СПОСОБ АНАЛИЗА ПОРОДНОЙ ФОРМАЦИИ АКУСТИЧЕСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ Российский патент 2003 года по МПК G01V1/40 E21B47/00 

Изобретение касается способа определения характеристики породной формации, окружающей буровую скважину, содержащую текучую среду. Конструирование ствола скважины обычно требует знания характеристик породы, типа прочности формации, то есть максимального давления, которое может выдержать формация при бурении без разрушения. Для оценки прочности формации на стадии бурения ствола скважины использовались некоторые процедуры, и эти процедуры в общем включают в себя поэтапное или непрерывное воздействие давлением на короткий участок буровой скважины, не закрепленный обсадными трубами, непосредственно под самым нижним башмаком колонны обсадочных труб. Уровень создаваемого давления при различных типах испытаний различный, но обычно предполагается, что он остается ниже давления разрушения формации, так как образование трещин в формации было бы вредным для процесса бурения. Оценку прочности формации можно осуществлять посредством выполнения испытания на герметичность, которое включает в себя увеличение давления в буровой скважине до давления протечки, определяемого как давление, при котором график давления в устье скважины в зависимости от вводимого в ствол скважины объема текучей среды становится нелинейным.

Появление нелинейности принимается как признак возникновения критических механических явлений, типа развития микротрещин в формации или существенной деформации ствола скважины, указывающей на угрозу разрушения формации. Затем определяют максимальный допустимый градиент давления бурового раствора на основании давления протечки. Однако появление нелинейности давления текучей среды может в равной степени быть вызвано связанными явлениями в текучей среде типа потерь текучей среды в формацию или потока текучей среды вокруг плохо зацементированного башмака колонны обсадочных труб. Кроме того, результаты испытания на герметичность сильно зависят от способа выполнения испытания, и полученная точность может быть не достаточна для скважин, пробуренных в формациях с узкой границей между нейтральным давлением и давлением разрушения формации, особенно в формациях с высоким давлением.

В работе Нагано и др. "Автоматический алгоритм для пространственного местоположения источника годограммы при измерении акустического излучения в наклонной скважине", журнал Geophysics Liv (4), 1989 г., стр. 508-513, раскрыто использование обнаружения акустического излучения в геотехнических областях для контролирования расширений трещин в подповерхностной зоне.

В патентах Европейском ЕР-А-0505276 и США US-А-5372038 раскрыт способ измерения микросейсмических величин, наводимых нагнетанием текучей среды в скважину.

В патенте США US-A-4744245 раскрыт способ определения направления гидравлически наведенного разлома, в котором нагревается порода и определяется акустическое излучение от нагретой породы.

Целью изобретения является преодолеть недостатки известного способа и обеспечить улучшенный способ определения механической характеристики породной формации, окружающей буровую скважину, содержащую текучую среду.

В соответствии с изобретением предлагается способ определения характеристики материала, выбираемого из породной формации и цемента, где упомянутый материал окружает буровую скважину, содержащую текучую среду, причем способ содержит
- расположение акустического датчика в выбранном местоположении в буровой скважине, где акустический датчик подходит для обеспечения сигналов, представляющих акустическое излучение от упомянутого материала;
- приложение выбранного давления к текучей среде, тем самым вызывая механические напряжения в упомянутом материале, причем упомянутые напряжения вызывают акустическое излучение от упомянутого материала;
- побуждение датчика обнаруживать акустическое излучение и обеспечивать сигнал, представляющий акустическое излучение;
- определение характеристики на основании упомянутого сигнала и давления, прикладываемого к текучей среде, отличающийся тем, что упомянутое выбранное давление прикладывается к текучей среде в ходе испытания на герметичность, в соответствии с чем текучую среду нагнетают в буровую скважину и контролируют эволюцию во времени давления в буровой скважине во время нагнетания и после него, и в котором выбранное давление образует давление протечки, определяемое как давление, при котором график давления в устье скважины в зависимости от вводимого объема текучей среды становится нелинейным.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения упомянутая характеристика образует механическую характеристику, которая используется для того, чтобы оценить, имеется ли трещина в материале или нет.

Упомянутая характеристика образует, соответственно, по меньшей мере, один из группы параметров, включающих прочность породы, тип породы, пористость породы, давление протечки формации, давление разрушения формации, напряжение породы на месте и различие между цементом и породой.

Потери акустической энергии минимизированы благодаря размещению акустического датчика в нижней части буровой скважины, не закрепленной обсадными трубами, или близко от нее, чтобы определять механическую характеристику породной формации, окружающей упомянутую более низкую часть буровой скважины, не закрепленную обсадными трубами.

Соответствующий изобретению способ применяют подходящим образом во время бурения буровой скважины, и в котором верхнюю часть буровой скважины снабжают обсадной трубой.

Для определения максимального допустимого градиента давления текучей среды во время бурения буровой скважины в ходе испытания на герметичность к текучей среде прикладывают упомянутое выбранное давление, в соответствии с чем в буровую скважину нагнетают текучую среду и во время и после нагнетания контролируют эволюцию во времени давления в буровой скважине. Текучую среду можно нагнетать в буровую скважину, например, дифференциальными этапами или непрерывно. Кроме того, упомянутое выбранное давление может прикладываться во время единственного цикла загрузки или во время циклической загрузки буровой скважины.

