专利名称：套管井中的多模式声成像的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种用于套管井的声成像(acoustical imaging of casedwells)的方法和装置。
背景技术：
在完井中，套管或管被设置在井筒中，一种填充物质(通常为水泥)被注入到套管与地层之间的环空(annulus)中。这种水泥的主要目的在于使产油层和产气层相互隔离，并与含水层(water-bearing strata)隔离。
图1示出了套管井的示意图。所述套管井在井筒11内在不同物质的接合处通常包括多个界面121、122、123。“第一界面”121处于套管14 内的井筒流体13与套管14的接合处。套管14一般由钢制成。“第二界面”122形成在套管14与套管14后面的环空15之间。如果水泥112适当地置于环空15中，那么“第二界面”122就会处于套管14与水泥112之间。“第三界面”123存在于环空15与地层16之间。地层16可包括多个层，例如产油层17、产气层18和含水层19。
微环隙(micro-annulus)111可出现在套管14与水泥112之间的第二界面122处。微环隙111的形成是由于套管14内压力的变化。尽管存在微环隙111，层17、18、19还是可以被水泥112适当地密封。
然而，如果在套管与地层之间出现空隙(void)113，则水泥有可能不能提供一个层17、18、19与另一层的隔离。流体(例如，油、气或水)会在压力下通过空隙113从一层17、18、19移到另一层中，从而产生有害的情况或降低生产效率。尤其是某些情况下水进入到产油层17中可能导致油井不可开采。此外，油进入到含水层19中在环境上和经济上都是不期望的。因而，对环空成分进行成像，尤其是探测环空15与地层16之间的第三界面123对可靠地确定地层的不同层的水力隔离是重要的。
另一种对穿透套管成像(through-the-casing imaging)的需求存在于水力压裂中，所述水力压裂通常在井中下完套管之后进行并用于使井增产。通常，压裂过程伴随加砂，由此地层的某些层会释放出细砂，细砂穿过套管射孔孔眼进入井中并随后到达地面，这会损坏生产设备。如果能够尽可能地探测出出砂区域，例如利用可穿过套管操作的成像技术，则这种问题就能够被克服。
利用声能的各种水泥评测技术(cement evaluating technique)已经在现有技术中进行了应用，其利用位于套管14内的工具来研究对厚套管壁后面的区域的状况。
现有技术中的第一种水泥评测技术图2为第一种水泥评测技术的示意图，其在套管24内引入具有延伸模式(extensional mode)的声波。第一种水泥评测技术在授权给Synott等人的美国专利No.3,401,773中进行了描述。测井仪(logging tool)21用于探测井28，该测井仪21包括常规的纵向隔开的用于发射的声传感器(transducer)22和用于接收的传感器23。两传感器工作在约20kHz与50kHz之间的频率范围。填充物质25将套管24与地层26隔离。测井仪21由电缆27悬挂在套管24内。
用于发射的声传感器22利用声波27声穿透套管24，声波27以延伸模式沿着套管24传播，延伸模式的特征主要由套管的筒状几何形状及其弹性波特征决定。折射波29被用于接收的传感器23接收并将其转换成接收到的信号。
对接收到的信号进行处理以提取出受套管24后面存在或不存在水泥25影响的信号的一部分。然后对所提取的部分进行分析，以提供其能量的测量值，作为套管24外存在或不存在水泥的指示。如果固体(例如，水泥)与套管24接触，则以延伸模式沿着套管24传播的声波211的振幅局部减小；因此，接收信号的提取部分的能量相对较小。相反，如果液体(例如，泥浆)与套管24接触，则以延伸模式沿着套管24传播的声波211的振幅减小得少；因此，接收信号的提取部分的能量相对较高。因而，套管24后面的物质的状态(例如，液态或固态)可根据接收到的能量值评测出。该技术提供了有关邻近套管24与环空之间的第二界面210存在或不存在水泥的有用信息。
然而，第一种水泥评测技术使用低频声波(20到50kHz)。熟知普通声学理论、特别是声波井筒的技术人员将理解，该套管延伸模式引入了套管24的整个筒状结构的振动。因此，没有方位分辨率。结果可以仅作为深度的函数而绘制成曲线。
现有技术中的第二种水泥评测技术图3为第二种水泥评测技术的示意图，其用于研究套管32与形成在地层310中的井筒(borehole)39中的环空38之间的水泥结合的质量。第二种水泥评测技术在授权给Mason的美国专利No.2,538,114和授权给Havira的美国专利No.4,255,798中进行了描述。这种测量根据超声脉冲回波技术，因此安装在测井仪37上的单一传感器31以接近垂直的入射角声穿透套管32并接收反射回波33。
