（信号与信息处理专业论文）井周超声成像测井仪部分电路研制.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 井周超声成像测井仪部分电路研制 信号与信息处 范斐( 签名) 庞巨丰( 签名) 要 理论研究表明超声波是一种振动高频短波，可以在弹性材料中传播；具有良好的方 向性、高能量，在一定区域内可集中定向辐射；且穿透力强，在界面上具有反射特性。 井周超声成像测井以超声波的这些物理特性为基础，将测量结果送入地面系统进行处理 分析可得到井壁岩性及构造信息，适用于裸眼井、套管井。 超声成像测井原理是旋转电机带动超声换能器连续向井壁发射超声波，换能器同时 接收反射回来的超声回波，将返回的超声波转化为脉冲信号。井下仪器对该脉冲信号采 集、处理后得出回波时间、回波幅度这两个重要物理量：回波时间反应井眼形态：回波 幅度反映井壁岩性。 本文主要介绍井周超声成像测井仪井下部分电路、f p g a 时序控制软件的研制情况， 同时介绍了地面数据接口电路设计方案、测井仪器数据传输的过程，地面仪器与计算机 的通信等内容。文中涉及的具体电路包括脉冲幅度分析电路、数据缓存电路、f p g a 控 制电路，接口电路等。井下仪器采用f p g a 实现对各电路的时序控制，主要完成了a g c 控制、数据采集控制，数据缓存控制。井下数据采集电路测得超声回波时间、回波幅度 两个物理量后，采用p c m 编码方式将数据经电缆传输到地面系统中，进行后续的数据 处理。地面仪器采用u s b 通信方式，使用单片机实现地面信号处理系统与p c 机的通信。 最后，通过调试，仪器实现各项性能。 关键词：超声波成像测井回波幅度f p g a 论文类型：应用技术 n i 英文摘要 s u b j e c t ：t h ep a r t i a lc i r c u i td e v e l o p m e n to nc i r c u m f e r e n t i a lb o r e h o l ei m a g i n g l o g g i n gt o o l s p e c i a l i t y ： s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e ：f a nf e i ( s i g n a t u r e ) in s t r u c t o r ：p a n gj u f e n g ( s i g n a a b s l k a c i t h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o nt e s t i f i e st h a tu l t r a s o u n di sak i n do fv i b r a t e da n dh i g h f r e q u e n t s h o r t w a v e w h i c hc a nb es p r e a di nt h ee l a s t i cm a t e r i a lw i t l ls e n s i t i v es e n s eo fd i r e c t i o na n d l l i g he n e r g y i tc a nr a d i a t eo nc e r t a i nd i r e c t i o n si n t e n s i v e l y , a n dp o s s e s s e sag o o dp e n e t r a b i l i t y a sw e l la st h er e f l e c t i v i t yo nt h ei n t e r f a c e n ec i r c u m f e r e n t i a lb o r e h o l ei m a g i n gl o g g i n gi s b a s e do nt h e s ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eu l t r a s o u n d 1 1 1 ei n f o r m a t i o na b o u tt h el i t h o l o g y a n dt h es t r u c t u r eo ft h eb o r e h o l ei sa v a i l a b l et h r o u g ht h ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i so ft h e m e a s u r e dr e s u l t st h a tt r a n s m i t t e dt ot h eg r o u n ds y s t e m ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt oo p e nh o l ew e l l a n dc a s e dw e l l n ep r i n c i p l eo ft h ec i r c u