Способ определения положения сбрасываемой цементировочной пробки в обсадной колонне Российский патент 2023 года по МПК E21B33/16 E21B47/05 E21B47/95 E21B47/18 

Область техники

[1] Настоящее описание в целом относится к операциям цементирования. В частности, описание относится к использованию импульсов давления для определения положений скребковых пробок и продавочных цементировочных пробок внутри обсадной колонны.

Предпосылки создания изобретения

[2] При строительстве подземных скважин во время и после бурения используют трубчатый корпус, такой как хвостовик или обсадная колонна, и закрепляют его цементом, который закачивают в затрубное пространство вокруг наружной поверхности трубчатого корпуса. Цемент используют для поддержания трубчатого корпуса и для обеспечения изоляции различных продуцирующих жидкости зон, через которые проходит скважина. С помощью последней функции можно предотвратить перекрестное загрязнение жидкостей из разных слоев. Например, цемент предотвращает проникновение пластовых жидкостей на уровень грунтовых вод и загрязнение питьевой воды или предотвращает попадание в скважину воды вместо нефти или газа. Более того, цементное кольцо предотвращает коррозию трубчатого корпуса.

[3] В этой отрасли процесс закачки цементного раствора называется первичным цементированием. В большинстве операций первичного цементирования используют способ цементирования с двумя цементировочными пробками. На Фиг. 1 показана типичная конфигурация 100 буровой площадки для операции первичного цементирования. Цементировочная головка 101 расположена на поверхности, а обсадную колонну 103 опускают в ствол 102 скважины. По мере опускания обсадной колонны 103 в ствол 102 скважины внутреннее пространство обсадной колонны заполняется буровым раствором 108. Обсадную колонну центрируют в стволе скважины центраторами 104, прикрепленными к наружной поверхности обсадной колонны. Центраторы размещают на критических секциях обсадной колонны, чтобы избежать прихвата при спуске обсадной колонны в скважину. Кроме того, они удерживают обсадную колонну в центре ствола скважины и обеспечивают укладку равномерного цементного кольца в затрубном пространстве между обсадной колонной и стволом скважины. Нижний конец обсадной колонны защищен направляющим башмаком 105 и муфтой 109 с обратным клапаном. Направляющие башмаки представляют собой устройства конической формы, обычно с пулевидным концом, которые направляют обсадную колонну к центру скважины, чтобы свести к минимуму столкновения с неровными краями или размывы во время установки. Направляющий башмак отличается от муфты с обратным клапаном тем, что в нем нет обратного клапана. Обратный клапан в муфте с обратным клапаном может предотвращать обратный поток жидкостей или их перетекание по U-образной траектории из затрубного пространства в обсадную колонну. Внутри цементировочной головки 101 находятся нижняя цементировочная пробка 106 и верхняя цементировочная пробка 107. Цементировочные пробки, также называемые цементировочными скребковыми пробками или скребковыми пробками, представляют собой эластомерные устройства, которые создают физический барьер между разными жидкостями, перекачиваемыми через внутреннее пространство обсадной колонны. Большинство цементировочных пробок изготовлены из литого алюминиевого корпуса с формованными резиновыми ребрами.

[0004] Цели операции первичного цементирования заключаются в удалении бурового раствора и из внутреннего пространства обсадной колонны и ствола скважины, размещении цементной суспензии в затрубном пространстве и заполнении внутреннего пространства обсадной колонны вытесняющей жидкостью, такой как соляной раствор или вода. Нижняя цементировочная пробка 106 отделяет цементную суспензию от промывочной жидкости, а верхняя цементировочная пробка 107 отделяет цементную суспензию от вытесняющей жидкости.

[0005] Как правило, цементные суспензии и промывочные жидкости химически несовместимы. Смешивание жидкостей может приводить к образованию более вязкой или гелеобразной массы на границе раздела, которую сложно удалять из ствола скважины, это может затруднять укладку однородного цементного кольца по всему объему затрубного пространства. Таким образом, помимо скребковых пробок для обеспечения разделения жидкостей инженеры также применяют и химические средства. Между цементной суспензией и промывочной жидкостью можно перекачивать промывочные жидкости с химическими реагентами и буферные жидкости. Эти жидкости обладают дополнительным преимуществом, которое заключается в том, что они очищают поверхности обсадной колонны и пласта, за счет чего можно добиться хорошего связывания с цементом.

[0006] На Фиг. 2 показаны промывочная жидкость 201 с химическими реагентами и буферная жидкость 202, которые закачивают между промывочной жидкостью 103 и нижней цементировочной пробкой 106. Цементная суспензия 203 следует за нижней цементировочной пробкой. Нижняя цементировочная пробка имеет мембрану, которая разрывается при достижении дна обсадной колонны, что позволяет цементной суспензии проходить через нижнюю цементировочную пробку и попадать в затрубное пространство (Фиг. 3).

