一种基于超声Lamb波的套管非均性测量方法

本发明涉及地球物理测井，具体涉及一种基于超声lamb波的套管非均性测量方法。

背景技术：

1、固井质量评价作为油气井生产中的关键环节。利用超声lamb波固井质量评价方法通过计算远近lamb波衰减并结合共振波测量阻抗对套后介质状态进行评价，但是，实际生产过程中，当套管发生腐蚀、套后水泥轴向缺失造成套管井发生非均匀性变化时，会对所测量波形计算的衰减值产生影响，从而影响对套后介质气液固状态的判断。

2、因此，亟需提出一种基于超声lamb波的套管非均性测量方法，通过获得套管井非均匀界面产生的反射波，进一步处理消除套管井非均匀性对lamb波衰减的影响，提高固井质量评价的精度。

技术实现思路

1、本发明为了解决现阶段超声lamb波评价套后介质时易受套管井非均匀性影响的问题，提出了一种基于超声lamb波的套管非均性测量方法，利用超声lamb波声系中近、远接收器所测量的全波波形以及超声lamb波声源发射器测量的反射波波形，通过对超声lamb波真实衰减值进行定量计算，实现了对套管非均匀程度的精确确定，有效消除了套管非均性对超声lamb波衰减计算的影响。

2、本发明采用以下的技术方案：

3、一种基于超声lamb波的套管非均性测量方法，包括以下步骤：

4、步骤1，根据超声lamb波声系和套管井的结构特征，构建包括超声lamb波声系模型和套管井模型的超声lamb波测井模拟模型；

5、步骤2，利用超声lamb波测井模拟模型进行套管非均匀性变化模拟，通过改变超声lamb波测井模拟模型中相同深度处的套管厚度，模拟不同套管腐蚀程度下近、远接收器测量的全波波形以及超声lamb波声源发射器测量的反射波波形，得到不同套管腐蚀程度下超声lamb波声系模型的波形数据；

6、步骤3，对比套管腐蚀前后近、远接收器所测量的全波波形，分析套管非均质性变化对全波波形的影响；

7、步骤4，根据不同套管腐蚀程度下近、远接收器测量的波形数据，计算不同套管腐蚀程度下的超声lamb波衰减值，得到超声lamb波衰减随套管腐蚀程度的变化规律，确定超声lamb波衰减值与套管腐蚀程度关系式；再根据不同套管腐蚀程度下超声lamb波声源发射器测量的反射波波形，通过对反射波波形进行希尔伯特变换选取反射波波形包络的峰值，获取不同套管腐蚀程度下的反射波幅度值，得到反射波幅度随套管腐蚀程度的变化规律，确定反射波幅度值与套管腐蚀程度关系式；

8、步骤5，预设目的井段，目的井段中设置多个套管厚度，由上到下套管厚度依次减小用于表征套管腐蚀程度逐渐增大，根据步骤1中超声lamb波测井模拟模型的设置参数设置目的井段中套管的材料参数以及超声lamb波声系的结构参数；

9、步骤6，将超声lamb波声系置于目的井段中进行测量，得到测量深度处的远、近波形数据和反射波波形数据；对远、近波形和反射波波形进行递推平均滤波，去除递推平均滤波后反射波波形内零点漂移的直流分量并进行希尔伯特变换，得到反射波的包络曲线；对递推平均滤波后的远、近波形分别进行希尔伯特变换，得到远、近波形的包络曲线；

10、步骤7，根据反射波的包络曲线，利用反射波幅度值与套管腐蚀程度关系式计算套管腐蚀程度值后，代入至超声lamb波衰减值与套管腐蚀程度关系式计算得到套管腐蚀后的超声lamb波衰减值，结合套管未腐蚀时的超声lamb波衰减值，确定套管腐蚀前后的超声lamb波衰增大量δatt；根据远、近波形包络曲线的lamb波包络峰值，计算得到远近波形衰减值att0；根据远近波形衰减值att0与超声lamb波衰增大量δatt之间的差值，确定测量深度处的超声lamb波真实衰减值att1；

11、步骤8，重复步骤6～步骤7，利用超声lamb波声系完成整个目的井段的测量，处理得到目的井段各深度处的超声lamb波真实衰减值，完成对套管的非均性测量。

12、优选地，所述超声lamb波声系模型在套管井模型中居中设置，超声lamb波声系模型由上到下依次斜向设置有超声lamb波声源发射器、近接收器和远接收器，其中，超声lamb波声源发射器采用兼具发射和接收功能的自发自收探头，用于激发声源并接收反射波波形，近接收器和远接收器均用于测量全波波形，超声lamb波声源发射器的入射角与近接收器、远接收器的接收角度数相同；