m f e r e n t i a lb o r e h o l ei m a g i n gl o g g i n gi st h eu l t r a s o n i c t r a n s d u c e rc o n t i n u o u s l yl a u n c h e su l t r a s o u n dt ot h eb o r e h o l ew h i c hi sd r i v e nb yr o t a r ym o t o r , a n da tt h es a m et i m er e c e i v e st h er e f l e c t e db a c ku l t r a s o n i ce c h o ，t r a n s f o r m i n gt h er e f l e c t e d b a c ku l t r a s o n i ce c h ot ot h ep u l s es i g n e d t h es u b s u r f a c ee q u i p m e n t sg e tt h et w oi m p o r t a n t p h y s i c a lp a r a m e t e r so fe c h ot i m ea n de c h oa m p l i t u d eb ya c q u i s i t i o n i n ga n dp r o c e s s i n gt h e p u l s es i g n a l ，n l ee c h ot i m er e f l e c t st h ew e l lp a t t e r n sa n dt h ee c h oa m p l i t u d er e f l e c t st h e b o r e h o l el i t h o l o g y n l i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yi n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ep a r t i a ls u b s u r f a c ec i r c u i t ， f p g at i m i n gc o n t r o ls o f t w a r ei nc i r c u m f e r e n t i a lb o r e h o l ei m a g i n gl o g g i n gt o o l ，t h ed e s i g n p r o p o s a lo fg r o u n d - b a s e dd a t a - i n t e r f a c ec k c u l lt h ep r o c e s so ft h ed a t at r a n s m i s s i o ni nt h e l o g g i n gi n s t r t u n e n t s ，a sw e l la st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ng r o u n d - b a s e di n s m u n e n t sa n d c o m p u t e r s n l ec i r c u i t sm e n t i o n e di nt h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e dap u l s ea m p l i t u d ea n a l y s i s c i r c u i t ，d a t ac a c h ec i r c u i t ，f p g ac o n t r o lc i r c u i t ，i n t e r f a c ec i r c u i ta n ds of o r t h s u b s u r f a c e i n s t r u m e n t su s e dt h ef p g at or e a l i z et h et i m i n gc o n t r o lo fc i r c u i t s ，m a i n l yc o m p l e t i n gt h e c o n t r o lo fa g c ，d a t a a c q u i s i t i o na n dd a t ac a c h e s u b s u r f a c ed a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i tm e a s u r e d t w op h y s i c a lp a r a m e t e r so fu l t r a s o n i ce c h ot i m ea n da m p l i t u d e t h ed a t aw a st r a n s m i t t e dt o t h eg r o u n ds