聲波頻率，將不同頻率下底面反射波最大幅值與直達波的最大幅值進行對比。圖11為不同超聲波頻率下底面反射率曲線圖。

從圖10、圖11可以看出，同周期不同頻率Hanning調(diào)制的正弦信號，當(dāng)超聲波頻率小于等于0.8 MHz時，超聲波探頭接收到的幅值較大，這是因為低頻超聲波在介質(zhì)中的傳播速度較小，與其他模態(tài)下聲波的傳播速度相近，造成多模態(tài)疊加，信號幅值增大，在檢測過程中會引起較大的誤差；當(dāng)超聲波頻率超過0.8 MHz且不斷增加時，底面反射率隨著頻率的增加而衰減，并且直達波的時域?qū)挾纫膊粩嘟档?，這是因為頻率越高，超聲波在傳播過程中的衰減越大。

綜合對比，選擇1.0 MHz 5T₀ Hanning調(diào)制的正弦波信號作為超聲波探頭激發(fā)的激勵信號，進行后續(xù)的固井水泥環(huán)缺陷檢測的模擬仿真。

2 結(jié)果分析

2.1 不同缺陷類型之間的結(jié)果對比

由于井下的復(fù)雜環(huán)境，導(dǎo)致水泥環(huán)內(nèi)部產(chǎn)生的

缺陷種類多樣。本節(jié)將自主設(shè)計4種類型的缺陷，研究不同類型缺陷下超聲波檢測的結(jié)果。進行缺陷聲波檢出對比。首先給出無缺陷時超聲波檢測波形，如圖12所示。

由超聲波檢測波形變化曲線可見，在0～5 μs內(nèi)為超聲波探頭檢測的Hanning調(diào)制的1.0 MHz5T₀激勵信號的直達波，5～30 μs內(nèi)表示超聲波在有機玻璃和水泥環(huán)中傳播，由于沒有明顯缺陷，超聲波探頭并未檢測到明顯突變的信號。為對比不同類型缺陷對超聲波檢測的影響，將4種不同類型缺陷的面積及位置設(shè)置的基本一致。圖13為4種不同類型缺陷下超聲波探頭檢測到的波形。

由超聲波探測各類缺陷的波形變化曲線可知：0～5 μs內(nèi)為Hanning窗調(diào)制的超聲波始波波形;5～15 μs內(nèi)為超聲波在超聲探頭和水泥環(huán)內(nèi)部傳播，波形信號有微弱波動，是由于超聲波到達超聲探頭和水泥環(huán)界面處反射的波形引起，但其強度較弱，檢測波形沒有明顯變化;16～24 μs內(nèi)為超聲波缺陷檢出波形，缺陷反射聲波信號強度相比于超聲波探頭與水泥環(huán)界面反射的信號較強，有較為明顯直觀的波形變化。超聲波在材料的傳播過程中，由于材料自身阻尼存在，聲波強度沿傳播過程逐漸降低。

為研究超聲波在探測不同類型缺陷的過程中檢測信號強度的大小，將4種不同類型缺陷反射波最大電勢與直達波最大電勢進行比較。結(jié)果顯示：矩形缺陷的超聲波檢測信號強度最強，為5.15%；圓形缺陷的超聲波檢測信號強度最弱，為1.46%;裂紋缺陷和星形缺陷的超聲波檢測信號強度次之，分別為2.10%和2.99%。

2.2 缺陷不同角度之間的結(jié)果對比

為探究缺陷主方向與超聲波缺陷檢測信號強度之間的關(guān)系，將采用矩形缺陷模型，設(shè)置固定的超聲波入射方向，改變矩形缺陷的角度進行檢測。設(shè)置4種不同角度的矩形缺陷，不同角度矩形缺陷的檢測波形如圖14所示。

從圖14得出：當(dāng)矩形缺陷的主方向與超聲波探測信號的入射方向垂直時，超聲波缺陷探測信號的強度最高，為5.15%；當(dāng)矩形缺陷的短邊方向與超聲波探測信號的入射方向垂直，即探測角度為0°時，信號檢出強度為0.903%；當(dāng)矩形缺陷的長、短邊均不與超聲波探測信號的入射方向垂直時，信號檢出強度僅為0.60%～0.62%。

3 討 論

超聲波檢測水泥環(huán)內(nèi)部不同類型的缺陷時，檢測信號的強弱受多種因素影響，有缺陷邊數(shù)、缺陷整體尺寸以及缺陷的主方向等。當(dāng)缺陷呈現(xiàn)多裂紋、小尺寸、缺陷處較光滑、缺陷的主方向平行于超聲波的入射方向時，檢測信號的強度較弱；反之，當(dāng)缺陷呈現(xiàn)少邊數(shù)、大尺寸、缺陷邊緣棱角分明、缺陷的主方向垂直于超聲波入射方向時，檢測出的超聲波缺陷信號強度較強^［15］。

