聲波水泥膠結(jié)測(cè)井畢業(yè)論文

1緒論1.1目的意義聲波水泥膠結(jié)測(cè)井是目前固井質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)用最為廣泛的方法之一。但是，聲波測(cè)井缺乏聲波耦合與水泥封固質(zhì)量間的關(guān)系，所測(cè)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(shí)上聲波測(cè)井結(jié)果還與于水泥石的性質(zhì)密切相關(guān)。長(zhǎng)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(shí)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(shí)間變化，所以聲波測(cè)井結(jié)果也隨時(shí)間變化；套管外整個(gè)環(huán)形空間的水泥柱并不是都處于同樣的物理狀態(tài)。對(duì)于長(zhǎng)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(cè)井的結(jié)果也會(huì)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(duì)正確分析測(cè)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(duì)關(guān)于組分不同以及物理機(jī)械性能隨時(shí)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(cè)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(jì)（物理性能、組分設(shè)計(jì)）將會(huì)直接影響水泥膠結(jié)測(cè)井結(jié)果。文獻(xiàn)[1]分析并闡述了常規(guī)水泥組分對(duì)硬化水泥的物理特性以及對(duì)水泥膠結(jié)測(cè)井主要輸出信號(hào)、首波振幅衰減率的影響程度，但針對(duì)目前油田大量使用的混合材水泥，國(guó)內(nèi)、外相關(guān)研究成果還很少。因此對(duì)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(shí)、合理評(píng)價(jià)固井質(zhì)量。1.2聲波水泥膠結(jié)測(cè)井綜述（建議在本節(jié)中先談測(cè)井方法，再談它們的共同點(diǎn)，盡量與本文研究?jī)?nèi)容相關(guān)）套管波測(cè)量井下聲波信號(hào)幅度的聲幅測(cè)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(shí)也稱為水泥膠結(jié)測(cè)井。由于聲幅測(cè)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(duì)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(zhǎng)，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(cè)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(duì)20千赫的聲波信號(hào)，波長(zhǎng)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?yàn)閄方向，Y方向?yàn)樵坠艿膱A周方向，Z方向?yàn)樘坠艿暮穸确较颍ㄈ鐖D1）。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?yàn)榭諝猓?，即表面為自由表面時(shí)，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(jiǎn)化為XZ平面中的二維問題，則平板中各質(zhì)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(shí),（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(dòng)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(duì)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(shí)，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(duì)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(zhǎng)。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(cè)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(fèi)爾馬時(shí)間最小原理：沿套管壁上各點(diǎn)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(cè)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，井下同一深度（X）的各點(diǎn)在各個(gè)方向的壓強(qiáng)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(qiáng)；—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(shí)，則在深度為x處，套管外介質(zhì)對(duì)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(dòng)受到約束的法向應(yīng)力為（9）此時(shí)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(yùn)動(dòng)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(dòng),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(dòng)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(jì)算總的法向應(yīng)力時(shí)，作用在套管壁上的法向應(yīng)力的方向是相反的。此時(shí)，當(dāng)有套管波沿軸向（x方向）傳播時(shí)，套管上所受的應(yīng)力為（10）（11）由（10）、（11）可以得到代入運(yùn)動(dòng)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(shí)，若承認(rèn)氣體密度和水或泥漿密度相比可以忽略時(shí)，有（12）稱A1為套管外為氣體時(shí)，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(shí)，阻尼因子記為A2，套管外為凝固水泥時(shí)，阻尼因子記為A3，但其表達(dá)式需另外規(guī)定。因?yàn)樵谔坠芡鉃槟趟鄷r(shí)，計(jì)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(shí)，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(shí)套管波將受到最大的阻尼；套管外為水或泥漿時(shí)阻尼較小，而管外為氣時(shí)阻尼最小。2）影響套管波幅度的各種因素套管對(duì)套管波幅度的影響套管波沿套管傳播時(shí)，其幅度要下降。這種幅度下降既包括套管本身對(duì)聲波能量的吸收，也包括由于套管直徑及厚度不同時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)直徑為14厘米的套管，當(dāng)水泥環(huán)厚度大于2厘米時(shí)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(gè)圓周分布時(shí)膠結(jié)程度為100%，套管外完全無水泥膠結(jié)時(shí)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(shí)，記錄到的聲幅值僅為套管外無水泥膠結(jié)時(shí)（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(shí)，亦即套管外水泥環(huán)在各個(gè)方位厚薄不均勻時(shí)，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(shí)（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(cè)量時(shí)間對(duì)套管波幅度的影響固井后，水泥由流體凝固成堅(jiān)硬的固體要經(jīng)過一定的時(shí)間，因而套管波幅度也隨固井后進(jìn)行聲幅測(cè)井的時(shí)間不同而發(fā)生變化。