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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。 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。 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。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： （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β0.8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