在超聲波聲源位置相同的情況下，檢出信號的強弱與缺陷種類之間存在著一定的關(guān)系。矩形缺陷的檢測信號最強而圓形缺陷的檢測信號最弱。這是因為當(dāng)超聲波傳播至矩形缺陷和圓形缺陷時，由于矩形缺陷的主缺陷方向垂直于超聲波檢測信號的入射方向，正對長度較大，能大量反射入射到缺陷處的超聲波，產(chǎn)生更多的反射回波，超聲波探頭將其反射信號接收，得到較強的檢測信號；而在圓形缺陷處，超聲波入射到缺陷處的聲波大部分會沿著圓形缺陷邊緣的法線方向傳播，只有極少數(shù)的聲波會被原路反射回去，被超聲波探頭接收，檢測信號強度較弱。而裂紋缺陷和星形缺陷的主缺陷方向并不完全垂直于超聲波的入射方向，但相比于圓形缺陷，會有較多的聲波反射回超聲波探頭，因此這2種缺陷類型的檢測信號強度次之。超聲波在不同類型缺陷處的超聲波反射情況如圖15所示。

此外，在同一超聲波聲源信號下，檢出缺陷信號的強度與缺陷的主方向也有關(guān)系。當(dāng)缺陷主方向垂直于聲波入射方向時，缺陷邊緣將大量的聲波反射回超聲探頭，從而缺陷檢測信號的強度較大。當(dāng)缺陷的主方向改變或改變超聲波的入射方向時，缺陷的主方向尺寸在超聲波入射信號垂直方向上的映射長度發(fā)生變化，映射長度越短，反射的聲波越少，超聲波檢測信號的強度越弱。在檢測過程中，發(fā)現(xiàn)缺陷的檢測信號強度很低時，可以通過改變超聲波入射信號的方向進行檢測。對比不同超聲波入射方向下缺陷的信號檢測強度變化，可以確定水泥環(huán)中的缺陷位置以及缺陷的主方向。

針對建立的水泥環(huán)缺陷超聲檢測模型，可以在15～25 μs內(nèi)完成對水泥環(huán)內(nèi)部缺陷的檢測工作。以某井的固井水泥環(huán)為例，將建立的模型等比例擴大，根據(jù)超聲波在水泥中的傳播速度，超聲波無損檢測技術(shù)可以在50 μs內(nèi)接收到水泥環(huán)內(nèi)部切面處缺陷的反射波，這種超聲無損檢測方式將極大地提升水泥環(huán)內(nèi)部缺陷的檢測效率。進一步，可以通過對比一段時間內(nèi)同一位置處缺陷檢測波信號強度的變化，判斷出水泥環(huán)內(nèi)部缺陷繼續(xù)擴展，從而為后續(xù)水泥環(huán)狀態(tài)評價提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

針對固井水泥環(huán)內(nèi)部不同類型缺陷的特征，以COMSOL多物理場軟件為仿真工具，使用壓電效應(yīng)以及超聲波在水泥環(huán)中的傳播狀態(tài)和反射規(guī)律，建立帶有缺陷的水泥環(huán)剖面二維模型，通過分析接收到的水泥環(huán)缺陷反射波信號強度，得出如下結(jié)論：

（1）在COMSOL仿真軟件中建立帶有缺陷的水泥環(huán)超聲檢測模型，采用壓電片激發(fā)1.0 MHz 5周期Hanning調(diào)制的正弦信號的超聲波適用于檢測水泥環(huán)內(nèi)部缺陷，具有較高的檢測精度。

（2）水泥環(huán)內(nèi)部缺陷可以產(chǎn)生明顯的超聲波反射回波，回波幅值可以對缺陷類型進行有效的識別，并且反射回波的幅值可以作為缺陷尺寸大小的衡量因素之一。水泥環(huán)缺陷類型對超聲波檢測缺陷結(jié)果有較為明顯的影響，其中矩形缺陷的檢測結(jié)果最優(yōu)，裂紋缺陷和星形缺陷的檢測效果次之，圓形缺陷的檢測結(jié)果最差。且主缺陷方向與超聲波入射方向垂直時，檢測的效果最佳。

（3）在模型中只設(shè)計一個超聲波探頭，對于同種類型不同方向的缺陷檢測效果較差，只能較為準(zhǔn)確地檢測出缺陷主方向與超聲波入射方向垂直時的缺陷。基于此后續(xù)研究可以采用相控陣超聲探頭檢測固井水泥環(huán)內(nèi)部缺陷的方法可以提高缺陷檢測的準(zhǔn)確性。

（4）基于COMSOL多物理場仿真軟件使用壓電激發(fā)的超聲波對固井水泥環(huán)內(nèi)部缺陷檢測方法可以快速、高效的檢測到水泥環(huán)內(nèi)部的缺陷，具有精度高、安全性高、不需對水泥環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞等特點。研究結(jié)果可為超聲波在固井水泥環(huán)內(nèi)部缺陷檢測的應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻

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第一作者簡介：：趙彥淇，生于2000年，在讀碩士研究生，研究方向為智能監(jiān)測與控制。地址：湖北省荊州市。電話：（0716）8062600。email：zyq20000701@126.com。

通信作者：萬繼方，高級工程師。email：wanjifang@126.com。