國(guó)內(nèi)目前用的500號(hào)固井水泥，在固井后18到22h即可凝結(jié)（但未達(dá)到最大強(qiáng)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(duì)于滲透性的砂巖層段（特別是水層），水泥凝固較快，聲幅測(cè)量值在約20h后就趨于穩(wěn)定，而且幅度較低。對(duì)非滲透性層段，水泥凝固慢，約在固井前70h聲幅測(cè)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(qiáng)度都不大）。除上述各種因素外，對(duì)水泥環(huán)形成有影響的任何因素都對(duì)聲幅測(cè)量結(jié)果有影響。如固井時(shí)，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(shí)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(duì)聲幅的測(cè)量結(jié)果有影響。除了井下的條件外，儀器的性能及測(cè)量條件也對(duì)聲幅的測(cè)量結(jié)果有影響。例如聲學(xué)探頭的溫度性能；測(cè)量時(shí)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(shí)經(jīng)常發(fā)生，則所測(cè)量到的聲幅數(shù)值也將明顯下降。聲幅測(cè)井解釋方法影響聲幅測(cè)井測(cè)量結(jié)果的因素至少可以分為3類：井身?xiàng)l件的影響、儀器性能的影響、測(cè)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(cè)井的記錄方式不同，聲幅測(cè)井記錄的不是目的層段聲幅絕對(duì)值的大小。因?yàn)榧词褂涗浀教坠懿ㄊ撞ǚ鹊臏?zhǔn)確數(shù)值，由于影響因素復(fù)雜也很難對(duì)其進(jìn)行解釋。目前聲幅測(cè)井的解釋都以聲幅測(cè)量的相對(duì)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(cè)量的相對(duì)值。水泥膠結(jié)情況各不相同的全井段上，聲幅測(cè)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(duì)套管外水泥膠結(jié)情況不同的層段，聲幅測(cè)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(hào)的頻率等因素有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，在套管外水泥膠結(jié)情況固定不變的條件下，對(duì)一定頻率的聲波信號(hào)，源距增大（從增大到）時(shí)K值亦增大。但在井下實(shí)測(cè)時(shí)，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(cè)井記錄的聲幅值實(shí)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(cè)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(hào)（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(hào)，則會(huì)由于高頻率聲信號(hào)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(gè)層段上測(cè)得的聲幅曲線都有較大的K值。聲幅測(cè)井曲線上，在固井工程預(yù)計(jì)的水泥上返高附近聲幅值變化最明顯處所對(duì)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(duì)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(zhǎng)度的負(fù)異常尖鋒值（由于接箍長(zhǎng)度有限）。在套管外有氣層特別是高壓氣層時(shí)，由于氣侵，在對(duì)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(cè)井方法檢測(cè)微間隙的物理機(jī)理是,由于微間隙的存在,套管外介質(zhì)對(duì)套管波傳播的阻尼情況發(fā)生變化,致使聲幅測(cè)井記錄到的套管波首波幅度改變。檢測(cè)微間隙的聲幅測(cè)井儀的聲系應(yīng)該用較短的源距和較高的聲信號(hào)頻率,以使在聲幅測(cè)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(yàn)和刻度。檢測(cè)微間隙的聲幅測(cè)井和常規(guī)聲幅測(cè)井方法一樣，是在套管內(nèi)壓力不改變時(shí)進(jìn)行的（靜態(tài)），這種測(cè)量雖然能探測(cè)到微間隙，但其靈敏范圍不大。為增加對(duì)微間隙探測(cè)的靈敏范圍，可在套管井井內(nèi)壓力變化的條件（動(dòng)態(tài)）下進(jìn)行的聲幅測(cè)井，國(guó)外資料將其稱為動(dòng)態(tài)聲幅測(cè)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(shí)），也可以是在已射孔的井內(nèi)進(jìn)行油層誘噴時(shí)的減壓。當(dāng)套管內(nèi)壓力改變時(shí)，套管發(fā)生徑向變形，如套管的徑向膨脹（套管內(nèi)增壓時(shí)）會(huì)使環(huán)狀微間隙寬度減小，套管外水泥環(huán)對(duì)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(cè)的聲幅測(cè)井曲線，其聲幅測(cè)量值有變化的層段即為有環(huán)狀微間隙的層段。聲幅測(cè)井雖然是使用最早的聲波測(cè)井方法之一，但是其影響因素復(fù)雜，因而國(guó)外有資料指出：“聲幅測(cè)井是最為人們?yōu)E用、誤用和錯(cuò)誤理解的測(cè)井方法之一”。因此為判斷和評(píng)價(jià)套管外水泥膠結(jié)情況，應(yīng)該發(fā)展更為可靠的聲波測(cè)井方法。聲波變密度測(cè)井聲幅測(cè)井只記錄到聲波波列中首波的幅度，因而只能檢查對(duì)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(cè)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(hào)。例如當(dāng)?shù)貙勇曀俅笥谒喹h(huán)聲速時(shí)，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(duì)聲波波列的后續(xù)波的到達(dá)時(shí)間（或速度）、幅度進(jìn)行記錄，就可能不僅對(duì)套管和水泥環(huán)的膠結(jié)情況，而且對(duì)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(duì)套管外地層的性質(zhì)及其變化進(jìn)行研究，如儲(chǔ)集層孔隙結(jié)構(gòu)變化的評(píng)價(jià)及出砂層位的判斷等。聲波變密度測(cè)井（變厚度）測(cè)井就是根據(jù)上述原理提出來的。聲波變密度測(cè)井對(duì)井下接收到的聲波波列前十二個(gè)至十四個(gè)波的幅度及到達(dá)時(shí)間進(jìn)行記錄。井下聲系和常規(guī)聲幅測(cè)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(hào)的全波信號(hào)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(hào)由電纜傳輸?shù)降孛?。