声波水泥胶结测井毕业论文

1绪论1.1目的意义声波水泥胶结测井是目前固井质量评价应用最为广泛的方法之一。但是，声波测井缺乏声波耦合与水泥封固质量间的关系，所测得的固井“胶结良好”仅仅表示声耦合良好，并不意味着层间封隔质量良好，事实上声波测井结果还与于水泥石的性质密切相关。长期以来，人们通过地球物理方法已经基本掌握了岩石的声学特性，但是由于水泥石的性质随时间与温度而改变以及水泥石的组分不同（由于水泥石的物理性质随时间变化，所以声波测井结果也随时间变化；套管外整个环形空间的水泥柱并不是都处于同样的物理状态。对于长封固段的管外水泥石，由于顶部和底部温差很大，所以声波测井的结果也会有很大差别），所以很难确切掌握水泥石的声学特性，这种本质性的差异对正确分析测井结果是非常关键的。套管与地层岩石声阻抗已经为人们所认知，但对关于组分不同以及物理机械性能随时间、温度变化而改变的水泥石，由于影响因素复杂、认知程度较低，故就合理解释声波测井结果而言，水泥石的声学特性研究之所以重要，就在于水泥浆配方设计（物理性能、组分设计）将会直接影响水泥胶结测井结果。文献[1]分析并阐述了常规水泥组分对硬化水泥的物理特性以及对水泥胶结测井主要输出信号、首波振幅衰减率的影响程度，但针对目前油田大量使用的混合材水泥，国内、外相关研究成果还很少。因此对混合材水泥石进行声学特征的相关研究，弄清楚混合材水泥石的声学特性，将有助于客观、真实、合理评价固井质量。1.2声波水泥胶结测井综述（建议在本节中先谈测井方法，再谈它们的共同点，尽量与本文研究内容相关）套管波测量井下声波信号幅度的声幅测井，目前主要用于检查固井后水泥和套管的胶结情况，所以有时也称为水泥胶结测井。由于声幅测井一般都是在已下套管的井中进行，声波的传播都经过套管，因此必须对套管中声波的传播特性进行探讨。由于套管厚度远小于声波波长，而套管外的介质可能是水泥环、水或泥浆、气体，情况较复杂。声幅测井记录沿套管传播的弹性波。石油工程中所用的套管都由优质钢材制成，其弹性力学性质接近于均匀、各向同性的完全弹性介质。其厚度为7.52～11.51毫米。杨氏弹性摸量约为E=206×109牛顿/米2，密度×103千克/米2，声速（纵波）约为Cp=5400～5700米/秒。对20千赫的声波信号，波长为27～28.5厘米，远大于套管的厚度。为讨论问题方便，将套管展开成平板，并设套管的轴向为X方向，Y方向为原套管的圆周方向，Z方向为套管的厚度方向（如图1）。图1套管的平面展开由于套管展开后，在厚度（Z）方向上尺寸很小，更由于展开前套管与声波发射探头构成同轴圆柱面，可以认为由声波发射探头发射出的声波在垂直于井轴（X轴）的套管截面上形成均匀的声压分布。由于套管是圆的，沿套管圆周方向传播的声波传播路径是周而复始的（即可认为传播路径是无限的），套管展开成平面后，可以等效地认为Y轴方向的尺寸是无限的。这样展开的套管可视为薄板，若薄板上下表面为真空（或为空气），即表面为自由表面时，其中弹性波的传播为一种弯曲模式的板波。若这种板波的传播可以简化为XZ平面中的二维问题，则平板中各质点的位移将与y无关，这种情况下，在和波传播方向（X轴方向）垂直的平面上将有均匀的应力分布，其运动方程为（H.Lamb,1916）(1)在X和Z方向的法向应力，按广义虎克定律可表示为(2)(3)由于平板上下表面均为真空，因此法向应力为零。又由于此时,（2）、（3）两式可变为（2’）(3’)如此，可以得到（4）此即在无限延伸平板中的纵波—Lamb（兰姆）波的波动方程。显然，这种波是由于在厚度方向尺寸有限，而且上下两表面无约束而诱发的，其速度记为CL（5）将拉梅系数和杨氏弹性模量E、泊松比的关系式，代入（5），有对于均匀无限介质中的纵波速度规定，则有（6）由（6）式算出介质泊松比和兰姆波与纵波速度比m的数值（如表1）表1泊松比和速度比的关系0m14.380由表1的数据可知，平板介质的泊松比数值改变时，其兰姆波速度亦将变化，且介质的泊松比越大兰姆波速度越小。流体的泊松比=0.5，兰姆波速度为0，即兰姆波在流体中并不存在。对于套管，=0.257、m=0.938，故，说明钢质套管中兰姆波速度约比纵波速度低6.2%。在套管中传播的兰姆波统称为套管波，套管波是兰姆波的一种特殊例子：波的传播方向就是圆管形套管的轴线方向（X方向），套管厚度远小于声波波长。其速度是相当接近于钢管中纵波速度的某一数值。接收套管波的声幅测井仪器的声系采用单发单收声系（源距L=1米或）。从接收到的首波来说，首波传播的路径服从费尔马时间最小原理：沿套管壁上各点以和管壁法线方向成略大于第一临界角方向折回井内泥浆的声波最先到达接收探头。由于声幅测井是在套管井中进行，套管的声速、内径都是固定的，因而从发射探头到接收探头，套管波传播的时间也是固定的，因而采用单发单收声系。1.2.2影响套管波幅度的各种因素声波从泥浆入射进套管时，在套管壁上以套管波的形式传播。通常把在有一定尺寸和边界条件的介质中传播的波叫制导波，套管波也可以看成是一种制导波。1）套管外为不同介质时套管波的数学表述当井内的水或泥浆可当作理想流体（不可压缩，其内部任意截面上只存在法向应力）时，井下同一深度（X）的各点在各个方向的压强都相等，规定在井下发射探头所在深度的x坐标为零，则在井下任意深度x处，套管内的水或泥浆向套管侧壁上的法向应力为（7）式中p0—从发射探头到井口这段距离上水或泥浆柱的静压强；—井内水或泥浆的密度；g—重力加速度。假设套管外介质为流体，如气、水（或泥浆）、未凝固的水泥时，则在深度为x处，套管外介质对套管侧壁的法向应力为（8）由（7）以及（8）两式，在井下深度为x处，作用在套管壁上的法向约束力，即沿套管厚度方向上（Z轴方向）使套管振动受到约束的法向应力为（9）此时将套管看成是完全弹性体,在其内外壁上法向(侧壁)应力作用下产生的是弹性位移,而非刚体的运动位移。而且不论是套管内壁或外壁上的法向应力,其作用都是限制套管在厚度方向的弹性振动,因此这里将阻止或限制套管壁在厚度方向上发生弹性振动的法向应力称为法向约束力。和作用在套管壁上的总法向应力（）不同，在计算总的法向应力时，作用在套管壁上的法向应力的方向是相反的。此时，当有套管波沿轴向（x方向）传播时，套管上所受的应力为（10）（11）由（10）、（11）可以得到代入运动方程（1），得到（11’）由（5）以及拉梅系数和杨氏弹性模量E、泊松比的关系式得到故（11）可以写成（11’’）式中A=，为阻尼因子。当套管外为气体时，若承认气体密度和水或泥浆密度相比可以忽略时，有（12）称A1为套管外为气体时，套管波方程的阻尼因子。同理，当套管外为和套管内一样的水或泥浆时，阻尼因子记为A2，套管外为凝固水泥时，阻尼因子记为A3，但其表达式需另外规定。因为在套管外为凝固水泥时，计算套管外壁法向应力的方法较为复杂并难以给出。这是由于套管外为凝固水泥时，水泥上方的液柱（水或泥浆）高度可能不同，而且套管外水泥凝固的情况也各异。但A3应大于A1、A2。套管外为水泥时套管波将受到最大的阻尼；套管外为水或泥浆时阻尼较小，而管外为气时阻尼最小。2）影响套管波幅度的各种因素套管对套管波幅度的影响套管波沿套管传播时，其幅度要下降。这种幅度下降既包括套管本身对声波能量的吸收，也包括由于套管直径及厚度不同时套管波能量分配不同，以致接收探头接收到的套管波首波幅度不同。对厚度相同但直径不同的套管，不论套管外是水还是凝固的水泥，其声幅都随套管直径的增大而减小。水泥环对套管波幅度的影响由于水泥环的声阻抗更接近钢质套管的声阻抗值，因而水泥环的密度越大对套管波的阻尼越大。