СИСТЕМА МНОГОКАНАЛЬНОГО АКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ В ЗАТРУБНОМ ПРОСТРАНСТВЕ СКВАЖИНЫ Российский патент 2023 года по МПК G01V1/40 E21B47/14 

Изобретение относится к области бурения и заканчивания скважин. Настоящее изобретение относится к мониторингу состояния цементного камня за обсадной колонной, основанное на принципе использования пар датчиков источник/приемник акустического сигнала. Дополнительно относится к передаче данных по затрубному и внутритрубному пространству скважины.

Мониторинг трещин в цементном камне в процессе эксплуатации скважин необходим для решения проблем, связанных с нарушением целостности крепления скважин и цементного камня в затрубном пространстве скважин, такими как межколонное давление и межпластовые перетоки. Необходима система мониторинга, которая позволит отслеживать напряженное состояние цементного кольца во времени, контролировать динамику развития трещин, информировать оператора о состоянии эксплуатационного объекта в процессе работы без его остановки.

Из US 4802145 А, опубл. 31.01.1989 известны устройство и способ для определения состояния цемента и, в частности, к такому способу устройства, в котором источник акустической энергии размещается напротив внутренней поверхности обсадной трубы, установленной в стволе скважины, для определения качества сцепления цемента, толщины цемента и акустической скорости, связанной с параметрами цемента.

Из RU 2682269 С2, опубл. 18.03.2019 известно изобретение, относящееся к области геофизических исследований обсаженных скважин с целью контроля качества цементирования обсадных колонн. Технический результат заключается в повышении точности измерений за счет снижения уровня акустических шумов и помех при движении прибора в скважине, а также в упрощении конструкции прибора и повышении его надежности и удобства эксплуатации. Скважинный прибор акустического контроля качества цементирования скважин содержит герметичный корпус с электронным блоком, состоящим из телеметрического устройства, контроллера, генератора импульсов возбуждения и приемного устройства, и прижимные зонды с размещенными на них электроакустическими преобразователями.

Однако данные способы и устройства не позволяют проводить мониторинг состояния цемента в затрубном пространстве скважины без остановки эксплуатации исследуемого объекта.

Из RU 2649195 C1, опубл. 30.03.2018 известно изобретение, относящееся к нефтедобыче, которое может быть применено в гидроразрыве пласта при одновременном контроле геометрических и гидродинамических параметров трещины в реальном времени. Способ включает измерение распределенных температуры и давления в скважине с последующим вычислением по ним геометрических параметров трещины. Данный патент относится к нефтедобыче, а именно к области выполнения работ по интенсификации притока в нефтегазовой скважине. К недостаткам данного способа можно отнести контроль трещин только в процессе ГРП при непосредственном создании упругих колебаний среды. Так как процессе эксплуатации скважин имеет место многократно большая продолжительность по времени воздействия разных видов напряжений в отличие от процесса ГРП, данный способ имеет ограничение в применении и не подходит для мониторинга состояния цементного камня и выявления в нем трещин на протяжении всего жизненного цикла скважин.

Наиболее близким к предложенному изобретению является US 8636063 В2, опубл. 28.01.2014. система непрерывного мониторинга цемента по принципам оптоволоконных технологий. Осуществляется мониторинг одного или более параметров цементного раствора в различных точках вдоль ствола скважины в процессе отверждения и оперативное определение пролета, на который распространяется раствор, и наличие каких-либо зазоров или пустот в этом промежутке. По меньшей мере, некоторые варианты применения системы включают в себя распределенное измерительное устройство для обеспечения измерений параметров в зависимости от положения и времени в процессе отверждения.

К недостаткам данного способа можно отнести следующее: для получения более полной картины может потребоваться применение большого количества кабелей, что создает значительные трудности при спуске обсадной колонны в скважину, увеличивается риск возникновения посадки обсадной колонны, увеличивается риск возникновения обрыва кабеля в стволе скважины и делает крепление скважины менее надежным и герметичным. Применение большого количества механизмов обвязки кабеля может привести к возникновению дополнительных сопротивлений при спуске обсадной колонны в скважину. Однако способ не дает информации ни о трещинах и их характеристиках в цементном камне, ни о напряженном состоянии цементного камня в затрубном пространстве скважины. Также к недостатку данного изобретения можно отнести то, что оно предназначено в основном для оценки состояния затрубного пространства во время отверждения цементного раствора.