地面儀器將接收到的全波列信號(hào)進(jìn)行檢波，保留全波列中的前十二至十四個(gè)波的正半周，并根據(jù)這十二至十四個(gè)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(gè)亮點(diǎn)的輝度（或?qū)挾龋诰侣曄堤嵘龝r(shí)，接收探頭接收到的整個(gè)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(shí)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(gè)波對(duì)應(yīng)的亮點(diǎn)輝度（或?qū)挾龋┑淖兓癤軸（時(shí)間軸）方向上的位移，用照相機(jī)在感光膠卷上記錄這十二至十四個(gè)亮點(diǎn)隨井下聲系在不同深度時(shí)的變化規(guī)律，即可在膠卷上得到聲波變密度測(cè)井圖。在這種圖上，每個(gè)波的幅度表現(xiàn)為感光銀膜的厚度，幅度大的波相對(duì)應(yīng)于顯象管上輝度大的亮點(diǎn)，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(diǎn)或線條；幅度小的波相對(duì)應(yīng)于顯象管上輝度小的亮點(diǎn)，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(diǎn)或線條。而每個(gè)波相的到達(dá)時(shí)間在變密度測(cè)井圖上呈現(xiàn)為象點(diǎn)或線條在左右方向的位移。這樣，在變密度測(cè)井圖上就同時(shí)記錄了隨聲系在井下的深度改變時(shí)每個(gè)波的幅度及到達(dá)時(shí)間的變化，也就是說同時(shí)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(cè)井目前只能把聲波信號(hào)幅度變成顯象管上光點(diǎn)的亮暗，在變密度測(cè)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(cè)井圖還難以做出定量解釋，而僅能用來定性的對(duì)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(cè)井記錄的也是聲波信號(hào)幅度，但是它和常規(guī)聲幅測(cè)井的差別在于，變密度測(cè)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(gè)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(shí)驗(yàn)用聲波變密度測(cè)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(cè)井圖上，由于套管波的到達(dá)時(shí)間是固定的，因此對(duì)應(yīng)于套管波的線條（相線）在時(shí)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(yàn)表明，接收到的波列中，前三個(gè)波相和套管波有關(guān)，即變密度測(cè)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(cè)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(hào)有關(guān)，因?yàn)槟趟嗟穆曀贋橐还潭ㄖ?，所以第四至第六條相線在時(shí)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(cè)井圖即可評(píng)價(jià)套管和水泥環(huán)、水泥環(huán)和地層的膠結(jié)情況，亦即評(píng)價(jià)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(cè)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(shí)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(duì)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(cè)井國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀20世紀(jì)50年代初聲波測(cè)井方法在國(guó)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(yàn)水泥膠結(jié)質(zhì)量的聲幅測(cè)井；測(cè)量井剖面聲波縱波速度倒數(shù)的聲波速度測(cè)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(cè)井，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的三維體積掃描測(cè)井；長(zhǎng)源距全波列測(cè)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(cè)井。80年代中期，陣列聲波測(cè)井儀的出現(xiàn)，能將常規(guī)井眼補(bǔ)償聲系與長(zhǎng)源距聲系以及井徑等進(jìn)行測(cè)量綜合，對(duì)管波的記錄加以重視。用聲波水泥膠結(jié)測(cè)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(cè)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(cè)井時(shí)．由于聲信號(hào)嚴(yán)重衰減，裸眼測(cè)井聲波傳播時(shí)間曲線上經(jīng)常產(chǎn)生周期性的間斷。儀器偏心對(duì)套管波幅度具有較大影響，對(duì)變密度資料影響較小。根據(jù)變密度波列特征可以識(shí)別到儀器偏心的影響。測(cè)井時(shí)間的選擇對(duì)測(cè)井資料具有較大影響，過早和過晚對(duì)固井質(zhì)量的正確評(píng)價(jià)都會(huì)產(chǎn)生明顯影響。套管與測(cè)井儀器間隙越大，測(cè)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(duì)固井質(zhì)量評(píng)價(jià)具有一定的影響，軟地層和快地層固井質(zhì)量的評(píng)價(jià)應(yīng)充分考慮地層巖性作用的影響。微環(huán)隙對(duì)固井質(zhì)量的正確評(píng)價(jià)具有明顯影響，根據(jù)聲幅-變密度資料對(duì)比可以定性識(shí)別微環(huán)隙的存在?，F(xiàn)有水泥膠結(jié)測(cè)井存在以下問題：1、水泥膠結(jié)測(cè)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(gè)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(duì)套管波首波幅度的影響；二是缺乏定量解釋的實(shí)驗(yàn)及理論支持，解釋評(píng)價(jià)模型過于簡(jiǎn)單，因此評(píng)價(jià)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(duì)未膠結(jié)層段的方位無法作出準(zhǔn)確定位，對(duì)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(píng)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(cè)井實(shí)驗(yàn)?zāi)M，得出：實(shí)驗(yàn)波形與理論波形具有一致的規(guī)律性；聲源的頻率特性對(duì)全波波形具有顯著影響；當(dāng)套管與地層之間存在間隙時(shí)，導(dǎo)波存在明顯的持續(xù)振蕩現(xiàn)象，該特征對(duì)于采用短源距全波測(cè)井方法進(jìn)行固井水泥膠結(jié)質(zhì)量的評(píng)價(jià)具有重要意義。漂珠低密度水泥固井質(zhì)量的評(píng)價(jià)：根據(jù)四種密度水泥固井模擬試驗(yàn)井的檢測(cè)資料，描述常溫下聲幅與水泥候凝時(shí)間的關(guān)系，為選擇最佳測(cè)井時(shí)間和制定低密度水泥固井質(zhì)量聲幅測(cè)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(cè)井的刻度段，以解決水泥上返井口時(shí)聲幅測(cè)井無法刻度的設(shè)想，并指出，聲幅測(cè)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(píng)價(jià)：為了克服普通水泥膠結(jié)技術(shù)的缺點(diǎn)，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(duì)水力膠結(jié)的評(píng)價(jià)；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(píng)價(jià)地層的膠結(jié)情況。