《測(cè)井儀器方法及原理課程》第四章 裸眼井聲波測(cè)井

1、PAGE PAGE 14第四章 裸眼井聲波測(cè)井聲波測(cè)井是根據(jù)聲波學(xué)物理理論發(fā)展起來的一種測(cè)井方法。在裸眼井中，聲波測(cè)井儀測(cè)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(duì)聲能量的衰減特性等。從40年代到現(xiàn)在，聲波測(cè)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(cè)量?jī)?nèi)容也由僅測(cè)量地層縱波速度增加到縱波速度和衰減的測(cè)量。隨著計(jì)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(duì)聲波測(cè)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(cè)井在地層評(píng)價(jià)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(chǎng)解釋多用縱波速度來區(qū)分地層孔隙度與聲波時(shí)差（速度的倒數(shù)）的關(guān)系式，即懷利公式。懷利公式是一個(gè)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(cè)井的物理特性當(dāng)源距Z0足夠大時(shí)，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(shí)差表達(dá)式，并按習(xí)慣用t代表時(shí)差，即 (s/m) (4-3)式中，t1為接收器R1的首波到達(dá)時(shí)間，s；t2為接收器R2的首波到達(dá)時(shí)間，s。當(dāng)C,D間為均勻地層時(shí)，由式（43）算得的t為該地層的時(shí)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(shí)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(duì)應(yīng)的測(cè)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(cè)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(duì)應(yīng)的測(cè)量層段的中點(diǎn)。事實(shí)上，聲波測(cè)井時(shí)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(cè)量接收波形中首波的時(shí)差,目的是測(cè)量地層縱波的時(shí)差。下面就如何保證地層縱波是首波，如何考慮時(shí)差的測(cè)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(gè)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(shí)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(zhǎng)，如果對(duì)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(yè)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(shí)間，s；tp為R1上地層縱波到達(dá)時(shí)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(cè)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(shí)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(cè)井儀中，一般選源距為1m左右；在長(zhǎng)源距聲波測(cè)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(cè)井儀在某一深度點(diǎn)測(cè)得的時(shí)差是以深度點(diǎn)為中心，厚為Z（間距）的地層段的平均時(shí)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(duì)厚度為H的同

6、一地層測(cè)得的聲波時(shí)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(shí)差曲線在地層中部所對(duì)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(shí)差；地層的上、下界面與時(shí)差曲線的幅點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。因此，地層的時(shí)差值和地層界面在時(shí)差曲線上都得到了明確表示。（b）Z=H，時(shí)差曲線在地層中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的深度處達(dá)到地層的時(shí)差值，地層上、下界面與時(shí)差曲線的幅點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。于是地層時(shí)差值和地層界面同樣在時(shí)差曲線上取得明確的顯示。（c）ZH，時(shí)差曲線上任何一點(diǎn)的讀數(shù)都不等于地層時(shí)差值，時(shí)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(cè)井儀對(duì)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(cè)量的角度看，間距過小時(shí)，到時(shí)差t2t1和間距Z的測(cè)量精度都會(huì)下降以致使t達(dá)不到規(guī)定的測(cè)量精度。因此，選擇間距使應(yīng)充分考慮到厚度分辨率和測(cè)量精度兩個(gè)方面。在測(cè)量誤差小于10的前途下，常規(guī)聲波測(cè)井儀器的間距一般取0.4m左右，而長(zhǎng)源距聲波測(cè)井儀則取0.61m。3. 存在的問題單發(fā)雙收形式的聲波測(cè)井儀存在的最大問題是時(shí)差測(cè)量值會(huì)受到儀器傾斜和井眼變化的影響，前者的影響我們可以對(duì)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(huì)使滑行縱波由井壁折射到兩個(gè)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(cè)時(shí)差為 （4-8）式（4-8）中的第一項(xiàng)為地層的時(shí)差值，第二項(xiàng)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(cè)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(huì)引起井徑的劇烈變化；當(dāng)井斜較大時(shí)儀器傾斜很難也很容易發(fā)生。井徑變化和儀器傾斜對(duì)時(shí)差測(cè)量帶來的影響統(tǒng)稱為井眼影響，雙發(fā)雙收補(bǔ)償測(cè)量方法就是當(dāng)儀器在井內(nèi)停留不動(dòng)時(shí)，測(cè)量到的t上表示以o為中點(diǎn)厚度z為的地層的時(shí)差平均值，t下表示以o”為中點(diǎn)，厚度為z 的時(shí)差平均值。這是要按式(4-9)計(jì)算得到的補(bǔ)償時(shí)差t應(yīng)表示以o為中點(diǎn)厚度為z+的地層的時(shí)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(gè)區(qū)間上下兩側(cè)的兩個(gè)厚度為的區(qū)間內(nèi)的加權(quán)系數(shù)為0.5，見上頁(yè)圖。十分明顯，這時(shí)儀器的記錄點(diǎn)深度與被測(cè)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(duì)地層的分辨率下降了，由單發(fā)雙收時(shí)的z變?yōu)閦+。 考慮到實(shí)際測(cè)井時(shí)儀器按一定速度v做上提運(yùn)動(dòng)，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(shí)差測(cè)井分辨率的可行途徑。雙發(fā)雙收聲波測(cè)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(cè)得t下和t上，把每次測(cè)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(duì)t下和t上取同一序號(hào)，見左圖。由于相鄰兩次發(fā)射的時(shí)間間隔內(nèi)