传感器31利用一选定频率的声波34声穿透套管32，以激励套管32的选定径向段使其进入厚度共振(thickness resonance)。一部分声波传到套管中并在第一界面311与第二界面35之间反射。第一界面311存在于套管32内的井筒流体与套管32的接合处。第二界面35形成在套管32与套管32后面的环空38之间。另一部分声波则在第二界面35处的每次反射时损失在环空38中，从而导致声波的能量损失。声波损失能量的多少取决于套管32后面的物质312的状态。
第一界面311和第二界面35处的反射产生了传送到传感器31的反射波33。接收到的相应于反射波33的信号具有随时间衰减的振幅。对该信号进行处理以提取出振幅衰减率的测量值。根据该振幅衰减率，可计算出套管32后面的物质的声阻抗值。水的阻抗值接近1.5MRayl，而水泥的阻抗值一般会更高(例如，G级水泥的阻抗值接近8MRayl)。如果计算出的阻抗低于预设的阈值，那么就认为所述物质为水或泥浆。如果计算出的阻抗高于预设的阈值，那么就认为所述物质为水泥，并且水泥与套管之间的结合质量是令人满意的。
第二种水泥评测技术使用了超声波(200到600kHz)。熟知普通声学理论的技术人员将理解，所激励的套管厚度模式(excited casing thickness mode)引入了限制在方位角范围的套管段的振动。因而，与第一种水泥评测技术不同，第二种水泥评测技术提供了空间分辨率。
阻抗值可作为深度和方位角的函数被绘制成图。可分别在第一轴和第二轴上绘制深度和方位角。阻抗值可用颜色表示。
然而，第一种水泥评测技术和第二种水泥评测技术仅主要提供了位于第二界面35处的物质的状态的信息。
授权给Birchak等人的美国专利No.5,763,773披露了一种多部分的测井设备，该测井设备包括脉冲回波和斜度捕获传感器(pitch-catch transducer)，用于探测套管外的水泥。斜度捕获系统指的是利用单独的发射和接收传感器，所述发射和接收传感器的相对于套管法线的排列角度不为零(即，非垂直的入射角)。其中披露的内容教导技术人员以相对于套管内壁的法线成角度地排列所有的斜度捕获传感器，所述角度小于套管与其中的流体(例如，油或气)之间的第一界面的横波临界角。此外，还披露了一种评价水泥密封特性的方法。该方法依赖于确定传感器之间能量传播的衰减。
现有技术中的第三种水泥评测技术第三种水泥评测技术在授权给Zeroug的美国专利No.6,483,777中描述。图4示出了第三种水泥评测技术。测井仪41包括安装在其中的用于发射的声传感器42和用于接收的声传感器43，该测井仪41用于对井411进行探测。用于发射的传感器42和用于接收的传感器43以角θ排列。角θ是相对于套管局部内壁的法线N测量的。角θ大于套管44与流体47(例如，油或气)之间的第一界面46的横波临界角。因此，通过用以角θ排列的激励(excitation)声穿透套管44，用于发射的传感器42在套管44内激发弯曲波A，其中角θ大于第一界面46的横波临界角。
弯曲波A在套管44内传播并将能量散发到套管44内的流体47以及套管44后面的填充物质45。一部分弯曲波B在环空410内传播并可在第三界面412处折回。回波49由用于接收的传感器43记录。从用于接收的传感器43输出的相应于回波49的信号中可提取出传播时间的测量值。
如果已知环空410的厚度，则波在环空410内的速度就可由传播时间计算出。波的速度取决于声波在环空内的性质，而其又取决于填充物质的特性(quality)。
如果在用于接收的声传感器43上方、在测井仪上的一位置处设置有用于接收的附加传感器(图中未示出)，那么就可在用于接收的附加传感器的输出结果中产生附加信号。从所述信号和附加信号中可提取出弯曲波的衰减。弯曲波的衰减取决于环空410内的填充物质的特性。
套管44后面的水泥的特性可由波在环空410内的速度和/或弯曲波的衰减评测出。所述特性(例如，物质的状态)可作为深度和方位角的函数绘制在图上。
由于部分弯曲波B在环空410内传播，因此相应的信号提供关于环空410内的全部物质的信息，即在套管44与第三界面42隔开的全部距离上。
发明内容
本发明的第一方面提供一种对井筒套管后面的区域的状况(description)进行成像的方法，所述方法使用可定位在套管内的测井仪，所述测井仪承载有多个声传感器，所述方法包括利用所述多个声传感器中的用于发射的第一声传感器以第一声波声穿透所述套管，第一声波具有第一模式，所述第一模式可以是如下定义的一组模式中的任何模式延伸模式、厚度模式、弯曲模式。在所述多个传感器中选择至少一个用于接收的第一声传感器，所述用于接收的第一声传感器具有适于接收相应于第一声波的第一回波的位置。在所述用于接收的第一声传感器处接收第一回波，并产生第一信号。从第一信号中提取第一测量值(measurement)。该方法还包括利用所述多个传感器中的用于发射的第二传感器以第二声波声穿透所述套管，第二声波具有第二模式，该第二模式可以是所述一组模式中的任何模式。第二模式不同于第一模式。在所述多个传感器中选择至少一个用于接收的第二声传感器，所述用于接收的第二声传感器具有适于接收相应于第二声波的第二回波的位置。在所述用于接收的第二声传感器处接收第二回波，并产生第二信号。从第二信号中提取第二测量值。结合第一测量值和第二测量值评测井筒套管后面的区域的状况。
