СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЛИНИСТОЙ КОРКИ Российский патент 2013 года по МПК E21B49/00 G01N29/00 

Настоящее изобретение относится к способам определения акустических характеристик глинистой корки, образующейся при бурении скважины, таких, как подвижность флюида и пьезопроводность глинистой корки.

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 данном патенте упомянута возможность использования низкочастотного акустического датчика, размещенного на пробоотборнике, в режиме прослушивания для оценки коэффициента диффузии давления (пьезопроводности) глинистой корки κ, который непосредственно связан с герметизирующими характеристиками глинистой корки. В качестве устройства для создания гармонических или периодических колебаний давления предлагается использовать поршень камеры предварительных испытаний или любого другого устройства.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в создании простого, эффективного и достаточно точного способа определения характеристик глинистой корки в скважине, позволяющего извлечь из зарегистрированного сигнала информацию о геометрических и фильтрационных свойствах глинистой корки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в скважине по меньшей мере одним акустическим приемником регистрируют отклик давления на низкочастотные гармонические колебания давления в скважине, из полученного сигнала определяют сдвиг фаз незатухающих колебаний давления, регистрируемых акустическим приемником относительно колебаний давления источника колебаний, и отношение амплитуды колебаний давления, зарегистрированных приемником, к амплитуде исходного сигнала, определяют толщину глинистой корки и на основе полученных значений определяют по меньшей мере одно из следующих значений: пьезопроводность глинистой корки и подвижность флюида.

Источником низкочастотных гармонических колебаний давления могут являться естественные источники, такие как низкочастотный шум, возникающий при перемещении инструментов в скважине, низкочастотный шум при бурении, низкочастотная природная акустическая активность, шум от работы насоса, телеметрический сигнал бурового раствора и т.п.

Низкочастотные гармонические колебания давления могут быть возбуждены посредством по меньше мере одного техногенного источника. В качестве техногенных источников могут быть использованы низкочастотные акустические датчики/источники/трансдьюсеры, низкочастотная модуляция скважинного давления и т.п.

В качестве акустических датчиков для регистрации отклика давления могут быть использованы гидрофоны, трансдьюсеры, виброметры, акселерометры, датчики давления и т.п.

Источник низкочастотных гармонических колебаний одновременно может быть акустическим приемником.

Источник и/или датчик низкочастотных гармонических колебаний может быть установлен на пакере.

Источник и/или датчик низкочастотных гармонических колебаний может быть установлен на пробоотборнике.

Источник и/или датчик низкочастотных гармонических колебаний может быть установлен на опорном башмаке.

Может быть использовано несколько источников, установленных в разных местах.

Толщину глинистой корки определяют на основе импульсно-эховых измерений, включающих подачу в пласт коротких высокочастотных сигналов и регистрацию времени прихода отраженных эхо-сигналов.

Предпочтительно при определении толщины глинистой корки подачу высокочастотных сигналов осуществляют по меньшей мере из двух положений, расположенных на разном расстоянии от глинистой корки.

В качестве источника можно использовать низкочастотные длинноволновые колебания давления в скважине. Они могут создаваться телеметрией импульсов бурового раствора или другими средствами.

Преимущества естественных источников заключаются в том, что они почти всегда присутствуют в околоскважинном пространстве, не требуют введения дополнительных компонентов в инструмент, не требуют источника питания и т.д. Например, «дорожный шум», т.е. шум, возникающий при движении инструментов в скважине, может иметь существенное значение при использовании каната, и обычно связан с взаимодействием между инструментом и стенкой скважины; шум при бурении относится к применению методов измерений во время бурения и вырабатывается при взаимодействии бурового долота и бурильной колонны с породой; природная акустическая активность (например, пассивная сейсмичность) может оказаться полезной в тех случаях, когда околоскважинное пространство является статичным (например, канатный инструмент или КНБК являются стационарными и не перемещаются во время измерений); и т.д. Особый интерес при проведении низкочастотных измерений представляют естественные источники в форме шума от работы насоса и телеметрии бурового раствора. Эти два источника почти всегда присутствуют в скважине (особенно, в процессе бурения); они обладают формой колебаний, которая хорошо известна (насосы и телеметрия раствора), и которой можно управлять (телеметрия раствора); существует возможность выработки весьма низкочастотных колебаний (до 1 Гц и даже ниже), а также колебаний, которые продолжаются достаточно длительное время; и т.д.

