Influence of Casing and Cement Sheath Dimensions on Casing Waves in CBL/VDL Logging
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摘要:
深井超深井厚套管、薄水泥环等复杂井况下利用CBL/VDL测井评价固井质量时，是利用测量的套管波幅度或衰减评价水泥环的胶结状况。但截至目前，对套管中模式波传播机理的研究较少，精细固井质量评价缺乏理论支撑。为此，建立了柱状多层介质的套管井模型，计算得到了套管模式波的相速度、衰减及灵敏度曲线，研究了非胶结因素、套管直径及水泥环尺寸等对套管波衰减的影响。计算结果表明：在CBL/VDL测井频段内存在3～4阶轴向振动模态的套管波，套管外径越大，振动模态越多；套后胶结水泥时，套管波幅度随着套管壁厚增厚明显增大，但自由套管的套管波幅度基本不变；灵敏度曲线表明，套管波衰减对水泥横波速度的灵敏度明显高于纵波，说明单极子声源激发的套管波主要通过剪切耦合向水泥环泄漏能量；另外，地层中纵横波声场快照表明，套管波沿着套管传播时还会向地层中泄漏能量，使水泥环厚度和岩性等的变化也影响套管波幅度。研究结果为复杂井况下固井质量的精细评价及套管波幅度校正图版的绘制奠定了理论基础。
Abstract:When using CBL/VDL logging to evaluate cementing quality under complex well conditions such as thick casing and thin cement sheath in deep and ultra-deep wells, the measured amplitude or attenuation of the casing wave is used to determine the cementation condition of cement sheath. However, the research on the propagation mechanism of the casing mode waves is insufficient, and there is a lack of theoretical support for precise cementing quality evaluation. Therefore, a cased well model with cylindrical multi-layer medium was established, and the phase velocity, attenuation, and sensitivity curves of the casing mode waves were calculated. The effects of non-cementing factors, casing diameter, and cement sheath size on casing wave attenuation were studied. The results show that there are 3~4 order axial vibration modes of the casing wave within the range of CBL/VDL logging frequencies. The larger outer diameter of the casing, the more vibration modes there will be. When the casing is cemented, the amplitude of the casing wave increases obviously as the casing thickness increases, while the amplitude of casing waves basically remains unchanged for free-standing casing. Sensitivity curves show that the attenuation of the casing wave is more sensitive to cement shear wave velocity than to the compressional wave velocity, suggesting that casing wave induced by monopole source leaks energy to cement sheath mainly through shear coupling effect. In addition, the snapshots of shear wave and compressional wave fields show that the casing wave also leaks energy to the formation when propagating along the casing, so the change in cement sheath thickness and lithology will also affect the amplitude of the casing wave. The research results provide a theoretical basis for the precise evaluation of cementing quality nd the creation of calibration chart for the casing wave amplitude in complex well conditions.
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Keywords:
- casing wave /
- cement sheath thickness /
