一种利用SH波测量套管井固井胶结质量的方法及系统

摘要

本发明涉及一种利用SH波测量套管井固井胶结质量的方法及系统。该方法包括：在套管井中将发射探头推靠到井壁，通过所述发射探头在套管内壁上激发SH波；在设定的源距位置处将接收探头推靠到井壁，通过所述接收探头接收套管中沿圆周方向的SH波；判断接收到的所述SH波的幅度是否大于设定幅度阈值；若是，则说明所述I界面或所述II界面胶结质量差；若否，则说明所述I界面和所述II界面的胶结质量都好；当I界面或II界面胶结质量差时，通过多个接收波形获取频散曲线；根据所述频散曲线的形状和个数，确定界面胶结质量结果，所述界面胶结质量结果为I界面胶结质量差和II界面胶结质量差。本发明直接测量套管内壁的SH波，对套管井I界面和II界面上的水层敏感，因此能够精确地对固井质量进行有效测量和评价。

说明书

技术领域

本发明涉及套管井固井胶结质量测量领域，特别是涉及一种利用SH波测量套管井固井胶结质量的方法及系统。

背景技术

在石油勘探和开发过程中，需要对钻开的井下套管，对套管进行固井胶结，将套管与地层胶结在一起。固井胶结质量的好坏对原油生产具有重要意义。对固井质量的检测现在只有声幅及变密度测井和SBT测井。其中声幅和变密度测井通过测量居中声源激发的套管波幅度对固井质量进行评价。其前提是仪器需要居中，仪器中发射探头激发的频率范围必须在套管波存在的频率范围内。第一个条件通过加扶正器来实现，第二个条件还没有统一的标准，各个仪器生产厂家和各种换能器结构的发射探头激发的频率范围差异很大。导致目前的声幅及变密度测井一个仪器测量一个结果，仪器之间没有可比性，同时，连是否测量到套管波都无法判断。因为固井胶结质量的评价依据是套管波的幅度，人们依据几何声学的结果在特定的时间(即套管波传播到接收所在源距的时间)取测量波形的幅度(通常是首波)作为评价依据。波动声学结论告知，套管波的激发还与频率关系密切。在有些频率幅度大，在有些频率幅度小；串槽时，有些频率幅度增加，有些频率幅度减小。实际生产中经常出现仪器根本没有激发套管波，测量的波形在该特定的时间幅度很小的情况，也有串槽很严重但是套管波幅度仍然很小的情况。只根据首波的幅度就将测量井段判断为固井质量胶结良好，而实际上并没有测量到固井胶结质量。这种情况会导致射孔以后因串槽而大量出水。这种例子在全国各个油田经常出现，严重影响正常的油田生产，特别是在重点探井和超深井中出现的频率越来越多，造成重大失误和经济损失。SBT测井也是测量套管波，也有在套管井内是否激发出套管波的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用SH波测量套管井固井胶结质量的方法及系统，能够精确地对固井质量进行有效测量和评价。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种利用SH波测量套管井固井胶结质量的方法，包括：

在套管井中将发射探头推靠到井壁，通过所述发射探头在套管内壁上激发沿圆周方向振动，各个方位角的振动幅度一致的SH波；

在设定的源距位置处将接收探头推靠到井壁，通过所述接收探头接收套管中沿圆周方向振动、沿z方向传播的SH波；

判断接收到的所述SH波的幅度是否大于设定幅度阈值；

若接收到的SH波的波形幅度大于设定幅度阈值，则说明所述I界面或所述II界面胶结质量差；

若接收到的SH波的波形幅度小于或等于设定幅度阈值，则说明所述I界面和所述II界面的胶结质量都好；

当I界面或II界面胶结质量差时，用多个不同源距接收到的波形通过相位法处理获取频散曲线；

根据所述频散曲线的形状和个数，确定界面胶结质量结果，所述界面胶结质量结果为I界面胶结质量差和II界面胶结质量差。

可选地，所述根据所述频散曲线的形状和个数，确定界面胶结质量结果，所述界面胶结质量结果为I界面胶结质量差和II界面胶结质量差，具体包括：

当所述频散曲线只有一条过原点的直线和一条双曲线时，所述I界面胶结质量差；

当所述频散曲线有多条时，确定所述II界面胶结质量差。

可选地，所述在套管井中将发射探头推靠到井壁，通过所述发射探头在套管内壁上激发沿圆周方向振动，各个方位角的振动幅度一致的SH波，具体包括：

在同一深度位置用多个推靠臂将多个沿圆周均匀分布的发射探头的发射振子推靠到套管内壁，同时激发得到多个振动位移相同的沿圆周方向均匀分布的轴对称振动，所述轴对称振动为SH波，各所述发射探头包含多个用于同时激发相同振动位移的发射振子。