Преимущества техногенных источников заключаются в том, что они доступны при необходимости, не зависят существенно от внешних факторов, вырабатывают повторяющиеся и воспроизводимые сигналы, которыми можно управлять, и которые можно варьировать в соответствии с потребностями и т.д. Например, низкочастотный датчик может позволить получить управляемый сигнал; модуляция скважинного давления является логическим развитием естественного источника, представленного телеметрией бурового раствора, обладает ее преимуществами и дает дополнительные преимущества в виде гибкости управления и т.д.

Достоинства и недостатки различных датчиков, работающих на низкой частоте, во многом аналогичны преимуществам и недостаткам соответствующих источников. Например, виброметры обладают потенциалом, позволяющим очень точно описать поверхностные колебания; акселерометры могут помочь при охвате широкой и, в особенности, высокочастотной области низкочастотного спектра (1 Гц - десятки кГц); автономные датчики давления позволяют проводить измерения сигнала давления и могут использоваться, даже если непосредственный контакт с глинистой коркой/ формацией по какой-либо причине нежелателен или невозможен, либо в таких местах, как вход зонда и т.д.

Можно использовать один или несколько источников, а также один или несколько датчиков. Следует также отметить, что зачастую одно и то же устройство может действовать и как источник, и как датчик, и эти состояния можно либо комбинировать, либо переключать. Кроме того, в части мест расположения этих источников и/или датчиков имеется определенная гибкость. В число примеров среди прочего входят:

- пакер для инструмента;

- башмак пробоотборника;

- опорный башмак;

- источник(и) /приемник(и), установленные автономно;

- и т.д.

Широкий спектр вариантов имеет большое значение и дает многочисленные преимущества. Например, если установить источник(и)/ датчик(и) на пакере, это может помочь для установления хорошего контакта с глинистой коркой; если установить их на башмаке пробоотборника, можно надежно измерить отклик вблизи входа зонда, что позволяет избежать сильного затухания сигнала давления (например, если в качестве источника используется шум при пробоотборе), и т.д.; если установить их на опорный башмак, можно компенсировать шум и точно измерить компонент сигнала, связанного с диффузией давления через глинистую корку; автономная установка обеспечивает гибкость при измерениях и проектировании; и т.д.

Низкочастотные измерения можно существенно усовершенствовать за счет применения нескольких датчиков. Их можно размесить в различных местах: башмаке пробоотборника, опорном башмаке и т.д. Это может обеспечить снижение или устранение шума, а также возможность измерения дифференциального давления. Это может увеличить соотношение «сигнал-шум», снизить требования в части динамического диапазона и чувствительности, способствовать снижению возможных воздействий геометрии измерения и т.д.

Для оценки пьезопроводности κ предлагается использовать амплитуду и сдвиг фаз наведенных колебаний, регистрируемые низкочастотным акустическим датчиком.

При проведении измерений с колеблющимся сигналом отклик давления на датчике состоит из двух частей - переходного процесса, который стремится к нулю с возрастанием времени, и временных колебаний.

Пьезопроводность κ глинистой корки оказывает влияние на оба этих процесса, и для количественной оценки значения κ можно использовать сдвиг фаз φ незатухающих колебаний давления, регистрируемых датчиком относительно колебаний давления источника, и отношение RA амплитуды колебаний давления, зарегистрированных датчиком, к амплитуде исходного сигнала.

Эти характеристики отклика давления жестко связаны с κ. Их использование оправдано, когда незатухающие колебания давления на датчике достаточно сильны, чтобы их можно было извлечь из сигнала.

