《測井儀器方法及原理課程》第四章 裸眼井聲波測井

1、PAGE PAGE 14第四章 裸眼井聲波測井聲波測井是根據(jù)聲波學(xué)物理理論發(fā)展起來的一種測井方法。在裸眼井中，聲波測井儀測量的井眼周圍地層介質(zhì)的聲學(xué)特性，如地層中的聲傳播速度，地層介質(zhì)對聲能量的衰減特性等。從40年代到現(xiàn)在，聲波測井儀歷經(jīng)了從單發(fā)射單接受，單發(fā)射雙接受及雙發(fā)射雙接受方式的演變過程。測量內(nèi)容也由僅測量地層縱波速度增加到縱波速度和衰減的測量。隨著計算機(jī)的廣泛應(yīng)用和數(shù)字處理技術(shù)的迅速發(fā)展，加快了對聲波測井實(shí)現(xiàn)全波分析的進(jìn)程，可以或得更多的地層聲學(xué)性質(zhì)，比如縱波速度，縱波衰減，橫波速度，橫波衰減以及斯通利波的速度和衰減。大大開拓了聲波測井在地層評價中的應(yīng)用范圍。由于地層性質(zhì)的縱波聲速不

2、同，因此現(xiàn)場解釋多用縱波速度來區(qū)分地層孔隙度與聲波時差（速度的倒數(shù)）的關(guān)系式，即懷利公式。懷利公式是一個經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，在絕大部分地層情況并不準(zhǔn)確成立，需要修正，有人近年來推出更符實(shí)際的公式。4.1 裸眼井聲波測井的物理特性當(dāng)源距Z0足夠大時，縱波是接收波列中的首波。根據(jù)射線理論，以臨界角入射到井壁上產(chǎn)生的滑行縱波又以臨界角折射回井內(nèi)到達(dá)接收器，并且有，由式（41）和式（42）可以得到段地層的時差表達(dá)式，并按習(xí)慣用t代表時差，即 (s/m) (4-3)式中，t1為接收器R1的首波到達(dá)時間，s；t2為接收器R2的首波到達(dá)時間，s。當(dāng)C,D間為均勻地層時，由式（43）算得的t為該地層的時差；當(dāng)C,D間

3、包括兩層以上的地層，由式（43）算得的t為所含地層時差的加數(shù)平均值。 把R1、R2的中點(diǎn)稱為儀器的記錄點(diǎn)。十分明顯，儀器的記錄點(diǎn)深度與它所對應(yīng)的測量地層CD的中點(diǎn)深度不完全相等，兩者的偏差可以從幾厘米到幾十厘米，隨地層的聲速而變，在單發(fā)雙收測量方式中，通常不考慮這種偏差。直接把儀器記錄點(diǎn)深度當(dāng)作與其對應(yīng)的測量層段的中點(diǎn)。事實(shí)上，聲波測井時得到的接收波形是若干種傳播速度各不相同的波的合成波形，（如圖41），我們測量接收波形中首波的時差,目的是測量地層縱波的時差。下面就如何保證地層縱波是首波，如何考慮時差的測量精度和層厚分辨率等問題進(jìn)一步討論。1. 源距的選擇從上節(jié)分析知道，在裸眼井中軸向傳播速度

4、最大的是滑行縱波，但是決定一個波是否能最早到達(dá)接收器而成為首波，應(yīng)視其聲程或傳播時間是否最小。換句話說，由于縱波的傳播路徑比井內(nèi)液體直達(dá)波的傳播路徑長，如果對源距不加選擇，很可能使波速小的液體直達(dá)波首先到達(dá)接收器而成為首波。由上上頁圖，設(shè)井眼的直徑為D發(fā)射器（或接收器）的直徑為，地層縱波速度為，井內(nèi)液體速度為，源距為，則縱波為首波的條件為 (4-4)式中，tf為R1上液體直達(dá)波到達(dá)時間，s；tp為R1上地層縱波到達(dá)時間，s。由圖知道： tfZ0/vf (4-5) （4-6）式中， 綜合式（4-4）（4-6）得到 （4-7）式（4-7）就是裸井眼井聲波測井儀器中源距的選擇原則。由于地層縱波速度的

