Акустические методы

          За рубежом для детальных исследований состояния цементного кольца используют акустические цементомеры секторного (сегментного) типа со сканирующим режимом измерений, которые позволяют определять качество цементирования обсадной колонны по её периметру через (45-60)° в радиальном направлении.

          Эти цементомеры имеют многоэлементные акустические зонды и работают на головных упругих волнах на частотах до 100 кГц. Наиболее известны следующие варианты приборов данного типа.

          Прибор SBT (Segmented Bond Tool) фирмы Western Atlas International содержит шесть пар излучателей и приемников на прижимных башмаках и обеспечивает определение качества цементирования обсадной колонны по её периметру в 6 сегментах через 60° в радиальном направлении.

Прибор SBT (Sector Bond Tool) фирмы Computalog имеет  акустический зонд, который содержит 8 излучателей и 8 приемников, размещенных  попарно в радиальном направлении через 45°, что позволяет выполнять контроль качества цементирования обсадной колонны в 8-ми секторах обсадной колонны через 45° по её периметру.

         По сравнению с акустическими цементомерами интегрального типа указанные секторные (сегментные) приборы имеют значительно более высокую разрешающую способность к дефектам цементирования, позволяют оценивать их размеры и пространственную ориентацию относительно апсидальной плоскости скважины.

          Отечественная аппаратура данного типа пока не разработана, хотя потребность в ней очевидна.

          Наиболее перспективно использование акустических цементомеров секторного типа в комплексе с гамма-гамма цементомерами типа СГДТ, которые позволяют выполнять контроль КЦС как в интегральном, так и в селективном (секторном) режимах.

          Создание отечественного акустического цементомера секторного типа и технологии его применения в комплексе с селективными гамма-гамма цементомерами является актуальной задачей. Цель работы. Разработка аппаратуры и методики акустической цементометрии на основе многоэлементных зондов интегрального и секторного типа и повышение эффективности комплекса геофизических методов контроля качества цементирования нефтегазовых скважин.

          Основные задачи исследований:

           • изучение на физических моделях обсаженных скважин количественных связей между состоянием цементирования скважин и регистрируемыми характеристиками упругих волн для трехэлементных акустических зондов интегрального типа различных типоразмеров;

          • обоснование выбора оптимальных технических параметров трехэлементного интегрального акустического цементомера и методики его применения для количественной оценки состояния цементирования скважин;

          • изучение возможностей акустических зондов секторного типа по определению качества цементирования скважин по периметру обсадной колонны;

          • разработка сканирующего акустического цементомера секторного типа и методики его применения для определения дефектов цементирования, оценки их размеров и пространственной ориентации в скважине;

          • разработка аппаратурного комплекса и методики комплексной интерпретации данных, получаемых акустическими цементомерами интегрального и секторного типа и селективно-интегральными гамма-гамма цементомерами.

          Методика исследований. Анализ и обобщение возможностей существующей аппаратуры и методики контроля качества цементирования скважин, теоретические расчеты и экспериментальные исследования на моделях обсаженных скважин, проведение опытно-методических работ на скважинах, обобщение и анализ полученных скважинных материалов, опробация разработанной аппаратуры и методики в производственных условиях и оценка эффективности найденных решений путем сопоставления с данными других геофизических методов. Научная новизна работы состоит в следующем:

          • экспериментально установлены критерии количественной оценки состояния цементирования скважин для типовых тампонажных материалов, основанные на измерении упругих волн, регистрируемых трехэлементным интегральным акустическим зондом на средней частоте зондирования 20 кГц;

          • обоснованы оптимальные технические параметры трехэлементного интегрального акустического цементомера, необходимые для количественного контроля состояния цементирования скважин в различных геолого-технических условиях;

          • предложены методика и средства калибровки трехэлементного акустического цементомера, обеспечивающие одновременно с контролем метрологических характеристик аппаратуры контроль идентичности параметров приемно-передающих трактов зонда;

          • экспериментально установлены зависимости параметров головных упругих волн, регистрируемых 8-секторным акустическим зондом на средней частоте зондирования 100 кГц, от состояния цементирования обсадной колонны по её периметру и от размеров дефектов цементирования различного типа, и разработаны критерии интерпретации получаемых данных;

          • показана возможность определения типа и размеров дефектов цементирования скважин на основе акустического цементомера интегрального и секторного типа и селективно-интегрального гамма-гамма цементомера.

Защищаемые положения:

          • трехэлементный интегральный акустический цементомер, средства его метрологического обеспечения и методика применения для количественного определения состояния цементирования скважин;

          • 8-секторный сканирующий акустический цементомер и методика его применения для определения дефектов цементирования по периметру обсадной колонны, оценки их размеров и пространственной ориентации относительно апсидальной плоскости скважины;

         • аппаратурный комплекс и методика комплексной интерпретации данных, получаемых акустическими цементомерами интегрального и секторного типа и селективно-интегральными гамма-гамма цементомерами.               Практическая ценность работы. На основе результатов проведенных исследований разработаны:

          • трехэлементная интегральная акустическая аппаратура МАК-2 и её модификации, предназначенные для общих (массовых) исследований скважин с целью количественного определения состояния их цементирования;

          • отраслевой документ «Методическое руководство по компьютерной технологии контроля технического состояния и качества цементирования обсадных колонн нефтегазовых скважин», предназначенный для практического применения геофизическими предприятиями России»;

          • программно-управляемый 8-секторный сканирующий акустический цементомер МАК-СК, предназначенный для контроля качества цементирования обсадной колонный по её периметру в интервале детальных исследований;

          • программно-управляемый аппаратурно-методический комплекс АМК-2000, предназначенный для контроля качества цементирования скважин акустическим, радиометрическим и термометрическими методами;

          • программное обеспечение автоматической интерпретации данных, получаемых аппаратурой МАК-2, МАК-СК и АМК-2000.

