Способ акустической профилеметрии скважин

Способ акустической профилеметрии скважин

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советск ик

Социалистичесиик

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву(5l }NL. Кл.

Г, 01 V 1/40 (22) Заявлено 29. 12. 80 (21) 3226479/18-25 с присоединением заявки РЙ (23) Приоритет

Геаударстеевей квинтет

СССР

Опубликовано 07.01.83. Бюллетень № 1

60 аеааи кзабратаикй и ютарытий. (53) УДК550.83 (088.8) Дата опубликования описания 07. 01. 83 с

А. У. Ишмухаметов, И. Г.Жувагин, А А,.Красильнйков

В. И. Стрелков, P Г. Гумеров, В. В. Ффшнев -й-"А .И.

В (72) Авторы изобретения

Всесоюзный научно-исследователь нефтепромысловой геофизики (71) Заявитель (54) СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОЙ ПРОФИЛЕМЕТРИИ

СКВАЖИН

Изобретение относится к области промыслово-геофизических исследований в скважинах и предназначено для изучения технического . состояния колонны обсадных труб и открытого ствола скважины.

Известные способы акустических измерений дальностей эхо-методом основаны. на определении интервального времени распространения упругих колебаний между моментами излучения и приема ультразвукового импульса. По известной скорости распространения ультразвука в среде акустического

;.тракта временные интервалы пересчитывают в дальности.

Так, в известном способе, осно;ванном на сканировании ультразвуко:выми импульсами стенки заполненной

20 жидкостью скважины, измеряют времена распространения ультразвука от излучателя до отражающих участков сканируемой поверхности и., полагая известной скорость распространения ультразвука, вычисляют искомые дальности, в том числе средние значения диаметров скважины в выбранных секторах наблюдаемых ее сечениях и регистрируют полученные результаты изме-. рений в виде диаграмм горизонтальных или вертикальных профилей сечения (1).

Указанный способ обладает невысокой точностью измерения дальностей, которая обусловлена предположением, что скорость ультразвука в промывочной жидкости известна в интервале исследований. Поскольку значения скорости обычно неизвестны и зависят от составЬ промывочной жидкости, а также термобарических условий в скважине, постольку известный способ не может быть использован при количественной интерпретации получаемых результатов, Наиболее блйзким к предлагаемому изобретению является способ измере987548

35 где Т,„40

3 ния диаметра скважины,(профилеметрии . скважин), основанный на сканировании ультразвуком стенки заполненной жидкостью скважины и измерении времени Т„ распространения ультразвука до >-ых отражающих участков поверхности стенки, а также определении скорости ультразвука в скважинной жидкости по времени ЬТ; прохождения ультразвуком фиксированного расстояния Д>.1 между двумя акустическими преобразователями (или отражателями), расположенными на известных расстояниях L u L от неподвижного излучателя датчика скорости.

По известной скорости ультразвука в жидкости, временные интервалы пересчитываются в дальности, которые используют для построения профилеграмм (или кавернограмм) ствола скважины $2).

Указанный способ обладает следующими недостатками. Акустический тракт по сканирующего излучателя до стенки скважины представляет собой- трехслойную среду, состоящую из масла, заполняющего отсек с акустическим датчиком резины, изолирующей его от скважинной среды и промывочной жидкости. Поэтому измеряемые времена распространения эхо-сигналов в неодно1>одной среде сложным образом зависят от акустических параметров упомянутых сред, а также термобарических условий в скважине, При условии, когда акустический путь ультра-, звука в масле и резине оказывается соизмеримым с длиной акустического пути в промывочной жидкости, использование скорости ультразвука в промывочной жидкости для вычисления акустического пути эхо-сигналов приводит к большим погрешностям и неоднознач- ной интерпретации результатов измерений. Например, при исследовании большинства скважин, бурящихся на нефть и ràç, с номинальными диаметрами 125-300 мм, используют,;скважинные приборы с наружным диаметром около 100 мм. Длина акустического пути, в этих случаях, от скважинного прибора до стенки скважины может составить 125-2.00 мм. Обычно, из соображений эксплуатационной надежности, толщину резиновой трубы выбирают равной 4-5 мм, а слой масла между преобразователем и, резиной в зависимости от конструкции акустического датчика может составить 45-10 мм при размещении преобразователя по оси скважинного прибора или вблизи резиновой трубы соответственно. Из сказанного следуеТ, что скорость уль5 тразвука в акустическом тракте сканирующего преобразователя может значительно отличаться от скорости в промывочной жидкости, особенно при исследованиях скважин малого диа—

1О метра.