10、儀器上移動(dòng)的距離為v/f，因此,第n次上發(fā)射時(shí)差t上n與第n此下發(fā)射時(shí)差t下n進(jìn)行的時(shí)差補(bǔ)償運(yùn)算，則求得的t所對(duì)應(yīng)的被測(cè)地層厚度為(z+-v/f );由此，若讓第n次上發(fā)射時(shí)差t上n與第n+m次下發(fā)射時(shí)差t下n+m進(jìn)行時(shí)差補(bǔ)償運(yùn)算，則求得得t所對(duì)應(yīng)的被測(cè)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(cè)量對(duì)層厚的分辨率為z,與單發(fā)雙收測(cè)量時(shí)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(shí)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(gè)測(cè)量井段中他不

11、可能是個(gè)常數(shù)，即對(duì)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(chǔ)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(cè)井的時(shí)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(jì)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(jì)算補(bǔ)償后的時(shí)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(shí)差序列不在時(shí)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(cè)量井段上的等深度間隔的時(shí)差采樣序列。4.3 長(zhǎng)源距聲波的補(bǔ)償原理 長(zhǎng)源距聲波測(cè)井儀的一個(gè)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(cè)深度，避免因鉆井造成的破碎帶對(duì)聲速測(cè)井的影響；同時(shí)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(zhǎng)源距聲波測(cè)井儀進(jìn)行時(shí)差測(cè)量時(shí)，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(cè)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(zhǎng)源距聲波測(cè)井儀仍采用雙發(fā)雙收的聲系結(jié)構(gòu)。為避免一起過長(zhǎng)，長(zhǎng)源距聲波測(cè)井儀的兩個(gè)發(fā)射器都安裝在聲系的下部，兩個(gè)接收器則安裝在商埠，如左圖所示。圖中，兩個(gè)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(zhǎng)源距聲波測(cè)井儀實(shí)際上存在三種不同的源距，即2.44m, 3.05m和 3.66m，長(zhǎng)源距聲波測(cè)井的時(shí)差補(bǔ)償方法是應(yīng)用長(zhǎng)源互易原理得到的。 長(zhǎng)源互易原理指出，在存在一個(gè)點(diǎn)聲源的任意介質(zhì)空間中，如果把場(chǎng)點(diǎn)和源點(diǎn)相互交換位置，在新的場(chǎng)點(diǎn)上測(cè)量得到的聲場(chǎng)的所有特性與交換前在源場(chǎng)上測(cè)得的聲場(chǎng)特性完全相同。根據(jù)這個(gè)原理，可以把上頁(yè)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(shí)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(shí)差t下。由此可見，盡管長(zhǎng)源聲波測(cè)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(zhǎng)源互易原理仍可以獲得上發(fā)射的時(shí)差 t上并應(yīng)用式（4-14）計(jì)算出井眼補(bǔ)償時(shí)差。應(yīng)該指出的是：在長(zhǎng)源距聲波測(cè)井時(shí)，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(shí)，必須考慮深度取齊，即儀器在某一深度位置測(cè)得的t下與儀器上提3.05m后測(cè)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(shí)，他們所對(duì)應(yīng)的測(cè)量地層并不一致。當(dāng)臨界角為30度時(shí)，對(duì)一般井眼二者的偏移距離約5in。因此在進(jìn)行長(zhǎng)源距聲波時(shí)差補(bǔ)償計(jì)算時(shí), 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(cè)井儀（深側(cè)向）為例估計(jì)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(cè)量相對(duì)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(cè)量回路增益GV = 5 * GB2 電

