Способ определения параметров акустического зонда для контроля цементирования нефтегазовых скважин

 

Союз Советскик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Социапистическин

Республик

<п>890315

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свиа-ву(22)Заявлено 04.01 80 (21) 28б4189/18-25 (51)М. Кл.

G 01 V 1/40 с присоединением заявки №(23) Приоритет

Гаеудеротеенный комитет

Опубликовано 15. 12 81 ° Бюллетень ¹ 46 пе делам изобретений н открытий (53) УДК 550. .83(088.8) Дата опубликования описания 17. 12.81 (72) - Авторы изобретения

Б.И. Кирпиченко и А.А. Сержантов

Всесоюзный научно-исследовательский и пр ектно- конструкторский институт геофизических следований геологоразведочных скважин (71) Заявитель (54) СПОСОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКОГО

ЗОНДА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ

СКВАЖИН с

Изобретение относится к промыслово-геофизическим исследованиям скважин и может быть использовано при акустическом каротаже для оценки качества цементирования нефтегазовых скважин.

Известен способ определения размеров акустического зонда, основанный на экспериментальном выборе его длины из условия регистрации отраженной волны. Расстояние между ближ10 ним приемником и излучателем такого зонда менее 30 см (11.

Недостатком такого способа является то, что среди критериев выбора

его размеров отсутствуют показа ели

IS эффективности при выделении различных типов де ектов цементировании.

Критерием выбора такого малого зонда служит условие возможности регистра20 ции отраженной волны для определенного диаметра необсаженной скважины.

Известен также способ выбора трехэлементного зонда из условия умень-, шения влияния ошибки измерений путем образования разностных величин из показаний двухэлементных зондов, имеющих сближенные одноименные преобразователи. Особенностью этого способа является то, что повышение вертикальной дифференциации показаний и уменьшение ошибки измерений достигают максимально возможным сближением одноименных преобразователей, а рас- стояние между разноименными npeqgразователями оставляют большим для сохранения достаточной величины дифференциации регистрируемых амплитуд (2 1.

Недостатками зондов, выбранных та ким способом, являются уменьшение чувствительности.к дефектам в цементе в случае их малой протяженности, а также искажение вертикальных размеров изучаемых неоднородностей цемента и появление ложных аномалий в связи с влиянием на амплитуды, регистрируемые в интервале разностного затт890315 да, свойств цементного кольца, расположенного вне пределов зонда.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ выбора длины зонда для акустического цементомера, основанный на измерениях амплитуд продольных волн на моделях зацементированной колонны при различных расстояниях между преобразователями. В этом случае размер зонда 1О выбирают из условия падения амплитуд продольной волны, регистрируемых на модели зацементированной колонны, до уровня аппаратурных шумов, т.е. не менее чем в 10 раз. Указанное падение амплитуд продольной волны определяют при этом по графикам их зависимости. от угловой раскрытости вертикального канала, образуемого путем выпиливания части цементного кольца на модели зацементированной колонны. Этот способ предполагает введение какоголибо ограничительного критерия, дает при вышеуказанном условии в качестве оптимального размер зонда порядка

2,5 м C3g.

Недостаток способа заключается в том, чта ан применим только для одного типа дефекта цементного кольца и не позволяет обосновать возможность, 30 более высокой вертикальной (по стволу скважины) дифференциации различных неоднородностей цементного кольца.

Целью изобретения является повышение точности исследований путем выбора зонда, обеспечивающего повышение детальности исследований различных неоднородностей цементного кольца (двух типов неоднородностей).