Поэтому известный способ позволяет судить лишь о форме наблюдаемых сечений (или диаметров) скважины и не может быть использован для одно15 значной количественной оценки его размеров и наблюдаемых нарушений.

Кроме того, известный способ обладает большой информативной избыточностью передаваемых и регистрируемых сообщений о временах распространениях-эхо-сигналов, обусловленной формированием первичной информации ненормализованной структуры, ограничивающей возможность его комплексирования с другими геофизическими методами исследований, например с акустическим видеокаротажом, при котором резко возрастают требования обогащения передаваемой информации. зо

Возникновение избыточности легко понять при представлении сообщения Т.

4 в виде двух составляющих:

1. =Т +Qg. (3) постоянная составляющая, характеризующая расстояние от излучателя до цилиндрической поверхности скважины с нормальным диаметром (в дальнейшем номинальным профилем сечения); переменная составляющая, характеризующая дефекты номинального профиля сечения.

Поскольку величина ТН несет информацию о номинальном диаметре скважины, значение которого, обычно, известно, она является избыточной в сообщении Т„, так как не добавляет ин формации.

К недостаткам способа следует также отнести отсутствие метрологического обеспечения и средств контроля результатов измерений, снижающих эффективность способа при исследованиях технического состояния ствола скважины.

Цель изобретения - повышение точ-: ности и метрологическое обеспечение измерений.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу акусти" ческой профилеметрии скважин, ос.нованному на сканировании ультразвуком стенки заполненной жидкостью .скважины и измерении времени Tj распространения ультразвука до i-х.: от- 30 ражающих участков поверхности стенки, а также на определении скорости ультразвука в скважинной жидкости по времени bT. прохождения ультразву ком фиксированного расстояния А1 меж- И ду двумя акустическими преобразователями (или отражателями); располо женными на известных расстояниях Lg и L от неподвижного излучателя датчика скорости, размещают оба пре- zo образователя на одинаковых расстояниях от оболочки скважинного прибора, устанавливают значение L равным расстоянию от сканирующего излучателя до условной цилиндрической по- рь верхности скважины номинального диаметра, измеряют интервальные времена ЬТ„.=Т„ -Т пробега ультразвуком зазоров по 1-и направлениям скани" рования Между номинальным и факти- Зр ческими диаметрами -скважины, форми, руют сигналы временных меток дальности с периодом следования ЬТ, и Т1, и используют их как масштабные единицы дальностей для калибровки anna" ратуры, -установки масштаба записи . информации, разметки профилеграммы, измерения зазоров ЬХ в единицах л"1 а также контроля результатов измерений. о

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство.

В акустическом отсеке I, изолированном .от промывочной жидкости 2 резиновой трубкой 3 и заполненном мас- „ лом 4 размещают вращающийся вокруг оси скважинного прибора 5 ультразвуковой преобразователь 6, сканирующий стенку 7 скважины, и непддвижный преобразователь 8 датчика скоро56 сти, облучающий через зеркало 9 отражатели 10 и 11, причем длины 1,, и 1., акустических пухей от излучателя до отражателей могут устанавливаться перед спуском прибора в скважину. Оба преобразователя работают в совмещенSS ном режиме (передача-прием) и расположены на равных расстояниях от ,резиновой трубки 3. Поэтому на рав987548 6 ных участках акустических трактов от преобразователей 6 и 8 интервальные времена распространения ультразвука также одинаковы.,Используя.это условие, устанавливают длину акустического пути L, равной акусти- ческому пути Х> от сканирующего пре. образователя 6 до условной цилиндри« ческой поверхности 12, образованной скважиной с номинальным диаметром и принимают, что интервальные времена Т> и Т4 между моментами излуче- . ния зондирующих импульсов преобразователями 6 и 8 и приема эхо-сиг налов, отраженных от поверхностей

l2 и отражателя 11 соответственно, равны между собой, т,е. Тд=Ть .По этому интервальные времена T; сигналов дальностей между моментом излучения сканирующего импульса и моментом приема его от i-ro отражающего участка стенки 7 скважины можно представить в виде т„- =т„+ат„, Ь)

1д где ЬТ - время прохождения ультразвуком зазора Д Х „ между поверхностью 12 и стенкой 7 (туда и обратно).

