Акустический способ определения качества цементирования элементов конструкции скважины

Акустический способ определения качества цементирования элементов конструкции скважины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может найти применение при исследовании качества цементирования элементов конструкции скважины (направление, кондуктор, техническая и эксплуатационная колонна).

Известны различные модификации акустического способа скважинной цементометрии (типа АКЦ), включающие излучение акустических импульсов и последующую регистрацию вторичных сигналов с помощью излучателя и приемника и позволяющие оценивать качество сцепления заколонного цемента как с металлом (преимущественно эксплуатационной колонны), так и с окружающими породами (Основы полевой и промысловой геофизики / Под ред. Р.С. Хисамова. Казань, изд-во Академия наук. РТ, 2013, 358 с.).

Основным недостатком этого способа является высокая трудоемкость и продолжительность исследований, обусловленная необходимостью спуска во внутреннее пространство скважины соответствующей аппаратуры. Этому предшествуют длительные подготовительные работы, включающие вывод скважины из эксплуатации, установку мачты каротажного подъемника, демонтаж устьевого и извлечение забойного оборудования скважины. (Н.Н. Кривко. Аппаратура геофизических исследований скважин. М.: Недра, 1991, с. 179-191, 333-339.)

Известен акустический способ диагностики качества цементного кольца за кондуктором скважины (патент РФ 2055176, МПК Е21В 47/00, опубл. 27.02.1996), основанный на принципе использования самой колонны кондуктора скважины в качестве волновода для распространения зондирующих акустических импульсов и отраженных от неоднородностей системы металл - цемент - порода вторичных сигналов, несущих информацию о состоянии заколонного цемента. При этом излучатель и приемник акустических сигналов размещают на верхнем торце исследуемого кондуктора, что обеспечивает высокую оперативность проведения исследований, не требующих разгерметизации скважины и спуска в ее внутреннее пространство какого-либо оборудования.

Основной недостаток способа связан с тем, что он не позволяет различать вторичные сигналы, поступающие как от нарушений сцепления в системе металл - цемент, так и в системе цемент - порода. Кроме того, применение сравнительно высоких рабочих частот (от 10 до 40 кГц) ограничивает глубину применения способа величиной порядка 400 м (РД 39-0147585-070-92. Технологическая инструкция по определению качества цементирования кондукторов виброакустическим методом. - Казань, 1992. - 14 с). Вместе с тем известно, что глубина проникновения излучаемых акустических волн в окружающую среду и коэффициент их затухания находятся в обратной зависимости от частоты. (Исакович М.А. Общая акустика. - М.: Наука, 1973. - 495 с.) Поэтому при использовании двух (или более) различных рабочих частот более высокая из них должна быть чувствительнее к параметрам сцепления металл - цемент, а пониженная - к параметрам сцепления более удаленной от колонны-волновода системы цемент - порода. Таким образом, сопоставление относительной амплитуды соответствующих дефектам заколонного цемента пиков на цементограммах, полученных с использованием различных частот, может стать объективным критерием, позволяющим различать дефекты цемента различной природы. Кроме того, снижение используемых рабочих частот позволяет существенно (обратно пропорционально квадрату частоты) повысить глубинные возможности способа, расширяя область его применения на технические и эксплуатационные колонны скважины.

Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности является акустический способ контроля качества цементирования элементов конструкции скважины (патент РФ 2238404, МПК 7 Е21В 47/00, опубл. 20.10.2004 - прототип), основанный на комбинации эхо- и зеркально-теневого методов. Способ виброакустической цементометрии сводится к возбуждению продольных звуковых волн в длинной стальной трубе, окруженной с внешней стороны цементным камнем. Продольные звуковые волны в стальной трубе представляют собой механические волны сжатия-расширения, распространяющиеся вдоль трубы. Применен принцип распространения зондирующих акустических импульсов и регистрации отраженных от неоднородностей системы металл - цемент - порода вторичных сигналов, несущих информацию о состоянии заколонного цемента с использованием двух рабочих частот 2 кГц и 5 кГц. Затухание звуковой волны сильнее при хорошем сцеплении металла с цементом и ослабевает при отсутствии сцепления. Наличие сигналов от дефектов цементирования проявляется в отклонении их амплитуд от линии огибающей (средней) линии зарегистрированных приемником сигналов. Излучатель и приемник акустических сигналов размещают параллельно друг другу на верхнем торце исследуемого кондуктора.

