Способ акустической профилеметрии скважин Советский патент 1983 года по МПК G01V1/44 E21B49/00 

1

Изобретение относится к области промыслово-геофизических исследований в скважинах и предназначено для изучения технического .состояния колонны обсадных труб и открытого ствола скважины.

Известные способы акустических измерений дальностей эхо-методом основаны на определении интервального времени распространения упругих колебаний между моментами излучения и приема ультразвукового импульса. По известной скорости распространения ультразвука в среде акустического ;тракта временные интервалы пересчитывают в дальности.

Так, в известном способе, осно;ванном на сканировании ультразвуковыми импульсами стенки заполненной жидкостью скважины, измеряют времена распространения ультразвука от излучателя до отражающих участков сканируемой поверхности и., полагая извест НОЙ скорость распространения ультразвука, вычисляют искомые дальности, в том числе средние значения диаметров скважины в выбранных секторах наблюдаемых ее сечениях и регистрируют полученные результаты изме-. рений в виде диаграмм горизонтальных или вертикальных профилей сечения ij.

Указанный способ обладает невысо10кой точностью измерения дальностей, которая обусловлена предположением, что скорость ультразвука в промывочной жидкости известна в интервале исследований. Поскольку значения

15 скорости обычно неизвестны и зависят от составе промывочнхэй жидкости, а также термобарических условий в скважине, постольку известный способ не может быть использован при количе20ственной интерпретации получаемых результатов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измере9ния диаметра скважиньк (профилеметрии скважин), основанный на сканировании ультразвуком стенки заполненной жидкостью скважины и измерении времени Т распространения ультразвука до i-ых отражающих уча.стков поверхности стенки, а, также определеНИИ скорости ультразвука в скважинной жидкости по времени ДТ прохождения ультразвуком фиксированного расстояниями между двумя акустическими преобразователями (или отражателями) , расположенными на известных расстояниях L, и L от. неподвижного излучателя датчика скорости. По известной скорости ультразвука в жидкости .временные интервалы пересчитываются в дальности, которые используют для построения профилеграмм (или кавернограмм) ствола скважины . Указанный способ обладает следую щими недостатками. Акустический трак по сканирующего излучателя до стенки скважины представляет собой трехслойную среду, состоящую из масла, заполняющего отсек с акустическим датчиком резины, изолирующей его от скважинной среды и промывочной жидкости. Поэтому измеряемые времена распространения эхо-сигналов в неодно1эодной среде сложным образом зависят от акустических параметров упомянутых сред, а также термобарических условий в скважине. При условии, когда акустический путь ультра звука в масле и резине оказывается соизмеримым с длиной акустического пути в промывочной жидкости, исполь зование скорости ультразвука в промы вочной жидкости для вычисления акустического пути эхо-сигналов привод к большим погрешностям и неоднознач ной интерпретации результатов измерений. Например, при исследовании большинства .скважин, бурящихся на нефть и газ, с номинальными диаметрами 125-300 мм, используютоскважин ные приборы с наружным диаметром око ло 100 мм. Длина акустического пути в этих случаях, от скважинного прибора до стенки скважины может соста вить 125-200 мм. Обычно, из соображений эксплуатационной надежности, толщину резиновой трубы выбирают ра ной -5 мм, а слой масла между преобразователем и,резиной в зависимости от конструкции акустического да чика может составить 5-10 мм при размещении преобразователя по оси скважинного прибора или вблизи резиновой трубы соответственно. Из сказанного следует, что скорость ультразвука в акустическом тракте сканирующего преобразователя может значительно отличаться от скорости в промывочной жидкости, особенно при исследованиях скважин малого диаметра. Поэтому известный способ позволяет судить лишь о форме наблюдаемых сечений (или диаметров) скважины и не может быть использован для однозначной количественной оценки его размеров и наблюдаемых нарушений. Кроме того, известный способ обладает большой информативной избыточностью передаваемых и регистрируемых сообщений о временах распространениях- эхо-сигналов, обусловленной формированием первичнойинформации ненормализованной структуры, ограничивающей возможность его комплексирования с другими геофизическими Методами исследований, например с акустическим видеокаротажом, при котором резко возрастают требования обогащения передаваемой информации. Возникновение избыточности легко понять при представлении сообщения Т I в виде двух составляющих: , (О где Т постоянная составляющая, характеризующая расстояние от излучателя до цилиндрической поверхности скважины с нормальным диаметром (в дальнейшем номинальным профилем сечения); переменная составляющая, характеризующая дефекты номинального профиля сечения. Поскольку величина Tj несет информацию о номинальном диаметре скважины, значение которого, обычно, известно, она является избыточной в сообщении Tj , так как не добавляет информации. К недостаткам способа следует также отнести отсутствие метрологического обеспечения и средств контроля результатов измерений, снижающих эффективность способа при исследованиях технического состояния ствола скважины. Цель изобретения - повышение томности и метрологическое обеспемение измерений. Поставленная цель достигается Тем, что согласно способу акустической профилеметрии скважин, основанному на сканировании ультразвуком стенки заполненной жидкостью .