在第一优选实施例中，套管后面区域的状况表征为设置在套管与地层之间的环空中的填充物质的特性。
在第二优选实施例中，第一模式为弯曲模式，第二模式为厚度模式。
在第三优选实施例中，第一测量值为传播时间的测量值，第二测量值为随时间变化的振幅衰减率的测量值。
在第四优选实施例中，环空内物质的阻抗值和纵波在环空内的速度值由传播时间的测量值和振幅衰减率的测量值计算。环空内物质的密度值由计算出的声阻抗值和计算出的纵波速度值评测出。
在第五优选实施例中，在多个声传感器中选择用于接收的附加声传感器(additional acoustic transducer for receiving)。用于接收的附加声传感器不同于用于接收的第一声传感器。用于接收的附加声传感器具有适于接收相应于第一声波的附加回波(additional echo)的位置。在用于接收的附加声传感器处接收附加回波，并产生附加信号(additional signal)。由第一信号提取出第一振幅测量值，由附加信号提取出附加振幅(additional amplitude)的测量值。
在第六优选实施例中，至少由传播时间的测量值和振幅衰减率的测量值计算出多个探测参数。确定环空内物质的一组特性情况。对于每种特性情况，计算出探测参数计算值的特性情况的经验概率。选择出最可能的特性情况。
在第七优选实施例中，由选择出的特性情况以及探测参数的计算值估测多个特性参数。
在第八优选实施例中，所述多个探测参数包括环空内物质的阻抗、第一声波的表观速度以及第一声波沿套管的弯曲波衰减。多个特性参数包括环空内物质的密度、第一声波穿过所述物质的横波速度以及第一声波穿过所述物质的纵波速度。
在第九优选实施例中，所述第一模式为弯曲模式，所述第二模式为延伸模式。
在第十优选实施例中，利用多个声传感器中的用于发射的第三声传感器以第三声波声穿透所述套管，第三声波具有第三模式，第三模式不同于第一模式和第二模式。选择用于接收的第三声传感器，用于接收的第一声传感器具有适于接收相应于第三声波的第三回波的位置。在第三声传感器处接收第三回波，并产生第三信号。从第三信号中提取第三测量值。通过结合第一测量值、第二测量值和第三测量值评测套管后面区域的状况。
所述填充物质优选为水泥。
在第十一优选实施例中，在套管内引导并旋转所述测井仪，以便在深度和方位角范围内评测套管后面区域的状况。
本发明的第二方面提供一种用于对井筒套管后面的区域的成分进行成像的系统，所述系统包括可定位在套管内并承载有多个声传感器的测井仪。该系统还包括多个声传感器中的用于发射的第一声传感器，其用于以具有第一模式的第一声波声穿透所述套管，所述第一模式可以是如下定义的一组模式中的任何模式延伸模式、厚度模式、弯曲模式。该系统还包括多个声传感器中的用于发射的第二声传感器，其用于以具有第二模式的第二声波声穿透所述套管，所述第二模式可以是所述一组模式中的任何模式，并且不同于第一模式。该系统还包括所述多个声传感器中的至少一个用于接收的第一声传感器。该用于接收的第一声传感器具有适于接收相应于第一声波的第一回波的位置。该用于接收的第一声传感器产生第一信号。该系统还包括所述多个声传感器中的至少一个用于接收的第二声传感器，其具有适于接收相应于第二声波的第二回波的位置。该用于接收的第二声传感器产生第二信号。该系统还包括提取装置，其用于分别从第一信号和第二信号中提取第一测量值和第二测量值。该系统还包括处理装置，其用于通过结合第一测量值和第二测量值评测套管后面的区域的成分的特性。
在第十二优选实施例中，用于发射的第一声传感器和用于接收的第一声传感器排列成一角度，该角度大于套管与套管内的流体之间的界面的横波临界角，所述角度是相对于套管的局部内壁的法线测量的。
在第十三优选实施例中，用于发射的第二声传感器指向套管局部内壁的法线。用于发射的第二声传感器具有一频率范围，该频率范围选择为将套管的选定径向段激励成厚度共振。
在第十四优选实施例中，所述系统还包括多个声传感器中的用于接收的附加声传感器，该附加声传感器具有适于接收相应于第一声波的附加声波的位置。所述用于接收的附加声传感器不同于用于接收的第一声传感器。用于接收的附加声传感器产生附加信号。
在第十五优选实施例中，所述系统还包括位于测井仪外围的传感器元件的阵列，其至少以第一声波和第二声波声穿透套管，所述第一声波和第二声波分别以第一模式和第二模式在套管内传播。
本发明的其它方面和优点将从下面的描述和所述权利要求中变得明显。
图1为现有技术的套管井示意图。
图2为现有技术的第一种水泥评测技术的示意图。