При этом под детальностью исследо-ъ ваний понимают вертикальную дифференциацию амплитуд А (количество неоднородностей цемента, выделенных в единице длины скважины), характеризуемую разрешающей способностью зонда по стволу скважины, а увеличение детальности достигается уменьшением длины зонда. Резкость (контрастность) выделения любой неоднородности характеризуется коэффициентом дифферен- 5О циации (относительным изменением) амплитуд на ней (например отношением максимальной амплитуды в свободной колонне к амплитуде в интервале наличия цемента). 55

Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения па-раметров акустического зонда для ! контроля цемептироваппя tterhvet «зоных скважин, основанному на измерении амплитуд продольных BQJIII в колонне с заданным поперечным размером дефекта цементиравания и при различных расстояниях между преобразователями, измерения амплитуд А< продольных волн производят на нескольких частотах излучения и на различных расстояниях между преобразователями на двух моделях: на ступени, имитирующей изменение кольцевого зазора между колонной и цементом в диапазоне 0 †1 мкм, и на ступени свободная колонна — це— ментное кольцо, сцепленное с колонной. Затем определяют коэффициенты дифференциации амплитуд, полученных для обоих типов ступеней, строят соответствующие пары зависимостей найденных коэффициентов дифференциации амплитуд от длины зонда для различных частот излучения, и длину зонда выбирают из условия равенства указанных коэффициентов дифференциации амплитуд для различных ступеней на одной частоте излучения, позволяют щей обеспечить наименьшее допустимое для изучаемых условий значение коэффициента дифференциации.

На фиг. 1 приведены графики зависимостей коэффициентов дифференциации амплитуд от длины зонда для различных частот излучения и типов неоднородностей цементного кольца; на фиг. 2 — области объемных и объемно-контактных дефектов на фоне схематических зависимостей коэффициентов дифференциации ат длины зонда.

Способ осуществляется следующим образом.

При различных расстояниях между преобразователями и частотах излучения производят измерения амплитуд продольных волн по колонне для следующих основных типов неоднородностей цементного кольца: )) ступень цементное кольцо, сцепленное с ко лонной,-свободная колонна и 2) ступень кольцевого зазора между колонной и цементным кольцом в диапазоне 0-100 мкм. Затем для каждого из указанных двух типов ступеней, частоты излучения и длины зонда определяют коэффициенты дифференциации амплитуд. Для ступени первого типа коэффициент дифференциации определяется как отношение максимальных ампли— туд в свободной колонне к амплитудам в интервале цементного кольца, сцсп89 ленного с колонной, а для ступени второго. типа коэффициент дифференциации определяют как отношение максимальных амплитуд при кольцевом зазоре 100 мкм к амплитудам при нулевом зазоре.

Модель ступени первого типа имитирует неоднородность цементного кольца, связанную с переходом от предельно плохого цементного кольца (свободная колонна) к идеальному цементному кольцу и содержит соответствующие два участка колонны, имеющих протяженности не меныпие длин изучаемых зондов. Модель ступени второго типа имитирует неоднородность, связанную с переходом от раскрытости зазора между цементным кольцом и колонной .100 мкм к нулевой раскрытости зазора, и также содержит два участ ка колонны с раскрытостью указанного зазора соответственно 100 и 0 мкм, Названные неоднородности являются наиболее распространенными в практике, соответствующие коэффициенты дифференциации характеризуют чувствительности зонда к отсутствию цементного камня и к наличию зазора между цементом и колонной и могут служить наиболее важными показателями качества зонда.

Для создания условий, при которых предполагается проведение скважинных исследований, в указанных натурных моделях используют цементы, прочность которых соответствует применяемым в скважинах района предполагаемых.исследований. Для исключения влияния размеров излучаемых неоднородностей цементного кольца их протяженности на модели делают заведомо большими любого из размеров применяемых зондов.

Раскрытость кольцевого зазора в

100 мкм выбрана в связи с тем, что кольцевые зазоры такого порядка обычны в скважинах и являются минимальными, при которых на участках протяженностью несколько метров под действием перепадов давления ро 10 кгс/см могут возникать заколонные перетоки с расходом такого же порядка, как и при объемных вертикальных каналах, выделяемых стандартными методами в области малых значений амплитуд А .

Затем для выбранных двух типов неоднородностей (ступеней) цементного кольца строят пары зависи фстей найденных коэффициентов дифференциации длины зонда при различных

0315 ь частотах излучения (в данном случае измерения проведены для частот 50 и

28 кГц). На фиг. l обозначено: I u

2 — коэффициенты дифференциации для

$ ступени цеметное .кольцо, сцепление с колонной, — свободная колонна для частот излучения 50 и 28 кГц соответственно, 3,4 — коэффициенты дифференциации для ступени кольцевого зазора между колонной и цементом в диапазоне 0-100 мкм для частот излучения 50 и 28 кГц соответственно.

