（地质工程专业论文）sbt分区水泥胶结测井仪及其应用研究.pdf

s b t 分区水泥胶结测井仪及其应用研究 陈雷( 地质工程) 指导教师：李会银副教授 摘要 分区水泥胶结测井仪( s e g m e n t e db o n dt 0 0 1 s b t ) 是用于固井质量 评价的一种先进的测井技术，目前已在油田生产中进行服务，获得了良 好的应用效果。 通过对s b t 压电片的外形及其几何尺寸、换能器的结构及其动态特 征、压电片的电特征及配对等方面进行研究，以及大量的室内试验、数 值模拟和现场试验表明，s b t 声波测井仪器的换能器是声波测井仪器的 关键部件，对压电片粘接材料和工艺的选择也是一个很重要的影响换能 器性能( 频率特征、绝缘特征、使用寿命等) 的方面。s b t 换能器的性 能包括其频率特征、声波能量指向性、动态特征以及电性特征等，压电 片的材料、配对、几何尺寸、粘接工艺又决定了换能器的这些性能。 根据声波换能器性能的一致性对其进行筛选，研究制造的s b t 仪器 性能稳定可靠，各主要技术指标均达到了设计要求，达到了目前国外同 类仪器的先进水平。随着仪器的进一步推广应用，必将在油田的固井质 量评价测井中发挥更为重要的作用。 关键词：分区水泥胶结测井仪，声波换能器，固井质量评价 i i s e g m e n t e d b o n dt o o la n d a p p f i c a t i o n c h e nl e i ( g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e e t e ab ya s s o c i a t ep r o f e s s o rl ih u i - y i n a b s t r a c t s e g m e n t e db o n dt o o l ( s b t ) i sa ne x c e l l e n tt e c h n o l o g ya p p l i e dt o p r i m a r yc e m e n te v a l u a t i o n ，a n di t h a sr e c e n t l yb e e ns e r v i c i n gi nf i e l d p r o d u c i n ga n do m a i n i n gs a t i s f y i n ga p p l i c a b i l i t ye f f e c t r e s e a r c h e so fp r o f i l ea n dg e o m e t r yo fp i e z o i d ，c o n s t r u c t e ra n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s d u c e r s ，e l e c t r i c a lb e h a v i o ra n dm a t c ho fp i e z o i d a c c o m p a n i e db ym a s s i v ei n d o o ra n do n s i t ee x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a l m o d e l si n d i c a t et h a to n eo ft h em o s ti m p o r t a n tu n i t sa r e 仃a n s d u c e r sw h o s e p r o p e r t i e s ( f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ，i n s u l a t i n gp r o p e r t y ，w o r k i n gl i f e ) a r e m a i n l ya f f e c t e db y t h ec h o i c eo f p i e z o i db o n d i n gm a t e r i a la n dm a n u f a c t u r i n g p r o c e s s t h ep r o p e r t i e so fs b t u a n s d u c e r si n c l u d ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ， a c o u s t i cd i r e c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c ，a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n de l e c t r i c a l b e h a v i o ra n ds oo n ；h o w e v e r ，t h e ya r ed e t e r m i n e db yt h em a t e r i a l ，m a t c h , a n d g e o m e t r yb o n d i n gp r o c e s so