16、流測(cè)量回路增益GI3. 估算參數(shù) 求商式雙側(cè)向測(cè)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(shí)向屏蔽電極A1，A2提供屏流I1。電壓測(cè)量電路檢測(cè)電壓V0；電流測(cè)量電路檢測(cè)主電流I0。當(dāng)監(jiān)督電極M1，N1之間的電位差趨近于零時(shí)，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(gè)有差控制系統(tǒng)，這個(gè)差值信號(hào)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(dòng)，產(chǎn)生電壓降V0= I01R0，顯然，電流的誤差項(xiàng)為：I= I0I01= I02，電壓的誤差項(xiàng)為：V= I0 R0I01 R0= I02 R0，則測(cè)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(shí)，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(shí)，主電流的電壓降也最大 = 1 * GB3 (4-23)當(dāng)電阻率為最小值時(shí)，Vo最小： = 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(jì)算公式如下：當(dāng)?shù)貙与娮?/p>

19、率為最小時(shí)，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(jì)算式如下：又 當(dāng)?shù)貙与娮杪首钚r(shí)，屏流源輸出功率最大，即 = 1 * GB3 (4-28)4.5 聲波測(cè)井儀本節(jié)和下節(jié)將以SLT-N系列聲波測(cè)井儀為例（見書中36頁(yè)數(shù)控聲波測(cè)井技術(shù)），系統(tǒng)介紹聲波測(cè)井儀的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)原理及主要的電路分析。SLT-N聲波測(cè)井儀由聲系（SLS）和電子線路短節(jié)（SLC）兩部分組成，通過測(cè)井電纜與地面數(shù)控系統(tǒng)（CSU）相連接。下圖為SLT-N聲波測(cè)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(cè)井（下井）儀；SLS為sonic logging system聲系；SLC為sonic logging circuit聲波測(cè)井電路）以適應(yīng)井眼補(bǔ)償聲波和長(zhǎng)源距聲波測(cè)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(cè)井設(shè)計(jì)的聲波測(cè)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(cè)井，可提供井眼補(bǔ)償時(shí)差（BHC）、（BHC為bore-hole compensate）聲波幅度、井徑和綜合傳播時(shí)間；使用SLC-SC聲波測(cè)井，可提供導(dǎo)出井眼補(bǔ)償時(shí)差（DD BHC）和全波記錄