5、變化范圍較大，為了使所選的源距Z0在各種地層情況下都能滿足式（4-7），在選擇Z0時應(yīng)取vp為可能遇到的地層中的最小縱波速度值。例如，取vp1800m/s（泥巖縱波速度），vf1500m/s,D=22cm，d5cm，代入式（4-7）得： Z00.56m源距Z0并不是取得越大越好，因?yàn)槁曉吹膹?qiáng)度總是有限的。在常規(guī)聲波測井儀中，一般選源距為1m左右；在長源距聲波測井儀中，源距將選到2.44m和3.05m。2. 間距的選擇我們已經(jīng)知道，聲波測井儀在某一深度點(diǎn)測得的時差是以深度點(diǎn)為中心，厚為Z（間距）的地層段的平均時差，可見儀器的縱向分辨率與間距大小密切相關(guān)。下圖繪出了三種不同間距的儀器對厚度為H的同

6、一地層測得的聲波時差理論曲線，三種間距情況分別為ZH，Z=H，和ZH，分析結(jié)果如下：（a）ZH，時差曲線在地層中部所對應(yīng)的深度處出現(xiàn)一段平穩(wěn)區(qū)，其讀數(shù)等于地層時差；地層的上、下界面與時差曲線的幅點(diǎn)相對應(yīng)。因此，地層的時差值和地層界面在時差曲線上都得到了明確表示。（b）Z=H，時差曲線在地層中點(diǎn)所對應(yīng)的深度處達(dá)到地層的時差值，地層上、下界面與時差曲線的幅點(diǎn)相對應(yīng)。于是地層時差值和地層界面同樣在時差曲線上取得明確的顯示。（c）ZH，時差曲線上任何一點(diǎn)的讀數(shù)都不等于地層時差值，時差曲線在地層界面處無任何特征。綜合（a）、（b）、（c）的分析結(jié)果說明，聲波測井儀對地層的最小可分辨率厚度等于儀器的間距Z

7、，間距愈小，儀器分辨薄層的能力愈強(qiáng)。但是，從測量的角度看，間距過小時，到時差t2t1和間距Z的測量精度都會下降以致使t達(dá)不到規(guī)定的測量精度。因此，選擇間距使應(yīng)充分考慮到厚度分辨率和測量精度兩個方面。在測量誤差小于10的前途下，常規(guī)聲波測井儀器的間距一般取0.4m左右，而長源距聲波測井儀則取0.61m。3. 存在的問題單發(fā)雙收形式的聲波測井儀存在的最大問題是時差測量值會受到儀器傾斜和井眼變化的影響，前者的影響我們可以對儀器采取扶正措施。使其在一定程度上得到糾正，但后者的影響是很難避免的。無論是儀器傾斜還是井眼經(jīng)的變化，都會使滑行縱波由井壁折射到兩個接收器的路程不再相等，即前面圖中的CEDF，如果

8、，由前面圖知道所測時差為 （4-8）式（4-8）中的第一項為地層的時差值，第二項則是由于儀器傾斜或井徑變化所引入的誤差。4.2 雙發(fā)雙收補(bǔ)償測量原理在實(shí)際的裸眼井中，井徑變化是常有的現(xiàn)象，如在沙泥巖剖面中，砂巖的縮徑和泥巖的垮塌都會引起井徑的劇烈變化；當(dāng)井斜較大時儀器傾斜很難也很容易發(fā)生。井徑變化和儀器傾斜對時差測量帶來的影響統(tǒng)稱為井眼影響，雙發(fā)雙收補(bǔ)償測量方法就是當(dāng)儀器在井內(nèi)停留不動時，測量到的t上表示以o為中點(diǎn)厚度z為的地層的時差平均值，t下表示以o”為中點(diǎn)，厚度為z 的時差平均值。這是要按式(4-9)計算得到的補(bǔ)償時差t應(yīng)表示以o為中點(diǎn)厚度為z+的地層的時差的加權(quán)平均值,在以o為中點(diǎn),厚

9、度為z-的區(qū)間內(nèi)的加權(quán)系數(shù)為1，在這個區(qū)間上下兩側(cè)的兩個厚度為的區(qū)間內(nèi)的加權(quán)系數(shù)為0.5，見上頁圖。十分明顯，這時儀器的記錄點(diǎn)深度與被測地層（厚度為z+）的中點(diǎn)深度完全一致，即記錄點(diǎn)深度得到了補(bǔ)償，但儀器對地層的分辨率下降了，由單發(fā)雙收時的z變?yōu)閦+。 考慮到實(shí)際測井時儀器按一定速度v做上提運(yùn)動，且聲發(fā)射是按一定的重復(fù)頻率間斷進(jìn)行的，這就給我們提供了提高雙發(fā)雙收補(bǔ)償時差測井分辨率的可行途徑。雙發(fā)雙收聲波測井儀的上發(fā)射器和下發(fā)射器是交替工作的，因此，也交替地測得t下和t上，把每次測得的t上和t下按各自的記錄點(diǎn)深度排列起來，并把相鄰的每一對t下和t上取同一序號，見左圖。由于相鄰兩次發(fā)射的時間間隔內(nèi)

