测井原理7-声幅测井

二、声波波型与固井质量的关系
从全波列上来分析，为声幅测井、 从全波列上来分析，为声幅测井、变密度测井提供方法原 分几种水泥胶结类型来讨论。 理。分几种水泥胶结类型来讨论。
1. 管外无水泥胶结，为自由套管 管外无水泥胶结， 2. 仅套管与水泥胶结，水泥与地层无胶结 仅套管与水泥胶结， 3. 套管与水泥、水泥与地层部分胶结 套管与水泥、 4. 低速地层，套管与水泥、水泥与地层胶结良好 低速地层，套管与水泥、 5. 高速地层，套管与水泥、水泥与地层胶结良好 高速地层，套管与水泥、
8.1 套管井中波成分
一、 套管井中波型种类
井眼直径 套管外径 套管内径d 水泥环厚 套管壁厚b 仪器外径 c 泥浆环厚 源距 L 钢 速度 V2 钢 时差 泥浆速度 泥浆速度V1 泥浆时差 泥浆时差 水泥声速 水泥声速V2 水泥时差 水泥时差 8.5 7 6.4 0.3 英寸 英寸 英寸 英寸
V1
V2
V3
V4
0.75 英寸 3.63 英寸 1.38 英寸 3,5 英寸 17544 英尺/ 秒 57 微妙/ 英尺 5250 英尺/ 秒 189 微妙/ 英尺 9000~16000 英尺/ 秒 111~63 微妙/ 英尺
L
J0
α12
β23
a
b
c
砂岩骨架声速 砂岩骨架声速 18000 英尺/ 秒 骨架 砂岩骨架时差 砂岩骨架时差 55.5 微妙/ 英尺 骨架
Lamb波是有纵波和SV波偶合而成，是 非均匀波，具有频散特性，其速度是接近于 钢管中纵波速度的某一数值。
首波传播服从费马原理。 首波传播服从费马原理。最先到达的 是套管滑行纵波。 是套管滑行纵波。
2a T1 = cos θ T 2 = sin θ
C
L − 2 atg θ 1 + V1 V2
C
,
2a 1 2b + cos θ 1 V 1 cos θ
ij i
∂σ + ∂x
21 2
来自百度文库
∂ σ 31 + ∂x3 ∂ σ 32 + ∂x3 ∂ σ 33 + ∂x3
+ + + +
f1 = 0 f = 0
∂ σ 22 + ∂x2 ∂σ + ∂x + + f
j 23 2
2
f3 = 0 f = 0
= 0 ⇔ = ρ ∂
2
σ
u
2 j
ij , i
j
σ
ij , i
f
j
1、自由套管 、
1、自由套管 (1)L=5ft，T=320us出现套管波 幅度大， 出现套管波， (1)L=5ft，T=320us出现套管波，幅度大，固井声幅测井往 往以自由套管波幅度作刻度的； 往以自由套管波幅度作刻度的； (2)套管波有规则 其周期可以计算套管波的频率(18kHz); 套管波有规则， (2)套管波有规则，其周期可以计算套管波的频率(18kHz); (3)整个波型的包络线有高的振幅和能量 延续时间长; 整个波型的包络线有高的振幅和能量, (3)整个波型的包络线有高的振幅和能量,延续时间长; (4)无地层波 无地层波, 945us左右出现泥浆波 左右出现泥浆波。 (4)无地层波,在945us左右出现泥浆波。 套管波幅度受套管特性影响： 套管波幅度受套管特性影响： (1)未胶结套管的衰减系数 a=(10/L)× 未胶结套管的衰减系数: /J)(分贝 分贝/ (1)未胶结套管的衰减系数: a=(10/L)×LN(J0/J)(分贝/米) a=2.4分贝 分贝/ (L=1米),为源声强的 为源声强的57.5% a=2.4分贝/米,J=0.575JO(L=1米),为源声强的57.5% (2)套管直径的影响 套管直径本身对套管波衰减无关, 套管直径的影响: (2)套管直径的影响: 套管直径本身对套管波衰减无关,反映 了泥浆对套管波的衰减影响,直径大衰减大,套管波幅度减小. 了泥浆对套管波的衰减影响,直径大衰减大,套管波幅度减小. (3)套管厚度的影响 自由套管时,厚度影响不明显, 套管厚度的影响: (3)套管厚度的影响:自由套管时,厚度影响不明显,当外有水 泥时,套管波衰减与厚度有关,厚度大反射回井中套管幅度大, 泥时,套管波衰减与厚度有关,厚度大反射回井中套管幅度大, 衰减系数变小.(这与声场能量分布有关,套管厚度一般<λ) 衰减系数变小.(这与声场能量分布有关,套管厚度一般< .(这与声场能量分布有关