Недостатки известных способов заключаются в следующих особенностях:

1) Датчики располагаются внутри корпуса и не контактируют с объектом контроля. Сигнал подается на колонну, и при контакте колонны с цементным камнем, акустическая волна меняет форму и амплитуду сигнала, определяя контакт цемента с колонной и косвенно определяя целостность цементного камня, но при этом не дает информации о наличии трещин в цементном камне. Трещины могут быть обнаружены с помощью тензометров (тензометрических датчиков) по повышению давления из-за притока жидкости через трещину в цементном камне затрубного пространства. Также трещины могут быть обнаружены с помощью акустических приемников (микрофонов), которые могут принимать акустический шум, образующийся в результате прохождения флюида через трещину. В случае отсутствия (протекания) флюидов, трещины не могут быть обнаружены. Также если трещина расположена не рядом с тензометром или микрофоном, то, возможно, обнаруживаемость трещин тензометром и микрофоном уменьшается.

2) С учетом высокого диапазона применяемых частот для оценки состояния цементного камня (чем больше частота, тем меньше длина акустической волны, следовательно, меньше проходимость), датчику требуются большие мощности и энергии для формирования акустической волны, которая сможет пройти через объект исследования большой протяженности, что приводит к необходимости применения дополнительных модулей питания, увеличения габаритов устройства либо к установке большего количества датчиков на обсадной колонне, что, в свою очередь, приводит к удорожанию конструкции прибора и скважины, создает дополнительные трудности при проведении технологических операций и креплении скважины.

3) Фиксация выполнена хомутами, что дает риск смещения оборудования.

Предложенная система направлена на устранение недостатков известных решений.

Задачей настоящего изобретения является определение трещин в цементном камне в режиме реального времени, а также контроль состояния цементного камня в процессе эксплуатации скважины.

Техническим результатом изобретения является возможность определения с высокой точностью состояния цементного камня и большого количества геометрических параметров трещины, а именно азимута, длины, средней ширины раскрытия, высоты (интервала раскрытия) непосредственно в процессе эксплуатации скважины, отслеживания напряженного состояния цементного кольца во времени, контроля динамики развития трещин.

Технический результат достигается тем, что система многоканального акустического мониторинга состояния цементного камня в затрубном пространстве скважины, включает блок приема данных, расположенный на дневной поверхности земли, связанный проводной связью с блоком передачи данных, расположенным в скважине и соединенным беспроводной связью с по меньшей мере одной парой блоков источник-приемник акустического сигнала, размещенных соответственно внизу и вверху наружной поверхности обсадной трубы, причем пара блоков источник-приемник акустического сигнала включает, по меньшей мере, одну пару устройств излучения и приема акустического сигнала, каждое устройство из пары устройств излучения и приема акустического сигнала встроено в центрирующий элемент, выполненный из верхней крышки, корпуса и нижней крышки-втулки.

- устройство излучения акустического сигнала содержит датчик излучения акустического сигнала, генератор сигнала, микропроцессорный вычислитель, аккумулятор и блок передачи данных.

- устройство приема акустического сигнала содержит датчик приема акустического сигнала, генератор сигнала, микропроцессорный вычислитель, аккумулятор и блок передачи данных.

- датчик излучения или приема акустического сигнала является пьезокерамическим датчиком. Пьезокерамические датчики представляют собой раздельные контактные пьезопреобразователи.

- корпус центрирующего элемента содержит ребра, во внутренние полости которых установлены генератор сигнала, микропроцессорный вычислитель, аккумулятор и блок передачи данных.

- в верхней крышке центрирующего элемента выполнены отверстия для размещения датчиков излучения или приема акустического сигнала.

- верхняя крышка запрессована в корпус центрирующего элемента.

- система выполнена с возможностью регистрации амплитуды сигнала, амплитуды и частотного положения спектральных составляющих сквозного сигнала, времени пробега волны, построения карт изменения качества цементного камня, отображения материала затрубного пространства, отображения состояния затрубного пространства и акустического импеданса.

