聲波水泥膠結(jié)測井畢業(yè)論文

1緒論1.1目的意義聲波水泥膠結(jié)測井是目前固井質(zhì)量評價應(yīng)用最為廣泛的方法之一。但是，聲波測井缺乏聲波耦合與水泥封固質(zhì)量間的關(guān)系，所測得的固井“膠結(jié)良好”僅僅表示聲耦合良好，并不意味著層間封隔質(zhì)量良好，事實上聲波測井結(jié)果還與于水泥石的性質(zhì)密切相關(guān)。長期以來，人們通過地球物理方法已經(jīng)基本掌握了巖石的聲學(xué)特性，但是由于水泥石的性質(zhì)隨時間與溫度而改變以及水泥石的組分不同（由于水泥石的物理性質(zhì)隨時間變化，所以聲波測井結(jié)果也隨時間變化；套管外整個環(huán)形空間的水泥柱并不是都處于同樣的物理狀態(tài)。對于長封固段的管外水泥石，由于頂部和底部溫差很大，所以聲波測井的結(jié)果也會有很大差別），所以很難確切掌握水泥石的聲學(xué)特性，這種本質(zhì)性的差異對正確分析測井結(jié)果是非常關(guān)鍵的。套管與地層巖石聲阻抗已經(jīng)為人們所認(rèn)知，但對關(guān)于組分不同以及物理機械性能隨時間、溫度變化而改變的水泥石，由于影響因素復(fù)雜、認(rèn)知程度較低，故就合理解釋聲波測井結(jié)果而言，水泥石的聲學(xué)特性研究之所以重要，就在于水泥漿配方設(shè)計（物理性能、組分設(shè)計）將會直接影響水泥膠結(jié)測井結(jié)果。文獻(xiàn)[1]分析并闡述了常規(guī)水泥組分對硬化水泥的物理特性以及對水泥膠結(jié)測井主要輸出信號、首波振幅衰減率的影響程度，但針對目前油田大量使用的混合材水泥，國內(nèi)、外相關(guān)研究成果還很少。因此對混合材水泥石進(jìn)行聲學(xué)特征的相關(guān)研究，弄清楚混合材水泥石的聲學(xué)特性，將有助于客觀、真實、合理評價固井質(zhì)量。1.2聲波水泥膠結(jié)測井綜述（建議在本節(jié)中先談測井方法，再談它們的共同點，盡量與本文研究內(nèi)容相關(guān)）套管波測量井下聲波信號幅度的聲幅測井，目前主要用于檢查固井后水泥和套管的膠結(jié)情況，所以有時也稱為水泥膠結(jié)測井。由于聲幅測井一般都是在已下套管的井中進(jìn)行，聲波的傳播都經(jīng)過套管，因此必須對套管中聲波的傳播特性進(jìn)行探討。由于套管厚度遠(yuǎn)小于聲波波長，而套管外的介質(zhì)可能是水泥環(huán)、水或泥漿、氣體，情況較復(fù)雜。聲幅測井記錄沿套管傳播的彈性波。石油工程中所用的套管都由優(yōu)質(zhì)鋼材制成，其彈性力學(xué)性質(zhì)接近于均勻、各向同性的完全彈性介質(zhì)。其厚度為7.52～11.51毫米。楊氏彈性摸量約為E=206×109牛頓/米2，密度×103千克/米2，聲速（縱波）約為Cp=5400～5700米/秒。對20千赫的聲波信號，波長為27～28.5厘米，遠(yuǎn)大于套管的厚度。為討論問題方便，將套管展開成平板，并設(shè)套管的軸向為X方向，Y方向為原套管的圓周方向，Z方向為套管的厚度方向（如圖1）。圖1套管的平面展開由于套管展開后，在厚度（Z）方向上尺寸很小，更由于展開前套管與聲波發(fā)射探頭構(gòu)成同軸圓柱面，可以認(rèn)為由聲波發(fā)射探頭發(fā)射出的聲波在垂直于井軸（X軸）的套管截面上形成均勻的聲壓分布。由于套管是圓的，沿套管圓周方向傳播的聲波傳播路徑是周而復(fù)始的（即可認(rèn)為傳播路徑是無限的），套管展開成平面后，可以等效地認(rèn)為Y軸方向的尺寸是無限的。這樣展開的套管可視為薄板，若薄板上下表面為真空（或為空氣），即表面為自由表面時，其中彈性波的傳播為一種彎曲模式的板波。若這種板波的傳播可以簡化為XZ平面中的二維問題，則平板中各質(zhì)點的位移將與y無關(guān)，這種情況下，在和波傳播方向（X軸方向）垂直的平面上將有均勻的應(yīng)力分布，其運動方程為（H.Lamb,1916）(1)在X和Z方向的法向應(yīng)力，按廣義虎克定律可表示為(2)(3)由于平板上下表面均為真空，因此法向應(yīng)力為零。又由于此時,（2）、（3）兩式可變?yōu)椋?’）(3’)如此，可以得到（4）此即在無限延伸平板中的縱波—Lamb（蘭姆）波的波動方程。顯然，這種波是由于在厚度方向尺寸有限，而且上下兩表面無約束而誘發(fā)的，其速度記為CL（5）將拉梅系數(shù)和楊氏彈性模量E、泊松比的關(guān)系式，代入（5），有對于均勻無限介質(zhì)中的縱波速度規(guī)定，則有（6）由（6）式算出介質(zhì)泊松比和蘭姆波與縱波速度比m的數(shù)值（如表1）表1泊松比和速度比的關(guān)系0m14.380由表1的數(shù)據(jù)可知，平板介質(zhì)的泊松比數(shù)值改變時，其蘭姆波速度亦將變化，且介質(zhì)的泊松比越大蘭姆波速度越小。流體的泊松比=0.5，蘭姆波速度為0，即蘭姆波在流體中并不存在。對于套管，=0.257、m=0.938，故，說明鋼質(zhì)套管中蘭姆波速度約比縱波速度低6.2%。在套管中傳播的蘭姆波統(tǒng)稱為套管波，套管波是蘭姆波的一種特殊例子：波的傳播方向就是圓管形套管的軸線方向（X方向），套管厚度遠(yuǎn)小于聲波波長。其速度是相當(dāng)接近于鋼管中縱波速度的某一數(shù)值。接收套管波的聲幅測井儀器的聲系采用單發(fā)單收聲系（源距L=1米或）。從接收到的首波來說，首波傳播的路徑服從費爾馬時間最小原理：沿套管壁上各點以和管壁法線方向成略大于第一臨界角方向折回井內(nèi)泥漿的聲波最先到達(dá)接收探頭。由于聲幅測井是在套管井中進(jìn)行，套管的聲速、內(nèi)徑都是固定的，因而從發(fā)射探頭到接收探頭，套管波傳播的時間也是固定的，因而采用單發(fā)單收聲系。1.2.2影響套管波幅度的各種因素聲波從泥漿入射進(jìn)套管時，在套管壁上以套管波的形式傳播。通常把在有一定尺寸和邊界條件的介質(zhì)中傳播的波叫制導(dǎo)波，套管波也可以看成是一種制導(dǎo)波。1）套管外為不同介質(zhì)時套管波的數(shù)學(xué)表述當(dāng)井內(nèi)的水或泥漿可當(dāng)作理想流體（不可壓縮，其內(nèi)部任意截面上只存在法向應(yīng)力）時，井下同一深度（X）的各點在各個方向的壓強都相等，規(guī)定在井下發(fā)射探頭所在深度的x坐標(biāo)為零，則在井下任意深度x處，套管內(nèi)的水或泥漿向套管側(cè)壁上的法向應(yīng)力為（7）式中p0—從發(fā)射探頭到井口這段距離上水或泥漿柱的靜壓強；—井內(nèi)水或泥漿的密度；g—重力加速度。假設(shè)套管外介質(zhì)為流體，如氣、水（或泥漿）、未凝固的水泥時，則在深度為x處，套管外介質(zhì)對套管側(cè)壁的法向應(yīng)力為（8）由（7）以及（8）兩式，在井下深度為x處，作用在套管壁上的法向約束力，即沿套管厚度方向上（Z軸方向）使套管振動受到約束的法向應(yīng)力為（9）此時將套管看成是完全彈性體,在其內(nèi)外壁上法向(側(cè)壁)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的是彈性位移,而非剛體的運動位移。而且不論是套管內(nèi)壁或外壁上的法向應(yīng)力,其作用都是限制套管在厚度方向的彈性振動,因此這里將阻止或限制套管壁在厚度方向上發(fā)生彈性振動的法向應(yīng)力稱為法向約束力。和作用在套管壁上的總法向應(yīng)力（）不同，在計算總的法向應(yīng)力時，作用在套管壁上的法向應(yīng)力的方向是相反的。此時，當(dāng)有套管波沿軸向（x方向）傳播時，套管上所受的應(yīng)力為（10）（11）由（10）、（11）可以得到代入運動方程（1），得到（11’）由（5）以及拉梅系數(shù)和楊氏彈性模量E、泊松比的關(guān)系式得到故（11）可以寫成（11’’）式中A=，為阻尼因子。當(dāng)套管外為氣體時，若承認(rèn)氣體密度和水或泥漿密度相比可以忽略時，有（12）稱A1為套管外為氣體時，套管波方程的阻尼因子。同理，當(dāng)套管外為和套管內(nèi)一樣的水或泥漿時，阻尼因子記為A2，套管外為凝固水泥時，阻尼因子記為A3，但其表達(dá)式需另外規(guī)定。因為在套管外為凝固水泥時，計算套管外壁法向應(yīng)力的方法較為復(fù)雜并難以給出。這是由于套管外為凝固水泥時，水泥上方的液柱（水或泥漿）高度可能不同，而且套管外水泥凝固的情況也各異。但A3應(yīng)大于A1、A2。套管外為水泥時套管波將受到最大的阻尼；套管外為水或泥漿時阻尼較小，而管外為氣時阻尼最小。2）影響套管波幅度的各種因素套管對套管波幅度的影響套管波沿套管傳播時，其幅度要下降。這種幅度下降既包括套管本身對聲波能量的吸收，也包括由于套管直徑及厚度不同時套管波能量分配不同，以致接收探頭接收到的套管波首波幅度不同。對厚度相同但直徑不同的套管，不論套管外是水還是凝固的水泥，其聲幅都隨套管直徑的增大而減小。水泥環(huán)對套管波幅度的影響由于水泥環(huán)的聲阻抗更接近鋼質(zhì)套管的聲阻抗值，因而水泥環(huán)的密度越大對套管波的阻尼越大。(13)由于套管外水泥環(huán)的密度增大，波動方程(11’)中的阻尼因子增大。這將使套管波幅度（聲幅）變小。在水泥環(huán)的密度一定（=/厘米3）的條件下，水泥環(huán)越厚套管波幅度越小。