Способ определения параметров акустического зонда для контроля цементирования нефтегазовых скважин Советский патент 1981 года по МПК G01V1/40 

Изобретение относится к промыслово-геофизическим исследованиям скважин и может быть использовано при акустическом каротаже для оценки качества цементирования нефтегазовых скважин. Известен способ определения размеров акустического зонда, основанный на экспериментальном выборе его длины из условия регистрации отраженной волны. Расстояние между ближ ним приемником и излучателем такого зонда менее 30 см tl. Недостатком такого способа являет ся то, что среди критериев выбора его размеров отсутствуют показатели (ффективности при вьщелении различ- ных типов депектов цементирования. Критерием выбора такого малого зонда служит условие возможности регистрации отраженной волны для определенного диаметра необсаженпой скважины Известен также способ выбора трех элементного зонда из условия уменьт шения влияния ошибки измерений путем образования разностных величин из показаний двухэлементных зондов, имеющих сближенные одноименные преобразователи. Особенностью этого способа является то, что повышение вертикальной дифференциации показаний и уменьшение ошибки измерений достигают максимально возможным сближением , одноименных преобразователей, а рас- стояние между разноименными npeqgразователями оставляют большим для сохранения достаточной величины дифференциации регистрируемых амплитуд 2. Недостатками зондов, выбранных таким способом, являются уменьшение чувствительности к дефектам в цементе в случае их малой протяженности, а также искажение вертикальных размеров изучаемых неоднородцостей цемента и появление ложных аномалий в связи с влиянием на амплитуды, регистрируемые в интервале разностного эан- 3 да, свойств цементного -кольца, расцо ложенного вне нределов зонда. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ выбора длины зонда для акустичес кого цементомера, основанный на изме рениях амплитуд продольных волн на моделях зацементированной колонны пр различных расстояниях между преобраз вателями. В этом случае размер зонда выбирают из условия падения амплитуд продольной волны, регистрируемых на модели зацементированной колонны, до -уровня аппаратурных шумов, т.е. не менее чем в 10 раз. Указанное паден амплитуд продольной волны определяют при этом по графикам их зависимости. от угловой раскрытости вертикального канала, образуемого путем выпиливания части цементного кольца на модели зацементированной колонны. Этот способ предполагает введение какоголибо ограничительного критерия, дает при вышеуказанном условии в качестве оптимального размер зонда порядка 2,5 м f3j. Недостаток способа заключается в том, что он применим только для одно го типа дефекта цементного кольца и не позволяет обосновать возможность более высокой вертикальной (по стволу сквалсины) дифференциации различных неоднородностей цементного кольца. Целью изобретения является повьше . ние точности исследовании путем выбо ра зонда, обеспечивающего повышение детальности исследований различных неоднородностей цементного кольца (двух типов неоднородностей). При этом под детальностью исследо ваний понимают вертикальную дифферен циацию амплитуд AI(количество неоднородностей цемента, вьщеленных в единице длины скважины), характеризуемую разрешающей способностью зонда по стволу скважины, а увеличение детальности достигается уменьшением длины зонда. Резкость (контрастность вьщеления любой неоднородности харак теризуется коэс})фициентом дифференциации (относительньм изменением) амплитуд на ней (например отношением максимальной амплитуды в свободной колонне к амплитуде в интервале- наличия цемента). Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения параметров акустического зонда для .4 контроля цементирования нефтег-азовых скважин, основанному на измерении амплитуд продольных волн в кс лонне с задангалм поперечным размером дефекта цементирования и при различных расстояниях между преобразователями, измерения амплитуд Л, продольных волн производят на нескольких частотах излучения и на различных расстояниях между преобразователями на двух моделях: на ступе Ш, имитируюш;ей изменение кольцевого зазора между колонной и цементом в диапазоне 0-100 мкм, и на ступени свободная колонна - цементное кольцо, сцепленное с колонной. Затем определяют коэффициенты дифференциации амплитуд, полученных для обоих типов ступеней, строят соответствующие пары зависимостей найденных коэффициентов дифференциации амплитуд от длины зонда для различных частот излучения, и длину зонда выбирают из условия равенства указанных коэф(;)ициентов дшЬференциации амплитуд для различных ступеней на одной частоте излучения, позволяюпщей обеспечить наименьшее допустимое для изучаемых условий значение коэффициента дис1)ференциа1,ии. На фиг. 1 приведены графики зависимостей коэффициентов дифференциации амплитуд от длины зонда для различных частот излучения и типов неоднородностей цементного кольца; на фиг. 2 - области объемных и объемно-контактных дефектов на фоне схематических зависимостей коэффициентов дифференциации от длины зонда. Способ осуществляется следующим образом. При различных расстояниях между преобразователями и частотах излучения производят измерения амплитуд продольных волн по колонне для следующих основных типов неоднородностей цементного кольца: 1) ступень цементное кольцо, сцепленное