Характер полученных графиков следующий. Коэффициенты дифференциации амплитуд на указанных ступенях цементного кольца (1 и 2, на фиг. 1) и кольцевого зазора (3 и 4 на фиг.1) возрастают с увеличением размера зонда, однако, поскольку это возрас1в тание происходит с различной скоростью, то на показания зонда произвольной длины существенно различно влияют неоднородности указанных двух типов. Это приводит к невозможности однозначной оценки ни типа изучаемой неоднородности, ни ее поперечно" го размера (даже .при наличии показаний двух зондов).

В связи с этим исключают влияние

$© .типа неоднородности (дефекта) цементного кольца, для чего рассматривают пару графиков, полученных для указанных двух ступеней, при какойлибо одной частоте излучения, и раз$$ мер зонда выбирают таким, который соответствует точке пересечения графиков коэффициентов дифференциа-" ции для ступени цементного кольца и для ступени кольцевого зазора при одинаковой частоте излучения (например при 28 кГц см. точку А1 на пересечении графиков 2 и 4 на фиг. )), т,е. соответствующую условиям, при которых чувствительность . зонда к отсутствию цемента и к наличию кольцевого зазора между цементом и колонной более 100 мкм одинакова.

Затем рассматривают пересечение другой пары графиков для указанных ступеней при измененной частоте излучения (см. например точку А на фиг. 1 для частоты 5 кГц), и так далее. Каждому из рассмотренных ае- . ресечений соответствует зонд, имею$$ щий определенную длину (отсчитываемую ,по оси абсцисс, например, по фиг.l) и частоту излучения (определяемую по шифру соответствующей пары графи890315

30 ков, например, на фиг. 1 для пары

1 и 3 — шифр 50 кГц, для пары 2,428 кГц) .

Из всех определенных таким образом сочетаний длин зондов и частот излучения выбирают такое, которое обеспечивает наименьшую длину зонда, позволяющую, соответственно, получить наибольшую вертикальную детальность исследований (наибольшую дифференци — 10 руемость неоднородностей по стволу скважины). При этом коэффициент дифференциации амплитуд должен быть не .менее 2. Например, при условиях фиг. 1 должен быть выбран зонд, on— ределяемый точкой А> (длина зонда

0,35 и, частота излучения 5 кГц), как обеспечивающий относительно наибольшую вертикальную детальность исследований при сохранении коэффициента дифференциации амплитуд не менее 2.

Выбор указанного наименьшего коэффициента дифференциации амплитуд обусловлен необходимостью выделения не менее чем двух градаций (состояний) цементного кольца. Большее количество градаций не является необходимым, поскол: ку возможную изоляцию закслоннс с ." ространства на иэучаемо.1 интервале принятс оценивать дискрстпо (изоляция надежная, или от— с„ ;ствие изоляции), меньшее количество градаций недостаточно в связи с нео ходимостью оценивать н практике

35 прибл11женные неличины раскрытости дефектов цементногс кольца (например, большие- некоторой величины)

Кроме того, выбор указанного наименьшего коэффициента дифференциа40 ции обусловлен и практически достигаемой погрешностью измерения амплитуд (+0,15 с" максимальной). TBK э соотнетстнии с принятыми критериями обработки наблюдений выделение одной градации с достоверностью 0,99 возможно только за пределами тройной ошибки измерений и обеспечивается при коэффициенте дифференциации амплитуд не менс=- .,45; выделение двух градаций — не менее 1„9. 50

Применение выбранного указанным способом зонда в сочетании с зондом относительно большой длины (например длиной 1,5 м), выбранного из соображений максимально полного использования динамического диапазона серийной наземной аппаратуры, позволяет оценивать по соотношению соответствующих амплитуд волн пс колонне характер дефектов цементного кольц (c ÷. Фиг. 2) .