Использование эталонной дальности

L =X» а также идентичностей акустических трактов на этих участках акустического пути позволяет предста-. вить искомые дальности Х - e виде двух

1 сла га емых

Х,=Ь, V 5ò„, () где V — скорость ультразвука в жид7К кости, независящих от вариации скорости ультразвука в масле и резине.

Поэтому данный способ позволяет повысить точность профилеметрии .и однозначно судить как о форме, так и размерах наблюдаемых сечений скважи" ны и нарушений ее ствола, а также расширяет область его использования, например метрологического обеспечения профилеметрии. Из чертежа следует, что благодаря размещению преобра зователей на одинаковых расстоя:.ниях от резиновой оболочки скважин ного .прибора и идентичности акустических перед на этих участках (по их составу и протяженности), времена распространения ультразвука на равных расстояниях от излучающих плос костей преобразователей равны друг

;другу.

987548

Принимая L< равным известному расстоянию Х„ от сканирующего пре- . образователя до условной цилиндрической поверхности скважины номинального диаметра, с учетом сказанного, можно записать, что ,Т,-Т

Поэтому времена Т„ распространения ультразвуковых импульсов от сканирующего излучателя до i-х отражающих участков стенки скважины можно 15 представить в виде

Т. = Т + ДТ. =Т + ЬТ., (6) где дТ„- интервальное время пробега ультразвуком зазоров па 2о

i è направлениям сканирования между номинальным и фактически наблюдаемым профилями сечений скважины.

Уравнение (3) с учетом (4) соот- 25 ветствует уравнению дальностей

Х„=Хн+дХ =4 +×æдТ» (6) где Х; - искомые значения дальностей от излучателя до i-х отража-эв ющих участков породы, дХ- - значения зазоров по i-м направлениям сканирования между номинальным и наблюдаемым профилями сечения сква-.з5

RVlHbl »

Из выражения (6 ) видно, что представление информации Х „- в виде двух слагаемых, из которых одно можно имитировать при определенных усло- 4О виях известным расстоянием L, а второе - зазором Д Х. между номийальным и наблюдаемым профилями сечения скважины, позволяет в принципе исключить влияние вариации скорости ультраэву- 4> ка в промежуточных средах скважинного прибора на результаты измерений дальностей„

По вычитании из (6) величины априорной. информации получим с учетом (5) уравнение дальностей со снятой избыточностью

4 . представляющее собой существенную часть информации (6 ). Эту информацию могут использовать буровые и гео- физические службы при подсчете объ:ема цемента, необходимого для заполнения пространства между обсадной колонной и породой при проведении тампонажных работ, оценке технического состояния ствола скважины, а также для коррекции искажений геофизической информации, обусловленных изменениями геометрии сечения скважины в функции глубины соответственно.

Метрологическое обеспечение акустической профилеметрии по предлагаемому способу основано на возможности использования при выполнении требования выражения (4Р известного способа сравнения измеряемого параметра с эталоном.

На участке акустического пути ХН в качестве такого эталона используют известное интервальное время Т» величину которого принимают постоянной в течение времени полного оборота сканирующего преобразователя.

Каждый раз, начиная с момента излучения зондирующего импульса, сравнивают текущее значение времени распространение T„ c известным временем

Т» и. при выполйении условия Т„-=Т4 (л 2. формируют маркерный импульс Тн, соответствующий моменту прохождения ультразвуком упомянутой поверхности, а также моменту начала отсчета ЬТ„ =

=О интервального времени Д Т ° .

На участках акустического пути дХ„в качестве эталона принимаем интервальное время д Т1., величину которого также принимают постоянной в течение упомянутого времени обзора наблюдаемого данного сечения скважины.

Из соотношения " ", (.g)

b i. T4 полученного после преобразования (4)» вытекает очевидная возможность количественной оценки зазоров ЬХ; в единицах h L путем сравнения текущей информации дТ„ с эталоном дТ1„.

Например, когда величи а дт1 при-нимает значения О, ДТ,,Ь2АТ,, абсолютные значения зазоров АХ1. равны дальностям О, L, 261,... Физически разделение акустического пути Х„, на два участка и использование двух эталонов сравнения вызвано неодно родностью сред на этих участках (Хц и ДХ1), средние скорости ультразвука в которых (Т, и АТ».) могут

» существенно отличаться друг от друга. Поэтому подобное измерение мо8 10 мен со шкалой эталонных значений 4T< .

