SBT探頭與套管波實驗研究

摘 要：SBT聲波測井的聲源不在井軸，靠近井壁，其激發的聲場是三維聲場，需要利用偏心聲源激發的聲波在套管井中的傳播規律。主要探測井軸圓周方向水泥膠結的不均勻性。由于套管的內徑比較小、管壁比較薄，不同頻率的聲波在其中傳播時波長與此接近，所以，其聲波傳播特征比較復雜，不能夠簡單地應用幾何聲學、平面波的特征進行研究。文章用實驗的方法對SBT探頭進行了研究。用不同源距的測量波形區分了不同探頭所激發的聲波波形特征，確定了套管波和液體波及其它波。探討了套管波與液體波在測量波形中的差別。以套管波測量為主要目的，指出了用SBT探頭激發套管波所存在的問題。

關鍵詞：扇區；聲波測井；探頭；頻率

1 概述

SBT聲波測井已經在油田服務多年，其測量結果能夠以圖象的方式直觀地顯示圓周方向上水泥膠結的不均勻性，能夠為油田勘探開發提供比較準確的固井膠結信息。隨著該技術的推廣應用，普及該技術的市場條件正在成熟。

該項技術包括電子線路、軟件和探頭。探頭與測井方法緊密相連，是該項技術的核心。用什么樣的探頭實現圓周方向固井膠結質量的探測呢？需要考慮探頭的結構、激發方式和頻率。由于是在井內測量，井筒對聲波頻率有很強的過濾效應，所以不同頻率的聲波在井中的傳播特征有很大差別。

固井質量檢測所使用的聲波是套管波：其傳播速度比鋼的縱波速度稍慢，主要沿套管傳播。普通變密度測井儀器，用單極子探頭發射、接收，頻率在20kHz附近，能夠在套管井中激發出幅度比較大的套管波。由于各種變密度測井儀器的探頭結構有差別、壓電晶體有一定的離散性，發射出的聲波的主頻和帶寬有較大的差別；導致不同的儀器在自由套管中測量的套管波幅度不一樣，最后通過刻度將這些差別進行統一。

井眼條件改變，井深增加，井內溫度、壓力增加后，探頭的力學條件發生變化，激發的聲波頻率也隨之改變。當激發聲波的頻率偏離套管波的固有頻率范圍后，套管波幅度減小，當激發聲波頻率完全離開套管波的固有頻率范圍時，套管波幅度接近于零。這時，固井變密度測井儀器測量不到固井膠結信息。這是目前固井變密度測井所遇到的主要問題之一。

同樣，SBT探頭也必須保證在井中所激發和測量的聲波是套管波。

2 發射探頭骨架實驗

用鋁筒模擬套管，用六面形的呢絨骨架安裝寬的壓電片，這樣，壓電片距離筒壁比較近。發射、接收探頭均采用相同的結構。發射探頭固定、等距離移動接收探頭后所測量的波形前面部分放大，在近源距時，所測量的波形中首波是以液體的速度傳播的，簡稱液體波；隨著源距的增加，在接收波形中可以看到明顯的以套管波速度傳播的聲波。該波的振動周期比較多，開始時其幅度比較小。與液體波的幅度相比，套管波的幅度比較小。

發射裝置不變，將接收探頭換成長8cm的壓電長條，不用骨架支撐，自由狀態于管壁進行接收，移動接收探頭測量波形。由于接收探頭本身比較長（8cm），所以，在其與發射探頭重疊的一段距離內，接收到的波形幅度很大，波形形狀基本不變，隨著離接收探頭的距離的增加，波形中，以套管波速度傳播的聲波逐漸與其它波分開。由于接收探頭沒有固體支架支撐，接收到的波形形狀很不規則。

將發射探頭的支撐骨架去掉，發射和接收均為自由狀態時，移動接收探頭接收得到波形。從波形中可以看到：測量的波形中既沒有以套管波速度傳播的聲波，也沒有以液體的速度傳播的聲波，所測量波形的傳播速度介于套管波與液體波的速度之間，更接近于液體的聲速。

以上實驗結果可以肯定兩點：用非金屬骨架有利于套管波的激發和接收。所以，實際使用的聲波測井儀器，發射、接收探頭需要用一定的非金屬骨架進行支撐；發射、接收探頭處于完全自由狀態時，接收到的波形中以反應液體特征的聲波為主，無法測量到固井質量檢測所需要的套管波。

3 不同套管尺寸的套管波實驗

在呢絨材料上開個比較深的槽將壓電晶體探頭固定在里邊做成發射探頭和接收探頭，將發射、接收探頭分別放在直徑不同的鐵筒和鋁筒中進行實驗。

3.1 鋁管中的實驗

發射與接收探頭的起始源距為11cm，發射探頭固定，接收探頭每次向上移動4mm采集一次波形，一共采集50組波形。從波形中的得到，套管波位于0.1ms附近，頻率比較高，隨著源距的增加，幅度變化比較大，在140-200mm位置幅度比較大，在260mm以上，首波幅度比較小，主要分布的0.15ms位置。液體波的頻率比較低，幅度比較大，位于波形的后面。