f p i e z o i d t os e l e c tt r a n s d u c e r si na c c o r d a n c ew i t ht h e i ru n i f o r m i t y ，s ot h es b t m a n u f a c t u r e da r es t e a d ya n dr e l i a b l e ，a n dt h em a i nt e c h n i c a ld e s c r i p t i o i l so f t h e s et o o l sf u l f i l le x p e c t e dr e q u i r e m e n t sw e l l i ti sb e l i e v e dt h a ts b th a s o b t a i n e dt h ea d v a n c e dl e v e lo ft h es a m el ( i n do fl o g g i n gt o o l si nt h ew h o l e w o r l d , a n di tw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fo i lf i e l d b e c a u s eo f i t sp o p u l a r i z a t i o na n d a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s e g m e n t e db o n dt o o l ，a c o u s t i ct r a n s d u c e r , p r i m a r yc e m e n t i i i e v a l u a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：2 壬鸳川年r 月w 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 触拯 砷年r 月p e t 3 们7 年 月 ；日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究的目的和意义 分区水泥胶结测井仪( s e g m e n t e db o n dt 0 0 1 s b t ) 是用于固井质量 评价的一种先进的测井技术l l 】。由于仪器数量限制，在大量的固井质量 评价中，没有得到更为广泛的应用，使得这项技术的发展和推广在某种 程度上受到局限。希望能通过对s b t 测并方法和技术的进一步研究，能 够加深对这项技术的理解和认识，以至于推动这项技术的发展，有利于 固井质量评价，更好地服务于生产。 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 国外技术研究的现状 随着补偿水泥胶结测井仪( b a l ) 和第一代径向脉冲回声仪的投产， 固井评价有了稳步的进展，但在定量评价方面仍然有许多不足之处。s b t 是第二代径向固井质量评价仪器，包括数字电子学、计算机、微型电路 技术和换能器发展中的新进展，以及固井评价方法方面不断的改进。s b t 克服了早期仪器的许多局限性，能对水泥胶结质量从纵向和沿套管周边 进行定量测量。 普通水泥胶结测井仪一般用单发双收声系，接收和发射之间的距离 为3 英尺和5 英尺( 0 9 1 米和1 5 2 米) ，3 英尺源距通常用作声幅和传播 时间测量，5 英尺( 1 5 2 米) 源距用作全波( 或半波) 波列显示，或者z 轴辉度调制的变密度显示。 7 0 年代末8 0 年代初，补偿水泥胶结测井仪在工业界推广，这些仪 器采用双发射双接收设计来补偿掉影响普通仪器声幅测量的一些因素， 一般只在产生高声幅信号的层段补偿起作用，在低声幅信号的井段补偿 系统的测量结果与普通仪器相同。普通仪器和补偿仪器进行的测量都是 沿套管周边平均的结果，这使得难于区分围绕套管的低抗压强的水泥量 以及套管周围水泥胶结的好坏。 为了克服普通仪器和补偿水泥胶结测井仪的多解性，研制了第一代 径向固井评价仪，它采用8 个小直径的换能器，按4 5 0 间隔螺旋状绕仪 器轴心排列。由于采用“径向”脉冲回声反射技术。使得每个声波换能 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 器既是发射又是接收，应用5 0 0 k i - i z 宽频带发射，因此激发了套管谐振 频率，可以用声波波列测量出信号的衰减率，衰减率随套管内外物质声 阻抗的变化而变化。常见的物质的声阻抗见表1 1 。 表i - i 典型的声阻抗值 物质声阻抗值 加压气o 1 铸铁 3 7 4 钢4 5 5 7 煤油1 0 7 原油1 1 0 6 水 1 5 油基泥浆i l l b s g a l l ( 1 3 1 8 k g m ) 1 9 ( 6 0 0 0 1 b s i n ) 1 5 1 b s g a l l ( 1 7 9 7 k g m ) 2 2 6 ( 4 1 4 口a ) 1 9 1 b s g a l l ( 2 2 7 7 k g m 3 ) 2 9 8 5 0 0 1 b s i n 2 f 3 4 m p a ) g i - i 级水泥 2 8 5 0 0 0 1 b s i n 2 ( 3 4 5 m p a ) g h 级水泥 5 8 水与高压缩强度水泥之间的声阻抗差别最大，在这种情况下，脉冲 回声测量从自由套管到胶结良好的井段的比值约为4 ：1 ，胶结良好时能承 受的最低压缩强度一般为5 0 0 1 b s i n 2 ( 3 4 m p a ) ，在这种压缩强度下自由套 管到胶结良好的套管信号动态范围比值仅为1 ：1 9 。