Синтез такого изображения осуществляют известными способами, используя для этого электроннолучевые средства представления информации и регистрации изображения с экрана элек троннолучевой трубки.

Например, при координатном представлении профилеграммы в декартовой системе координат изображения информации ДТ„. и масштабной сетки с шагом ЪТ, формирует в виде множества вертикальных точечно-столбиковых символов, размещенных на горизонтальной шкале 1-х направлений ска" нирования, и шкалового растра в виде горизонтальных линий с шагом по вертикали, пропорциональным величине сигнала ДТ „. При отображении такой композиции в едином масштабе и выполйении условия совмещения. изображений Т„. и hTg по началам отсчетов интервальных времен на всех i-x направлениях сканирования, значения зазоров (в единицах h L) равны вели" чинам точечно-столбиковых символов в единицах ЬТ,. При этом общая нулевая линия начал отсчетов интервальных времен (АТ.=О и bT =О) в соответствии с условием выражения (4), соответствует точному местоположению следа сечения упомянутой циплоскостью сканирования.

Подобный способ отображения профилеграммы зазоров, а также шкалы дальностей с ценой шага, точно. равной акустической базе b L датчика вко рости, используют для калибровки е профилемера, оперативного контроля профипеметрии на скважине и выбора (установки). масштаба записи.

При технической реализации способа используют известные способы передачи информации от скважинного прибора и наземной измерительной па ели, измерения интервальных времен, хранения и регистрации результатов изйерения этих времен, а также координатного отображения информации на экране электроннолучевого индикатора.

В скважинном приборе формируют сигналы Sg, 5о, Sg, S и Яь, сооТветствующие моментам начала кругового обзора сканирующим преобразователем, излучения и приема ультразвуковых. импульсов, отраженных мишениями и "ми,отражающими участ"

9 98754 жет быть обеспечено только в случае, когда сравниваемые сигналы (Т „ и Т,, ЬТ и дТ, измерены в сред В дах, имеющих одинаковую среднюю скорость ультразвука. Так, сравниваемые интервальные времена (8) изме-рены в однородной среде (скважинной жидкости), а равенство средних скоростей в многослойной среде на рав-: ных участках Хн=L обеспечено приве- 16 денными конструктивными требованиями к идентичности слоев и их протяженностям.

Указанное соотношение (8 ) используют для калибровки профилемеррв 15 при помощи поверочного устройства, представляющего собой трубу, внутренняя поверхность которой имеет, например, две соосно расположенные цилиндрические поверхности, разли- 20 чающиеся диаметрами на величину 2ЬМ

Принимая трубу меньшего диаметра в качестве условной цилиндрической поверхности скважины номинального ди-. аметра с известным паспортным значе- 25 нием расстояния Х, а трубу большого диаметра в качестве иммитатора каверны с известным паспортным значением расстояния Х +ЬРустанавливают расстояния Li, и bL датчика ско-50

1 к. рости профилемера равными Х> и д соответственно и проводят измерения профилей ."сечения внутренних поверх» :линдрической поверхности скважины ностей труб согласно данному способу.

Если при измерении зазора трубы меньшего диаметра окажется, что измеренные интервальные времена Т> и

bT- равны ТЬ и нулю соответственно, 1 то установка отражающей мишени на расстоянии L проведена правильно, 40

При измерении зазоров в трубе большего диаметра должно выполняться тре" бование ЬТ„ =ДТПЛ . При несоответствии .М указанных требований проводят сооТ ветствующую переустановку мишеней, добиваясь указанных требований.

Аналогичную калибровку можно проводить на поверочном устройстве, имеющем большее число упомянутых соос" ных цилиндрических полостей °

Из соотношения (8 ) также вытекает возможность определения зазоров (в единицах L) путем простого считывания информации ЬТ.„ по шкале эталонных значений bT< при представлении профилеграммы в виде совокуп55 ности векторов ДТ„, совмещенных по

i-м направлениям сканирования и началам отсчетов интервальных вре11 98 ками стенки скважины соо ветственно. Эти сигналы передают на поверхность методом разделения во времени: медленно меняющуюся информацию

S o, S> и S4 передают один раз в на-у

М. чале кругoaoro обзора, а быстро меняющуюся 5 и;.S< с частотой посылок сканирующих импульсов.

