Акустический способ контроля качества цементирования элементов конструкции скважин

 

Изобретение преимущественно относится к нефтедобыче, в частности к способам исследования качества цементирования элементов конструкции скважины. Техническим результатом является повышение достоверности результатов исследований с одновременным расширением области применения способа на все цементируемые элементы конструкции скважины. Для этого способ включает излучение акустических импульсов и последующую регистрацию вторичных сигналов с помощью установленных на верхнем торце исследуемого элемента конструкции скважины излучателя и приемника, акустически связанных с телом последнего. При этом интерпретацию результатов исследований ведут путем сопоставления данных, полученных с применением не менее двух различных рабочих частот, лежащих в диапазоне ниже 10 кГц. 4 ил.

Изобретение преимущественно относится к нефтедобыче, в частности к способам исследования качества цементирования элементов конструкции скважины (направление, кондуктор, техническая и эксплуатационная колонна).

Известен метод радиоактивного гамма-гамма-каротажа (ГГК), позволяющий определять наличие или отсутствие цементного камня за обсадной колонной скважины.

К недостаткам метода относится то, что он не позволяет судить о качестве сцепления цементного камня с колонной, т.е. о герметичности затрубного пространства скважины и о возможности заколонных перетоков. (Геофизические методы исследования скважин. Справочник геофизика. Под редакцией В.М.Запорожца. М.: Недра, 1983, с.224-228).

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.

Основным недостатком этого способа (как и ГГК) 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).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является “Акустический способ диагностики качества цементного кольца за кондуктором скважины” (патент РФ 2055176 МПК Е 21 В 47/00 за 1996 г., бюл. №6), 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.

Задача данного изобретения - повышение достоверности результатов исследований с одновременным расширением области применения способа на все цементируемые элементы конструкции скважины.

Поставленная задача решается способом, включающим излучение акустических импульсов и последующую регистрацию вторичных сигналов с помощью установленных на верхнем торце исследуемого элемента конструкции скважины излучателя и приемника, акустически связанных с телом последнего.

Новым является то, что интерпретацию результатов исследования ведут путем сопоставления данных, полученных с применением не менее двух различных рабочих частот в диапазоне ниже 10 кГц.

На фиг.1 представлена схема размещения аппаратуры при реализации предлагаемого способа; на фиг.2 - пример интерпретации результатов исследований путем сопоставления данных (фрагментов цементограмм), полученных с использованием рабочих частот 2 и 5 кГц, и данные традиционного акустического каротажа (АКЦ) по этому же интервалу.

Способ осуществляется в следующей последовательности. На торце исследуемого элемента конструкции скважины (например, эксплуатационной колонны) в акустическом контакте с ним устанавливают приемник и излучатель. Посредством излучателя в торце колонны формируют зондирующий импульс продольных колебаний продолжительностью от 1 до 2 мс и с частотой заполнения от 1 до 5 кГц. Распространяющийся по колонне-волноводу акустический импульс продуцирует вторичные сигналы, несущие информацию о параметрах сцепления в системе колонна - цемент - порода; эти сигналы регистрируют посредством приемника и интерпретируют с помощью соответствующего аппаратурно-программного обеспечения с построением цементограмм, коррелирующих с данными традиционных геофизических исследований. Измерения проводят последовательно на двух различных частотах (например, 2 и 5 кГц), при этом цементограмма, полученная на высшей из частот, характеризует преимущественно качество сцепления в системе колонна - цемент, а на низшей из частот - в системе цемент - порода.

Предлагаемый способ прошел промысловое опробование на 20 эксплуатационных колоннах с известным качеством заколонного цемента. В качестве примера приведены результаты исследований на скважине 14713 Бавлинской площади Ромашкинского месторождения. Глубина спуска эксплуатационной колонны 1688 м, диаметр 146 мм.

Для пояснения способа на фиг.1 приведена схема его осуществления, на которой позиция 1 - исследуемая колонна, позиция 2 - излучатель акустических импульсов, позиция 3 - приемник вторичных акустических сигналов, позиция 4 - аппаратный блок виброакустического цементомера.

Исследования по заявляемому способу были проведены в следующей последовательности. На торец колонны с помощью консистентной смазки (солидол), обеспечивающей акустический контакт, были установлены излучатель и приемник, подключенные к аппаратному блоку 4, обеспечивающему формирование зондирующих импульсов и регистрацию вторичных сигналов с помощью входящей в его состав ПЭВМ, снабженной соответствующим программным обеспечением и сервисным оборудованием. Измерения были осуществлены в два этапа: вначале с применением подаваемого от излучателя зондирующего акустического импульса длительностью 1 мс и частотой заполнения 5 кГц, а затем - длительностью 2 мс и частотой 2 кГц. Зарегистрированные посредством приемника 3 экспоненциальные кривые затухания вторичного сигнала с глубиной были преобразованы (с использованием специально разработанных обрабатывающих программ) в традиционного вида цементограммы, пики на которых соответствуют дефектам заколонного цемента.

Для подтверждения достоверности приводим сравнение цементограмм, полученных на частоте 5 кГц (фиг.2), на частоте 2 кГц (фиг.3) и с помощью прибора АКЦ-4 традиционного акустического каротажа (фиг.4). С целью сокращения объема представляемого графического материала приведены лишь фрагменты цементограмм для интервала 1500-1688 м. Сопоставление цементограмм, полученных на частотах 5 и 2 кГц, показывает, что первая из них соответствует на каротажных материалах амплитудному графику Ак, характеризующему сцепление цемента с колонной, а вторая - Ап, характеризующему сцепление цемента с породой. Однако, как и в случае интерпретации каротажных материалов, однозначно решить вопрос о характере дефектов заколонного цемента возможно лишь путем сопоставления обеих цементограмм (графиков): возрастание амплитуды на частоте 5 кГц по сравнению с частотой 2 кГц соответствует нарушению сцепления цемента с колонной, а снижение - нарушению сцепления цемента с породой. Максимальные значения амплитуд на обеих частотах соответствуют отсутствию цемента в данном интервале.

Таким образом, из приведенных на фиг.2 и 3 цементограмм следует, что нарушение сцепления цемента с породой имеет место в интервалах 1507-1513 и 1678-1682 м, нарушение сцепления с колонной - в интервалах 1522-1526, 1552-1561, 1583-1584, 1594 и 1641-1647 м. В интервалах же 1553- 1559 и 1643-1645 м можно говорить о полном отсутствии сцепленного с колонной или породой цемента. Вышеизложенное подтверждается данными традиционного акустического каротажа (АКЦ) по этому же интервалу эксплуатационной колонны, приведенными на фиг.4.

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. Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить эффективность работ по ликвидации источников техногенного загрязнения водоносных горизонтов в нефтедобывающих регионах.

Формула изобретения

Акустический способ контроля качества цементирования элементов конструкции скважин, включающий излучение акустических импульсов и последующую регистрацию вторичных сигналов с помощью установленных на верхнем торце исследуемого элемента конструкции скважины излучателя и приемника, акустически связанных с телом последнего, отличающийся тем, что интерпретацию результатов исследований ведут путем сопоставления данных, полученных с применением не менее двух различных рабочих частот, лежащих в диапазоне ниже 10 кГц.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4