[0007] После закачивания достаточного объема цементной суспензии для заполнения кольцевой области между обсадной колонной и стенкой ствола скважины освобождается верхняя цементировочная пробка 107, за которой следует вытесняющая жидкость 301. Верхняя цементировочная пробка 107 не имеет мембраны, поэтому при ее посадке гидравлическое сообщение между внутренним пространством обсадной колонны и затрубным пространством прерывается (Фиг. 4). По окончании операции цементирования инженеры ожидают, когда цемент застынет и наберет прочность, что называется «ожиданием затвердевания цемента» (ОЗЦ). По истечении времени ОЗЦ можно приступать к выполнению последующих операций, таких как более глубокое бурение или перфорирование обсадной колонны.

[0008] Традиционные цементировочные пробки закачивают непосредственно с поверхности, поскольку они проходят через одну трубу с постоянным внутренним диаметром (ВД). С другой стороны, хвостовики не проходят от поверхности, а вместо этого их опускают в скважину на бурильной колонне на глубину установки. Как правило, хвостовики имеют гораздо больший ВД, чем бурильная колонна. Таким образом, с поверхности невозможно закачать одну цементировочную пробку. Таким образом, продавливание осуществляют с использованием двух пробок. Одна пробка, называемая продавочной цементировочной пробкой, находится в поверхностном оборудовании для цементирования. Вторая пробка крепится либо к нижней, либо к верхней части спускного инструмента хвостовика в сборе. Вторая пробка называется скребковой пробкой хвостовика.

[0009] После закачивания цементной суспензии в хвостовик и бурильную колонну продавочную цементировочную пробку высвобождают от поверхностного оборудования для цементирования. По достижении верхней части хвостовика продавочная цементировочная пробка фиксируется в скребковой пробке хвостовика. После этого продавочная цементировочная пробка и скребковая пробка хвостовика становятся единым разделителем между цементной суспензией и вытесняющей жидкостью. Эту схему можно наблюдать в скважинах удаленной досягаемости и в задачах по многоступенчатому цементированию.

[0010] Дополнительную информацию о цементировочных пробках, продавочных цементировочных пробках и операциях первичного цементирования можно найти в следующих публикациях: Leugemors Е et al.: Cementing Equipment and Casing Hardware, Nelson EB, Guillot D (eds.): Well Cementing - 2^nd Edition, Houston, Schlumberger (2006) 343-458. Piot B, Cuvillier G: Primary Cementing Techniques, Nelson EB, Guillot D (eds.): Well Cementing - 2^nd Edition, Houston, Schlumberger (2006) 459-501. Trogus M: Studies of Cement Wiper Plugs Suggest New Deepwater Standards, публикация SPE/IADC-173066-MS, представленная на конференции SPE/IADC Drilling Conference and Exhibition, г. Лондон, Великобритания, 17-19 марта 2015 г.

[0011] Возможны отклонения от идеальной операции цементирования, описанной выше. К возможным причинам относятся неровности стенок скважины, ведущие к неточным расчетам вытесняющего объема, колебания производительности насоса, различия между номинальной и фактической геометрией обсадной колонны, поглощение, деформация обсадной колонны и утечка жидкости. Следует отметить, что неровности стенок скважины, поглощение и утечка жидкости влияют на глубину верхней границы цементного кольца, а не на глубину положения сбрасываемого объекта внутри обсадной колонны. С учетом этих неопределенностей операторы и инженеры заинтересованы в том, чтобы обеспечить контроль положений цементировочной пробки в режиме реального времени.

[0012] Кроме того, во время закачивания цементной суспензии в затрубное пространство вокруг наружной поверхности обсадной колонны нежелательно перепродавливать вытесняющую жидкость и допускать ее попадание в затрубное пространство. Перепродавка, которую часто называют «мокрым башмаком», может привести к загрязнению или отсутствию цемента в секции обсадной колонны между муфтой с обратным клапаном и башмаком обсадной колонны после первичного цементирования. Для ликвидации дефектов в цементной изоляции, обусловленных эффектом перепродавки, может потребоваться дорогостоящая восстановительная операция цементирования методом продавливания.

[0013] Традиционно момент прекращения операции продавливания цементирующего материала определяют, отслеживая положение верхней цементировочной пробки волюметрическим методом посредством деления вытесненного объема на площадь внутреннего поперечного сечения обсадной колонны. Однако волюметрический метод характеризуется неопределенностями, связанными со сжимаемостью вытесняющей жидкости, неэффективностью нагнетательного насоса, неточностью расходомера и разбросом диаметров муфт. При отслеживании пробки с помощью такого неточного волюметрической модели отслеживания пробки операторы при желании могут остановить процесс при достижении расчетного вытеснения с поправкой максимум на половину объема компоновки низа обсадной колонны. Таким образом можно снизить риск возникновения «мокрого башмака», но это может привести к закачиванию избыточного объема цемента внутрь обсадной колонны, что потребует больше времени для разбуривания или, в случае эксплуатационной обсадной колонны, в случае, если сразу после вытеснения запланирована перфорирования, может потребоваться дополнительное бурение для удаления схватившегося цемента.