В наземной панели измеряют ин тервальные времена Т „Т,5,Т1 ° и

bT и регистрируют их, в сопровождении с сигналами Sô и кода глубинь и получают массивы, содержащие полную информацию для построения профилеграммы зазоров, калибровки профилемера и контроля результатов измерений.

В качестве примера рассмотрим реализацию. возможности оперативной профилеметрии и контроля в процессе каротажа, используя известные способы и устройства электроннолучевых средств представления информации в декартовой системе координат.

По служебным сигналам Рр устанавливают электроннолучевой индикатор (ЭЛИ) в исходное положение, при котором электронный луч фиксируют на левом нижнем участке экрана. Начиная с этого момента, каждый раз по сигналу маркерного импульса Т,,=Т осуществляют равномерное горизонтальное шаговое развертывание луча

ЭЛИ с фиксацией его положения и подсветкой в момент остановки, в результате которого образуется горизонтальный точечный растр i-х позиций, соответствующих 1-м направлениям сканирования . Эта линия, физически представляющая след сечения условной цилиндрической поверх-: ности плоскостью сканирования, яв-. ляется геометрическим местом точек нулевых значений интервальных времен дТ, и ДТ; .

В моменты фиксации i-x позиций осуществляют развертывание электронного луча по вертикали и одновременно формируют сигналы меток. дальностей с периодом .следования bTg„ которые используют для подсветки aye: ча ЗЛИ в моменты времени пав (где

n - -числа натурального ряда), формируя тем самым точечный шкаловый растр на котором аналогичным образом фиксируют соответствующее i é позиции сканирования значение интервального времени ЬТ1 .

7548

S0

l5 а0

as

12

После прихода каждого очередного маркерного импульса Ть последовательность формирования шкалового растра и отображения информации ЬТ.

М 1 повторяют др прихода сигнала

После отображения всего информационного массива, принятого за время полного оборота преобразователя, на экране ЭЛИ будет представлена композиция двумерного изображения шкалового растра в виде ряда горизонтальных линий с шагом между ними, равным b,1, .совмещенного по 1-м направлениям сканирования, началам отсчетов интервальных времен и масштабу отображения с контурным изображением профилеграмм зазоров, .значения которых (в единицах AL) llo I-м направлениям сканирования получают простым считыванием информации дТ1. по шкале значений b,Т . Подобное представление упомянутого массива информации является эффективным и удобным средством контроля измерений, масштабирования профилеграмм, а также калибровки профилемеров.

Таким образом, предлагаемый способ использования размерных и временных параметров датчика скорости позволяет значительно увеличить точность измерений, а также решить задачу метрологического обеспечения акустической профилеметрии в сква-. жинах.

Формула изобретения

Способ акустической профилеметрии скважин, основанный на сканировании ультразвуком стенки заполненной жидкостью скважины и измерений времени Т„ распространения ультразвука до i-х отражающих участков поверхности стенки, а также на определении скорости ультразвука в скважинной жидкости по времени ЬТ1, прохождения ультразвуком фиксированного расстояния aL между двумя акустическими- преобразователями (или отражателями), расположенными на известных расстояниях L4 и L от неподвижного излучателя датчика скорости, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и метрологического обеспечения измерений, размещают оба преобразователя на одина-.. ковых расстояниях от оболочки скважинного прибора, устанавливают зна13 987548 14 чение L равным раСстоянию от ска- калибровки аппаратуры, установкй мас нирующего излучателя до условной ци- штаба записи информации, разметки линдрической поверхности скважины профилеграммы, измерения зазоров Х. номинального диаметра, измеряют ин- в единицахЪ L а также контроля ретервальное время дТ =T -T4 пробега 1 зультатов измерений.

1 1 2. ультразвуком зазоров по i-м направ- Источники информации, лениям сканирования между номиналь- принятые во внимание при экспертизе ным и фактическими диаметрами сква- 1. Патент США 3835953, жины, формируют сигналы временных кл ° 181-05, опублик. 1974. меток дальностей с периодом следова- 1в 2. Патент США У 3676842, ноя hTg и T(, и используют их как . кл. 340-155, опублик. l972 (протомасштабные единицы дальностей, для тип).

1—

Составитель Н.Журавлева

Редактор О.Бугир Техред И.Гергель Кррректор М.Демчик

Заказ 10297/33 Тираж 708 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35,,Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная,