固井声波测井教学PPT.ppt

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1、,第五章 固井声波测井,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，包括第一胶结面的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特点。,第一节 声幅测井仪,5.1.1 声幅测井原理

2、 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发射器和声接收器构成。当发射器发出声波后，接收器上接收到的声信号包括有套管波、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页图。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。钢套管内充满泥浆，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、

3、外壁具有不同阻抗界面的声波系。套管波由波导中的不同模式组成，各模式波的轴向传播速度不尽相同，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各不相同。理论和实际测量表明，套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，这就是相当与钢质裸眼井情况，套管滑行纵波将按 的规律衰减（Z为发射器和接收器间的距离）。对于套管井，固结良好时套管外围为水泥

4、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胶结质量密切相关。在声幅测井中，把无水泥固结的套管端称为自由套管，自由套管中的套管波声幅最大，在有,水泥固结的套管端，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情况，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、仪器源距、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

5、来评价水泥胶结质量。（1）相对幅度法,定义：,（5-1）,自由套管声幅值由水泥返高面以上的井段测得。根据实验数据和实践经验，解释标准一般定为：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，但是对所用水泥型号、配比、水泥固结时间的影响则无法消除。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：,（d

6、B/ft）,（5-2）,式中，Z为源距，ft（尺）；为自由套管波幅度；A为测量层段的套管波幅度。表征了套管外水泥固结后造成的套管波衰减。如令整个测量,井段中衰减系数的最大值为，并认为 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 声幅测井下井仪器 声幅测井的下井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，在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有强电流脉冲发射电路和接收电路两

7、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，效验筒的外壁为空气，这个条件比实际自由套管,条件更强。在很多情况，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

8、井仪器的源距不宜太长，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收和放大由电缆传送来的声波信号，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，下页图是常见的一种声幅测井仪的地面仪框图。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、记录级和效验信号发生器构成。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

9、冲为地面仪器的工作同步脉冲，也称地面脉冲。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3060s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

10、，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，展宽波经记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器记录。效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。当需要对仪器进行效验、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。调节效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的效验信号。若选定光点偏移的横向比例，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幅度与横向比例之商。例如，横向比例取n=50mV/cm，则上述各种幅度校验信号所对应的光

11、点偏移值应分别调节为1，2，3，,18cm。下页图给出声幅测井地面仪器的各级波形。在声幅测井时，套管波的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在作调整。5.1.4 地面仪器中的主要电路分析（1）串接射级输出器,串接射级输出器电路如上页图。该电路的特点是用晶体管 代替了一般单管射级输出器的射级电阻，设置有固定的直流偏置且工作于线性区。这样，在晶体管 的射级回路中的作用相当于一个恒流源，使射级输出器获得更高的输入阻抗和大的动态范围，因而克服了一般射级输出器在提高射级电阻后对正向阶跃信号传输特性变差的缺点

12、。在声幅测井地面仪器中，匹配级、采样门和前后电路的隔离级都采用了串接射级输出器。（2）采样门,采样门电路如下图：,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，其工作原理如下：,1）晶体管T的基级偏置使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滤掉，采样门无任何输出信号。2）当A信号中的第一正峰信号到达采样门时，门控负方波恰好作用于T的基级使T截止，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,下图为展宽和记录级电路,把B信

13、号展宽为三角波的变换是利用电容器,的充放电完成的。B信号经、电流放大后通过二极管 向电容 单向充电，当B信号达到峰值后，充电结束，电容 两端电压达到与B信,号峰值相应的最大值。随后，电容 向负载（即,的输入回路）缓慢放电，形成展宽的三角波。,、构成组合电流放大器，它具有良好的电压跟随和负载能力，使电容 的充电电压能很好地跟随B信号的上升变化。记录级由跟随器 和积分电路、组成，展宽信号由 进一步作电流放大，并经、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，因此容易说明，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

14、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迟单稳、开关级和可控振荡器构成，见下页图。地面同步经延迟单稳延迟200s后触发开关级形成宽800s负方波，可控振荡器在负方波期间工作产生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，通过选择波段开关档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。,第二节 声波密度测井仪,声波变密度测井又称全波变密度。在工程测井中声波变密

15、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收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，仪器的源距通常比声幅测井时的源距取得大，一般选为5英尺或1.5米，目的是使地层波变的易于识别。,除了对源距要求不同外，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可，其中短源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

16、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 声波变密度测井最使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。第二胶结面的胶结状况将直接影响接收声波,信号中地层波的强弱，因为由水泥环进入地层的声波能量取决于二者之间的声耦合状况。通过对接收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，地层波幅,度小甚至检测不到地层

17、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地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胶结面上的胶结情况。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，

18、见下页图。随着水泥胶结状况和地层的变化，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，它反映了接收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，套管波的记录图象总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，这是因为地层声速随深度变化的缘故。下面,分别这两种记录方式：（1）全波调辉记录方式 全波调辉记录记录是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，岁荧光屏上扫描线连续摄象就可以得到一幅随测井深度变化的黑、白

19、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：1）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。2）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。3）在每一个正峰后的负半周期间，采选相应正峰的峰值电平，反相后得到变密度调辉信号。4）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阴、暗相间的图象。对扫描线进行连续摄象得到全波调辉记录图象。,31页图（a）给出了由全波波形变换的全波调辉记录。从全波调辉记录图象上看到：每一黑色条纹的灰度表示其对应正峰的幅度，黑色条