实际上， 1 4 5 l b s g a l l ( 1 7 3 8 k g m 3 ) 泥浆与5 0 0 1 b s i n 2 ( 3 4 m p a ) 水泥之间的声阻抗的差 异几乎可以忽略不计。为进行可靠的固井质量评价，脉冲回声仪要求泥 浆密度的上限。由于电子线路和动态范围的限制，此上限远远低于1 4 5 l b s g a l l ( 1 7 3 8 k g m 3 ) 。 在油井和气井中，在水泥环中有一定程度的气体污染也是常有的事， 如果水泥浆中没有加表面活性剂以减少气泡生长，与产气层接触的水泥 含有泡状的闭孔式结构。在严重情况下，气泡会聚集并联合成相当大的 空隙空间。脉冲回声测量对泡沫水泥有很强的无法预测的相应，而且， 在极端情况下会错误地把泡沫水泥判断为自由套管，这就是脉冲回声仪 最大的局限性。气侵或许只污染一小段水泥环，如果它出现在目的层或 者接近目的层，则脉冲回声测量会错误指示层间窜槽。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 脉冲回声仪也要求精确居中，如果仪器偏心，换能器就不再相对井 眼轴心保持几何平衡，每个声束也不再垂直于套管壁，这使得发射出的 信号至少部分不能反射回换能器。由于钢套管的内壁形状往往不对称， 而呈现出偏心或椭圆，因此精确居中难以实现。 在1 7 英寸( 1 7 8 毫米) 套管中，上述脉冲回声仪只测量4 2 径向范 围，在更大内径套管中径向覆盖率会更低。 脉冲回声测井仪的这些局限性需要有其它新的水泥胶结测井仪来替 代，在1 9 9 0 年美国阿特拉斯a t l a s 公司首家推出s b t 分区水泥胶结测井 仪，它能沿套管整个圆周纵向和横向测量水泥胶结的质量。 分区水泥胶结测井仪$ b t 从纵向和横向( 沿套管周围) 两个方向测 量水泥胶结质量，利用装在六个极板上的1 2 个高频定向换能器的声系来 测量套管周围六个6 0 。区块。每个极板将其上面的发射和接收换能器推靠 在套管内壁上，极板之间进行补偿测量，以获得六个6 0 。度扇区的声幅衰 减率等测量结果。 5 英尺标准源距的变密度图( v d l ) 主要用于评价水泥环与地层界 面问的胶结质量【2 】。s b t 采用分离发射晶体的办法产生定向波束，突出 水泥环与地层间的耦合作用。在松软地层井段，地层波仍然清晰，而常 规的c b l v d l 地层波则很弱甚至没有。此外，s b t 测量信号数字化、 信噪比高，因此s b t 的v d l 易于解释。 s b t 也提供改进的全波测量和鉴别井眼低侧的仪器方位测量，两个 井下加速度计用来确定下井仪相对于井眼底侧的相对方位角，可用于确 定水泥窜槽的方位。当下井仪竖直时，相对方位多解，而且可能变化： 当井斜大于l o 时，相对方位测量精度在5 0 以内。 目前，a t l 船公司对s b t 测井仪器没有作更多的改进，只是对测量极 板进行了集成化，使得仪器在维修时更换极板快速，但增加了成本。 1 2 2 国内技术研究的现状 国内石油高校、科研院所以及生产单位也纷纷对s b t 测井技术进行 研究，通过对方法技术、仪器各部件性能和对仪器参数进行数值模拟等 方面进行研究，有力地推动该技术的快速发展。 姚京坤、杨荣起等p 1 介绍了s b t 分区水泥胶结测井仪，描述了该仪 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 器的设计思想和工作原理，给出了该仪器的基本性能及技术指标。通过 现场使用情况对比分析，认为该仪器能更好地检查固井质量，提高工作 效率和经济效益。 贺长宏等【4 】详细分析了s b t 换能器，指出s b t 换能器的设计参数来 源于井内偏心声源激发的声波沿圆周方向的传播规律。用4 个压电片并 联后，换能器的静态电容增加，有利于提高换能器的灵敏度；粘接在一 起后，厚度模振动的频率成分丰富，低的基频于井巷振动频率接近，两 者耦合可以使换能器的带宽增加，q 值降低。 余厚全等1 5 】通过理论模拟和实验认为虽然通过改变背衬材料的特性 阻抗可以改变换能器的带宽，但其调整的范围有限。当背衬材料的特性 阻抗增加到四倍匹配层特性阻抗以上时，不仅不会增加带宽，反而会造 成中心频率较大的偏离，同时匹配层的厚度对传输特性的影响具有周期 性。压力的变化对传输特性影响不大，但温度变化对传输特性影响最大。 在有条件的情况下，最好对接收到的声波信号进行温度压力自适应校正。 张秀梅等哺1 用有限元素法数值模拟s b t 测井贴井壁的点声源激励下 套管井中接收到的声压波形，得到套管波性特征除了与固井第1 、i i 界面 的胶结情况有关外，还与套管厚度、水泥环厚度、第界面裂缝宽度等 测井参数有关；在套管厚度或水泥环厚度较小的井段，套管波的幅度大 小受到后续波的影响。 