基于方位声波固井质量检测仪的Ⅱ界面窜槽响应特性分析

2022-12-19赵琪琪杨书博车小花乔文孝左程吉

科学技术与工程 2022年31期

赵琪琪，杨书博，车小花* ，乔文孝，左程吉

(1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249; 2.北京市地球探测与信息技术重点实验室，北京 102249;3.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)

固井质量的好坏对油气井寿命、产能、勘探开发效益的影响很大[1-5]。声幅-变密度测井(cement bond log-variable density log， CBL/VDL)是目前应用最为广泛的水泥胶结质量评价方法之一，其基本原理是利用单发双收声系进行居中测量，通过分析套管波和地层波的幅度来评价Ⅰ界面(套管-水泥界面)和Ⅱ界面(水泥-地层界面)的整体胶结状态。然而，由于采用单极声源和单极接收器，该仪器不能分辨窜槽的中心方位和角度范围[6-8]。为了提高CBL/VDL仪器的方位分辨能力，中国石油大学(北京)声波测井实验室将相控圆弧阵声波换能器引入固井质量评价领域。Che等[9]基于有限差分算法对比分析了单极声源和相控圆弧阵声源在套管井中产生的声场，通过控制相控圆弧阵参数实现了在井中以较窄的角度向套管、水泥和地层中定向辐射能量，为方位声波固井质量检测仪(azimuthally acoustic bond tool，AABT)的研发奠定了理论基础。之后，Che等[10-11]推出了第一代AABT仪器(AABT1.0)，该仪器采用一个相控圆弧阵作为声源，两个单极子作为接收器，不仅能够实现常规的CBL/VDL测量功能，而且还具有方位测量功能；数值模拟和现场实验均验证了其良好的方位分辨能力。为了提高仪器的实用性和稳定性，吴铭德等[12]对仪器的声系结构进行了改进，推出了第二代AABT仪器(AABT2.0)。AABT2.0的发射声系为由两个单极子组成的相控线阵声源，接收声系包括两个相控圆弧阵声波接收器站。Liu等[13]基于有限差分算法详细地分析了方位接收器径向位置、窜槽方位角、套管内径、声源频率等参数对AABT2.0测量响应的影响。Zuo等[14]结合数值模拟结果和实验井资料处理结果，研究了AABT2.0在确定窜槽的中心方位和角度范围中的应用效果，分析了相控圆弧阵声波接收站在提高仪器方位测量分辨能力中的优越性。然而，上述研究均聚焦于Ⅰ界面窜槽，未对Ⅱ界面窜槽时的探测特性进行分析，影响了AABT2.0的现场使用效果。

为了进一步明确复杂测量条件下套管井声场的传播规律，拓宽AABT2.0的应用范围，有必要对其在不同Ⅱ界面窜槽条件下的响应特征进行研究。因此，在前人的基础上，利用有限差分算法模拟了AABT2.0在Ⅱ界面窜槽时的测量响应特征，着重分析了该仪器在确定Ⅱ界面窜槽的中心方位和角度范围中可行性。研究结果有助于完善方位水泥胶结质量评价理论，提高窜槽精细评价效果。

1 方位声波固井质量检测仪(AABT2.0)

AABT2.0仪器结构示意图如图 1所示，发射声系为由两个单极子组成的相控线阵声源，接收声系包括两个相控圆弧阵声波接收站，源距分别为3 ft(0.91 m)和5 ft(1.52 m)[12-14]。每个相控圆弧阵声波接收站包括八个沿周向均匀排列的接收阵元，每个接收阵元独立接收声波信号。因此，在每个测量深度点，两个相控圆弧阵声波接收站共接收到16道波形。将各阵元独立接收到的波形称为相控圆弧阵声波接收站的独立接收波形，此接收模式称为独立接收模式[14-15]。相控圆弧阵声波接收站中相邻的多个接收阵元还可以构成一个接收子阵来接收信号。根据波束形成原理，相控圆弧阵声波接收站可以输出任意方位的扫描接收波形，此接收模式称为扫描接收模式[14-15]。若接收阵元RE1朝向正北方位，则RE1、RE2、RE3、RE4、RE5、RE6、RE7和RE8所在的方位角分别为 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。