可选地，所述接收探头分布在沿井轴不同的深度位置。

一种利用SH波测量套管井固井胶结质量的系统，包括：

SH波发射模块，用于在套管井中将发射探头推靠到井壁，通过所述发射探头在套管内壁上激发沿圆周方向振动，各个方位角的振动幅度一致的SH波；

SH波接收模块，用于在设定的源距位置处将接收探头推靠到井壁，通过所述接收探头接收套管中沿圆周方向振动、沿z方向传播的SH波；

判断模块，用于判断接收到的所述SH波的幅度是否大于设定幅度阈值；

第一判断结果确定模块，用于当接收到的SH波的波形幅度大于设定幅度阈值时，确定I界面或II界面胶结质量差；

第二判断结果确定模块，用于当接收到的SH波的波形幅度小于或等于设定幅度阈值时，确定I界面和II界面的胶结质量都好；

频散曲线获取模块，用于当I界面或II界面胶结质量差时，获取频散曲线；

界面胶结质量结果确定模块，用于根据所述频散曲线的形状和个数，确定界面胶结质量结果，所述界面胶结质量结果为I界面胶结质量差和II界面胶结质量差。

可选地，所述界面胶结质量结果确定模块，具体包括：

I界面胶结质量差确定单元，用于当所述频散曲线只有一条过原点的直线和一条双曲线时确定所述I界面胶结质量差；

II界面胶结质量差确定单元，用于当所述频散曲线有多条时，确定所述II界面胶结质量差。

可选地，所述SH波发射模块，具体包括：

SH波发射单元，用于在同一深度位置用多个推靠臂将多个沿圆周均匀分布的发射探头的发射振子推靠到套管内壁，同时激发得到多个振动位移相同的沿圆周方向均匀分布的轴对称振动，所述轴对称振动为SH波，各所述发射探头包含多个用于同时激发相同振动位移的发射振子。

可选地，所述接收探头分布在沿井轴不同的深度位置。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明不再利用井内液体中传播的套管波。而在套管井中将发射探头组推靠到套管内壁，直接激发轴对称的圆周方向的振动，即激发沿圆周方向振动的SH波。该波只与固体层的横波速度有关，当套管外没有水泥胶结即没有水泥固体或者套管与水泥层之间有水隔开时，SH波只在套管内部反射形成模式波，无法通过套管和水泥环的耦合将能量传播到地层中。因为只能够在套管内多次反射，能量没有传播到地层中，所以在套管内壁上形成幅度很大的套管SH波。通过测量套管的SH波即可对固井质量I界面胶结情况进行有效评价。

当II界面胶结不好时，II界面的水层将SH波阻断，不能继续向地层传播，只剩下水泥层和套管这两层介质对SH波进行多次反射，其反射以后形成的SH模式波与I界面胶结差时不同，有多个SH模式波。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明固井胶结质量测量原理图；

图2为本发明利用SH波测量套管井固井胶结质量的方法流程图；

图3为本发明发射探头所在的圆周示意图；

图4为本发明套管井I界面固结不好时套管内壁上接收的SH波的二维谱图；

图5为本发明套管井II界面固结不好时套管内壁上接收的SH波的二维谱图；

图6为本发明套管井固结良好时套管内壁上接收的SH波的二维谱；

图7为本发明利用SH波测量套管井固井胶结质量的系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种利用SH波测量套管井固井胶结质量的方法及系统，能够精确地对固井质量进行有效测量和评价。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明：利用SH波测量套管井固井胶结质量的方法，应用一种利用SH波测量套管井固井胶结质量的装置，图2为本发明固井胶结质量测量原理图。如图1所示，所述装置包括发射探头1、接收探头2和套管3。发射探头1贴井壁，其多个发射振子在圆周方向上均匀分布，每个发射振子均沿径向压在套管内壁，激发沿圆周方向的振动，所有发射振子同时激发。接收探头2沿轴线排列，每个接收探头都贴井壁，每个接收探头只需要一个接收振子接收振动即可。发射探头1和接收探头2都要贴在套管3内壁上。发射探头1所在的圆周要求沿圆周每个位置的圆周方向振动位移一致，多个臂推靠的发射探头1中的多个发射振子沿圆周等间距排列。

图3为本发明利用SH波测量套管井固井胶结质量的方法流程图。如图3所示，一种利用SH波测量套管井固井胶结质量的方法包括：

步骤101：在套管井中将发射探头推靠到井壁，通过所述发射探头在套管内壁上激发沿圆周方向振动，各个方位角的振动幅度一致的SH波，SH波为轴对称结构，具体包括：

在同一深度位置用多个推靠臂将多个沿圆周均匀分布的发射探头的发射振子推靠到套管内壁，同时激发得到多个振动位移相同的沿圆周方向均匀分布的轴对称振动，所述轴对称振动为SH波，各所述发射探头包含多个用于同时激发相同振动位移的发射振子。