Заявленная система поясняется фигурами:

Фиг. 1 - система многоканального акустического мониторинга состояния цементного камня в затрубном пространстве скважины,

Фиг. 2 - общий вид центрирующего элемента,

Фиг. 3 - поперечный разрез центрирующего элемента,

Фиг. 4 - вид верхней крышки центрирующего элемента,

Фиг. 5 - схематическое расположение датчиков излучения и приема относительно цементного камня.

Система многоканального акустического мониторинга состояния цементного камня в затрубном пространстве скважины включает блок приема данных 1. расположенный на дневной поверхности земли, связанный проводной связью 2 с блоком передачи данных 3, расположенным в скважине и соединенным беспроводной связью 4 с по меньшей мере одной парой блоков источник-приемник акустического сигнала 5, включающими, по меньшей мере, одну пару устройств излучения 6 и приема 7 акустического сигнала. Пара блоков источник-приемник размещены соответственно внизу и вверху наружной поверхности обсадной трубы 8 (фиг. 1). Каждое устройство (6, 7) из пары устройств излучения 6 и приема 7 акустического сигнала встроено в центрирующий элемент 9, выполненный из верхней крышки 10, корпуса 11 и нижней крышки-втулки 12 (фиг. 2).

Устройство излучения 6 акустического сигнала содержит датчик излучения 13 (фиг. 5) акустического сигнала, генератор сигнала, микропроцессорный вычислитель, аккумулятор и блок передачи данных, условно показанные позицией 14 на фиг. 3. Устройство приема 7 акустического сигнала содержит датчик приема 15 (фиг. 5) акустического сигнала, генератор сигнала, микропроцессорный вычислитель, аккумулятор и блок передачи данных, условно показанные позицией 14 на фиг. 3. Датчик излучения 13 или приема 15 акустического сигнала является пьезокерамическим датчиком. Корпус 11 центрирующего элемента 9 содержит ребра 16, во внутренние полости которых установлены генератор сигнала, микропроцессорный вычислитель, аккумулятор и блок передачи данных, условно показанные позицией 14 на фиг. 3. В верхней крышке 10 центрирующего элемента 9 выполнены отверстия 17 (фиг. 4) для размещения датчиков излучения 13 или приема 15 акустического сигнала. Верхняя крышка 10 запрессована в корпус 11 центрирующего элемента 9. Система выполнена с возможностью регистрации амплитуды сигнала, амплитуды и частотного положения спектральных составляющих сквозного сигнала, времени пробега волны, акустического импеданса, построения карт изменения качества цементного камня 18, определения материала затрубного пространства и состояния затрубного пространства.

При реализации системы требуется применение пары устройств излучения 6 и приема 7 акустического сигнала, размещенных соответственно вверху и внизу обсадной трубы 8. Создаются колебания пьезокерамического датчика излучения 13, акустические колебания распространяются вдоль цементного камня 18, на приемном пьезокерамическом датчике 15 получают сигнал.

Монтаж устройств организуется на рабочей площадке буровой установки. Устройства 6 и 7, встроенные в центрирующий элемент 9, фиксируются на трубах 8 обсадной колонны с помощью стопорных колец. Дальше обсадная колонна с устройствами 6 и 7 спускается в скважину. После установки обсадной колонны и ее цементирования, осуществляют спуск и установку блока передачи данных 3, который осуществляет связь между блоком источник-приемник акустического сигнала 5 и блоком приема данных 1, который расположен на дневной поверхности земли, передает управляющие сигналы и принимает данные. Спуск блока передачи данных 3 осуществляют одновременно с УЭЦН при вводе скважины в эксплуатацию.

Система применяет теневой метод исследования крепи скважины, что дает возможность использовать блоки источник-приемник акустического сигнала 5 автономно и получать информацию о крепи скважины.

Совмещение в блоке источник-приемник акустического сигнала 5 технологических и конструктивных особенностей неразрушающего метода контроля дефектоскопии и геофизики для оценки качества герметичности затрубного пространства акустическим методом и системы непрерывного мониторинга, основанной на оптоволоконной технологии, позволяет оценивать физические свойства цемента, как на этапе раствора, так и на этапе цементного камня.

