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第五章 固井声波测井仪固井声波测井仪是用于套管井的一种检查和评价水泥固井工程质量的声波测井仪器，目前常见的有声幅测井仪和声波全波变密度测井仪，水泥评价测井仪CET是斯仑贝谢公司近几年推出的新的固定声波测井仪。固井声波测井的主要任务是检查套管和地层间水泥环的胶结质量，包括第一胶结面和胶结质量水泥环和套管间的胶结情况，第二胶结面的胶结质量水泥环和地层间的胶结情况。同时，水泥返高，水泥抗压强度和套管破裂等有关固井工程质量问题都是十分重要的评价内容。由于固井声波测井的井眼条件和测量目的都与裸眼井 声波测井不同，因此在方法原理和仪器设计上也有其自身的特点。5.1 声幅测井仪5.1.1 声幅测井原理声幅测井的基本原理是利用水泥和泥浆（或水）其声阻抗的较大差异对沿套管轴向传播的声波的衰减影响来反映水泥与套管间的胶结质量。声幅测井仪的声探测装置是由位于井轴上相隔一段距离的一对声波发射器构成。当发射器发出声波后，接收器上接收到的声音缩信号包括有套管波，水泥波，地层波和泥浆波的贡献。上述几种波在井中的传播路径见下图。由于水泥对声波具有较大的吸收系数，实际到达接收器的水泥波相对很微弱，一般可认为接收信号中无水泥波的贡献。套管壁的厚度很薄，例如外径为17.7cm的套管，其壁厚约7mm。钢管套内充满泥浆，套管外是水泥，由于钢、水泥、泥浆三种材料的声阻抗各不相同，因此套管实际上构成了一个内外壁具有不同阻抗界面的声波导。套管波由波导中的模式波组成各模式波的轴向传播速度也并不尽相同，因而在传播过程中由于通过阻抗边界向两侧介质辐射能量而引起的衰减也不尽相同。理论和实际测量表明，尽管波的首波主要来自于沿套管的滑行纵波和一次反射纵波的贡献。在井内泥浆不变的条件下，套管波的首波向外层介质辐射能量的多少取决于介质的声阻抗。例如对套管滑行纵波来说，当管外为真空时，阻抗比为 ，不向管外辐射能量；当套管外层介质的声阻抗与钢管相同时，向管外的能量最多，当外层介质沿径向无限延伸，这就相当于钢质裸眼井情况，套管波滑行纵向将按（）的规律衰减（z为发射器和接受器间的距离）。对于套管井，固结良好时套管外围为水泥环，固结不好时套管外围为泥浆（或水），或者部分是水泥部分是泥浆。由于泥浆的声阻抗与套管的声阻抗相差较大，而水泥的声阻抗与套管相对比较接近，因此套管波的首波幅度与水泥环的胶结质量密切相关。在声幅测井中，把无水泥固结的套管段称为自由套管，自由套管中的套管波声幅最大，在有水泥固结的套管段，套管波的声幅明显下降。因此，对套管波的幅度或衰减测量可以显示水泥与套管的胶结状况，以及指示水泥的返高。研究结果表明，套管波幅度除了受水泥环胶结状况的影响外，它还会受泥浆性能、仪器原距、套管直径、套管厚度、水泥配比、水泥环厚度以及水泥固结时间等因素的影响。因此，在声幅测井资料的应用中，都是采用相对幅度或相对衰减的方法来评价水泥胶结质量。1. 相对幅度法定义：相对幅度= （5-1）自由套管声幅值由水泥返高面以上的井段测的。根据实验数据和实践经验，解释标准一般定义为：相对幅度小于20%的井段水泥胶结良好；相对幅度大于30%的井段水泥胶结不好；相对幅度为2030%的井段水泥胶结中等。显然该解释标准中的好、中、差的界线并不是绝对的，它只是一个统计标准，仅供解释时参考。2. 胶结指数法相对幅度法是以自由套管中的声幅作为参考值来评价水泥胶结质量，这种方法在一定程度上消除了井内泥浆及套管尺寸的影响，但是对所用水泥型参、配比、水泥固届时间的影响则无消除。胶结指数法将对上述影响有所改善。定义声幅测井的幅度衰减系数为： (db/ft) (5-2)式中，z为源距，A0为自由套管中套管波幅度；A为测量层段的套管波幅度。表征了套管外水泥固结后选成的套管波衰减。如今整个测量井段中衰减系数的最大值为0，并认为0对应的井段是完全胶结好的井段。