對直徑為14厘米的套管，當(dāng)水泥環(huán)厚度大于2厘米時套管波幅度將明顯減小。厚度一定（如大于2厘米）的水泥環(huán)可能并不沿套管圓周的360o范圍內(nèi)分布，而僅在小于360o的某一范圍內(nèi)分布。水泥環(huán)在套管外分布的圓心角稱為水泥環(huán)的膠結(jié)程度，水泥環(huán)沿套管外整個圓周分布時膠結(jié)程度為100%，套管外完全無水泥膠結(jié)時膠結(jié)程度為0%。隨膠結(jié)程度增加，聲幅明顯減小。當(dāng)套管外水泥膠結(jié)程度為90%時，記錄到的聲幅值僅為套管外無水泥膠結(jié)時（膠結(jié)程度為0%）幅度的。當(dāng)套管外水泥環(huán)和套管不同軸（在垂直于套管軸線的截面上看是不同心）時，亦即套管外水泥環(huán)在各個方位厚薄不均勻時，套管波幅度亦變大。和套管外水泥環(huán)均勻分布（套管和水泥環(huán)同心）的情況相比，當(dāng)套管外水泥環(huán)分布最不均勻時（套管和水泥環(huán)相切），套管波的幅度可增大2.6倍。固井后測量時間對套管波幅度的影響固井后，水泥由流體凝固成堅硬的固體要經(jīng)過一定的時間，因而套管波幅度也隨固井后進(jìn)行聲幅測井的時間不同而發(fā)生變化。國內(nèi)目前用的500號固井水泥，在固井后18到22h即可凝結(jié)（但未達(dá)到最大強度），相應(yīng)地套管波幅度要在24h后才趨于穩(wěn)定此外，套管波幅度還和固井井段地層的巖性有關(guān)。對于滲透性的砂巖層段（特別是水層），水泥凝固較快，聲幅測量值在約20h后就趨于穩(wěn)定，而且幅度較低。對非滲透性層段，水泥凝固慢，約在固井前70h聲幅測量值才趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后聲幅值亦較高（說明在非滲透性層段，凝固后水泥的密度及強度都不大）。除上述各種因素外，對水泥環(huán)形成有影響的任何因素都對聲幅測量結(jié)果有影響。如固井時，水泥中是否加入速凝劑、緩凝劑，水泥中是否有雜質(zhì)（粘土等），注水泥時的水灰比，套管外壁是否粘有油脂、瀝青等污染物，井徑大小變化等都對聲幅的測量結(jié)果有影響。除了井下的條件外，儀器的性能及測量條件也對聲幅的測量結(jié)果有影響。例如聲學(xué)探頭的溫度性能；測量時是否保持儀器聲系的軸線和套管的軸線重合。如果儀器軸線在井下偏離套管軸線，這種情況在儀器扶正裝置不良及套管傾斜時經(jīng)常發(fā)生，則所測量到的聲幅數(shù)值也將明顯下降。聲幅測井解釋方法影響聲幅測井測量結(jié)果的因素至少可以分為3類：井身條件的影響、儀器性能的影響、測量條件的影響。由于影響套管波幅度的因素復(fù)雜，因此和聲速測井的記錄方式不同，聲幅測井記錄的不是目的層段聲幅絕對值的大小。因為即使記錄到套管波首波幅度的準(zhǔn)確數(shù)值，由于影響因素復(fù)雜也很難對其進(jìn)行解釋。目前聲幅測井的解釋都以聲幅測量的相對值為基礎(chǔ)，即以套管外為水（或泥漿）的層段（“自由套管”段）聲幅值A(chǔ)0作為基準(zhǔn)，將同一井中要解釋的目的層段的聲幅值A(chǔ)和A0的比值周圍聲幅測量的相對值。水泥膠結(jié)情況各不相同的全井段上，聲幅測井曲線上的最大值A(chǔ)max和最小值A(chǔ)min有明顯的差別，即比值應(yīng)該足夠大。這就是說，對套管外水泥膠結(jié)情況不同的層段，聲幅測井曲線有明顯的差異。顯然，K的數(shù)值大小和聲系的源距、聲信號的頻率等因素有關(guān)。實驗表明，在套管外水泥膠結(jié)情況固定不變的條件下，對一定頻率的聲波信號，源距增大（從增大到）時K值亦增大。但在井下實測時，源距過大不利于判斷套管外水泥膠結(jié)不好層段的準(zhǔn)確深度。換句話說，聲幅測井記錄的聲幅值實際上是聲波發(fā)射探頭和接收探頭間井段上套管波首波幅度的平均值，增大源距將使聲幅測井的縱向分辨能力降低。當(dāng)源距較h，用較高頻率的聲信號（28千赫到50赫）可以使K值增大；但源距過大又使用過高頻率的聲信號，則會由于高頻率聲信號在傳播過程中衰減顯著，反使K值變小。比較合理的聲系應(yīng)該是用較短的源距、較高頻率，以期在井下各個層段上測得的聲幅曲線都有較大的K值。聲幅測井曲線上，在固井工程預(yù)計的水泥上返高附近聲幅值變化最明顯處所對應(yīng)的深度，習(xí)慣上規(guī)定為水泥返回高度。在水泥返回高度以上，套管外為水（或泥漿）與水泥的“混漿帶”，其聲幅值略低于自由套管段的聲幅值。在自由套管段對應(yīng)套管接箍的深度，由于套管壁厚突然增大，聲幅值比正常的自由套管段要小，出現(xiàn)深度間隔為套管單根長度的負(fù)異常尖鋒值（由于接箍長度有限）。在套管外有氣層特別是高壓氣層時，由于氣侵，在對應(yīng)于氣層的深度上，套管外可能完全沒有水泥膠結(jié)而形成一段由氣體充填的環(huán)形空間（“氣塞”），聲幅曲線出現(xiàn)極為明顯的極大值，在已下套管井中據(jù)此判斷氣層的位置是行之有效的。固井后進(jìn)行的井下作業(yè)，如射孔、鉆水泥塞、壓裂等都可能造成水泥環(huán)和套管膠結(jié)的破損。聲幅測井方法檢測微間隙的物理機理是,由于微間隙的存在,套管外介質(zhì)對套管波傳播的阻尼情況發(fā)生變化,致使聲幅測井記錄到的套管波首波幅度改變。檢測微間隙的聲幅測井儀的聲系應(yīng)該用較短的源距和較高的聲信號頻率,以使在聲幅測井曲線上的最大值A(chǔ)max和最小值A(chǔ)min的比值有較大的數(shù)值,并在地面模型井中(模擬微間隙的層段)進(jìn)行校驗和刻度。檢測微間隙的聲幅測井和常規(guī)聲幅測井方法一樣，是在套管內(nèi)壓力不改變時進(jìn)行的（靜態(tài)），這種測量雖然能探測到微間隙，但其靈敏范圍不大。為增加對微間隙探測的靈敏范圍，可在套管井井內(nèi)壓力變化的條件（動態(tài)）下進(jìn)行的聲幅測井，國外資料將其稱為動態(tài)聲幅測井。套管內(nèi)壓力變化可以是在未射孔的井內(nèi)增壓（試壓時），也可以是在已射孔的井內(nèi)進(jìn)行油層誘噴時的減壓。當(dāng)套管內(nèi)壓力改變時，套管發(fā)生徑向變形，如套管的徑向膨脹（套管內(nèi)增壓時）會使環(huán)狀微間隙寬度減小，套管外水泥環(huán)對套管波的阻尼增大，所記錄到的套管波幅度明顯減小。只要比較增壓前后所測的聲幅測井曲線，其聲幅測量值有變化的層段即為有環(huán)狀微間隙的層段。聲幅測井雖然是使用最早的聲波測井方法之一，但是其影響因素復(fù)雜，因而國外有資料指出：“聲幅測井是最為人們?yōu)E用、誤用和錯誤理解的測井方法之一”。因此為判斷和評價套管外水泥膠結(jié)情況，應(yīng)該發(fā)展更為可靠的聲波測井方法。聲波變密度測井聲幅測井只記錄到聲波波列中首波的幅度，因而只能檢查對首波幅度有影響的套管和水泥環(huán)之間（俗稱第一界面）的膠結(jié)情況。但是地層間的串通可能不是由于套管和水泥之間膠結(jié)封固不好所產(chǎn)生的，而是由于地層和水泥環(huán)之間（第二界面）膠結(jié)封固不好所致。這種在水泥環(huán)和地層界面間的串漏，若僅用記錄聲波波列中首波幅度的聲幅測井是檢查不出來的。井下接收探頭接收到的后續(xù)波可能是穿過水泥，甚至是通過地層傳播的聲波信號。例如當(dāng)?shù)貙勇曀俅笥谒喹h(huán)聲速時，在地層和水泥環(huán)界面上也可能產(chǎn)生滑行縱波，這種滑行縱波也可以和在裸眼井壁上傳播的滑行縱波一樣，按一定的條件折回水泥環(huán)，并穿過套管和井內(nèi)泥漿，被接收探頭作為套管波以后的續(xù)至波接收。這就是說，只要對聲波波列的后續(xù)波的到達(dá)時間（或速度）、幅度進(jìn)行記錄，就可能不僅對套管和水泥環(huán)的膠結(jié)情況，而且對水泥環(huán)和地層界面的膠結(jié)情況進(jìn)行研究，這就相當(dāng)于在水泥環(huán)和地層界面也進(jìn)行了聲幅記錄。這種方法甚至可能在下套管后，對套管外地層的性質(zhì)及其變化進(jìn)行研究，如儲集層孔隙結(jié)構(gòu)變化的評價及出砂層位的判斷等。聲波變密度測井（變厚度）測井就是根據(jù)上述原理提出來的。聲波變密度測井對井下接收到的聲波波列前十二個至十四個波的幅度及到達(dá)時間進(jìn)行記錄。井下聲系和常規(guī)聲幅測井相同，源距為1米或。聲波發(fā)射探頭每秒鐘發(fā)出20次頻率為20千赫茲的脈沖聲波，接收探頭把接收到的聲波信號的全波信號的全波列送進(jìn)井下電子線路進(jìn)行線性放大，并將放大后的信號由電纜傳輸?shù)降孛妗５孛鎯x器將接收到的全波列信號進(jìn)行檢波，保留全波列中的前十二至十四個波的正半周，并根據(jù)這十二至十四個波正半周的幅度調(diào)制顯象管（或示波管）上的相應(yīng)的十二至十四個亮點的輝度（或?qū)挾龋?，在井下聲系提升時，接收探頭接收到的整個波列的幅度隨深度變化，而后續(xù)的經(jīng)地層傳播的波的到達(dá)時間也可能改變，波列的這些變化最終在顯象管（或示波管）表現(xiàn)為每個波對應(yīng)的亮點輝度（或?qū)挾龋┑淖兓癤軸（時間軸）方向上的位移，用照相機在感光膠卷上記錄這十二至十四個亮點隨井下聲系在不同深度時的變化規(guī)律，即可在膠卷上得到聲波變密度測井圖。