10、儀器上移動的距離為v/f，因此,第n次上發(fā)射時差t上n與第n此下發(fā)射時差t下n進(jìn)行的時差補(bǔ)償運(yùn)算，則求得的t所對應(yīng)的被測地層厚度為(z+-v/f );由此，若讓第n次上發(fā)射時差t上n與第n+m次下發(fā)射時差t下n+m進(jìn)行時差補(bǔ)償運(yùn)算，則求得得t所對應(yīng)的被測地層厚度為(z+-（m+1）v/f ),如果m滿足 則雙發(fā)雙收補(bǔ)償測量對層厚的分辨率為z,與單發(fā)雙收測量時的層厚分辨率完全一樣。相應(yīng)的記錄點(diǎn)深度hn為：式中,h上n為第 n次上發(fā)射是記錄點(diǎn)的深度，m;h下n+m為第n+m次下發(fā)射時儀器記錄點(diǎn)的深度m。稱這種補(bǔ)償為最佳補(bǔ)償。事實(shí)上，的數(shù)值與泥漿速度，地層縱波速度和井徑D都有關(guān)，在整個測量井段中他不

11、可能是個常數(shù)，即對不同層段地層達(dá)到最佳補(bǔ)償?shù)膍值不同 。因此采用存儲延遲的方法有硬件或?qū)崿F(xiàn)最佳補(bǔ)償是有一定困難的。如果把測井的時差序列t上n 和t下n隨同它的相應(yīng)得記錄點(diǎn)深度序列h上n和h下n輸入計算機(jī)，并按層由 t上n求出m近似值，再利用補(bǔ)償公式和 (4-14)來計算補(bǔ)償后的時差序列tn 及相應(yīng)的深度序列h上，從而較好地實(shí)現(xiàn)最佳補(bǔ)償。應(yīng)該指出的事，采用上述算法的吃的時差序列不在時等深度間隔的采樣序列，只是在同一層內(nèi)保持深度間隔相等，必須通過插枝的方法才能重新獲得在全部測量井段上的等深度間隔的時差采樣序列。4.3 長源距聲波的補(bǔ)償原理 長源距聲波測井儀的一個顯著特點(diǎn)是加大儀器的源距。這樣，不但

12、可以提高儀器的徑向探測深度，避免因鉆井造成的破碎帶對聲速測井的影響；同時隨著聲波傳播距離的增加，以不同的速度延井軸方向傳播的各類波形能得到較好的分離，為進(jìn)一步從全波波形中提取分析地層橫波和其他導(dǎo)播提供有力的條件。當(dāng)使用長源距聲波測井儀進(jìn)行時差測量時，井徑的變化，儀器的傾斜以及儀器記錄點(diǎn)深度與實(shí)際測量地層中點(diǎn)深度不一致這些不利因素依然存在，同樣應(yīng)考慮井眼補(bǔ)償問題。 長源距聲波測井儀仍采用雙發(fā)雙收的聲系結(jié)構(gòu)。為避免一起過長，長源距聲波測井儀的兩個發(fā)射器都安裝在聲系的下部，兩個接收器則安裝在商埠，如左圖所示。圖中，兩個發(fā)射器T1和T2相距0.61米。兩接受器R1和R2也相距0.61m。發(fā)射器T1和接

13、收器R2之間相距2.44 m。因此，長源距聲波測井儀實(shí)際上存在三種不同的源距，即2.44m, 3.05m和 3.66m，長源距聲波測井的時差補(bǔ)償方法是應(yīng)用長源互易原理得到的。 長源互易原理指出，在存在一個點(diǎn)聲源的任意介質(zhì)空間中，如果把場點(diǎn)和源點(diǎn)相互交換位置，在新的場點(diǎn)上測量得到的聲場的所有特性與交換前在源場上測得的聲場特性完全相同。根據(jù)這個原理，可以把上頁圖中T1發(fā)射,R1接收和T2發(fā)射R1接受的情況，這種情況就相當(dāng)于上發(fā)射，下接受的單發(fā)雙收情況，可得到上發(fā)射時差t上；自然T1發(fā)射和R1和R2接收，相當(dāng)于下發(fā)射上接受的單發(fā)雙收情況，可得到下發(fā)射時差t下。由此可見，盡管長源聲波測井儀實(shí)際上不存在