聲波全波測(cè)井的相似模擬實(shí)驗(yàn)研究：聲波全波相似模擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬實(shí)際聲波測(cè)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(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)記錄波形與理論合成波形的基本特征較一致。對(duì)陣列實(shí)驗(yàn)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(cè)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(duì)全波波形特征也有顯著的影響。聲源頻率特性對(duì)全波特征也有顯著影響。全波相似模型實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行У啬M實(shí)際聲波測(cè)井，從而可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)方便地研究聲波測(cè)井參數(shù)與儲(chǔ)層物性參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系，為擴(kuò)大聲波測(cè)井的應(yīng)用范圍提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。微水泥膠結(jié)測(cè)井儀：一種新的用于測(cè)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(cè)井儀。該儀器具有測(cè)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(gè)由扇形發(fā)射器和接受器組成的聲系可對(duì)徑向水泥進(jìn)行高方位分辨率的補(bǔ)償測(cè)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(cè)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(qiáng)探測(cè)水泥串槽。在套管井中用聲波全波測(cè)井確定地層特性：通過合成聲波全波列測(cè)井微地震圖的計(jì)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(duì)地層體波到達(dá)時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)間長(zhǎng)。在這種情況下，經(jīng)套管傳播的聲波信號(hào)將顯著的影響地層P波信號(hào)。流體層厚度變化對(duì)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(shí)，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(dòng)，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(hào)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(hào)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(cè)到一個(gè)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(duì)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(shí)到達(dá)。輕微的儀器偏心（1/4倍in）能引起信號(hào)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(hào)的幅度對(duì)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(qiáng)水泥（可能有水動(dòng)力連通）與100%水泥充填的低強(qiáng)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(duì)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(cè)井評(píng)價(jià)泡沫水泥固井質(zhì)量：斯倫貝謝公司的評(píng)價(jià)技術(shù)和多維爾分公司對(duì)泡沫水泥的專門技術(shù)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)指出，常規(guī)的水泥膠結(jié)測(cè)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(qiáng)度小于1000磅/英尺2時(shí)，反映聲波信號(hào)衰減率與水泥壓縮強(qiáng)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(píng)價(jià)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(qiáng)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(huì)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(cè)井能夠探測(cè)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(cè)方法。長(zhǎng)源距聲波測(cè)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(cè)井明顯地較常用聲波測(cè)井更為精確。當(dāng)橫波速度比流體縱波速度快時(shí)，可直接用儀器測(cè)量橫波速度。當(dāng)折射不存在時(shí)，也可從管波提取橫波速度。測(cè)井和巖心資料想比較表明管波傳播時(shí)間和幅度比，可用來定性地提供滲透率測(cè)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(shí)軸積分法通過數(shù)值計(jì)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(duì)組成全波的各波相進(jìn)行考察，得出以下結(jié)論：多年來對(duì)井孔波場(chǎng)的分析采用了雙重付氏變換和圍道積分方法，一般是在時(shí)域上利用幾何聲學(xué)方法通過各波相到時(shí)的不同對(duì)各分波進(jìn)行劃分，由于井況等因素的影響使得聲場(chǎng)分析非常復(fù)雜和不完善，而對(duì)于一個(gè)確定的井孔-地層體系，其波場(chǎng)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(duì)波場(chǎng)性質(zhì)作出全面的描述；裸眼井聲測(cè)井全波列中各分波到時(shí)差別比較大，因此在時(shí)域上利用幾何聲學(xué)可粗略地對(duì)組策劃能夠全波的個(gè)分波進(jìn)行區(qū)分，而利用頻率-波數(shù)域分析方法可以對(duì)各分波作出更為清楚地劃分，從而對(duì)全波有了更清楚的認(rèn)識(shí)；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(duì)波場(chǎng)作出全面的描述，而在頻率-相速度圖中波場(chǎng)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(cè)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(duì)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(píng)價(jià)沒有性能齊全的刻度評(píng)價(jià)系統(tǒng)，以至于解釋程度不高，遼河測(cè)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(cè)井儀及指定水泥膠結(jié)評(píng)價(jià)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)提供了重要基礎(chǔ)，是測(cè)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(píng)價(jià)固井水泥膠結(jié)質(zhì)量的測(cè)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(diǎn)及其在聲波測(cè)井和伽馬密度測(cè)井資料中的特征，提出了以聲波測(cè)井為主，輔以伽馬密度測(cè)井，對(duì)固井I界面微環(huán)進(jìn)行評(píng)價(jià)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(duì)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(duì)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(shí)，聲波測(cè)井解釋很難將水泥與水加以區(qū)別。