对于衰减系数为的井段，其胶结指数为： （5-3）对于完全胶结好的井段应有=1。考虑到水泥环厚度，测量误差等因素，通常认为0.8的井段为胶结良好井段。5.1.2 声幅测井下仪器声幅测井下仪器由单发单收声系和电子线路短节组成。声系仍采用频率为20kHz的压电陶瓷晶体作为发射器和接收器，再有的仪器中也采用磁致伸缩材料制作发射器。声幅测井仪的电子线路脉冲发射电路和接收电路两个主要部分，接收电路负责对接收信号的放大和电缆驱动，为了保证套管波幅度的有效测量，接收电路应对接收信号作为失真放大，因此接收放大器必须严格工作在线性区，这一点在接收信号强时特别重要。我们知道，强接收信号出现在自由套管的情况。在实际工作中，通常应在室内的校验筒（钢筒）内对接收放大器的增益作严格调整，以确保接收信号的不失真放大。一般来说，校验筒的外壁为空气，这个条件比实际自由套管条件更强。在很多情况下，可以把裸眼井声速测井的井下仪器直接用于声幅测井，只要把工作方式设置为单发双收的工作方式。应该指出的是，声幅测井测量的是套管波的幅度，对仪器源距的选择应尽量保证套管波是接收波形中的首波，也就是说声幅测井仪的源距还不宜太大，通常选择的源距为1m或3ft。5.1.3 声幅测井地面仪器框图为了对声幅测量的电路原理有更详细的了解，这里具体介绍一种国产声幅测井地面仪器的电路结构及主要电路的工作原理。地面仪器的任务是接受和放大由电缆传送来得声波信号，并从中选出第一正峰信号，在把第一正峰信号处理成与其幅度成正比的直流信号供记录仪进行照相记录，下图是常见的一种声幅测井仪的地面仪器框图.它由同步信号发生器、延迟单稳、门控信号发生器、放大器、采样门、展宽级、记录级和校验信号发生器等电路构成。同步信号发生器产生每秒20次，宽30s的正、负窄脉冲。正脉冲送往井下作为触发井下声发射的同步脉冲，也称下井同步。负脉冲为地面仪器的工作同步脉冲，也称地面同步。匹配级校准信号发生器放大器射级输出器采样门展宽级记录级门控信号发生器延迟级同步信号发生器12下井同步信号井下声波信号BSA记录仪在下井同步控制下，井下仪器按每秒20次的速率发射声波，并把放大后的接收声信号通过电缆传送至地面仪器的匹配级，地面放大器对声信号作进一步的不失真放大，习惯上称放大后的声信号为A信号，A信号就是采样门的输入信号。在门控方波的作用下，采样门从A信号中采选出第一正峰信号，习惯上把采选出的第一正峰信号称为B信号。门控方波是这样形成的：地面同步经延迟单稳态延迟200700s，以适应声波在井内的传播时间和信号通过电缆的时间延迟。延迟后的同步信号触发门控信号发生器，得到宽为30-60s的门控负方波。调节延迟单稳的延迟时间和门控负方波的宽度使之刚好套住A信号的第一正峰信号，这就形成了所需的门控方波。展宽级对B信号作波形展宽变换，输出波形近似三角波，三角波面积与B信号幅度保持线性关系，展宽波经纪录级的电流放大和积分平滑，输出与B信号幅度成比例的直流电流送记录仪记录。校验信号发生器可产生各种标准幅度的声波模拟信号，用于仪器的刻度和对仪器进行线性检查。当需要对仪器进行校验，刻度时，将信号选择开关S置2的位置，使校验信号代替测井信号进入放大器。调节校验信号发生器的输出衰减开关，可以分别得到幅度为50、100、150、900mv的校验信号。若选定老点偏移的横向比例，则在不同幅度校验信号条件下；调节记录仪灵敏度使光点偏移值等于校验信号条件下；调节记录仪灵敏度使光点偏移值应分别调节为1，2，3，.，18cm。下图给出了声幅测井地面仪器的各级波形。在声幅测井时套管波得到时在同一口井中几乎是不变的。因此对电路中延迟单稳的延迟时间和门控方波的宽度只需在测井开始时调节合适，便可固定不变，即在测井过程中不必再作调整。5.1.4 地面仪器中的主要电路分析1. 串接射极输出器串接射极输出器电路如上图。