14、上發(fā)射下接收的情況，通過應(yīng)用長源互易原理仍可以獲得上發(fā)射的時差 t上并應(yīng)用式（4-14）計算出井眼補(bǔ)償時差。應(yīng)該指出的是：在長源距聲波測井時，t上的儀器記錄點(diǎn)位于 T1和T2的中點(diǎn)，t下的儀器記錄點(diǎn)位于R1和R2的中點(diǎn)，二者在深度上相差3.05m(10ft)。因此在應(yīng)用式(4-14)時，必須考慮深度取齊，即儀器在某一深度位置測得的t下與儀器上提3.05m后測得的t上的儀器記錄點(diǎn)取齊。由于滑行波是以臨界角離開井壁到達(dá)接收器的，當(dāng)t上和t下的儀器記錄點(diǎn)深度一致時，他們所對應(yīng)的測量地層并不一致。當(dāng)臨界角為30度時，對一般井眼二者的偏移距離約5in。因此在進(jìn)行長源距聲波時差補(bǔ)償計算時, t上的實(shí)際上提

15、距離通常取為2.923m4.4 儀器參數(shù)的估算 我們以求商式雙側(cè)向測井儀（深側(cè)向）為例估計儀器的參數(shù)。主電流源為含內(nèi)阻r的電流源，電源電壓為E1. 已知參數(shù) = 1 * GB2 電阻率及變化范圍：max ，min， = 2 * GB2 電極系常數(shù)K = 3 * GB2 測量相對誤差 = 4 * GB2 屏主流比 = 5 * GB2 監(jiān)督電極間等效電阻RM1N12. 待定參數(shù) = 1 * GB2 監(jiān)督回路的增益G = 2 * GB2 電源功率：主電流功率Vomax，屏電流功率W1max = 3 * GB2 主電流內(nèi)阻r和電源電壓E = 4 * GB2 電壓測量回路增益GV = 5 * GB2 電

16、流測量回路增益GI3. 估算參數(shù) 求商式雙側(cè)向測井儀原理框圖（深側(cè)向）示于下圖內(nèi)阻為r的電壓源E向主電極提供了主電流I0，監(jiān)控回路保持監(jiān)督電極M1，N1近似相等，同時向屏蔽電極A1，A2提供屏流I1。電壓測量電路檢測電壓V0；電流測量電路檢測主電流I0。當(dāng)監(jiān)督電極M1，N1之間的電位差趨近于零時，電極A1的電位接近電極N1的電位，電極A0的電位接近電極M1的電位。為了便于估算參數(shù)，這里把它們看成是相等的，于是得到監(jiān)控電路的等效電路，見下圖。監(jiān)控回路是一個有差控制系統(tǒng)，這個差值信號就是監(jiān)督電極M1，N1之間的剩余電壓，它是由主電流I02產(chǎn)生的。 = 1 * GB2 回路增益G主電流I0= I01

17、+ I02，其中，I01在地層等效電阻R0上流動，產(chǎn)生電壓降V0= I01R0，顯然，電流的誤差項為：I= I0I01= I02，電壓的誤差項為：V= I0 R0I01 R0= I02 R0，則測量誤差為： = 1 * GB3 (4-15)根據(jù)右上圖： = 1 * GB3 (4-16) = 1 * GB3 (4-17)式中，R1為屏流I1的地層等效電阻。由式 = 1 * GB3 (4-16)， = 1 * GB3 (4-17)可得： = 1 * GB3 (4-18) 又 = 1 * GB3 (4-19)將式 = 1 * GB3 (4-19)代入式 = 1 * GB3 (4-18)，并假定G1，

18、得到 = 1 * GB3 (4-20)當(dāng)?shù)貙与娮杪蕿樽畲笾禃r，增益為最大，即 = 1 * GB3 (4-21) = 2 * GB2 電壓源根據(jù)式 確定電壓源內(nèi)阻r： = 1 * GB3 (4-22)當(dāng)電阻率為最大值時，主電流的電壓降也最大 = 1 * GB3 (4-23)當(dāng)電阻率為最小值時，Vo最?。?= 1 * GB3 (4-24)其中： ； = 1 * GB3 (4-25)因此，電壓Vo的變化范圍為電壓源電壓E有關(guān)，為了減小誤差，應(yīng)適當(dāng)?shù)奶岣唠妷篤min，綜合考慮Vmin和Vo的變化范圍E/100E，確定電壓源E的大小。 = 3 * GB2 電源功率主電流功率Wo的計算公式如下：當(dāng)?shù)貙与娮?/p>