图3为现有技术的第二种水泥评测技术的示意图。
图4为现有技术的第三种水泥评测技术的示意图。
图5A示出了根据现有技术的第二种水泥评测技术的声阻抗的仿真测量图。
图5B示出了根据现有技术的第二种水泥评测技术的物质状态的仿真评测图。
图6A示出了根据现有技术的第三种水泥评测技术的声阻抗的仿真测量图。
图6B示出了根据现有技术的第三种水泥评测技术的物质状态的仿真评测图。
图7提供了根据本发明的对环空成分进行成像的示例性方法的流程图。
图8A示出了根据本发明的作为弯曲波衰减的仿真测量值的函数的声阻抗的仿真测量图。
图8B示出了根据本发明的状态的仿真评测图。
图9示出根据本发明的示例性装置。
图10示出了本发明的第二示例性实施例。
具体实施例方式
综述现有技术的每种水泥评测技术提供了一种或多种不确定性相对较高的测量结果。当由测量结果评测出环空内填充物质的状态时，可能出现误差。
图5A示出了根据现有技术的第二种水泥评测技术的声阻抗值的仿真图。提供了对应于多种物质的多组特征。对于确定的一组特征，计算出声阻抗值。从而在图5A的图中绘制出多个声阻抗值。对于相应于流体状态物质的确定的一组特征用圆圈绘制。对于相应于固态物质的确定的一组特征用十字绘制。
从图5A的图可以看出，固态物质的一组特征可具有较低的声阻抗，如在1MRayl与2MRayl之间。这些值位于与液态物质所具有的多个声阻抗值相同的值范围。从相应计算出的阻抗的确定值评测物质的状态可能会产生误差。
图5B示出了根据第二种水泥评测技术的状态的仿真评测图。对于相应于一种确定物质的一组确定特征，计算出声阻抗的相应值，如图5A所示。根据相应的声阻抗计算值，可评测出物质处于液态的概率。多个处于液态的概率值作为仿真声阻抗的函数被绘制。对于确定的液态物质的确定的一组特征用圆圈绘制。对于确定的固态物质的确定的一组特征用十字绘制。
从图5B的图可以看出，相应于固态物质的一组特征可提供高于0.5的处于液态的概率。此外，对应于固态物质的一组特征和对应于液态物质的一组特征可具有非常接近的处于液态的仿真概率。可以确定混合区51，所述混合区包括对应于液态物质的标示位置(plot)和对应于固态物质的多个标示位置。在混合区内评测具有相应标示位置的确定物质的状态可能不可靠。
图6A示出了根据现有技术的第三种水泥评测技术的弯曲波衰减值的仿真图。根据相应于多种物质的多组特征计算出多个弯曲波衰减值。将多个弯曲波衰减值绘制在图6A的图上。对于相应于流体状态的确定物质的确定的一组特征用圆圈绘制。对于相应于确定固态物质的确定的一组特征用十字绘制。
类似地，从图6A中可以看出，相应于固态物质的一组特征可提供较低的弯曲波衰减值，例如低于1dB/cm，类似于液体的衰减值。根据相应的仿真弯曲波衰减值评测确定物质的状态可能会产生误差。
图6B示出了多个处于液态的概率值的图示。对于确定的一组特征，处于液态的概率值由相应的弯曲波衰减值得出。对于处于流体状态的确定物质的确定的一组特征用圆圈绘制。对于确定的固态物质的确定的一组特征用十字绘制。
从图中可以看出，对应于固态物质的一组特征可具有高于0.5的处于液态的概率。可以确定混合区61，所述混合区包括对应于液态物质的标示位置和对应于固态物质的多个标示位置。在混合区内评测具有相应标示位置的确定物质的状态可能不可靠。
此外，一种密度比常规水泥的密度低的新水泥已经被研制出并逐渐用于填充套管后面的环空。由于密度较低，新水泥具有可大致等于3MRayl的相对较低的声阻抗。该声阻抗值较为接近水的声阻抗值。与第一种水泥评测技术和第二种水泥评测技术中的声阻抗有关的不确定性使得，物质状态的评测可能比使用阻抗为8MRayl的常规水泥更不可靠。
本发明提供一种提高评测套管后面的区域的状况的可靠性的方法和装置。
图7示出了一种根据本发明的对井筒套管后面的区域进行成像的示例性方法的流程图。该方法使用一种可位于井筒套管内的测井仪。所述测井仪带有多个声传感器。多个传感器中用于发射的第一声传感器以第一声波声穿透72套管。第一声波以预定的频率并相对于套管法线成一预定角度发射，以便以第一模式在套管内传播。所述第一模式可以是按如下定义的一组模式中的任意模式延伸模式、厚度模式、弯曲模式。在多个传感器中选择71至少一个用于接收的第一声传感器。用于接收的第一声传感器具有适于接收对应于第一声波的第一回波的位置。用于接收的第一声传感器记录73第一回波并在输出端产生第一信号。
用于接收的第一声传感器的输出端的信号为电信号，该电信号的振幅是用于接收的第一声传感器所探测到的回波的声振幅的函数。
多个传感器中用于发射的第二声传感器以第二声波声穿透74套管。所述第二声波以预定的频率并相对于套管法线成一预定角度发射，以便以第二模式在套管内传播，该第二模式可以为所述模式组中的任意模式。第二模式不同于第一模式。选择79至少一个用于接收的第二声传感器。用于接收的第二声传感器具有适于接收对应于第二声波的第二回波的位置。用于接收的第二声传感器接收第二回波并在输出端产生75对应于第二声波的第二信号。