但對(duì)于混合材水泥,國(guó)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(shí)際上任何介質(zhì)總有一個(gè)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(shí)，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(shí)，其方向、強(qiáng)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?yàn)閅軸（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(shí)，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(shí)除以，有（14）記為介質(zhì)Ⅰ中質(zhì)點(diǎn)在入射聲波聲壓作用下沿方向的振動(dòng)速度；記為介質(zhì)Ⅰ中質(zhì)點(diǎn)在入射聲波聲壓作用下沿方向的振動(dòng)速度；記為介質(zhì)Ⅱ中質(zhì)點(diǎn)在入射聲波聲壓作用下沿方向的振動(dòng)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(diǎn)在介質(zhì)分界面上法線方向的振動(dòng)速度連續(xù)，應(yīng)有由于，上式可以改寫成（15）（14）、（15）應(yīng)對(duì)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(jiǎn)化為由（16）與（18）消去，有可得（21）由于聲強(qiáng)有效值和聲壓有效值的關(guān)系為可定義聲強(qiáng)反射系數(shù)及聲強(qiáng)透射率即（22）即（23）可以由（20）、（21）（22）、（23）得到，在正入射的時(shí)候（），聲壓反射率：（24）聲強(qiáng)反射系數(shù)：（25）聲壓透射率：（26）聲強(qiáng)透射系數(shù)：（27）從（24）和(26)可見：若，則，。這時(shí)聲波全部從第一介質(zhì)透射入第二介質(zhì)。對(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，此時(shí)的入射角叫第一臨界角，用符號(hào)表示。顯然，當(dāng)入射角大于第一臨界角時(shí)，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(shí)，此時(shí)的入射角叫第二臨界角，用符號(hào)表示，（30）事實(shí)上，當(dāng)聲波在一種介質(zhì)中傳播時(shí)，有時(shí)會(huì)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(shí)的透射率比充滿水時(shí)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(cè)。1.聲耦合率分析聲耦合率公式為（31）實(shí)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(shí)，套管能量越小，這種膠結(jié)越好，套管中聲波能量就越?。环粗坠苤械穆暡芰烤驮酱?；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(huì)出現(xiàn)較大的異常。聲波幅度測(cè)井測(cè)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(cè)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(hào)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(píng)價(jià)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(duì)(24)、(25)、(26)、(27)和(31)的分析可以知道，聲波在兩個(gè)介質(zhì)界面上反射回的能量的大小，主要還是依賴于兩個(gè)介質(zhì)聲阻抗的大小差異。對(duì)CBL與VDL來講，地層巖性的聲阻抗可以通過巖石取樣在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得，套管的聲阻抗也可以計(jì)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(shí)，聲速變化將決定阻抗數(shù)值，從而直接影響到對(duì)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(jiǎn)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(shí)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(cè)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(kuò)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(duì)聲波衰減的強(qiáng)弱。對(duì)（1）取對(duì)數(shù)，得（33）現(xiàn)在的單位制定對(duì)衰減的度量用另一單位：分貝，其是兩個(gè)同量綱的比值取常用對(duì)數(shù)再乘以20。又聲波的聲壓與介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)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(shí)，由于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；同時(shí)，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(duì)水泥環(huán)來說，一方面因?yàn)槠渲写蟮念w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(duì)聲波的散射。同時(shí)，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(kuò)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(zhǎng)時(shí)，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(zhǎng)相近時(shí)，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(kuò)散角。因波束的擴(kuò)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(qiáng)均隨距聲源距離的增加而減弱。在混凝土超聲檢測(cè)中所采用的低頻超聲波，其擴(kuò)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(kuò)散而引起的衰減稱擴(kuò)散衰減，其大小僅取決于聲幅射器的擴(kuò)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(jì)算介質(zhì)的衰減系數(shù)時(shí)總是希望將該項(xiàng)衰減修正消除或在測(cè)量時(shí)選取相同距離，使擴(kuò)散衰減成為一恒量，使其不影響所測(cè)得的衰減系數(shù)結(jié)果作為相對(duì)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(jì)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(shí)。