车小花等1 7 1 针对固井质量评价中可能出现的几种典型胶结状况，制作 了1 0 ：1 的小型模型井并进行了模拟测量，试验结果表明首波到时、首波 能量与发射接受探头之间的自由套管面积之间有很好的相关关系，结合 首波到时和首波能量信息可以更好地评价小型模型井的不同胶结状态。 沈建国等【8 】根据井内偏心声源激发的二维声场及井壁不同位置的波 形可以在井壁上激发环绕井壁传播纵波、恒波及其它面波的理论，用实 轴积分法计算了位于井壁附近的声源在井内液体和固体界面上激发的声 场，结果表明当地层的横波速度大于井内流体的声速时，用位于井壁附 近的声源激发，可以得到沿圆周方向环绕井壁传播的纵横波。在不同源 距、不同方位角处进行测量，可以得到不同源距处随方位角变化的纵横 波时差，用这些时差可以得到地层接近水平方向上的纵横波声速。研究 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 认为当井外为多层固体时，声波在固体层中多次反射和透射其波性特征 受到固体层参数的影响，对应的声波测井的探测深度也受到一定的影响。 周祥宝、王玉栋 9 1 通过分析影响套管波幅度的各种影响因素，建立 了固井质量定量解释的模型。 孙建孟等1 10 】研究得到地层波受套管波、噪声等因素的影响较严重导 致地层波能量求不准时各种方法评价结果差别较大的主要原因，利用裸 眼井声波时差和井径确定地层波到达时间后，在频率内求地层波能量可 以消除其它干扰信息。在定义第1 i 界面胶结指数时考虑到地层波衰减的 影响，使得对第1 i 界亟胶结质量的定量评价更准确。 中石化胜利测井公司研究制造出具有国际先进水平的分区水泥胶结 测井仪器s l 6 4 2 4s b t ，该仪器在孤古8 等试验井中已经取得了合格的资 料。但进行大面积的应用推广目前还需要做各方面的工作，如仪器迸一 步成熟、操作人员的培i ) i l 、市场宣传和推广、解释评价技术加强等。 1 3 研究内容和组织结构 本论文拟在前人研究基础上，结合s b t 测井过程中出现的问题，对 直接影响到s b t 测井效果的声波换能器和极板结构进行认真研究，利用 有限元分析软件a n s y a 数值模拟s b t 接收换能器接收到的声波全波列 波形，来分析s b t 测井仪器的测井响应。大量的室内实验发现，声波换 能器的一致性直接影响s b t 测井，通过筛选得到的声波换能器进行测井 效果良好，另外用测井实例分析了s b t 分区水泥胶结测井仪在生产中的 应用。 1 。3 。1 研究内容 以s b t 溯j 井方法与原理为理论基础，结合物理和数学等方法为手段， 分别对s b t 测井仪的换能器，测量极板以及测井响应等进行研究分析。 ( 1 ) 深入理解领会s b t 测井方法与原理； ( 2 ) 结合物理和数学知识进一步分析s b t 声波换能器和极板性能，通过 大量的室内实验测试声波换能器的一致性； ( 3 ) 利用有限元分析软件a n s y a 数值模拟s b t 接收换能器接收到的声 波全波列波形，来分析s b t 测井仪器的测井响应； “) 结合测井实例进一步说明s b t 测井仪的广泛应用。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 1 3 2 组织结构 第l 章前言 第2 章声波在介质中的传播特性 第3 章s b t 补偿衰减测量原理 第4 章s b t 声波换能器性能分析 第5 章s b t 测井响应的数值模拟 第6 章s b t 仪器应用实例 第7 章结论 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章声波在介质中的传播特性 第2 章声波在介质中的传播特性 2 1 声波在介质中的传播特性 声波在不同介质中传播时，其速度、幅度及频率变化等声学特性是 不同的【】。声波测井就是以岩石等介质的声学特性为基础来研究钻井地 质剖面、判断固井质量等问题的一种测量方法l 】2 1 。声波测井主要分为声 速测井和声幅测井两大类。声速测井也叫做声波时差测井，即测量地层 声波速度的测井方法；声波在岩石中的传播速度与岩石的性质、孔隙度 以及孔隙中所充填的流体性质等有关，因此，研究声波在岩石中的传播 速度或传播时间就可以确定岩石的孔隙度，判断岩石和孔隙流体性质。 声幅测井是研究声波在地层或套管内传播过程中幅度的变化，从而认识 地层及固井水泥胶结情况的一种声波测井方法。 声波是物质运动的一种形式，它是由物质的机械振动而产生的，通 过质点间的相互作用将振动由近及远的传递而传播的。人耳听到的声波 频率在2 0 h z 至2 0 k h z 之间，频率大于2 0 k h z 的机械波为超声波。声波 在介质中传播时，其能量被逐渐吸收，声波幅度逐渐衰减。在声波频率 一定的情况下，声波幅度的衰减和介质的密度、弹性等因素有关。声波 幅度测井也就是通过测量声波幅度的衰减变化来认识地层性质和水泥胶 结情况的一种声波测井方法。 声波在岩石等介质中传播时，由于质点振动要克服相互间的摩擦力， 即由于介质的粘滞是声波能量转化成热能而衰减，这种现象也就使所谓 的介质吸收声波能量。因此，声波在传播过程中能量在不断减少，直至 最后消失。