油田进入中后期开发阶段，通常采用注水的方法来稳定油气产量，但由于注水压力与破裂压力的不平衡容易导致套管破损；地层应力的各向异性及井内外液体的化学腐蚀等作用^[1] 也是影响套管变形、腐蚀的因素之一，因此，套损检测在油气的稳产增产中起着重要作用^[2]。利用超声波可以很好地探测套管壁厚信息，且有很高的方位分辨率^[3]。国外油田服务公司早已推出基于超声脉冲反射测量法的测井仪器。Schlumberger 公司推出的USI 超声成像测井仪^[4] 采用宽频带的超声换能器可评价套管厚度及一界面的水泥胶结质量评价；Halliburton 公司推出的CAST-V 仪器^[5]，采用不同频率的超声换能器对不同型号的套管均可进行套损评价；Schlumberger公司最新一代的Isolation Scanner 仪器[6 8]，不但可以进行套损检测，还可以对一、二界面的水泥胶结质量作定量评价。

近几年，国内科研单位在超声波反射测井的测量理论^[9-11]、数值模拟方法^[12-14]、实验室测量^[15-16]、信号处理^[17-20] 等方面展开工作，但有关超声波反射测井仪器开发及应用评价方面的研究鲜有报道。中国石油推出的多参数超声工程测井仪^[21-22] 可评价套损及水泥胶结质量，但未见该仪器更多现场实际应用的报道。中海油田服务股份有限公司自主研制的MUIL（Multi-functional UltrasonicImaging Logging Tool）多功能超声成像测井仪^[23-25] 不仅可以对裸眼井进行扫描成像^[26]，还可以对套管厚度及水泥胶结情况作定量评价，现场实测资料初步证实该仪器的换能器特性、电子线路耐温性及可靠性，波形处理方法，均达到了国外同类仪器的水平。

1 超声脉冲反射法测量原理

图 1 为超声脉冲反射法的测量原理示意图。超声脉冲反射法测量时，发射换能器为自发自收探头，首先，发射探头激励一个超声波脉冲信号，声波脉冲信号在流体中传播后入射到套管内壁，其中大部分声波能量反射回来被换能器接收。右图中的首波即为超声波在套管内壁的反射波形，利用反射波的幅度可以检测套管内表面的腐蚀情况，利用首波的到时可以计算套管的内径成像曲线。

超声波在套管内壁反射后的剩余声波能量进入套管，声波信号在套管与水泥环和套管与地层表面之间多次反射。在每个表面都会有一些能量被反射，一些能量透射出去，其大小由两种材料声阻抗的差异决定。由于套管的声阻抗和流体的声阻抗为常数，所以套管内的信号是以一定的速率衰减，信号的强弱依赖于套管外面材料的声阻抗。套管外面材料的声阻抗越大，套管内的共振波幅度越小；反之，套管外面材料的声阻抗越小，套管内的共振波幅度越大。利用右图中套管共振波幅度的强弱可以评价套管外面材料的声阻抗大小，进而对套管外水泥胶结质量进行评价。同时，利用套管共振波及声波在套管中的纵波传播速度可以评价套管厚度。

2 多功能超声测井仪器的实现 2.1 仪器组成

MUIL 仪器主要由电子短节及声系短节两部分组成，图 2 为仪器结构示意图。其中电子短节主要负责超声换能器的激励响应及井下数据的采集处理。声系短节包含两种超声换能器，一种为泥浆换能器，主要负责井眼中泥浆声速的测量；另一种为测量换能器，主要负责成像测量，它被安装在扫描旋转头上。通过更换不同尺寸的扫描头可以适应不同尺寸的井眼环境，通过更换不同频率的超声换能器，以满足不同套管厚度规格的测量需求。

2.2 仪器实现

MUIL 仪器利用高压驱动信号激励换能器产生超声波经井中流体射入套管内，并对换能器接收的回波信号进行采集。通过对回波信号处理获得到时、幅度、套厚等参数从而实现仪器的测量要求。

仪器电路系统原理如图 3 所示，电路短节包括中控及数据传输电路、发射控制电路、信号调理电路、采集处理电路及旋转控制电路等五大部分。其中，中控及数据传输电路通过SPI、SCI 等外设端口完成对其他电路的控制及参数设置，并完成和地面系统之间命令以及井下波形数据的双向交互。