- dispersion /
- attenuation /
- sensitivity
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今年是《石油钻探技术》创刊50周年。50个春秋光阴荏苒，半个世纪跨越发展，一代代《石油钻探技术》编辑牢记办刊宗旨，搭建交流平台，展示技术成果，推动技术进步，促进人才成长，使《石油钻探技术》获得了“钻井科技信息园地中的拓荒者和佼佼者”的美誉。“善弈者谋势，善谋者致远”。站在创刊50周年这个新的起点上，我们必须不忘初心、坚定信心、树立雄心，以世界眼光、国际视野、全球胸襟，勠力奋进、砥砺前行、守正创新，全力推动《石油钻探技术》高质量发展，更好地服务于我国高水平科技自立自强和能源战略的实现。
1. 从发展历程中寻找初心
1973年，国家计委地质局石油钻探技术研究队创办内部刊物《石油钻探技术通讯》，主要刊登钻井技术与管理方面的工作体会、钻井工具与设备介绍等文章。作为国内第一本石油钻井技术期刊，《石油钻探技术通讯》在技术人员互通情报、交流经验、促进生产等方面起到了积极作用。
1979年，《石油钻探技术通讯》更名为《石油钻探技术》，限国内发行，并成立了第一届编辑委员会，进入换挡加速发展的新阶段。开始广泛介绍国内石油钻探方面的先进经验、科研成果，国外的相关先进技术、发展动向，行业影响力迅速提升。
1988年，《石油钻探技术》相继获得国内统一连续出版物号和国际标准连续出版物号，成为国内外公开发行期刊。同年，组建了第三届编辑委员会，明确了“面向石油钻探科研和生产，加速科研成果转化为生产力的进程”的办刊宗旨，确定了“贴近科研、贴近生产一线，及时报道创新性技术成果”的期刊特色。随后，开始将油气开发方面技术内容纳入报道范围。
1999年，《石油钻探技术》由季刊改为双月刊，由小16开版本改成国际标准大16开版本，并延续至今。2000年，期刊主办单位变更为中国石化集团新星石油有限责任公司，《石油钻探技术》成为中国石化期刊方阵中的一员。
2009年，中国石化石油工程技术研究院在北京成立，《石油钻探技术》编辑部由德州迁至北京，期刊进入快速发展阶段，报道范围不断扩大，先后将测井、录井、信息技术、“双碳”场景、战略规划等内容纳入报道范围，读者群、作者群进一步扩大。
回顾50年的发展历程，《石油钻探技术》一步一个脚印，在发展中逐渐形成了自己的特色，成为中国石化唯一以报道石油工程技术发展与进步为主的科技期刊。《石油钻探技术》树牢“品牌意识，责任意识，服务意识”，以办成“具有国际影响力的中国杰出学术期刊”为发展目标，坚持“艰苦奋斗，勤奋敬业，执著追求，精益求精”的优良传统和“尊重科学，实事求是，学术民主，百家争鸣”的办刊原则，很好地履行了服务读者和作者、加快技术创新的初心和“引领石油工程技术创新、推动石油工程技术进步”的使命。
2. 从亮眼成绩中坚定信心
在各级领导、历届编委及广大读者作者的悉心关怀、精心培育下，经过几代编辑人员的辛勤耕耘、无私奉献和开拓创新，50年间，《石油钻探技术》从一本内部刊物发展为国内外公开发行的中文核心期刊，取得了有目共睹的亮眼成绩，在石油工程界及科技期刊界的知名度和影响力全面提升。
1）期刊主要评价指标大幅提高。长期以来，影响因子和总引频次是评价科技期刊的主要指标。据《中国科技期刊引证报告（核心版）》，《石油钻探技术》2010年的影响因子为0.819，2021年增长到2.178；2010年的总被引频次为830，2021年增长到1570。两项指标均取得了成倍增长，表明刊发论文质量和期刊影响力实现了质的飞跃。
2）被国内外重要数据库收录。1992年，《石油钻探技术》入选《中文核心期刊要目总览》（第1版），从此进入“中文核心期刊”行列。1988年被美国《石油文摘》（PA）收录、1995年被美国《工程索引》（Ei）检索系统中的Ei Page One数据库收录，标志着该刊开始载入国际石油文献史册。2009年之后，接连被美国《化学文摘》（CA）、中国科学引文数据库（CSCD）、俄罗斯《文摘杂志》（AJ）、日本科学技术振兴机构数据库(JST)、美国EBSCO学术数据库等国内外知名数据库收录，说明《石油钻探技术》已经达到较高的学术水平，在国内、国际上得到了一定认可。
3）获得一系列重要奖项。1992年，获北京优秀科技期刊“全优期刊”奖，编辑质量、装帧设计和办刊条件等都得到了充分肯定；2012年，获中国石化期刊质量考核评比二等奖，在中国石化50家公开出版的各类期刊中名列第7，成为进步最快的期刊；2015年获全国石油和化工行业优秀报刊一等奖， 2020年进入全国石油和化工行业期刊百强排行榜，2022年获中国石油和化工自动化行业优秀期刊二等奖，在与国内行业期刊的同台竞技中已不落下风。
4）期刊国际化取得明显进展。随着英文摘要翻译质量的提升、优秀论文英文版在CNKI双语出版平台上的发布，《石油钻探技术》的国际知名度不断提高，国际化进程加快。其中，20篇优秀论文（英文版）入选《中国科技进展》英文丛书，对于提高《石油钻探技术》的国际知名度与影响力起到了积极推动作用；第九届编委中吸纳8名外籍专家学者，国际编委数量及来源国家数量均创新高，也为组织国际稿件带来了便利；聘任5名国际青年学者作为第一届青年编委，开创行业内期刊聘请国际青年编委的先河。
这些成绩的取得，与主办单位对期刊工作的高度重视密不可分。中国石化石油工程技术研究院成立伊始，就将《石油钻探技术》视为建设世界一流研究院的重要载体、展示院科研实力与企业形象的重要窗口，在编辑队伍建设、办刊条件等方面给予了大力支持，确保了办刊质量的全面提升，也为《石油钻探技术》进一步高质量发展提供了不竭动力，更坚定了编辑团队办好期刊的信心和决心！
3. 从未来发展中树立雄心
50年来，《石油钻探技术》取得了足以令人骄傲的成绩，但我们也要清醒地看到，与行业内领军期刊相比，仍存在较大差距和不足：一是影响因子、总被引频次等期刊主要评价指标仍有较大提升空间；二是高被引论文数量较少，论文最高被引次数偏低；三是期刊的国际化进程不够快，国际知名度和影响力不够高。因此，我们要正视差距，直面困难、迎难而上，牢固树立办成“具有国际影响力的杰出中文学术期刊”的雄心，以提高期刊评价指标和整体质量为目标，以提升论文质量和加快论文传播为抓手，以提高编辑队伍素质和工作质量为助力，大力实施夯基固本、聚合传播、提质扩维、国际开拓、精益提效等五大工程，多层次、多维度、多形式、全方位提升办刊质量。