Способ не требует разгерметизации скважины и спуска в ее внутреннее пространство какого-либо оборудования.

Существенным недостатком этого способа является то обстоятельство, что на цементограмме отражаются лишь интервалы нарастания амплитуды отраженного сигнала, информация о ниспадающей части амплитудных пиков утрачивается, уходя в отрицательные значения первой производной, не отражаемые на результирующей цементограмме. Следствием этого является неполное отражение информации в представляемом результате - цементограмме, на которой отмечаются лишь головные части дефектов заколонного цемента.

В предложенном изобретении решается задача расширения информационной возможности и повышения достоверности результатов исследований. Дополнительно решается задача определения вертикальных зон плохого качества сцепления цемента с колонной.

Задача решается тем, что в акустическом способе контроля качества цементирования элементов конструкции скважины, включающем размещение на верхнем торце исследуемого элемента конструкции скважины датчиков излучателя и приемника акустических импульсов, акустически связанных с элементом конструкции, излучение акустических импульсов и регистрацию вторичных сигналов, согласно изобретению после излучения и регистрации акустических импульсов перемещают датчики излучателя и приемника последовательно через каждые 90-60° по окружности изучаемого элемента скважины, устанавливают их диаметрально-противоположно друг другу, формируют зондирующие акустические импульсы на двух частотах 2 кГц и 5 кГц, проводят запись отраженного сигнала на двух 3-х и 5-ти периодах Т и выполняют 4-6 замеров по окружности, интерпретацию результатов исследований ведут путем суммирования данных, полученных с применением двух рабочих частот 2 и 5 кГц и двух периодов 3 Т и 5 Т, выполняют построение развертки в 360° поверхности контакта элемента конструкции скважины колонна-цемент с получением картины сцепления цемента с колонной по всему периметру скважины и выделением вертикальных дефектных нарушений цемента.

Сущность изобретения

Существенными недостатками известных способов акустического контроля качества цементирования элементов конструкции скважины являются неполное отражение информации в представляемом результате, невысокая достоверность результатов. В предложенном изобретении решается задача расширения информационной возможности и повышения достоверности результатов исследований. Дополнительно решается задача определения вертикальных зон плохого качества сцепления цемента с колонной.

Задача решается следующим образом.

В акустическом способе контроля качества цементирования элементов конструкции скважины выполняют размещение на верхнем торце исследуемого элемента конструкции скважины датчиков излучателя и приемника акустических импульсов, акустически связанных с элементом конструкции, излучение акустических импульсов и регистрацию вторичных сигналов. После излучения и регистрации акустических импульсов перемещают датчики излучателя и приемника последовательно через каждые 90-60° по окружности изучаемого элемента скважины, устанавливают их диаметрально-противоположно друг другу, формируют зондирующие акустические импульсы на двух частотах 2 кГц и 5 кГц, проводят запись отраженного сигнала на двух 3-х и 5-ти периодах Т и выполняют 4-6 замеров по окружности, проводят интерпретацию результатов исследований, которую ведут путем суммирования данных, полученных с применением двух рабочих частот 2 и 5 кГц и двух периодов 3 Т и 5 Т, выполняют построение развертки в 360° поверхности контакта элемента конструкции скважины колонна-цемент с получением картины сцепления цемента с колонной по всему периметру скважины и выделением вертикальных дефектных нарушений цемента.

На фиг. 1 представлены схемы исследовательского процесса размещения датчиков излучателя и приемника при реализации предлагаемого способа, где 1 - исследуемая колонна, 2 - датчики излучателя акустических импульсов, 3 - датчики приемника вторичных акустических сигналов, 4 - аппаратный блок виброакустического цементомера.