Краткое описание графических материалов

[0014] На Фиг. 1 показана типичная конфигурация буровой площадки во время операции цементирования.

[0015] На Фиг. 2 показан процесс выполнения операции цементирования. Нижняя цементировочная пробка была освобождена и отделяет цементную суспензию от химических промывочных жидкостей, буферных жидкостей бурового раствора.

[0016] На Фиг. 3 показан процесс выполнения операции цементирования. Нижняя цементировочная пробка опустилась на муфту с обратным клапаном. Мембрана в нижней цементировочной пробке разрывается, в результате чего цементная суспензия может попасть в затрубное пространство между обсадной колонной и стенкой ствола скважины.

[0017] На Фиг. 4 показана завершенная операция цементирования. Цементная суспензия заполняет затрубное пространство, обе цементировочные пробки опустились на муфту с обратным клапаном, а внутреннее пространство обсадной колонны заполнено вытесняющей жидкостью.

[0018] На Фиг. 5 показаны волны давления в стволе скважины.

[0019] На Фиг. 6 показаны резонансные и антирезонансные зоны в волнах давления при движении сбрасываемого объекта вдоль обсадной колонны.

[0020] На Фиг. 7 приведен пример зависимости глубины пробки от внутреннего объема обсадной колонны.

[0021] На Фиг. 8 показано изменение амплитуды и периодичности давления на поверхности в результате прохождения верхней пробки через зону большего внутреннего диаметра обсадной колонны во время операции цементирования.

[0022] На Фиг. 9 показаны данные измерений в сравнении с данными модельного прогнозирования, полученные в ходе перемещения пробки вдоль обсадной колонны и ее прохождения через зону большего внутреннего диаметра обсадной колонны во время операции цементирования.

[0023] На Фиг. 10 показаны прогнозируемые траектории времени отражения и расчетное распределение времени отражения во время операции цементирования, показанной на Фиг. 8.

[0024] На Фиг. 11 показано семейство траекторий τ(t; dV, С) и вероятности распределений плотности времени перемещения P_τ(t) во время операции цементирования, показанной на Фиг. 8.

[0025] На Фиг. 12 показаны прогнозируемые распределения времени перемещения при изменении внутреннего диаметра обсадной колонны на глубине 3000 м.

[0026] На Фиг. 13 представлена зависимость глубины от вытесненного объема для взятой в качестве примера скважины с 5-дюймовой обсадной трубой и глубиной 5791 м.

[0027] На Фиг. 14 представлены данные по операции цементирования, включающие поверхностное давление и расходы, полученные по расходомеру и по количеству ходов поршня, а также спектрограмма и кепстрограмма давления в устье скважины.

[0028] На Фиг. 15 показаны амплитуды гармоник, полученные во время операции цементирования, показанной на Фиг. 8.

[0029] На Фиг. 16-18 показаны распределения вероятностей поправочных объемов и поправочных коэффициентов, а также прогнозируемые траектории времени отражения и распределения вероятностей времени отражения и вытесненных объемов для нескольких временных интервалов.

[0030] На Фиг. 19 показано комбинированное распределение вероятности времени отражения. В начале и в конце оно совпадает с данными кепстрального анализа. В середине смещения траектория пробки является более выраженной по сравнению с данными на кепстрограмме.

Краткое описание сущности

[0031] В одном аспекте варианты осуществления относятся к способам определения положения сбрасываемого объекта внутри обсадной колонны. Сбрасываемый объект (например, цементировочную пробку или продавочную цементировочную пробку) помещают внутрь обсадной колонны, заполненной первой жидкостью. За сбрасываемым объектом закачивают вытесняющую жидкость, в результате чего сбрасываемый объект продвигается по внутреннему пространству обсадной колонны. Гидравлические насосы генерируют гармонический акустический сигнал в форме волн давления, которые проходят вниз по обсадной колонне и отражаются от сбрасываемого объекта. Данные о давлении регистрируются и передаются в систему сбора данных о давлении. Затем данные о давлении обрабатываются математически для оценки двойного времени пробега гармонического акустического сигнала, отраженного сбрасываемым объектом. Определяют скорость распространения акустического сигнала, а затем рассчитывают положение сбрасываемого объекта в обсадной колонне.

Подробное описание изобретения

[0032] Прежде всего, следует отметить, что при разработке любого такого фактического варианта осуществления проверяют многочисленные конкретные варианты его реализации, чтобы достичь конкретных целей разработчика, таких как соответствие системным и коммерческим ограничениям, которые различаются для разных вариантов реализации. Более того, следует понимать, что несмотря на возможную сложность и продолжительность такой разработки, ее результат станет рутинным процессом для специалистов в данной области, которые могут воспользоваться преимуществами настоящего изобретения. Кроме того, использованная/описанная в настоящем документе композиция может также содержать некоторые компоненты, отличные от указанных. В кратком описании сущности и в настоящем подробном описании каждое числовое значение следует сначала читать в сопряжении с термином «приблизительно» (если в явной форме отсутствует в тексте), а в дальнейшем - без такого термина, если контекстом не определено иное. Следует также понимать, что в кратком описании сущности и в настоящем подробном описании при указании или описании диапазонов полезных, подходящих или т.п. концентраций подразумевают любые концентрации в пределах этого диапазона, включая конечные точки. Например, «диапазон от 1 до 10» означает указание на все возможные числа в непрерывном множестве от приблизительно 1 до приблизительно 10. Таким образом, даже если в пределах этого диапазона в явном виде указаны или подразумеваются конкретные точки данных либо не указаны и не подразумеваются никакие точки данных, следует понимать, что авторы изобретения учитывают и понимают, что все точки данных в пределах этого диапазона необходимо рассматривать как заданные и что авторы изобретения обладают знаниями обо всем диапазоне и всех точках в пределах этого диапазона.

[0033] Настоящее описание относится к определению положения сбрасываемых объектов в обсадной колонне или хвостовике во время операции цементирования скважины. Сбрасываемые объекты могут содержать верхние или нижние цементировочные пробки или продавочные цементировочные пробки. Описываемый в настоящем документе способ основан на анализе шума от поршневых насосов, которые используют для подачи скважинных флюидов в подземные скважины.

[0034] Способ и система определения местоположения скважинных объектов, отражающих гидравлический сигнал, описаны в патентной заявке WO 2018/004369. Контроль скважины основан на кепстральном анализе данных о давлении, зарегистрированных на устье скважины. Он предназначен для определения положения скважинных объектов, отражающих гидравлический сигнал. Датчик давления обнаруживает гидравлический сигнал, а затем происходит обработка данных о давлении для определения свойств, таких как значения времени отражения трубных волн. Одним (но не единственным) способом получения такой информации является кепстральный анализ. Этот анализ широко используется в различных сферах применения, например для контроля операций гидроразрыва пласта. Кепстрограмма позволяет обнаруживать объекты, отражающие гидравлический сигнал. Для операций гидроразрыва пласта в этом способе используют источники гидравлических сигналов, включая эффект гидравлического удара, шумы от работы поверхностных или погружных насосов и случаи перфорации.

[0035] В патенте США 6401814 В1 описан способ определения местоположения цементировочной пробки в подземной скважине во время операций цементирования с помощью отражений импульсов давления. После генерации импульсы давления передаются через вытесняющую жидкость, отражаются от цементировочной пробки и, наконец, принимаются датчиком давления. Местоположение пробки рассчитывают на основании времени отражения и скорости импульсов давления в данной среде. Способ генерации и передачи импульса давления через жидкость в обсадной колонне содержит мгновенное открытие клапана, установленного в трубопроводе скважины. Другие способы генерации импульсов давления включают пневмопушку, изменение частоты вращения двигателя насоса или отключение насоса.

[0036] В патенте США 5754495 описан способ акустического определения длины жидкостного трубопровода. Он содержит обеспечение системы создания давления в закрытом пространстве, подключение датчиков давления, заполнение системы жидкостью, генерацию импульса давления, измерение распространения импульса давления до дистального конца жидкостного трубопровода и расчет длины жидкостного трубопровода. В варианте осуществления трубная волна генерируется путем резкого сброса давления в скважине через клапан.

[0037] В патенте США 4819726 описан способ указания положения цементировочной скребковой пробки до ее прибытия на забой. В нем используется устройство, содержащее секцию колонны труб с внутренним срезаемым временным средством ограничения движения цементировочной скребковой пробки через секцию колонны труб. Прибытие цементировочной пробки в срезаемое временное средство ограничения в колонне труб регистрируется по повышению давления в колонне труб на поверхности и отслеживается датчиком давления.

[0038] В патенте США 9546548 описаны устройство и способ для анализа цементного кольца на основании распространения акустических волн. Используют устройство обнаружения акустических волн, содержащее оптоволоконный кабель, протянутый вниз в скважину, оптический источник и систему сбора данных. Акустический источник формирует продольную волну в обсадной колонне. Давление в затрубном пространстве определяют по мере застывания цементной суспензии, и это давление сравнивают с максимальным пластовым давлением в качестве показателя того, застыл ли цемент и набрал ли он достаточную прочность для поддержания эффективного уплотнения между пластом и обсадной колонной по затрубному пространству.