在套管壁沿圆周方向通过发射探头中的发射振子等间隔激发沿圆周方向的振动，而且每个发射振子激发的振动能量相同，在圆周方向上会形成轴对称的SH波。

步骤102：在设定的源距位置处将接收探头推靠到井壁，通过所述接收探头接收套管中沿圆周方向振动、沿z方向传播的SH波。

步骤102同样用推靠臂将接收圆周方向振动的接收探头推靠到套管内壁，接收套管内壁上沿圆周方向的振动位移。这个位移是沿井轴方向经套管壁传播到接收位置的。

步骤102中的接收探头有多个，等间距分布在井轴不同的深度位置，距离发射探头的垂直距离不一样，一个深度位置有一个或多个接收探头，分布在水平圆周上。

步骤103：判断接收到的所述SH波的幅度是否大于设定幅度阈值。

步骤104：若接收到的SH波的波形幅度大于设定幅度阈值，则说明所述I界面或所述II界面胶结质量差。

步骤105：若接收到的SH波的波形幅度小于或等于设定幅度阈值，则说明所述I界面和所述II界面的胶结质量都好。

当I、II界面胶结好时，激发的圆周方向的振动能量穿过这两个界面，耦合到地层中，在接收位置接收到的波形幅度比较小。而当I界面或者II界面胶结不好时，振动能量被胶结不好时产生的液体界面阻断，振动能量返回到水泥环和套管，接收到的波形幅度剧增。因此，接收波形的幅度大预示着固井胶结质量不好。

步骤106：当I界面或II界面胶结质量差时，用多个不同源距接收到的波形通过相位法处理获取频散曲线。

步骤107：根据所述频散曲线的形状和个数，确定界面胶结质量结果，所述界面胶结质量结果为I界面胶结质量差和II界面胶结质量差，步骤107具体包括：

当所述频散曲线只有一条过原点的直线和一条双曲线，所述I界面胶结质量差；

当所述频散曲线有多条时，确定所述II界面胶结质量差。

所述频散曲线在0到300kHz范围内。

本发明所用的SH波是横波，仅仅在固体介质中传播，只有在固体介质之间才能够被耦合：从套管传播到水泥环并进一步耦合到地层。当I界面胶结不好，出现水层时，SH波被这个水层完全阻断，不能够进一步向水泥环和地层中耦合、传播。当II界面胶结不好，出现水层时，SH波在该水层也被完全阻断，反射回水泥环和套管，不能够向地层耦合。相对于现有的轴对称激发的声幅和变密度测井所利用的SV波来讲，SH波在水环位置被完全阻断，而SV波的能量在水层仍然能够耦合(通过法向位移、法向应力连续)。因为水层很薄，水层厚度远远小于波长，因此，通过超薄水层耦合到水泥环的声波能量仍然会比较大。而SH波则遇到水层就被完全阻断。没有振动能量耦合到水中，因此，对水层的存在极其灵敏。较普通声幅变密度方法灵敏度高。

本发明的有益效果如下：

1、对固井胶结质量的判断灵敏度高。不论是I界面胶结差还是II界面胶结差，都能够有效地显示出来。因为II界面胶结差存在水层时，SH波也被完全阻断，能量仅在套管和水泥环中来回反射，没有进入地层，井中接收到的幅度仍然比较大，频散曲线密集，与I界面胶结差时稀疏的频散曲线不一样。

2、套管内壁光滑，贴井壁测量容易进行，连续测量，施工容易，固井质量检测受测量环境影响小，波形幅度大，测量精度高。

3、固井质量评价容易，不需要空套管井段的测量结果做刻度(声幅、变密度测井需要一段没有完全胶结的井段数据才能够评价固井胶结质量)。

4、多层套管的油井也能够测量和评价固井胶结质量。

5、在水平井或者仪器偏心严重时，只要推靠臂能够将发射探头有效地推靠到井壁，就能够实现固井胶结质量的有效测量。因为仪器偏心对SH波测量结果影响很小。

图7为本发明利用SH波测量套管井固井胶结质量的系统结构图。如图7所示，一种利用SH波测量套管井固井胶结质量的系统包括：

SH波发射模块201，用于在套管井中将发射探头推靠到井壁，通过所述发射探头在套管内壁上激发沿圆周方向振动，各个方位角的振动幅度一致的SH波；

SH波接收模块202，用于在设定的源距位置处将接收探头推靠到井壁，通过所述接收探头接收套管中沿圆周方向振动、沿z方向传播的SH波。所述接收探头分布在(井轴方向)不同的深度位置。