19、率為最小時，電源輸出的功率最大，即或 = 1 * GB3 (4-27)b）屏流源功率W1屏流源功率W1的計算式如下：又 當(dāng)?shù)貙与娮杪首钚r，屏流源輸出功率最大，即 = 1 * GB3 (4-28)4.5 聲波測井儀本節(jié)和下節(jié)將以SLT-N系列聲波測井儀為例（見書中36頁數(shù)控聲波測井技術(shù)），系統(tǒng)介紹聲波測井儀的結(jié)構(gòu)、設(shè)計原理及主要的電路分析。SLT-N聲波測井儀由聲系（SLS）和電子線路短節(jié)（SLC）兩部分組成，通過測井電纜與地面數(shù)控系統(tǒng)（CSU）相連接。下圖為SLT-N聲波測井儀的總體結(jié)構(gòu)示意圖（書中圖4-36）。圖中SLC-KB為目前通用的電子線路短節(jié)，它可以與SLC-RC和SLC-SC兩種

20、聲系兼容，（SLT為sonic loggingtool聲波測井（下井）儀；SLS為sonic logging system聲系；SLC為sonic logging circuit聲波測井電路）以適應(yīng)井眼補(bǔ)償聲波和長源距聲波測井的需要。在地面數(shù)控系統(tǒng)CSU中，除了中央處理機(jī)CPU和相應(yīng)的外設(shè)、軟設(shè)備外，還有專為聲波測井設(shè)計的聲波測井模塊（SLM）和用于波形記錄的波形數(shù)字化模塊（WDM）。使用SLS-RE聲系測井，可提供井眼補(bǔ)償時差（BHC）、（BHC為bore-hole compensate）聲波幅度、井徑和綜合傳播時間；使用SLC-SC聲波測井，可提供導(dǎo)出井眼補(bǔ)償時差（DD BHC）和全波記錄

21、波形。聲波測井儀下部都常有自然伽馬短節(jié)，可同時進(jìn)行自然伽馬測井。4.5.1 聲系的設(shè)計原理聲系是聲波測井儀的一次儀表部分，它由發(fā)射器、接受器及起保護(hù)作用的鋼隔聲體和偶合油體（囊）等組成。下圖為目前廣泛應(yīng)用的SLS-RC型聲系的換能器排列示意圖。其中R2和R4為T1發(fā)射時（上發(fā)射）的兩個接受器。R1 和R3 為T2發(fā)射（下發(fā)射）的兩個接受器，即R4 、R1為接受器，R2 和R3為近接受器。扶正器 儀器頭 電子線路密封筒 電子線路短節(jié) SLS-SC SLS-RC 自然伽馬短節(jié) SLT-N聲波測井儀總體結(jié)構(gòu)示意圖聲系的結(jié)構(gòu)聲系中的發(fā)射換能器和接收換能器都按規(guī)定尺寸固定在貫穿于它們軸線的波紋管上，見上

22、圖（見書中圖4-38（a）波紋管連同換能器都封裝在充油的橡膠筒內(nèi)，這樣做既保證了換能器的電絕緣、壓力平衡，也改善了換能器與泥漿之間的聲偶合。橡膠桶外又套以鋼隔聲體作為強(qiáng)度支撐體和保護(hù)套。 T2 3 R3 R2 R1 T1 5 SLS-RC聲系示意圖鋼隔聲體上，在正對換能的位置開縱向槽，作聲輻射和聲接受窗口；在換能器與換能器之間的位置開交錯的橫向槽以避免鋼管在發(fā)射器和接受器之間形成聲短路。起到所謂的隔聲作用。橫向槽寬選擇在鋼管內(nèi)傳播的聲波的四分子一波長為佳；橫向槽的長度應(yīng)使聲波沿隔聲體傳播的時間（由發(fā)射器到接受器）遠(yuǎn)大于沿地層的傳播的時間，同時還應(yīng)兼顧隔聲體的強(qiáng)度。發(fā)射換能器在SLS-RC聲系中