(3)水泥环厚度影响：厚度小(<1.905cm)套管波幅度变化明显, (3)水泥环厚度影响：厚度小(<1.905cm)套管波幅度变化明显, 水泥环厚度影响 (<1.905cm)套管波幅度变化明显 >1.905cm变化不明显 变化不明显; >1.905cm变化不明显;
仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好） 2、仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好）
水泥抗压强度的影响
L=5ft,A=16%A0,套管厚 套管厚0.304´´ 查得 ´´, 套管厚 ´´ 查得100PSI(1PSI=0.0704kg/cm2); A=2.6%A0,套管厚 套管厚0.304´´ 查得 ´´, 套管厚 ´´ 查得500PSI(1PSI=0.0704kg/cm2);
第八章 套管井中声波测井
在套管井中测量声波信号的声幅测井主 要用于评价固井质量，也称水泥胶结测井。 要用于评价固井质量，也称水泥胶结测井。 内容： 内容：
8.1 套管井波成分 8.2 声幅测井及其应用（Acoustic Cement Bond Logging） 声幅测井及其应用（ ） 8.3 变密度测井（Acoustic Variable Density Logging） 变密度测井（ ） 8.4超声脉冲反射法简介 超声脉冲反射法简介 8.5 其他声幅测井方法 其他声幅测井方法*
∂t
2 k zs b k zs − k 2 k zl b U y = ik zs [k cos( ) cos(k zl z ) + cos( ) cos(k zs z )] exp(iky ) 2 2 2 2 2 k zs b k zs − k 2 k zl b U z = k[−k zl k zs cos( ) sin( k zl z ) + cos( ) sin( k zs z )] exp(iky ) 2 2 2
由以上分析可知，套管波到达接收器时间只与源距， 由以上分析可知，套管波到达接收器时间只与源距，套 仪器尺寸有关，所以其到达时间在全井段是不变的， 管、仪器尺寸有关，所以其到达时间在全井段是不变的，可 以采用单发单收声系。 以采用单发单收声系。
套管波的声强（或幅度） 套管波的声强（或幅度）大小与水 泥胶结好坏有关， 为折射系数, 泥胶结好坏有关，设α12为折射系数, 为反射系数,入射声强为J β23为反射系数,入射声强为J0,则反 射声强为: 射声强为: J=J0α12β23 α21= J0 α212β23 说明反射声强与套管水泥界面反射 系数β 有关.胶结不好β 就大, 系数β23有关.胶结不好β23就大,声强 幅度增大; 幅度增大;管外是水泥还是泥浆或空 接收套管波幅度将增大4~5 4~5倍 气,接收套管波幅度将增大4~5倍。 因此套管波幅度的大小可确定第一 界面水泥胶结质量。 界面水泥胶结质量。
β
23
V1
V2
V3
V4
L
J0
α12
β23
a
b
c
− Z + Z
2
Z = Z
3 3
2 2
水泥环波:在第一界面上不会出现滑行波， 2、水泥环波:在第一界面上不会出现滑行波，只有一次或 多次反射波（sinθ sinθ 多次反射波（sinθ2/sinθ3=V2/V3,V2>V3), 由于水泥环中存在微裂隙水泥胶结不致密, 由于水泥环中存在微裂隙水泥胶结不致密,一般水泥环的 能量很弱,常被其它波列所掩盖,忽略不计. 能量很弱,常被其它波列所掩盖,忽略不计. 地层波：水泥—地层 第二界面)胶结好时（ 地层( 3、地层波：水泥 地层(第二界面)胶结好时（V4>V3), 一般出现地层波(滑行纵横波), ),地层波到达时间约在 一般出现地层波(滑行纵横波),地层波到达时间约在 T=L×∆t(裸眼井地层时差 左右,在砂岩中(V ×∆t(裸眼井地层时差) T=L×∆t(裸眼井地层时差)左右,在砂岩中(V4<V2)在套管波 后到达;碳酸盐岩(V4>V2)在套管波前到达,所以对套管波 后到达;碳酸盐岩(V 在套管波前到达, 和地层的识别存在困难。 和地层的识别存在困难。 4、泥浆波列：接收器接收到的泥浆波时间不变， 泥浆波列：接收器接收到的泥浆波时间不变， T=189*5=945us
C
2
1 , V2
=
V 1 sin θ 1 V1 , = V 2 sin θ 2 V2
2
2 atg θ 1 + 2 btg θ
= L