y s t e mf o rt h es u b s e q u e n tt r e a t m e n tv i at h ec a b l eb yu s i n gt h ep c mc o d i n g 1 1 1 e g r o u n di n s t r u m e n t su s eu s bt oa c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eg r o u n d s i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e ma n dp cb yt h em c uc o n t r o l l i n g f i n a l l y ，t h r o u g hd e b u g g i n g ，i ta c h i e v e d e a c hf u n c t i o no ft h et 0 0 1 k e y w o r d s ：u l t r a s o u n d ，i m a g i n gl o g ，e c h oa m p l i t u d e ，f p g a t h et y p eo ft h e s i s ：t h ea p p l i e dt e c h n o l o g y i h 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：盘蛰 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师 注：如本论 日期：垄盘! 笸! 乡 的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究井周超声成像测井仪的背景和意义 随着石油与天然气工业的发展，油气勘探的难度越来越大，测井技术面临许多地质 和工程方面的难题。为适应勘探复杂、非均质的油气藏，以井下探头阵列扫描测量或旋 转扫描测量、地面采集图像化为主要特征的成像测井技术得到长足发展。传统的测井只 能获取井下地层、井眼轴向和径向上单一的信息，只适用于简单的均质地层。与之相比， 成像测井则具有可视性和直观性的特点，可以进行储层结构特征、构造特征、沉积特征、 地应力方向等多方面的评价分析，能解决常规测井资料难以解决的测井地质解释问题。 尤其在复杂岩性储层、裂缝性储层评价中，成像测井能直观地提供裂缝的形态、裂缝发 育程度等地质信息【l j 。 成像测井技术包括：电成像测井、声波成像测井、核磁共振成像测井。声波成像测 井理论的提出始于2 0 世纪6 0 年代，8 0 年代发展成为一种新的成像测井技术【2 】。超声成 像测井属于声波成像测井技术，该技术利用超声波作为信息载体，通过向井壁或套管内 壁发射超声波进行扫描，并根据回波幅度和传播时问进行成像测井。在裸眼井中通过测 量的声学图像，可了解裂缝地层的裂缝密度、倾角、方位以及缝洞分布情况，为勘探和 开发裂缝性储集层提供可靠的地质基础资料；在套管中通过声学图像，可了解射孔位置， 或施工、生产而使套管损坏情况，为修井提供资料，它以全方位、清晰、直观的图像来 识别套管腐蚀情况而受到用户的好评【3 】。由于它具有分辨率高、应用成本低、使用方便、 资料解释直观等优点，目前已成为油田开发中一种有效的测井手段。此外超声成像也广 泛应用于水文、地质、煤炭工程建设勘探等领域。 井周超声成像测井是第五代测井技术的分支，属新兴的测井技术。总体来说，目前 应用该技术的大部分油田收效良好，如华北油田。在长庆、吐哈等油田也得到很好的应 用效剁4 】。根据预测，使用井周超声成像测井技术进行油气勘探开发与使用数控测井技 术相比，可提高1 0 0 o 2 0 的油气储量，其在油气勘探与开发方面起着十分重要的作用。 所以对该课题研究有着非常重要的现实意义，经济效益巨大，市场前景良好【5 】o 1 2 井周超声成像测井的国内外研究现状 井周超声成像测井作为一种新兴的成像测井技术，2 0 世纪8 0 年代后有了长足发展， 目前处于鼎盛时期，具有强大的生命力与广阔的发展前景。 从2 0 世纪6 0 年代起就开始了对超声成像技术的研究，1 9 6 2 年m o b i l 公司的 z e m a n e k 等人用超声成像技术研究成功第一代井下电视b h t v ( b o r e h o l et e l e v i e w e r ) ， 这是第一种能在典型油井中运用的井下成像设备【6 】。井下电视就像给井周做超声波扫 描，可连续记录井壁图像。早期图像显示了一些井壁上有趣的现象，如裂缝、崩塌、主 要岩性界面，以及套管射孔和连接。当时，井下声学探头的频率很高( 1 m h z 以上) ， 西安石油大学硕士学位论文 声波信号在井内泥浆中衰减明显，测量记录困难，且井口设备笨重、测井速度慢、仪器 性能不佳，因而没有被重视。2 0 世纪8 0 年代，由于对大洋海底锰矿调查的需要，海底 超声电视测井技术得到重视。后经a m o c o 、s h e l l 和s a n d i a 等石油公司和研究单位的不 断改进，投入了商业服务。