图1 AABT2.0结构示意图Fig.1 Diagram of AABT 2.0 structure

2 水泥-地层界面(Ⅱ界面)水泥胶结质量评价

2.1 数值计算模型

套管井中Ⅰ界面胶结质量良好、Ⅱ界面存在水泥窜槽时的计算模型如图2所示。模型大小为0.5 m × 4 m × 360°，由内而外分别为井内流体、套管、水泥环、地层。水泥窜槽位于水泥环与地层之间，窜槽的轴向长度与模型的轴向长度一致。相控圆弧阵声波接收站中的每个接收阵元均采用点接收器近似代替，RE1～RE8各阵元的方位角分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。设α为水泥窜槽的中心方位角，θ为水泥窜槽的周向角度范围。在本文的模拟中，α始终等于180°，仅改变θ的大小。水泥窜槽厚度为0.01 m。相控圆弧阵声波接收站的径向半径为0.04 m，声源中心点在z方向的坐标为0.5 m。声源函数选取雷克子波，声源所施加激励信号的延迟时间设置为0.8 μs。

1 ft=0.304 8 m图2 套管井Ⅱ界面含窜槽模型Fig.2 Simulation model of a cased hole with a channeling at the Ⅱ interface

利用三维柱坐标系有限差分法对模型进行计算[16-19]，径向和轴向步长均为0.005 m，周向步长为4.5°，时间步长为0.1 μs，时间计算长度为2 ms。完全匹配层(perfectly matched layer，PML)在轴向和径向上分别有20个网格点，因此，整个计算区域的总网格数为120×840×80，模型中各介质参数如表1所示。

表1 计算模型中的介质参数Table 1 Material parameters in the calculation model

2.2 波形特征分析

Ⅱ界面窜槽角度范围为θ= 180°时，两个相控圆弧阵声波接收站独立接收的八个方位的首波波形如图3所示。基于波束成形原理[14-15]，每隔1°计算得到的相控圆弧阵声波接收站扫描接收波形如图4所示。为了便于展示，每隔15°显示一道波形。将波形中的第一个正峰和第二个负峰的峰-峰值作为首波幅度。分析可知，窜槽中心方位α= 180°的接收阵元所接收到的首波的到时最早，幅度最大。窜槽角度范围(90°～270°)对应的接收阵元接收到的首波幅度要高于其他方位。因此，可以根据首波幅度在周向上的分布特征，来判断Ⅱ界面窜槽的方位角及角度范围。分别开窗统计独立接收波形和扫描接收波形的首波幅度，并进行归一化处理，得到了首波的归一化幅度随方位角的分布曲线，如图5所示。分析可知，首波幅度分布曲线可以更明显的分辨窜槽中心方位及角度范围。当窜槽角度范围为θ= 180°时，两种接收模式的首波幅度分布曲线的周向非均匀性相差不多，均能够准确判断Ⅱ界面窜槽的方位及角度范围。

1 ft=0.304 8 m图3 θ = 180°时，R1和R2声波接收站各个接收阵元独立接收到的波形Fig.3 Waveforms received by the elements of the R1 and R2 acoustic receiver stations with θ=180°

1 ft=0.304 8 m图4 θ = 180°时，R1和R2声波接收站扫描接收模式得到的波形Fig.4 Waveforms received by the scanning-reception mode of R1 and R2 acoustic receiver stations with θ=180°

1 ft=0.304 8 m图5 θ = 180°时，R1和R2声波接收站接收到的首波归一化幅度随方位角的分布曲线Fig.5 Relationships between the normalized amplitude of the head wave received by the R1 and R2 acoustic receiver stations and the azimuth angle with θ=180°

同样地，针对Ⅱ界面窜槽角度范围分别为θ= 90°、60°、30°时的声场响应进行了计算，如图6～图11所示。分析可知，无论哪种情况，独立接收波形和扫描接收波形首波幅度的最大值都对应出现在窜槽中心方位180°，但窜槽角度范围的识别相对较为复杂。特别地，R1声波接收站接收到的首波可能会受到后续地层纵波的影响，可能出现首波幅度计算不准确的现象。因此，在实际应用中利用R2声波接收站接收到的波形进行Ⅱ界面窜槽识别可能是更好的选择。当θ= 90°或60°时，扫描接收模式得到的首波幅度分布曲线的周向非均匀性要稍强于独立接收模式得到的首波幅度分布曲线。当θ= 30°时，首波幅度在方位上相差很小，利用独立接收波形和扫描接收波形均无法有效判断窜槽的角度范围。

1 ft=0.304 8 m图6 θ = 90°时，R1和R2声波接收站各个接收阵元独立接收到的波形Fig.6 Waveforms received by the elements of the R1 and R2 acoustic receiver stations with θ=90°