23、的發(fā)射換能器是由鐵、鈷、鎳合金構(gòu)成的磁致伸縮換能器。導(dǎo)磁物質(zhì)被磁化時其物理長度發(fā)生變化的效應(yīng)稱為磁致伸縮效應(yīng)。下圖為棒狀鐵圖4-41）棒的長度的相對變化與棒內(nèi)磁通密度的平方成正比。如果鐵磁物質(zhì)的棒受到一個與其長度方向平行的磁通脈沖的沖擊后，棒將會在其彈性力的作用下發(fā)生振動，振動頻率取決于棒的材料和幾何尺寸。如果設(shè)想把棒彎曲成一個圓環(huán)，這時磁通脈沖（磁力線也為環(huán)狀）的作用將使圓環(huán)狀鐵磁物質(zhì)作徑向脹縮振動，諧振頻率也由環(huán)的材料和幾何尺寸決定，其徑向振動的諧振頻率為：式中，r為圓環(huán)的平均半徑，cm;E為鐵磁材料的彈性模量；為鐵磁材料的密度，聲波測井儀所用的發(fā)射換能器（或接收換能器）都是圓環(huán)狀的，其徑

24、向振動頻率一般選為20KHz。十分明顯，環(huán)狀換能器的聲輻射具有軸對稱性，其輻射強(qiáng)度的指向特性見下頁圖（a）所示，換能器在水平方向上輻射最強(qiáng)，偏離水平方向的輻射隨偏離角度的增加而減弱。我們知道，聲波測井中的滑行波（滑行縱波或滑行橫波）是由以臨界角入射到井壁上的聲波線產(chǎn)生的。對一般地層，臨界角的范圍約1256，如果能使圓環(huán)狀聲發(fā)射換能器的輻射指向特性擾水平方向轉(zhuǎn)30角，將對提高滑行波的激勵強(qiáng)度和信噪比十分有利，基于這種設(shè)想，SLS-RC聲系中的發(fā)射器被設(shè)計成由兩個環(huán)狀換能器構(gòu)成的二元陣，當(dāng)兩個環(huán)狀換能器的激發(fā)時間相差17s時，在泥漿中恰好獲得30的指向角，上圖（b）和（c）（見書中圖4-42）給出

25、了SLS-RC發(fā)射器（二元陣）和老式的單元環(huán)發(fā)射器對滑行波的激發(fā)強(qiáng)度比與地層時差之間的關(guān)系曲線。實(shí)際測量表明，SLS-RC發(fā)射器與老式單元環(huán)發(fā)射器相比，其有效輸出功率提高了810倍，信噪比提高了1012db。接收換能器接收換能器的作用是探測由井壁反射回井內(nèi)的聲信號，它把聲波動（傳播來的機(jī)械振動）轉(zhuǎn)換為電信號供儀器測量。接收換能器大多采用壓電陶瓷晶體制成，這些晶體屬于離子型晶體，其結(jié)晶電陣呈有規(guī)則分布，晶體中離子表現(xiàn)為電中性。當(dāng)晶體發(fā)生機(jī)械形變時，晶體中不平衡離子使晶體表面充電，即產(chǎn)生電極化現(xiàn)象這就是壓電效應(yīng)，見下圖。聲波測井儀中的接收器一般制成圓管狀管外側(cè)面為聲波的接收面，見圖（a）。圓管狀壓

26、電晶體換能器的徑向諧振頻率為： 式中，為圓管的平均半徑；為晶體沿1方向的聲速。圓管狀接收換能器的接收靈敏度受接收聲速傳播方向的影響很大，當(dāng)聲速與圓管外表面垂直時，接收靈敏度最大，當(dāng)聲速斜入射到圓管外表面，接收器的靈敏度隨傾斜角度的增大下降很快，見下圖中虛線。如果使用一小尺寸的圓管換能器，并在其兩頭加鋼帽壓緊（施一定預(yù)壓力），這將在很大的角度范圍內(nèi)使接收器的靈敏度得到改善。見上圖(b)和下圖中實(shí)線,稱這種接收器為寬向板接收器。聲系的電子線路部分聲系的電子線路主要是激勵發(fā)射換能器的兩個受控發(fā)射電路上發(fā)射電路和下發(fā)射電路，上發(fā)射電路和下發(fā)射電路的工作分別受控于上發(fā)射脈沖和下發(fā)射脈沖，這兩個電路的結(jié)構(gòu)

