[发明专利]一种检测套管外水泥与套管间裂隙宽度的系统及方法

说明书

本发明公开了一种检测套管外水泥与套管间裂隙宽度的系统及方法，首先将待测模型的已知参数输入到数据处理终端中，并设定超声波的发射频率和发射周期。然后将待测模型放入模型容器中，在套管中注满液体，盖上模型容器顶盖，通过数据处理终端调节轴向旋转步进电机和升降步进电机的转动来设定检测位置和检测方位角。数据处理终端通过数据采集控制模块控制超声波探头的发射和回波的接收。数据处理终端对回波的波形数据进行快速傅里叶变换，求出回波信号的频率数据，然后利用反射波在套管共振透射窗内的频谱信息建立反演目标函数，通过改进差分进化算法得到目标函数的最小值，从而得到套管‑水泥环缝隙宽度。经过实验验证，实际值与测量值最大相对平均误差小于0.178mm。

技术领域

本发明涉及油气开采钻井固井技术领域，具体涉及一种利用超声波在套管中检测并实现指定方位角上测量套管外水泥与套管之间的间隙厚度的系统及方法。

背景技术

固井水泥强度评价实验是对各种水泥的固井效果进行评测，对指导现场的固井施工有着重要的意义。而对套管外侧的流体层厚度的检测则是该实验的关键步骤之一。目前，在对套管外介质参数检测的主要方法中，超声反射法由于具有周向分辨率高等特点而得到了广泛的研究。但是该方法在对套管外介质参数进行定量反演时，主要面临以下的问题：1、套管和泥浆的波阻抗相差很大，只有少部分声波穿透泥浆-套管界面，因此携带套管外介质信息的反射波信号微弱。2、反演目标函数的多局部极值造成了反演困难。针对以上问题，乔文孝等人对反射波的频谱特征进行分析，得出了半定量检测波阻抗和套管厚度的方法。姚桂锦利用复合反射系数对套管外介质波阻抗和厚度进行了定量反演。该方法将反演目标函数改为反正切函数的形式克服了目标函数多局部极值的缺点，具有反演稳定的特点。以上研究的反演算法中，反演结果的精度依赖于某些已知参数(如套管厚度)准确性。在实际测量过程中，这些参数可能难以准确测量或估计，这将给精确的定量反演带来困难。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明提出检测套管外水泥与套管间裂隙宽度的系统及方法，考虑到套管-地层环间隙和套管厚度的不确定性，将这两个参数作为反演参数加入到反演函数中，利用反射波在套管共振透射窗内的频谱信息建立三参数反演目标函数。在目标函数极值搜索过程中，为了解决多局部极值造成的反演目标函数极值搜索困难的问题，采用基于差分进化算法的全局搜索策略。通过使用改进后的差分进化算法实现了流体厚度、套管厚度以及套管-地层环间距的定量反演。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一方面本发明提供一种检测套管外水泥与套管间裂隙宽度的系统，其包括数据处理终端、数据采集装置和现场施工模拟装置，

所述数据采集装置包括控制模块、旋转机构、升降机构、超声波模组和连杆；所述控制模块分别与数据处理终端和超声波模组电连接，用于将超声波模组采集的数据发送给数据处理终端进行裂隙宽度分析；所述旋转机构、升降机构均通过齿轮与连杆连接，并与控制模块电连接，用于在控制模块的控制下驱动连杆轴向旋转以及上下移动；所述超声波模组设置在现场施工模拟装置内并与连杆的下端固定连接，用于检测套管外水泥与套管间裂隙宽度；

所述数据处理终端用于设定超声波的发射频率和发射周期，向数据采集装置发送控制指令进而调节旋转机构和升降机构的转动来设定检测位置和检测方位角，并根据数据采集装置采集上传的波形数据进行快速傅里叶变换得到反射波频谱，同时利用反射波在套管共振透视窗内的频谱信息建立反演函数并采用改进差分进化算法搜索得到套管外水泥与套管间裂隙宽度。

所述现场施工模拟装置包括模型容器和容器顶盖，所述模型容器内由内向外同轴设有套管和地层环，所述套管与地层环之间浇筑固井水泥形成水泥环；所述容器顶盖边缘通过螺栓与模型容器固定连接，容器顶盖的中部设有一与套管同轴的第一通孔，所述连杆的下端穿过第一通孔伸入套管内；所述通孔外设有电机支架，所述旋转机构、升降机构均设置在电机支架上并通过齿轮与连杆连接。