На фиг. 2 представлены примеры размещения датчиков при исследовании скважин. На фиг. 2 приняты следующие обозначения: 1 - исследуемая колонна, 2 - датчики излучателя акустических импульсов, 3 - датчики приемника вторичных акустических сигналов, 4 - аппаратный блок виброакустического цементомера, 5 - кондуктор, 6 - кабели, 7 - аккумулятор. Датчики 2 и 3 устанавливают на диаметрально противоположных точках, изначально через 180° друг от друга и далее, поочередно, перемещают по периметру торца колонны, проводят замеры с шагом от 90 до 60°. Передающе-регистрирующая программа формирует зондирующий импульс на двух частотах 2 кГц и 5 кГц, проводит запись отраженного сигнала на двух 3-х и 5-ти периодах (Т). При этом увеличено количество замеров с одного до шести. По заданной частоте и амплитуде зондирующего сигнала увеличивается плотность замеров на метр длины элемента конструкции скважины в 5 раз по сравнению с прототипом, за счет чего увеличивается детальность исследований и регистрация малых до 10-30 см дефектов цемента.

При интерпретации полученных замеров использован аддитивный метод, основанный на суммировании четырех амплитуд (с частотой 2 кГц - 3 Т, 2 кГц - 5 Т, 5 кГц - 3 Т, 5 кГц - 5 Т) в каждой точки из 6-ти замеров и вычислении значения относительной амплитуды сигнала, которая рассчитывается по формуле Ао=(Ат - Ап)/Ат, где Ао представляет собой разность текущего значения амплитуды, Ат - предыдущее минимальное значение на кривой затухания, Ап - отнесенная к текущей амплитуде.

Исследования по заявляемому способу проводят в следующей последовательности: на торец колонны с помощью сцепляющего вещества необходимой консистенции (алебастр, гель), обеспечивающей акустический контакт, устанавливают излучатель и приемник, подключенные к аппаратному блоку, формируют зондирующий импульс и регистрацию вторичных сигналов с помощью программ, входящих в состав персонального компьютера. Измерения осуществляют с применением подаваемого от излучателя зондирующего акустического импульса длительностью 3 мс, 5 мс и частотой заполнения 5 кГц, затем импульс длительностью 3 мс, 5 мс и частотой 2 кГц.

Зарегистрированные посредством приемника экспоненциальные кривые затухания вторичного сигнала оцифровываются и обрабатываются специальной программой с записью сигнала в точке замера.

Далее аналогично замеры проводят секторально, через каждые 90-60°, перемещая датчики по окружности элемента скважины, выполняют 4-6 замеров по кругу (фиг. 2).

За счет секторного исследования строят развертку поверхности контакта колонна-цемент в 360°, в результате чего наблюдают сквозные нарушения контакта, а не только изолированные друг от друга дефекты сцепления. Наличие таких сквозных дефектов даже в случае небольших по мощности интервалов позволяет обнаружить потенциальные каналы для межпластовых перетоков за колонной, не выделяемые с помощью аналогичного метода. Построение развертки поверхности стенки скважины отображает псевдотрехмерное изображение качества цемента за исследуемой колонной скважины.

На выходе программного графического редактора строят цементограмму. Пики значений амплитуд, находящиеся в зоне «Дефектный цемент», соответствуют плохому сцеплению цементного камня с колонной скважины.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1. На скважине, имеющей эксплуатационную колонну и заколонный цемент, проводят акустический контроль качества цементирования эксплуатационной колонны скважины. На устье скважины на торце эксплуатационной колонны размещают датчики излучателя и приемника акустических импульсов. Датчики акустически связывают гипсовым раствором с эксплуатационной колонной. Проводят излучение акустических импульсов и регистрацию вторичных сигналов. После излучения и регистрации акустических импульсов перемещают датчики излучателя и приемника последовательно через каждые 90° по окружности эксплуатационной колонны скважины, устанавливают их диаметрально-противоположно друг другу, формируют зондирующие акустические импульсы на двух частотах 2 кГц и 5 кГц, проводят запись отраженного сигнала на двух 3-х и 5-ти периодах Т и выполняют 4 замера по окружности, интерпретацию результатов исследований ведут путем суммирования данных, полученных с применением двух рабочих частот 2 и 5 кГц и двух периодов 3 Т и 5 Т, выполняют построение развертки в 360° поверхности контакта элемента конструкции скважины колонна-цемент с получением картины сцепления цемента с колонной по всему периметру скважины и выделением вертикальных дефектных нарушений цемента.

