Способ определения толщины глинистой корки

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к способам определения толщины глинистой корки, образующейся при бурении скважин. Способ включает подачу в пласт коротких высокочастотных сигналов, регистрацию времени прихода отраженных эхо-сигналов и определение толщины глинистой корки на основе измеренного времени. Высокочастотные сигналы подают, по меньшей мере, из двух положений, расположенных на разных расстояниях от глинистой корки, измеряют амплитуды сигналов, поданных из этих положений и отраженных от границы раздела «буровой раствор-глинистая корка», определяют полное сопротивление и скорость звука в глинистой корки. Повышается надежность и точность определения толщины глинистой корки. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способам определения толщины глинистой корки, образующейся при бурении скважины.

Глинистая корка создается во время бурения буровым раствором, подаваемым в скважину по бурильной колонне и удаляемым через отверстия в буровом долоте с целью смазки бурового долота при бурении и для выноса обломков выбуренной породы на поверхность. Слой глинистой корки образуется по мере того, как буровой раствор смешивается с обломками горной породы и/или другими твердыми веществами и циркулирует вверх через кольцевую область между внешней поверхностью бурильной колонны и стенкой скважины. Смесь покрывает стенку скважины и образует слой глинистой корки. Одной из функций слоя глинистой корки является изолирование пласта от внутренней части скважины. Слой глинистой корки в отрасли часто называют глинистой коркой или фильтрационной коркой.

Известен способ прямого определения характеристик глинистой корки во время отбора проб, проводимого во время бурения, описанный в заявке WO 2009/139992. В известном способе посредством высокочастотного акустического датчика осуществлялись импульсно-эховые измерения и для оценки толщины глинистой корки использовали данные об излученном сигнале и возвращенном эхе. Для определения толщины глинистой корки в соответствии с данным способом необходимо знать скорость звука в глинистой корке, что на практике обычно не представляется возможным.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в повышении надежности и точности определения толщины глинистой корки.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения толщины глинистой корки, включающем подачу в пласт коротких высокочастотных сигналов, регистрацию времени прихода отраженных эхо-сигналов и определение толщины глинистой корки на основе измеренного времени, подачу высокочастотных сигналов осуществляют по меньшей мере из двух положений, расположенных на разном расстоянии от глинистой корки.

Такая подача высокочастотных сигналов может быть обеспечена посредством перемещения одного источника в различные положения или посредством использования по меньшей мере двух источников, установленных на разных расстояниях от глинистой корки.

В качестве источника высокочастотных сигналов могут быть использованы датчики, такие как контактные датчики, датчики преломленного луча, датчики поперечных волн, гидрофоны и др.

Источники высокочастотных сигналов одновременно могут быть акустическими приемниками.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны подача и отражение сигнала на границах раздела бурового раствора/глинистой корки/пласта, на фиг.2 - волны давления для твердой глинистой корки при различных расстояниях между источником и глинистой коркой, на фиг.3 - волны давления для твердой глинистой корки при различных значениях затухания на границе «буровой раствор-глинистая корка».

В известном способе определения толщины глинистой корки, описанном в заявке WO 2009/139992 В, для оценки толщины глинистой корки h_mc использовали импульсно-эховые измерения и оценивали h_mc на основе данных о времени возвращения эха:

h_mc=V_mct/2,

где V_mc - скорость звука в глинистой корке, a t - время прохождения сигнала по глинистой корке. Для реализации способа необходимо знать V_mc. Предпочтительно также использовать частоты сигнала f около f=V_mc/2h_mc и выше. К сожалению, на практике скорость звука в глинистой корке обычно не известна.

Для решения этой проблемы предлагается направлять короткие высокочастотные сигналы и слушать эхо с целью определения различных положений источника относительно глинистой корки. Один из вариантов заключается в проведения этих мероприятий через определенные интервалы времени, с изменением расстояния от источника до глинистой корки посредством перемещения источника, а другой - в установке нескольких датчиков с различными расстояниями между ними и глинистой коркой. Идея заключается в использовании отражений от границ раздела как между буровым раствором и глинистой коркой, так и между глинистой коркой и пластом, а также в использовании не только времени возвращения эха, но и полной информации о сигнале (см. фиг.1) (например, амплитуды отражения). Реальные буровые растворы и глинистые корки приводят к существенному затуханию акустических волн. По сути в силу затухания эхо может не возвратиться до тех пор, пока датчик не окажется достаточно близко к поверхности глинистой корки. В количественном отношении затухание характеризуется декрементом затухания δ. За одно расстояние, равное длине волны, амплитуда волны уменьшается в е^-δ раз. Это означает, что амплитуда волны с частотой f на расстоянии d уменьшается в

.