1.4研究?jī)?nèi)容、目標(biāo)和思路研究?jī)?nèi)容本研究的基本著眼點(diǎn)是固井質(zhì)量評(píng)價(jià)中測(cè)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?jī)?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(qiáng)度、抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)溫度變化聲速的變化趨勢(shì)；縱向上，比較不同密度混合材水泥石隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)溫度變化聲速的變化趨勢(shì)。同時(shí)，比較同種抗壓（抗折）強(qiáng)度時(shí)，不同的混合材的加入對(duì)水泥聲速的不同影響。研究目標(biāo)目前，油田現(xiàn)場(chǎng)固井施工時(shí)，注水泥主要使用的還是混合材水泥配方。而國(guó)內(nèi)外均還未對(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)水泥膠結(jié)測(cè)井結(jié)果的影響。1.4.1研究思路通過對(duì)國(guó)內(nèi)外固井質(zhì)量評(píng)價(jià)手段：聲波水泥膠結(jié)測(cè)井的調(diào)研與分析，不難看出，現(xiàn)有聲波水泥膠結(jié)測(cè)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(shí)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(píng)價(jià)：地層巖性的聲阻抗可以通過巖石取樣在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得，套管的聲阻抗也可以計(jì)算得到。因此，必須對(duì)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(duì)直徑為14厘米的套管,當(dāng)溫度變化℃時(shí)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(huì)引起套管直徑的變化,對(duì)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(shí)在井內(nèi)引起強(qiáng)烈震動(dòng)，射孔密度過大也會(huì)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(huì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，對(duì)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(shí)，套管外介質(zhì)對(duì)套管波的“阻尼”略有增強(qiáng)，套管波幅度應(yīng)略減小。而當(dāng)套管外為凝固水泥時(shí)，對(duì)套管波的“阻尼”作用最強(qiáng)，因此，套管波幅度最小。根據(jù)某一次水泥膠結(jié)測(cè)井響應(yīng)判斷微間隙的方法是:水泥實(shí)際返高之下的整個(gè)固井井段,聲幅曲線基本上均高于膠結(jié)“優(yōu)”對(duì)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(duì)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(shì)。根據(jù)時(shí)間推移水泥膠結(jié)測(cè)井響應(yīng)來判斷:隨著時(shí)間的推移,后續(xù)的水泥膠結(jié)測(cè)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(cè)井相比,前面描述的測(cè)井響應(yīng)特征沒有明顯改善。對(duì)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(shí)間:如果在水泥養(yǎng)護(hù)期間套管內(nèi)憋壓過大,憋壓時(shí)間過長(zhǎng),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(cè)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(shí)，且微間隙充滿水或氣體時(shí)，套管與水或氣體的接觸面上，在研究時(shí)，可以看成很多點(diǎn)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(shí)，也可以用最簡(jiǎn)單的聲波折射與反射理論來分析和研究。微間隙存在時(shí)，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(shí)，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(cè)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(shí)的VDL圖像相線顏色比充滿水時(shí)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(shí)不能實(shí)現(xiàn)液封。在聲波測(cè)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(cè)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(cè)井資料用于水泥膠結(jié)質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法一直受到研究者的重視。傳統(tǒng)使用的聲幅測(cè)井和變密度測(cè)井都屬于聲測(cè)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(jī)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(shí)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(píng)價(jià)測(cè)井方法也沒能對(duì)識(shí)別第二界面竄槽提供有效的解釋方法。對(duì)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(shí)，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(cè)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(shí)的VDL圖像相線顏色比水竄時(shí)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(shí)驗(yàn)儀器及混合材水泥的選擇3.1實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)采用CTS-25非金屬超聲波檢測(cè)儀測(cè)定水泥石的聲速（用凡士林作耦合劑）；水泥石抗壓強(qiáng)度用抗壓抗折實(shí)驗(yàn)機(jī)JES-300型（有標(biāo)定證書）測(cè)得；采用抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)機(jī)（有標(biāo)定證書）測(cè)水泥石的抗折強(qiáng)度。CTS-25非金屬超聲波檢測(cè)儀（超聲波檢測(cè)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(cè)的基本裝置。其作用是產(chǎn)生重復(fù)的電脈沖去激勵(lì)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(cè)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(hào)，電信號(hào)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(cè)超聲波有關(guān)參數(shù)，如聲傳播時(shí)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(guó)制的UCT型超聲儀、國(guó)產(chǎn)的CTS-10型超聲儀。