井下电视随即成为西方测井公司主要的商业化服务项目，超 声成像技术也得到进一步的完善。a r c o 石油和天然气公司于1 9 8 9 年研制出数字超声扫 描仪d u s t ( d i g i t a lu l t r a s o n i cs c a n n i n gt 0 0 1 ) ，它既具有常规井下电视的功能，又能探 测套管外面的腐蚀情况和确定套管壁厚。1 9 8 9 年贝克阿特拉斯通过改进换能器的设 计，利用一个旋转的换能器，以脉冲回波的方式对整个井壁进行扫描，提供3 6 0 0 方位 的图像，增加扫描频率，研制成功井周超声成像测井仪c b i l ( c i r c u m f e r e n t i a lb o r e h o l e i m a g i n gl o g ) 。之后又在此基础上推出s t a r i i 声波电阻率组合测井仪，该系统井周超 声成像测井部分包括超声回波幅度成像( c b i l a m p ) 和超声回波时间成像( c b i l t t ) 。 哈里伯顿公司在1 9 9 0 年推出井周声波扫描测井仪c a s t ( c i r c u m f e ：r e n t i a la c o u s t i c s c a n n i n gt 0 0 1 ) 后，又于19 9 6 年推出新一代井周声波扫描测井仪c a s t - v 1 7 j 。该仪器可 在各种井眼环境下提供3 6 0 0 全井成像剖面，提供丰富的裸眼井和套管井信息。对于裸 眼井，c a s t - v 能提供完整的井眼成像图，可用于精确的地层评价；对于套管井，c a s t - v 可以同时获得超声波套管探伤及水泥评价资料。u b i ( u l t r a s o n i cb o r e h o l ei m a g e r ) 是斯 伦贝谢公司研制的超声波成像测井仪，它是由u s i 改进而来的，其使用高分辨率聚焦换 能器，工作频率为2 5 0 k h z 及5 0 0 k h z 。测井时根据泥浆密度和类型来决定工作频率：较 高的频率提供较好的成像分辨率，然而在强耗散的泥浆中较低的频率可实现更稳定的测 量。 我国对井下超声电视的研究始于2 0 世纪7 0 年代，大庆油田和华北油田先后于2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初推出了井下电视测井仪器，但没有方位指示功能，数据回放 处理、解释周期太长。胜利油田在后来还推出了井下超声成像系统s l s i - 2 ，该系统采 用了一系列措施，改善了成像的质量和分辨率。中国石油测井有限公司在2 1 世纪初推 出了多功能超声成像测井仪( m u s t ) ，采用了聚焦换能器，具有方位指示功能，分辨 率和图像质量有了很大的提高，也开始投入商业服务。 目前，国际上常用的超声波成像测井井下仪器有：斯仑贝谢的超声波成像测井仪 u b i ，哈利伯顿公司的声波成像测井仪c a s t - v ，阿特拉斯公司的超声波井周成像测井 仪c b i l 。国内具有代表性的超声成像测井仪包括中国石油测井有限公司的超声成像测 井仪和大庆测井公司的井下电视测井仪【8 】。油田现使用的超声波成像测井仪大部分为 c b i l 和u b i ：在长庆c b i l 主要用于套管检测，由于套管腐蚀、损坏，严重危害了油 田的稳产和增产，为了解各油区套管损坏的类型、原因及程度，利用c b i l 对典型油井 进行套管检测，测井成功率1 0 0 ，对油井采取措施后有效率1 0 0 ，增加了产油量， 同时提高了经济效益。另外在江苏油田、吐哈油田、华北等油田中也已经广泛应用。 2 第一章绪论 1 3 井周超声成像测井面临的难题和发展方向 1 3 1 面临的难题 在过去的2 0 年中，井周超声成像测井在测井理论、仪器设备、解释方法等方面都 有了相当突出的进展。随着研究的深入，井周超声成像测井的局限性也更加地凸现出来， 其依然面临着严峻的挑战 9 1 。 ( 1 ) 工作频率：换能器的形状、频率以及目的层的距离，都决定了声束的光斑大 小。换能器尺寸越小，频率越高则光斑越小，但是尺寸越小功率就越小；另一方面频率 越高声衰减就越大，泥浆引起的声衰减会降低信号分辨率，故这又要求工作频率尽可能 低，然而降低频率会对测量结果的空间分辨率产生不利影响。 ( 2 ) 井液状态：超声波在泥浆中的衰减是由泥浆的固有吸收和固相颗粒( 或气泡) 散射两部分组成。通常井下仪在泥浆密度较大、钻井液中含有气泡的情况下，超声波衰 减和散射特别明显，往往不能接收回波或只能接收到非常微弱的回波，导致测井资料质 量不合格。 ( 3 ) 测量距离：测量的井径越大，凹波幅度越弱，图像越暗，4 i 利j ：成像矧形分 析。这在井壁严重垮塌及套管严重破损处尤为明显。 ( 4 ) 井壁的表面结构：不同类型井壁具有不同的表面结构，钻井过程造成的非自 然表面结构及套管的腐蚀、破损、变形造成的井壁不规则都会影响成像质量。 ( 5 ) 井壁的倾角：当仪器居中不好或井眼不规则时图像中会呈现出遮掩显著特征 的垂直条纹；当井下仪器相对于井轴偏移或井眼椭圆度很大时，被井壁反射的波束偏离 换能器中心，接收到的回波很弱，影响测井的成像质量。 