Существует несколько неизвестных величин - δ_m, h_mc, V_mc. Если известно время возврата эха, возможно оценить лишь одну из них. Следовательно, необходима дополнительная информация - как минимум, две независимые величины. Это затухание амплитуды волны при изменении положения датчика и коэффициент отражения буровой раствор-глинистая корка.

Алгоритм выглядит следующим образом. Коэффициенты прохождения и отражения сигнала в момент перехода волны из среды 1 в среду 2 выражаются как:

;

где Z=ρV обозначает полное акустическое сопротивление среды. Если R отрицательно, это означает, что имеет место π-сдвиг фаз отраженной волны относительно падающей волны. Мы рассматриваем три различных случая: отражение от границы раздела «буровой раствор-глинистая корка», когда источник удален от нее (1), отражение от границы раздела «глинистая корка-пласт», когда источник прижат к глинистой корке (2), и отражение от границы раздела «глинистая корка-пласт», когда источник удален от глинистой корки (3). Во всех этих вариантах волна распространяется с затуханием сквозь среду и отражается/передается на поверхности раздела. Возникающее уменьшение амплитуды после возвращения первой волны будет таким (см. фиг.1):

где d_m - расстояние между датчиком и границей раздела «буровой раствор-глинистая корка». Эти формулы составлены для варианта ID, который является верным для наших измерений в силу небольшого размера датчика и толщины глинистой корки по сравнению с радиусом скважины. Скорость звука в буровом растворе V_m и его плотность ρ_m можно считать известными, как минимум, исходя из состава бурового раствора или за счет установки дополнительного скважинного датчика. Можно допустить, что декремент затухания бурового раствора δ_m известен (т.е. по данным дополнительного датчика). В качестве альтернативы его можно оценить путем проведения пошаговых импульсно-эховых измерений при известном изменении положения датчика, т.к. полное сопротивление на границе раздела «буровой раствор-глинистая корка» не изменяется. При использовании нескольких источников различие положений известно, а в случае использования подвижного источника это можно сделать, например, путем установки датчиков положения на двигателе. За счет проведения эхо-амплитудных измерений при расстояниях d_m1 и d_m2 и получения соотношения между ними можно оценить δ_m.

Здесь A(d) - амплитуда сигнала, отраженного от границы раздела «буровой раствор-глинистая корка»,при условии, что источник находится на расстоянии d от него. Тогда из сигнала эха от поверхности раздела «буровой раствор-глинистая корка» можно вывести полное сопротивление глинистой корки Z_mc, т.к. полное сопротивление бурового раствора Z_m известно:

где

или в более удобной форме

Плотность глинистой корки ρ_mc можно оценить с достаточной точностью (30-40%), если известна плотность утяжелителя и сделано допущение о средней пористости глинистой корки. Это позволяет оценить скорость звука в глинистой корке как V_mc=Z_mc/ρ_mc. Эхо-сигналы «глинистая корка-пласт» можно выявить путем удаления эхо-сигнала от поверхности раздела «буровой раствор-глинистая корка» и его кратных величин. Зная время возврата этих эхо-сигналов и скорость звука в буровом растворе и глинистой корке, легко получить оценочные данные h_mc, h_mc=V_mct/2. Дополнительное преимущество такого подхода заключается в том, что можно также оценить затухание в глинистой корке. Это можно сделать, если известно полное сопротивление формации Z_f (например, по известной плотности формации и скорости звука), используя представленные выше формулы в зависимости от положения датчика. Все параметры этих формул, кроме декремента затухания в глинистой корке δ_mc, либо известны, либо их оценка уже проведена в рамках вышеописанной процедуры.

Для измерения полного акустического сопротивления следует помнить, что существенным является амплитуда сигнала и возникает необходимость учета динамического диапазона измерений. Для снижения требований одним из возможных вариантов является введение эталонных скважинных измерений. Например, получить отражение от известной поверхности, а затем сравнить с эхом от границы раздела «глинистая корка-формация». Таким образом, можно избежать прямого сравнения с сигналом от источника, требования в части динамического диапазона снижаются до более разумного значения в 10-20 дБ и можно ожидать повышения качества результатов.

Иллюстрация описанного выше подхода с рассчитанными в числовой форме волнами, а также эффект затухания в буровом растворе и глинистой корке представлены на фиг.2, 3 для волн давления, приведенных к амплитуде сигнала источника. На Фиг.2 показаны волны давления для твердой глинистой корки при различных расстояниях между источником и глинистой коркой (1 мм - сплошная линия, 0,5 мм - пунктирная линия), на Фиг.3 - волны давления для твердой глинистой корки при различных значениях затухания на границе «буровой раствор-глинистая корка» (нет затухания - пунктирная линия, только в глинистой корке - сплошная линия, в буровом растворе и глинистой корке - штриховая линия). Приведенный выше подход позволяет получить обоснованную и достаточно точную оценку толщины глинистой корки и затухания. Кроме того, он является средством постоянного контроля качества и позволяет установить вступление глинистой корки.