该电路的特点是用晶体管T2代替了一般单管射极输出器的射极电阻，T2设置有固定的直流偏置且工作于线性区。这样，T2在晶体管T1的射极回路中的作用相当于一个恒流源，使射极输出器活得更高的输入阻抗和大的动态范围，因而克服了一般射极输出器在提高射极电阻后对向阶跃信号传输特性变差的缺点。在声幅测井地面仪器中，匹配极，采样门和前后电路的隔离级都采用了串接射极输出器。3. 采样门采样门实际上是一个选通门，它在门控方波的作用下，从输入的A信号中把第一正峰信号采选出来。(1) 晶体管T的基极偏置使T处于饱和导通状态。如无门控方波作用，A信号中所有的正半周信号都被T短路到地，所有的负半周信号则经过二极管D后被电容C虑掉，采样门无任何输出信号。 (2) 当A信号的第一正峰信号到达采样门时，门控负方波恰好作用于T的基极使T截至，第一正峰信号将通过采样门输出。A信号的其他部分仍如前所述，即都不能通过采样门输出。3展宽和记录级把B信号展宽为三角波的变换是利用电容器C3的充放电完成的。B信号经T1、T2电流放大后通过二极管D2向电容C3单向充电，当B信号达到峰值后，充电结束，电容C3两端电压达到与B信号峰值相应的最大值。随后，电容C3向负载(J即T3的输入回路)缓慢放电行程展宽的三角波。T1、T2构成组合电路放大器，它具有良好的电压跟随和负载能力，使电容C3的充电电压能很好的跟随B信号的上升变化。记录级由跟随器T3和积分电路R8、C4组成，展宽信号由T3进一步作电流放大，并经R8、C4积分平滑后输出平稳的模拟记录信号送记录仪记录。输出记录电平应为展宽信号的有效值，因此容易证明，记录电平和B信号的峰值（即第一正峰信号的幅度）存在着正比关系。进一步分析表明，展宽变换可以提高输出电平，同时减小输出电平的波动和第一正峰形态对输出电平的影响，这正是展宽变换在声幅记录中所起的重要作用。4校准信号发生器 在声幅测井地面仪中，校准信号用于模拟井下声波信号。校准信号发生器由延时、单稳、开关级和可控振荡器构成，见下图。可控正弦振荡器控制方波发生器延迟单稳 c R R 地面同步经延迟、单稳延迟200s后触发开关级形成宽800s的负方波，可控振荡器再负方波期间工作产绳20KHZ正弦波信号，即声波模拟信号。可控振荡器的输出端设置了由波段开关控制的多级衰减器，通过选择波段开关挡位可获得幅度分别为50、100、150、900mV的声波模拟信号，即校准信号。 5.2声波变密度测井仪声波变密度测井又称全波变密度测。在工程测井中声波变密度测井用于检查水泥固结后的套管井中第一胶结面和第二胶结面的胶结质量。同声幅测井一样，声波变密度测井仪也是采用位于井轴上的一个声发射器和一个声接取器测量套管井中沿井轴方向传播的声波信号。为了对水泥环的两个胶结面进行评价，套管波和地层波都是测量中的有用信息。在作声波变密度测井时，仪器的原距通常比声幅测井时的原距取得大，一般选为5英尺或1.5米，目的是使地层波变得易于识别。除了对原距要求不同外，声波变密度测井的井下仪器和声幅测井完全一样。因此在很多情况下可以利用裸眼井中测量声波时差的声波测井仪代替它，其中短原距测量波形用于声幅测井，长源距测量波形用于变密度测井。因此本节将着重介绍声波变密度测井仪的记录方式及地面仪器的结构和原理。（还可用于检查压裂效果）。5.2.1声波变密度测井的记录方式声波变密度测井最让人感兴趣的是它能反映第二胶结面，即水泥环和地层的胶结面的胶结情况。第二胶结面胶结状况将直接影响接受声波信号中地层波的强弱，因为有水泥环进入地层的声波能量取决于第二者之间的声耦合情况。通过接受声波信号中套管波和地层波强度的分析，可以容易地看到下述三种情况：a) 对于自由套管，套管波幅度大，地层波很弱b) 对于套管与水泥环、水泥环与地层都胶结良好的情况：套管波幅度小，地层波幅度大。c) 对于套管与水泥环胶结良好、水泥环与地层未胶结的情况：套管波幅度小，小甚至检测不到地层波。