1 3 2 发展方向 今后，井周超声成像测井仪的研制和开发趋势应具有以下几个特点【l o l ： ( 1 ) 测井资料处理解释技术向解决实际问题的个性化方向发展；测井软件技术则 向大型综合化、系统化，理论化方向发展。结合其它测井资料( 如核磁共振成像测井、 阵列感应成像测井等) 和生产动态资料，开展超声成像测井和其它成像测井的综合解释， 进一步提高解释准确率。 ( 2 ) 测井仪器的地面系统将朝着便携化、综合化，网络化方向发展。它不仅拥有 多种作业功能来满足全系列测井服务的要求，同时还能通过互联网，实现测井数据采集、 处理、分析以及解释的远程控制和共享，实现油藏解决方案的实时化和动态化。 ( 3 ) 井下仪器则朝着集成化、高分辨率、深探测、高可靠、高时效、低成本的方 向发展。 ( 4 ) 我国超声成像测井技术必须密切结合生产需要，立足创新，把握国际成像测 井先进技术发展动态，加强与超声检测科研专家间的合作，共同推动超声成像测井技术 西安石油大学硕士学位论文 的创新和发展。 1 4 论文主要内容及结构安排 本论文在掌握了超声波物理特性的基础上，对超声成像测井的整体概况做了深入的 研究，包括井周超声成像测井的工作原理、测量结果分析、井下仪器部分电路的功能实 现及研制、井上通信接口电路及软件的设计等。具体的研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 超声回波幅度自动增益控制。在实际测井环境下，超声回波会受到很多因素 的干扰，势必会导致回波脉冲幅值的不稳定，为了将回波幅值控制在a d 转换的输入 范围内，研制了回波幅度自动增益控制电路。 ( 2 ) 回波幅值数据缓存电路。由于超声回波频率高、尖峰脉宽很窄。需对其进行 高速的a d 采样，才能获得准确的回波幅值信息，这就导致数据总线上出现大量的数 据流。在这种情况下，井下主c p u 无法直接读取数据。高速a d 芯片与主c p u 之间采 用数据缓冲的方法，可解决这一问题，于是研制了数据缓存电路。 ( 3 ) f p g a 控制电路及软件设计。f p g a 主要功能是完成回波幅值分析，进行a g c 控制。使用f p g a 是出于它强大的时序控制能力，能正确处理采样触发信号、a d 时钟 信号、a g c 控制信号等，且它的灵活性为以后的调试、扩展提供了便利。f p g a 也可 以对超声回波信号进行预处理，在一定程度上减小了后端主c p u 对数据处理的工作量， 使得主c p u 可以更专注于系统控制及通讯。 ( 4 ) 数据传输获取系统的研究。井下采集的数据在主c p u 的控制下上传至地面， 为实现高速的数据传输，井下数据采用统一的数据格式传输。本论文确定了地面仪器与 计算机的接口电路设计方案，采用高速u s b 通用串行总线实现地面仪器与计算机的通 信，同时基于接口电路的硬件实现，设计该部分所需的软件。 本论文的结构安排如下： 第一章简单介绍了井周超声成像测井的背景、意义以及该项技术目前在国内外的 研究现状。从目前面临的一系列问题出发提出了未来超声成像测井发展的方向。最后是 论文的主要工作内容及安排。 第二章介绍了井周超声成像测井的方法及原理，探究了超声成像测井理论的物理 基础；对井周超声成像测井仪的工作过程做了简要介绍，讲述了回波时间、回波幅度这 两个测量值的重要意义；最后简单介绍了影响井周超声成像质量的因素。 第三章重点介绍了井周超声成像测井仪井下部分电路研制情况。前半部分详细分 析了自动增益控制电路、数据缓存电路、f p g a 外围电路、a d 转换电路等；然后介绍 了f p g a 固件编程，使用v h d l 语言完成f p g a 的模块化设计；最后简要介绍了本文 在电路设计中采用的抗干扰措施。 第四章井下数据传输、获取的概况以及井上地面系统的组成、接口电路的设计方 案；最后讲述了u s b 控制芯片固件编程的相关知识点，给出了固件程序的设计思路。 4 第一章绪论 第六章电路调试部分，叙述了电路基本调试方法和作者在调试过程中遇到的棘手 问题。 第七章总结与展望。提出了本论文设计中可以进一步改进的地方，对未来开发应 用的展望以及下一步研究计划。 5 西安石油大学硕士学位论文 第二章井周超声成像测井方法及原理 超声成像测井由声系、信号采集、信号传输、地面处理与显示，四部分组成。声系 部分由一个旋转超声探头( 或换能器) 构成，该探头兼做发射探头和接收探头1 1 】。旋转 式超声换能器对井周进行螺旋式扫描，换能器以自发自收工作方式获得井壁反射声波信 号。反射波的幅度和传播时间由地层岩石声阻抗、泥浆特性及井径决定，将测量的反射 波幅度和传播时间按井眼内3 6 0 0 方位图像显示，可以分析井壁岩性和表面特征( 包括 裂缝、孔洞和冲蚀带) ，也可以用来观察套管内壁的变化。 2 1 超声波技术理论 2 1 1 超声波的定义 人们所感觉到的声音是机械波传到入耳引起的耳膜振动反应，能引起听觉的机械波 其频率范围为2 0 h z - 2 0 k h z 。超声波是频率大于2 0 k h z 的机械波【1 2 1 。在井周超声成像测 井仪中，用电脉冲激励超声探头的压电晶片，使其产牛机械振动，这种振动在与其接触 的介质中传播，形成超声波。 