[0039] Существует несколько способов отслеживания положения сбрасываемых объектов на основе анализа импульсов давления по мере того, как во время перемещения вниз по скважине сбрасываемые объекты взаимодействуют с изменениями внутреннего диаметра обсадной колонны.

[0040] Существует несколько способов отслеживания положения верхней пробки на основе анализа импульсов давления, создаваемых верхней цементировочной пробкой, проходящей через муфты обсадной колонны с отрицательным или положительным изменением размера внутреннего поперечного сечения. В патенте US 2021/0062640 (Methods for Determining a Position of a Droppable Object in a Wellbor) предлагаются способы определения положения сбрасываемого объекта в стволе скважины, основанные на кепстральном анализе данных о давлении на цементировочной головке с высоким разрешением и их сочетании с фильтром Калмана: см. патент WO 2022/025790 (Methods for Determining a Position of a Droppable Object in a Wellbore). Кроме того, существует способ отслеживания положения пробок, в котором импульсы муфты обрабатываются фильтром частиц (не опубликован). Ограничение импульсных методов заключается в том, что для генерации импульсов требуется изменение диаметра внутреннего поперечного сечения муфт обсадных труб, а это не всегда возможно. В способе, основанном на кепстральном анализе, требуется наличие импульсов или широкополосного акустического сигнала в стволе скважины, что также не всегда возможно.

[0041] Как описано выше, настоящее изобретение относится к способам обнаружения положения скважинных (или сбрасываемых) объектов в стволе скважины во время операций цементирования хвостовика или обсадной колонны. Способ основан на регистрации высокочастотных данных о давлении в стволе скважины, заполненном жидкостью, и анализе колебаний давления, создаваемых гидравлическими насосами во время операций цементирования. Гидравлические насосы генерируют гармонические сигналы, содержащие колебания давления в стволе скважины на нескольких частотах. Движущаяся цементная пробка выступает в качестве границы, отражающей сигнал давления и непрерывно изменяющей резонансные частоты колебаний давления в стволе скважины по мере перемещения пробки вниз по стволу скважины. Численная модель позволяет спрогнозировать резонансный отклик ствола скважины на основе геометрических характеристик обсадной колонны и скоростей закачки, при этом в качестве неизвестного параметра выступает двойное время пробега сигнала. Положение скважинной пробки определяют по двойному времени пробега и скорости распространения сигнала. Скорость распространения сигнала (трубной волны) можно оценить теоретически на основе свойств среды или определить путем калибровки в те моменты, когда пробка проходит компоненты заканчивания с известным положением, такие как точки изменения диаметра обсадной колонны или точка приземления сбрасываемого объекта.

[0042] В одном аспекте варианты осуществления относятся к способам определения положения сбрасываемого объекта внутри обсадной колонны. Сбрасываемый объект (например, цементировочную пробку или продавочную цементировочную пробку) помещают внутрь обсадной колонны, заполненной первой жидкостью. Первая жидкость в обсадной колонне может содержать промывочную жидкость, буферную жидкость или соляной раствор или цементную суспензию. За сбрасываемым объектом закачивают вытесняющую жидкость, в результате чего сбрасываемый объект продвигается по внутреннему пространству обсадной колонны. Гидравлические насосы генерируют гармонический акустический сигнал в форме волн давления, которые проходят вниз по обсадной колонне и отражаются от сбрасываемого объекта. Данные о давлении регистрируются и передаются в систему сбора данных о давлении. Данные о давлении могут регистрироваться по меньшей мере одним датчиком давления. Данные о давлении могут содержать как прямые, так и отраженные гармонические акустические сигналы. Затем данные о давлении обрабатывают математически для оценки двойного времени пробега гармонического акустического сигнала, отраженного от сбрасываемого объекта. Определяют скорость распространения акустического сигнала, а затем рассчитывают положение сбрасываемого объекта в обсадной колонне.

Волны давления в стволе скважины

[0043] В процессе цементирования скважины цементная суспензия вытесняется из внутреннего пространства обсадной колонны в затрубное пространство посредством верхней цементировочной пробки, которая в свою очередь выталкивается вытесняющей жидкостью, закачиваемой поршневыми насосами. Насосы генерируют гармонические колебания давления внутри обсадной колонны. Эти гармонические колебания состоят из основной частоты f₀ и кратных ей частот 2f₀, 3f_0, 4f₀, …, называемых гармониками.

[0044] Основная частота f₀ колебаний давления, генерируемая поршневым насосом, пропорциональна производительности насоса:

В данном случае Q - производительность насоса, N_pl - количество цилиндров в насосе, a F_K - объем одного цилиндра насоса, также называемый K-фактором.