(13)由于套管外水泥环的密度增大，波动方程(11’)中的阻尼因子增大。这将使套管波幅度（声幅）变小。在水泥环的密度一定（=/厘米3）的条件下，水泥环越厚套管波幅度越小。对直径为14厘米的套管，当水泥环厚度大于2厘米时套管波幅度将明显减小。厚度一定（如大于2厘米）的水泥环可能并不沿套管圆周的360o范围内分布，而仅在小于360o的某一范围内分布。水泥环在套管外分布的圆心角称为水泥环的胶结程度，水泥环沿套管外整个圆周分布时胶结程度为100%，套管外完全无水泥胶结时胶结程度为0%。随胶结程度增加，声幅明显减小。当套管外水泥胶结程度为90%时，记录到的声幅值仅为套管外无水泥胶结时（胶结程度为0%）幅度的。当套管外水泥环和套管不同轴（在垂直于套管轴线的截面上看是不同心）时，亦即套管外水泥环在各个方位厚薄不均匀时，套管波幅度亦变大。和套管外水泥环均匀分布（套管和水泥环同心）的情况相比，当套管外水泥环分布最不均匀时（套管和水泥环相切），套管波的幅度可增大2.6倍。固井后测量时间对套管波幅度的影响固井后，水泥由流体凝固成坚硬的固体要经过一定的时间，因而套管波幅度也随固井后进行声幅测井的时间不同而发生变化。国内目前用的500号固井水泥，在固井后18到22h即可凝结（但未达到最大强度），相应地套管波幅度要在24h后才趋于稳定此外，套管波幅度还和固井井段地层的岩性有关。对于渗透性的砂岩层段（特别是水层），水泥凝固较快，声幅测量值在约20h后就趋于稳定，而且幅度较低。对非渗透性层段，水泥凝固慢，约在固井前70h声幅测量值才趋于稳定，稳定后声幅值亦较高（说明在非渗透性层段，凝固后水泥的密度及强度都不大）。除上述各种因素外，对水泥环形成有影响的任何因素都对声幅测量结果有影响。如固井时，水泥中是否加入速凝剂、缓凝剂，水泥中是否有杂质（粘土等），注水泥时的水灰比，套管外壁是否粘有油脂、沥青等污染物，井径大小变化等都对声幅的测量结果有影响。除了井下的条件外，仪器的性能及测量条件也对声幅的测量结果有影响。例如声学探头的温度性能；测量时是否保持仪器声系的轴线和套管的轴线重合。如果仪器轴线在井下偏离套管轴线，这种情况在仪器扶正装置不良及套管倾斜时经常发生，则所测量到的声幅数值也将明显下降。声幅测井解释方法影响声幅测井测量结果的因素至少可以分为3类：井身条件的影响、仪器性能的影响、测量条件的影响。由于影响套管波幅度的因素复杂，因此和声速测井的记录方式不同，声幅测井记录的不是目的层段声幅绝对值的大小。因为即使记录到套管波首波幅度的准确数值，由于影响因素复杂也很难对其进行解释。目前声幅测井的解释都以声幅测量的相对值为基础，即以套管外为水（或泥浆）的层段（“自由套管”段）声幅值A0作为基准，将同一井中要解释的目的层段的声幅值A和A0的比值周围声幅测量的相对值。水泥胶结情况各不相同的全井段上，声幅测井曲线上的最大值Amax和最小值Amin有明显的差别，即比值应该足够大。这就是说，对套管外水泥胶结情况不同的层段，声幅测井曲线有明显的差异。显然，K的数值大小和声系的源距、声信号的频率等因素有关。实验表明，在套管外水泥胶结情况固定不变的条件下，对一定频率的声波信号，源距增大（从增大到）时K值亦增大。但在井下实测时，源距过大不利于判断套管外水泥胶结不好层段的准确深度。换句话说，声幅测井记录的声幅值实际上是声波发射探头和接收探头间井段上套管波首波幅度的平均值，增大源距将使声幅测井的纵向分辨能力降低。当源距较h，用较高频率的声信号（28千赫到50赫）可以使K值增大；但源距过大又使用过高频率的声信号，则会由于高频率声信号在传播过程中衰减显著，反使K值变小。比较合理的声系应该是用较短的源距、较高频率，以期在井下各个层段上测得的声幅曲线都有较大的K值。声幅测井曲线上，在固井工程预计的水泥上返高附近声幅值变化最明显处所对应的深度，习惯上规定为水泥返回高度。在水泥返回高度以上，套管外为水（或泥浆）与水泥的“混浆带”，其声幅值略低于自由套管段的声幅值。在自由套管段对应套管接箍的深度，由于套管壁厚突然增大，声幅值比正常的自由套管段要小，出现深度间隔为套管单根长度的负异常尖锋值（由于接箍长度有限）。在套管外有气层特别是高压气层时，由于气侵，在对应于气层的深度上，套管外可能完全没有水泥胶结而形成一段由气体充填的环形空间（“气塞”），声幅曲线出现极为明显的极大值，在已下套管井中据此判断气层的位置是行之有效的。固井后进行的井下作业，如射孔、钻水泥塞、压裂等都可能造成水泥环和套管胶结的破损。声幅测井方法检测微间隙的物理机理是,由于微间隙的存在,套管外介质对套管波传播的阻尼情况发生变化,致使声幅测井记录到的套管波首波幅度改变。检测微间隙的声幅测井仪的声系应该用较短的源距和较高的声信号频率,以使在声幅测井曲线上的最大值Amax和最小值Amin的比值有较大的数值,并在地面模型井中(模拟微间隙的层段)进行校验和刻度。检测微间隙的声幅测井和常规声幅测井方法一样，是在套管内压力不改变时进行的（静态），这种测量虽然能探测到微间隙，但其灵敏范围不大。为增加对微间隙探测的灵敏范围，可在套管井井内压力变化的条件（动态）下进行的声幅测井，国外资料将其称为动态声幅测井。套管内压力变化可以是在未射孔的井内增压（试压时），也可以是在已射孔的井内进行油层诱喷时的减压。当套管内压力改变时，套管发生径向变形，如套管的径向膨胀（套管内增压时）会使环状微间隙宽度减小，套管外水泥环对套管波的阻尼增大，所记录到的套管波幅度明显减小。只要比较增压前后所测的声幅测井曲线，其声幅测量值有变化的层段即为有环状微间隙的层段。声幅测井虽然是使用最早的声波测井方法之一，但是其影响因素复杂，因而国外有资料指出：“声幅测井是最为人们滥用、误用和错误理解的测井方法之一”。因此为判断和评价套管外水泥胶结情况，应该发展更为可靠的声波测井方法。声波变密度测井声幅测井只记录到声波波列中首波的幅度，因而只能检查对首波幅度有影响的套管和水泥环之间（俗称第一界面）的胶结情况。但是地层间的串通可能不是由于套管和水泥之间胶结封固不好所产生的，而是由于地层和水泥环之间（第二界面）胶结封固不好所致。这种在水泥环和地层界面间的串漏，若仅用记录声波波列中首波幅度的声幅测井是检查不出来的。井下接收探头接收到的后续波可能是穿过水泥，甚至是通过地层传播的声波信号。例如当地层声速大于水泥环声速时，在地层和水泥环界面上也可能产生滑行纵波，这种滑行纵波也可以和在裸眼井壁上传播的滑行纵波一样，按一定的条件折回水泥环，并穿过套管和井内泥浆，被接收探头作为套管波以后的续至波接收。这就是说，只要对声波波列的后续波的到达时间（或速度）、幅度进行记录，就可能不仅对套管和水泥环的胶结情况，而且对水泥环和地层界面的胶结情况进行研究，这就相当于在水泥环和地层界面也进行了声幅记录。这种方法甚至可能在下套管后，对套管外地层的性质及其变化进行研究，如储集层孔隙结构变化的评价及出砂层位的判断等。声波变密度测井（变厚度）测井就是根据上述原理提出来的。声波变密度测井对井下接收到的声波波列前十二个至十四个波的幅度及到达时间进行记录。井下声系和常规声幅测井相同，源距为1米或。声波发射探头每秒钟发出20次频率为20千赫兹的脉冲声波，接收探头把接收到的声波信号的全波信号的全波列送进井下电子线路进行线性放大，并将放大后的信号由电缆传输到地面。地面仪器将接收到的全波列信号进行检波，保留全波列中的前十二至十四个波的正半周，并根据这十二至十四个波正半周的幅度调制显象管（或示波管）上的相应的十二至十四个亮点的辉度（或宽度），在井下声系提升时，接收探头接收到的整个波列的幅度随深度变化，而后续的经地层传播的波的到达时间也可能改变，波列的这些变化最终在显象管（或示波管）表现为每个波对应的亮点辉度（或宽度）的变化及X轴（时间轴）方向上的位移，用照相机在感光胶卷上记录这十二至十四个亮点随井下声系在不同深度时的变化规律，即可在胶卷上得到声波变密度测井图。