固井第一界面微環(huán)隙對聲波傳播規(guī)律的影響步玉環(huán);沈兆超;王銀東;萬春浩;毛廣良【摘要】為消除微環(huán)隙對固井質(zhì)量評價(jià)的影響，研究微環(huán)隙對聲波傳播的影響規(guī)律是非常必要的。針對微環(huán)隙對聲波傳播的影響，分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和理論計(jì)算。試驗(yàn)采用簡化的平板模型，用中間挖空填水的超薄塑料薄膜來模擬充水微環(huán)隙。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶攸c(diǎn)，由聲波在多層介質(zhì)平面層的透射理論得到微環(huán)隙影響聲波傳播的理論計(jì)算公式。試驗(yàn)結(jié)果表明，聲波首波幅度隨微環(huán)隙尺寸的增大而減小，當(dāng)微環(huán)隙尺寸增大至0.1mm時(shí)聲波透射幅度減小70%左右，這會(huì)造成測井時(shí)接收到的反射波聲幅的增大，可能將固井質(zhì)量合格的井解釋為不合格。理論計(jì)算印證了試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)也說明聲波傳播對充氣微環(huán)隙的敏感程度高于充水微環(huán)隙。研究得出，微環(huán)隙對聲波傳播的影響是非常顯著的，在聲波測井中其影響規(guī)律可以應(yīng)用于對固井質(zhì)量的評價(jià)中。%Toeliminatetheeffectofmicroannulusoncementingqualityevaluation,itisnecessarytoinvesti-gatetheeffectofmicroannulusonsonicwavepropagation.Experimentalstudyandtheoreticalanalysiswereusedtoconductthisresearch.Adoptingasimplifiedplatemodel,themicroannuluswassimulatedbythinplasticfilmfilledwithwater.Accordingtothecharacteristicsoftheexperimentalmodel,thecalculationformulathatmicroannuluseffectssonicwavewasobtainedbyusingthetheoryofsonicwavetransmissioninmulti-mediumplanelayer.Exper-imentalresultsshowedthatfirstsonicamplitudedecreaseswiththeincreaseofmicroannulussize,whenmicroannu-lussizeisincreasedto0.1mm,thesonicwaveamplitudewillbedecreasedby70%.Thiswillleadtoanincreaseofreceivedamplitudeinloggingandcauseincorrectcementingexplanationandevaluation.Boththeoreticalcalculationsandexperimentalstudyshowedthatsensitivityofsonicwavepropagationinmicroannuluswithairishigherthanthatfilledwithwater,theeffectofmicroannulussizeonsonicwavepropagationisverysignificant,itsregularitycouldbeusedtoevaluatethecementingqualitybysoniclogging.【期刊名稱】《石油鉆探技術(shù)》【年(勤期】2014(000)001【總頁數(shù)】4頁(P37-40)【關(guān)鍵詞】一界面;微環(huán)隙;聲波測井;固井質(zhì)量;多層介質(zhì);實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)【作者】步玉環(huán);沈兆超;王銀東;萬春浩;毛廣良【作者單位】中國石油大學(xué)華東石油工程學(xué)院，山東青島266580;中國石油大學(xué)華東石油工程學(xué)院，山東青島266580;中國石油大學(xué)華東石油工程學(xué)院，山東青島266580;中國石油大學(xué)華東石油工程學(xué)院，山東青島266580山西儲(chǔ)備物資管理局，山西太原030012【正文語種】中文【中圖分類】TE256環(huán)空微環(huán)隙是指在固井、生產(chǎn)或后續(xù)作業(yè)過程中，由于井下環(huán)空封固系統(tǒng)組成部分不同、各組成部分之間性質(zhì)不同及溫度壓力等外界環(huán)境條件發(fā)生變化，在套管和水泥環(huán)界面形成的微小間隙［1-5］。固井一界面微環(huán)隙的存在嚴(yán)重影響了固井質(zhì)量評價(jià)的準(zhǔn)確性。