由此可见，接收信号中地层波的强弱是衡量第二胶结面胶结好坏的标志。从全井段来看，套管波的到时基本是稳定而不变的，但是地层波的到时却会因仪器所遇到底层的差异而出现明显的变化。套管波和地层的这个特点为声波变密度测井识别和区分这两种波提供了十分有利的条件。从上面的分析看到，利用套管波和地层波（即接收信号全波） 能够评价水泥环在两个交界面上的胶结情况。但问题是如何使套管波和地层波的幅度变化在测井记录中显示出来，而又易于区分它们，这就涉及到对全波信息的记录方式问题。目前，常用的记录方式有两种，即全波调辉记录方式和全波调宽记录方式。这两种记录方式所得到的测井记录都是一幅随深度变化的、黑白相间的条纹图象，见下页图。随着水泥胶结状况和底层的变化，测井记录图象中黑色条纹的宽窄、间隔和灰度都会发生变化，它反映了接取接取信号中各种波的到时、周期及幅度随测量深度的改变所发生的变化，因而称之为声波变密度测井。在下页图中，套管波的 记录图象表现为一些平行的直条纹；而地层波的记录图象则是弯曲条纹，这是因为地层声声速随深度变化的缘故。下面分别这两种记录方式：. 全波调辉记录方式全波调辉记录使对全波信号的一种记录方式，它用一条明暗相间的扫描线来记录一条声波全波波形。如果采用中全辉示波器作扫描显示，使扫描线在荧光屏上保持一定的滞留时间，在测井过程中，对荧光屏上扫描连续摄像就可以得到一幅随测井深度变化的黑白条纹相间的测井记录图象。对声波接收波形进行全波调辉记录的基本处理方法是：（）从接收波形中把所有的正峰信号采选出来，把全波变换为只有正峰信号的半波波形。（）对半波波形中的每一个正峰进行峰值采样，并保持到后面一个正峰信号出现为止。（）在每一个正峰后的负半周期间，采选相应正峰的峰值电压，反相后得到变密度调辉信号。将变密度调辉信号接至示波器阴极，并由地面同步控制示波器扫描。在调辉信号的调制下，示波器屏上的扫描线呈现明、暗相间的图象。对扫描线进行连续摄像得到全波调辉记录图象。 上页右图（a）给出了由全波波形变换的全波调辉纪录。从全波调辉纪录周期图上看到：每一黑边条纹的灰度表示其对应正峰的幅度，黑边条纹的前沿时间表示波的传播速度，黑色条纹和相邻白色条纹的宽度表示波的频率。因此，我们可根据波速和频率随深度的变化关系来区分套管波和地层波，根据套管波和地层波所对应条纹的辉度来了解他们幅度的大小，进而评价第一胶结面和第二胶结面的胶结状况。2.全波调宽记录方式 全波调宽记录方式不是用正峰幅值电平调制里边条纹的灰度，而是用已调制里边条纹的宽度，即记录图象中每一里条纹的宽度表示其所对应的正峰幅度。其它方面与全波调辉纪录方式完全一样，全波调辉纪录见上页图右图（b）。5.2.2 声波变密度测井地面仪器的设计原理现在都趋向于把声波变密度测井和声幅测井的地面仪器，设计在一起，应用单发双收工作方式的声波井下仪器，一次下井完成声幅和变密度的测量记录。通常把短源距声波接收信号（称信号1）用于声幅测量，把长源距声接收信号（称信号2）用于变密度测量。声幅测量信号由光电记录仪进行照相记录；声波变密度测井图象由安装在示波器荧光屏前的摄像机记录。摄像机上带动卷纸系统的微型马达与井口马达同步，使相纸的移动速度与测井速度成正比例。下页图为声波变密度、声幅测井的地面仪器框图，为避免重复，没有画出声幅测量部分的具体结构。在图中，同步信号发生器每次产生20个同步脉冲，它一方面被送往井下触发井下仪器发射声波，另一方面作为地面仪器的工作同步信号。下面分全波调辉和全波调宽两种记录方式介绍仪器的工作原理。5.2.3 全波调辉测量全波调辉测量应完成把信号2变换为调辉信号的工作过程。在上页图510中，这个工作由仪器放大器1、2、延迟单稳、信号门、符合器微分放大器、信号控制门、幅值保持器和选通门1、2等电路完成。其工作原理如下（看下图511）：1. 信号门的成形地面20HZ同步脉冲经延迟单稳延迟200800us的负方波。即信号门。