超声波是一种弹性振动波，与电磁波、光波等不同，只要是具有弹性的材料，它都 可以传播进去。超声波具有良好的方向性，其频率很高、波长很短达毫米级。超声波像 光波一样可以定向发射，超声波能量高，能集中在一定区域内定向辐射，并且超声波穿 透能力强，在界面上具有反射特性，因此可以用于成像测井。 2 1 2 超声波声场的基本物理量 充满超声波的空间或超声振动所波及的部分介质，叫超声场，它表征超声波在介质 中的区域分布。超声场具有一定的空间大小和形状，描述超声场的物理量( 即特征值) 主要有声压、声强、声阻抗【1 3 j 。 ( 1 ) 声压 声压的定义为：在声波传播的介质中，某一点在某一时刻所具有的压强与没有声波 存在的静压强之差。声压单位是帕斯卡( p a ) ，用p 表示。超声场中，每一点的声压是 一个随时间和距离变化的量，对于无衰减的平面余弦波来说，p 可用下式表示： p = - , o c a c o s i n c o ( t 一二) = p c u ( 2 1 ) c 式中：p 为介质的密度，c 为介质的声速，彳为质点位移振幅，国角频率，u 指点 振动速度，, o c a t o 是声压的振幅。超声成像测井仪通常测得的脉冲高度与声压成正比， 信号幅度比等于声压比。 ( 2 ) 声强 6 第二章井周超声成像测井方法及原理 声强的定义为：在垂直于声波传播方向的平面上，单位面积上单位时间内所通过的 声能量。因此，声强也称为声的能流密度。对于谐振波，常将一周期中能流密度的平均 值作为声强，单位为瓦厘米2 ( w c m 2 ) 或焦耳厘米2 秒( j c m 2 s ) ，常用符号j 表示，p 为声压幅度。 口2 = 一 ( 2 2 ) 一 。 z p c 声强与声源的振幅有关，振幅越大，声强也越大。 ( 3 ) 声阻抗 声阻抗用字母z 表示，其单位为克厘米2 秒( g c m 2 j ) 或千克米2 秒 ( k g m 2 j ) 。由p = p c u 可知，在同一声压p 的情况下，伊越大，质点振动速度u 越 小；反之，肛越小，质点振动速度u 越大，故肛为声阻抗，它可理解为介质对质点振 动的阻碍作用。 声阻抗能直接表示介质的声学性质，在研究声波通过界面的行为时，声阻抗决定着 超声波在通过不同介质界而时的能量分配，即超声波在两种介质组成的界而上的反射和 透射情况与两种介质的声阻抗密切相关。同等能量的超声波在不同声阻抗介质中的声压 也是不同的，声阻抗越大，相应介质中的声压也越大。超声换能器的压电晶片正是将机 械能形式的声压转化为电能形式的电压幅值。 不同介质的声阻抗与温度有关，其随温度的升高为降低。因为声阻抗z = p c ，而大 多数贪质的密度p 和声速c 随温度增加而减小。 ( 4 ) 幅度的分贝表示 人们将声强的比值取对数来进行比较计算并表示其相互关系。通常规定引起听觉的 最弱声强厶= 1 0 1 6 w c m 2 作为声强的标准，另一声强厶与标准声强i 。之比的常用对数 为声强级，单位为贝尔( b e l ) 。 ， a = l g l ( b e l ) ( 2 3 ) 一j l 在实际应用中，取1 1 0 贝尔即分贝( d b ) 作为单位。 ：1 0 1 9 _ 1 2 ：2 0 1 9 丝( d b ) ( 2 4 ) 2 1 3 超声波的物理特性 超声波的物理特性是超声波参数计算、超声系统设计及应用的理论依据，也是井周 超声成像测井理论的基础。 ( 1 ) 波动特性 声波在介质中传播时，两个相邻的同相位点之间的距离，如相邻两点稠密部之间的 7 西安石油大学硕士学位论文 距离，称为声波的波长，以五表示。波向前移动一个波长的距离所需的时间称为声波的 周期，以丁表示。介质中任何一给定点在单位时间内通过的波数，称为声波的频率，以 厂表示。名、厂与声波传播速度c 的关系如式( 2 5 ) 所示。 c = 允f ( 2 5 ) 声速c 与介质的体弹性系数和密度有关。由于介质的弹性系数与温度有关，因此声速也 与温度有关【1 3 】。 ( 2 ) 束射特性 超声波具有方向性和射线性，在相同情况下，频率越高，其方向性越尖锐。在离声 场较近的一段，声速几乎平行，波束形状呈圆柱形，称为近场区。近场区域内声场的分 布较复杂，一般遵循如下规律： 脉； b ( 2 - 6 ) 式中：三为近场区的长度，为探头半径，旯为该介质中传播的超声波长。 在远离声源区域，波束向四周稍有扩散，呈发散状，其每侧的扩散卢束与平行声束 之间都形成口角( 成为半扩散角口) ，称为远场区。随着0 的增大，能量更加分散，方向 性更弱。 s i n o ：0 6 6 兰( 2 7 ) 减小探头半径可缩短近场长度，增大了发散角，即加宽了波束。增加频率即减小波 长时，加长了近场区，减少了发散角，可获得较窄的波束。声强度沿中心轴距离的分布， 近场区声强度有剧烈的起伏变化，存在着许多声强度为极小值的节点，这些节点可引起 不期望存在的盲点。在远场区声强变化趋于平稳，但随着距离的增加，声强逐渐减弱。 声源发出的超声，在一定方向上形成的波束如图2 1 所示。 1 r 探头量 j l 扩散角 图2 - 1 超声波波束示意图 ( 3 ) 超声波的反射、折射与透射 当一束平面超声波入射到两种介质交界面上时，或者声阻抗的不连续处时，会产生 反射和折射现象，超声波的反射和折射遵循几何光学的规律。