За счет многоканального акустического контроля посредством анализа сквозных сигналов при использовании раздельных датчика излучения 13 и датчика приема 15 (фиг. 5) акустического сигнала, располагающихся в крышках устройства излучения/приема по разные стороны контролируемой области, регистрируются следующие данные: амплитуда сигнала, амплитуда и частотное положение спектральных составляющих сигнала, затухание волны, время пробега волны, акустический импеданс, а также строятся карты изменения качества цементного камня, определяются материал затрубного пространства (твердый, жидкий, газообразный) и состояние затрубного пространства (однородное, неоднородное).

Полученные от блоков источник-приемник акустического сигнала 5 данные по беспроводному каналу связи 4 передаются в блок передачи данных 3. От блока передачи данных 3 по проводному каналу связи 2 данные поступают на поверхность к блоку приема данных 1. После передачи данные в специальной программе расшифровываются и обрабатываются, строятся графики, проводится анализ, на основании которого делаются выводы о состоянии цементного камня и объекте.

Система многоканального акустического мониторинга состояния цементного камня в затрубном пространстве скважины обеспечивает контроль крепи скважины и оперативное реагирование при изменении целостного состояния цементного камня без остановок и глушения скважин.

Изобретение относится к области бурения и заканчивания скважин. Настоящее изобретение относится к мониторингу состояния цементного камня за обсадной колонной, основанному на принципе использования пар датчиков источник/приемник акустического сигнала. Дополнительно относится к передаче данных по затрубному и внутритрубному пространству скважины. Предложена система, которая включает блок приема данных, расположенный на дневной поверхности земли, связанный проводной связью с блоком передачи данных, расположенным в скважине и соединенным беспроводной связью с по меньшей мере одной парой блоков источник-приемник акустического сигнала, размещенных соответственно внизу и вверху наружной поверхности обсадной трубы. Причем пара блоков источник-приемник акустического сигнала включает по меньшей мере одну пару устройств излучения и приема акустического сигнала, каждое устройство из пары устройств излучения и приема акустического сигнала встроено в центрирующий элемент, выполненный из верхней крышки, корпуса и нижней крышки-втулки. Техническим результатом изобретения является возможность определения с высокой точностью состояния цементного камня и большого количества геометрических параметров трещины, а именно азимута, длины, средней ширины раскрытия, высоты (интервала раскрытия) непосредственно в процессе эксплуатации скважины, отслеживания напряженного состояния цементного кольца во времени, проведения контроля динамики развития трещин. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система многоканального акустического мониторинга состояния цементного камня в затрубном пространстве скважины, включающая блок приема данных, расположенный на дневной поверхности земли, связанный проводной связью с блоком передачи данных, расположенным в скважине и соединенным беспроводной связью с по меньшей мере одной парой блоков источник-приемник акустического сигнала, размещенных соответственно внизу и вверху наружной поверхности обсадной трубы, причем пара блоков источник-приемник акустического сигнала включает по меньшей мере одну пару устройств излучения и приема акустического сигнала, каждое устройство из пары устройств излучения и приема акустического сигнала встроено в центрирующий элемент, выполненный из верхней крышки, корпуса и нижней крышки-втулки.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что устройство излучения акустического сигнала содержит датчик излучения акустического сигнала, генератор сигнала, микропроцессорный вычислитель, аккумулятор и блок передачи данных.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что устройство приема акустического сигнала содержит датчик приема акустического сигнала, генератор сигнала, микропроцессорный вычислитель, аккумулятор и блок передачи данных.

4. Система по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что датчик излучения или приема акустического сигнала является пьезокерамическим датчиком.

5. Система по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что корпус центрирующего элемента содержит ребра, во внутренние полости которых установлены генератор сигнала, микропроцессорный вычислитель, аккумулятор и блок передачи данных.

6. Система по п. 2 или 3. отличающаяся тем, что в верхней крышке центрирующего элемента выполнены отверстия для размещения датчиков излучения или приема акустического сигнала.

7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что верхняя крышка запрессована в корпус центрирующего элемента.

8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью регистрации амплитуды сигнала, амплитуды и частотного положения спектральных составляющих сквозного сигнала, времени пробега волны, акустического импеданса, построения карт изменения качества цементного камня, определения материала затрубного пространства и состояния затрубного пространства.