在这种图上，每个波的幅度表现为感光银膜的厚度，幅度大的波相对应于显象管上辉度大的亮点，在胶卷上表现为较厚的银膜沉积，呈现为深色的的象点或线条；幅度小的波相对应于显象管上辉度小的亮点，在胶卷上表现为较浅的银膜沉积，呈现为浅色的（或无色）的象点或线条。而每个波相的到达时间在变密度测井图上呈现为象点或线条在左右方向的位移。这样，在变密度测井图上就同时记录了随声系在井下的深度改变时每个波的幅度及到达时间的变化，也就是说同时记录了在套管、水泥环及地层中传播的波的幅度和速度。但是，声波变密度测井目前只能把声波信号幅度变成显象管上光点的亮暗，在变密度测井图上是一系列颜色深浅不同的线条，即幅度的大小是用不同深浅的颜色表示。这样，根据变密度测井图还难以做出定量解释，而仅能用来定性的对套管外介质的声学性质变化作出判断。声波变密度测井记录的也是声波信号幅度，但是它和常规声幅测井的差别在于，变密度测井不仅记录了首波（套管波）的幅度，而且也记录了后续波幅度的变化，这样记录的结果反映了与井轴平行的各个物理性质不同的界面（套管-水泥环，水泥环-地层，……）上声波幅度的衰减情况，因而有可能除了检查套管和水泥环的胶结情况外，还可能检查水泥环和地层界面上的胶结封固情况。此外，近年来已开始实验用声波变密度测井检查地层压裂效果，检查和判断套管出砂层位等。在声波变密度测井图上，由于套管波的到达时间是固定的，因此对应于套管波的线条（相线）在时间轴上的位置大体固定，而相线线条颜色的深浅则表示套管波幅度的大小。经验表明，接收到的波列中，前三个波相和套管波有关，即变密度测井图上前三条相线颜色的深浅表示套管波幅度的大小。在套管和水泥环胶结良好的层段，前三条相线颜色应很浅或看不到显示。变密度测井图上的第四至第六条相线和在水泥环中传播的声波信号有关，因为凝固水泥的声速为一固定值，所以第四至第六条相线在时间轴上位置基本固定，若水泥环和地层胶结良好，则和在水泥环中传播的声波有关的第四条至第六条相线颜色都很浅。若水泥环和地层胶结不好，则第四条至第六条相线的颜色较深。这样，根据变密度测井图即可评价套管和水泥环、水泥环和地层的胶结情况，亦即评价第一界面与第二界面的交接情况。一口井在固井后不发生层间串通的充分必要条件是前六条相线的颜色都较浅，而尤其是前三条反映套管波幅度的相线颜色应极浅，甚至在变密度测井图上看不到显示。若前三条相线颜色较浅，而第四至第六条相线颜色较深，则可能是水泥环和地层之间胶结不好的标志，此时在水泥环和地层之间可能发生层间的串通，即第二界面窜槽。在水泥返回高度以上套管波幅度很大，前三条相线颜色较深，井在套管接箍所对于的深度出现较浅色的条纹。在水泥返回高度以下，若前三条相线颜色较深，说明水泥环和套管胶结不好甚至完全没有水泥胶结，在这些层段上射孔后发生层间串通（第一界面窜槽）的可能性极大。声波水泥胶结测井国内外研究现状20世纪50年代初声波测井方法在国外开始出现。在几十年的发展中，先后出现了用于检验水泥胶结质量的声幅测井；测量井剖面声波纵波速度倒数的声波速度测井；能够得到井壁上孔洞、裂缝分布情况直观图象的井下声波电视测井，以及在此基础上发展起来的三维体积扫描测井；长源距全波列测井；为解决软地层中横波勘探问题而提出的偶极子及多极子横波测井。80年代中期，阵列声波测井仪的出现，能将常规井眼补偿声系与长源距声系以及井径等进行测量综合，对管波的记录加以重视。用声波水泥胶结测井方法来检查固井质量，已从60年代初期的单发射器/单接收器声波幅度水泥胶结测井，发展到70年代的单发双收仪与其它仪器组合来检查固井质量。CBL的应用可以追溯到1959年。Tixier等人发现当在套管内进行声波测井时．由于声信号严重衰减，裸眼测井声波传播时间曲线上经常产生周期性的间断。仪器偏心对套管波幅度具有较大影响，对变密度资料影响较小。根据变密度波列特征可以识别到仪器偏心的影响。测井时间的选择对测井资料具有较大影响，过早和过晚对固井质量的正确评价都会产生明显影响。套管与测井仪器间隙越大，测量得到的固井资料所受影响越明显。地层岩性在固井质量较好的情况下，对固井质量评价具有一定的影响，软地层和快地层固井质量的评价应充分考虑地层岩性作用的影响。微环隙对固井质量的正确评价具有明显影响，根据声幅-变密度资料对比可以定性识别微环隙的存在。现有水泥胶结测井存在以下问题：1、水泥胶结测井仪的多样化导致解释混乱；2、影响套管波首波幅度的因素单一化，缺乏统一的定量解释标准。其中主要存在四个方面的问题：一是认为套管与水泥环胶结的质量是影响套管波首波幅度的唯一因素，忽视了水泥环的类型和厚度以及水灰比、套管直径和壁厚及外部地层的声学特性等因素对套管波首波幅度的影响；二是缺乏定量解释的实验及理论支持，解释评价模型过于简单，因此评价胶结程度的好坏的概念模糊；三是不能准确分辨径向窜槽和纵向窜槽，对未胶结层段的方位无法作出准确定位，对于厚度小于仪器纵向分辨率的薄层胶结状况无法准确评估；四是固井质量解释标准缺乏一致性，不同油田的解释标准不相同，不同解释人员的解释标准也不相同。胡文祥等人通过套管井水泥胶结测井实验模拟，得出：实验波形与理论波形具有一致的规律性；声源的频率特性对全波波形具有显著影响；当套管与地层之间存在间隙时，导波存在明显的持续振荡现象，该特征对于采用短源距全波测井方法进行固井水泥胶结质量的评价具有重要意义。漂珠低密度水泥固井质量的评价：根据四种密度水泥固井模拟试验井的检测资料，描述常温下声幅与水泥候凝时间的关系，为选择最佳测井时间和制定低密度水泥固井质量声幅测井解释标准提出参考意见。提出了采用微环空段作为声幅测井的刻度段，以解决水泥上返井口时声幅测井无法刻度的设想，并指出，声幅测井不仅受源距内的介质影响，而且也受源距外的介质影响。超声波水泥胶结评价：为了克服普通水泥胶结技术的缺点，仪器的主要目标是：在微环形空间存在的情况下，提供对水力胶结的评价；达到足够的水泥环分辨率，能够确定串槽；如果可能，可以评价地层的胶结情况。声波全波测井的相似模拟实验研究：声波全波相似模拟实验是按照相似性原理将钻孔地层模型按一定比例缩小，并相应提高声源中心频率，在实验室内模拟实际声波测井过程，探讨各种波与地层性质之间的关系，在两口砂岩模型井（井眼直径为）中进行了初步实验。实验记录波形与理论合成波形的基本特征较一致。对阵列实验波形用相似相关技术进行处理得到的纵横波速度与岩心超声测量结果符合的很好。斯通利波的速度与井眼半径的影响。井壁流体渗透性越好，则斯通利波的能量衰减就越大。声源频率特性对全波波形特征也有显著的影响。声源频率特性对全波特征也有显著影响。全波相似模型实验能有效地模拟实际声波测井，从而可在实验室内方便地研究声波测井参数与储层物性参数之间的响应关系，为扩大声波测井的应用范围提供实验依据。微水泥胶结测井仪：一种新的用于测定水和套管的胶结质量的“径向”水泥胶结仪器—微水泥胶结测井仪。该仪器具有测定垂向和井眼周围水泥胶结质量的能力。沿仪器体纵向排列的四个由扇形发射器和接受器组成的声系可对径向水泥进行高方位分辨率的补偿测量。扇形发射器可在套管中激发纵波和横波，与标准水泥胶结测井不同的是，这种发射波束模式聚焦在径向方向上。扇形接收器可提供辅助的方向性，以加强探测水泥串槽。在套管井中用声波全波测井确定地层特性：通过合成声波全波列测井微地震图的计算，研究了在套管井通常碰到的三种胶结类型。