在油气田勘探及开发过程中,固井质量检测是一项非常重要的工作。随着固井新工艺的发展,尤其是轻质水泥的大量应用,使得传统的基于声阻抗的测井方法已很难对固井质量作出准确的评价。因此,研究一种新的固井质量检测方法具有十分重要的意义。当前,基于弯曲波的固井质量检测方法已成为研究的热点,然而由于探测对象的复杂性和特殊性,仍有许多理论和工程问题尚待解决。本文在前人工作的基础上,就弯曲波在固井质量检测中的一些理论问题作了深入的研究,主要工作如下:1.本文建立了不同固井胶结质量条件下套管井的层状模型,根据其固液体交替的结构特点,提出了改进的传递矩阵法,并利用该方法推导了套管中Lamb波的传播特征方程;2.为了定量描述Lamb波在传播过程中因能量泄漏导致的幅值衰减,本文引入了复波数向量的概念,并结合Snell定理,研究了其在层状介质中所应满足的边界条件,从而将Lamb波传播特征方程拓展至复波数域。新的特征方程能够同时描述Lamb波传播过程中的频率、相速度和衰减率这三者之间的关系;3.由于Lamb波的传播特征方程是复数超越方程,且十分复杂。本文结合复数理论与模式波的传播特征,针对该特征方程提出了一套高效的数值计算方法;4.本文研究了弯曲波的激发条件,给出了声源频率和入射角与激发模式波的关系。提出了利用广义射线理论计算套管井等效单界面反射系数的方法。在此基础上结合CSP(complex source point)理论,建立了不同胶结质量条件下弯曲波激发、传播和接收的正演模型。通过正演模型的数值计算,得到了含弯曲波泄漏波在内的所有单界面波信号;5.本文在理论研究的基础上,设计了一套可靠的实验系统,开展了不同固井胶结质量条件下的实验研究,对理论研究结果予以验证。本文研究的主要结论如下:1.数值计算和实验研究都表明弯曲波传播时的衰减率与套管水泥的胶结质量有很强的相关性,即:当固井所用水泥为普通水泥或者轻质水泥时,其衰减率随着套管水泥间水层厚度的减小而增加;当固井所用水泥为快水泥时,其衰减率先随着套管与水泥间水层厚度的减小而逐渐增加,然后当到达某一峰值后转而减小。从而表明:基于弯曲波的衰减特性检测普通水泥和轻质水泥固井胶结质量在理论上是可行的,而检测快水泥的固井胶结质量则需要采用传统的声阻抗测井仪;2.数值计算和实验结果表明:为了获得弯曲波的最佳激发与接收效果,应选用中心频率为250kHz的超声波换能器作为弯曲波的激发声源。收发的声系应采用单发双收的激发接收模式。激发换能器的最佳倾斜入射角,会随着套管的厚度不同而略有变化,对于9mm厚度的套管而言,最佳倾斜入射角应为33度;两接收换能器应具有与发射换能器同样的谐振频率,间距约为10cm,与激发换能器按相同的倾角相对放置。泄漏波信号采集的采样频率应大于1MSPS,其数字化的量化精度应大于14位。本文的主要创新点在于:1.对传递矩阵方法进行了合理的改进,使之适用于固液体交替的套管井层状介质的结构描述,利用改进后的传递矩阵方法推导了Lamb波的传播特征方程,避免了伪模式现象。同时,在套管井层状介质的声场分析中引入复波数向量,更好地描述了Lamb波传播过程中因能量泄漏所导致的幅值衰减现象,为研究弯曲波在套管中的传播特征提供了有力的分析工具;2.针对Lamb波特征方程的求解研究了一套专用的数值计算方法。该方法充分利用Lamb波自身的传播特点,在数值计算中对最优根进行预测,并在预测区间结合复变函数理论对根的存在性予以明确地判断,确定根的有效区间,最后在有效区间搜索最优根,得到能够反映弯曲波传播特征的频散曲线和衰减曲线。该方法在降低根的误判率的同时提升了根的搜索速度,可高效而稳定地搜索Lamb波特征方程的数值最优解;3.利用广义射线理论推导了套管井的单界面等效反射系数公式,结合正演模型计算了套管井所有界面的单界面波信号,通过叠加获得接收点的全波列信号。在所计算的波列信号中可观察到弯曲波泄漏波的形成过程,可定位胶结界面所对应的单界面波以及分析单界面波的纵横波构成情况,为分析胶结界面处的物理状况以及后期的测井解释提供了有效的计算方法。综上,本文从理论和实验两方面对基于弯曲波的固井质量检测方法展开研究,其研究结果一方面为基于弯曲波的固井质量检测提供了理论依据,同时也为基于弯曲波的固井质量检测仪器的研制提供了技术指导,有重要的理论意义和工程价值。