21、波形。聲波測(cè)井儀下部都常有自然伽馬短節(jié)，可同時(shí)進(jìn)行自然伽馬測(cè)井。4.5.1 聲系的設(shè)計(jì)原理聲系是聲波測(cè)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(shí)（上發(fā)射）的兩個(gè)接受器。R1 和R3 為T2發(fā)射（下發(fā)射）的兩個(gè)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(cè)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(duì)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(cuò)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(zhǎng)為佳；橫向槽的長(zhǎng)度應(yīng)使聲波沿隔聲體傳播的時(shí)間（由發(fā)射器到接受器）遠(yuǎn)大于沿地層的傳播的時(shí)間，同時(shí)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(shí)其物理長(zhǎng)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(zhǎng)度的相對(duì)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(gè)與其長(zhǎng)度方向平行的磁通脈沖的沖擊后，棒將會(huì)在其彈性力的作用下發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)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(gè)圓環(huán)，這時(shí)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(dòng)，諧振頻率也由環(huán)的材料和幾何尺寸決定，其徑向振動(dòng)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(cè)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(dòng)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(duì)稱性，其輻射強(qiáng)度的指向特性見下頁(yè)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(cè)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(duì)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(duì)提高滑行波的激勵(lì)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(jì)成由兩個(gè)環(huán)狀換能器構(gòu)成的二元陣，當(dāng)兩個(gè)環(huán)狀換能器的激發(fā)時(shí)間相差17s時(shí)，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(duì)滑行波的激發(fā)強(qiáng)度比與地層時(shí)差之間的關(guān)系曲線。實(shí)際測(cè)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(cè)由井壁反射回井內(nèi)的聲信號(hào)，它把聲波動(dòng)（傳播來的機(jī)械振動(dòng)）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)供儀器測(cè)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(shí)，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(cè)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(shí)，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(lì)發(fā)射換能器的兩個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)，一方面觸發(fā)直接發(fā)射電路使一個(gè)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(gè)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(shí)間存儲(chǔ)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(duì)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(jì)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(jì)原理。根據(jù)聲波測(cè)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(shí)差補(bǔ)償方式測(cè)井（即BHC），又能進(jìn)行套管井聲幅測(cè)井（即CBL）（cement bond log水泥膠結(jié)測(cè)井）。（2）正確控制SLS的發(fā)射。并隊(duì)接收信號(hào)進(jìn)行選擇放大。（3）在向地面設(shè)備傳送聲波信號(hào)的同時(shí)還應(yīng)向地面?zhèn)魉桶l(fā)射標(biāo)志和進(jìn)行一次時(shí)差補(bǔ)償計(jì)算所需聲波序列（通常四次發(fā)射得到的四個(gè)接收波形構(gòu)成一個(gè)序列）的同步標(biāo)志信號(hào)。（4）對(duì)聲信號(hào)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(gè)工作應(yīng)在一個(gè)嚴(yán)格的時(shí)序控制下進(jìn)行。在SLC中，設(shè)計(jì)了一個(gè)時(shí)序控制器，時(shí)序控制器是聲波測(cè)井儀整個(gè)井下設(shè)

29、備的核心。時(shí)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(cè)井系統(tǒng)CSU補(bǔ)選定某種工作方式，如BHC方式，時(shí)序控制器收到CSU發(fā)來的BHC方式命令后，就會(huì)按BHC方式產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)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(cè)井信號(hào)。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(shí)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(jì)數(shù)器等組成電路。其中接收放大器由四級(jí)基本電路組成，即作前置放大用的可變?cè)鲆婕?jí)VGS（variable gain stage），對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)間鑒別的選通門GATS（gate s

30、tage），將聲信號(hào)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(duì)合成信號(hào)進(jìn)行電纜驅(qū)動(dòng)的功放級(jí)PA（power amplifier）。地面設(shè)備將根據(jù)檢測(cè)到的T0、S標(biāo)志脈沖對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、處理、計(jì)算和記錄。對(duì)于聲波測(cè)井儀SLT-N，稱進(jìn)行一次補(bǔ)償時(shí)差（或聲幅）值的測(cè)量過程為一個(gè)序列，稱進(jìn)行一次發(fā)射和接收的過程為一個(gè)字，并把一個(gè)字按等時(shí)間間隔氛圍三個(gè)相，依次稱為第一相，第二相和第三相。根據(jù)測(cè)量需要，一個(gè)BHC序列由四個(gè)字組成，一個(gè)CBL序列周期分別為16.66ms、50ms、200ms和100ms。在一個(gè)序列中，儀器在各個(gè)字期間發(fā)射器和接收信