对第一信号和第二信号进行分析从第一信号中提取76第一测量值，从第二信号中提取77第二测量值。
结合第一测量值和第二测量值评测出78对套管后面的区域的状况。对区域的状况可以表征为设置在环空内的填充物质(例如，水泥)的特性。填充物质的特性取决于环空内物质的状态如果物质为流体状态，那么水泥可能包含空隙和漏隙。
在根据现有技术的方法中，填充物质的特性仅由单一测量值或由从相应于单个波的单个信号中提取的多个测量值评测出。由于根据从多个声波得到的多个测量值进行单一评测，因此根据本发明的方法提供了对环空内物质的状态更可靠的评测。
图8A示出了根据本发明的作为仿真声阻抗值的函数的弯曲波衰减值的仿真图。提供了相应于多种物质的多组特征。对于每组特征，将弯曲波衰减的仿真值绘制为相应的声阻抗仿真值的函数。对于相应于流体状态的物质的确定的一组特征用圆圈绘制。对于相应于固态物质的确定的一组特征用十字绘制。
比较图5A和图6A，可以看出对应于液态物质的标示位置比现有技术的图示中更加偏离对应于固态物质的标示位置。
图8B示出了从图8A的多组特征仿真出的、所评测出的处于液态的概率图。对于每组特征，相应物质处于液态的概率由弯曲波衰减的相应仿真值和声阻抗的相应仿真值评测出。对于相应于流体状态的物质的确定的一组特征用圆圈绘制。对于相应于固态物质的确定的一组特征用十字绘制。
比较图5B和图6B的图示，可以看出，仅有少数相应于固态物质的标示位置表现出高于0.5的处于液态的概率。此外，相应于液态物质的标示位置比现有技术的图示中更加偏离相应于固态物质的标示位置。可以确定液态区81，所述液态区仅包括相应于液态物质的标示位置。因此，使用本发明的方法评测套管后面的物质的状态比使用现有技术的方法更加可靠。
第一示例实施例图9示出了根据本发明的示例性装置。通过估测套管92与地层之间的环空内的填充物质的特性来评测出对套管92后面的区域的状况。测井仪97设置在井910的套管92内。测井仪97包括用于发射的第一传感器93和用于接收的第二传感器94。
所述测井仪可沿着垂向轴线在套管内运动，并且可围绕所述垂向轴线旋转，从而在深度和方位角范围内评测出对套管后面的区域的状况。
用于发射的第一传感器93用第一声波声穿透套管92。在该示例实施例中，第一声波相对于套管92的法线成θ角发射，角θ大于第一界面91的横波临界角。因此，第一声波主要以弯曲模式在套管92内传播。第一声波的部分能量被传递到环空95。另一部分能量在套管92内折射。
用于接收的第一传感器96a和用于接收的附加传感器96b相应于第一声波分别接收第一回波并分别产生第一信号和附加信号。用于接收的第一传感器96a和用于接收的附加传感器96b可位于测井仪97的垂向轴线上。
紧接着第一声波，用于发射的第二传感器94以第二声波声穿透套管92。在该示例实施例中，用于发射的第二传感器94可用作用于接收的第二传感器94。用于发射的第二传感器94基本上指向套管92的法线，并且第二声波具有一频率，该频率选择为将套管92的选定径向段激励为厚度共振。
用于接收的第二传感器94接收相应于第二声波的第二回波。
在第一种可选择的实施例中，用于发射的第二传感器可以以第二声波声穿透套管，所述第二声波具有延伸模式或不同于第一模式的任意模式。
在第二种可选择的实施例中，第一和第二声波分别从用于发射的第一和第二传感器同时发射出来。用于接收的第一传感器记录第一原始信号。第一原始信号可以表示为分别相应于第一声波和第二声波的第一信号和第二信号的和。对第一原始信号进行处理以便将第一信号与第二信号分离。在第二种可选择的实施例中，用于接收的第一传感器可用作用于接收的第二传感器。将第一信号和第二信号从记录在用于接收的单一第一传感器处的单一第一原始信号中提取出来。
在第三种可选择的实施例中，第一声波和第二声波分别从用于发射的第一和第二传感器同时发射出来。用于接收的第一传感器不同于用于接收的第二传感器。用于接收的第一传感器和用于接收的第二传感器分别记录第一和第二原始信号。第一和第二原始信号都可表示为分别相应于第一和第二声波的第一和第二接收到的信号的加权和。对第一和第二原始信号进行处理以便分离第一和第二接收到的信号。因此，所述处理提供了四个信号来自用于接收的第一传感器的分离出来的第一信号，来自用于接收的第一传感器的分离出来的第二信号，来自用于接收的第二传感器的分离出来的第一信号以及来自用于接收的第二传感器的分离出来的第二信号。第一信号由来自用于接收的第一传感器的分离出来的第一信号值和来自用于接收的第二传感器的分离出来的第一信号值产生。类似地，第二信号由来自用于接收的第一传感器的分离出来的第二信号值和来自用于接收的第二传感器的分离出来的第二信号值产生。第三种可选择的实施例与第二种可选择的实施例相比，提供了对第一和第二信号更为可靠的评测。