判断模块203，用于判断接收到的所述SH波的幅度是否大于设定幅度阈值。

第一判断结果确定模块204，用于当接收到的SH波的波形幅度大于设定幅度阈值时，确定I界面或II界面胶结质量差。

第二判断结果确定模块205，用于当若接收到的SH波的波形幅度小于或等于设定幅度阈值时，确定I界面和II界面的胶结质量都好。

频散曲线获取模块206，用于当I界面或II界面胶结质量差时，用多个不同源距接收到的波形通过相位法处理获取频散曲线。

界面胶结质量结果确定模块207，用于根据所述频散曲线的形状和个数，确定界面胶结质量结果，所述界面胶结质量结果为I界面胶结质量差和II界面胶结质量差。

所述界面胶结质量结果确定模块207，具体包括：

I界面胶结质量差确定单元，用于当所述频散曲线只有一条过原点的直线和一条双曲线时，确定所述I界面胶结质量差。

II界面胶结质量差确定单元，用于当所述频散曲线有多条时，确定所述II界面胶结质量差。

所述SH波发射模块201，具体包括：

SH波发射单元，用于在同一深度位置用多个推靠臂将多个沿圆周均匀分布的发射探头的发射振子推靠到套管内壁，同时激发得到多个振动位移相同的沿圆周方向均匀分布的轴对称振动，所述轴对称振动为SH波，各所述发射探头包含多个用于同时激发相同振动位移的发射振子。

实施例1：

本实施例提供一种利用轴对称激发的SH波测量套管井固井胶结质量的方法，包括如下步骤：

第一，用能够激发圆周方向位移的轴对称的SH波发射探头1推靠到井壁，如图2所示。这个发射探头1由多个臂组成，每个臂上安装一个剪切分量激发振子(极化方向沿圆周方向，电极方向沿半径方向)，每个激发振子均贴在套管内壁，在套管内壁激发沿圆周方向的振动位移。在整个圆周4上所有臂上的激发振子同时激发，同时在套管内壁产生一个圆周方向的振动位移，如圆周4箭头所示，而且每个振子激发的位移都一样，使得沿圆周方向的振动位移与圆周角无关，形成轴对称沿圆周方向的振动位移。这样激发的轴对称沿圆周方向的振动位移在套管和水泥环以及地层中沿半径r和井轴z均以横波速度传播，在分界面上连续，并且只与圆周方向的切向应力有关，与径向位移u

当固井胶结质量好时，套管与水泥环界面能够通过剪切应力连续将SH波的振动能量耦合到水泥环，水泥环与地层的界面能够通过剪切应力连续将SH波的振动能量耦合到地层，沿z和r方向传播。当套管与水泥环的界面胶结不好时，通常有液体位于套管与水泥环的界面位置，由于SH波不能够在液体中传播，因为液体中只传播纵波，没有剪切应力，这样，SH波在钢管的外界面被反射回钢管内部，液体将SH波的振动能量全部阻断。在套管内界面上，SH波不能够进入井内液体中，被再次反射到套管内部。就这样，套管内的SH波在套管的内、外界面上来回反射形成模式波。该模式波的幅度比较大，当套管与水泥环的界面胶结好，水泥环与地层的界面胶结不好时，在水泥环与地层的界面上有水层存在。这时，SH波在水泥环的外界面上被反射回水泥环并进一步穿过水泥环进入套管，在套管内壁遇到井内液体时再次反射回套管内部，最终在套管和水泥环内来回反射。由套管和水泥环共同组成的传播介质决定SH波在其中的传播速度和幅度。由于SH波不能够在液体中传播，因此，在井内液体中也无法接收SH波。即不能够像普通声波测井那样在液体中测量沿液体传播的声波。将接收探头2也贴到井壁上，用横波片(电极和压电片的极化方向垂直，极化方向沿圆周方向，电极在半径方向)制作的接收探头测量套管内壁沿圆周方向的振动。

对5.5英寸的套管和8.5英寸的井中，剪切应力τ

本发明与原有的声波方法不同之处是：

1、改变了测量方式，直接测量沿套管、水泥环和地层传播的声波。不是通过测量井内液体传播的耦合声波特征间接实现固井质量的检测与评价。

2、通过激发在固体中传播的横波来测量固井胶结质量，利用圆周方向的振动和剪切应力的连续性测量固井胶结质量。在液体中剪切应力为零，横波传播不到液体中，在液-固界面被反射回固体中，增加了固体中的横波能量，所以I界面或II界面胶结不好时，套管内壁SH波幅度明显增加，据此可判断固井胶结质量。

3、本方法不受井眼对传播特征的影响。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。