在這種圖上，每個波的幅度表現(xiàn)為感光銀膜的厚度，幅度大的波相對應(yīng)于顯象管上輝度大的亮點，在膠卷上表現(xiàn)為較厚的銀膜沉積，呈現(xiàn)為深色的的象點或線條；幅度小的波相對應(yīng)于顯象管上輝度小的亮點，在膠卷上表現(xiàn)為較淺的銀膜沉積，呈現(xiàn)為淺色的（或無色）的象點或線條。而每個波相的到達(dá)時間在變密度測井圖上呈現(xiàn)為象點或線條在左右方向的位移。這樣，在變密度測井圖上就同時記錄了隨聲系在井下的深度改變時每個波的幅度及到達(dá)時間的變化，也就是說同時記錄了在套管、水泥環(huán)及地層中傳播的波的幅度和速度。但是，聲波變密度測井目前只能把聲波信號幅度變成顯象管上光點的亮暗，在變密度測井圖上是一系列顏色深淺不同的線條，即幅度的大小是用不同深淺的顏色表示。這樣，根據(jù)變密度測井圖還難以做出定量解釋，而僅能用來定性的對套管外介質(zhì)的聲學(xué)性質(zhì)變化作出判斷。聲波變密度測井記錄的也是聲波信號幅度，但是它和常規(guī)聲幅測井的差別在于，變密度測井不僅記錄了首波（套管波）的幅度，而且也記錄了后續(xù)波幅度的變化，這樣記錄的結(jié)果反映了與井軸平行的各個物理性質(zhì)不同的界面（套管-水泥環(huán)，水泥環(huán)-地層，……）上聲波幅度的衰減情況，因而有可能除了檢查套管和水泥環(huán)的膠結(jié)情況外，還可能檢查水泥環(huán)和地層界面上的膠結(jié)封固情況。此外，近年來已開始實驗用聲波變密度測井檢查地層壓裂效果，檢查和判斷套管出砂層位等。在聲波變密度測井圖上，由于套管波的到達(dá)時間是固定的，因此對應(yīng)于套管波的線條（相線）在時間軸上的位置大體固定，而相線線條顏色的深淺則表示套管波幅度的大小。經(jīng)驗表明，接收到的波列中，前三個波相和套管波有關(guān)，即變密度測井圖上前三條相線顏色的深淺表示套管波幅度的大小。在套管和水泥環(huán)膠結(jié)良好的層段，前三條相線顏色應(yīng)很淺或看不到顯示。變密度測井圖上的第四至第六條相線和在水泥環(huán)中傳播的聲波信號有關(guān)，因為凝固水泥的聲速為一固定值，所以第四至第六條相線在時間軸上位置基本固定，若水泥環(huán)和地層膠結(jié)良好，則和在水泥環(huán)中傳播的聲波有關(guān)的第四條至第六條相線顏色都很淺。若水泥環(huán)和地層膠結(jié)不好，則第四條至第六條相線的顏色較深。這樣，根據(jù)變密度測井圖即可評價套管和水泥環(huán)、水泥環(huán)和地層的膠結(jié)情況，亦即評價第一界面與第二界面的交接情況。一口井在固井后不發(fā)生層間串通的充分必要條件是前六條相線的顏色都較淺，而尤其是前三條反映套管波幅度的相線顏色應(yīng)極淺，甚至在變密度測井圖上看不到顯示。若前三條相線顏色較淺，而第四至第六條相線顏色較深，則可能是水泥環(huán)和地層之間膠結(jié)不好的標(biāo)志，此時在水泥環(huán)和地層之間可能發(fā)生層間的串通，即第二界面竄槽。在水泥返回高度以上套管波幅度很大，前三條相線顏色較深，井在套管接箍所對于的深度出現(xiàn)較淺色的條紋。在水泥返回高度以下，若前三條相線顏色較深，說明水泥環(huán)和套管膠結(jié)不好甚至完全沒有水泥膠結(jié)，在這些層段上射孔后發(fā)生層間串通（第一界面竄槽）的可能性極大。聲波水泥膠結(jié)測井國內(nèi)外研究現(xiàn)狀20世紀(jì)50年代初聲波測井方法在國外開始出現(xiàn)。在幾十年的發(fā)展中，先后出現(xiàn)了用于檢驗水泥膠結(jié)質(zhì)量的聲幅測井；測量井剖面聲波縱波速度倒數(shù)的聲波速度測井；能夠得到井壁上孔洞、裂縫分布情況直觀圖象的井下聲波電視測井，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的三維體積掃描測井；長源距全波列測井；為解決軟地層中橫波勘探問題而提出的偶極子及多極子橫波測井。80年代中期，陣列聲波測井儀的出現(xiàn)，能將常規(guī)井眼補償聲系與長源距聲系以及井徑等進(jìn)行測量綜合，對管波的記錄加以重視。用聲波水泥膠結(jié)測井方法來檢查固井質(zhì)量，已從60年代初期的單發(fā)射器/單接收器聲波幅度水泥膠結(jié)測井，發(fā)展到70年代的單發(fā)雙收儀與其它儀器組合來檢查固井質(zhì)量。CBL的應(yīng)用可以追溯到1959年。Tixier等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)在套管內(nèi)進(jìn)行聲波測井時．由于聲信號嚴(yán)重衰減，裸眼測井聲波傳播時間曲線上經(jīng)常產(chǎn)生周期性的間斷。儀器偏心對套管波幅度具有較大影響，對變密度資料影響較小。根據(jù)變密度波列特征可以識別到儀器偏心的影響。測井時間的選擇對測井資料具有較大影響，過早和過晚對固井質(zhì)量的正確評價都會產(chǎn)生明顯影響。套管與測井儀器間隙越大，測量得到的固井資料所受影響越明顯。地層巖性在固井質(zhì)量較好的情況下，對固井質(zhì)量評價具有一定的影響，軟地層和快地層固井質(zhì)量的評價應(yīng)充分考慮地層巖性作用的影響。微環(huán)隙對固井質(zhì)量的正確評價具有明顯影響，根據(jù)聲幅-變密度資料對比可以定性識別微環(huán)隙的存在。現(xiàn)有水泥膠結(jié)測井存在以下問題：1、水泥膠結(jié)測井儀的多樣化導(dǎo)致解釋混亂；2、影響套管波首波幅度的因素單一化，缺乏統(tǒng)一的定量解釋標(biāo)準(zhǔn)。其中主要存在四個方面的問題：一是認(rèn)為套管與水泥環(huán)膠結(jié)的質(zhì)量是影響套管波首波幅度的唯一因素，忽視了水泥環(huán)的類型和厚度以及水灰比、套管直徑和壁厚及外部地層的聲學(xué)特性等因素對套管波首波幅度的影響；二是缺乏定量解釋的實驗及理論支持，解釋評價模型過于簡單，因此評價膠結(jié)程度的好壞的概念模糊；三是不能準(zhǔn)確分辨徑向竄槽和縱向竄槽，對未膠結(jié)層段的方位無法作出準(zhǔn)確定位，對于厚度小于儀器縱向分辨率的薄層膠結(jié)狀況無法準(zhǔn)確評估；四是固井質(zhì)量解釋標(biāo)準(zhǔn)缺乏一致性，不同油田的解釋標(biāo)準(zhǔn)不相同，不同解釋人員的解釋標(biāo)準(zhǔn)也不相同。胡文祥等人通過套管井水泥膠結(jié)測井實驗?zāi)M，得出：實驗波形與理論波形具有一致的規(guī)律性；聲源的頻率特性對全波波形具有顯著影響；當(dāng)套管與地層之間存在間隙時，導(dǎo)波存在明顯的持續(xù)振蕩現(xiàn)象，該特征對于采用短源距全波測井方法進(jìn)行固井水泥膠結(jié)質(zhì)量的評價具有重要意義。漂珠低密度水泥固井質(zhì)量的評價：根據(jù)四種密度水泥固井模擬試驗井的檢測資料，描述常溫下聲幅與水泥候凝時間的關(guān)系，為選擇最佳測井時間和制定低密度水泥固井質(zhì)量聲幅測井解釋標(biāo)準(zhǔn)提出參考意見。提出了采用微環(huán)空段作為聲幅測井的刻度段，以解決水泥上返井口時聲幅測井無法刻度的設(shè)想，并指出，聲幅測井不僅受源距內(nèi)的介質(zhì)影響，而且也受源距外的介質(zhì)影響。超聲波水泥膠結(jié)評價：為了克服普通水泥膠結(jié)技術(shù)的缺點，儀器的主要目標(biāo)是：在微環(huán)形空間存在的情況下，提供對水力膠結(jié)的評價；達(dá)到足夠的水泥環(huán)分辨率，能夠確定串槽；如果可能，可以評價地層的膠結(jié)情況。聲波全波測井的相似模擬實驗研究：聲波全波相似模擬實驗是按照相似性原理將鉆孔地層模型按一定比例縮小，并相應(yīng)提高聲源中心頻率，在實驗室內(nèi)模擬實際聲波測井過程，探討各種波與地層性質(zhì)之間的關(guān)系，在兩口砂巖模型井（井眼直徑為）中進(jìn)行了初步實驗。實驗記錄波形與理論合成波形的基本特征較一致。對陣列實驗波形用相似相關(guān)技術(shù)進(jìn)行處理得到的縱橫波速度與巖心超聲測量結(jié)果符合的很好。斯通利波的速度與井眼半徑的影響。井壁流體滲透性越好，則斯通利波的能量衰減就越大。聲源頻率特性對全波波形特征也有顯著的影響。聲源頻率特性對全波特征也有顯著影響。全波相似模型實驗?zāi)苡行У啬M實際聲波測井，從而可在實驗室內(nèi)方便地研究聲波測井參數(shù)與儲層物性參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系，為擴大聲波測井的應(yīng)用范圍提供實驗依據(jù)。微水泥膠結(jié)測井儀：一種新的用于測定水和套管的膠結(jié)質(zhì)量的“徑向”水泥膠結(jié)儀器—微水泥膠結(jié)測井儀。該儀器具有測定垂向和井眼周圍水泥膠結(jié)質(zhì)量的能力。沿儀器體縱向排列的四個由扇形發(fā)射器和接受器組成的聲系可對徑向水泥進(jìn)行高方位分辨率的補償測量。扇形發(fā)射器可在套管中激發(fā)縱波和橫波，與標(biāo)準(zhǔn)水泥膠結(jié)測井不同的是，這種發(fā)射波束模式聚焦在徑向方向上。扇形接收器可提供輔助的方向性，以加強探測水泥串槽。在套管井中用聲波全波測井確定地層特性：通過合成聲波全波列測井微地震圖的計算，研究了在套管井通常碰到的三種膠結(jié)類型。在鋼套管與水泥之間及水泥與地層之間膠結(jié)好的情況下，鋼套管和水泥層一般對地層體波到達(dá)時間的影響小。這種多層介質(zhì)存在可能使確定地層聲速變化比裸眼井時更為困難，如果水泥聲速可與地層聲速相比較，經(jīng)地層傳播的聲波幅度將顯著減小。鋼套管和水泥及流體主要對斯通利波產(chǎn)生影響。鋼套管和水泥之間的流體層的作用是分離它們兩者，結(jié)果導(dǎo)致經(jīng)套管傳播到達(dá)的波的幅度大，持續(xù)時間長。在這種情況下，經(jīng)套管傳播的聲波信號將顯著的影響地層P波信號。流體層厚度變化對波列特性影響很小。流體層的存在，而不是它的厚度是影響套管波特性的最重要因素。當(dāng)水泥和地層之間膠結(jié)不好，而鋼套管與地層之間交接好時，聲波傳播情況顯得更復(fù)雜。即使在水泥和地層之間存在流體層，辨別地層體波到達(dá)也是可能的。如果流體層薄且有厚的水泥膠結(jié)層，水泥將減低套管瞬變波，使經(jīng)地層傳播來的波顯示清楚，如果水泥層足夠薄，沿鋼套管來的波將引起瞬變跳動，在這種情況下初至波將是經(jīng)水泥和經(jīng)套管傳播聲波的迭加，其聲速度將介于兩種聲速之間。發(fā)射器和接收器之間的聲波信號不僅與軸向套管波的衰減有關(guān)，而且還依賴于影響接收信號幅度的其它眾多因素。1）刻度。一般是通過調(diào)整接收器的靈敏度，使之在給定套管大小、套管質(zhì)量，井內(nèi)流體和壓力的“自由套管”中測到一個固定的響應(yīng)值。但是，目前的刻度技術(shù)還不能完全消除在井眼中所遇到的各種變化因素的影響；2）溫度和壓力影響。高溫、高壓對換能器（陶瓷的和磁致伸縮的）的響應(yīng)產(chǎn)生極大的影響。如果溫度是50︿3500F，壓力是0︿20000psi，那么，響應(yīng)可變化20~40%。3）儀器偏心。換能器的不定向性要求儀器居中，以確保來自各方位首波同時到達(dá)。輕微的儀器偏心（1/4倍in）能引起信號幅度劇烈的衰減（大約50%）。4）聲耦合。換能器和套管之間的聲耦合受本身及井內(nèi)流體和套管的聲阻抗的影響。一種物質(zhì)的聲阻抗是其密度和聲速的函數(shù)。因此，接收信號的幅度對井內(nèi)流體密度、粘度、壓力和溫度很敏感。5）微環(huán)隙。由于微環(huán)隙的存在，使得水泥和套管之間缺乏橫波耦合，這將使首波幅度接近非支撐套管的值。6）串槽的存在。由于換能器的無定向性，使得難于將有串槽的高強水泥（可能有水動力連通）與100%水泥充填的低強水泥環(huán)空區(qū)域分辨開來。7）快速地層。在快速地層中?？v波速度要比在鋼中的板模式的速度（17540ft/s）快的多。因此，地層首波有可能對套管首波產(chǎn)生干擾。假若發(fā)生這種情況，那么，刻度也即失效。水泥膠結(jié)測井評價泡沫水泥固井質(zhì)量：斯倫貝謝公司的評價技術(shù)和多維爾分公司對泡沫水泥的專門技術(shù)相結(jié)合的實驗指出，常規(guī)的水泥膠結(jié)測井技術(shù)是可以用于泡沫水泥固井的，然而也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泡沫水泥壓縮強度小于1000磅/英尺2時，反映聲波信號衰減率與水泥壓縮強度之間關(guān)系的斯倫貝謝解釋圖版，必須進(jìn)行修改。一種評價水泥膠結(jié)的聲波技術(shù)：隨著油氣井深度的增加，有必要提高固井水泥的強度和固井質(zhì)量，防止有意義的滲透層之間通過井眼相互串通。這種相互串通會破壞生產(chǎn)區(qū)塊，污染地下水，造成井噴，并使原油生產(chǎn)極不穩(wěn)定。聲波立體掃描（SVS）測井能夠探測到套管以外的介質(zhì)，因此SVS提供了一種套管與水泥膠結(jié)，水泥環(huán)，以及水泥與地層膠結(jié)狀況的探測方法。長源距聲波測井儀器：在多數(shù)地層中可用來獲得精確的縱波和橫波的速度。在不利的井眼條件下，縱波測井明顯地較常用聲波測井更為精確。當(dāng)橫波速度比流體縱波速度快時，可直接用儀器測量橫波速度。當(dāng)折射不存在時，也可從管波提取橫波速度。測井和巖心資料想比較表明管波傳播時間和幅度比，可用來定性地提供滲透率測量。劉繼生等以柱狀多層開放聲波導(dǎo)物理模型為基礎(chǔ)，利用實軸積分法通過數(shù)值計算得到井內(nèi)接受器接收到的全波，并利用頻率-波數(shù)域分析法對組成全波的各波相進(jìn)行考察，得出以下結(jié)論：多年來對井孔波場的分析采用了雙重付氏變換和圍道積分方法，一般是在時域上利用幾何聲學(xué)方法通過各波相到時的不同對各分波進(jìn)行劃分，由于井況等因素的影響使得聲場分析非常復(fù)雜和不完善，而對于一個確定的井孔-地層體系，其波場特征都體現(xiàn)在頻率-波數(shù)域的地層濾波函數(shù)中，采用頻率-相速度圖法可以對波場性質(zhì)作出全面的描述；裸眼井聲測井全波列中各分波到時差別比較大，因此在時域上利用幾何聲學(xué)可粗略地對組策劃能夠全波的個分波進(jìn)行區(qū)分，而利用頻率-波數(shù)域分析方法可以對各分波作出更為清楚地劃分，從而對全波有了更清楚的認(rèn)識；套管井不同膠結(jié)狀態(tài)下，由于井況變得更加復(fù)雜，復(fù)模式波的貢獻(xiàn)在某些情況下不可忽視，利用幾何聲學(xué)等方法已經(jīng)不能對波場作出全面的描述，而在頻率-相速度圖中波場的各分波可以作出清晰地劃分。官波等人利用聲波全波列測井資料回放的變密度圖及從套管波首波提取的聲幅曲線對套管井進(jìn)行固井質(zhì)量檢查取得了比較理想的效果。多年來，由于水泥膠結(jié)質(zhì)量評價沒有性能齊全的刻度評價系統(tǒng)，以至于解釋程度不高，遼河測井公司建成的固井質(zhì)量刻度井群，模擬了多種水泥膠結(jié)情況，為刻度標(biāo)定水泥膠結(jié)測井儀及指定水泥膠結(jié)評價規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)提供了重要基礎(chǔ)，是測井行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備及重要基礎(chǔ)設(shè)施。其可為各油田現(xiàn)有的各種評價固井水泥膠結(jié)質(zhì)量的測井一起提供刻度手段，并將逐步形成刻度的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，其功能是數(shù)學(xué)模擬不可比擬的。利用微環(huán)的成因特點及其在聲波測井和伽馬密度測井資料中的特征，提出了以聲波測井為主，輔以伽馬密度測井，對固井I界面微環(huán)進(jìn)行評價的解釋方法。1987年．Juttenet等給出了在有圍壓條件下不同組分水泥石的聲學(xué)性質(zhì)。從其研究成果中可以看出，似乎低密度水泥漿聲阻抗較低，并在幾天后發(fā)生明顯的變化。而對于密度較高的水泥漿，凝固1天后與凝固7天后的聲阻抗變化小于20％。這對使用空心微球作充填劑的水泥漿來說是至關(guān)重要的，它使得凝固后的水泥漿具有較低的聲阻抗值。泡沫水泥聲阻抗也非常低。當(dāng)泡沫水泥孔隙度很高時，聲波測井解釋很難將水泥與水加以區(qū)別。但對于混合材水泥,國內(nèi)外還沒有相關(guān)的研究.1.3研究的理論基礎(chǔ)1.聲波的反射與折射原理聲波在無限大介質(zhì)中傳播只是在理論上成立。實際上任何介質(zhì)總有一個邊界。當(dāng)聲波在傳播中一種介質(zhì)到達(dá)另一種介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的分界面上，一部分聲波被反射，仍然回到原來介質(zhì)中，稱為反射波；另一部分聲波則透過界面進(jìn)入另一種介質(zhì)中繼續(xù)傳播，稱為折射波。聲波透過界面時，其方向、強度、波形均發(fā)生變化。這種變化取決于兩種介質(zhì)的特性阻抗和入射波的方向。如圖2，兩種介質(zhì)分界面為X軸，介質(zhì)分界面的法線方向為Y軸（假設(shè)兩種介質(zhì)非常緊密地相接觸）。當(dāng)平面聲波入射到兩種介質(zhì)及的分界面時，入射聲波的聲壓為，入射方向和介質(zhì)分界面的法線方向（Y軸）的夾角（入射角）為；反射波聲壓為，反射角為；一部分聲波發(fā)生折射，進(jìn)入Ⅱ介質(zhì)，其聲壓記為，折射角為。顯然，。聲壓、、可以表示為圖2聲波的反射與折射式中，、、分別為入射波、反射波、折射波的聲壓幅值；分別為入射波、反射波、折射波的傳播路徑；。由于都在XY平面內(nèi)，因此可以將用XY平面的法線方程表示，即也即入射波、反射波、折射波的波陣面在XY平面上投影的方程。相應(yīng)的聲壓表達(dá)式可以改寫為在兩種介質(zhì)分界面（）上，入射波和反射波聲壓之和為相應(yīng)的在兩種介質(zhì)的分界面上（），折射波聲壓為按照在兩種介質(zhì)分界面上聲壓連續(xù)條件，應(yīng)有兩端同時除以，有（14）記為介質(zhì)Ⅰ中質(zhì)點在入射聲波聲壓作用下沿方向的振動速度；記為介質(zhì)Ⅰ中質(zhì)點在入射聲波聲壓作用下沿方向的振動速度；記為介質(zhì)Ⅱ中質(zhì)點在入射聲波聲壓作用下沿方向的振動速度。