在钢套管与水泥之间及水泥与地层之间胶结好的情况下，钢套管和水泥层一般对地层体波到达时间的影响小。这种多层介质存在可能使确定地层声速变化比裸眼井时更为困难，如果水泥声速可与地层声速相比较，经地层传播的声波幅度将显著减小。钢套管和水泥及流体主要对斯通利波产生影响。钢套管和水泥之间的流体层的作用是分离它们两者，结果导致经套管传播到达的波的幅度大，持续时间长。在这种情况下，经套管传播的声波信号将显著的影响地层P波信号。流体层厚度变化对波列特性影响很小。流体层的存在，而不是它的厚度是影响套管波特性的最重要因素。当水泥和地层之间胶结不好，而钢套管与地层之间交接好时，声波传播情况显得更复杂。即使在水泥和地层之间存在流体层，辨别地层体波到达也是可能的。如果流体层薄且有厚的水泥胶结层，水泥将减低套管瞬变波，使经地层传播来的波显示清楚，如果水泥层足够薄，沿钢套管来的波将引起瞬变跳动，在这种情况下初至波将是经水泥和经套管传播声波的迭加，其声速度将介于两种声速之间。发射器和接收器之间的声波信号不仅与轴向套管波的衰减有关，而且还依赖于影响接收信号幅度的其它众多因素。1）刻度。一般是通过调整接收器的灵敏度，使之在给定套管大小、套管质量，井内流体和压力的“自由套管”中测到一个固定的响应值。但是，目前的刻度技术还不能完全消除在井眼中所遇到的各种变化因素的影响；2）温度和压力影响。高温、高压对换能器（陶瓷的和磁致伸缩的）的响应产生极大的影响。如果温度是50︿3500F，压力是0︿20000psi，那么，响应可变化20~40%。3）仪器偏心。换能器的不定向性要求仪器居中，以确保来自各方位首波同时到达。轻微的仪器偏心（1/4倍in）能引起信号幅度剧烈的衰减（大约50%）。4）声耦合。换能器和套管之间的声耦合受本身及井内流体和套管的声阻抗的影响。一种物质的声阻抗是其密度和声速的函数。因此，接收信号的幅度对井内流体密度、粘度、压力和温度很敏感。5）微环隙。由于微环隙的存在，使得水泥和套管之间缺乏横波耦合，这将使首波幅度接近非支撑套管的值。6）串槽的存在。由于换能器的无定向性，使得难于将有串槽的高强水泥（可能有水动力连通）与100%水泥充填的低强水泥环空区域分辨开来。7）快速地层。在快速地层中。纵波速度要比在钢中的板模式的速度（17540ft/s）快的多。因此，地层首波有可能对套管首波产生干扰。假若发生这种情况，那么，刻度也即失效。水泥胶结测井评价泡沫水泥固井质量：斯伦贝谢公司的评价技术和多维尔分公司对泡沫水泥的专门技术相结合的实验指出，常规的水泥胶结测井技术是可以用于泡沫水泥固井的，然而也发现，当泡沫水泥压缩强度小于1000磅/英尺2时，反映声波信号衰减率与水泥压缩强度之间关系的斯伦贝谢解释图版，必须进行修改。一种评价水泥胶结的声波技术：随着油气井深度的增加，有必要提高固井水泥的强度和固井质量，防止有意义的渗透层之间通过井眼相互串通。这种相互串通会破坏生产区块，污染地下水，造成井喷，并使原油生产极不稳定。声波立体扫描（SVS）测井能够探测到套管以外的介质，因此SVS提供了一种套管与水泥胶结，水泥环，以及水泥与地层胶结状况的探测方法。长源距声波测井仪器：在多数地层中可用来获得精确的纵波和横波的速度。在不利的井眼条件下，纵波测井明显地较常用声波测井更为精确。当横波速度比流体纵波速度快时，可直接用仪器测量横波速度。当折射不存在时，也可从管波提取横波速度。测井和岩心资料想比较表明管波传播时间和幅度比，可用来定性地提供渗透率测量。刘继生等以柱状多层开放声波导物理模型为基础，利用实轴积分法通过数值计算得到井内接受器接收到的全波，并利用频率-波数域分析法对组成全波的各波相进行考察，得出以下结论：多年来对井孔波场的分析采用了双重付氏变换和围道积分方法，一般是在时域上利用几何声学方法通过各波相到时的不同对各分波进行划分，由于井况等因素的影响使得声场分析非常复杂和不完善，而对于一个确定的井孔-地层体系，其波场特征都体现在频率-波数域的地层滤波函数中，采用频率-相速度图法可以对波场性质作出全面的描述；裸眼井声测井全波列中各分波到时差别比较大，因此在时域上利用几何声学可粗略地对组策划能够全波的个分波进行区分，而利用频率-波数域分析方法可以对各分波作出更为清楚地划分，从而对全波有了更清楚的认识；套管井不同胶结状态下，由于井况变得更加复杂，复模式波的贡献在某些情况下不可忽视，利用几何声学等方法已经不能对波场作出全面的描述，而在频率-相速度图中波场的各分波可以作出清晰地划分。官波等人利用声波全波列测井资料回放的变密度图及从套管波首波提取的声幅曲线对套管井进行固井质量检查取得了比较理想的效果。多年来，由于水泥胶结质量评价没有性能齐全的刻度评价系统，以至于解释程度不高，辽河测井公司建成的固井质量刻度井群，模拟了多种水泥胶结情况，为刻度标定水泥胶结测井仪及指定水泥胶结评价规范和标准提供了重要基础，是测井行业的标准化设备及重要基础设施。其可为各油田现有的各种评价固井水泥胶结质量的测井一起提供刻度手段，并将逐步形成刻度的规范和标准，其功能是数学模拟不可比拟的。利用微环的成因特点及其在声波测井和伽马密度测井资料中的特征，提出了以声波测井为主，辅以伽马密度测井，对固井I界面微环进行评价的解释方法。1987年．Juttenet等给出了在有围压条件下不同组分水泥石的声学性质。从其研究成果中可以看出，似乎低密度水泥浆声阻抗较低，并在几天后发生明显的变化。而对于密度较高的水泥浆，凝固1天后与凝固7天后的声阻抗变化小于20％。这对使用空心微球作充填剂的水泥浆来说是至关重要的，它使得凝固后的水泥浆具有较低的声阻抗值。泡沫水泥声阻抗也非常低。当泡沫水泥孔隙度很高时，声波测井解释很难将水泥与水加以区别。但对于混合材水泥,国内外还没有相关的研究.1.3研究的理论基础1.声波的反射与折射原理声波在无限大介质中传播只是在理论上成立。实际上任何介质总有一个边界。当声波在传播中一种介质到达另一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分声波被反射，仍然回到原来介质中，称为反射波；另一部分声波则透过界面进入另一种介质中继续传播，称为折射波。声波透过界面时，其方向、强度、波形均发生变化。这种变化取决于两种介质的特性阻抗和入射波的方向。如图2，两种介质分界面为X轴，介质分界面的法线方向为Y轴（假设两种介质非常紧密地相接触）。当平面声波入射到两种介质及的分界面时，入射声波的声压为，入射方向和介质分界面的法线方向（Y轴）的夹角（入射角）为；反射波声压为，反射角为；一部分声波发生折射，进入Ⅱ介质，其声压记为，折射角为。显然，。声压、、可以表示为图2声波的反射与折射式中，、、分别为入射波、反射波、折射波的声压幅值；分别为入射波、反射波、折射波的传播路径；。由于都在XY平面内，因此可以将用XY平面的法线方程表示，即也即入射波、反射波、折射波的波阵面在XY平面上投影的方程。相应的声压表达式可以改写为在两种介质分界面（）上，入射波和反射波声压之和为相应的在两种介质的分界面上（），折射波声压为按照在两种介质分界面上声压连续条件，应有两端同时除以，有（14）记为介质Ⅰ中质点在入射声波声压作用下沿方向的振动速度；记为介质Ⅰ中质点在入射声波声压作用下沿方向的振动速度；记为介质Ⅱ中质点在入射声波声压作用下沿方向的振动速度。