如图2 2 ，图中入射角口等 8 第二章井周超声成像测井方法及原理 于反射角，一般不等于折射角厂。两种交界面介质的声阻抗差别越大，反射越强，折 射越弱，透过第二种介质的声能就越小。 当超声波垂直入射到两种介质的界面时，如图2 3 所示，一部分能量透过界面进入 第二种介质成为透射波，波的传播方向不变；另一部分能量则被界面反射回来，沿着与 入射波相反的方向传播成为反射波。超声波的这一性质是超声成像测井的物理基础。 界面 l 小 。 z 1 = p l c l l _ rz 2 = 岛c 2 j f q ， 图2 2 超声波的反射与折射图2 3 超声波的反射与透射 通常将反射波声压与入射波声压的比值成为声压反射率，将透射波声压和入射波声 压的比值成为声压透射率，其数学表达式为： ，：旦：盟( 2 - 8 ) p oz 2 七z l ，：旦：二l( 2 9 ) p o z 2 + z 1 式中：p ，为反射波声压，p ，为透射波声压，p 。为入射波声压，乙为第二种介质的 声阻抗，z 为第一种介质的声阻抗。 ( 4 ) 超声波的衰减 超声在介质中传播，其能量将随着距离的增加而减小，这种现象称为超声波的衰减。 噪声衰减的因素主要有两类。一类是声束扩散，使单位面积上的能量下降，或反射、散 射的原因，使能量不能再沿着原来的方向传播。在这一类事件中，声波的总能量并没有 减少。另一类是在超声传播中，由于介质的吸收，将声能转换成为热能，因而使声能减 小。后一类的机理比较复杂，主要有粘滞吸收、弛豫吸收，相对运动吸收及空化气泡吸 收1 4 1 。 对于给定频率的超声波，其强度和压强幅度都随着距离的增大而按指数规律下降， 可表示为： i ( x ) = i o e 。口工 ( 2 1 0 ) p ( x ) = e o e 叫善 ( 2 - 1 1 ) 式中：厶、p o 为入射到介质中的起始强度和压强幅度。口为衰减系数。对于大多 9 西安石油大学硕士学位论文 数固体来说，通常所说的超声波的衰减，是由口表征的衰减，仅包括散射衰减和吸收衰 减，而不包括扩散衰减。介质中超声波的衰减与超声波的频率关系密切，通常情况下， 衰减随频率的增高而增大。在超声成像测井仪器的不断改进中，换能器的频率也不断降 低，已降为几百千赫。 2 2 井周超声成像测井 2 2 1 测井原理 井周超声成像测井仪的工作原理是以脉冲回波法为基础的，见图2 - 4 。垂直于井壁 的超声换能器按照固定的频率对井壁断续发射超声脉冲，脉冲超声波在介质内传播时， 如遇到声阻抗发生变化的各种异常体，则在分界面处将产生反射，反射波被接收探头所 记录，通过反射波检测井壁岩性和构造变化【1 5 1 。 从回波中可以提取回波幅度和回波时间两种重要的信息。回波幅度的大小反映井壁 介质的性质和井壁的结构。井壁介质的密度越大，反射的能量越大，回波幅度就越大； 反之同波幅度就小。井壁结构是指井蹙是否存在裂缝、孑l 洞等。当井壁不规则，例如存 在裂缝时，由于裂缝和孔洞对声波的散射，返回到换能器的声能就比没有裂缝的井壁要 小，因此回波幅度就小。回波时间指的是从换能器发射超声波开始到换能器接收到回波 信号为止的时间间隔。从回波时间信息中可以获得有关井径和裂缝的资料，根据这些资 料来解决套管变形评价等问题。 幅 度 j 时0 ll 1 往童佶薹高反射玉 管肘t 冲 图2 - 4 脉冲回波法测井原理图 2 2 2 井周超声成像测井仪c b i l 工作原理 c b i l 是种全智能化、动密封、聚焦式超声成像测井仪，由下井仪器电机带动一 个旋转式半球聚焦换能器，绕井轴旋转的同时向井壁发射5 0 0 k h z - 15 0 0 k h z 超声波脉冲， 脉冲沿井眼钻井液传播，被井壁反射后返回换能器，再利用回波的信息进行成像从而获 取井壁的有关信息，其工作原理如图2 5 所示。岩石声阻抗的变化会引起回波幅度的变 化，得到超声波回波幅度成像( c b i l a m p ) ，井壁几何形状的变化则引起回波传播时 间的变化，得到超声波回波时间成像( c b i l t t ) 。将测量的反射波幅度和传播时间的 数组资料按井眼内3 6 0 0 方位显示成图像，就可获得整个井壁的高分辨率图像，由此可 以观察井下岩性及井壁几何形状的变化( 如裂缝、孔洞等) 。 1 0 第二章井周超声成像测井方法及原理 劳生 图2 5c b i l 工作原理图 具体来讲，超声探头由同步电机带动，每秒旋转5 圈，每转一圈向井壁发射5 1 2 个 超声探测脉冲。接收机接收各次发射脉冲的回波，测量出回波幅度与传播时间，数字化 调制后通过w t s 电缆遥测系统经电缆传至地面。探头以顺时针方向旋转，每转一圈在 图像显示器上形成一行图像，通过与探头同步旋转的一个线圈切割地磁所产生的信号构 成一行图像的起点，称之为行同步脉冲，行同步方式可以在地磁和电源方式自由切换。 行同步脉冲的起始位置调整在探头对准北极的时刻，因此探头扫描井壁所形成的图像总 是从北极开始，而后是东、南、西、再回到北极。每发射一个脉冲所收到的回波幅度与 回波时问称为一点。当井中泥浆不同或井径变化时，通过调整可变增益放大器的增益、 选用不同的工作频率或不同的发射电压，以达到最佳的测井效果。超声成像测井以f h j 线 的形式显示出几种参数：自然伽马曲线，用于深度的校正；最大、最小及平均井径，反 映套管的最大及最小内径，可以估算剩余壁厚【1 6 1 。 超声扫描在井中的运动轨迹呈螺旋状，上行或下行依赖于测井方向。因此，螺旋间 距依赖于测井速度。测井速度越快，间距就越宽( 图2 6 ) 。采样原理决定了最佳的测井 速度：理想情况下，为避免假频现象、采样不足引起的人为倾向，井壁上两个相邻的采 样区( 采样点的大小) 应能重叠5 0 。因此，若发射器以每秒8 圈旋转，采样点的大小 为9 m m ，测量应以8 x 9 2 m m s 的速度前进，相应的测井速度为1 3 0 m h ，这些限制条件 决定了井周超声波成像的一些特征。 ( a ) ( b ) 图2 - 6 超声扫描的螺旋形路径 ( a ) 高速 ( b ) 低速 首先，测井速度需要较低，远低于电成像的测井速度，电成像通常以6 0 0 m h 进行。 其次，上述例子的采样点大小实际导致了2 c m 的分辨率，这比微电电阻成像分辨率低4 西安石油大学硕士学位论文 倍。为改善分辨率，必须加密超声波束扫描的螺旋轨迹，这会进一步降低测井速度。第 二，为保持同样的方位和纵向分辨率，每圈的采样点数目应等于井眼周长除以采样点大 小的一半。在2 1 6 c m ( 8 5 i n ) 的井眼中，大约需1 5 0 个采样点。因此，每秒钟要做1 2 0 0 个测量，每个测量需0 8 3 m s 。一般纵波在钻井液中的速度为1 5 0 0 m h ，换能器距井壁 7 5 c m ，发射的超声波抵达井壁并返回换能器需0 1 m s 。这就留下了足够的井下处理和 准备下一个采样的时间( 死时间) 。因此，低测速主要是由纵向采样限制的。从理论上 讲，换能器转速越高越能提高测速，但机械上的考虑和方位定向精确度又限制了换能器 转速。 2 2 3 井周超声成像测井基本测量值 超声波测井以成像的方式显示出两个基本测量值，一是回波幅度，主要测量发射的 超声波经过套管壁反射后得到的反射波幅度，是反射率或粗糙度的指示。回波幅度与岩 石声阻抗成正比，不同声阻抗的物质、表面的粗糙程度不同，对声波的反射程度也就不 同。二是回波时间，主要测蹙发射的脉冲从发射器发射至井壁反射后返回所需的时间， 主要反映套管内径及井眼形态。 ( 1 ) 回波幅度 所有的超声波成像方法都依赖于流固体界面的反射波能量。声压反射率可表征反射 波能量强弱，声压反射率越大说明超声波入射两介质声阻抗的差异越大，反射波能量越 强。表2 1 列出了超声成像常见的物质声阻抗值。对许多种岩石和普通钻井液来说，声 压反射率值大于0 5 ，意味着反射能量高于透射能量，然而，在不利条件组合在一起的 时候，如较重钻井液并且用在相对未压实的泥岩时，声压反射率可低达o 2 。需重点考 虑的另一个因素是从一种岩性到另一种岩性时，声压反射率常有变化，通过这一点提出 了声压反射率对岩性变化灵敏度的概念。仔细检查表2 1 发现，对大多数常规岩性系列， 声压反射率变化相对较小，通常在1 0 - 2 0 的级别，而在同一口井中电成像的幅度 变化常常达1 个数量级。 表2 - 1 一些物质的声波性质 物质 密度( k g c m 3 ) 声波速度( m s 2 ) 声阻抗( m r a y l ) 空气( 1 0 5 1 0 7 p a )1 3 1 3 0 3 3 0 0 0 0 0 4 0 0 4 水1 0 0 01 5 0 01 5 钻井液 1o o o 2 0 0 01 3 0 0 1 8 0 01 5 3 o 泥岩 l9 0 0 2 4 5 02 3 0 0 3 4 0 04 5 8 3 砂岩( 2 0 ) 2 3 2 03 9 0 09 0 石灰岩( 2 0 )2 3 7 04 2 0 01 0 o 白云岩( 2 0 ) 2 5 2 04 9 5 01 2 5 硬石膏2 9 6 06 1 0 01 8 1 2 第二章井周超声成像测井方法及原理 超声成像必须处理由不规则井眼引起的假象：典型的井眼并不很圆，井的水平方位 及纵轴向都不规则；且由于井眼倾斜，仪器在井中是偏心的。这两种情况会造成超声波 束斜入射到井壁，至少每次扫描的一部分是如此。最后，由钻头引起的小规模不规则也 会导致入射超声波束的散射。所有这些都会影响反射的信号，减少或掩盖了岩性信息。 如图2 7 所示：图( a ) 表示不规则井眼产生的非正交反射，图( b ) 反映软地层产生难 以检测到的弱反射信号，图( c ) 表明当井眼钻井液衰减很强时也导致弱信号。 崩豢甏捌鸸较缝蜃够 图2 7 影响超声成像质量的因素 ( a ) 井眼不规则( b ) 软地层( c ) 衰减性钻井液 实际上冲刷和井眼不规则常常依赖于岩性，超声图像能得到层理的间接信息。例如： 若泥岩受到冲蚀，超声图像的信号损失可指示它们的位置。相似地，井眼裂缝会在井眼 表面湿示削蚀、轻度的扩宽，再加l 二充满液体的裂缝与周围- 彳l j i 石卢阻抗的极大差异性， 这种局部破坏使超声井眼图像能探测到裂缝。裂缝在超声井眼图像容易识别的另一个原 因是裂缝表面上波的转换，部分入射纵波在裂缝表面转换为横波，进一步减小了反射波 信号