通常，微環(huán)隙尺寸在一定范圍內(nèi)（小于0.01mm）時(shí)，不會(huì)發(fā)生氣竄，但微環(huán)隙與竄槽在聲波測井曲線上的響應(yīng)是相似的，因此可能會(huì)對固井質(zhì)量造成誤判［6-7］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國每年有耗資3000-4000萬美元的擠水泥作業(yè)是由錯(cuò)誤的測井解釋結(jié)果造成的［8］。因此，需要研究微環(huán)隙對聲波測井的影響規(guī)律，以消除微環(huán)隙對固井質(zhì)量評價(jià)的影響。目前，針對環(huán)空微環(huán)隙的研究很多，涉及微環(huán)隙尺寸計(jì)算、微環(huán)隙成因、消除微環(huán)隙對測井影響等技術(shù)方法［6］,但針對試驗(yàn)?zāi)M微環(huán)隙與測井關(guān)系的研究較少°J.J.Jutten等人［9］就微環(huán)隙對注水泥后測井的影響進(jìn)行了大量的試驗(yàn)及現(xiàn)場案例研究，發(fā)現(xiàn)聲幅測井和超聲波測井均對微環(huán)隙非常敏感，但兩者的敏感程度有所差異；劉繼生等人［10］對微環(huán)隙與聲幅測井套管波幅度的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，但其僅模擬了微環(huán)隙寬度為0.1mm時(shí)的套管波幅度，并沒有得到隨微環(huán)隙寬度變化的規(guī)律特性；L.Boukhelifa等人［11］對微環(huán)隙進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M，但其研究主要集中于微環(huán)隙引起的氣體竄流，并未涉及微環(huán)隙對聲波測井的影響規(guī)律。為此，筆者進(jìn)行了微環(huán)隙的模擬試驗(yàn)，采用聲波儀器測試了不同微環(huán)隙尺寸對聲波傳播的影響，并結(jié)合聲波透射理論模型計(jì)算了不同微環(huán)隙尺寸下的聲波透射率，以探討微環(huán)隙對聲波傳播的影響規(guī)律。1微環(huán)隙影響聲波傳播的室內(nèi)試驗(yàn)1.1試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)1） 模擬微環(huán)隙。由于微環(huán)隙尺寸非常小，且多為液體充填，很難進(jìn)行直接模擬。試驗(yàn)中，選用超薄塑料薄膜來控制所模擬微環(huán)隙的尺寸，將塑料薄膜選定位置中間挖空（30mmx30mm）,挖空部分充水以模擬含水微環(huán)隙。最薄塑料薄膜的厚度為0.01250mm，最厚為0.87500mm。2） 簡化井筒模型。將井筒平面化，用水泥石試塊（G級水泥，水灰比0.44,75°C溫度下養(yǎng)護(hù)48h，尺寸為50mmx50mmx50mm）模擬水泥環(huán)，用N80材質(zhì)鋼板（80mmx80mmx10mm）模擬套管。3） 微環(huán)隙兩端恒加載力。將聲波探頭（型號A101S-RM）與試件垂直放置，加載力即為探頭與試件的重力之和，這樣可保證兩端加載力不變，避免額外施加外力增大加載力大小的控制難度，從而消除外力變化對試驗(yàn)結(jié)果的干擾。4） 發(fā)射聲波采用垂直入射方式，研究微環(huán)隙對垂直入射波的影響規(guī)律?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)，形成的試驗(yàn)裝置如圖1所示。圖1設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置Fig.1Designofexperimentaldevice1.2試驗(yàn)步驟當(dāng)采用空氣填充微環(huán)隙時(shí)，由于探頭界面與空氣不能形成很好的聲耦合，聲波衰減嚴(yán)重，故無法進(jìn)行有效測量，所以僅采用水填充進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟如下：1） 測取鋼板與水泥石直接接觸時(shí)的聲波首播幅度，作為對比基數(shù)；2） 選取要測尺寸的薄膜，經(jīng)過恒力壓實(shí)，然后在中間挖空（遠(yuǎn)大于探頭尺寸），安裝好試驗(yàn)裝置，在薄膜挖空處用微針頭充水，然后進(jìn)行聲波測試；3） 改變微環(huán)隙的尺寸，測取不同尺寸微環(huán)隙所對應(yīng)的聲波透射參數(shù)。1.3試驗(yàn)結(jié)果及分析取所測波形的首波幅度進(jìn)行研究。為了得到微環(huán)隙對聲波傳播規(guī)律的影響規(guī)律，試驗(yàn)中不斷調(diào)整微環(huán)隙尺寸，測取不同尺寸微環(huán)隙對應(yīng)的聲波首波幅度（結(jié)果見表1），得到微環(huán)隙尺寸對首波幅度的影響規(guī)律曲線（見圖2）。表1不同尺寸微環(huán)隙對應(yīng)的首波幅度Table1Amplitudeoffirstwavecorrespondingtodifferentmicroannulussize微環(huán)隙尺寸/mm首波幅度/dB微環(huán)隙尺寸/mm首波幅度/dB0128.00.1312542.00.01250100.00.1750038.00.0250078.00.2625031.50.0375062.00.4375023.00.0437552.00.7000021.00.0875045.00.8750020.0從圖2可以看出：聲波首波幅度隨微環(huán)隙尺寸的增大而減??