20、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它们幅度的大小，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,黑色条纹的灰度，而是用以调制黑色条纹的宽度，即记录图象中每一黑色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记录方式完全一样，全波调宽记录见31页图（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

21、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I）用于声幅测量，把长源距声接收信号（称信号）用于变密度测量。声幅测量信号由光点记,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相机记录，摄相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

22、 全波调辉测量应完成把信号变换为调辉信号的工作工程。在上页图5-10中，这个工作由信号放大器、延迟单稳、信号、符合器、微分放大器、信号控制门，幅值保持器和选通门、等电路完成。其工作原理如下（看下页图5-11）：（1）信号门的形成 地面20HZ同步脉冲经延迟单稳延迟200800s后触发信号门形成宽为10003000s的负方波，即信号门。信号门用作抑制信号的,声信号首波到达前噪声的时间鉴别门。（2）符合方波的形成 符合方波是一串与信号中每一个负峰信号宽度对应的方波信号。信号的负峰信号经信号放大器限幅放大后输入符合器，在符合器中与信号门符合形成符合波。符合方波是对信号的时间测量方波，它与信号中的负峰

23、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 信号的正峰信号经信号放大器放大后，,在信号门方波的作用期间通过选通门进入幅值保持器。当正峰信号上升时，幅值保持器的输出电平随之上升，当正峰信号达到峰值后，幅值保持器将保持输出正峰信号的峰值电压。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。峰值保持器释放保持电平的时间由微分放大器输出的正脉冲，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，指示看信号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的负半周期、高度与正半周信号峰值电平成比例

24、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，选通器在符合方波作用期间对幅值保持器输出的测量电平进行选通，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5-11。5.2.4 全波调宽测量,全波调宽测量工作是把信号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：1）调宽测量的分辨率与方波宽度的变化范围成比例，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

25、束的时间。2）由调辉测量电路得到的调辉方波的幅度电平是对信号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。,3）为保证脉冲调宽器的最大调宽范围（其工作原理详见后），应把调辉方波的宽度延长到与调宽测量的最大调宽范围相一致，即1）确定的范围。基于上述三点，可在调辉电路的基础上增加信号触发器，倒相器、幅值保持器，射级输出器和脉冲调宽器等电路实现对信号的调宽测量，见下页图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。,由选通器输出的正峰喜好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

26、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级输出器的二次保持电平的大小决定。二次保持电平是由调辉正方波经幅度保持器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经倒相后输出的正脉冲，就是对幅值保持器作电平释放的控制脉冲。在这里射级输出器起着隔离作用，以免脉冲调宽器的输入回路对幅值保持器的电平保持产生不良影响。图5-12为全波

27、调宽各级波形示意图。5.2.5 主要电路分析（1）符合器 符合器是由两个晶体管构成的“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：其一是对信号中的声波信号进行时间鉴别，使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周信号变换为前、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、输出波形见下页图。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为信号的限幅放大信号、B为延迟方波（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

28、号对符合器的输出都不起作用。由此可见，所谓符合就是指两个同类信号的同时出现，这里的符合就延迟负方波和信号的负限幅放大信号的同时出现。符合电路的种类和电路形式也很多，这里不可能对符合技术和各种电路作专门的讨论，但是说明用符合器来抑制信号中的噪声是符合技术在声波测井方面的一个应用，这里所用的符合器,电路是一种最简单的电路。（2）幅值保持器 幅值保持器电路见下图：,输入信号 经二极管 的单向导引向保持电容C充电，当输入信号达到峰值时，二极管 阻断，电容器C两端的电压因无放电回路而得以保持。为了使C两端的电压在充电过程中能跟上输入信号的上升速度，通常充电回路的时间常数应远小于输入信号的上升时间；为了使

29、保持电容C两端的电压在保持期间不至于下跌，应选漏电小的优质电容作保持电容。同时，二极管 的反相电阻高、幅值保持器的负载阻抗高也是很重要的。上页图中 为可控硅器件，它在控制脉冲的触发下导通，为保持电容C提供了一个快速放电,通路，并使幅值保持器具有对连续输入脉冲进行幅值采样和保持的特性。（3）脉冲调宽器 脉冲调宽器电路见下图,脉冲调宽器实际上是一个集电触发的射级耦合单稳态。稳态时，截止、饱和，负触发脉冲经二极管D导引后使单稳态触发翻转，在 的集电级输出正方波，方波宽度取决于时间常数RC的数值。为了达到脉冲调宽的目的，对单稳态的工作状态作如下调整：1）无触发脉冲时，单稳态保持稳态，即 截止，导通饱和

30、，输出 为低点平。2）调制脉冲经电容接至 管的基级。3）当触发脉冲使单稳态触发翻转后，截止，但 并不进入导通饱和状态，而是处于线性,放大状态。这样，的射级电流受调制脉冲的幅度控制，从而直接影响RC放电回路的放电速度，使输出方波的宽度与调制脉冲的幅度成正比。单稳态的这种工作状态可以通过调节T1管基级的直流偏置实现。这个电路的正常工作，还必须满足两个条件：第一，应合理选择RC的数值，使调制（负）脉冲为最大幅度时条款的输出方波宽度小于信号的一个周期，以免影响对下一周期信号的调宽工作；第二，调制脉冲必须土触发脉冲同步，且调制脉冲宽度应大于调宽器输出方波宽度，前面提到的二次幅值保持正是为满足,调宽器的这个条件而设计的。,