在兩種介質(zhì)分界面上法線方向的分量分別為顯然，同向（沿Y軸負(fù)方向），而反向（沿Y軸正方向），由于質(zhì)點在介質(zhì)分界面上法線方向的振動速度連續(xù)，應(yīng)有由于，上式可以改寫成（15）（14）、（15）應(yīng)對任何x值都成立，即應(yīng)有（16）（17）（18）由（17）也可以寫成（19）由，有定義分界面（）上的反射聲壓和入射聲壓的比值為聲壓反射系數(shù)，并記為：由（16）、（18），有兩端除以，得可得（20）同理，可以定義聲壓折射系數(shù)由（17），可簡化為由（16）與（18）消去，有可得（21）由于聲強有效值和聲壓有效值的關(guān)系為可定義聲強反射系數(shù)及聲強透射率即（22）即（23）可以由（20）、（21）（22）、（23）得到，在正入射的時候（），聲壓反射率：（24）聲強反射系數(shù)：（25）聲壓透射率：（26）聲強透射系數(shù)：（27）從（24）和(26)可見：若，則，。這時聲波全部從第一介質(zhì)透射入第二介質(zhì)。對聲波來說，兩種介質(zhì)如同一種介質(zhì)一樣；若，則。聲波在界面上幾乎全部反射透射極少；若，則。聲波也幾乎全部反射，且反射率為負(fù)，表示反射波與入射波反相（相位差1800）。從(25)和(27)可見：①當(dāng)，則，聲波能量全部透射；②當(dāng)或，，，即當(dāng)兩種介質(zhì)聲阻抗相差懸殊時，聲波能量在界面上絕大部分被反射，難于進(jìn)入第二種介質(zhì)；③，這符合能量守恒定律。當(dāng)聲波在一種介質(zhì)中傾斜入射到另一種介質(zhì)界面時，將發(fā)生方向、角度及波形的變化。和光的傳播類似，聲波在界面上方向和角度的變化服從反射定律和折射定律。如圖2所示。當(dāng)在流體分界面?zhèn)鞑r，介質(zhì)中只有單一的波—縱波出現(xiàn)。在固體介質(zhì)分界面的情況則復(fù)雜一些。當(dāng)一種波（例如縱波）入射到固體界面時，不僅波方向發(fā)生變化且波型也發(fā)生變化，分離為反射縱波、反射橫波，折射縱波和折射橫波。各類波的傳播方向（即反射角與折射角）各不相同，如圖所示。各種類型波的傳播方向的變化亦符合集合光學(xué)中的反射定律與折射定律。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：（28）式中，—縱波在第一、二種介質(zhì)中的傳播速度；—橫波在第一、二種介質(zhì)中的傳播速度；—縱波入射角、反射角、折射角；—橫波反射角、折射角。增大入射波的入射角，則折射波的折射角也隨之增大。如果入射波是縱波，且，則由（28）可知，，即折射角大于入射角。當(dāng)增大，也增大，當(dāng)=900時，此時的入射角叫第一臨界角，用符號表示。顯然，當(dāng)入射角大于第一臨界角時，第二種介質(zhì)中只有折射橫波存在。這是獲得橫波的方法。第一臨界角（29）當(dāng)時，此時的入射角叫第二臨界角，用符號表示，（30）事實上，當(dāng)聲波在一種介質(zhì)中傳播時，有時會遇到第二種介質(zhì)的薄層，如水泥環(huán)裂縫就是這種情況。這種情況下，聲波將產(chǎn)生多次反射與透射，情況要更復(fù)雜一些。一般地，有：①裂隙越細(xì)，透射率越大，反射率越?。虎诹严冻錆M空氣時的透射率比充滿水時小得多；③聲頻率越高，反向率越大。為了發(fā)現(xiàn)水泥環(huán)中的裂縫就需要提高反射率，這就希望以較高頻率的超聲波進(jìn)行檢測。1.聲耦合率分析聲耦合率公式為（31）實踐證明越小，聲波越容易由介質(zhì)1傳入介質(zhì)2，介質(zhì)1中聲波能量就越小，反之介質(zhì)1中聲波能量就越大。如將套管和固井水泥視為第一介質(zhì)和第二介質(zhì)，套管外壁與水泥膠結(jié)越好，聲波能量從套管越過界面向水泥傳遞時，套管能量越小，這種膠結(jié)越好，套管中聲波能量就越小；反之套管中的聲波能量就越大；若沒有水泥，套管中的聲波能量就可達(dá)到最大值。在膠結(jié)完好的井段，呈現(xiàn)幅值很低的平滑曲線，膠結(jié)較差的井段會出現(xiàn)較大的異常。聲波幅度測井測量的就是沿套管傳播的滑行波的首波幅度值（其與能量成正比）；而聲波變密度測井（地層與水泥可視為第一介質(zhì)和第二介質(zhì)）記錄的也是聲波信號幅度，所不同的是它不僅記錄了首波的幅度，也記錄了后續(xù)波幅度的變化。由以上描述我們可以看出：無論是套管—水泥界面（把套管、水泥分別看成第一介質(zhì)和第二介質(zhì)），還是水泥—地層界面（把水泥、地層分別看成第一介質(zhì)和第二介質(zhì)），CBL與VDL固井質(zhì)量評價的依據(jù)主要還是依賴于反射回接收器的聲波幅度（即能量）。而從上面對(24)、(25)、(26)、(27)和(31)的分析可以知道，聲波在兩個介質(zhì)界面上反射回的能量的大小，主要還是依賴于兩個介質(zhì)聲阻抗的大小差異。對CBL與VDL來講，地層巖性的聲阻抗可以通過巖石取樣在實驗室測得，套管的聲阻抗也可以計算得到。唯一不明了的就是固井水泥的聲阻抗。聲阻抗是介質(zhì)密度與聲速之間的乘積，介質(zhì)密度為定值時，聲速變化將決定阻抗數(shù)值，從而直接影響到對聲波響應(yīng)的正確解釋。1.聲波在傳播過程的衰減聲波在介質(zhì)中傳播過程中其振幅將隨傳播距離的增大而逐漸減小，這種現(xiàn)象稱為衰減，在以上關(guān)于聲波傳播的討論中，為使問題簡化，假定聲波是在無吸收的均勻介質(zhì)中傳播，也就是說聲波在傳播過程中無衰減。事實上，聲波在任何介質(zhì)中傳播都與衰減存在。聲波衰減的大小及其變化不僅取決于所使用的超聲頻率及傳播距離，也取決于被檢測材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能。當(dāng)平面波通過某介質(zhì)后，其聲壓將隨距離x的增加而衰減。衰減按指數(shù)規(guī)律變化：（32）式中—x=0處的聲壓，即聲源的聲壓；—距聲源為x處的聲壓；—衰減系數(shù)。如果不考慮聲波的擴散，則衰減系數(shù)取決于介質(zhì)的性質(zhì)。它的大小表征介質(zhì)對聲波衰減的強弱。對（1）取對數(shù)，得（33）現(xiàn)在的單位制定對衰減的度量用另一單位：分貝，其是兩個同量綱的比值取常用對數(shù)再乘以20。又聲波的聲壓與介質(zhì)質(zhì)點的振動位移幅值成正比，所以（2）可以寫成：（34）聲波在固體介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點之間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽煌瑫r，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。介質(zhì)的這種衰減稱為吸收衰減。其與聲波頻率的一次方，頻率的平方成正比。當(dāng)介質(zhì)中存在顆粒狀結(jié)構(gòu)（如液體中懸浮粒子、氣泡，固體介質(zhì)中的顆粒狀結(jié)構(gòu)、缺陷、摻雜物等）而導(dǎo)致的聲波的衰減稱為散射衰減，以散射衰減系數(shù)來表征。對水泥環(huán)來說，一方面因為其中大的顆粒（內(nèi)部不均勻）構(gòu)成許多聲學(xué)界面，使聲波在這些界面上產(chǎn)生多次發(fā)射、折射和波型轉(zhuǎn)換，另一方面是微小顆粒對聲波的散射。同時，這些微小顆粒在相應(yīng)頻率的超聲波作用下產(chǎn)生共振現(xiàn)象，其本身成為新的振源，向四周發(fā)射聲波，使聲波能量的擴散達(dá)到最大。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量和性質(zhì)有關(guān)，其過程是復(fù)雜的。通常認(rèn)為，當(dāng)顆粒的尺寸遠(yuǎn)小于波長時，散射衰減系數(shù)與頻率的四次方成正比；當(dāng)顆粒尺寸與波長相近時，散射衰減系數(shù)與頻率平方成正比。通常的聲波輻射器（發(fā)射換能器）發(fā)出的超聲波束都有一定的擴散角。因波束的擴散，聲波能量逐漸分散，從而使單位面積的能量隨穿比距離的增加而減弱。聲波的聲壓和聲強均隨距聲源距離的增加而減弱。在混凝土超聲檢測中所采用的低頻超聲波，其擴散角很大。當(dāng)超聲波傳播一定距離后，在混凝土中的超聲波已接近于球面波。原理聲源的球面波的聲壓與至聲源的距離成反比。這種因聲波的擴散而引起的衰減稱擴散衰減，其大小僅取決于聲幅射器的擴散性能及波的幾何形狀，而與傳播介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)，因此，在計算介質(zhì)的衰減系數(shù)時總是希望將該項衰減修正消除或在測量時選取相同距離，使擴散衰減成為一恒量，使其不影響所測得的衰減系數(shù)結(jié)果作為相對比較得出介質(zhì)的衰減特殊規(guī)律。因此，這就要求水泥配方設(shè)計的合理以及充分?jǐn)嚢杈鶆?，以保證水泥環(huán)內(nèi)部的均勻以及密實。