На фиг, 2 обозначено: 5 и 6 — схематические зависимости коэффициентов дифференциации от длины зонда, соответственно для ступени цементное кольцо, сцепленное с колонной — свободная колонна и для ступени кольцеього зазора в диапазоне 0-100 мкм при частоте излучения 50 кГц; 7 и 8 — области соответственно объемных и объ— емно-контактных дефектов.

Положительный эффект от примене— ния зонда, параметры которого определены вышеописанным способом, заключаются в том, что зонд с выбранным сочетанием параметров позволяет выделять с равной точностью два основных типа неоднородностей цементного кольца (при изменении одного из параметров равенство чувствительности к указанным типам неоднородностей нарушается); указанный зонд позволяет получить наименьшие искажения регистрируемой протяженности коротких дефектов при сохранении достаточной для практики дифференциации амплитуд Л1 как в случае предельно больших дефектов, так и при средних значениях угловой и радиальнсй раскрытости их; отсутствие влияния характера основных типов дефектов це— мента на коэффициент дифференциации позволяет использовать его гоказания в качестве опорных практичес— ки в любом интервале скважины; соJ поставление показаний с соответствующими показаниями по большому зонду в одном интервале исследований дает возможность определить характер дефекта цементного кольца с высокой надежностью (см. фиг. 2 в области

7 — объемные дефекты, в области 8 объемно-контактные)„ поскольку использование показаний малого зонда н качестве опорных позволяет исключить влияние прочности тампонажного материала даже при отсутствии участков бездефектного цементирования; применение выбранного зонда позволяет выделять на интервале большого зонда не менее трех вертикальных градаций неоднородностей цементного кольца. Такая детализация являе;— ся важной, поскольку практическое значение имеет не только каче:тво цемента в выделенных по вертикали неоднородностях, но и порядок рас8903!5

20

30

35 положения различных неоднородностей цемента в интервале между объектом испытания и ближай:зим соседним пластом, так как от этого порядка зависит состояние изоляции объекта после перфорации и при испытании.

Зонд, параметры которого определены по данному способу, реализуется в скважинной аппаратуре диаметром

36-42 мм при основной частоте излучения 45 кГц. Опробование аппаратуры в скважинных условиях показывает ее эффективность при определении вертикальной структуры дефектов цементирования и выделении участков хорошего цеМента малой протяженности, обеспечивающих разобщение пластов на изучаемом интервале плохого цемеытирования, а также высокую чувствительность к кольцевым зазорам при выделении интервалов, сообщающихся по заколонному пространству под действием больших перепадов давления.

Формула изобретения

Способ определения параметров акустического зонда для контроля цементировании нефтегазовых скважин, основанный на измерении амплитуд продольных волн в колонне с заданным поперечным размером дефекта цементирования и при различных расстояниях между преобразователями, о т л и— чающий с я тем, что, что, с целью повышения точности контроля, измерения амплитуд Ау, продольных волн произволят, по крайней мере, на двух частотах излучения на двух модулях: на ступени, имитирующей изменение кольцевого зазора между колонной и цементом в диапазоне 0-100 мкм, и на ступени свободная колонна — цементное кольцо, сцепленное с колонной. Затем определяют коэффициенты дифференциации амплитуд для обоих типов ступеней, строят соответствующие пары зависимостей найденных коэффициентов дифференциации амплитуд от длины зонда для нескольких частот излучения, и длину зонда выбирают из условия равенства укаэанных коэффициентов дифференциации амплитуд для различных ступеней на одной частоте излучения, позволяющей обеспечить наименьшее допустимое для данных условий значение коэффициента дифференциации.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США Р 3102992, кл. 340-18, опублик. 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 424099, кл. С О1 Ч 1/40, 1973.

3. Гулин П.А., Бернштейн Д.А., Прямов П.А. и Райов Б.:1.- Акустические и радиометрические методы определения качества цементирования нефтяных и газовых скважин. М., "Недра", 1971, с. 65-75 (прототип).

890315

Заказ 10985/75 Тираж 735 Подписное

ВНШН1И Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035 Москва Ж-35д Раушская наб.д д. 4/5

2 2

ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Филиал

Составитель Л. Василевская

Редакто 10. Петрушко Техред С.Мигунова Корректор Г,назарова