在两种介质分界面上法线方向的分量分别为显然，同向（沿Y轴负方向），而反向（沿Y轴正方向），由于质点在介质分界面上法线方向的振动速度连续，应有由于，上式可以改写成（15）（14）、（15）应对任何x值都成立，即应有（16）（17）（18）由（17）也可以写成（19）由，有定义分界面（）上的反射声压和入射声压的比值为声压反射系数，并记为：由（16）、（18），有两端除以，得可得（20）同理，可以定义声压折射系数由（17），可简化为由（16）与（18）消去，有可得（21）由于声强有效值和声压有效值的关系为可定义声强反射系数及声强透射率即（22）即（23）可以由（20）、（21）（22）、（23）得到，在正入射的时候（），声压反射率：（24）声强反射系数：（25）声压透射率：（26）声强透射系数：（27）从（24）和(26)可见：若，则，。这时声波全部从第一介质透射入第二介质。对声波来说，两种介质如同一种介质一样；若，则。声波在界面上几乎全部反射透射极少；若，则。声波也几乎全部反射，且反射率为负，表示反射波与入射波反相（相位差1800）。从(25)和(27)可见：①当，则，声波能量全部透射；②当或，，，即当两种介质声阻抗相差悬殊时，声波能量在界面上绝大部分被反射，难于进入第二种介质；③，这符合能量守恒定律。当声波在一种介质中倾斜入射到另一种介质界面时，将发生方向、角度及波形的变化。和光的传播类似，声波在界面上方向和角度的变化服从反射定律和折射定律。如图2所示。当在流体分界面传播时，介质中只有单一的波—纵波出现。在固体介质分界面的情况则复杂一些。当一种波（例如纵波）入射到固体界面时，不仅波方向发生变化且波型也发生变化，分离为反射纵波、反射横波，折射纵波和折射横波。各类波的传播方向（即反射角与折射角）各不相同，如图所示。各种类型波的传播方向的变化亦符合集合光学中的反射定律与折射定律。其数学表达式如下：（28）式中，—纵波在第一、二种介质中的传播速度；—横波在第一、二种介质中的传播速度；—纵波入射角、反射角、折射角；—横波反射角、折射角。增大入射波的入射角，则折射波的折射角也随之增大。如果入射波是纵波，且，则由（28）可知，，即折射角大于入射角。当增大，也增大，当=900时，此时的入射角叫第一临界角，用符号表示。显然，当入射角大于第一临界角时，第二种介质中只有折射横波存在。这是获得横波的方法。第一临界角（29）当时，此时的入射角叫第二临界角，用符号表示，（30）事实上，当声波在一种介质中传播时，有时会遇到第二种介质的薄层，如水泥环裂缝就是这种情况。这种情况下，声波将产生多次反射与透射，情况要更复杂一些。一般地，有：①裂隙越细，透射率越大，反射率越小；②裂隙充满空气时的透射率比充满水时小得多；③声频率越高，反向率越大。为了发现水泥环中的裂缝就需要提高反射率，这就希望以较高频率的超声波进行检测。1.声耦合率分析声耦合率公式为（31）实践证明越小，声波越容易由介质1传入介质2，介质1中声波能量就越小，反之介质1中声波能量就越大。如将套管和固井水泥视为第一介质和第二介质，套管外壁与水泥胶结越好，声波能量从套管越过界面向水泥传递时，套管能量越小，这种胶结越好，套管中声波能量就越小；反之套管中的声波能量就越大；若没有水泥，套管中的声波能量就可达到最大值。在胶结完好的井段，呈现幅值很低的平滑曲线，胶结较差的井段会出现较大的异常。声波幅度测井测量的就是沿套管传播的滑行波的首波幅度值（其与能量成正比）；而声波变密度测井（地层与水泥可视为第一介质和第二介质）记录的也是声波信号幅度，所不同的是它不仅记录了首波的幅度，也记录了后续波幅度的变化。由以上描述我们可以看出：无论是套管—水泥界面（把套管、水泥分别看成第一介质和第二介质），还是水泥—地层界面（把水泥、地层分别看成第一介质和第二介质），CBL与VDL固井质量评价的依据主要还是依赖于反射回接收器的声波幅度（即能量）。而从上面对(24)、(25)、(26)、(27)和(31)的分析可以知道，声波在两个介质界面上反射回的能量的大小，主要还是依赖于两个介质声阻抗的大小差异。对CBL与VDL来讲，地层岩性的声阻抗可以通过岩石取样在实验室测得，套管的声阻抗也可以计算得到。唯一不明了的就是固井水泥的声阻抗。声阻抗是介质密度与声速之间的乘积，介质密度为定值时，声速变化将决定阻抗数值，从而直接影响到对声波响应的正确解释。1.声波在传播过程的衰减声波在介质中传播过程中其振幅将随传播距离的增大而逐渐减小，这种现象称为衰减，在以上关于声波传播的讨论中，为使问题简化，假定声波是在无吸收的均匀介质中传播，也就是说声波在传播过程中无衰减。事实上，声波在任何介质中传播都与衰减存在。声波衰减的大小及其变化不仅取决于所使用的超声频率及传播距离，也取决于被检测材料的内部结构及性能。当平面波通过某介质后，其声压将随距离x的增加而衰减。衰减按指数规律变化：（32）式中—x=0处的声压，即声源的声压；—距声源为x处的声压；—衰减系数。如果不考虑声波的扩散，则衰减系数取决于介质的性质。它的大小表征介质对声波衰减的强弱。对（1）取对数，得（33）现在的单位制定对衰减的度量用另一单位：分贝，其是两个同量纲的比值取常用对数再乘以20。又声波的声压与介质质点的振动位移幅值成正比，所以（2）可以写成：（34）声波在固体介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变为热能；同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象。介质的这种衰减称为吸收衰减。其与声波频率的一次方，频率的平方成正比。当介质中存在颗粒状结构（如液体中悬浮粒子、气泡，固体介质中的颗粒状结构、缺陷、掺杂物等）而导致的声波的衰减称为散射衰减，以散射衰减系数来表征。对水泥环来说，一方面因为其中大的颗粒（内部不均匀）构成许多声学界面，使声波在这些界面上产生多次发射、折射和波型转换，另一方面是微小颗粒对声波的散射。同时，这些微小颗粒在相应频率的超声波作用下产生共振现象，其本身成为新的振源，向四周发射声波，使声波能量的扩散达到最大。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量和性质有关，其过程是复杂的。通常认为，当颗粒的尺寸远小于波长时，散射衰减系数与频率的四次方成正比；当颗粒尺寸与波长相近时，散射衰减系数与频率平方成正比。通常的声波辐射器（发射换能器）发出的超声波束都有一定的扩散角。因波束的扩散，声波能量逐渐分散，从而使单位面积的能量随穿比距离的增加而减弱。声波的声压和声强均随距声源距离的增加而减弱。在混凝土超声检测中所采用的低频超声波，其扩散角很大。当超声波传播一定距离后，在混凝土中的超声波已接近于球面波。原理声源的球面波的声压与至声源的距离成反比。这种因声波的扩散而引起的衰减称扩散衰减，其大小仅取决于声幅射器的扩散性能及波的几何形状，而与传播介质的性质无关，因此，在计算介质的衰减系数时总是希望将该项衰减修正消除或在测量时选取相同距离，使扩散衰减成为一恒量，使其不影响所测得的衰减系数结果作为相对比较得出介质的衰减特殊规律。因此，这就要求水泥配方设计的合理以及充分搅拌均匀，以保证水泥环内部的均匀以及密实。1.4研究内容、目标和思路研究内容本研究的基本着眼点是固井质量评价中测井声幅值高低或辉度的本质影响因素：水泥环、套管、地层的声学特性，研究内容为混合材水泥石的声学特性。具体来说，横向上，比较同种混合材水泥石或同种密度混合材水泥石抗压强度、抗折强度随养护时间、养护温度变化声速的变化趋势；纵向上，比较不同密度混合材水泥石随养护时间、养护温度变化声速的变化趋势。同时，比较同种抗压（抗折）强度时，不同的混合材的加入对水泥声速的不同影响。