Для извлечения описанных выше количественных значений из сигнала, регистрируемого датчиком, предлагается использовать идеи о фильтрации сигнала и синхронизированные по фазе контуры для разделения переходных и колебательных процессов. Для определения фазы и амплитуды незатухающих колебаний можно умножить зарегистрированный сигнал на гармонические сигналы с известными фазами и частоту источника. После применения низкочастотного фильтра и решения простой системы линейных уравнений можно получить и сдвиг фаз, (с неопределенностью 2πn), и амплитуду незатухающих колебаний. Алгоритм можно реализовать как на программном (для отдельной обработки данных сигнала давления), так и на аппаратном (например, для обработки сигнала в скважине) уровне.

Ввиду того что реальные параметры затухания волн давления в

формации и глинистой корке для частот f свыше ~ 1 Гц будут слишком высоки, рекомендуется применять данный метод с использованием сигналов давления при частотах ниже ~ 1 Гц. Для таких частот характерный масштаб диффузии давления в формации намного превышает радиус скважины R_b. Характерный масштаб диффузии давления связан с пьезопроводностью и частотой сигнала как , где ω=2πf. Для частоты 1 Гц и реальных параметров λ^* (характерная длина диффузионной волны) находится в диапазоне 10¹-10²m для формации и ниже 10^-2-10⁰m для глинистой корки. Затухание амплитуды колебаний давления при их распространении через глинистую корку характеризуется отношением к толщине глинистой корки h_mc (что равно показателю экспоненты данного затухания). Следовательно, рекомендуется поддерживать частоту на низком уровне, чтобы затухание давления было минимально возможным. Для реальных параметров формации и глинистой корки рекомендуется, чтобы датчик располагался близко к источнику (~10^-2-10^-1 m), а частота f сигнала была низкой (~10^-3 - 1 Гц). Нижний предел частоты сигнала равен , где t_m - продолжительность измерений.

Рассматривается уравнение пьезопроводности в постановке полупространства с плоской границей и тонким слоем на нем (глинистая корка). Существенная разница во временных и пространственных масштабах диффузии давления в этих двух средах (благодаря разнице в несколько порядков в их коэффициентах пьезопроводности) позволяет расщепить задачу на две подзадачи. Первая - диффузия давления в породе в цилиндрических координатах. Вторая - одномерная диффузия давления в глинистой корке в направлении, перпендикулярном к ее поверхности. Собирая решения этих задач вместе, можно получить простое аналитическое решение в виде ряда. Выделение и анализ его ведущего члена позволяет определить амплитуду и фазовый сдвиг отклика по отношению к исходному сигналу.

Пьезопроводность κ глинистой корки определяется как

κ=2πfl/(2k^*2)

Так, например, для случая, когда источником колебаний является пробоотборник (см., например, WO 2009/139992), k^* определяется из решения уравнений

φ=arg(cosh k^*h_mc(1+i))^-1

где RA - отношение амплитуды колебаний давления, зарегистрированных датчиком, к амплитуде исходного сигнала, h_mc - толщина глинистой корки, rp - радиус отверстия пробоотборника, ap - расстояние от датчика до центра отверстия пробоотборника, на котором измеряют отклик давления (ap>rp).

Толщину глинистой корки h_mc предварительно определяют на основе импульсно-эховых измерений, включающих подачу в пласт коротких высокочастотных сигналов и регистрацию времени прихода отраженных эхо-сигналов (см., например, WO 2009/139992). Предпочтительно при определении толщины глинистой корки подачу высокочастотных сигналов осуществляют по меньшей мере из двух положений, расположенных на разном расстоянии от глинистой корки.

Подвижность флюида η в глинистой корке определяют как

η=κϕ/K

Пористость глинистой корки ϕ оценивается как 10-30%, K - объемный модуль упругости пористой среды.