1）夯基固本工程。进一步加大约稿力度，提高稿件质量，严把审查关，积极发挥编委作用，夯实提高期刊质量和影响力的基础。
2）聚合传播工程。在提高论文质量的基础上，坚持开门办刊理念，加快期刊宣传力度，扩大论文传播速度和范围，不断提升期刊的影响力与知名度。
3）提质扩维工程。以提高期刊评价指标为目标，持续扩大报道范围，更好地服务于读者作者，进一步扩大期刊影响力、提高期刊知名度。
4）国际开拓工程。在立足本土、打造成中文精品期刊的基础上，持续加大国际化办刊力度，进一步提升《石油钻探技术》的国际知名度与影响力，推动期刊进入Ei等国际知名数据库。
5）精益提效工程。加强编辑团队建设，提升编辑业务能力，持续提高工作水平与工作效率，为高质量办刊提供人才保障。
4. 结束语
“察势者智，驭势者赢。”当今世界正经历百年未有之大变局，我国正处于实现中华民族伟大复兴的关键时期，面临的国内外环境正发生深刻复杂变化。这对保障国家能源安全、推动能源高质量发展提出了新的更高要求。在这种形势下，我国油公司需要不断加强技术创新，全力攻坚关键核心技术，努力实现能源行业的高水平科技自立自强，把能源的饭碗牢牢端在自己手里。作为油气工程技术期刊，《石油钻探技术》要顺势而为、驭势而行，以创刊50周年为契机，不忘初心、坚定信心、树立雄心，统筹推进五大工程落地见效，全方位提升办刊质量，借力“中国科技期刊卓越行动计划”这趟“快车”，早日将《石油钻探技术》办成具有国际影响力的杰出中文学术期刊！
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图 2 自由套管中套管模式波的相速度和衰减曲线
Figure 2. Phase velocity and attenuation curves of casing mode wave in free-standing casing
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图 3 套后耦合密度1.30 kg/L水泥时套管模式波的相速度和衰减曲线
Figure 3. Phase velocity and attenuation curves of casing mode wave when the casing coupled with cement of density 1.30 kg/L
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图 4 套后耦合密度1.90 kg/L水泥时套管模式波的相速度和衰减曲线
Figure 4. Phase velocity and attenuation curves of casing mode wave when the casing coupled with cement of density 1.90 kg/L
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图 5 套管不同壁厚下套管波的幅度变化特征
Figure 5. Variation of the casing wave amplitude with different wall thickness of casing
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图 6 套管波衰减对钻井液、套管和水泥环参数的灵敏度
Figure 6. Sensitivity of the casing wave attenuation to the parameters of drilling fluid, casing, and cement sheath
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图 7 水泥环厚度变化时套管波的响应特征
Figure 7. Response characteristics of the casing wave with changes of cement sheath thicknesses
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图 8 不同胶结状况不同岩性地层套管波幅度随水泥环厚度变化的响应特征
Figure 8. Response characteristics of casing wave amplitude with changes of cement sheath thicknesses under different cementation conditions and different lithology formations
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图 9 井孔内外纵横波声场快照
Figure 9. Snapshots of shear wave and compressional wave fields around borehole
表 1 套管井模型中各层介质的声学参数
Table 1 Acoustic parameters of each layer medium in cased well model
介质 纵波速度/（m·s−1） 横波速度/（m·s−1） 密度/（kg·m−3） 钻井液/水 1 500 1 000 套管 5 959 3 229 7 800 水泥Ⅰ 2 714 1 503 1 300 水泥Ⅱ 2 828 1 729 1 900 地层 3 500 2 000 2 500 
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