скважины и измерении времени J расг пространения ультразвука до i-x отражающих участков поверхности стенки, а также на определении скорости ультразвука в скважинной жидкости по времени ДТ прохождения ультразву ком фиксированного расстояния Д1 меж ДУ двумя акустическими преобразователями. (или отражателями)j расположенными на известных расстояниях L/f и неподвижного излучателя датчика скорости, размещают оба преобразователя на одинаковых расстояниях от оболочки скважинного прибора, устанавливают значение L-j равным расстоянию от сканирующего излучателя до условной цилиндрической поверхности скважины номинального диаметра, измеряют интервальные времена Д.,-Тц пробега ультразвуком зазоров по i-й направлениям сканирования Между номинальным и фактическими диаметрами скважины, форми руют сигналы временных меток дальности с периодом следования ДТ, и Т,, и используют их как масштабные единицы, дальностей для калибровки аппаратуры, установки масштаба записи - информации, разметки профилеграммы, измерения зазоров АХ в единицах дЧ. а также контроля результатов измерений. На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство. В акустическом Отсеке 1, изолированном от промывочной жидкости 2 резиновой трубкой 3 и заполненном маслом i размещают вращающийся воКРУГ оси скважинного прибора 5 ультразвуковой преобразователь 6, сканирующий стенку 7 скважины, и непядвижный преобразователь 8 датчика скорости, облучающий через зеркало 9 отра жатели 10 и 11, причем длины L и Lj акустических путей от излучателя до отражателей могут устанавливаться п ред спуском прибора в скважину. Оба преобразователя работают в совмещенном режиме (передача-прием) и расположены на равных расстояниях от .резиновой трубки 3. Поэтому на равных участках акустических трактов от преобразователей 6 и 8 интерваль- . ные времена распространения ультразвука также одинаковы. .Используя.это условие, устанавливают длину акустического пути L, равной акустическому пути Хц от сканирующего преобразователя 6 до условной цилиндрической поверхности 12, образованной скважиной с номинальным диаметром и принимают, что интервальные времена Тц и Т| между моментами излучения зондирующих импульсов преобразователями 6 и 8 и приема эхо-сиг;Налов, отраженных от поверхностей :12 и отражателя 11 соответственно, равны между собой, . .По1этому интервальные времена Т сигналов дальностей между моментом излучения сканирующего импульса и моментом приема его от i-ro отражающего участка стенки 7 скважины можно представить в виде гдеЛТ - время прохождения ультразвуком зазора Д X между поверхностью 12 и стенкой 7 (туда и обратно). Использование эталонной дальности , а также идентичностей акустических трактов на этих участках акустического пути позволяет представить искомые дальности X в виде двух слагаемых %.ь,,дт,-, (ъ) где скорость ультразвука в жидкости, независящих от вариации скорости ультразвука в масле и резине. Поэтому данный способ позволяет повысить точность профилеметрии .и однозначно судить как о форме, так и размерах наблюдаемых сечений скважины и нарушений ее ствола, а также расширяет область его использования, например метрологического обеспечения профилеметрии. Из чертежа следует, что благодаря размещению преобра зователей на одинаковых расстояниях от резиновой оболочки скважинного .прибора и идентичности акустических рред на этих участках (по их составу и протяженности), времена распространения ультразв-ука на равных расстояниях от излучающих плоскостей преобразователей равны друг другу. Принимая Lg равным известному расстоянию Х, от сканирующего пре- . образователя до условной цилиндрической поверхности скважины номинального диаметра, с учетом сказанного, можно записать, что ,, С4; где Т и Т, - времена пробега ультра звуком расстояний Хи и L/2. соответственно. Поэтому времена распространения ультразвуковых импульсов от сканирующего излучателя до i-х отражающих участков стенки скважины можно представить в вида . где Д.Т - интервальное время пробега ультразвуком зазоров по i-M направлениям сканирова ния между номинальным и фа тически наблюдаемым профилями сечений скважины. Уравнение (З) с учетом (4) соответствует уравнению.