Этап определения характеристики из упомянутого сигнала предпочтительно содержит определение характеристики, по меньшей мере, одной из величин амплитуды сигнала, энергии сигнала, длительности сигнала, количества моментов, когда сигнал превышает выбранный пороговый уровень, и амплитудного распределения сигнала (например, В-величина).

Лабораторный анализ результатов измерения выполняется подходящим образом путем запоминания выбранного сигнала и записи давления текучей среды в функции времени и определения механической характеристики породы на основании сравнения между запомненным сигналом и давлением текучей среды в функции времени.

Изобретение будет более подробно показано в нижеприведенном примере и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых
Фиг.1 схематично изображает пример записи акустического излучения, измеряемого в соответствии с изобретением.

Фиг. 2 изображает пример графика давления в буровой скважине и кумулятивных акустических ударов в функции времени.

Фиг. 3 изображает пример графика давления в буровой скважине и частоты акустических ударов в функции времени.

Пример
Было проведено испытание в полевых условиях в секции буровой скважины, не закрепленной обсадными трубами, ствола скважины на глубине 2325 м, ниже 13 3/8-дюймовой (0,34 м) обсадной трубы, установленной в стволе скважины. Оборудование, содержащее акустический датчик, было размещено в 10 м вертикальной секции, пробуренной ниже 13 3/8-дюймового (0,34 м) башмака колонны обсадочных труб. Испытательное оборудование включало 1 11/16-дюймовый (0,043 м) звуковой зонд геофизического исследования в скважине, который был слегка изменен для блокирования передатчика и одного из двух гидрофонов, чтобы позволить зонду работать в режиме непрерывного прослушивания, два манометра, размещенные в буровой скважине и систему обнаружения акустического излучения LOCAN 320, расположенную у поверхности и связанную со звуковым зондом геофизического исследования в скважине через проводную линию (наименование LACAN является торговой маркой). Система LOCAN 320 была точно отрегулирована на месте проходки скважины и с зондом геофизического исследования в стволе скважины с акустическим пороговым уровнем, установленным слегка выше уровня фонового шума, измеренного системой LOCAN 320, и внутренним коэффициентом усиления, установленным в соответствии с рекомендациями изготовителя. Во время испытания были обнаружены удовлетворительными следующие установки:
- коэффициент предварительного усиления наклонной скважины: 10.000 (89 дБ),
- внутренний коэффициент усиления системы LOCAN 320: 10 (20 дБ),
- установка порогового уровня для фонового шума: 49 дБ (30 мВ).

Хотя установки зависят от местных условий, например характеристик формации и глубины, для того, чтобы оптимизировать использование системы LOCAN 320, внутренний коэффициент усиления должен быть в общем ниже 45 дБ, а величина суммы внутреннего коэффициента усиления и порогового уровня должна быть между 60 и 70 дБ.

Программа испытания включала три основных стадии
1. Обычное испытание на герметичность, во время которого объемы 0,016 м³ бурового раствора вводили дифференциальными этапами в ствол скважины со скоростью 0,04 м³ в минуту, после каждого дифференциального этапа выполняли контроль давления текучей среды в течение 2 минут. На основании регистрации давления получали давление протечки.

2. Далее увеличивали давление текучей среды путем непрерывного возрастающего введения текучей среды в ствол скважины до тех пор, пока не происходило разрушение породной формации. Давление текучей среды при разрушении называется давлением разрушения.

3. Впоследствии выполняли серии циклов введения-запирания подачи текучей среды, чтобы установить минимальное напряжение на месте. Эти циклы были нацелены на распространение образованного разлома (разломов) от ствола скважины и на измерение давлений текучей среды при открывании и закрывании разлома (разломов). Циклы распространения разломов были проведены с использованием скорости введения 0,16 м³ в минуту. Эту скорость поддерживали по возможности постоянной, чтобы можно было обеспечить возможность определить повторно открывающийся разлом. Введение продолжали до тех пор, пока не отмечалось устойчивое распространение разлома. За каждым этапом введения следовал период запирания, и наблюдали падение давления.

На фиг. 1 изображен пример удара акустического излучения, определяемый при работе изобретения. Система Locan 320 распознает каждый удар акустического излучения и определяет следующие его характеристики.

(i) Время появления Т, которое представляет собой момент времени, в который первый сигнал удара акустического излучения пересекает пороговый уровень Т_r сигнала.

(ii) Количество импульсов, которое представляет собой количество пересечений порогового уровня повышающимся сигналом в каждом ударе акустического излучения.

(iii) Амплитуда А, которая представляет собой максимальное значение пересечения во время удара акустического излучения.

(iv) Энергия, которая представляет собой измеряемую площадь под огибающей выпрямленного сигнала в пределах временного интервала от первого пересечения порогового уровня. Измеряемая величина прямо пропорциональна коэффициенту усиления системы.