；當(dāng)微環(huán)隙尺寸增大至近0.1mm時(shí)，聲波幅度減小70%左右；微環(huán)隙尺寸大于0.1mm后，首波幅度隨微環(huán)隙尺寸的減小幅度逐漸變小。圖2充水微環(huán)隙首波幅度與微環(huán)隙尺寸的關(guān)系Fig.2Relationshipofmicroannulussizeandamplitudeoffirstwavewhenmicro-annulusisfilledwithwater2微環(huán)隙影響聲波傳播的理論計(jì)算在上述試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，聲波入射方式為垂直入射，套?微環(huán)隙-水泥試塊三者構(gòu)成了三層平面平行介質(zhì)，由聲波在多層介質(zhì)平面層的反射與透射理論可知，三層平面平行介質(zhì)的聲強(qiáng)透射系數(shù)可由下式求得［12］：式中：T2為多層介質(zhì)的聲強(qiáng)透射系數(shù)；Z1,Z2,Z3分別為套管、微環(huán)隙和水泥環(huán)的聲阻抗，Zi=pici(i=123),N?s/m3;p1,p2,p3分別為套管、微環(huán)隙和水泥環(huán)的密度，kg/m3;c1,c2,c3分別為套管、微環(huán)隙和水泥環(huán)的介質(zhì)聲速，m/s;k為中間層的波數(shù)；；3為聲波頻率，Hz;d為微環(huán)隙的尺寸，m。—般水泥石聲波測井超聲換能器的工作頻率設(shè)定在套管共振頻率(取決于套管壁厚)附近，為200~700kHz，故試驗(yàn)選取的聲波頻率為500kHz。將各介質(zhì)參數(shù)(見表2)及入射波頻率帶入式(1)，調(diào)整微環(huán)隙的尺寸d，就可以計(jì)算得到對應(yīng)充填水和空氣時(shí)不同微環(huán)隙尺寸的聲強(qiáng)透射系數(shù)，將不同微環(huán)隙尺寸的聲強(qiáng)透射系數(shù)除以微環(huán)隙尺寸為0時(shí)聲強(qiáng)透射系數(shù)，就得不同微環(huán)隙尺寸的相對透射率，結(jié)果見圖3。表2不同介質(zhì)的聲波傳播速度和密度Table2Acousticvelocityanddensityofdifferentmedia介質(zhì)縱波速度/(m-s-1)密度/林9^-3)套管54507850空氣6300.140淡水14801000水泥石30001800圖3微環(huán)隙中充填水和空氣時(shí)相對透射率與微環(huán)隙尺寸之間的關(guān)系Fig.3Relationshipbetweenmicroannulussizeandrelativetransmittancewhenmicroannulusisfilledwithwaterandair從圖3可以看出：不論微環(huán)隙中充填水還是充填空氣，聲波相對透射率都隨著微環(huán)隙尺寸的增大而不斷降低；在相同微環(huán)隙尺寸條件下，微環(huán)隙內(nèi)充填的物質(zhì)不同，對聲波相對透射率的影響也不同?？諝鈱κ撞ǚ鹊挠绊戇h(yuǎn)大于水對首波幅度的影響，即聲波傳播對于空氣的敏感性要大于水。3試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較由于試驗(yàn)得到的是聲波傳播的首波幅度，而理論計(jì)算得到的是聲波的聲強(qiáng)透射系數(shù)，要進(jìn)行對比需先對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行換算。由于聲波能量大小與聲幅成正比，先將聲幅平方，再與微環(huán)隙尺寸為0時(shí)的聲幅平方進(jìn)行對比，可得到試驗(yàn)得出的聲波相對透射率：(2)式中：T為聲波相對透射率；E為聲波能量，W；E0為微環(huán)隙尺寸為0時(shí)的對比聲波透射能量，W；A為聲波幅度值，dB；A0為微環(huán)隙尺寸為0時(shí)的對比聲波幅度值，dB。將試驗(yàn)測得的聲波幅度轉(zhuǎn)化為相對透射率，得到試驗(yàn)相對透射率與微環(huán)隙寬度的關(guān)系曲線，再將試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，對比情況如圖4所示。由圖4可知，微環(huán)隙對聲波傳播的影響非常顯著，試驗(yàn)與理論計(jì)算得出的規(guī)律基本一致。微環(huán)隙對于聲波測井解釋同樣會(huì)產(chǎn)生非常大的影響，甚至可造成測井解釋錯(cuò)誤。微環(huán)隙含水時(shí)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在較大差距，理論計(jì)算結(jié)果的敏感性更強(qiáng)。分析認(rèn)為，誤差可能主要來自兩方面：其一，試驗(yàn)中水泥石試件界面存在一定粗糙度，而理論計(jì)算的界面是絕對平滑的；其二，試驗(yàn)過程中系統(tǒng)及人為誤差遠(yuǎn)大于理論計(jì)算誤差。