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,水泥评价测井仪一—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査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—一水泥环和套管间的胶结情况,第二胶结面的胶结质量—一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。 51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 发器 套管壁的厚度很薄,例如外径为17.7cm的套管,其壁厚约7m。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 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
1 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(ln2z)-1)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 解释井段声幅 定义:相对幅度 100% (5-1) 自由套管声幅 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 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20~30%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: 20,A0 (d b/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。α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a0,并认为a0 对应的井段是完全胶结好的井段。对于衰减系数为a的井段,其胶结指数为 B= (5-3) 对于完全胶结好的井段应有β=1。考虑到水泥环厚度,测量误差等因素,通常认为β>0.8 的井段为胶结良好井段 51.2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
2 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（ 2 1 ( ln ) z z ）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= 100% 自由套管声幅 解释井段声幅 （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 20~30%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： A A z 0 lg 20 (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。α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α0，并认为α0 对应的井段是完全胶结好的井段。对于衰减系数为α的井段，其胶结指数为： 0 （5-3） 对于完全胶结好的井段应有β=1。考虑到水泥环厚度，测量误差等因素，通常认为β>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3fts 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- 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30μs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 采 展 井下声 放大器 射级 样 宽J录 波信号 匹配级 输出器 门级级 录 校准信 仪 号发生 延 门控信 同步信 迟 号发生器 号发生 级 下井同步信号 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
3 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 30μs 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。 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。 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 1 2 下井同步信号 井下声 波信号 B S A 记 录 仪
门控方波是这样形成的:地面同步经延迟单稳态延迟200~700μs,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30-60μs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 性检査。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、10 150、…、900m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。 Rh2 oRby be C 权面仪器低欢 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 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 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
4 门控方波是这样形成的：地面同步经延迟单稳态延迟 200～700μs，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 30-60μs 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
验当下图 ADm手候号 (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向负载仃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R、C组成,展宽信号由T3进一步作电流放大,并经R3 C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 延迟单稳 控制方波发生 可控正弦振 器 地面同步经延迟、单稳延迟200μs后触发开关级形成宽800μs的负方波,可控振荡器再负 方波期间工作产绳20KZ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) 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。 c R R 地面同步经延迟、单稳延迟 200µs 后触发开关级形成宽 800µs 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。 延迟单稳 控 制 方 波 发 生 器 可控正弦振