信号门用作抑制信号2的声信号首次到达前噪声的时间鉴别门。2.符合方波的成形 符合方波是一串与信号2中每一个负峰信号宽度对应的方波信号。信号2的负峰信号经信号放大器限幅发达后输入符合器，在符合器中与信号门符合形成符合波。符合方波是对信号2的时间测量方波，它与信号2中的负峰信号为依据确定了每一个周期信号的到时和周期。3. 正峰电平测量信号2的正峰信号经信号放大器2放大后，在信号门方波的作用期间通过选通门1进入幅值保持器1。当正峰信号上升时，幅值保持器1的输出电平随之上升，当正峰信号达到峰值后，幅值保持器1将保持输出正峰信号的幅值电平。直到下一个正峰信号到达时保持器释放掉原保持电平，对新到的正峰信号作峰值电平测量和保持。幅值保持器1释放保持电平的时间由微分放大器输出的正脉冲控制，这些正脉冲是对符合方波微分得到的，它与符合方波的后沿相对应，指示着信号2中每个负半周信号的结束时间。4. 调辉方波的获得我们所需要的调辉方波应是一列宽度等于信号2的负半周期、高度与正半周信号峰值电平成比例的负方波。在电路上，信号控制门将符合方波放大，倒相后控制选通器2，选通器2在符合方波作用期间对幅值保持器1输出的测量电平通过选通，得到一组正的调辉方波。当记录方式选择开关K置于调辉位置，正的调辉方波被放大器放大、倒相为负的调辉方波。作用于示波管阴极，达到调节示波管荧光屏灰度的目的。这部分电路的各级工作波形见图511。5.2.4 全波调宽测量全波调宽测量工作是把信号II变换为调宽方波送示波管阴极，调宽方波中的每一个方波宽度应与其所对应的正峰信号幅度成比例。在设计这部分电路时有如下几点值得考虑：（）调宽测量的分辨率与方波宽度的变化范围成正比，我们把这个范围确定为由一个正峰信号的结束时间到下一个正峰结束的时间。（）由调辉电路测量得到的调辉电路的幅度电平是对信号II中各正峰信号幅度的响应，在进行调宽测量时可直接利用调辉方波，以避免电路的重复。（）为保证脉冲调宽器的最大跳宽范围（其工作原理详见后），应把调辉访波的宽度延长到与调宽测量的最大调宽范围相一致，即确定的范围。基于以上三点，可在调辉电路的基础上增加信号触发器，倒向器，幅值保持器II，射极输出器和脉冲调宽器等电路实现对信号II得调宽测量，见左图5-12。其测量过程如下：记录方式选择开关K置“调宽位置”，仪器作全波调宽记录。由选通器I输出的正峰信号后沿触发信号触发器，得到相应于各正峰信号结束时间的负脉冲，即标定了每一个正峰信号对应的调宽方波的最大变化范围。这个负脉冲直接触发脉冲调宽器的工作，它确定了脉冲调宽器输出方波的前沿，而输出方波的宽度由来自射极输出器的二次保持电平的大小决定。二次保持电平是有调辉正方波经幅度保持器II作进一步电平保持后得到的。调辉正方波通过二次保持后，其电平值保持不变，但保持时间延长至与最大调宽范围相一致。为了防止前一正峰信号的保持电平影响下一个正峰电平值，幅值保持器II在每进行一次新的电平采样，保持前都要对原保持电平进行瞬时释放。信号触发器产生的负脉冲倒相后输出的正脉冲，就是对幅值保持器II作电平释放的控制脉冲。在这里射极输出器起着隔离作用，以避免脉冲调宽器的输入电路对幅值保持器II的电平保持产生不良影响。图5-12位全波调宽各级波形示意图。5.2.4主要电路分析1 符合器符合器是有两个晶体管构成的“或非”逻辑电路。在声波变密度地面仪器中符合器起两个作用：其一是对信号II中的声波信号进行时间鉴别，是声波信号前的噪声不能通过符合器输出；其二是把声信号的负半轴信号变换为前、后沿陡峭的方波信号，方波的前沿和宽度分别描述该负峰信号的到时和频率。符合器的电路和输入、输出波形见左图。图中，A，B为输入端，C为输出端。输入、输出间的逻辑关系为： （5-4）输入信号A为信号II的限幅放大信号，B为延迟门方波（负方波），根据式（5-4）的逻辑关系，只有位于延迟门内的负限幅放大信号才能使符合器有正方波输出。位于延迟门外的任何信号