在第四种可选择的实施例中，用于发射的第三传感器和用于接收的第三传感器沿着测井仪的轴线设置在两个不同的位置上。用于发射的第三传感器以第三声波声穿透套管。第三声波以第三模式(例如，延伸模式)传播，所述第三模式不同于第一模式和第二模式。用于接收的第三传感器产生相应于第三声波的第三回波的第三信号。从第三信号提取出第三测量值。结合第一测量值、第二测量值和第三测量值评测填充物质的特性。
在第五种可选择的实施例中，用至少四种波声穿透套管，每种波具有不同的模式。在测井仪上的多个位置处设置多个声传感器，每个位置取决于相应的模式。从分别相应于四种波的四个信号提取出至少四个测量值。结合四个测量值评测出填充物质的特性。
处理步骤记录并分析第一信号和第二信号。处理装置分别从第一信号和第二信号中提取第一测量值和第二测量值。由第一测量值和第二测量值计算出多个探测参数。
在该示例实施例中，第二测量值可以是第二信号的振幅衰减率值。该振幅衰减率值提供了环空95内物质的声阻抗值。
在该实施例中，附加振幅的测量值从所述附加信号中提取，第一振幅的测量值从第一信号中提取。第一声波沿着套管92的弯曲波衰减值由附加振幅的测量值和第一振幅的测量值计算出。
第一测量值可为传播时间值。传播时间值能够计算波在环空内的表观速度值(value of an apparent velocity)。
所述表观速度可为横波速度(shear wave velocity)、纵波速度(compressional wave velocity)或两种波的混合速度。如果环空95填充有气体，则没有可探测到的声波可在气体内传播。如果环空95填充有液体(例如，水或泥浆)，则仅纵波可在液体内传播。在基于弯曲模式的测量值中，如果环空95填充有高密度水泥，则仅横波可通过水泥物质传播。如果环空95填充有低密度水泥，则横波和纵波都可通过水泥物质传播。
所述表观速度仅在该后一种情况下可以为混合速度。所述混合速度对应于横-纵波912与纵-横波911的混合。横-纵波912以横波模式(shear mode)向前传播并以纵波模式(compressional mode)返回。纵-横波911以纵波模式向前传播并以横波模式返回。横-纵波912和纵-横波911可到达用于接收的第一传感器并同时产生信号的单一分量。由此可测得单一速度Vpssp。
对于固态物质(例如，水泥)，纵波速度一般会远远高于横波速度。例如，纵波速度大致等于3300m/s，而横波速度大致等于1800m/s。表观速度(横波、纵波或它们的混合)的性质可直接由表观速度值评测出。在后一种情况中，填充物质的特性可通过估测环空内物质的状态(固态或液态)而评测出。
评测步骤在图9所示的实施例中，填充物质的特性是通过估测环空内物质的状态和表观速度的性质来评测的。在估测环空内填充物质的特性之前，不能确定表观速度的性质。如果环空内的物质为流体状态，则仅纵波可以传播。因此，考虑包括四种特性情况的一组特性情况(a)环空内的物质为液态并且表观速度为纵波速度；(b)环空内的物质为固态并且表观速度为纵波速度；(c)环空内的物质为固态并且表观速度为横波速度；(d)环空内的物质为固态并且表观速度为混合速度。
由于声波几乎不能通过气体传播，故不考虑气态。
环空95内的填充物质的特性可通过弯曲波衰减和声阻抗的计算值来评测。
在这个示例实施例中，从水泥灌浆的技术诀窍(know-how of cementing)进行分析可以近似得到探测参数(弯曲波衰减和声阻抗)的概率密度函数并获知特性情况。因此，已经测量探测到的阻抗和探测到的弯曲波衰减的每种特性情况的经验概率可利用如Baye定律或任何其它的方法进行评测。
当评测出每种特性情况的概率时，根据评测出的经验概率确定有关环空95内物质的状态和表观速度的性质。
该实施例中的最后一步包括由评测出的状态、探测到的声阻抗、探测到的弯曲波衰减以及由表观速度υa估多个质量参数，例如密度ρ，横波速度υs和纵波速度υp。
在另一实施例中，例如神经网络可用于从提取出的测量值获得至少一个特性参数，例如波通过环空95的表观速度的性质。
第二示例实施例图10示出本发明的第二示例实施例。在该示例实施例中，测井仪100包括传感器元件102的阵列101。每个传感器元件102能够根据来自电路(未示出)的指令发射信号。通过向所发射的信号施加延迟，可以实现预定方向的操纵。至少一个用于发射的第一传感器元件以第一声波声穿透井104的套管103，所述第一声波相对于套管的法线成一预定角度。因此，第一声波以第一模式在套管内传播。所述第一模式可以为下述模式中的任一种延伸模式、弯曲模式和厚度模式。在传感器元件102的阵列101中至少一个用于接收的第一传感器元件记录相应于第一声波的第一信号。
类似地，在记录了第一信号之后，传感器元件102的阵列101中至少一个用于发射的第二传感器元件发射第二声波。根据所发射信号的延迟确定第二声波的方向。因此，第二声波以第二模式在套管103内传播。第二模式不同于第一模式。在传感器元件102的阵列101中至少一个用于接收的第二传感器元件记录相应于第二声波的第二信号。