滑行波与一次反射波到达接收器时间 只差0.2us 可看作同时到达， 0.2us， 只差0.2us，可看作同时到达，其他类型的 多次反射波、地层波） 波（多次反射波、地层波）时间比滑行波要 而且能量衰减也大。 晚，而且能量衰减也大。
接收器依次得到波有：套管波、 接收器依次得到波有：套管波、地层波 水泥环波、 水泥环波、泥浆波
1、套管波
由于套管是圆的,沿套管圆周方向(X方向)传播的声波是周而复始的,可以等效 认为X方向的尺寸是无限的。则对于此类问题，只考察YOZ平面内的声场即可。
∂ σ 11 ∂ x1 ∂ σ 12 ∂ x1 ∂ σ 13 ∂ x1 ∂σ ∂x
套管直径的影响
1—套管外为水 套管外为水 2—套管外为固结水泥 套管外为固结水泥 测得的声幅为100% 以d=14cm测得的声幅为 测得的声幅为
套管厚度的影响
套管外有水泥
3000
由于泥浆、仪器测量条件影响，套管波不规则， 由于泥浆、仪器测量条件影响，套管波不规则， 要求记录本井自由套管幅度，用于刻度。 要求记录本井自由套管幅度，用于刻度。
仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好） 2、仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好）
V1V2 V3 V1 V4
320us
945us
2、仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好） 仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好）
此时大部分能量进入水泥环（水泥环波衰减大），套管波幅 此时大部分能量进入水泥环（水泥环波衰减大），套管波幅 ）， 度很小，其特点： 度很小，其特点： (1)320us(L=5ft),由于一界面胶结好 套管波幅度大大减小; 由于一界面胶结好, (1)320us(L=5ft),由于一界面胶结好,套管波幅度大大减小; (2)套管波后为水泥环波 衰减无规则,幅度小,有时无显示; 套管波后为水泥环波, (2)套管波后为水泥环波,衰减无规则,幅度小,有时无显示; (3)无地层波 仅少量能量环形流体层(泥浆),进入地层更少; 无地层波, ),进入地层更少 (3)无地层波,仅少量能量环形流体层(泥浆),进入地层更少; (4)最后出现为泥浆波 最后出现为泥浆波. (4)最后出现为泥浆波. 水泥环参数对套管波幅度的影响: 水泥环参数对套管波幅度的影响: (1)水泥抗压强度的影响 水泥环抗压强度大, 水泥抗压强度的影响: (1)水泥抗压强度的影响:水泥环抗压强度大,进入水泥环的 能量就多,套管波就变小,衰减变大; 能量就多,套管波就变小,衰减变大; 计算抗压强度值与出厂值比较(标定值), ),两者相等为胶 计算抗压强度值与出厂值比较(标定值),两者相等为胶 结好,小于出厂值可能为套管与水泥胶结不好有裂隙或窜槽、 结好,小于出厂值可能为套管与水泥胶结不好有裂隙或窜槽、 水泥不纯、水泥凝固时间不够（一般48小时）。 48小时 水泥不纯、水泥凝固时间不够（一般48小时）。 水泥环密度或声速影响：波阻抗Z （2）水泥环密度或声速影响：波阻抗Z大，进入水泥环的能 量多，套管波幅度就低，衰减大； 量多，套管波幅度就低，衰减大；
若已知 sin θ C
V1 5250 = = = 0 . 2999 , V2 17544
cos θ C = 0 . 9542
V1 L 2a 1 则 T1 = + [ − tg θ c ] V2 V 1 cos θ c V 2 2a L = + cos θ C V2 V1 = 57 L + 15 ( d − c ) d − 套管内径， c − 仪器外径
1—理论计算 2—纯水泥加 理论计算 纯水泥加40%水，大气压 纯水泥加 水 3—纯水泥加 纯水泥加40%水，800psi 4—加8%膨润土 纯水泥加 水 加 膨润土 800psi 5—水泥、火山灰各 水泥、 水泥 火山灰各50% 800psi 85F
仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好） 2、仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好）