目前，國(guó)內(nèi)已有多家廠家批量生產(chǎn)多種型號(hào)的晶體管、集成電路混合史或帶有微機(jī)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(cè)儀、湘潭無線電廠生產(chǎn)的SYC-2型非金屬超聲測(cè)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(guó)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(cè)儀。他們的特點(diǎn)是儀器體積小、重量輕、便于攜帶，但主機(jī)無示波顯示設(shè)備，只能用自動(dòng)整型關(guān)門方式進(jìn)行傳播時(shí)間一項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)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(zhǎng)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(chǔ)、處理，儀器可以自動(dòng)測(cè)量聲時(shí)，振幅并有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和分析功能。我國(guó)已頒布了混凝土超聲波檢測(cè)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(shí)，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(chǎng)（地磁場(chǎng)）的作用下，這些磁疇排列成大致一樣的方向，外磁場(chǎng)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(duì)鐵磁性材料施加以交變磁場(chǎng)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(zhǎng)和縮短變形。當(dāng)溫度升高時(shí)，由于分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，磁疇的排列開始紊亂，其（剩余）磁化強(qiáng)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(shí)，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(diǎn)。聲波測(cè)井常用的磁致伸縮材料—埠片的居里點(diǎn)為370oC，但實(shí)際上，當(dāng)溫度超過110oC時(shí)，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(chǎng)的物理過程。壓電效應(yīng)也是可逆的，即在電場(chǎng)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(chǎng)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(cè)儀與聲波水泥膠結(jié)測(cè)井儀器的比較對(duì)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(qiáng)度、抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)溫度變化聲速的變化趨勢(shì)；縱向上，比較不同密度混合材水泥石隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)溫度變化聲速的變化趨勢(shì)。同時(shí)，比較同種抗壓（抗折）強(qiáng)度時(shí)，不同的混合材的加入對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(shí)，在電場(chǎng)的作用下將發(fā)生形變，在外加電場(chǎng)變化范圍不大的條件下，形變（或線應(yīng)變）和外加電場(chǎng)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(shí)，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(shí)驗(yàn)室測(cè)量圖4為CTS-25非金屬超聲波檢測(cè)儀正測(cè)量一長(zhǎng)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(cè)儀、發(fā)射探頭、被測(cè)水泥石、接收探頭。被測(cè)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(cè)儀的“手動(dòng)標(biāo)刻”旋鈕，使示波器上的時(shí)標(biāo)信號(hào)對(duì)準(zhǔn)手波的起跳點(diǎn)，記下數(shù)碼管顯示的時(shí)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(duì)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(diǎn)算起）時(shí)間；（5）計(jì)算聲速，聲波在長(zhǎng)度為l的水泥石中傳播所用時(shí)間為，則聲速為；（6）對(duì)長(zhǎng)方形狀的水泥石，要求在三個(gè)方向上進(jìn)行測(cè)量，分別的出三個(gè)方向上的聲速，計(jì)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(cè)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(cè)中一個(gè)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(qiáng)度也與它的彈性模量、它的孔隙率有密切關(guān)系。因此，對(duì)于同種材料與配合比的混凝土，強(qiáng)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(cè)得的聲速也將比無裂縫處聲速有所降低。總之，混凝土聲速值能反映混凝土的性能及其內(nèi)部情況。接收波振幅通常指首波，即第一個(gè)波前半周的幅值，接收波的振幅與接收換能器處被測(cè)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(qiáng)弱。在發(fā)射出的超聲波強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度。對(duì)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(cè)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(cè)距）下相對(duì)比較用。如前所述，在超聲檢測(cè)中，由電脈沖激發(fā)出的聲脈沖信號(hào)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(qiáng)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(cè)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(duì)波形采樣后送入計(jì)算機(jī)，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(duì)值大小不僅取決于被測(cè)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(duì)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(shí)，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(shí)會(huì)使波形畸變。