专利名称：用于评估水泥与地层界面胶结质量的超声信号反演方法
技术领域：
本发明涉及一种套管井水泥胶结质量评价技术，尤其是涉及一种用于评估水泥与 地层界面胶结质量的反演方法。
背景技术：
石油、天然气井采用套管/水泥/地层结构来保证井眼的稳定，其中水泥一方面起 到固定套管的作用，另一方面阻止不同地层中的流体混合，确保产油(气)区不被污染。通 过下井仪器可对水泥的胶结质量进行检测和评估。最早采用的CBL、VDL声波方法在井周 上没有方向性，所以不能确定胶结缺陷所在的方位，且不能检测出竖直方向的沟槽缺陷。近 年来，国外公司采用宽频带换能器组或绕轴旋转的单个超声换能器，垂直于套管内壁激发 和接收波形，对井周进行全覆盖检测，目前采用此检测方法的仪器(斯伦贝谢USI，哈利伯 顿CAST-F)已经可以检测出套管/水泥界面(以下称一界面)胶结缺陷，然而由于套管的 高声阻抗，窄脉冲声波在套管内发生多次反射，持续时间长，淹没了后续的水泥/地层界面 (以下称二界面)，因此无法对二界面胶结质量进行评价。同济大学胡文祥等人针对这个问 题，根据声半波透射理论，在原有的检测方式不变的基础上，选用多周期(周期等于套管厚 度共振频率倒数)猝发信号激励换能器，产生的声波可有效地透过钢套管，获得增强的二 界面回波信号，为评价二界面胶结质量奠定了基础。但是，在许多情况下，二界面回波脉冲 仍然与套管内壁反射信号、套管内共振反射信号在时间上部分叠加，仍无法直接用来评价 套管井二界面水泥胶结质量。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种消除了不利因 素影响的用于评估水泥与地层界面胶结质量的超声信号反演方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种用于评估水泥与地层界面胶结质量的超声信号反演方法，其特征在于，该方 法包括以下步骤(1)利用换能器发射超声脉冲对实际套管内壁进行检测，得到实测信号，同时选 取换能器垂直套管内壁发射超声波的声传播模型，仿真出换能器接收的信号，获得仿真信 号；(2)对实测信号和仿真信号进行归一化处理和波形时间对齐处理，并从实测信号 和仿真信号中截取一段时间窗口中的信号；(3)对所截取的实测信号和仿真信号进行信号变换处理，并计算二者均方根误差， 调整仿真模型中传播时间和水泥表面等效阻抗，反演参数使得上述误差达到最小；(4)通过反演参数和选取的声传播模型计算套管内壁反射回波、套管内共振回波 以及水泥/地层界面回波，最后用归一化的二界面回波信号评价界面的胶结质量。所述的超声波的声传播模型包括一维声传输线模型或三维声波动模型。
所述的实测信号和仿真信号进行波形时间对齐处理时通过计算二者相关系数方 法得到时间差，然后对实测信号进行延时。所述的截取一段时间窗口中的信号包括套管内壁反射回波、套管内共振反射回 波。所述的信号变换处理方法包括Hilbert变换求包络或小波分解变换。与现有技术相比，本发明能将二界面回波信号从各波成分相互叠加的反射信号中 单独提取出来，评价套管井二界面水泥胶结质量，并消除了泥浆衰减、换能器发射能量、仪 器偏心、椭圆井眼等变化因素的影响。
图1为超声换能器垂直入射套管井检测方式的剖面示意图；图2为图1所示检测方式的超声换能器输出电信号；图3为反演时间、和水泥表面阻抗流程；图4为图2中电信号通过反演结果分离之后的独立脉冲。图中11为多周期猝发电信号、12为超声换能器、13为辐射声波、14为泥浆、15为 套管、16为水泥、17为地层、18为反射声波、19为仿真电信号、WtlU)为套管内壁的反射回 波、W1U)为套管内的共振反射回波、W2(t)为二界面的回波。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例图1是超声换能器垂直入射套管井的剖面图，多周期猝发电信号11激励超声换能 器12振动，向泥浆14中辐射声波13，在泥浆14、套管15、水泥16、地层17中传播，遇到界 面后产生反射声波18，由超声换能器12转换为仿真电信号19。为得到仿真电信号19，首先要确定声传播模型，这里所考虑的声传播模型，可以是 近似的一维声传输线模型，或者更精确的三维声波动模型，但并不限于此。采用一维声传输线模型，则“泥浆/套管/水泥”的系统响应函数为
权利要求
1.一种用于评估水泥与地层界面胶结质量的超声信号反演方法，其特征在于，该方法 包括以下步骤(1)利用换能器发射脉冲对实际套管内壁进行检测，得到实测信号，同时选取换能器垂 直套管内壁发射超声波的声传播模型，仿真出换能器接收的信号，获得仿真信号；(2)对实测信号和仿真信号进行归一化处理和波形时间对齐处理，并从实测信号和仿 真信号中截取一段时间窗口中的信号；(3)对所截取的实测信号和仿真信号进行信号变换处理，并计算二者均方根误差，调整 仿真模型中传播时间和水泥表面等效阻抗，反演参数使得上述误差达到最小；(4)通过反演参数和选取的声传播模型计算套管内壁反射回波、套管内共振回波以及 水泥/地层界面回波，最后用归一化的二界面回波信号评价界面的胶结质量。
2.根据权利要求1所述的一种用于评估水泥与地层界面胶结质量的超声信号反演方 法，其特征在于，所述的超声波的声传播模型包括一维声传输线模型或三维声波动模型。
3.根据权利要求1所述的一种用于评估水泥与地层界面胶结质量的超声信号反演方 法，其特征在于，所述的实测信号和仿真信号进行波形时间对齐处理时通过计算二者相关 系数方法得到时间差，然后对实测信号进行延时。
4.根据权利要求1所述的一种用于评估水泥与地层界面胶结质量的超声信号反演方 法，其特征在于，所述的截取一段时间窗口中的信号包括套管内壁反射回波、套管内共振反 射回波。
5.根据权利要求1所述的一种用于评估水泥与地层界面胶结质量的超声信号反演方 法，其特征在于，所述的信号变换处理方法包括Hilbert变换求包络或小波分解变换。
全文摘要
本发明涉及用于评估水泥与地层界面胶结质量的超声信号反演方法，根据声波在套管井结构中的传播模型，仿真垂直入射套管内壁的换能器回波信号，与实测信号相比较，调整模型参数，使二者均方根误差最小，分离回波信号中的套管内壁反射波、套管内共振回波、二界面反射回波，最后用归一化的二界面回波信号幅度作为二界面水泥胶结的质量参数。与现有技术相比，本发明能将二界面回波信号从相互叠加的反射信号中单独提取出来，并消除了泥浆衰减、换能器发射能量、仪器偏心、椭圆井眼等变化因素的影响。
文档编号G01N29/04GK102128028SQ20101002272
公开日2011年7月20日 申请日期2010年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者王浩, 胡文祥, 马琦 申请人:同济大学