1 ft=0.304 8 m图7 θ = 90°时，R1和R2声波接收站接收到的首波归一化幅度随方位角的分布曲线Fig.7 Relationships between the normalized amplitude of the head wave received by the R1 and R2 acoustic receiver stations and the azimuth angle with θ=90°

1 ft=0.304 8 m图8 θ = 60°时，R1和R2声波接收站各个接收阵元独立接收到的波形Fig.8 Waveforms received by the elements of the R1 and R2 acoustic receiver stations with θ=60°

1 ft=0.304 8 m图9 θ = 60°时，R1和R2声波接收站接收到的首波归一化幅度随方位角的分布曲线Fig.9 Relationships between the normalized amplitude of the head wave received by the R1 and R2 acoustic receiver stations and the azimuth angle with θ=60°

1 ft=0.304 8 m图10 θ = 30°时，R1和R2声波接收站各个接收阵元独立接收到的波形Fig.10 Waveforms received by the elements of the R1 and R2 acoustic receiver stations with θ=30°

1 ft=0.304 8 m图11 θ = 30°时，R1和R2声波接收站接收到的首波归一化幅度随方位角的分布曲线Fig.11 Relationships between the normalized amplitude of the head wave received by the R1 and R2 acoustic receiver stations and the azimuth angle with θ=30°

图12为Ⅱ界面窜槽角度范围分别为θ= 180°、90°、60°、30°时，统计得到的R2(5 ft)声波接收站扫描接收波形的首波幅度随方位角的分布曲线。分析可知，首波幅度的最大值对应出现在窜槽的中心方位，窜槽角度范围所对应的首波幅度要大于其他方位。随着Ⅱ界面窜槽角度范围θ的减小，首波幅度快速减小，并且周向上的非均匀性也稍有减小。

图12 4种Ⅱ界面窜槽角度范围R2声波接收站接收到的首波幅度随方位角的分布曲线Fig.12 Relationships between the amplitude of the head wave received by the R2 acoustic receiver station and the azimuth angle for four types of channeling angles

2.3 成像显示

不同深度的井段可能对应不同的窜槽情况。为了更直观地展示相控圆弧阵声波接收站的方位分辨能力，对不同窜槽角度范围情况下的首波幅度进行了轴向成像显示。在成像时，由于θ= 360°时的套管波首波幅度要远高于其他窜槽角度范围的套管波首波幅度，若在轴向上使用同一量级的幅度，则无法显示小角度窜槽的套管波首波幅度特征[14]。针对这一问题，提出一种对数归一化成像显示方法，表达式为

AmpMax=max[Amp(i)]

(1)

(2)

式中：Amp(i)为第i个阵元的套管波首波幅度值，i为阵元编号；AmpMax为套管波首波幅度最大值；AmpAvg为所有接收阵元的套管波首波幅度均值；AmpXNom为对数归一化后的套管波首波幅度。归一化成像可以显示轴向上不同角度窜槽井段的套管波首波幅度在周向上的差异，但是归一化后幅度值区间为0 ～ 1，无法显示轴向上首波幅度值差异。对数归一化显示方式将套管波首波幅度直接显示和归一化显示两种显示方法进行了结合，既能体现不同角度窜槽井段的套管波首波幅度在周向上的差异性，同时也能显示轴向上的首波幅度值的大小差异。

针对Ⅱ界面窜槽角度范围分别为θ= 180°、90°、60°、30°这4种情况，统计了R2(5 ft)声波接收站独立接收波形及扫描接收波形的首波幅度，并在轴向上进行成像显示，如图13所示。每种窜槽角度范围情况下的独立接收模式图像值为利用八个方位首波幅度进行线性插值计算得到，每种窜槽角度范围情况下的扫描接收模式图像值为基于波束成形原理获得各周向方位的波形，进而计算首波幅度值而得到[14]。图13中虚线框为Ⅱ界面窜槽的实际方位角度范围。分析可知，相控圆弧阵声波接收站的扫描接收模式对小角度窜槽的识别效果更好，成像结果能够更准确的判断窜槽的方位和范围，并有较高方位分辨率。因此，利用AABT2.0的扫描接收模式，可以在Ⅰ界面胶结质量较好时，对Ⅱ界面的方位固井质量进行评价。

图13 4种Ⅱ界面窜槽角度范围R2声波接收站接收到的首波幅度成像显示Fig.13 Amplitude maps of the head waves received by the R2 acoustic receiver station for four types of channeling angles