因此，對(duì)接收波波形的分析、研究有助于對(duì)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(duì)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(qiáng)度及抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)機(jī)下圖是本試驗(yàn)測(cè)試抗壓強(qiáng)度的儀器，采用的是抗折抗壓實(shí)驗(yàn)機(jī)JES-300型，如下圖所示：圖5抗壓抗折實(shí)驗(yàn)機(jī)JES-300型.1水泥漿的配制稱取一定量的嘉華G級(jí)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(dòng)（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(qiáng)度試件模具內(nèi)表面薄薄地涂一層黃油，每一個(gè)模具的一半接觸表面也涂黃油，以便裝配時(shí)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(qiáng)度的測(cè)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(shí)間。達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)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(yàn)機(jī)進(jìn)行破碎實(shí)驗(yàn)，再根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算即可得到水泥石的抗壓強(qiáng)度值?？箟簭?qiáng)度計(jì)算式：式中：Zf——試樣抗壓強(qiáng)度，（MPa）；F——試樣壓碎時(shí)的載荷，（N）；A——試樣截面積，（cm2）。圖是本實(shí)驗(yàn)所用來測(cè)抗折強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)機(jī)。圖6抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)機(jī)3.2水泥漿配方材料對(duì)水泥結(jié)構(gòu)的影響降失水劑對(duì)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(shí)，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(shí)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(gè)共同的缺點(diǎn)，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(shí)，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(tái)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％。空心漂珠與硅藻土對(duì)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?yàn)榻?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(chǎng)合下微珠水泥可以省略掉多級(jí)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(jì)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(jí)別的玻璃微珠可承受5000psi的壓刀，但對(duì)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(cè)，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)對(duì)此必須予以考慮。當(dāng)井底壓力超過4500psi時(shí)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(duì)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(jí)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(rùn)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(qiáng)度要比般土凝固水泥強(qiáng)度高。主要缺點(diǎn)是成本較高。硅藻土純度越高，其成本就越高，尤其是國(guó)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(qiáng)，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(diǎn)可以完成論文的研究目標(biāo)。鈦鐵礦與重晶石對(duì)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(duì)水泥漿的稠化時(shí)間和抗壓強(qiáng)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(rùn)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(qiáng)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(duì)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(jī)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(jí)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(duì)水泥漿濃度的影響常常不同于對(duì)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?！?.3％BWOC)。在現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)阻力。微硅對(duì)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(qiáng)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(dú)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(gè)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(shí)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(shí)它的高反應(yīng)活性能使低密度水泥漿抗壓強(qiáng)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(cè)試4.1基本特性實(shí)驗(yàn)4水泥配方編號(hào)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?gòu)?qiáng)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(jì)4實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)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(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系，與抗折強(qiáng)度關(guān)系更明顯；4）水泥石強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間有關(guān)，如強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)顯著，聲波速度隨之增大；5）1天養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化，最終強(qiáng)度變化不大，聲波速度變化不大；6）早期強(qiáng)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(qiáng)者聲速大。4.2同一溫度下不同材質(zhì)對(duì)聲速影響實(shí)驗(yàn)（材質(zhì)對(duì)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(jì)采用0