1.4研究內(nèi)容、目標(biāo)和思路研究內(nèi)容本研究的基本著眼點是固井質(zhì)量評價中測井聲幅值高低或輝度的本質(zhì)影響因素：水泥環(huán)、套管、地層的聲學(xué)特性，研究內(nèi)容為混合材水泥石的聲學(xué)特性。具體來說，橫向上，比較同種混合材水泥石或同種密度混合材水泥石抗壓強度、抗折強度隨養(yǎng)護(hù)時間、養(yǎng)護(hù)溫度變化聲速的變化趨勢；縱向上，比較不同密度混合材水泥石隨養(yǎng)護(hù)時間、養(yǎng)護(hù)溫度變化聲速的變化趨勢。同時，比較同種抗壓（抗折）強度時，不同的混合材的加入對水泥聲速的不同影響。研究目標(biāo)目前，油田現(xiàn)場固井施工時，注水泥主要使用的還是混合材水泥配方。而國內(nèi)外均還未對混合材水泥的聲阻抗性質(zhì)進(jìn)行過相關(guān)的研究工作。本文研究就是利用實驗室手段，通過混合材水泥與常規(guī)正常密度水泥的各種性能的對比，得出混合材水泥的聲阻抗的變化性質(zhì)，以及研究其聲阻抗的變化對水泥膠結(jié)測井結(jié)果的影響。1.4.1研究思路通過對國內(nèi)外固井質(zhì)量評價手段：聲波水泥膠結(jié)測井的調(diào)研與分析，不難看出，現(xiàn)有聲波水泥膠結(jié)測井（CBL、VDL以及SBT等）均建立在聲波的基本性質(zhì)的基礎(chǔ)上：聲波曲線值或者輝度實質(zhì)上是聲波能量在聲波接收器的一種顯示。CBL衰減率與水泥密度以及通過該水泥的橫波與縱波的速度緊密相關(guān)。利用聲波的折射與反射原理，可以看出，聲波返回的能量取決于第一界面（套管—水泥環(huán)）、第二界面（水泥環(huán)—地層）介質(zhì)的聲阻抗性質(zhì)以及聲波在傳播過程中的衰減。套管與地層的聲阻抗性質(zhì)，現(xiàn)在已經(jīng)可以進(jìn)行定量評價：地層巖性的聲阻抗可以通過巖石取樣在實驗室測得，套管的聲阻抗也可以計算得到。因此，必須對固井水泥的聲阻抗性質(zhì)進(jìn)行必要的研究。2微間隙與竄槽的分析（界面的問題在后文中是否有所涉及？本節(jié)意圖何在？）2.1微間隙水泥環(huán)和套管、水泥環(huán)和地層間界面上的微間隙是水泥膠結(jié)缺陷中最常見的一種。微間隙產(chǎn)生的原因主要是水泥和套管、巖石的熱膨脹系數(shù)不同，例如對直徑為14厘米的套管,當(dāng)溫度變化℃時其直徑變化。在水泥凝固之后,井內(nèi)溫度降低,套管直徑隨之收縮,致使套管和水泥環(huán)之間產(chǎn)生寬度為幾百微米的微間隙。另外,套管內(nèi)壓力變化也會引起套管直徑的變化,對直徑為14厘米。除此之外，由于固井工藝不完善、固井水泥中有雜質(zhì)，固井過程中套管下沉或旋轉(zhuǎn)，都可能在套管和水泥環(huán)間產(chǎn)生微間隙。固井以后若進(jìn)行井下作業(yè)，則井下工具和套管的碰撞，由于無槍身射孔時在井內(nèi)引起強烈震動，射孔密度過大也會產(chǎn)生微間隙。另外地層水，特別是含硫化氫的地層水的腐蝕作用，也會產(chǎn)生微間隙。微間隙一般是環(huán)狀的，其寬度為幾十至幾百微米。這種微間隙能引起套管外液體的串漏，致使生產(chǎn)層被水淹。在套管外有氣層，特別是高壓氣層時，順著微間隙每晝夜可漏失幾十至上百立方米天然氣。當(dāng)套管外為氣體、水或泥漿、凝固水泥等不同介質(zhì)時，套管內(nèi)套管波的能量分布情況不同，因而記錄到的套管波的幅度也不同。粗略地看，當(dāng)套管外為氣體時，對套管中傳播的套管波的“阻尼”較小，套管波有較大的幅度。當(dāng)套管外為水或泥漿時，套管外介質(zhì)對套管波的“阻尼”略有增強，套管波幅度應(yīng)略減小。而當(dāng)套管外為凝固水泥時，對套管波的“阻尼”作用最強，因此，套管波幅度最小。根據(jù)某一次水泥膠結(jié)測井響應(yīng)判斷微間隙的方法是:水泥實際返高之下的整個固井井段,聲幅曲線基本上均高于膠結(jié)“優(yōu)”對應(yīng)的CBL上限,或者聲波衰減率基本上均低于膠結(jié)“優(yōu)”對于的衰減率下限,且隨著井深的增加,沒有固井質(zhì)量變好的趨勢。根據(jù)時間推移水泥膠結(jié)測井響應(yīng)來判斷:隨著時間的推移,后續(xù)的水泥膠結(jié)測井響應(yīng)反映水泥膠結(jié)反映水泥膠結(jié)與先前的水泥膠結(jié)測井相比,前面描述的測井響應(yīng)特征沒有明顯改善。對微間隙的判斷還可參考固井施工記錄(主要注意候凝方式和候凝時間:如果在水泥養(yǎng)護(hù)期間套管內(nèi)憋壓過大,憋壓時間過長,就可判斷套管與水泥環(huán)之間出現(xiàn)了微間隙)以及鉆井液類型、套管外壁化學(xué)涂層及養(yǎng)護(hù)期間的有關(guān)信息(在水泥養(yǎng)護(hù)期間,以較低密度的鉆井液替換,或進(jìn)行過井下作業(yè),如鉆水泥塞、射孔、起下鉆頭等)，就可判斷套管與水泥環(huán)之間出現(xiàn)了微間隙。如果套管外壁存在化學(xué)涂層，或固井前置液未能清洗掉油基鉆井液在套管外壁形成的油膜，水泥膠結(jié)測井相應(yīng)也具有微間隙的特征。根據(jù)聲波反射與折射定律，在套管—水泥界面出現(xiàn)微間隙時，且微間隙充滿水或氣體時，套管與水或氣體的接觸面上，在研究時，可以看成很多點的接觸，由此微間隙與套管的接觸可以轉(zhuǎn)化為無數(shù)的平面問題來分析與討論，即將微間隙中充滿的水或氣體看成一鐘介質(zhì)，與套管這一介質(zhì)進(jìn)行研究。同理，在水泥—地層界面出現(xiàn)微間隙時，也可以用最簡單的聲波折射與反射理論來分析和研究。微間隙存在時，聲波將產(chǎn)生多次反射與折射，情況變得更復(fù)雜一些。一般來說，當(dāng)微間隙中充滿水或氣體時，由于水與氣體的聲阻抗遠(yuǎn)小于水泥石的聲阻抗，因而反射回接收探頭的聲波能量就很大，從而在CBL測井曲線上，首波幅度出現(xiàn)極大值，在VDL記錄的圖像中，相線的顏色很深，且充滿氣體時的VDL圖像相線顏色比充滿水時的相線顏色要深的多，原因是氣體的聲阻抗一般情況下均小于水的聲阻抗。2.2竄槽竄槽是指水泥沒有完全填充的一種現(xiàn)象，竄槽時不能實現(xiàn)液封。在聲波測井資料中微間隙井段與套管—水泥界面竄槽的曲線特征相似，即套管波和地層波都以中等以上的幅度出現(xiàn)，表現(xiàn)為膠結(jié)不好。微間隙一般不影響生產(chǎn)，而竄槽影響采油和注水作業(yè)，生產(chǎn)中迫切需要將兩者區(qū)分開來。圖3帶微間隙或竄槽的套管井模型如圖3所示，微間隙與套管—水泥界面竄通都表現(xiàn)為套管和水泥環(huán)間存在流體環(huán)，只是流體環(huán)厚度有差別。給出套管水泥環(huán)間流體環(huán)兩種不同的厚度(0.lmm為微間隙,1mm為竄槽)套管井中的聲波測井是研究聲波在充滿流體的柱狀分層介質(zhì)井內(nèi)傳播的典型問題，將聲測井資料用于水泥膠結(jié)質(zhì)量的評價方法一直受到研究者的重視。傳統(tǒng)使用的聲幅測井和變密度測井都屬于聲測井方法。工程上把水泥與鋼套管的膠結(jié)面稱為第一界面，水泥與地層的膠結(jié)面稱為第二界面。由于聲波在套管井內(nèi)的傳播機制較復(fù)雜，第二界面上因水泥膠結(jié)不良而出現(xiàn)流體竄槽的識別問題至今未得到很好解決。即使是80年代中期提出的超聲水泥評價測井方法也沒能對識別第二界面竄槽提供有效的解釋方法。對不同流體竄槽的分析與微間隙的分析原理相同，即：當(dāng)出現(xiàn)水竄或氣竄時，由于水與氣體的聲阻抗遠(yuǎn)小于水泥石的聲阻抗，因而反射回接收探頭的聲波能量就很大，從而在CBL測井曲線上，首波幅度出現(xiàn)極大值，在VDL記錄的圖像中，相線的顏色很深，且氣竄時的VDL圖像相線顏色比水竄時的相線顏色要深的多，原因是氣體的聲阻抗一般情況下均小于水的聲阻抗。3實驗儀器及混合材水泥的選擇3.1實驗儀器實驗采用CTS-25非金屬超聲波檢測儀測定水泥石的聲速（用凡士林作耦合劑）；水泥石抗壓強度用抗壓抗折實驗機JES-300型（有標(biāo)定證書）測得；采用抗折強度實驗機（有標(biāo)定證書）測水泥石的抗折強度。CTS-25非金屬超聲波檢測儀（超聲波檢測儀的相關(guān)說明最好放在一節(jié)里來闡述，分析其在本文研究中的可行性）超聲儀是超聲檢測的基本裝置。其作用是產(chǎn)生重復(fù)的電脈沖去激勵發(fā)射換能器。發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波經(jīng)耦合進(jìn)入被測試件，在試件中傳播后為接受換能器所接收并轉(zhuǎn)換成電信號，電信號被送到超聲儀，經(jīng)放大后顯示在示波屏上。超聲儀除了產(chǎn)生、接收、顯示超聲波外，還須具有量測超聲波有關(guān)參數(shù)，如聲傳播時間、接收波振幅、頻率等功能。早期的超聲儀是電子管式，如英國制的UCT型超聲儀、國產(chǎn)的CTS-10型超聲儀。目前，國內(nèi)已有多家廠家批量生產(chǎn)多種型號的晶體管、集成電路混合史或帶有微機的超聲儀，如山頭超聲電子儀器公司生產(chǎn)的CTS-5型、CTS-45型、汕頭超聲儀器研究所生產(chǎn)的CTS-35型非金屬超聲檢測儀、湘潭無線電廠生產(chǎn)的SYC-2型非金屬超聲測試儀、煤炭科學(xué)研究所生產(chǎn)的2000A超聲儀。