声波能量被地层吸收的情况与声波频率和地层的密度等因素 有关系。对同一地层来说，声波频率越高，其能量越容易被吸收；对于 一定频率来说，地层越疏松( 密度小、声速低) ，声波能量被吸收越严重， 声波幅度衰减越大。所以，测量声波幅度可以了解岩层的特点和固井质 量。 在不同介质形成的界面上，声波将发生反射和折射( 透射) ，入射波 的能量一部分被界面反射，返回到第一介质，另一部分能量透射过界面 传到第二介质，在第二介质中继续传播。声波在分界面上的反射波和透 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章声波在介质中的传播特性 射波的幅度取决于两种介质的声阻抗z ，所谓声阻抗指的是介质密度p 与声波在这种介质中传播速度v 的乘积，即 z=p。v ( 2 - 1 ) 各种介质的声阻抗列于表2 - 1 中。 表2 - 1 各种介质的声阻抗 声阻抗声阻抗 介质介质 p | 0 4 ) g f m 2 s( 1 0 4 ) g m 2 s 空气( o ，1 大气压) o 0 0 4 3 钢 3 9 0 橡皮 0 2 9 0 6 6 岩盐 1 0 0 淡水 1 4 6砂岩 6 0 9 5 海水 1 5 3 石灰岩 9 9 1 0 8 水 5 4 0 泥岩 2 5 5 0 石油 1 3 2 两种介质声阻抗之比z l z2 叫声耦合率。介质i 和介质i i 的声阻抗 相差越大，则声耦合越差，声波能量就不容易从介质i 透射到介质i i 中 去，透过界面在介质i i 中传播的声波能量就少，在介质i 传播的声波能 量就多；如果介质i 和介质i i 的声阻抗相近，声耦合好，能量很容易从 从介质i 透射到介质i i 中去，这是透射波能量大，而介质i 中的反射能 量小；当两种介质的声阻抗相同时，声耦合最好，这是声波能量全部由 介质i 透射到介质i i 中。 综上所述，声波在地层中传播能量( 或幅度) 的变化有两种形式， 一是因地层吸收声波能量而使幅度衰减；另一种是存在声阻抗不同的两 种介质的介质面的反射、折射，使声波幅度发生变化。这两种变化往往 同时存在，究竟哪种变化为主，要根据具体情况加以分析。在裂缝发育 及疏松岩石的井段，声波幅度的衰减主要是由于地层吸收声波能量所致； 在下套管井中，各种波的幅度变化主要和套管于地层之间的界面所引起 的声波能量分布有关。因此，在裸岩井中测量声波幅度就可能划分出裂 缝带和疏松岩石的地层，在下套管井中测量声波幅度的变化就可以检查 固井质量。 2 2 固井质量评价测量原理 在套管井中进行的声波幅度测井就是用来评价固井质量的，即水泥 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章声波在介质中的传播特性 胶结状况【1 3 】。声波测井仪的发射换能器发出声波信号有四个传播途径， 沿套管、水泥环、地层以及直接通过泥浆传播，通过你将直接传播的直 达波最晚到达接收换能器，以临界角入射的声波在泥浆和套管的界面上 折射产生演这个界面在套管中传播的滑行波( 又叫套管波) ，套管波又以 临界角的角度折射进入井内泥浆到达接收换能器被接收，一般套管波最 早到达接收换能器。水泥对声衰减大，声波不易沿水泥环传播，所以水 泥环波很弱可以忽略。当水泥环的第一、第二界面胶结良好时，透过地 层返回接收换能器的地层波较强。若地层速度小于套管速度，地层波在 套管波之后到达接收器，也就是说，到达接收换能器的声波信号次序首 先是套管波，其次是地层波，最后是泥浆波。套管波仪器测量记录套管 波的第一负蜂的幅度值，即水泥胶结测井曲线值。这个幅度值的大小出 了决定于套管与水泥胶结的程度外，还受套管尺寸、水泥环强度和厚度 以及仪器居中情况的影响。 若套管与水泥胶结良好，这是套管与水泥环的声阻抗差较小，声耦 合较好，套管波的能量容易通过水泥环向外传播，因此，套管波能量有 较大的衰减，测井记录到的水泥胶结测井值就很小；若套管和水泥胶结 不好，套管外有泥浆存在，套管与管外泥浆的声阻抗差很大，声耦合较 差，套管波的能量就不容易通过套管外泥浆传播到地层中去，因此，套 管波能量衰减较小，所以水泥胶结测井值就很大。从而利用水泥胶结测 井曲线值可以判断固井质量。 声幅测井仅靠测量声波幅度衰减来确定固井质量，只能解决套管与 水泥之间的胶结情况，即第一界面：c b l v d l 测井不仅测量声幅，还记 录变密度v d l ，由v d l 识别地层波的强弱，评价水泥与地层之间的胶结 情况，即第二界面。因此，c b l d l 对第一、第二界面均可做出评价。 但是，两种仪器同时受微环空、快速地层、泥浆性能变化等因素的影响， 且不能识别一定程度大小的沟槽及其方位，资料解释具有多解性。s b t 是一种新型的水泥胶结测井仪，解决了上述问题。 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章s b t 补偿衰减测量原理 第3 章s b t 补偿衰减测量原理 3 1s b t 测量系统 s b t 仪器共有六个推靠臂，每个推靠臂上装有发射和接收换能器， 依靠直流电机把换能器极板紧贴在套管内壁上。s b t 是利用装在推靠器 极板上的1 2 个高频定向超声波换能器的声系来定量测量套管周围六个 6 0 。区块。