研究目标目前，油田现场固井施工时，注水泥主要使用的还是混合材水泥配方。而国内外均还未对混合材水泥的声阻抗性质进行过相关的研究工作。本文研究就是利用实验室手段，通过混合材水泥与常规正常密度水泥的各种性能的对比，得出混合材水泥的声阻抗的变化性质，以及研究其声阻抗的变化对水泥胶结测井结果的影响。1.4.1研究思路通过对国内外固井质量评价手段：声波水泥胶结测井的调研与分析，不难看出，现有声波水泥胶结测井（CBL、VDL以及SBT等）均建立在声波的基本性质的基础上：声波曲线值或者辉度实质上是声波能量在声波接收器的一种显示。CBL衰减率与水泥密度以及通过该水泥的横波与纵波的速度紧密相关。利用声波的折射与反射原理，可以看出，声波返回的能量取决于第一界面（套管—水泥环）、第二界面（水泥环—地层）介质的声阻抗性质以及声波在传播过程中的衰减。套管与地层的声阻抗性质，现在已经可以进行定量评价：地层岩性的声阻抗可以通过岩石取样在实验室测得，套管的声阻抗也可以计算得到。因此，必须对固井水泥的声阻抗性质进行必要的研究。2微间隙与窜槽的分析（界面的问题在后文中是否有所涉及？本节意图何在？）2.1微间隙水泥环和套管、水泥环和地层间界面上的微间隙是水泥胶结缺陷中最常见的一种。微间隙产生的原因主要是水泥和套管、岩石的热膨胀系数不同，例如对直径为14厘米的套管,当温度变化℃时其直径变化。在水泥凝固之后,井内温度降低,套管直径随之收缩,致使套管和水泥环之间产生宽度为几百微米的微间隙。另外,套管内压力变化也会引起套管直径的变化,对直径为14厘米。除此之外，由于固井工艺不完善、固井水泥中有杂质，固井过程中套管下沉或旋转，都可能在套管和水泥环间产生微间隙。固井以后若进行井下作业，则井下工具和套管的碰撞，由于无枪身射孔时在井内引起强烈震动，射孔密度过大也会产生微间隙。另外地层水，特别是含硫化氢的地层水的腐蚀作用，也会产生微间隙。微间隙一般是环状的，其宽度为几十至几百微米。这种微间隙能引起套管外液体的串漏，致使生产层被水淹。在套管外有气层，特别是高压气层时，顺着微间隙每昼夜可漏失几十至上百立方米天然气。当套管外为气体、水或泥浆、凝固水泥等不同介质时，套管内套管波的能量分布情况不同，因而记录到的套管波的幅度也不同。粗略地看，当套管外为气体时，对套管中传播的套管波的“阻尼”较小，套管波有较大的幅度。当套管外为水或泥浆时，套管外介质对套管波的“阻尼”略有增强，套管波幅度应略减小。而当套管外为凝固水泥时，对套管波的“阻尼”作用最强，因此，套管波幅度最小。根据某一次水泥胶结测井响应判断微间隙的方法是:水泥实际返高之下的整个固井井段,声幅曲线基本上均高于胶结“优”对应的CBL上限,或者声波衰减率基本上均低于胶结“优”对于的衰减率下限,且随着井深的增加,没有固井质量变好的趋势。根据时间推移水泥胶结测井响应来判断:随着时间的推移,后续的水泥胶结测井响应反映水泥胶结反映水泥胶结与先前的水泥胶结测井相比,前面描述的测井响应特征没有明显改善。对微间隙的判断还可参考固井施工记录(主要注意候凝方式和候凝时间:如果在水泥养护期间套管内憋压过大,憋压时间过长,就可判断套管与水泥环之间出现了微间隙)以及钻井液类型、套管外壁化学涂层及养护期间的有关信息(在水泥养护期间,以较低密度的钻井液替换,或进行过井下作业,如钻水泥塞、射孔、起下钻头等)，就可判断套管与水泥环之间出现了微间隙。如果套管外壁存在化学涂层，或固井前置液未能清洗掉油基钻井液在套管外壁形成的油膜，水泥胶结测井相应也具有微间隙的特征。根据声波反射与折射定律，在套管—水泥界面出现微间隙时，且微间隙充满水或气体时，套管与水或气体的接触面上，在研究时，可以看成很多点的接触，由此微间隙与套管的接触可以转化为无数的平面问题来分析与讨论，即将微间隙中充满的水或气体看成一钟介质，与套管这一介质进行研究。同理，在水泥—地层界面出现微间隙时，也可以用最简单的声波折射与反射理论来分析和研究。微间隙存在时，声波将产生多次反射与折射，情况变得更复杂一些。一般来说，当微间隙中充满水或气体时，由于水与气体的声阻抗远小于水泥石的声阻抗，因而反射回接收探头的声波能量就很大，从而在CBL测井曲线上，首波幅度出现极大值，在VDL记录的图像中，相线的颜色很深，且充满气体时的VDL图像相线颜色比充满水时的相线颜色要深的多，原因是气体的声阻抗一般情况下均小于水的声阻抗。2.2窜槽窜槽是指水泥没有完全填充的一种现象，窜槽时不能实现液封。在声波测井资料中微间隙井段与套管—水泥界面窜槽的曲线特征相似，即套管波和地层波都以中等以上的幅度出现，表现为胶结不好。微间隙一般不影响生产，而窜槽影响采油和注水作业，生产中迫切需要将两者区分开来。图3带微间隙或窜槽的套管井模型如图3所示，微间隙与套管—水泥界面窜通都表现为套管和水泥环间存在流体环，只是流体环厚度有差别。给出套管水泥环间流体环两种不同的厚度(0.lmm为微间隙,1mm为窜槽)套管井中的声波测井是研究声波在充满流体的柱状分层介质井内传播的典型问题，将声测井资料用于水泥胶结质量的评价方法一直受到研究者的重视。传统使用的声幅测井和变密度测井都属于声测井方法。工程上把水泥与钢套管的胶结面称为第一界面，水泥与地层的胶结面称为第二界面。由于声波在套管井内的传播机制较复杂，第二界面上因水泥胶结不良而出现流体窜槽的识别问题至今未得到很好解决。即使是80年代中期提出的超声水泥评价测井方法也没能对识别第二界面窜槽提供有效的解释方法。对不同流体窜槽的分析与微间隙的分析原理相同，即：当出现水窜或气窜时，由于水与气体的声阻抗远小于水泥石的声阻抗，因而反射回接收探头的声波能量就很大，从而在CBL测井曲线上，首波幅度出现极大值，在VDL记录的图像中，相线的颜色很深，且气窜时的VDL图像相线颜色比水窜时的相线颜色要深的多，原因是气体的声阻抗一般情况下均小于水的声阻抗。3实验仪器及混合材水泥的选择3.1实验仪器实验采用CTS-25非金属超声波检测仪测定水泥石的声速（用凡士林作耦合剂）；水泥石抗压强度用抗压抗折实验机JES-300型（有标定证书）测得；采用抗折强度实验机（有标定证书）测水泥石的抗折强度。CTS-25非金属超声波检测仪（超声波检测仪的相关说明最好放在一节里来阐述，分析其在本文研究中的可行性）超声仪是超声检测的基本装置。其作用是产生重复的电脉冲去激励发射换能器。发射换能器发射的超声波经耦合进入被测试件，在试件中传播后为接受换能器所接收并转换成电信号，电信号被送到超声仪，经放大后显示在示波屏上。超声仪除了产生、接收、显示超声波外，还须具有量测超声波有关参数，如声传播时间、接收波振幅、频率等功能。早期的超声仪是电子管式，如英国制的UCT型超声仪、国产的CTS-10型超声仪。目前，国内已有多家厂家批量生产多种型号的晶体管、集成电路混合史或带有微机的超声仪，如山头超声电子仪器公司生产的CTS-5型、CTS-45型、汕头超声仪器研究所生产的CTS-35型非金属超声检测仪、湘潭无线电厂生产的SYC-2型非金属超声测试仪、煤炭科学研究所生产的2000A超声仪。还有一些厂家生产便携式超声仪，如英国西恩斯工资生产的庞迪超声仪、汕头超声电子仪器公司生产的CTS-31本安型非金属超声波检测仪。他们的特点是仪器体积小、重量轻、便于携带，但主机无示波显示设备，只能用自动整型关门方式进行传播时间一项指标的测读。早期的超声仪属于模拟式仪器，近10年来已发展成数字式仪器，如北京市康科瑞公司生产的NM型超声仪、武汉岩海公司生产的RS型超声仪、长沙白云仪器开发公司生产的SY型超声仪。这些仪器都采用高速A/D采样器将接收该采样，变为数字量进行存储、处理，仪器可以自动测量声时，振幅并有较强的数据处理和分析功能。