還有一些廠家生產(chǎn)便攜式超聲儀，如英國西恩斯工資生產(chǎn)的龐迪超聲儀、汕頭超聲電子儀器公司生產(chǎn)的CTS-31本安型非金屬超聲波檢測儀。他們的特點是儀器體積小、重量輕、便于攜帶，但主機無示波顯示設(shè)備，只能用自動整型關(guān)門方式進(jìn)行傳播時間一項指標(biāo)的測讀。早期的超聲儀屬于模擬式儀器，近10年來已發(fā)展成數(shù)字式儀器，如北京市康科瑞公司生產(chǎn)的NM型超聲儀、武漢巖海公司生產(chǎn)的RS型超聲儀、長沙白云儀器開發(fā)公司生產(chǎn)的SY型超聲儀。這些儀器都采用高速A/D采樣器將接收該采樣，變?yōu)閿?shù)字量進(jìn)行存儲、處理，儀器可以自動測量聲時，振幅并有較強的數(shù)據(jù)處理和分析功能。我國已頒布了混凝土超聲波檢測儀行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JG/T5004-92）。3.1.2換能器—井下聲波的產(chǎn)生和接受鐵磁性材料的磁狀態(tài)改變時，其尺寸也發(fā)生相應(yīng)的改變。在鐵磁性物質(zhì)的內(nèi)部，有很多微小的稱為“磁疇”的區(qū)域，表現(xiàn)出一定的磁性，在外磁場（地磁場）的作用下，這些磁疇排列成大致一樣的方向，外磁場取消后，磁疇的定向排列不發(fā)生改變，產(chǎn)生“剩余磁化”，因而鐵磁性材料呈現(xiàn)出磁性（剩磁）。對鐵磁性材料施加以交變磁場方向一直的取向，只是磁疇的邊界發(fā)生位移，在宏觀效果上就表示為鐵磁性材料的伸長和縮短變形。當(dāng)溫度升高時，由于分子熱運動加劇，磁疇的排列開始紊亂，其（剩余）磁化強度降低，相應(yīng)的磁致伸縮效應(yīng)也減弱。當(dāng)溫度升高到某一數(shù)值時，鐵磁性材料的磁性完全消失（退磁），磁致伸縮效應(yīng)也完全消失，這一特征溫度叫居里點。聲波測井常用的磁致伸縮材料—埠片的居里點為370oC，但實際上，當(dāng)溫度超過110oC時，埠片的磁致伸縮效應(yīng)已經(jīng)相當(dāng)微弱，以致不能正常發(fā)生聲波。壓電效應(yīng)是指某些單晶和多晶材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生電場的物理過程。壓電效應(yīng)也是可逆的，即在電場作用下，某些單晶和多晶材料上的應(yīng)力以及應(yīng)變也發(fā)生改變。具有壓電效應(yīng)的材料叫作壓電材料。逆壓電效應(yīng)則是指某些單晶和多晶材料在電場變化的情況下產(chǎn)生應(yīng)力變形的物理過程。CTS-25非金屬超聲波檢測儀與聲波水泥膠結(jié)測井儀器的比較對聲波儀器來講，聲波頻率的大小是最主要的差別。本研究在橫向上，比較同種混合材水泥石或同種密度混合材水泥石抗壓強度、抗折強度隨養(yǎng)護(hù)時間、養(yǎng)護(hù)溫度變化聲速的變化趨勢；縱向上，比較不同密度混合材水泥石隨養(yǎng)護(hù)時間、養(yǎng)護(hù)溫度變化聲速的變化趨勢。同時，比較同種抗壓（抗折）強度時，不同的混合材的加入對水泥聲速的不同影響。以及分析研究采用此混合材水泥固井的膠結(jié)測井結(jié)果之間的差別，因此，頻率不同的影響是可以忽略的。3.1.4CTS-25非金屬超聲波檢測儀的工作原理3.1.4.1換能器的工作原理現(xiàn)有的聲波測井儀器的發(fā)射換能器一般是圓管狀的壓電陶瓷。壓電陶瓷的工作原理是：經(jīng)極化處理的鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇一類材料，沿一定方向加以交變電壓時，在電場的作用下將發(fā)生形變，在外加電場變化范圍不大的條件下，形變（或線應(yīng)變）和外加電場成正比，此即逆壓電效應(yīng)或電致極化伸縮效應(yīng)。當(dāng)外加交變電壓的頻率和壓電陶瓷材料的固有頻率相同時，壓電陶瓷即產(chǎn)生按其固有頻率發(fā)生的形變，從而在周圍介質(zhì)中激發(fā)聲波。3.1.4.2縱波速度的實驗室測量圖4為CTS-25非金屬超聲波檢測儀正測量一長方體水泥石試模（）聲速。其操作的步驟為：圖4CTS-25非金屬超聲波儀工作曲線圖（1）量出水泥石的厚度；（2）連接好CTS-25非金屬超聲波檢測儀、發(fā)射探頭、被測水泥石、接收探頭。被測水泥石與聲波探頭之間用凡士林做偶合劑；（3）接通電源開關(guān)，在示波器上出現(xiàn)穩(wěn)定的波形后，調(diào)節(jié)CTS-25非金屬超聲波檢測儀的“手動標(biāo)刻”旋鈕，使示波器上的時標(biāo)信號對準(zhǔn)手波的起跳點，記下數(shù)碼管顯示的時間T（微妙為單位）；（4）撤去水泥石，將發(fā)射探頭和接收探頭直接對接（凡士林偶合），重復(fù)上述步驟，記下接收到的首波（從起跳點算起）時間；（5）計算聲速，聲波在長度為l的水泥石中傳播所用時間為，則聲速為；（6）對長方形狀的水泥石，要求在三個方向上進(jìn)行測量，分別的出三個方向上的聲速，計算各向異性。如果m越趨向于零，說明水泥石趨近于各向同性，質(zhì)地均勻，密度均勻。3.1.5CTS-25超聲儀聲學(xué)參數(shù)測量技術(shù)目前在超聲儀所常用的聲學(xué)參數(shù)為聲速、振幅、頻率、波形以及衰減系數(shù)。聲速即超聲波在混凝土中傳播的速度。它是混凝土超聲檢測中一個主要參數(shù)?；炷恋穆曀倥c混凝土的彈性性質(zhì)有關(guān)，也與混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)（孔隙、材料組成）有關(guān)。不同組成的混凝土，其聲速各不相同。一般來說，彈性摸量越高，內(nèi)部越是致密，其聲速也越高。而混凝土的強度也與它的彈性模量、它的孔隙率有密切關(guān)系。因此，對于同種材料與配合比的混凝土，強度越高，其聲速也越高。若混凝土內(nèi)部有缺陷（空洞、蜂窩體），所測得的聲速也將比無裂縫處聲速有所降低?？傊炷谅曀僦的芊从郴炷恋男阅芗捌鋬?nèi)部情況。接收波振幅通常指首波，即第一個波前半周的幅值，接收波的振幅與接收換能器處被測介質(zhì)超聲聲壓成正比，所以接收波振幅值反映了接收到的聲波的強弱。在發(fā)射出的超聲波強度一定的情況下，振幅值的大小反映了超聲波在混凝土中衰減的情況。而超聲波的衰減情況又反映了混凝土粘塑性能?；炷潦菑?粘-塑性體，其強度不僅和彈性性能有關(guān)，也和其粘塑性能有關(guān)，因此，衰減大小，即振幅高低也能在一定程度上反映混凝土的強度。對于內(nèi)部有缺陷或裂縫的混凝土，由于缺陷、裂縫使超聲波反射或繞射，振幅也將減小，因此，振幅值也是判斷缺陷與裂縫的重要指標(biāo)。由于振幅值的大小還取決于儀器設(shè)備性能、所處的狀態(tài)，耦合狀態(tài)以及測距的大小，所以很難有統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn)，目前只是作為同條件（同一儀器、同一狀態(tài)、同一測距）下相對比較用。如前所述，在超聲檢測中，由電脈沖激發(fā)出的聲脈沖信號是復(fù)頻超聲波脈沖波。它包含了一系列不同頻率成分的余弦波分量。這種含有各種頻率成分的超聲波在傳播過程中，高頻成分首先衰減（被吸收、散射）。因此，可以把混凝土看作是一種類似高頻濾波器的介質(zhì)，超聲波愈往前傳播，其所包含的高頻分量愈少，則主頻率也逐漸下降。這要取決于混凝土本身的性質(zhì)（質(zhì)量、強度）和內(nèi)部是否存在缺陷、裂縫等情況。要準(zhǔn)確細(xì)致地測量和分析接收波各頻率成分變化，須采用頻譜分析的途徑，這需要對波形采樣后送入計算機，進(jìn)行傅立葉變換，獲得頻譜圖。目前的數(shù)字式超聲儀具有這一功能。和振幅一樣，接收波主頻率的絕對值大小不僅取決于被測混凝土的性質(zhì)的內(nèi)部情況，也和所用儀器設(shè)備、傳播距離有關(guān)，目前只能用于同條件下的相對比較用。這里指的波形系指在顯示屏上顯示的接收波波形。當(dāng)超聲波在傳播過程中碰到混凝土內(nèi)部缺陷、裂縫或異物時，由于插屏聲波的繞射、反射和傳播路徑的復(fù)雜化，直達(dá)波、反射波、繞射波等各類波相繼到達(dá)接收換能器，它們的頻率和相位各不相同。這些波的疊加有時會使波形畸變。因此，對接收波波形的分析、研究有助于對很泥土內(nèi)部質(zhì)量及缺陷的判斷。鑒于波形的變化受各種因素的影響，目前對波形的研究只能作一般的觀察、記錄。這里還要說明的是，通常所用的縱波換能器所發(fā)射的超聲脈沖波不僅有縱波成分也有橫波成分。即便是較純的縱波，在通過混凝土內(nèi)各聲學(xué)界面后也有部分轉(zhuǎn)化為橫波。因此，接收到的一串波形中，既有縱波也有橫波。通常的波形分析與研究大多集中在波前部的縱波，而且最好是不受邊界影響的直達(dá)縱波。3.1.6抗壓強度及抗折強度實驗機下圖是本試驗測試抗壓強度的儀器，采用的是抗折抗壓實驗機JES-300型，如下圖所示：圖5抗壓抗折實驗機JES-300型.1水泥漿的配制稱取一定量的嘉華G級油井水泥和外摻料，加入其它處理劑，一起混合均勻，并取所需要量的水。