s b t 极板结构的设计必须针对沿圆周方向传播的声波的特征、 突出或能够区分出沿圆周方向传播的声波对测量结果的影响，这样才能 够保证测量结果的分辨率。s b t 极板结构的设计对换能器发射声波能量 的指向性也有影响。由于s b t 极板是贴井壁测量的，其接触面越大，传 递声波能量越大，接触面越紧密，传递能量越多，另外，能量的传递也 与极板和套管之间的声阻抗差值大小有很大关系。 s b t 极板结构的设计也要考虑到极板与声波换能器之间的接触情 况，接触好坏也会影响到声波能量的传递。声波信号从换能器发出，经 过极板传递到套管，再从套管传递到水泥环和地层。在这一传播过程中， 声波能量遵循声波能量折射和反射定律。 图3 - 1s b t 测量系统极板展开图 s l 6 4 2 4s b t 分区水泥胶结测井仪以环绕方式在包括井眼的六个角 度区块定量测量套管外水泥胶结的完整性。其换能器的排列结构有两个 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章s b t 补偿衰减测量原理 特点：1 为了获得声波测量的精确结果，采用补偿声系并使源矩至少相 当于工作频率以下3 个波长为最佳；2 必须使得换能器的工作频率保持 对管外条件的高灵敏度。为此选用换能器的工作频率为1 0 0 k h z 时就能满 足上述两个要求。每个极板之间发射换能器到接收换能器以及两个接收 器之间的距离大约都为1 5 2 毫米。 3 2s b t 补偿衰减测量原理 以第一扇区测量为例，在第一扇区中，四个探头的结构如图3 - 2 所 刁隋。 图3 - 2 双发双收补偿声衰减测量 t 1 为发射探头，r 2 、r 3 为接收探头，r 2 、r 3 接收到的套管波的幅 度分别为a 1 2 、和a 1 3 ，则套管波的衰减系数为： 口1 ：一萼- l o g ( 拿) 一d b s p r d ( 3 - 1 ) “ a 1 2 其中： 口l 套管波的衰减系数； d 远近接收器r 2 、r 3 的间距，d = 6 i n ( 即1 5 2 4 e m ) ： a 1 3 表示由第1 换能器发射而由第3 换能器接收所测得的声幅； a 1 2 表示由第1 换能器发射而由第2 换能器接收所测得的声幅； d b s p r d 一几何扩散引起的声衰减即扩散损耗。 同理可得t 4 发射，r 3 、r 2 接收时的衰减系数为： 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章s b t 补偿衰减测量原理 口2 ：一罂l o 甙乌一d b s p r d d a 4 3 ( 3 2 ) 其中： 仃2 接收器r 3 、r 2 接收时的衰减系数； a 4 2 表示由第4 换能器发射而由第2 换能器接收所测得的声幅； a 4 3 表示由第4 换能器发射而由第3 换能器接收所测得的声幅。 由于两个接收探头的接收灵敏度、宽带以及各种性能随温度的变化 等不完全相同，因此，nl 、a2 不能反映地层声衰减的真实情况。但是， 定义补偿的声衰减系数为： 州正刮1 + 以一了1 0 l o 双籍) 一脚 ( 3 - 3 ) 在上式中，只要认为换能器的响应是线性的，则补偿的声衰减系数 就只与地层的声衰减有关，而与换能器的性质无关。例如：若r 2 较r 3 接 收灵敏性高，则a 1 2 t ，a 4 2 t ，a 1 3 l ，a 4 3 j ，那么di t ，a2 l ，但a a t l 却与r l 、r 2 的灵敏性无关。 对于第n 扇区a a t n 补偿的声衰减系数计算： a a t n ；一堕l o g r a u f n x a l f n ，一d b s p r d ( 3 - 4 ) da u n n a l n n 7 其中： d 远近接收器间距( 随套管尺寸变化) ； a i j 一表示由第i 换能器发射而由第j 换能器接收所测得的声幅5 d b s p r 胁一几何扩散引起的声衰减即扩散损耗； a u f i 卜上端远接收器的幅度； a l f i 卜一下面远接收器的幅度； a i n 她一上面近接收器的幅度； a l n n 一下面近接收器的幅度。 衰减率a a t n 越高，水泥胶结越好；反之则差。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章s b t 声波换能器性能分析 第4 章s b t 声波换能器性能分析 本章对压电片的外形及其几何尺寸、换能器的结构及其动态特征、 压电片的电特征及配对等方面进行研究。 4 1s b t 声束控制 s b t 采用声波换能器控制技术来增强滑板换能器和全波列发射器二 者的输出，这种技术也同时利用两个发射单元( 每个1 4 波长) 控制发 射器的方向特性。工作时，从所要求的方向最远的单元首先发射，当声 波从第一单元通过第二单元时，第二单元发射，从而增强了该预定方向 上的声波( 如图4 1 ) ，由于声波强度随幅度的平方变化，有效声波能量 增大了4 倍，第二个换能器发射时间比第一个换能器的发射时间延迟 1 5 u s 。 图4 - 1s b t 声波控制发射示意图 正因为可控换能器增强了地层方向上声波能量，它提高了变密度测 井和全波显示的质量，使得波列分析有了改进，特别对慢速地层可以得 到更好的效果。 