дальностей х;--Хн -дх ,-, U) где Х - искомые знамения дальностей от излучателя до i-x отража ющих участков породы, значения зазоров по i-м направлениям сканирования меж ду номинальным и наблюдаемым профилями сечения сква ЖИН1Ы. Из выражения Сб ) видно, что представление информации Xj в виде двух слагаемых, из которых одно можно имитировать при определенных уелоВИЯХ известным расстоянием L, а вто рое - зазором между номинальным и наблюдаемым профилями сечения сква жины, позволяет в принципе исключит влияние вариации скорости ультразву ка в промежуточных средах скважинно го прибора на результаты измерений дальностей,, По вычитании из (6) величины априорной информации L получим с уче том С5) уравнени.е дальностей со сня той избыточностью .дх. ) .представляющее собой существенную часть информации (6. Эту информацию могут использовать буровые и ге физические службы при подсчете . цемента, необходимого для запол нения пространства между обсадной колонной и породой при проведении тампонажных работ, оценке технического состояния ствола скважины, а также для коррекции искажений геофизической информации, обусловленных изменениями геометрии сечения скважины в функции глубины соответственно. Метрологическое обеспечение акустической профилеметрии по предлага-емому способу основано на возможности использования при выполнении Т(эебования выражения С) известного способа сравнения измеряемого параметра с эталоном. На участке акустического пути Х в качестве такого эталона используют известное интервальное время Т, . величину которого принимают постоянной в течение времени полного оборота сканирующего преобразователя. Каждый раз, начиная с момента излучения зондирующего импульса, сравнивают текущее значение времени распространение Т- с известным временем Т| и. при выполнении условия формируют маркерный импульс Тц, соответствующий моменту прохождения ультразвуком упомянутой поверхности, а также моменту начала отсчета 0 интервального времени Л . На участках акустического пути в качестве эталона принимаем интервальное время ДТ, величину которого также принимают постоянной в течение упомянутого времени обэора наблюдаемого данного сечения скважины. , (О) Из соотношения ДЬ - i.Tb полученного после преобразования ( , вытекает очевидная возможность количественной оценки зазоров ДХ, в единицах Д1 путем сравнения текущей информации ЛТ;; с эталоном дТ. Например, когда величина дТ,- принимает значения О, Д ,Д2ДТ1, абсолютные значения зазоров равны дальностям О, L, 2&U . .. Физически разделение акустического пути Х, на два участка и использование двух эталонов сравнения вызвано неоднородностью сред на этих участках (Хц иДХ1) средние скорости ультразвука в которых (л и ATj) могут существенно отличаться друг от друга. Поэтому подобное измерение может быть обеспечено только в случае, когда сравниваемые сигналы Т и Тц, ДТ; и дТ измерены в средах, имеющих одинаковую среднюю ско рость ультразвука. Так, сравниваемые интервальные времена (8) измерены в однородной среде (скважинной жидкости), а равенство средних скоростей в многослойной среде на равных участках обеспечено приве денными конструктивными требованиям к идентичности слоев и их протяженностям. Указанное соотношение (8) исполь зуют для калибровки профилемеррв при помощи поверочного устройства, представляющего собой трубу, внутренняя поверхность которой имеет, например, две соосно расположенные цилиндрические поверхности, различающиеся диаметрами на величину 2AL Принимая трубу меньшего диаметра в качестве условной цилиндрической поверхности скважины номинального д аметра с известным паспортным значе нием расстояния Хц , а трубу большого диаметра в качестве иммитатора каверны с известным паспортным значением расстояния Х ста на вливают расстояния AL датчика ск рости профилемера равными соответственно и проводят измерения профилей .-сечения внутренних поверх ностей труб согласно данно,му способ Если при измерении зазора трубы меньшего диаметра окажется, что измеренные интервальные времена Т.. и Х ДТ равны нулю соответственно, то установка отражающей мишени на расстоянии L проведена правильно. При измерении зазоров в трубе большего диаметра должно выполняться тр бование ДТ T . При несоответствии указанных требований проводят соответствующую переустановку мишеней, добиваясь указанных требований. Аналогичную калибровку можно проводить на поверочном устройстве, имеющем большее число упомянутых соосных цилиндрических полостей Из соотношения ( В ) также вытекает возможность определения зазоров (в единицах Д1) путем простого считывания информации ДТ,| по шкале эта лонных значений Д.Т при представлении профилеграммы в виде совокупности векторов ДТ, совмещенных по i-M направлениям сканирования и началам отсчетов интервальных времен со шкалой эталонных значений А Tj. Синтез такого изображения осуществляют известными способами, используя для этого электроннопучевые средства представления информации и регистрации изображения с экрана электроннолучевой трубки. Например, при координатном представлении профилеграммы в декартовой системе координат изображения информации и масштабной сетки с шагом ДТ, формируют в виде множества вертикальных точечно-столбиковых символов, размещенных на горизонтальной шкале i-x направлений сканирования, и шкалового растра в виде горизонтальных линий с шагом по вертикали, пропорциональным величине сигнала ДТ(. При отображении такой композиции в едином масштабеи выполНении условия совмещения; изображений и дТ по началам отсчетов интервальных времен на всех i-x направлениях сканирования, значения зазоров (в единицах ди) равны величинам точечно-столбиковых символов в единицах ДТ. При этом общая нулевая линия начал отсчетов интервальных времен ( иДТ1.0) в соответствии с условием выражения С 4), соответствует точному местоположению слеДа сечения упомянутой цилиндрической поверхности скважины плоскостью сканирования. Подобный способ отображения профилеграммы зазоров, а также шкалы дальностей с ценой шага, точно, равной акустической бaзeДL датчика GKO рости, используют для калибровки профилемера, оперативного контроля профилеметрии на скважине и выбора (установки).