31、號(hào)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(hào)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(shí)序關(guān)系在電子線路短節(jié)中，各種時(shí)序控制信號(hào)都是在時(shí)序控制器中產(chǎn)生的，書中圖4-50給出了儀器在BHC方式時(shí)的基本時(shí)序關(guān)系圖。產(chǎn)生各種時(shí)序控制信號(hào)的源信號(hào)是60HZ電源信號(hào)，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(hào)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(shí)寬為20

32、0ms見第1行。在一個(gè)序列中，同步脈沖S被設(shè)計(jì)在第一個(gè)字W1和第二相開始時(shí)刻產(chǎn)生，發(fā)射標(biāo)志脈沖T0被設(shè)計(jì)在每個(gè)字（W1、W2、W3、W4）的第三相開始時(shí)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(shí)序控制器按BHC方式在一個(gè)序列的W1、W2期間產(chǎn)生兩個(gè)上發(fā)射脈沖UT，在W3、W4期間產(chǎn)生兩個(gè)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(hào)的半周期相適應(yīng)。由圖19行看到，時(shí)序控制器還在每個(gè)字的第二相產(chǎn)生了一個(gè)寬為1.7ms的方波，第三相產(chǎn)生一個(gè)寬為4.4ms的仿波，前者稱為噪聲門，后者稱為信號(hào)門，電子線路短節(jié)在這兩個(gè)門

33、內(nèi)通過電纜分別向地面設(shè)備傳送噪聲和聲波測(cè)井信號(hào)。通過上述基本時(shí)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(hào)有：同步信號(hào)S（僅存在于W1），發(fā)射標(biāo)志脈沖T0，這些信號(hào)在一個(gè)字期間對(duì)電纜的總占用時(shí)間不超過6.5ms，而一個(gè)字的時(shí)寬為50ms，聲波測(cè)井信號(hào)對(duì)電纜的占空比不大，通常在聲波測(cè)井的同時(shí)還可進(jìn)行自然伽馬測(cè)井。2. SLC的設(shè)計(jì)框圖描述書中圖4-49為電子線路短節(jié)（SLC）的設(shè)計(jì)原理框圖，圖中用點(diǎn)化線把整個(gè)原理框圖分為三主要部分：時(shí)序控制器，信號(hào)放大器，增益脈沖接收處理電路。.時(shí)序控制器時(shí)序控制器由14個(gè)單元電路構(gòu)成，它產(chǎn)生五種邏輯控制信號(hào)：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(hào)，自然咖嗎禁止門信號(hào)，選通門信號(hào)和增益脈沖門信號(hào)；還產(chǎn)生兩種標(biāo)志信號(hào)：同步信號(hào)S和發(fā)射標(biāo)志信號(hào)T0。60HZ電源信號(hào)經(jīng)整形電路得60HZ方波時(shí)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(shí)序信號(hào)（見圖4-50第5-9行），時(shí)序控制器形成的各種時(shí)序控制信號(hào)都是由這五種基本時(shí)序信號(hào)經(jīng)邏輯變換后派生出來的。 “觸發(fā)定時(shí)器”、“時(shí)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(hào)的后沿作用下，“觸發(fā)定時(shí)電路”在每個(gè)字第三相的開始時(shí)刻產(chǎn)生觸發(fā)定時(shí)脈沖?！皶r(shí)間標(biāo)度電路”對(duì)上發(fā)射和下發(fā)射進(jìn)行時(shí)間標(biāo)定，使觸發(fā)定時(shí)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(gè)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(gè)寬為25s的下發(fā)射脈沖。由C、D信號(hào)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(gè)BHC序列中按W1、W2、W3、W4（