4 2s b t 声波换能器的制作工艺 s b t 声波测井仪器的换能器是声波测井仪器的关键部件，其工作频 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章s b t 声波换能器性能分析 率和激发方式直接决定了换能器的应用条件和工作环境。由于声波换能 器的制作工艺比较复杂、技术含量高、附加值高，需要很多专用检测设 备对其制作工艺进行跟踪监测，因此制作工艺对声波换能器的性能显得 非常重要。制作过程中突出的问题是压电片的配对和粘接材料的选择， 一个换能器可以由两个压电片粘接而成，也可以由多个压电片粘接而成， 但每个压电片的性能要尽可能一致1 9 。配对就是用导纳圆测量系统测量 大量的压电片，将频率和电性特征比较一致的压电片选择出来。将压电 片配对是声波换能器整个制作过程中最关键的环节。对压电片粘接材料 和工艺的选择也是一个很重要的影响换能器性能( 频率特征、绝缘特征、 使用寿命等) 的方面。 4 3s b t 声波换能器的性能分析 s b t 测井的主要目的是清晰评价环套管圆周水泥胶结质量，换能器 的设计必须针对环圆周方向传播的声波特征来清晰区分水泥量和水泥胶 结质量的变化，从而保证测量结果沿圆周方向的分辨率【h 】【”】。s b t 换能 器的性能包括其频率特征、声波能量指向性、动态特征以及电性特征等， 压电片的材料、配对、几何尺寸、粘接工艺又决定了换能器的这些性能。 在该课题的研究分析中，这一部分内容将作为重点进行分析研究。 4 3 1 换能器几何尺寸的设计 换能器的几何尺寸决定着其激发或最佳接收的声波的频率。对于 s b t 声波测井仪器来讲，由于测量的是井内液体中偏心声源1 1 6 】0 7 1 激发的 声波( 钻头尺寸为8 1 2 ”，对于外径为7 ”的套管，套管内径一般为5 ”) ， 所以，频率必须比较高，这样才能够保证测量结果沿圆周方向的分辨率。 一般情况下，频率越高，井简的整体作用越小，沿圆周方向传播的声波 的特征越明显。频率越低，井筒的整体作用越明显，声波沿圆周方向传 播的特征表现的越差。s b t 测井的主要目的是分辨圆周方向的固井胶结 质量。所以，换能器的设计必须针对沿圆周方向传播的声波的特征、突 出或能够区分出沿圆周方向传播的声波对测量结果的影响，这样才能够 保证测量结果的分辨率。 换能器的指向性是另外一个影响因素。换能器的大小决定其发射声 波的指向性，通常换能器越大，其指向性越好，这样，沿径向的声波能 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章s b t 声波换能器性能分析 量比较大，沿圆周和井轴方向的声波能量比较小，得不到需要的声波信 号。 换能器的大小必须有一定的折中，不能够太小，这样影响发射能量 和沿圆周方向的振动频率；也不能够太大，由于换能器的指向性，影响 需要测量的沿井轴方向的声波能量。 为了达到上述目的，采用厚度振动加径向振动的工作方式。径向振 动的工作频率通过探头特性测量仪器测量。图4 - 2 是一测量结果，左边 是导纳圆，其横坐标是单个压电片的实部，纵坐标是虚部，在压电片的 共振频率附近，其形状是一个圆：右边是实部和虚部随频率的变化关系， 横坐标是频率，纵坐标是导纳，在共振频率附近，实部取极大值，虚部 改变正负号。从图4 2 中可以知道，该压电片的径向振动频率为7 6 7 k h z 。 压电片的半径一定时，其径向共振频率是确定的。为了产生其它频 率的振动，增加换能器的频带宽度，可以利用厚度模的振动。一般情况 下，厚度模的振动频率比较高，因此应选择比较厚的压电片。但是从接 收灵敏度来考虑，单个厚的压电片产生的振动频率比较单一，所以，用 四个压电片连在一起，这样，可以有效地提高接收效率，丰富接收换能 器的频率成分。 。叫f 研 舶 i 。 l 雅 艚确 渤 、 明酬 i - 。- - liltligg- - 1 - 1 - - 一” ，。 。_ - - 。：。：、 7 呻秘矩9 ”1 1 唏 - - 。 图4 - 2 探头特性测量仪器测量结果 4 3 2 换能器结构及其相应的机械振动模态 ( 1 ) 一维振动的解 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章s b t 声波换能器性能分析 当棒的两端受纵向力，棒的横向尺寸远小于波长时，可以将棒的振 动看作纯纵向的( 一维振动) 。设棒长为，截面积为舅密度为p ，杨氏 模量为，质点位移为熟) ，应力为致x ) ，质点的振动速度为夤，) ，如图 4 3 所示，这时棒的每一段都有质量和劲度，不考虑损耗，建立棒的动力 学方程： 局_ 孝l _ 争 一最 一f b 2 x = 0 x = l 图4 3 均匀弹性细棒的纵振动 手e 穰 p 茅2 瓦 由胡克定律丁：拿得波动方程： 垂：c 2 蜜 a 1a x | 其中； 矿：睦 。1 p 为棒中的波速。 ( 4 1 ) ( 4 - 2 ) 对于单个频率的间谐振动，方程( 4 - 2 ) 的解为： 善= ( a s i n i x + 曰c o s h ) p ，口( 4 3 ) 其中： 国2 z r 七一v 百；c a b 为待定系数。 ( 2 ) 一维振动的频率及其相应的模态 当棒作自由振动时，两端不受任何约束f 1 啦= o ，无辐射无阻尼。 