с ко|Лонн6й,-свободная колонна и 2) ступень кольцевого зазора между колонной и цементным кольцом в диапазоне 0-100 мкм. Затем для каждого из указа«нных двух типов ступеней, частоты излучения и длины зонда определяют коэффициенты дифференциации амплитуд. Для ступени первого типа коэффициент дифференциации определяется как отношение максимальных амплитуд в свободной колонне к амп;п тудам в интервале цементного кольца, сцеп5ленного с колонной, а для ступени второго, типа коэффициент дифференциа ции определяют как отношение максимальных амплитуд при кольцевом зазоре 100 мкм к амплитудам при нулевом зазоре. Модель ступени первого типа имитирует неоднородность цементного кольца, связанную с переходом от пре дельно плохого цементного кольца (свободная колонна) к идеальному цементному кольцу и содержит соответствующие два участка колонны, имеющих протяженности не меньшие длин изучаемых зондов. Модель ступени вто рого типа имитирует неоднородность, связанную с переходом от раскрытости зазора между цементным кольцом и колонной 100 мкм к нулевой раскрытости зазора, и также содержит два учас ка колонны с раскрытостью указанного зазора соответственно 100 и О мкм Названные неоднородности являются наибод е распространенными в практике, соответствующие коэффициенты дис ференциации характеризуют чувствительности зонда к отсутствию цементного камня и к наличию зазора между цементом и колонной и могут служить. наиболее важными показателями качестна зонда. Для создания условий, при которых предполагается проведение скважинных исследований, в указанных натурных мо делях используют цементы, прочность которых соответствует применяемым в скважинах района предполагаемых исследований. Для исключения влияния размеров излучаемых неоднородностей цементного кольца их протяженности н модели делают заведомо большими любого из размеров применяемых зондов Раскрытость кольцевого зазора в 100 мкм выбрана в связи с тем, что кольцевые зазоры такого порядка обы ны в скважинах и являются минимальными, при которых на участках протяженностью несколько метров под действием перепадовдавления до 10кгс/с могут возникать заколонные перетоки с расходом такого же порядка, как и при объемных вертикальных каналах, вьщеляемых стандартными методами в области малых значений амплитуд Ац. Затем для выбранных двух типов неоднородностей (ступеней) цементно го кольца строят пары зависим рстей найденных коэффициентов дифференциации длины зонда при различных частотах излучения (в данном случае измерения проведены для частот 50 и 28 кГц). На фиг. 1 обозначено: 1 и 2 - коэффициенты дис к еренциации для ступени цеметное .кольцо, сцепление с колонной, - свободная колонна для частот излучения 50 и 28 кГц соответственно, 3,4 - коэ(Ъ(1)ициенты дифференциации для ступени кольцевого зазора между колонной и цементом в диапазоне 0-100 мкм для частот излучения 50 и 28 кГц соответственно. Характер полученных графиков следующий. Коэффициенты дифференциации амплитуд на указанных ступенях цементного кольца (1 и 2.на фиг. 1) и кольцевого зазора (3 и 4 на фиг.) возрастают с увеличением размера зонда, однако, поскольку это возрастание происходит с различной скоростью, то на показания зо1ода произвольной длины существенно различно влияют неоднородности указанных двух типов. Это приводит к невозможности однозначной оценки ни типа изучаемой неоднородности, ни ее поперечного размера (даже-при наличии показаний двух зондов). В связи с этим исключают влияние типа неоднородности (дефекта) цементного кольца, для чего рассматривают пару графиков, полученных для указанных двух ступеней, при какойлибо одной частоте излучения, и размер зонда выбирают таким, который соответствует точке пересечения графиков коэффициентов дифференциаций для ступени цементного кольца и для ступени кольцевого зазора при одинаковой частоте излучения (например при 28 кГц см, точку А на пересечении графиков 2 и 4 на фиг. 1), т.е. соответствующую условиям, при которых чувствительность зонда к отсутствию цемента и к наличию кольцевого зазора между цементом и колонной более 100 мкм одинакова. Затем рассматривают пересечение другой пары графу1ков для указанных стзгпеией при измененной частоте излучения (см. например точку AQ на фиг. 1 для частоты 5 кГц) , и так далее. Каждому из рассмотренных пе- . ресечений соответствует зонд, имеющий определенную длину (отсчитываемую по оси абсцисс, например, по фиг.1) и частоту излучения (определяемую по шифру соответствующей пары графиков, например, на фиг, 1 для пары и 3 - шифр 50 кГц, для пары 2,428 кГц). Из всех определенных таким образо сочетаний длин зондов и частот излучения выбирают такое, которое обеспечивает наименьшую длину зонда, поз воляющую, соответственно, получить наибольшую вертикальную детальность исследований (наибольшую дифференцируемость неоднородностей по стволу скважины). При этом коэффициент дифференциации амплитуд должен быть не .