масштаба записи. При технической реализации способа используют известные способь передачи информации от скважинного прибора и наземной измерительной , измерения интервальных времен, хранения и регистрации результатов измерения этих времен, а также координатного отображения информации на экране электроннолучевого индикатора. В скважинном приборе формируют сигналы S{ О О 5ц, , соответствующие моментам начала кругового обзора сканирующим пр.еобразователем, излучения и приема ультразвуковых, импульсов, отраженных |иишениями и i-ми,отражающими участ,11 ками стенки скважины соответственно. Эти сигналы передают на поверхность методом разделения во времени: медленно меняющуюся информацию а ь и 51,2 передают один раз в на-у чале кругового обзора, а быстро меняющуюся SQ и..5 с частотой посылок сканирующих импульсов. В наземной панели измеряют ин тервальные времена Тц, Т д и ДТ и регистрируют их, в сопровождении с сигналами sjf и кода глубина и получают массивы, содержащие полную информацию для построения профи леграммы зазоров, калибровки профилемера и контроля результатов измерений. В качестве примера рассмотрим реализацию, возможности оперативной профилеметрии и контроля в процессе каротажа, используя известные способы и устройства электроннолучевых средств представления информации в декартовой системе координат. По служебным сигналам SQ у танав ливают электроннолучевой индикатор (эли) в исходное положение, при котором электронный луч фиксируют на левом нижнем участке экрана. Начиная с этого момента, каждый раз по сигналу маркерного импульса осуществляют равномерное горизонтальное шаговое развертывание луча ЭЛИ с фиксацией его положения и подсветкой I в момент остановки, в результате которого образуется горизонтальный точечный растр i-x позиций, соответствующих i-м направле ниям сканирования . Эта лимия, физически представляющая след сечения условной Цилиндрической поверхности плоскостью сканирования, является геометрическим местом точек нулевых значений интервальных времен и ATi . В моменты фиксации i-x позиций осуществляют развертывание электрон ного луча по вертикали и одновременно формируют сигналы меток дальностей с периодом .следования ДТ,, которые используют для подсветки лу ча ЭЛИ в моменты времени пдТ, {гд п - числа натурального ряда), форми руя тем самым точечный шкаловый рас на котором аналогичным образом фиксируют соответствующее i-й позиции сканирования значение интервального времени ЛТ4. 8 После прихода каждого очередного маркерного импульса Т,,. последовательность формирования шкалового. растра и отображения информации ДТ. повторяют др прихода сигнала S. После отображения всего информационного массива, принятого за время полного оборота преобразователя на экране ЭЛИ будет представлена композиция двумерного изображения шкалового растра в виде ряда горизонтальных линий с шагом между ними, равнымAL, совмещенного по 5-М напра.влениям сканирования, началам отсчетов интервальных времен и масштабу отображения с контурным изображением профилеграмм зазоров, Означения которых (в единицах AL) по -м направлениям сканирования получают простым считыванием информации шкаяе значений Л Tj . Подобное представление упомянутого массива информации является эффективным, и удобным средством контроля измерений, масштабирования профилеграмм, а также калибровки профилемеров. Таким образом, предлагаемый способ использования размерных и временных параметров датчика скорости позволяет значительно увеличить точность измерений, а также решить задачу метрологического обеспечения акустической профилеметрии в сква-жинах. Формула изобретения Способ акустической профилеметрии скважин, основанный на сканировании ультразвуком стенки заполненной жидкостью скважины и измерений времени Т распространения ультразвука до i-x отражающих участков поверхности стенки, а также на определении скорости ультразвука в скважинной жидкости по времени ATjj прохождения ультразвуком фиксированного расстояния Д1 Между двумя акустическими- преобразователями (или отражателями), расположенными на изв естных расстояниях Ц и Lv2 от неподвижного излучателя датчика скорости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и метрологического обеспечения измерений, размещают оба преобразователя на.одинаг ковых расстояниях от оболочки скважинного прибора, устанавливают зна