我国已颁布了混凝土超声波检测仪行业标准（JG/T5004-92）。3.1.2换能器—井下声波的产生和接受铁磁性材料的磁状态改变时，其尺寸也发生相应的改变。在铁磁性物质的内部，有很多微小的称为“磁畴”的区域，表现出一定的磁性，在外磁场（地磁场）的作用下，这些磁畴排列成大致一样的方向，外磁场取消后，磁畴的定向排列不发生改变，产生“剩余磁化”，因而铁磁性材料呈现出磁性（剩磁）。对铁磁性材料施加以交变磁场方向一直的取向，只是磁畴的边界发生位移，在宏观效果上就表示为铁磁性材料的伸长和缩短变形。当温度升高时，由于分子热运动加剧，磁畴的排列开始紊乱，其（剩余）磁化强度降低，相应的磁致伸缩效应也减弱。当温度升高到某一数值时，铁磁性材料的磁性完全消失（退磁），磁致伸缩效应也完全消失，这一特征温度叫居里点。声波测井常用的磁致伸缩材料—埠片的居里点为370oC，但实际上，当温度超过110oC时，埠片的磁致伸缩效应已经相当微弱，以致不能正常发生声波。压电效应是指某些单晶和多晶材料在应力作用下产生电场的物理过程。压电效应也是可逆的，即在电场作用下，某些单晶和多晶材料上的应力以及应变也发生改变。具有压电效应的材料叫作压电材料。逆压电效应则是指某些单晶和多晶材料在电场变化的情况下产生应力变形的物理过程。CTS-25非金属超声波检测仪与声波水泥胶结测井仪器的比较对声波仪器来讲，声波频率的大小是最主要的差别。本研究在横向上，比较同种混合材水泥石或同种密度混合材水泥石抗压强度、抗折强度随养护时间、养护温度变化声速的变化趋势；纵向上，比较不同密度混合材水泥石随养护时间、养护温度变化声速的变化趋势。同时，比较同种抗压（抗折）强度时，不同的混合材的加入对水泥声速的不同影响。以及分析研究采用此混合材水泥固井的胶结测井结果之间的差别，因此，频率不同的影响是可以忽略的。3.1.4CTS-25非金属超声波检测仪的工作原理3.1.4.1换能器的工作原理现有的声波测井仪器的发射换能器一般是圆管状的压电陶瓷。压电陶瓷的工作原理是：经极化处理的锆钛酸铅、钛酸钡一类材料，沿一定方向加以交变电压时，在电场的作用下将发生形变，在外加电场变化范围不大的条件下，形变（或线应变）和外加电场成正比，此即逆压电效应或电致极化伸缩效应。当外加交变电压的频率和压电陶瓷材料的固有频率相同时，压电陶瓷即产生按其固有频率发生的形变，从而在周围介质中激发声波。3.1.4.2纵波速度的实验室测量图4为CTS-25非金属超声波检测仪正测量一长方体水泥石试模（）声速。其操作的步骤为：图4CTS-25非金属超声波仪工作曲线图（1）量出水泥石的厚度；（2）连接好CTS-25非金属超声波检测仪、发射探头、被测水泥石、接收探头。被测水泥石与声波探头之间用凡士林做偶合剂；（3）接通电源开关，在示波器上出现稳定的波形后，调节CTS-25非金属超声波检测仪的“手动标刻”旋钮，使示波器上的时标信号对准手波的起跳点，记下数码管显示的时间T（微妙为单位）；（4）撤去水泥石，将发射探头和接收探头直接对接（凡士林偶合），重复上述步骤，记下接收到的首波（从起跳点算起）时间；（5）计算声速，声波在长度为l的水泥石中传播所用时间为，则声速为；（6）对长方形状的水泥石，要求在三个方向上进行测量，分别的出三个方向上的声速，计算各向异性。如果m越趋向于零，说明水泥石趋近于各向同性，质地均匀，密度均匀。3.1.5CTS-25超声仪声学参数测量技术目前在超声仪所常用的声学参数为声速、振幅、频率、波形以及衰减系数。声速即超声波在混凝土中传播的速度。它是混凝土超声检测中一个主要参数。混凝土的声速与混凝土的弹性性质有关，也与混凝土内部结构（孔隙、材料组成）有关。不同组成的混凝土，其声速各不相同。一般来说，弹性摸量越高，内部越是致密，其声速也越高。而混凝土的强度也与它的弹性模量、它的孔隙率有密切关系。因此，对于同种材料与配合比的混凝土，强度越高，其声速也越高。若混凝土内部有缺陷（空洞、蜂窝体），所测得的声速也将比无裂缝处声速有所降低。总之，混凝土声速值能反映混凝土的性能及其内部情况。接收波振幅通常指首波，即第一个波前半周的幅值，接收波的振幅与接收换能器处被测介质超声声压成正比，所以接收波振幅值反映了接收到的声波的强弱。在发射出的超声波强度一定的情况下，振幅值的大小反映了超声波在混凝土中衰减的情况。而超声波的衰减情况又反映了混凝土粘塑性能。混凝土是弹-粘-塑性体，其强度不仅和弹性性能有关，也和其粘塑性能有关，因此，衰减大小，即振幅高低也能在一定程度上反映混凝土的强度。对于内部有缺陷或裂缝的混凝土，由于缺陷、裂缝使超声波反射或绕射，振幅也将减小，因此，振幅值也是判断缺陷与裂缝的重要指标。由于振幅值的大小还取决于仪器设备性能、所处的状态，耦合状态以及测距的大小，所以很难有统一的度量标准，目前只是作为同条件（同一仪器、同一状态、同一测距）下相对比较用。如前所述，在超声检测中，由电脉冲激发出的声脉冲信号是复频超声波脉冲波。它包含了一系列不同频率成分的余弦波分量。这种含有各种频率成分的超声波在传播过程中，高频成分首先衰减（被吸收、散射）。因此，可以把混凝土看作是一种类似高频滤波器的介质，超声波愈往前传播，其所包含的高频分量愈少，则主频率也逐渐下降。这要取决于混凝土本身的性质（质量、强度）和内部是否存在缺陷、裂缝等情况。要准确细致地测量和分析接收波各频率成分变化，须采用频谱分析的途径，这需要对波形采样后送入计算机，进行傅立叶变换，获得频谱图。目前的数字式超声仪具有这一功能。和振幅一样，接收波主频率的绝对值大小不仅取决于被测混凝土的性质的内部情况，也和所用仪器设备、传播距离有关，目前只能用于同条件下的相对比较用。这里指的波形系指在显示屏上显示的接收波波形。当超声波在传播过程中碰到混凝土内部缺陷、裂缝或异物时，由于插屏声波的绕射、反射和传播路径的复杂化，直达波、反射波、绕射波等各类波相继到达接收换能器，它们的频率和相位各不相同。这些波的叠加有时会使波形畸变。因此，对接收波波形的分析、研究有助于对很泥土内部质量及缺陷的判断。鉴于波形的变化受各种因素的影响，目前对波形的研究只能作一般的观察、记录。这里还要说明的是，通常所用的纵波换能器所发射的超声脉冲波不仅有纵波成分也有横波成分。即便是较纯的纵波，在通过混凝土内各声学界面后也有部分转化为横波。因此，接收到的一串波形中，既有纵波也有横波。通常的波形分析与研究大多集中在波前部的纵波，而且最好是不受边界影响的直达纵波。3.1.6抗压强度及抗折强度实验机下图是本试验测试抗压强度的仪器，采用的是抗折抗压实验机JES-300型，如下图所示：图5抗压抗折实验机JES-300型.1水泥浆的配制称取一定量的嘉华G级油井水泥和外掺料，加入其它处理剂，一起混合均匀，并取所需要量的水。然后把水放入混合容器中，搅拌器以各种不同转速转动（不同外掺料所用转速不同），在15秒内加入水泥混合材料。然后盖上搅拌器盖子，继续搅拌35秒，水泥浆体即可配成。.2模具的准备强度试件模具内表面薄薄地涂一层黄油，每一个模具的一半接触表面也涂黄油，以便装配时使连接处不漏水。要从装配后的模具内表面除去过剩的黄油。模具放在涂了一薄层黄油的玻璃片上。.3抗压强度的测定将配制好的水泥浆放入准备好的模具中，在指定的温度和压力下，养护所需要的时间。达到养护时间后拆模，冷却1～2h至室温，消除热应力的影响，并将两端面磨平，不允许有缺损或裂纹，然后用材料试验机进行破碎实验，再根据下式进行计算即可得到水泥石的抗压强度值。抗压强度计算式：式中：Zf——试样抗压强度，（MPa）；F——试样压碎时的载荷，（N）；A——试样截面积，（cm2）。