套管井水泥胶结评价的SH横波检测方法和实验研究

In the process of oil and gas exploitation, well integrity and position packer by pumping cement are very important for oil-field safety task operation. A challenge facing the current acoustic logging tool measurement is the low sensitivity of detection because of the acoustic impedence contrast between borehole fluid and casing. And it is difficult for the reliable cementing evaluation on the low density cement. The technique of the electromagnetic acoustic transducer (EMAT) will be introduced into acoustic well logging in cased borehole. EMAT generates shear waves that polarize parallel to the casing surface and transverse to the propagation direction by lorentz force. So it is feasible to evaluate the cementing quality by the shear modulus of cement. The shear waves excited by lorentz force in the casing are commonly known as SH waves. This method can significantly improve the sensitivity of acoustic detection. Combined numerical simulation with experimental physical simulation, the acoustic field excited by EMAT will be studied in cased wells. The key parameters of logging tool can be provided by optimal designing EMAT and measure apparatus. The works will establish experimental and theoretical foundation for new generation acoustic logging tool development in cased wells.

通过在套管与地层岩石之间注入水泥提供井筒完整性和层位封隔，对油田安全作业至关重要。目前主要是通过声波测井方法完成水泥胶结质量评价，但现有声波测井方法的一个固有缺陷是套管与井中泥浆的较大声阻抗反差使得在井中测量套管后面水泥界面的灵敏度受到相当大的限制，尤其是低密度水泥胶结状况的可靠评价更是受到了较大挑战。本项目拟将电磁超声换能器技术引入到套管井声波测井，在套管中感生洛伦兹力来激发周向传播的SH模式波，实现通过水泥剪切模量的测量来评价水泥胶结状况的方法和技术，这将极大地提高各种密度水泥胶结测量的灵敏度。通过对套管中SH横波传播机理、SH横波测井响应的正演模拟和实验室物理模拟相结合的研究路线，提供实现SH横波技术在套管井水泥胶结评价中的仪器关键尺寸参数和测量参数（电磁超声换能器结构参数、测量源距和间距、仪器与套管耦合距离等），为我国在套管井测井中开发新一代的SH横波测井仪奠定理论和实验基础。

在国家油气勘探开发以及国家双碳目标的推动下，固井质量评价除了保证油气安全开采在二氧化碳封存期间保证井筒完整性方面的需求也变得越来越迫切。本项目重点研究的电磁超声换能器可适用于任意井内泥浆类型，包括有可能出现的二氧化碳封存区块的含气套管井，这将会克服声波测井不能在含气井孔中开展固井质量评价的局限。本项目将电磁超声换能器技术引入到套管井声波测井，可在套管中直接激发沿着套管环向传播的准SH横波，可从根本上区分套后声阻抗接近的泥浆（液体，没有剪切模量，SH波没有辐射衰减）和低密度水泥（固体，有剪切模量，SH波衰减明显），从而解决了现有声阻抗类声波仪器在低密度水泥胶结评价上的不适应性。由于测井时需要换能器在井中从下向上匀速上提，电磁换能器中的磁铁移动使得被测试样磁性变化，磁致伸缩机制转换效率会受到影响，因此选择了基于洛伦兹力的电磁超声换能器，在具有高电导率的套管中激发洛伦兹力时，套管磁性的变化不会显著影响洛伦兹力的转化效率。通过建立径向分层的套管井模型，采用理论计算、数值仿真以及实验测量相结合，研究了沿着套管环向传播的准SH波的传播特征，在理论和实验相互验证的基础上，优化设计并制作了可在套管中激发准SH波的电磁超声换能器，由跑道型线圈、周期排列的永磁铁和套管组成，对油田常用的套管厚度(8mm~12mm)激发准SH0波和准SH1波的频率分别选择为100kHz~130kHz和200kHz~230kHz，在实验室套管井中测量到了准SH0和准SH1导波，实验测量的准SH导波的衰减与解析计算和数值模拟结果吻合，最终得到了套管井准SH横波在套后耦合不同介质时的衰减规律。项目的研究内容为国内实现套管井SH横波测井奠定了理论和实验基础，也为我国在套管井声波测井中开发新一代的SH横波测井仪器提供了技术支持。项目的相关研究内容主要发表在国内的《地球物理学报》、《石油学报》等期刊，第一标注项目号“41774141”的SCI和EI论文共9篇；参加国内和国外会议共3次；相关研究内容申请国家发明专利共3项。

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