3.2 鋼管中的實驗

在鋼管中進行實驗，探頭之間的起始源距為20cm，固定發射探頭、移動接收探頭，每次向上移8mm采集一次波形，共采集50組波形。測量的波形中，沒有以套管波速度傳播的聲波。

從上述兩個實驗可以看到：當鋁管直徑小、當探頭距離管壁很近時，用壓電片組裝的探頭可以激發出頻率比較高的套管波，其波形位于波形的最前面，傳播速度略低于鋼的縱波速度。但是，當鋼管的直徑比較大，探頭距離管壁比較遠時，用壓電片組裝的探頭激發的聲波頻率介于套管波和液體波之間，速度接近于液體聲速。以套管波速度傳播的聲波幅度很小。

4 套管波的激發與測量

以上實驗所用的探頭均是用獨立的小的壓電片制作，對單個壓電片激發，骨架僅僅起到一個支撐作用，將壓電片子推到靠近井壁附近的位置，壓電片自身以接近自由振動的方式，沒有力學邊界的影響，其諧振頻率完全是壓電片接近自由狀態下的固有頻率，該頻率在自由套管中激發不出套管波或者激發的套管波幅度很小，沒有辦法進行測量。

為了在自由套管中激發出固井質量檢測所需要的套管波，必須改變激發探頭的頻率。即改變探頭的振動系統。對于SBT探頭來講，即改變壓電片的力學邊界條件，對壓電片的振動模態進行限制。為此，我們將八個壓電片粘接成一個圓筒，直徑為6cm，使壓電片的振動受到限制。粘接時八個壓電陶瓷片中間的膠層與壓電片子的寬度接近，間隙均勻。將八個壓電片的其中一個用電激發，將帶深槽呢絨材料固定的探頭作為接收探頭，在鐵筒中進行實驗。起始源距為180mm，源距每次移動8mm采集一次波形數據，得到原始波形仍然沒有明顯的以套管波速度傳播的聲波。endprint

以上實驗中發射探頭壓電片和接收探頭壓電片不在一個方位角上，將兩者調整到一個方位角上后再進行實驗。發射和接收探頭之間的起始源距為180mm，每次移動8mm采集一個波形。直線所表示的套管波的幅度很小，另外，波形的振動周期比較多，這說明：發射、接收探頭的Q值均很大（對聲波測井不利，是測井盡量避免的）。

為了減小接收探頭的Q值并且降低接收探頭的頻率，我們選擇了普通聲波測井常用的壓電晶體管（八條切向極化，接收沒有指向性），而發射探頭仍采用粘接成圓筒后八個壓電片中的一個。將兩者放到鐵筒中進行實驗，得到波形中有兩條直線，分別表示以液體速度傳播和以鋼的縱波速度傳播的聲波。在源距大于500mm以后，首波是套管波，其傳播速度與鋼的縱波速度接近。但是，幅度衰減很快。為了進一步確定套管波的特征，我們加長源距后（起始源距限定在400mm，每次移動8mm）又進行了測量。測量波形中，液體或者與液體速度接近的聲波的幅度很大，而與縱波速度接近的套管波的幅度仍然很小。

5 分析與討論

聲波測井用套管波來測量套管外的水泥膠結情況。SBT測井通過偏心激發和接收來測量套管外圓周方向上的水泥膠結不均勻性。其核心部分是如何激發出幅度比較大的套管波。本實驗肯定了：如果發射、接收片緊緊靠著套管壁，則可以激發出幅度比較大的套管波。但是，這種方案現實中不能夠實現。發射或接收探頭離管壁稍遠套管波幅度急劇下降。剩下幅度比較大的波，其傳播速度與液體聲速接近。

用細的鋁管實驗表明：發射探頭在鋁管中激發的套管波的頻率比液體波和其它傳播速度與液體接近的聲波的頻率高。該結果說明：同一個發射探頭，在相同激勵情況下，套管波與液體波的頻率是有差別的，波阻抗越高，激發聲波的頻率越高。

將壓電片子粘接成圓筒后的實驗使我們認識到：改變壓電片子的力學邊界條件有利于套管波的激發。改變接收探頭可以測量到我們所需要的套管波。但是，源距太遠時，套管波幅度比較小。

另外，用壓電片子作探頭，力學邊界條件應該加強，以減小整個探頭的Q值。

SBT探頭設計是該儀器制作的一個關鍵環節。本實驗結果肯定了：完成固井質量檢測所需要的套管波的測量，壓電片子緊邊界是一個比較好的選擇。

參考文獻

[1]沈永進，余翔宇，杜黎君，等，扇區水泥膠結測井儀實驗研究[J].聲學技術，2011，30（5）.

[2]沈建國.聲波測井原理與技術[M].北京：石油工業出版社，2009.

作者簡介：張智勇（1979，12-），男，湖北武漢人，高級工程師，2001年畢業于西南石油大學應用地球物理專業，本科學歷，中國石油大學（華東）地質工程專業在職研究生在讀，現在中石化中原石油工程有限公司地球物理測井公司從事外部測井市場管理和技術工作。endprint