(v) Длительность D, которая представляет собой время между первым и последним пересечением порогового уровня.

(vi) Время нарастания R, которое представляет собой период времени от первого пересечения порогового уровня до пересечения максимального импульса.

(vii) Количество импульсов до максимального значения, которое представляет собой количество пересечений порогового уровня от первого пересечения до пересечения максимального импульса.

Из этих характеристик можно определить некоторые параметры, наиболее важными из которых являются кумулятивные удары в функции времени и частоты ударов. Графики этих параметров изображены на фиг.2 и 3, на которых линия А на фиг. 2 и 3 показывает изменение давления, линия В на фиг.2 показывает кумулятивные удары акустического излучения, а линия С на фиг.3 показывает частоту ударов акустических излучений. Линия изменения кумулятивных ударов показывает довольно постоянную частоту ударов акустических излучений на протяжении всего испытания. Однако линия С на фиг.3 показывает, что имеются некоторые области повышенной частоты акустических ударов.

Первая область, появляющаяся приблизительно через 2000 с, соответствует очень небольшому повышению перепада давления во время запирания (5 - 7 фунтов на квадратный дюйм (0,352-0,492 кг/см²), по сравнению с 0-3 фунтами на квадратный дюйм (0-0,211 кг/см²) в предыдущих дифференциальных этапах), хотя эта область не может быть связана с каким/либо существенным явлением, так как уровень давления остается все еще относительно низким. Вторая область увеличенной частоты акустических ударов происходит приблизительно через 4000 с. Эта область совпадает с повышенным перепадом давления во время запирания, равным приблизительно 7-9 фунтам на квадратный дюйм (0,492-0,633 кг/см²). Анализ записи давления показал, что вторая область увеличенной частоты акустических ударов соответствовала началу повреждения породной формации незадолго до достижения давления протечки. Таким образом, эта вторая область увеличенной частоты акустических ударов обеспечивает раннюю индикацию точки протечки текучей среды.

Третья область увеличенной частоты акустических ударов происходила приблизительно через 5500 с. Третья область была по величине на порядок выше, чем предыдущие области, и точно совпадала с разрушением формации. Таким образом, третья область обеспечивает точную индикацию разрушения формации.

После разрушения формации разлом формации распространялся дальше. Во время этой стадии активность акустического излучения оставалась на относительно низком уровне, что было отнесено к явлениям затухания, происходящим из-за селективного поглощения высоких частот с увеличением расстояния между акустическим источником (то есть фронтом разлома) и датчиком.

Области интенсивного акустического излучения обозначены на фиг.3 ссылочными позициями 1, 2 и 3.

Изобретение касается способа определения точки протечки материала, выбранного из породной формации и цемента, и этот материал окружает буровую скважину, содержащую текучую среду в ходе испытания на герметичность. Способ включает расположение акустического датчика в выбранном местоположении в буровой скважине, причем акустический датчик является подходящим для обеспечения сигналов, представляющих акустическую эмиссию упомянутого материала, приложение выбранного давления к текучей среде, тем самым вызывая механические напряжения в упомянутом материале, которые вызывают акустическую эмиссию упомянутого материала. Датчик обнаруживает акустическое излучение. Характеристика определяется на основании упомянутого сигнала и давления, прикладываемого к текучей среде. Давление протечки определяется как давление, при котором график давления в устье скважины в зависимости от вводимого объема текучей среды становится нелинейным. Определение точки протечки на основании сигнала акустической эмиссии осуществляется по увеличенной частоте акустических ударов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения точки протечки материала, выбранного из породной формации и цемента, где упомянутый материал окружает буровую скважину, содержащую текучую среду, при этом способ включает этапы расположения акустического датчика в выбранном местоположении в буровой скважине, который обеспечивает прием сигналов, отображающих акустическую эмиссию, исходящую от упомянутого материала, приложения выбранного давления к текучей среде для создания механического напряжения в упомянутом материале, причем напряжения индуцируют акустическую эмиссию от упомянутого материала и датчик принимает акустическую эмиссию и излучает сигнал, характеризующий акустическую эмиссию, и определения точки протечки на основании упомянутых сигнала и давления, прикладываемого к текучей среде, отличающийся тем, что выбранное давление прикладывают к текучей среде в ходе испытания на герметичность, в соответствии с чем текучую среду нагнетают в буровую скважину, а эволюцию во времени давления в буровой скважине контролируют во время и после нагнетания, при этом выбранное давление образует давление протечки, определяемое как давление, при котором график давления в устье скважины в зависимости от вводимого объема текучей среды становится нелинейным, а определение точки протечки на основании сигнала, характеризующего акустическую эмиссию, осуществляется по увеличенной частоте акустических ударов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что акустический датчик располагают в нижней части буровой скважины, не закрепленной обсадными трубами, с тем, чтобы определять точку протечки материала, окружающего нижнюю часть буровой скважины, не закрепленную обсадными трубами. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что его используют во время бурения буровой скважины, при этом остальную верхнюю часть буровой скважины снабжают обсадной трубой.