13、所述套管井模型包括地层和套管，套管内充满井筒介质，分别根据待模拟套管井的实际情况，设置套管井模型的材料参数。

14、优选地，所述近接收器的源距设置为25cm、远接收器的源距设置为35cm；所述超声lamb波声源发射器的入射角均设置为33°～38°，用于达到套管的剪切临界角激发出a0模式的lamb波。

15、优选地，所述超声lamb波衰减值计算公式为：

16、

17、式中，att为超声lamb波衰减值，单位为db·m-1；rr为近接收器与远接收器之间的距离，单位为m；ampf为远接收器所测量全波波形经过希尔伯特变换后得到的直达lamb波包络峰值；ampn为近接收器所测量全波波形经过希尔伯特变换后得到的直达lamb波包络峰值；

18、所述超声lamb波衰减值与套管腐蚀程度关系式为：

19、

20、式中，ct为套管腐蚀程度值；a、b均为超声lamb波衰减拟合系数；

21、所述反射波幅度值与套管腐蚀程度关系式为：

22、ramp＝c×(5.4×ct6-14.5×ct5+16.8×ct4-8.6×ct+2×ct2-0.09×ct) (3)

23、式中，ramp为反射波幅度值；c为超声lamb波声源发射器的能量系数。

24、优选地，所述递推平均滤波过程为：

25、预设均值参数n1的初值，创建零向量z(n1,1)并作为滑动滤波队列；

26、根据波形数据，选取波形数据中前n1个测量值x(1:n1,1)作为零向量前n1个输出点的取值，确定滑动滤波队列的输出值z(1:n1,1)；

27、将移动滑动滤波队列沿波形数据向后移动一个测量点，得到更新后的波形数据测量值x(2:n1+1)并移入至滑动滤波队列中，计算滑动滤波队列的算术平均值作为波形数据中前n1个测量值x(1:n1,1)的滤波数据，重复上述步骤直至递推滤波处理至波形数据的最后一个测量点。

28、优选地，还对超声lamb波声系中超声lamb波声源发射器进行了优化，并验证了超声lamb波声源发射器的性能改善；

29、所述超声lamb波声源发射器的接收电路中增加了滤波控制模块，所述滤波控制模块设置为带通滤波器，采用mfb型二阶多级负反馈巴特沃斯窄带通滤波电路级联，包括第一级滤波器和第二级滤波器，分别设置第一级滤波器和第二级滤波器的带宽、中心频率、增益和传递函数；

30、利用可视化仿真工具simulink进行仿真，分别将超声lamb波声系实测得到的反射波波形数据输入至优化前后的超声lamb波声源发射器接收电路中，仿真得到滤波前后的波形图像，对比分析优化后超声lamb波声源发射器的去噪效果，验证优化后超声lamb波声源发射器的性能。

31、优选地，所述第一级滤波器的中心频率设置为187khz，第二级滤波器的中心频率设置为334khz。

32、本发明具有如下有益效果：

33、本发明提出了一种基于超声lamb波的套管非均性测量方法，解决了超声lamb波测井过程中因套管腐蚀发生非均匀变化形成非均匀界面，使得超声lamb波在套管中传播遇到非均匀界面产生发射波影响远、近接收器衰减测量精度的问题。基于有限元模拟获取超声lamb波测井中超声lamb波衰减、反射波幅度与套管腐蚀程度之间的关系并进行刻度，通过准确确定套管腐蚀程度及对应的衰减量变化，实现了对套管非均性的准确评价，有利于分析套后介质的气液固状态。

34、同时，本发明还对基于超声lamb波的套管非均性测量方法所采用的超声lamb波声源发射器进行了优化，通过在超声lamb波声源发射器的接收电路内增加滤波控制模块，利用mfb型二阶多级负反馈巴特沃斯窄带通滤波电路级联，将负反馈环节和放大环节相结合实现滤波功能，配合级联结构有效降低了反射波数据内的低频噪声和高频噪声对超声lamb波声源发射器测量发射波波形数据的影响，提高了超声lamb波声源发射器的去噪性能，为准确掌握反射波的波形数据提供了依据。