斜入射超声波固井质量评价的并行有限差分模拟

摘要

目前，国内对于固井质量的评价主要采用声幅-变密度测井等方法。尽管这些传统方法对一界面（套管/水泥界面）胶结状况的判别效果尚可，但对二界面（水泥/地层界面）容易出现误判。为此，本文针对国外最新提出的一种基于斜入射超声波的新型固井质量检测方法，进行波场数值模拟研究。分析它的工作原理，及其判别一、二界面胶结状况的依据和效果，仪器设计要点等。
　　本文从经典的弹性动力学波动方程入手，推导速度-应力交错网格的时域有限差分（Finite-difference time-domain，FDTD）表达式，使用Fortran语言编写并行FDTD程序。在此基础上，通过该程序计算井孔声波、超声波问题，并着重计算斜入射超声波测井仪在井内工作时的波场传播规律。主要内容包括：
　　由于使用简单串行算法计算高频超声波耗时太长，难以满足研究需求，本文基于MPI(Message Passing Interface)技术设计，将原有柱坐标系下的串行FDTD算法进行了改进，实现了高效的并行程序。第2章介绍了MPI技术以及算法实现流程，并以简单模型（轴对称裸眼井、套管井）的单极源声场模拟为例，详细对比了并行与串行算法的模拟结果，验证了并行程序的正确性。
　　第3章以斜入射超声波固井质量检测为背景，实现了3维直角坐标系下的FDTD算法，与第2章用于计算井孔声波的柱坐标系算法相比，其计算更符合实际情况。对于中心频率在250kHz的斜入射超声波，其波长远小于井孔内径，可忽略井孔效应，进而将三维平面波问题简化为二维情况，并进一步计算了多种模型下井孔超声波的传播情况，分析了斜入射超声固井检测方法对于一、二界面胶结状况的判别依据和判别效果等问题。计算结果表明：井孔超声波中两个先后到达波群（首至弯曲波和次至弯曲波）的幅度和到时可分别作为一、二界面水泥胶结状况的判别依据。具体是：当一界面窜槽时，首至弯曲波幅度增大，且随着窜槽厚度增大其衰减系数减小；当二界面窜槽时，次至弯曲波幅度增大，且随着窜槽厚度增大其波群到时提前。上述结论适用于大部分水泥参数情况，只是无法用于检测高声阻抗水泥模型的一界面窜槽。此外，本文还计算了仪器倾斜时的波场，并发现当仪器倾斜达到约10°以上时，斜入射超声波固井质量检测方法失效。
　　为了实现对井孔环向的全方位检测，固井检测仪器在井内工作时需要高速旋转（可达8r/s），此时仪器质量分布不均以及井孔流体对不规则仪器外形的不平衡作用力，会导致仪器转动不平衡，使得仪器产生倾斜，导致测量失败。为此，第4章对仪器的转动平衡问题进行了初步的动力学仿真，据此给出了相关的仪器设计要点。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 固井及固井质量检测的发展

1.3 有限差分法及并行计算

1.4 FLUENT流固耦合分析

1.5 本文主要研究内容

第2章 基于MPI的并行FDTD算法

2.1 弹性动力学方程差分格式

2.2 并行MPI实现

2.3 简单模型实例分析

2.4 本章小结

第3章 斜入射超声波固井质量检测模拟

3.1 模型与声源设置

3.2 波场快照与接收全波分析

3.3 水泥参数对波场的影响

3.4 仪器偏心对检测方法的影响

3.5 本章小结

第4章 斜入射超声波测井仪的动平衡仿真

4.1 仪器结构及模型

4.2 仪器在空气中的转动平衡

4.3 仪器在充液井内的转动平衡

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