менее 2. Например, при условиях фиг. 1 должен быть выбран зонд, определяемый точкой АП (длина зонда 0,35 и, частота излучения 5 кГц), как обеспечивающий относительно наибольшую вертикальную детальность исследований при сохранении коэффициента дифференциации амплитуд не менее 2. Выбор указанного наименьшего коэф фициента дифференциации амплитуд обусловлен необходимостью выделения не менее чем двух градаций (состояний) цементного кольца. Большее коли чество градаций не является необходимым, поскольку возможную изоляцию заколонкого пространства на изучавмом интервале принято оценивать дискретно (изоляция надежная, или отсутствие изоляции), меньшее количес во градаций медостяточно в связи с необходимостью оценивать в практике приближенные величины раскрытости дефектов цементного кольца (например, большие некоторой величины) Кроме того, выбор указанного наи меньшего коэффициента дифференциации обусловлен и практически достигаемой погрешностью измерения ампли туд (+0,15 от максимальной). Так, э соответствии с принятьми критериями обработки наблюдений вьщеление одной градации с достоверностью 0,99 возможно только за пределами тройно ошибки измерений и обеспечивается п коэффициенте дифференциации амплиту не меней ,45-, выделение двух града ций - не менее . Применение выбранного указанным способом зонда в сочетании с зондом относительно большой длины (наприме длиной 1,5 м), выбранного из сообра жений максимально полного использования динамического диапазона серий ной наземной аппаратуры, позволяет оценивать по соотношению соответств ющих ам1шитуд волн по колоусне характер дефектов цементного кольца (гм. фиг. 2). На фиг. 2 обозначено: 5 и 6 - схематические зависимости коэффициентов дифференциации от длины зонда, соответственно для ступени цементное кольцо, сцепленное с колонной - свободная колонна и для ступени кольцевого зазора в диапазоне 0-100 мкм при частоте излучения 50 кГц; 7 и 8 - области соответственно объемных и объемно-контактных дефектов. Положительный эффект от применения зонда, параметры которого определены вошгеописанным способом, заключаются в том, что зонд с выбранным сочетанием параметров позволяет выделять с равной точностью два основных типа неоднородностей цементного кольца (лри изменении одного из парамет- ров равенство чувствительности к указанным типам неоднородностей нарушается) ; указанный зонд позволяет получить наименьшие искажения регистрируемой протяженности кор)тких дефектов при сохранении достаточной для практики дифференциации амплитуд Л| как в случае предельно больших дефектов, так и при средних значениях угловой и радиальной раскрытости их; отсутствие влияния характера основных типов дефектов цемента на коэффициент дифференциации позволяет использовать его показания в качестве опорных практически в любом интервале скважины; сопоставление Показаний с соответствующими показаниями по большому зонду в одном интервале исследований дает возможность определить характер дефекта цементного кольца с высокой надежностью (см. фиг. 2 в области 7 - объемные дефекты, в области 8 объемно-контактные), поскольку использование показаний малого зонда в качестве опорных позволяет исключить влияние прочности тампонажного материала даже при отсутствии участков бездефектного цементирования; применение выбранного зонда позволяет выделять на интервале большого зонда не менее трех вертикальных градаций неоднородностей цементного кольца. Такая детализация является важной, поскольку практическое значение имеет не только качеггво цемента в выделенных по вертикали неоднородностях, но и порядок расположения различных неоднородностей цемента в интервале между объектом испытания и ближай::1им соседним пластом, так как от этого поряд ка зависит состояние изоляции объакта после перфорации и при испытании. Зонд, параметры которого определены по данному способу, реализуетс в скважинной аппаратуре диаметром 36-42 мм при основной частоте излучения 45 кГц. Опробование аппаратуры в скважинных условиях показывает ее эффективность при определении вертикальной структуры дефектов цементирования и вьщелении участков хорошего цейента малой протяженности, обеспечивающих разобщение пластов на изучаемом интервале плохого цементирования, а также высокую чувствительность к кольцевым зазора при вьщелении интервалов, сооб1цающихся по заколонному пространству под действием больших перепадов давления.. Формула изобретения Способ определения параметров акустического зонда для контроля цементирования нефтегазовых скважин основанный на измерении амплитуд пр дольньрс волн в колонне с заданным поперечным размером дефекта цементи рования и при различных расстояниях между преобразователями, о т л и чающийся тем, что, что, с целью повьшерия точности контроля, измерения амплитуд А продольных волн произволят, по крайней мере, на двух частотах излучения на двух модулях: на ступени, имитирующей изменение кольцевого зазора между колонной и цементом в диапазоне 0-100 мкм, и на ступени свободная колонна - цементное кольцо, сцепленное с колонной. Затем определяют коэффициенты дифференциации амплитуд для обоих типов ступеней, строят соответствующие пары зависимостей найденных коэффициентов дифференциации амплитуд от длины зонда для нескольких частот излучения, и длину зонда выбирают из. условия равенства указанных коэффициентов дифференциации амплитуд для различных ступеней на одной частоте излучения, позволяющей обеспечить наименьшее допустимое для данных условий значение коэффициента дифференциации . . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США.К 3102992, кл. 340-18, опублик. 1971. 2.Авторское свидетельство СССР К 424099, кл. G 01 V 1/40, 1973. 3.Гулин Ю.А., Бернштейн Д.А., Прямов П.А. и Райов Б.1Ь- Акустические и радиометрические методы определения качества цементирования нефтяных и газовых скважин. М., Недра, 1971, с. 65-75 (прототип).

9цг. 1