发射控制电路负责对声系内的两种换能器进行激励，该部分由控制命令接收、发射控制、发射驱动等电路组成。命令接收部分从中控电路接收指令获取需激励换能器的频率，发射控制部分则根据该频率通过PWM 调压控制产生对应的激励控制脉冲信号。由于发射高压高达上百伏，而控制端只能输出低压控制脉冲，该部分还加入隔离电路使得控制端与高压端隔离以保证仪器的正常工作。发射驱动部分将低压的控制脉冲信号转换为大功率高压激励信号用以激励换能器。

信号调理电路负责对换能器接收的回波信号进行放大、滤波等模拟处理来适合采集处理电路需要，该部分由阻抗匹配、前置放大滤波、可控增益放大等部分组成。信号滤波电路采用窄带带通滤波器并通过中控电路串行命令选择不同的中心频率以匹配不同频率信号。可控增益放大部分设计为-2～45 dB 动态范围的放大电路系统以适应不同井眼状况或仪器居中不良而造成的信号不稳定情况。

采集处理电路负责对回波信号进行井下参数提取、全波信号采集，该部分包含幅度检测、到时检测、全波采集等电路。幅度检测通过一个峰值保持电路将信号电平钳位在最大值并进行检测；到时检测电路通过门槛比较器给出回波到时；全波采集电路采用一个16 bit 的模数转换器对回波信号进行采集，并对信号进行数字滤波等处理以提高信噪比。

旋转控制电路负责控制声系中的马达进行旋转并根据旋转角给出激励换能器的同步信号。由位置信号检测电路、旋转控制电路、驱动电路等部分组成。旋转控制电路采集到转角后，根据地面下发的转速产生换向逻辑经驱动电路控制马达进行转动。同时对转角信号进行抽样处理，每1.5°输出一个位置脉冲作为换能器激励同步信号。每周输出0 点脉冲作为转角校正信号，消除角度累积误差。

2.3 仪器性能指标

仪器测量模式主要有两种，一种是在裸眼井中对井壁进行高分辨率成像测量，即成像测量模式；另一种是在套管井中进行套损评价及水泥胶结质量评价测量，即全波测量模式。表 1 为仪器测量环境指标，表 2 为两种测量模式下的仪器测量指标。

3 现场测试效果分析

在实际裸眼井及套管井中对MUIL 仪器进行了现场测试。

图 4 为该仪器在某裸眼井中测量的成果图，测井时采用成像测量模式，分别绘制了反射波幅度及到时成像曲线。由图可见，该测量段包含了丰富的地质信息，其中2 350 m～2 356 m 深度段的地层，反射波的幅度曲线和到时曲线与其他测量井段有明显的差异，这反映了地层岩性的变化。整个测量段中幅度成像曲线中清晰可见若干条形状规则、平缓的正弦波曲线，这是层界面的典型标志。在该井2 361 m 深度处，幅度成像曲线中还可以观察到类似于圆形状的白色斑点，说明此处的回波幅度很弱，同时在到时曲线显示为黑色斑点，说明回波的到时比较晚，这种特征是孔洞的表征。

图 5 为该仪器在某套管井中的测量成果图，测井时采用全波测量模式。图中第2 道、第3 道分别为反射波幅度成像及到时成像曲线，第4 道为套管最大内径、最小内径及平均内径曲线，第5 道、第6道分别为套管内径成像及套管外径成像曲线，第7道为套管最大厚度、最小厚度及平均厚度曲线，第8 道为套管厚度成像曲线，第9 道为平均声阻抗曲线，第10 道为水泥声阻抗成像曲线。由反射波幅度曲线、到时成像曲线及套管内径成像曲线可见，该测量段套管内壁表面光滑，无腐蚀情况。在该套管井1 352～1 362m 深度段，套管内径成像曲线无变化，但套管厚度成像曲线及套管外径成像曲线指示该测量段有套损，且套厚最大值与最小值相差大约3 mm，说明此处套管外表面有一定的腐蚀，同时还有一些地方有结垢物，导致套管厚度变大。由水泥声阻抗成像曲线可知，该测量段水泥胶结质量一般，但在某些深度处的某些方位指示有固体存在，且指示了固体的方位。

4 结论

（1）根据超声脉冲反射法设计了一种多功能超声测井仪，该测井仪的换能器性能及制作工艺、电子线路的稳定性及测量功能均具达到国际同类仪器的测量水平。

（2）利用该测井仪成像测量模式中的幅度及走时成像曲线，可以评价裸眼井内壁地层的地质构造信息。

（3）该测井仪全波测量模式采用不同频率、不同尺寸探头组合的测量方式，可以满足油田生产中绝大多数型号套管腐蚀检测的需求。同时该仪器固井质量评价的周向分辨率最高可达到3.6 度，远高于常规固井质量评价仪器(CBL/VDL) 的测量结果。