[0045] Одно из этих гармонических колебаний давления с круговой частотой ω=2πf способствует генерации волн давления (известных также как «трубные волны»), которые распространяются вдоль ствола скважины. Распределение трубной волны по стволу скважины можно представить следующей суммой:

P(x,ω,t) = D(x,ω,t) + U(x,ω,t),

где D(x,ω,t) = Aexp(iωt + ikx) - нисходящая волна, U(x,ω,t) = В exp(iωt - ikx) - восходящая волна, А и В - комплексные амплитуды соответствующих волн, х - пространственная координата вдоль скважины, a t - время. Величина k=ω/с является волновым числом. В дальнейших рассуждениях волновое число считается реальной величиной, а мнимой частью, отвечающей за затухание сигнала, можно пренебречь. И, наконец, с - скорость трубной волны, которая далее будет считаться постоянной.

[0046] Распространение волны давления, генерируемой колебаниями с частотой 10 Гц, в некоторый произвольный момент времени t=0 проиллюстрировано на Фиг. 5. Сплошными линиями показаны реальные компоненты комплексного пульсирующего давления, а заштрихованные области отражают амплитуды соответствующих волн.

[0047] Верхняя цементировочная пробка формирует жесткую границу отражения трубных волн, поэтому производная давления по пространственной координате в положении отражателя обращается в нуль:

[0048] где L - положение верхней цементировочной пробки. Если считать, что производная A exp(ikL) - В ехр(ikL) = 0, из А можно вывести комплексный амплитудный коэффициент восходящей волны В:

В=А ехр(2ikL).

[0049] Чтобы упростить это выражение, можно использовать выражение для двойного времени пробега сигнала давления τ=2L/c, которое также называют временем отражения

В=А ехр(iωτ).

[0050] Подставив выражение для В в уравнение волны давления, можно получить:

P(x,ω,t) = A[exp(iωt + ikx) + exp(iωτ)exp(iωt - ikx)].

[0051] Волны давления в стволе скважины при наличии отражателя проиллюстрированы на фигуре 6. Амплитуда сигнала пульсирующего давления, измеренная на поверхности (х=0), является абсолютной величиной P(0,ω,t):

[0052] На практике амплитуду сигнала пульсирующего давления на поверхности получают путем обработки методом дискретного преобразования Фурье (ДПФ) измеренного сигнала давления с последующим определением его абсолютного значения. Затем оценивают абсолютное значение ДПФ сигнала давления на поверхности на интересующей круговой частоте со.

[0053] Во время перемещения пробки ее положение L и двойное время пробега т в приведенных выше уравнениях фактически являются функциями времени: L(t) и τ(t), а переменная времени t для простоты опускается.

[0054] В процессе перемещения глубина верхней пробки монотонно увеличивается, поэтому амплитуда сигнала с поверхности |P(0,ω,t)| периодически изменяется между максимумом (резонансные зоны) и минимумом (антирезонансные зоны), как показано на Фиг. 6. Горизонтальные черные линии обозначают три последовательных положения границы отражения внутри скважины. На левом изображении отражатель находится на глубине, равной целому числу полудлин волн, что приводит к максимальной амплитуде на поверхности и свидетельствует о резонансном состоянии ствола скважины. В следующем положении отражателя амплитуда колебаний давления на поверхности принимает промежуточное значение. А на правом изображении число полудлин волн между отражателем и поверхностью равно некоторому целому числу плюс четверть длины волны. В этом последнем случае амплитуда сигнала на поверхности минимальна, что соответствует антирезонансному состоянию ствола скважины.

Волюметрическая модель глубины пробки

[0055] Амплитуда сигнала давления на поверхности |P(0,ω,t)| зависит от двойного времени пробега х, которое в свою очередь зависит от положения пробки L. В ходе операции цементирования положение пробки L отслеживается волюметрическим методом по измеренной скорости закачки и поперечным сечениям внутреннего пространства обсадной колонны. Для формулирования волюметрической модели отслеживания пробки вводят несколько определений. Объем обсадной колонны выше пробки, являющийся функцией глубины L ее расположения, называется вытесненным объемом V_d и определяется следующим интегралом:

где S(x)=0,25πd²(х) - профиль площади поперечного сечения внутреннего пространства обсадной колонны, являющийся функцией внутреннего диаметра обсадной колонн d(x), измеренного на расстоянии х от поверхности. Вытесненный объем V_d(L) вдоль обсадной колонны является кусочно-линейной монотонно возрастающей функцией. Следовательно, существует взаимно-однозначное соответствие между вытесненным объемом V_d и глубиной пробки L, благодаря чему можно определить глубину пробки как функцию вытесненного объема L(V_d), обратную V_d(L). Пример волюметрической модели глубины пробки как функции L(V_d) представлен на Фиг. 7.