圖4理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系曲線對比Fig.4Comparisonofanexperimentalresultandcalculationvalue4結(jié)論采用平面模型簡化井筒模型，用超薄塑料膜控制微環(huán)隙寬度，通過將薄膜中間挖空充水來模擬充水微環(huán)隙，實(shí)現(xiàn)了對微環(huán)隙的試驗(yàn)?zāi)M。試驗(yàn)?zāi)M充水微環(huán)隙對聲波首波幅度的影響明顯，隨著微環(huán)隙尺寸的增大聲波首波幅度不斷減小，當(dāng)微環(huán)隙尺寸增大至0.1mm時(shí)，聲波幅度減小70%左右，而微環(huán)隙尺寸大于0.1mm后，首波幅度隨微環(huán)隙尺寸的減小幅度逐漸變小。理論模擬計(jì)算結(jié)果表明，聲波傳播對微環(huán)隙非常敏感，隨著微環(huán)隙尺寸的增大，聲波透射率迅速降低，且聲波傳播對充氣微環(huán)隙的敏感程度明顯高于充水微環(huán)隙。比較模擬試驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聲波垂直入射時(shí)，兩種情況下聲波透射能量隨微環(huán)隙尺寸的變化規(guī)律基本一致。但理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果仍存在較大差距，分析認(rèn)為，可能由試驗(yàn)中微環(huán)隙界面的粗糙度及試驗(yàn)中系統(tǒng)和人為誤差所致。參考文獻(xiàn)References郭辛陽，沈忠厚，步玉環(huán)，等.固井微環(huán)空成因研究進(jìn)展及解決方法[J].鉆采工藝，2009，32(5):1-3.GuoXinyang,ShenZhonghou,BuYuhuan,etal.Researchdevelopmentofcementingmicroannularanditssolvingmethods[J].Drilling&ProductionTechnology,2009,32(5):1-3.高偉勤，曲天虹,劉有全，等.用聲波變密度測井識(shí)別微環(huán)的影響[J].河南石油,2004,18(增刊1):71-72.GaoWeiqin,QuTianhong,LiuYouquan,etal.TorecognizetheInfluenceofmicro-annuliwithacousticvariabledensitylogging[J].HenanPetroleum,2004,18(supplement1):71-72.宋杰,趙慶東，廖艷，等.淺談水泥膠結(jié)測井中的〃微環(huán)”現(xiàn)象[J].國外測井技術(shù),2003,18(2):29-30.SongJie,ZhaoQingdong,LiaoYan,etal.Discussiononthephenomenonof"micro-annulus"incementbondlogging[J].ForeignLoggingTechnology,2003,18(2):29-30.池英柳,陳憲侃.雁翎油田注入氮?dú)庋匚h(huán)隙竄流的可能性分析[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1994,18(1):10-16.ChiYingliu,ChenXiankan.Possibilityofinjectednitrogenchannelingthroughmicro-annulusinYanlingOilfield[J].JournaloftheUniversityofPetroleum,China:EditionofNaturalScience,1994,18(1):10-16.楊燕，楊遠(yuǎn)光,盧家亭，等工作液密度降低對水泥環(huán)界面膠結(jié)的影響[J].石油學(xué)報(bào),2010,31(2):333-337.YangYan,YangYuanguang,LuJiating,etal.Effectofdensityreductionofoperatingfluidincasingoninterfacecementationofcementsheath[J].ActaPetroleiSinica,2010,31(2):333-337.解宇寧，周曉宇.微環(huán)隙對聲幅測井影響的定量計(jì)算及校正[J].石油鉆探技術(shù)，2013,41(1):45-50.XieYuning,ZhouXiaoyu.Quantitativecalculationandcorrectionoftheinfluenceofmicroannulusonacousticamplitudelog[J].PetroleumDrillingTechniques,2013,41(1):45-50.楊振杰，李家芬,蘇長明.鉆井工程固井膠結(jié)界面研究現(xiàn)狀[J].石油鉆探技術(shù),2005,33(6):1-5.YangZhenjie,LiJiafen,SuChangming.Thestatusquoofresearchesonbondinginterfaceofwellcementing[J].PetroleumDrillingTechniques,2005,33(6):1-5.FrischG,GrahamL,GriffithJ.Anovelandeconomicalproces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