由f ：s r ：s 墨得： 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章s b t 声波换能器性能分析 f = s y o a kc o s ( k x ) 一s y o b ks i n ( c x ) 由边界条件得到： ia = 0 【s i n ( k ) = 0 由( 4 - - 4 ) 式得到：k = 7 或2 刃兄= ”万，n = 1 , 2 ( 4 - 4 ) ( 4 5 ) 这样：以：一2 l 转化为振动频率得： 六= 鲁= n _ 2 l ，l ，2 ) ( 4 6 ) 这是一组离散的频率，与固体棒的纵波速度和长度有关。其中基频 v c 2 l 是使用的振动频率。 当两端固定，缶= 彘= 0 时，有： f b = 0 1 s i l l ( k o ：0 h 。 其振动频率与( 4 1 0 ) 式相同。 当一端固定石= 0 ，一端自由乃= d 时，我们有： f b = 0 1 c o s ( 埘) ：0 ( 4 - 8 ) 这时，方程有解的条件是：k = + 0 5 ) 万，( n _ o 1 ) ，用波长九 表示有： 2 n 2 = ( 刀+ 0 5 ) 万( n - o 1 )( 4 9 ) 其对应的频率为： 六= 笔= 号严， 以上频率和波长是在两种比较特殊的边界条件下得到的。该结果说 明，对于长度有限的一维棒的振动，其振动频率是一系列离散值，不连 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章s b t 声波换能器性能分析 续。用其激发振动时，只能够激发出这些频率的振动。这些频率的振动 在固体或液体中传播时形成对应频率的声波。 当换能器安装在仪器上后，一端与液体接触，其边晃条件发生改变， 这时，其激发出的声波频率除了上述频率外，还有与换能器结构有关的 频率，这需要分析整个机械结构的固有振动频率。 一维振动的模态主要由边界条件确定的解中的待定系数a 、b 决定。 当a 等于0 、b 不等于0 时，一维振动的解用e o s ( k x ) 描述，相对于棒的中心 点来讲，该振动是对称的；当a 不等于0 、b 等于0 时，一维振动的解用s i n ( k x ) 描述，相对于棒的中心点来讲，该振动是反对称的。 ( 3 ) 换能器结构及其对频率的影响 本次设计的换能器用四个压电片叠加在一起( 图4 4 ) ，从机械结构 上分析，这样作的目的是增加频带宽度。 压电片的振动频率是一系列不连续的离散值，这些离散的频率主要 由( 4 5 ) 式和( 4 9 ) 式描述。 ，一圪 一万4 l4 l 李+ 冬( 4 - 1 0 ) 2 ，4 ， 六：孚：等( 4 - 1 1 )“ 九 2 ， 从上述两个式子可以看出，由于频率成分之间相差的倍数分别是2 倍或4 倍，所以，当长度增加时，应该以2 倍或4 倍的方式，这样才能够保 证频率在减小的同时，能够与其中的一个频率相等。 4 3 3 换能器结构及其相应的静态电容 - + - + c 口亡】口口 图4 4 换能器结构及其静态电容 换能器的串并方式对静态电容有比较大的影响。本次设计的换能器 是按下述方式连接的，静态的电特征相当于四个换能器并联，其总的静 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章s b t 声波换能器性能分析 态电容是四个静态电容之和，增加了换能器的接收灵敏度。因为四个压 电片收到振动后，其按照自身的频率振动，这时，在各自的界面上产生 出电荷，并联的接法使得这些电荷相加( 图4 4 ) 。 4 3 4 换能器的动态特征 换能器的动态特征分析是换能器特征分析的核心。需要借助于比较 复杂的数学工具。目前，常用的分析方法有这样两种，一种是用有限元 方法，另一种是用等效电路的分析方法。其中等效电路的分析方法比较 常用，因为它与换能器的连接电路设计密切相关。 等效电路分析方法是与波动方程在间谐振动的解连在一起的。前面 讨论了两种特殊边界条件下的解的特征。下面讨论一般情况下的解，特 殊边界条件的解包含在一般的解中。 对于任意的冲击或振动等输入( 力学激励) ，可以用f o u r i e r 变换将其 变换到频率域，换能器对单个频率的响应由下面的间谐振动的解给出， 对所有频率的间谐解求反f o u r i e r 变换得到其对应冲击的响应( 力学响 应) 。 ( 1 ) 一维振动的解及其等效电路 对于间谐解振动的解，需要利用边界条件。边界条件不同，解的结 果有很大的差别。假设一般情况： 陵三驾 彳；一f 直+ 剑。巾r , t g k l s i n i c i3 占：蛊p j r o t y c o = 0 f 4 1 2 ) 工= 将4 ，玳入( 4 3 ) 及力的表达式f ：s t ：s k 学得： 以 1 9 ( 4 - 1 3 ) 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章s b t 声波换能器性能分析 卜篙辨盎毋 k p 汕r o s 肼昏+ ：，猁r o s 件 刊童差豳酬噩噩豳 l j s i n mj t g l dj 利用三角恒等式去一i 而i = 一留詈， j， ( 4 -