Изобретение относится к способу определения акустических характеристик глинистой корки, образующейся при бурении скважины, таких, как подвижность флюида и пьезопроводность глинистой корки. Техническим результатом является создание простого, эффективного и точного способа определения характеристик глинистой корки в скважине, позволяющего извлечь из зарегистрированного сигнала информацию о геометрических и фильтрационных свойствах глинистой корки. Для определения акустических характеристик глинистой корки в скважине, по меньшей мере, одним акустическим датчиком регистрируют отклик давления на низкочастотные гармонические колебания давления. Из полученного сигнала определяют сдвиг фаз незатухающих колебаний давления, регистрируемых акустическим датчиком, относительно колебаний давления источника колебаний, и отношение амплитуды колебаний давления, зарегистрированных датчиком, к амплитуде исходного сигнала давления. Определяют толщину глинистой корки, и на основе полученных значений определяют пьезопроводность глинистой корки и подвижность флюида. 23 з.п. ф-лы.

1. Способ определения акустических характеристик глинистой корки в скважине, в соответствии с которым в скважине по меньшей мере одним акустическим датчиком регистрируют отклик давления на низкочастотные гармонические колебания давления, из полученного сигнала определяют сдвиг фаз незатухающих колебаний давления, регистрируемых акустическим датчиком, относительно колебаний давления источника колебаний, и отношение амплитуды колебаний давления, зарегистрированных датчиком, к амплитуде исходного сигнала давления, определяют толщину глинистой корки и на основе полученных значений определяют по меньшей мере одно из следующих значений: пьезопроводность глинистой корки и подвижность флюида.

2. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.1, в соответствии с которым источником низкочастотных гармонических колебаний давления являются естественные источники.

3. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.2, в соответствии с которым естественным источником низкочастотных гармонических колебаний является низкочастотный шум, возникающий при перемещении инструментов в скважине.

4. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.2, в соответствии с которым естественным источником низкочастотных гармонических колебаний является низкочастотный шум при бурении.

5. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.2, в соответствии с которым естественным источником низкочастотных гармонических колебаний является низкочастотная природная акустическая активность.

6. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.2, в соответствии с которым естественным источником низкочастотных гармонических колебаний является шум от работы скважинного насоса.

7. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.2, в соответствии с которым естественным источником низкочастотных гармонических колебаний является телеметрический сигнал бурового раствора.

8. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.2, в соответствии с которым по меньшей мере один акустический датчик установлен на пакере.

9. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.2, в соответствии с которым по меньшей мере один акустический датчик установлен на пробоотборнике.

10. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.2, в соответствии с которым по меньшей мере один акустический датчик установлен на опорном башмаке.

11. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.1, в соответствии с которым в скважине низкочастотные гармонические колебания давления в скважине возбуждают по меньшей мере одним техногенным источником.

12. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.11, в соответствии с которым источник низкочастотных гармонических колебаний одновременно является акустическим датчиком.

13. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.11, в соответствии с которым в качестве техногенного источника используют низкочастотную модуляцию скважинного давления.

14. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.1, в соответствии с которым в качестве акустических датчиков для регистрации отклика давления используют виброметры.

15. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.1, в соответствии с которым в качестве акустических датчиков для регистрации отклика давления используют гидрофоны.

16. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.1, в соответствии с которым в качестве акустических датчиков для регистрации отклика давления используют трансдьюсеры.

17. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.1, в соответствии с которым в качестве акустических датчиков для регистрации отклика давления используют акселерометры.

18. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.1, в соответствии с которым в качестве акустических датчиков для регистрации отклика давления используют датчики давления.

19. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.11, в соответствии с которым источник низкочастотных гармонических колебаний и/или акустический датчик установлен на пакере.

20. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.11, в соответствии с которым источник низкочастотных гармонических колебаний и/или акустический датчик установлен на пробоотборнике.

21. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.11, в соответствии с которым источник низкочастотных гармонических колебаний и/или акустический датчик установлен на опорном башмаке.

22. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.11, в соответствии с которым используют несколько источников низкочастотных гармонических колебаний, установленных в разных местах.

23. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.1, в соответствии с которым толщину глинистой корки определяют на основе импульсно-эховых измерений, включающих подачу в пласт коротких высокочастотных сигналов и регистрацию времени прихода отраженных эхо-сигналов.

24. Способ определения акустических характеристик глинистой корки по п.23, в соответствии с которым подачу высокочастотных сигналов осуществляют по меньшей мере из двух положений, расположенных на разном расстоянии от глинистой корки.