          Разработанная аппаратура и её программно-методическое обеспечение позволили значительно повысить эффективность геофизического контроля цементирования нефтегазовых скважин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           3  Интерпретация результатов

 

Акустические  исследования проводят в скважинах, заполненных буровым раствором, который необходим для создания акустического контакта излучателей  и приемников зонда с окружающей средой. Разгазирование бурового раствора способствует резкому повышению затухания волн и может вызвать искажение диаграммы, особенно для большего из зондов.

Регистрация диаграмм интервального времени ∆t и коэффициента α- наиболее распространенная форма представления данных акустического метода, предусмотренная во всех типах серийной аппаратуры.

Протяженность переходного участка на границе  пласта в этом случае равна h, а граница пласта отмечается на расстоянии s/2 (l/2) от точки начала изменения ∆t при приближении зонда к пласту.

Если диаметр  скважины непостоянен, форма кривых усложняется. На границах каверн возникают ложные максимумы. Их протяженность для трехэлементного зонда равна меньшей из двух величин- длине базы s или протяженности каверны hказ.

В обсаженных скважинах  волновая картина зависит от характера контакта на границах цемента с колонной и горной породой. При жестких контактах на обеих границах волновая картина примерно та же, что и в необсаженной скважине. Если контакт с колонной скользящий, четко выделяется волна Р по колонне, соответствующая скорости 5,2- 5,6 км/с. На муфтовых соединениях ∆t увеличивается на 3- 5 мкс/м.[3]

При интерпретации  материалов акустического цементомера  руководствуются следующим. Хорошему сцеплению цемента с колонной и породой обычно соответствуют  максимальное время tп и минимальная и амплитуда Ак=0,2×Акmax , а плохому- минимальное время tп (равное или близкое к tк) и большая амплитуда Ак=0,8-0,9 Ак max; при частичном сцеплении Ак= 0.2-0.8 Ак max.

При интерпретации  кривых акустического цементомера  за основу берутся показания кривой Ак, кривые Ап и Тп являются вспомогательными. Максимальные значения амплитуд Ак и Ап и среднее значение интервального времени Тп характеризуют незацементированную колонну, а иногда и отсутствие связи цементного камня с колонной. Минимальные значения амплитуд трубной волны Ак свидетельствуют о хорошем сцеплении цементного камня с колонной (рис 3.1). Кривая Тп достигает максимального значения на участках колонны с хорошим сцеплением цементного камня с колонной и плохим сцеплением с породой. В этом случае величина Тп близка ко времени пробега упругой волны по промывочной жидкости.  Минимальная величина регистрируемого времени Тп меньше времени прохождения продольной волны по колонне Тк наблюдается в интервалах, характеризующихся высокой скоростью распространения колебаний в породе при жесткой связи цементного камня с колонной и стенками скважины.

В разрезах скважин, где скорость распространения продольных волн по породе Vп превышает скорость их распространения по колонне Vк(Vп>Vк), или в случае низких Vп и больших затуханий волн определение качества цементирования обсадных колонн по параметрам Ак, Ап и Тп затрудняется.

При Vп>Vк (высокоскоростной разрез) вместо волны по колонне регистрируют волну по породе, а при низких Vп и больших затуханиях волн (низкоскоростной разрез) вместо волн по породе регистрируют гидроволну.

Надежность  определения качества цементирования обсадных колонн повышается, если одновременно с записью кривых акустическим цементомером фотографировать волновые картины, получаемые этим цементомером.

 Качество  цементирования по волновым картинам  оценивается по следующим признакам.

Незацементированная  колонна на волновой картине отмечается мощным долго не затухающим сигналом трубных волн, приходящим за время  Тк, которое равно времени пробега волны на базе зонда со скоростью стержневых волн в стали. Время Тк для базы 2,5 м в зависимости от диаметра колонны и физико- химических свойств жидкости в скважине может изменяться от 500 до 650 мкс .

  Хорошее качество цементирования обсадных колонн (надежное сцепление цементного камня с породой и колонной) в низкоскоростном разрезе отмечается на волновой картине весьма малой амплитудой Ак и значительной амплитудой Ап. Типы волн в этом случае отчетливо разделяются по времени их вступления.Если Ак меньше критической величины, выше которой контакт цементного камня с колонной считается неполным, а Ап и Тп коррелируются со значениями, полученными при исследовании необсаженной скважины акустическим методом, или со значениями кажущегося электрического сопротивления пород, то затрубное пространство является герметичным.

В высокоскоростных разрезах, где различить однозначно волны, распространяющиеся по породе и  по колонне, только по времени их вступления трудно, оценить качество цементирований обсадных колонн помогает частотная характеристика волн. Установлено, что частота продольных волн в породах возрастает с увеличением скорости их распространения, однако во всех случаях остается ниже частоты волны, распространяющейся по колонне (при частоте излучателя 25 кГц). Хорошее качество цементирования обсадных колонн в высокоскоростном разрезе отличается на волновой картине неискаженным импульсом продольной волной по породе с частотой ниже 25 кГц и с амплитудой, коррелирующейся с ее величиной до обсадки скважины, а также наличием поперечной волны с частотой ниже 20 кГц.

В случаях, когда  величина Ак превышает критическое  значение и не удается выделить волны  по породе при наличии волны с  частотой 25- 30 Гц, вступающей на временах больше 1300 мкс, а также при отсутствии корреляции значений амплитуд Ап со значениями их в необсаженной скважине, затрубное пространство не герметично или его герметичность неопределенна (случай частичного цементирования).