27、完全一樣，（見書中圖4-45）。在上發(fā)射電路（或下發(fā)射電路）中，直接發(fā)射電路和延遲發(fā)射電路分別與上（或下）發(fā)射器中兩個換能器的激磁線圈相連，當(dāng)上發(fā)射脈沖（或下發(fā)射脈沖）到達(dá)時，一方面觸發(fā)直接發(fā)射電路使一個換能器發(fā)射聲波，另一方面經(jīng)17s延遲電路延遲后觸發(fā)另一個換能器發(fā)射聲波，構(gòu)成發(fā)射器的定向發(fā)射。電壓濾波調(diào)整器和信增器在發(fā)射器的工作的間歇時間存儲能量，向直接和延遲發(fā)射電路提供必要的強(qiáng)脈沖電流。由于發(fā)射電路被單度封裝在聲系上部的密封鋼管內(nèi)，因此大大地減小了發(fā)射強(qiáng)脈沖電流對接收放大電路（封裝在聲系上面的電子線路短節(jié)內(nèi)）的干擾影響。4.5.2 電子線路短節(jié)（SLC）的設(shè)計原理以通用的SLC-KB型電

28、子線路短節(jié)為例討論其設(shè)計原理。根據(jù)聲波測井儀的要求，電子線路短節(jié)應(yīng)具備如下功能：（1）既能以時差補(bǔ)償方式測井（即BHC），又能進(jìn)行套管井聲幅測井（即CBL）（cement bond log水泥膠結(jié)測井）。（2）正確控制SLS的發(fā)射。并隊接收信號進(jìn)行選擇放大。（3）在向地面設(shè)備傳送聲波信號的同時還應(yīng)向地面?zhèn)魉桶l(fā)射標(biāo)志和進(jìn)行一次時差補(bǔ)償計算所需聲波序列（通常四次發(fā)射得到的四個接收波形構(gòu)成一個序列）的同步標(biāo)志信號。（4）對聲信號的放大應(yīng)盡量抑制噪聲，提高向地面?zhèn)魉筒ㄐ蔚男旁氡?。因此，電子線路短節(jié)的整個工作應(yīng)在一個嚴(yán)格的時序控制下進(jìn)行。在SLC中，設(shè)計了一個時序控制器，時序控制器是聲波測井儀整個井下設(shè)

29、備的核心。時序控制器具有兩類工作方式，即BHC方式和CBL方式。一旦數(shù)據(jù)測井系統(tǒng)CSU補(bǔ)選定某種工作方式，如BHC方式，時序控制器收到CSU發(fā)來的BHC方式命令后，就會按BHC方式產(chǎn)生相應(yīng)的時序命令來控制發(fā)射、接收選擇，并形成相應(yīng)的發(fā)射標(biāo)志脈沖T0和同步標(biāo)志脈沖S向地面設(shè)備傳送BHC測井信號。書中圖4-47為SLC的控制操作示意圖。在圖中看到，在SLC中除了時序控制器外，還有接收選擇開關(guān)、公用單通道接收放大器和增益脈沖計數(shù)器等組成電路。其中接收放大器由四級基本電路組成，即作前置放大用的可變增益級VGS（variable gain stage），對聲信號進(jìn)行時間鑒別的選通門GATS（gate s

30、tage），將聲信號同發(fā)射標(biāo)志脈沖T0、同步標(biāo)志脈沖S加以合成的加法器ADDS（additive stage）以及對合成信號進(jìn)行電纜驅(qū)動的功放級PA（power amplifier）。地面設(shè)備將根據(jù)檢測到的T0、S標(biāo)志脈沖對聲波信號進(jìn)行識別、處理、計算和記錄。對于聲波測井儀SLT-N，稱進(jìn)行一次補(bǔ)償時差（或聲幅）值的測量過程為一個序列，稱進(jìn)行一次發(fā)射和接收的過程為一個字，并把一個字按等時間間隔氛圍三個相，依次稱為第一相，第二相和第三相。根據(jù)測量需要，一個BHC序列由四個字組成，一個CBL序列周期分別為16.66ms、50ms、200ms和100ms。在一個序列中，儀器在各個字期間發(fā)射器和接收信