之后，对第一和第二信号进行处理，以分别提取出第一测量值和第二测量值。
围绕套管103的环空106内的物质105的特性(例如，物质105的状态)，通过结合第一测量值和第二测量值评测出。
传感器阵列不必在套管内旋转来提供对围绕套管的区域的状况的评测。通过沿阵列周向用电子学方法选择用于发射的传感器元件，使超声束进行电子学上地旋转。
在另一可选择的实施例中，特性参数可以是环空内物质的密度。从第一接收到的信号提取出第一测量值。第一测量值可提供所述物质的声阻抗值。类似地，第二测量值可提供波通过环空的速度值。密度值可通过结合声阻抗值和速度值来评测。密度值可以评测为等于声阻抗值与速度值的比。
所述测量值可以是从至少一个信号中提取的任何数据，当与其它测量值结合时，其可用于提供对井筒套管后面的区域的状况的评测，所述测量值是例如信号波峰的幅值、传播时间等。
探测到的参数可以是可由至少一个测量值计算出的任何参数，例如环空内物质的阻抗、表观速度、弯曲波衰减等。
所述特性情况可以是能够评测套管后面的区域的状况的任何情况。通常，所述特性情况为环空内物质的状态(固态、液态或气态)。特性情况还可包括表观速度的性质(横波、纵波或其混合)。
特性参数可以是表征套管外部的任何参数，例如声波在套管后面的横波速度、套管后面的物质的密度等。
套管后面的区域的状况可以是套管外部的任何特征。套管后面的区域的状况包括填充物质的特性。通常，填充物质的特性取决于环空内物质的状态。然而，填充物质的特性可以表征为提供有关套管内物质的分隔能力的信息的任何特性参数，例如套管内物质的声阻抗或密度。套管后面的区域的状况还可表征为提供有关地层或产砂区域的信息的任何参数。
虽然以有限数量的实施例对本发明做了描述，但是受益于此公开的本领域技术人员将会明白，可以构想出不脱离这里所公开的本发明的范围的其它实施例。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种对井筒套管后面的区域的状况进行成像的方法，所述方法使用可定位在套管内的测井仪，所述测井仪承载有多个声传感器，所述方法包括利用所述多个声传感器中的用于发射的第一声传感器以第一声波声穿透(72)所述套管，第一声波具有第一模式，所述第一模式可以是如下定义的一组模式中的任何模式延伸模式、厚度模式、弯曲模式；在所述多个传感器中选择(71)至少一个用于接收的第一声传感器，所述用于接收的第一声传感器具有适于接收相应于第一声波的第一回波的位置；在所述用于接收的第一声传感器处接收(73)第一回波，并产生第一信号；从第一信号中提取(76)第一测量值；利用所述多个声传感器中的用于发射的第二传感器以第二声波声穿透(74)所述套管，第二声波具有第二模式，该第二模式可以是所述一组模式中的任何模式，并且不同于第一模式；在所述多个传感器中选择(79)至少一个用于接收的第二声传感器，所述用于接收的第二声传感器具有适于接收相应于第二声波的第二回波的位置；在所述用于接收的第二声传感器处接收(75)第二回波，并产生第二信号；从第二信号中提取(77)第二测量值；结合第一测量值和第二测量值评测(78)井筒套管后面的区域的状况。
2.如权利要求1所述的方法，其中，套管(92)后面的区域的状况表征为设置在套管(92)与地层之间的环空(95)中的填充物质的特性。
3.如权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述第一模式为弯曲模式；其中所述第二模式为厚度模式。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述第一测量值为传播时间的测量值；所述第二测量值为随时间变化的振幅衰减率的测量值。
5.如权利要求4所述的方法，其中，还包括由传播时间的测量值和振幅衰减率的测量值计算环空内物质的阻抗值和环空内纵波的速度值；由计算出的声阻抗值和计算出的纵波速度值评测环空内物质的密度值。
6.如权利要求4所述的方法，其中，其还包括在所述多个声传感器中选择用于接收的附加声传感器(96b)，所述用于接收的附加声传感器(96b)不同于所述用于接收的第一声传感器(96a)，所述用于接收的附加声传感器(96b)具有适于接收相应于第一声波的附加回波的位置；在所述用于接收的附加声传感器(96b)处接收所述附加回波，并产生附加信号；从所述第一信号中提取第一振幅的测量值并从所述附加信号中提取附加振幅的测量值。
7.如权利要求4或6所述的方法，其中，其还包括至少由传播时间的测量值和振幅衰减率的测量值计算出多个探测参数；确定环空内物质的一组特性情况；对于每种特性情况计算对于探测参数计算值的特性情况的经验概率；选出最可能的特性情况。