Предпочтительно снизить частоту в максимально возможной степени, одновременно сохраняя возможность установления времени возврата эха. Это можно проделать даже для частот, соответствующих длинам волн около h_mc-0.5h_mc и менее. Это позволяет сохранять достаточно сильные отражения и обеспечить высокую точность измерений полного сопротивления. При более высокой частоте (длина волны h_mc и меньше), для измерения времени возврата эха достаточно простого пикирования. При более низких частотах рекомендуется использовать более сложные методики обработки сигнала, т.к. сигнал и эхо начинают накладываться друг на друга. Также должна быть возможность использования более совершенного анализа сигнала для выявления свойств глинистой корки. Например, глинистая корка будет иметь естественные резонансные частоты, связанные с ее толщиной. Они должны отражаться в спектре сигнала. Следовательно, при анализе спектра эха мы получаем дополнительный способ оценки h_mc.

В качестве высокочастотных источников могут быть использованы различные датчики, такие как контактные датчики, датчики преломленного луча, датчики поперечных волн, гидрофоны и др. Гидрофоны позволяют вырабатывать сигнал давления и могут использоваться даже в том случае, когда непосредственный контакт с глинистой коркой/ формацией нежелателен или невозможен по каким-либо причинам; контактные датчики могут использоваться для выработки направленного (векторного) сигнала, который может помочь получить более подробную информацию; датчики преломленного луча могут обеспечить сильное возмущение в необходимом направлении; роликовые датчики могут оказаться весьма полезными, если необходимы непрерывные измерения, т.к. они находятся в постоянном контакте с интересующей поверхностью раздела и т.д. Для реализации способа могут быть использованы, например, известные ультразвуковые погружные излучатели (гидрофоны, датчики поверхностных акустических волн) таких фирм, как Physical Acoustics Corporation (http://www.pacndt.com/index.aspx?go=products&focus=/multichannel/pcidsp.htm), B&K (http://www.bkhome.com/), Reson, (http://www.reson.com/sw7542.asp), Panametrics (http://www.olympus-ims.com/en/panametrics-ndt-ultrasonic/), Onda, Force technology и др.

1. Способ определения толщины глинистой корки, включающий подачу в пласт коротких высокочастотных сигналов, регистрацию времени прихода отраженных эхо-сигналов и определение толщины глинистой корки на основе измеренного времени по формуле h_mc=V_mc t/2, где V_mc - скорость звука в глинистой корке, a t - время прохождения сигнала по глинистой корке, отличающийся тем, что высокочастотные сигналы подают, по меньшей мере, из двух положений, расположенных на разных расстояниях от глинистой корки, измеряют амплитуды сигналов, поданных из этих положений и отраженных от границы раздела «буровой раствор - глинистая корка», определяют полное сопротивление глинистой корки как
,
где Z_mc - полное сопротивление глинистой корки,
Z_m - полное сопротивление бурового раствора, а
а γ определяют как
,
где d_m - расстояние между датчиком и границей раздела «буровой раствор - глинистая корка»,
K_mmc - коэффициент уменьшения амплитуды сигнала при расстоянии d_m между датчиком и границей раздела «буровой раствор - глинистая корка»,
d_m1 и d_m2 - расстояние от положений, из которых подаются сигналы, до границы раздела «буровой раствор - глинистая корка»,
A_m1 - амплитуда сигнала, поданного из положения, находящегося на расстоянии d_m1 от границы раздела «буровой раствор - глинистая корка» и отраженного от нее,
A_m2 - амплитуда сигнала, поданного из положения, находящегося на расстоянии d_m2 от границы раздела «буровой раствор - глинистая корка» и отраженного от нее,
после чего определяют скорость звука в глинистой корке как
V_mc=Z_mc/ρ_mc,
где ρ_mc - плотность глинистой корки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу высокочастотных сигналов обеспечивают посредством перемещения одного источника в различные положения относительно глинистой корки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу высокочастотных сигналов обеспечивают посредством использования, по меньшей мере, двух источников, установленных на разных расстояниях от глинистой корки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника высокочастотного сигнала используют контактные датчики.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника высокочастотного сигнала используют датчики поперечных волн.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника высокочастотного сигнала используют датчики преломленного луча.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что источник высокочастотных сигналов одновременно является акустическим приемником.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяют затухание в глинистой корке.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно проводят спектральный анализ эхо-сигналов.