Прямая модель

[0056] В операциях цементирования скважин вытесненный объем V_d оценивается по закачиваемому объему V_p, измеренному наземным расходомером или счетчиком числа ходов насоса. В общем случае вытесненный объем V_d близок по величине к закачиваемому объему V_p, но не равен ему. Расхождение между вытесненным и закачиваемым объемами обусловлено сжимаемостью вытесняющей жидкости, неэффективностью нагнетательного насоса, неточностью расходомера и разбросом диаметров муфт.

[0057] Неизвестный вытесненный объем V_d может быть выражен следующим уравнением как функция измеренного закачиваемого объема V_p:

V_d = dV + C ⋅ V_p,

где dV - поправочный объем, а С - поправочный коэффициент. При объединении этих уравнений можно получить следующее выражение для амплитуды сигнала давления на поверхности:

[0058] Скорость трубной волны с в приведенном выше уравнении является еще одним неизвестным параметром. Для определения времени отражения этому параметру присвоено постоянное значение по умолчанию с=1500 м/с. Однако для отслеживания глубины пробки его можно оценить теоретически на основе свойств среды или определить путем калибровки в те моменты, когда пробка проходит компоненты заканчивания с известным положением, такие как точки изменения диаметра обсадной колонны или точка приземления сбрасываемого объекта.

[0059] Ниже приведен гипотетический пример амплитуды сигнала давления на поверхности, генерируемого во время первичного цементирования скважины при постоянной скорости закачки Q=0,005 м³/с. Поправочный объем в искусственной модели dV принят равным 0 м³, а поправочный коэффициент С=0,95. Амплитуда давления на поверхности соответствует постоянным колебаниям давления с частотой f=10 Гц, создаваемым гидравлическим насосом во время вытеснения верхней пробки. Диаметр обсадной колонны увеличивается с 80 мм до 110 мм, поэтому после прохождения точки изменения диаметра скорость пробки снижается, что приводит к увеличению периодичности амплитуды давления на поверхности (Фиг. 8).

Оценка параметров

[0060] Для оценки неизвестных параметров dV и С вычисляют прогнозные амплитуды колебаний давления на поверхности P_pred(t,dV,C) на основе модели. На Фиг. 9 представлен пример сравнения измеренных данных с данными модельного прогнозирования для пар параметров: dV=0 м³, С=0,93 и dV=0 м³, С=0,97. Более низкие значения поправочного коэффициента С соответствуют меньшим прогнозируемым значениям времени отражения и вытесненного объема, а также более длительным периодам между прогнозируемыми резонансными состояниями ствола скважины. Аналогично более высокие значения параметра С соответствуют более высоким прогнозируемым значениям времени отражения и вытесненного объема, а также более коротким периодам между прогнозируемыми резонансными состояниями ствола скважины.

[0061] Оценка неизвестных параметров производится путем минимизации квадрата невязки между измеренными P_meas(t) и прогнозными P_pred(t,dV,C) амплитудами колебаний давления на поверхности:

При этом, также определяются среднеквадратические отклонения параметров σ_dv и σ_с, что позволяет определить совместную функцию распределения

На Фиг. 10 приведен пример совместной функци распределения оцененных параметров

[0062] Каждая пара параметров соответствует «траектории» пробки в терминах времени прохождения τ(t;dV,C), а соответствующее значение определяет вес или вероятность этой траектории. Вероятность распределения плотности времени прохождения P_τ(t) определяют интегрированием семейства траекторий τ(t;dV,C), взвешенных по L(dV,C), в диапазонах параметров для dV и C:

[0063] Примеры семейства траекторий τ(t;dV,C) и вероятности распределения плотности времени прохождения P_τ9t) показаны на Фиг. 11.

[0064] Чтобы преобразовать распределение вероятности отражения в распределение вероятности положения пробки, можно использовать скорость трубной волны, рассчитанную теоретически на основе свойств среды или определенную путем калибровки в те моменты, когда пробка проходит компоненты заканчивания с известным положением, такие как точки изменения диаметра обсадной колонны или точка приземления сбрасываемого объекта.

[0065] В данном примере калибровку трубной скорости можно выполнить в точке изменения диаметра на глубине 3000 м. Пробка проходит эту точку в момент времени 3150 с при времени отражения 3,9 с. При таком измерении скорость трубной волны становится равной с=2*3000 м/3,9 с=1538,46 м/с (Фиг. 12).

Пример реальных данных

[0066] Приведен пример обработки данных по продавливанию цементирующего материала в 5-дюймовой обсадной колонне. Внутренний диаметр (ВД) обсадной колонны составляет 121,4 мм, глубина посадочной муфты составляет 5791 м. Зависимость глубины от вытесненного объема в скважине показана на Фиг. 13.

[0067] Для проверки наличия отраженного сигнала рассчитывают кепстрограмму (Фиг. 14). Отраженный сигнал от пробки во время перемещения заглушается шумом. Однако при приземлении наблюдается сильный гидравлический удар, время отражения которого составляет около 8 секунд.