На фиг. 3 представлен результат исследований - цементограмма в секторальной развертке по окружности исследуемого элемента скважины. Цементограмма отображает значения относительной амплитуды отраженного сигнала, соответствующие качественному и дефектному сцеплению заколонного цемента. На примере нарушение сцепления цемента с породой имеет место в интервалах 18-22 м, 27,3-33 м, 35-45,1 м, 47,2-51,5 м, 53-57,5 м, 59-61,5 м, 65,5-71,4 м, 72,2-83 м, 85,7-101 м. Присутствие сквозных дефектов цементного камня обуславливает негерметичность затрубного пространства даже в случае небольших по мощности интервалов дефектов.

На фиг. 4 представлено сравнение результатов прототипа - способа ВАЦ с предложенным акустическим способом высокого разрешения 6-секторного контроля качества цемента. Цементограмма известного способа а) отображает картину отраженного сигнала в одном положении датчиков, качество цементного камня затрубного пространства оценивается субъективно на все околоскважинное пространство. Цементограмма предложенного способа б) отображает объективную картину контакта сцепления цемента с колонной по всему периметру скважины в развертке 360° и выделяет вертикальные дефекты нарушения цемента.

Пример 2. Выполняют как пример 1. После излучения и регистрации акустических импульсов перемещают датчики излучателя и приемника последовательно через каждые 60° по окружности эксплуатационной колонны скважины, устанавливают их диаметрально-противоположно друг другу, формируют зондирующие акустические импульсы на двух частотах 2 кГц и 5 кГц, проводят запись отраженного сигнала на двух 3-х и 5-ти периодах Т и выполняют 6 замеров по окружности.

Результаты аналогичны результатам примера 1.

Таким образом, в предложенном изобретении решается задача расширения информационной возможности, повышения достоверности результатов исследований и определения вертикальных зон плохого качества сцепления цемента с колонной.

Технико-экономическая эффективность от применения предлагаемого способа достигается за счет повышения достоверности информации о состоянии заколонного цемента, что положительно влияет на эффективность работ по ликвидации источников техногенного загрязнения водоносных горизонтов в нефтедобывающих регионах.

Применение предложенного способа позволит решить задачу расширения информационной возможности, повышения достоверности результатов исследований и определения вертикальных зон плохого качества сцепления цемента с колонной.

Акустический способ контроля качества цементирования элементов конструкции скважины, включающий размещение на верхнем торце исследуемого элемента конструкции скважины датчиков излучателя и приемника акустических импульсов, акустически связанных с элементом конструкции, излучение акустических импульсов и регистрацию вторичных сигналов, отличающийся тем, что после излучения и регистрации акустических импульсов перемещают датчики излучателя и приемника последовательно через каждые 90-60° по окружности изучаемого элемента скважины, устанавливают их диаметрально-противоположно друг другу, формируют зондирующие акустические импульсы на двух частотах 2 кГц и 5 кГц, проводят запись отраженного сигнала на двух 3-х и 5-ти периодах Т и выполняют 4-6 замеров по окружности, интерпретацию результатов исследований ведут путем суммирования данных, полученных с применением двух рабочих частот 2 и 5 кГц и двух периодов 3 Т и 5 Т, выполняют построение развертки в 360° поверхности контакта элемента конструкции скважины колонна-цемент с получением картины сцепления цемента с колонной по всему периметру скважины и выделением вертикальных дефектов нарушения цемента.