图是本实验所用来测抗折强度的实验机。图6抗折强度实验机3.2水泥浆配方材料对水泥结构的影响降失水剂对水泥石结构的影响水溶性聚合物作为降失水剂在40年代备受关注。开始它用于钻井液。今天，这种材料也应用到固井水泥桨中作为降失水剂。通常，它们是通过提高水相粘度和降低滤饼渗透率的双重作用而达到降低滤失的目的。就控制失水而言，降低滤饼的渗透性更为重要。当一种水泥浆中加入足够的降滤失剂把失水控制在25m1／30min时，其滤饼的渗透率要比纯水泥浆滤饼的渗透率小1，000倍左右(Binklcy等，1957Deshriersl988)，而此时间隙中水相粘度的增加至多不超过5倍(见表2)。所有纤维素类降滤失剂都有一个共同的缺点，即它们都是有效的水相增粘剂，从而导致了水泥浆配制难度的增加．最终引起过高的水泥浆粘度。当温度低于65℃时，纤维素降失水剂又是有效的缓凝剂，故而要注意防止水泥浆的过度缓凝逐。纤维素聚台物的作用效果随温度的上升而下降，所以纤维素类降滤失剂通常不能用于循环温度超过93胶乳水泥浆具有良好的失水控制性能。胶乳系指乳化聚合物，提供的产品一般为极细球状聚合物颗粒的悬浮乳状液(粒度在200—500nm之间)。多数胶乳分散液固相含量为50％。空心漂珠与硅藻土对低密度水泥石结构的影响微珠填加剂是充有气体的小球，比重在0.4—0.6。用它可以配制出密度为8.5磅/加仑(1.02g/微珠早期主要用于导管和表层套管固井，因为经常遇到井眼冲刷和破裂压力低的问题。但今天微珠的应用更加广泛，在许多场合下微珠水泥可以省略掉多级注水泥固井。微珠的明显缺陷是不能承受高静水压力，不能用于深井。设计和配制微珠水泥浆须特别谨慎．能降低水泥浆密度的玻璃微珠来源甚广，通常要按其所能承受的静水压力的大小而分类。微珠的平均粒度与水泥颗粒接近，一般分布在20—200之间，壁厚在0.5一0.2左右。大多数级别的玻璃微珠可承受5000psi的压刀，但对一些壁较厚比重较大的特种微球，耐压可达10,000psi。玻璃微球比陶瓷微球昂贵，故而应用较少。陶瓷微珠是由飞灰衍变而成的，外壳成分还是硅铝酸盐，内部气体为CO2和N2的混合物。这种微珠比玻璃微珠重，比重为0.7，体积密度2.7磅／英尺。配制更低密度的水泥浆，需更大的加量(Harms和S前巳述及，中空微珠处在高静水压力下易产生破裂或破碎，造成水泥浆密度上升，但这种密度上升可以预测，在设计计算时对此必须予以考虑。当井底压力超过4500psi时不推荐使用陶瓷微珠。混合过程中保证微珠不从水泥颗粒中分离极为重要。微珠必须与水泥充分干混。绝对不能预先混在水中。微珠与水泥比例的任何改变都有可能造成混配期间密度的不稳定。微珠与所有级别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残骸所组成，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剂，须将其研磨到细度接近波特兰水泥的细度。所以，该材料比表面积大，耗水量也大。加入硅藻土后水泥浆的性能与加入膨润土后水泥浆的性能相似，但其增粘效果不大。此外，由于它的火山灰的活性，硅藻土凝固水泥强度要比般土凝固水泥强度高。主要缺点是成本较高。硅藻土纯度越高，其成本就越高，尤其是国外进口硅藻土其成本非常高，考虑油田的承受能力，因此不能用高纯度的硅藻土作为外掺料来配制低密度水泥浆体系。而本研究中所用的硅藻土是从硅藻土矿中开采出来后只经粉磨而未进行深加工的硅藻土。因此其作为外掺料来配制低密度水泥浆，其成本就大大降低了。硅藻土和微硅比表面都较高，吸水性强，用其配制的低密度水泥浆悬浮稳定性好，因此综合其优点可以完成论文的研究目标。钛铁矿与重晶石对高密度水泥石结构的影响钛铁矿石(FeTiO3)系黑色颗粒材料，比重为4.45，它对水泥浆的稠化时间和抗压强度的影响很小。目前提供的钛铁矿石的粒度分布较粗，须调整合适的水泥浆粘度以防止沉淀。钛铁矿石能使水泥浆密度加重到20.0磅/加仑(2.48g/cm3)以上。重晶石是一种白色粉末材料，是油田应用最广的加重剂，但与钛铁矿石或赤铁矿石相比，它不算是一种有效的加重剂。尽管它的比重高达4.33，但要加入更多的水来润湿颗粒。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压强度。用重晶石配制的水泥浆密度可达19.0磅／加仑(2分散剂对水泥石结构的影响油井水泥浆是一种高浓缩固相颗粒水基悬浮体，固相浓度可高达70％。这种悬浮体的流变性能与悬浮液的流变性、固相体积分数和固相颗粒间的相互作用直接有关。在水泥浆水相中含有大量的离子核和有机添加剂。所以，水的组成不同流变性也随之不同。水泥浆的固相含量直接决定水泥浆密度，而颗粒间的相互作用则取决表面电荷分布。水泥分散剂，建筑业称之“超级增塑剂”，则是通过调节颗粒表面电荷以获得合适的水泥浆流变性。水泥浆中加入足够的分散剂，屈服值降为零，表现出牛顿液体的流变行为。分散剂对水泥浆浓度的影响常常不同于对屈服值的影响。尽管在开始阶段，水泥颗粒间的静电作用随分散剂浓度而增大，但颗粒聚集体的尺寸却急剧地减小，束缚水的体积相应也随之减少，从而表现出水泥浆的浓度随分散剂的浓度持续降低。—0.3％BWOC)。在现场条件下，添加剂浓度控制在这样窄的范围十分困难。因此常须加入“反沉淀剂”以托宽低屈服值下浓度范围和降低自由水的产生。反沉淀剂是能够恢复屈服值的材料，但它仍能保持可泵性和适宜的流动阻力。微硅对水泥石结构的影响固井水泥中使用了两种经过仔细筛选后的硅石：石英和硅石蒸气冷凝物。石英常用于热采井固并，防止波特兰水泥强度衰减。最常用两种颗粒粒度是：平均粒度为100m的“石英砂”和平均粒度为15m的“硅石粉”。出于成本原因，这些材料很少单独作为水泥的填加剂。硅石蒸气冷凝物(也叫做硅石)是生产硅、硅铁或其它硅合金的副产品，每个颗粒都是不定形玻璃微珠，平均粒度处在0.1m—0.2m之间(约比波特兰水泥或飞灰颗粒细50—100倍)，故而表面积特别大(15，000—25，000m2/kg)。硅石蒸气冷凝物由于纯度高细度小所以反应活性很高，是目前见到的最有效的火山灰材料(Parker,1981)。由于该材料的比表面积较大，配制水泥浆时用水较多。所以配制110磅／加仑水泥浆可基本不含自由水。同时它的高反应活性能使低密度水泥浆抗压强度形成速度加快(Carathers和Grook1987)。它的加量一般在15％BW4水泥石超声波测试4.1基本特性实验4水泥配方编号配方组分外加剂组分与加量%温度水泥密调剂稳定剂辅助减阻降滤调凝促强活化℃AG铁矿粉硅砂075BG重晶石硅砂075CG1075DG075EG类火灰硅灰375FG漂珠硅粉潜火灰575表3配方设计4实验数据记录整理养护温度：75从图7、图8、图9曲线分析后可以得到以下结论：1）铁矿粉与正常密度水泥石的声速随养护时间的增加而逐渐增加，而超过72h后声速变化不明显；2）低密度水泥石的声速随养护时间的增加逐渐减小，超过72h后声速变化不明显；3）声速与水泥石抗压和抗折强度成正相关关系，与抗折强度关系更明显；4）水泥石强度与养护时间有关，如强度随养护时间增长显著，声波速度随之增大；5）1天养护时间变化，最终强度变化不大，声波速度变化不大；6）早期强度发展快，声速变化大；7）与外加剂类型和外掺料类型有关（与凝结后内部结构有关），能够促进早强者声速大。4.2同一温度下不同材质对声速影响实验（材质对声速的影响）4正常密度水泥石声速变化正常密度水泥石配方设计采用0