[0068] Для определения амплитуды сигнала на частотах гармоник шума от работы насосов рассчитывают спектрограмму. Частоты гармоник были получены на основе зарегистрированного расхода, измеренного по количеству ходов переднего и заднего насосов. Амплитуды гармоник были вырезаны из спектрограммы на соответствующих частотах (Фиг. 15).

[0069] Распределения вероятностей поправочных объемов и поправочных коэффициентов, а также прогнозируемые траектории времени отражения и распределения вероятностей времени отражения и вытесненных объемов для нескольких временных интервалов показаны на Фиг. 16-18.

[0070] Комбинированное распределение вероятности времени отражения показано на Фиг. 19. В начале и в конце оно совпадает с данными, представленными на кепстрограмме. В середине смещения траектория пробки является более выраженной по сравнению с данными на кепстрограмме.

[0071] Хотя выше были подробно описаны лишь несколько примеров осуществления, специалистам в данной области будет сразу понятно, что возможны многие модификации примеров осуществления без существенного отклонения от настоящего изобретения. Соответственно, предполагается, что все такие модификации должны быть включены в объем настоящего описания, как определено в представленной ниже формуле изобретения.

Изобретение относится к способу определения положения сбрасываемой цементировочной пробки внутри обсадной колонны. Способ содержит следующие этапы: размещение сбрасываемой цементировочной пробки внутри обсадной колонны, заполненной первой жидкостью; закачивание вытесняющей жидкости за сбрасываемой цементировочной пробкой, в результате чего сбрасываемая цементировочная пробка продвигается по внутреннему пространству обсадной колонны, причем по меньшей мере один гидравлический насос для закачки жидкости генерирует гармонический акустический сигнал в форме волн давления, которые проходят вниз по обсадной колонне и отражаются от сбрасываемой цементировочной пробки; регистрацию и передачу данных о давлении в систему сбора данных о давлении; математическую обработку данных о давлении для оценки двойного времени пробега гармонического акустического сигнала, отраженного от сбрасываемой цементировочной пробки; определение скорости распространения акустического сигнала; определение положения сбрасываемой цементировочной пробки по расчетному двойному времени пробега и скорости распространения акустического сигнала. Сбрасываемая цементировочная пробка выступает в качестве границы отражения акустического сигнала, а ее перемещение изменяет резонансные частоты колебания давления в обсадной колонне. Технический результат заключается в обеспечении эффективного и точного определения положения сбрасываемых цементировочных пробок внутри обсадной колонны во время операции цементирования скважины. 9 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Способ определения положения сбрасываемой цементировочной пробки внутри обсадной колонны, содержащий:

a. размещение сбрасываемой цементировочной пробки внутри обсадной колонны, заполненной первой жидкостью;

b. закачивание вытесняющей жидкости за сбрасываемой цементировочной пробкой, в результате чего сбрасываемая цементировочная пробка продвигается по внутреннему пространству обсадной колонны, причем по меньшей мере один гидравлический насос для закачки жидкости генерирует гармонический акустический сигнал в форме волн давления, которые проходят вниз по обсадной колонне и отражаются от сбрасываемой цементировочной пробки;

c. регистрацию и передачу данных о давлении в систему сбора данных о давлении;

d. математическую обработку данных о давлении для оценки двойного времени пробега гармонического акустического сигнала, отраженного от сбрасываемой цементировочной пробки;

e. определение скорости распространения акустического сигнала;

f. определение положения сбрасываемой цементировочной пробки по расчетному двойному времени пробега и скорости распространения акустического сигнала, при этом сбрасываемая цементировочная пробка выступает в качестве границы отражения акустического сигнала, а ее перемещение изменяет резонансные частоты колебания давления в обсадной колонне.

2. Способ по п. 1, в котором данные о давлении регистрируются по меньшей мере одним датчиком давления.

3. Способ по п. 1, в котором данные о давлении содержат как прямые, так и отраженные гармонические акустические сигналы.

4. Способ по п. 1, в котором скорость распространения акустического сигнала определяют теоретически на основе свойств жидкой среды.

5. Способ по п. 1, в котором скорость распространения акустического сигнала определяют путем калибровки согласно моментам, когда сбрасываемая цементировочная пробка проходит компонент заканчивания с известным положением.

6. Способ по п. 5, в котором компонент заканчивания представляет собой место изменения внутреннего диаметра обсадной колонны.

7. Способ по п. 5, в котором компонент заканчивания с известной глубиной представляет собой точку приземления сбрасываемой цементировочной пробки.

8. Способ по п. 1, в котором математическая обработка содержит вычисление спектрограммы.

9. Способ по п. 1, в котором гармонический акустический сигнал содержит трубную волну.

10. Способ по п. 1, в котором первая жидкость содержит промывочную жидкость, буферную жидкость, соляной раствор или цементный раствор.