31、號的組合關(guān)系見下表：序列類型字工作的發(fā)射器選通放大的接收信號BHCW1UTR4序W2UTR3W3LTR1列W4LTR3CBLW1UTR4序列W2UTR3由上表知道，CBL序列與BHC序列的上半部分相同。電子線路短節(jié)的基本時序關(guān)系在電子線路短節(jié)中，各種時序控制信號都是在時序控制器中產(chǎn)生的，書中圖4-50給出了儀器在BHC方式時的基本時序關(guān)系圖。產(chǎn)生各種時序控制信號的源信號是60HZ電源信號，周期為16.66ms，見圖第4由上表知道，相控制方波寬度等于源信號周期（第5行），第一相方波A和第二相方波B在圖中6、7行。字方波寬度為三倍相方波寬度，分別見圖第10、11、12、13行，BHC序列時寬為20

32、0ms見第1行。在一個序列中，同步脈沖S被設(shè)計在第一個字W1和第二相開始時刻產(chǎn)生，發(fā)射標(biāo)志脈沖T0被設(shè)計在每個字（W1、W2、W3、W4）的第三相開始時刻產(chǎn)生，S和T0都是寬為16s的雙向脈沖，見圖第15行，發(fā)射控制脈沖與T0相應(yīng)，時序控制器按BHC方式在一個序列的W1、W2期間產(chǎn)生兩個上發(fā)射脈沖UT，在W3、W4期間產(chǎn)生兩個下發(fā)射脈沖LT。分別見圖20和21行，UT和LT都是寬為25s的方脈沖，與20KHZ聲信號的半周期相適應(yīng)。由圖19行看到，時序控制器還在每個字的第二相產(chǎn)生了一個寬為1.7ms的方波，第三相產(chǎn)生一個寬為4.4ms的仿波，前者稱為噪聲門，后者稱為信號門，電子線路短節(jié)在這兩個門

33、內(nèi)通過電纜分別向地面設(shè)備傳送噪聲和聲波測井信號。通過上述基本時序關(guān)系的分析知道，電子線路短節(jié)經(jīng)電纜向地面設(shè)備傳送的信號有：同步信號S（僅存在于W1），發(fā)射標(biāo)志脈沖T0，這些信號在一個字期間對電纜的總占用時間不超過6.5ms，而一個字的時寬為50ms，聲波測井信號對電纜的占空比不大，通常在聲波測井的同時還可進(jìn)行自然伽馬測井。2. SLC的設(shè)計框圖描述書中圖4-49為電子線路短節(jié)（SLC）的設(shè)計原理框圖，圖中用點(diǎn)化線把整個原理框圖分為三主要部分：時序控制器，信號放大器，增益脈沖接收處理電路。.時序控制器時序控制器由14個單元電路構(gòu)成，它產(chǎn)生五種邏輯控制信號：發(fā)射觸發(fā)脈沖（包括上發(fā)射觸發(fā)脈沖和下發(fā)射

34、觸發(fā)脈沖），接收選擇開關(guān)控制信號，自然咖嗎禁止門信號，選通門信號和增益脈沖門信號；還產(chǎn)生兩種標(biāo)志信號：同步信號S和發(fā)射標(biāo)志信號T0。60HZ電源信號經(jīng)整形電路得60HZ方波時鐘，三分頻電路（除3）和四分頻電路（除4）產(chǎn)生了60HZ方波、A、B、C、D五種基本時序信號（見圖4-50第5-9行），時序控制器形成的各種時序控制信號都是由這五種基本時序信號經(jīng)邏輯變換后派生出來的。 “觸發(fā)定時器”、“時間標(biāo)定器（電路）”、“上發(fā)射觸發(fā)器”和“下發(fā)射觸發(fā)器”構(gòu)成了發(fā)射觸發(fā)脈沖的成形電路，在B信號的后沿作用下，“觸發(fā)定時電路”在每個字第三相的開始時刻產(chǎn)生觸發(fā)定時脈沖。“時間標(biāo)度電路”對上發(fā)射和下發(fā)射進(jìn)行時間標(biāo)定，使觸發(fā)定時脈沖分別在W1、W2期間觸發(fā)“上發(fā)射觸發(fā)電路”形成兩個寬為25s的上發(fā)射脈沖，在W3、W4期間觸發(fā)“下發(fā)射觸發(fā)電路”形成兩個寬為25s的下發(fā)射脈沖。由C、D信號組成的二位二進(jìn)制代碼可代表四種狀態(tài)，“譯碼器”把這種狀態(tài)譯成了相應(yīng)的控制電壓去控制接收放大電路中的接收開關(guān)，使接收電路在一個BHC序列中按W1、W2、W3、W4（