然后把水放入混合容器中，攪拌器以各種不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動（不同外摻料所用轉(zhuǎn)速不同），在15秒內(nèi)加入水泥混合材料。然后蓋上攪拌器蓋子，繼續(xù)攪拌35秒，水泥漿體即可配成。.2模具的準(zhǔn)備強度試件模具內(nèi)表面薄薄地涂一層黃油，每一個模具的一半接觸表面也涂黃油，以便裝配時使連接處不漏水。要從裝配后的模具內(nèi)表面除去過剩的黃油。模具放在涂了一薄層黃油的玻璃片上。.3抗壓強度的測定將配制好的水泥漿放入準(zhǔn)備好的模具中，在指定的溫度和壓力下，養(yǎng)護(hù)所需要的時間。達(dá)到養(yǎng)護(hù)時間后拆模，冷卻1～2h至室溫，消除熱應(yīng)力的影響，并將兩端面磨平，不允許有缺損或裂紋，然后用材料試驗機進(jìn)行破碎實驗，再根據(jù)下式進(jìn)行計算即可得到水泥石的抗壓強度值。抗壓強度計算式：式中：Zf——試樣抗壓強度，（MPa）；F——試樣壓碎時的載荷，（N）；A——試樣截面積，（cm2）。圖是本實驗所用來測抗折強度的實驗機。圖6抗折強度實驗機3.2水泥漿配方材料對水泥結(jié)構(gòu)的影響降失水劑對水泥石結(jié)構(gòu)的影響水溶性聚合物作為降失水劑在40年代備受關(guān)注。開始它用于鉆井液。今天，這種材料也應(yīng)用到固井水泥槳中作為降失水劑。通常，它們是通過提高水相粘度和降低濾餅滲透率的雙重作用而達(dá)到降低濾失的目的。就控制失水而言，降低濾餅的滲透性更為重要。當(dāng)一種水泥漿中加入足夠的降濾失劑把失水控制在25m1／30min時，其濾餅的滲透率要比純水泥漿濾餅的滲透率小1，000倍左右(Binklcy等，1957Deshriersl988)，而此時間隙中水相粘度的增加至多不超過5倍(見表2)。所有纖維素類降濾失劑都有一個共同的缺點，即它們都是有效的水相增粘劑，從而導(dǎo)致了水泥漿配制難度的增加．最終引起過高的水泥漿粘度。當(dāng)溫度低于65℃時，纖維素降失水劑又是有效的緩凝劑，故而要注意防止水泥漿的過度緩凝逐。纖維素聚臺物的作用效果隨溫度的上升而下降，所以纖維素類降濾失劑通常不能用于循環(huán)溫度超過93膠乳水泥漿具有良好的失水控制性能。膠乳系指乳化聚合物，提供的產(chǎn)品一般為極細(xì)球狀聚合物顆粒的懸浮乳狀液(粒度在200—500nm之間)。多數(shù)膠乳分散液固相含量為50％?？招钠榕c硅藻土對低密度水泥石結(jié)構(gòu)的影響微珠填加劑是充有氣體的小球，比重在0.4—0.6。用它可以配制出密度為8.5磅/加侖(1.02g/微珠早期主要用于導(dǎo)管和表層套管固井，因為經(jīng)常遇到井眼沖刷和破裂壓力低的問題。但今天微珠的應(yīng)用更加廣泛，在許多場合下微珠水泥可以省略掉多級注水泥固井。微珠的明顯缺陷是不能承受高靜水壓力，不能用于深井。設(shè)計和配制微珠水泥漿須特別謹(jǐn)慎．能降低水泥漿密度的玻璃微珠來源甚廣，通常要按其所能承受的靜水壓力的大小而分類。微珠的平均粒度與水泥顆粒接近，一般分布在20—200之間，壁厚在0.5一0.2左右。大多數(shù)級別的玻璃微珠可承受5000psi的壓刀，但對一些壁較厚比重較大的特種微球，耐壓可達(dá)10,000psi。玻璃微球比陶瓷微球昂貴，故而應(yīng)用較少。陶瓷微珠是由飛灰衍變而成的，外殼成分還是硅鋁酸鹽，內(nèi)部氣體為CO2和N2的混合物。這種微珠比玻璃微珠重，比重為0.7，體積密度2.7磅／英尺。配制更低密度的水泥漿，需更大的加量(Harms和S前巳述及，中空微珠處在高靜水壓力下易產(chǎn)生破裂或破碎，造成水泥漿密度上升，但這種密度上升可以預(yù)測，在設(shè)計計算時對此必須予以考慮。當(dāng)井底壓力超過4500psi時不推薦使用陶瓷微珠?；旌线^程中保證微珠不從水泥顆粒中分離極為重要。微珠必須與水泥充分干混。絕對不能預(yù)先混在水中。微珠與水泥比例的任何改變都有可能造成混配期間密度的不穩(wěn)定。微珠與所有級別的水泥都有很好的相容性。硅藻上是由海水或淡水中沉淀下的硅藻殘骸所組成，其主要成分是含10％水的不定形水合二氧化硅蛋白。把它用作火山灰填充劑，須將其研磨到細(xì)度接近波特蘭水泥的細(xì)度。所以，該材料比表面積大，耗水量也大。加入硅藻土后水泥漿的性能與加入膨潤土后水泥漿的性能相似，但其增粘效果不大。此外，由于它的火山灰的活性，硅藻土凝固水泥強度要比般土凝固水泥強度高。主要缺點是成本較高。硅藻土純度越高，其成本就越高，尤其是國外進(jìn)口硅藻土其成本非常高，考慮油田的承受能力，因此不能用高純度的硅藻土作為外摻料來配制低密度水泥漿體系。而本研究中所用的硅藻土是從硅藻土礦中開采出來后只經(jīng)粉磨而未進(jìn)行深加工的硅藻土。因此其作為外摻料來配制低密度水泥漿，其成本就大大降低了。硅藻土和微硅比表面都較高，吸水性強，用其配制的低密度水泥漿懸浮穩(wěn)定性好，因此綜合其優(yōu)點可以完成論文的研究目標(biāo)。鈦鐵礦與重晶石對高密度水泥石結(jié)構(gòu)的影響鈦鐵礦石(FeTiO3)系黑色顆粒材料，比重為4.45，它對水泥漿的稠化時間和抗壓強度的影響很小。目前提供的鈦鐵礦石的粒度分布較粗，須調(diào)整合適的水泥漿粘度以防止沉淀。鈦鐵礦石能使水泥漿密度加重到20.0磅/加侖(2.48g/cm3)以上。重晶石是一種白色粉末材料，是油田應(yīng)用最廣的加重劑，但與鈦鐵礦石或赤鐵礦石相比，它不算是一種有效的加重劑。盡管它的比重高達(dá)4.33，但要加入更多的水來潤濕顆粒。所以使用效果受到削弱，而且多余的水要降低凝固水泥的抗壓強度。用重晶石配制的水泥漿密度可達(dá)19.0磅／加侖(2分散劑對水泥石結(jié)構(gòu)的影響油井水泥漿是一種高濃縮固相顆粒水基懸浮體，固相濃度可高達(dá)70％。這種懸浮體的流變性能與懸浮液的流變性、固相體積分?jǐn)?shù)和固相顆粒間的相互作用直接有關(guān)。在水泥漿水相中含有大量的離子核和有機添加劑。所以，水的組成不同流變性也隨之不同。水泥漿的固相含量直接決定水泥漿密度，而顆粒間的相互作用則取決表面電荷分布。水泥分散劑，建筑業(yè)稱之“超級增塑劑”，則是通過調(diào)節(jié)顆粒表面電荷以獲得合適的水泥漿流變性。水泥漿中加入足夠的分散劑，屈服值降為零，表現(xiàn)出牛頓液體的流變行為。分散劑對水泥漿濃度的影響常常不同于對屈服值的影響。盡管在開始階段，水泥顆粒間的靜電作用隨分散劑濃度而增大，但顆粒聚集體的尺寸卻急劇地減小，束縛水的體積相應(yīng)也隨之減少，從而表現(xiàn)出水泥漿的濃度隨分散劑的濃度持續(xù)降低。—0.3％BWOC)。在現(xiàn)場條件下，添加劑濃度控制在這樣窄的范圍十分困難。因此常須加入“反沉淀劑”以托寬低屈服值下濃度范圍和降低自由水的產(chǎn)生。反沉淀劑是能夠恢復(fù)屈服值的材料，但它仍能保持可泵性和適宜的流動阻力。微硅對水泥石結(jié)構(gòu)的影響固井水泥中使用了兩種經(jīng)過仔細(xì)篩選后的硅石：石英和硅石蒸氣冷凝物。石英常用于熱采井固并，防止波特蘭水泥強度衰減。最常用兩種顆粒粒度是：平均粒度為100m的“石英砂”和平均粒度為15m的“硅石粉”。出于成本原因，這些材料很少單獨作為水泥的填加劑。硅石蒸氣冷凝物(也叫做硅石)是生產(chǎn)硅、硅鐵或其它硅合金的副產(chǎn)品，每個顆粒都是不定形玻璃微珠，平均粒度處在0.1m—0.2m之間(約比波特蘭水泥或飛灰顆粒細(xì)50—100倍)，故而表面積特別大(15，000—25，000m2/kg)。硅石蒸氣冷凝物由于純度高細(xì)度小所以反應(yīng)活性很高，是目前見到的最有效的火山灰材料(Parker,1981)。由于該材料的比表面積較大，配制水泥漿時用水較多。所以配制110磅／加侖水泥漿可基本不含自由水。同時它的高反應(yīng)活性能使低密度水泥漿抗壓強度形成速度加快(Carathers和Grook1987)。它的加量一般在15％BW4水泥石超聲波測試4.1基本特性實驗4水泥配方編號配方組分外加劑組分與加量%溫度水泥密調(diào)劑穩(wěn)定劑輔助減阻降濾調(diào)凝促強活化℃AG鐵礦粉硅砂075BG重晶石硅砂075CG1075DG075EG類火灰硅灰375FG漂珠硅粉潛火灰575表3配方設(shè)計4實驗數(shù)據(jù)記錄整理養(yǎng)護(hù)溫度：75從圖7、圖8、圖9曲線分析后可以得到以下結(jié)論：1）鐵礦粉與正常密度水泥石的聲速隨養(yǎng)護(hù)時間的增加而逐漸增加，而超過72h后聲速變化不明顯；2）低密度水泥石的聲速隨養(yǎng)護(hù)時間的增加逐漸減小，超過72h后聲速變化不明顯；3）聲速與水泥石抗壓和抗折強度成正相關(guān)關(guān)系，與抗折強度關(guān)系更明顯；4）水泥石強度與養(yǎng)護(hù)時間有關(guān)，如強度隨養(yǎng)護(hù)時間增長顯著，聲波速度隨之增大；5）1天養(yǎng)護(hù)時間變化，最終強度變化不大，聲波速度變化不大；6）早期強度發(fā)展快，聲速變化大；7）與外加劑類型和外摻料類型有關(guān)（與凝結(jié)后內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)），能夠促進(jìn)早強者聲速大。4.2同一溫度下不同材質(zhì)對聲速影響實驗（材質(zhì)對聲速的影響）4正常密度水泥石聲速變化正常密度水泥石配方設(shè)計采用0