8.如权利要求7所述的方法，其中，其还包括由选出的特性情况和探测参数的计算值估测至少一个特性参数。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述多个探测参数包括环空(15，38，410，95，106)内物质的阻抗和第一声波(A)沿套管(14，24，32，44，92，103)的弯曲波衰减；估测多个特性参数，所述多个特性参数包括环空(15，38，410，95，106)内物质的密度、第一声波穿过所述物质的横波速度以及第一声波穿过所述物质的纵波速度。
10.如权利要求1到2中任一项所述的方法，其中所述第一模式为弯曲模式；其中所述第二模式为延伸模式。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，其还包括利用所述多个声传感器中的用于发射的第三声传感器以第三声波声穿透所述套管，第三声波具有第三模式，该第三模式不同于第一模式和第二模式；选择用于接收的第三声传感器，所述用于接收的第一声传感器具有适于接收相应于第三声波的第三回波的位置；在第三声传感器处接收第三回波，并产生第三信号；从第三信号中提取第三测量值；结合第一测量值、第二测量值和第三测量值评测井筒套管后面的区域的状况。
12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其中所述填充物质为水泥。
13.如权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，其还包括在套管内引导并旋转所述测井仪，以便在深度和方位角范围内评测套管后面的区域的状况。
14.一种用于对井筒套管(92)后面的区域的状况进行成像的系统，所述系统包括可定位在套管(92)内并承载有多个声传感器的测井仪(97)；所述多个声传感器中的用于发射的第一声传感器(93)，其用于以具有第一模式的第一声波声穿透所述套管(92)，所述第一模式可以是如下定义的一组模式中的任何模式延伸模式、厚度模式、弯曲模式；所述多个声传感器中的用于发射的第二声传感器(94)，其用于以具有第二模式的第二声波声穿透所述套管(92)，所述第二模式可以是所述一组模式中的任何模式，并且不同于第一模式；至少一个用于接收的第一声传感器(96a)，其具有适于接收相应于第一声波的第一回波的位置，并用于产生第一信号；至少一个用于接收的第二声传感器(94)，其具有适于接收相应于第二声波的第二回波的位置，并用于产生第二信号；提取装置，用于分别从第一信号和第二信号中提取第一测量值和第二测量值；以及处理装置，用于通过结合第一测量值和第二测量值评测套管(92)后面的区域的状况的特性。
15.如权利要求14所述的系统，其中，套管(62)后面的区域的状况表征为设置在套管(62)与地层之间的环空(95)中的填充物质的特性。
16.如权利要求14或15所述的系统，其中，用于发射的第一声传感器(93)与用于接收的第一声传感器(96a)排列成一角度，该角度大于套管(92)与套管(92)内的流体之间的界面(91)的横波临界角，所述角度是相对于套管(92)的局部内壁的法线测量的。
17.如权利要求14至16中任一项所述的系统，其中用于发射的第二声传感器(94)指向套管(92)的局部内壁的法线；用于发射的第二声传感器(94)具有一频率范围，该频率范围选择为将套管(92)的选定径向段激励成厚度共振。
18.如权利要求14至17中任一项所述的系统，其中，其还包括所述多个声传感器中的用于接收的附加声传感器(96b)，所述用于接收的附加声传感器(96b)具有适于接收相应于第一声波的附加声波的位置，所述用于接收的附加声传感器(96b)不同于所述用于接收的第一声传感器(96a)，其用于产生附加信号。
19.如权利要求14至18中任一项所述的系统，其中，其还包括位于测井仪外围的传感器元件的阵列(101)，所述传感器元件阵列至少以第一声波和第二声波声穿透所述套管(103)，第一声波和第二声波分别以第一模式和第二模式在套管(103)内传播。
20.如权利要求14至19中任一项所述的系统，其中所述填充物质为水泥。
全文摘要
第一模式的第一声波声穿透井筒套管，所述第一模式可以是包括延伸模式、厚度模式、弯曲模式的一组模式中的任何模式。在用于接收的第一声传感器处接收第一回波，产生第一信号并从第一信号中提取第一测量值。之后，以第二模式的第二声波声穿透所述套管，第二模式可以为所述一组模式中的任何模式，但不同于第一模式。在选出的用于接收的第二声传感器处接收第二回波，并产生第二信号。从第二信号中提取第二测量值。结合第一测量值和第二测量值评测出井筒套管后面的区域。
文档编号E21B47/00GK1863986SQ200480029019
公开日2006年11月15日 申请日期2004年8月2日 优先权日2003年8月8日
发明者贝努伊特·弗罗利克, 让-卢克·利卡尔维兹, 伊曼纽尔·莱金德里, 斯梅恩·齐鲁格 申请人:普拉德研究及发展公司