Способ оценки качества цементирования скважин

 

Использование: при геоакустических исследованиях качества цементирования обсаженных скважин. Сущность изобретения: возбуждение волн осуществляют с доминирующими частотами f₁ и f₂ определяемыми исходя из наиболее вероятных скоростей распространения поперечных волн в породе V_s и в цементе V_y, а также радиуса скважины R, толщины слоя h: f₁=aV_s/ΠR и f₂=QV_y/h где a и Q - безразмерные коэффициенты. При этом частоты излучают под вторым критическим углом соответственно для границы жидкость - цемент для f₂ и цемент - порода для f₁ Прием преломленных волн осуществляют в частотных диапазонах соответствующих f₁ и f₂ Качество цементирования определяют по соотношению амплитуд высокочастотной волны по цементу и низкочастотной поперечной волны по породе. При этом уменьшение последней и возрастание амплитуды высокочастотной волны по цементу свидетельствуют о наличии зазора между цементом и породой. 2 ил.

Изобретение относится к геоакустическим методам оценки качества цементирования обсаженных скважин.

Известен способ оценки качества цементирования скважин, основанный на возбуждении акустических волн в скважине и регистрации акустического сигнала в двух временных интервалах, начало одного из которых совпадает с первым вступлением продольной волны в незацементированной колонне. Для устранения неоднозначности оценок качества цементирования затрубного пространства в скважинах с многоколонной конструкцией длительность этого интервала регистрации ограничивают временем прихода продольной волны по второй колонне и она не должна быть больше двойной суммы времени пробега продольной волны через стенку внутренней колонны и цементное кольцо в межтрубном пространстве. Начало второго интервала регистрации устанавливают позднее относительно начала первого на величину, не меньшую, чем указанное двойное время. Качество цементирования колонны определяется величинами амплитуд волн в выделенных временных интервалах.

Этот способ может применяться только для установления качества сцепления обсадных труб с цементом, так как в основе его лежит использование продольных волн по колонне.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является общепринятый способ определения качества цементирования, использующий сравнение кинематических и динамических параметров волн по колонне и по породе (см. Интерпретация результатов геофизических исследований нефтяных и газовых скважин/Под ред. В. Н. Добрынина, с. 397-401).

Суть способа состоит в том, что, сравнивая амплитуды указанных двух волн, можно судить о состоянии границы цемент-колонна. Однако за исключением простейшего случая отсутствия цемента в затрубном пространстве, способ не позволяет судить о состоянии границы цемент-порода.

Цель изобретения состоит в повышении достоверности определения качества сцепления цемента с породой.

Цель достигается тем, что в скважине под определенными углами к ее стенке возбуждают акустические волны в определенных диапазонах частот, принимают преломленные волны в других точках скважины, путем частотной фильтрации и регистрации амплитуд в определенных временных интервалах определяют амплитуды высокочастотной волны по слою цемента и низкочастотной поперечной волны по породе и по их соотношению оценивают качество сцепления цемента с горной породой, причем увеличение амплитуды высокочастотной волны по слою цемента и уменьшение амплитуды низкочастотной поперечной волны по породе свидетельствуют о наличии зазора между цементом и породой.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники совокупность всех признаков, отличающих заявляемое изобретение от прототипа, выявлена не была и поэтому она обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена схема распространения волн в модели обсаженной зацементированной скважины; на фиг. 2 - пример реализации способа в скв. 5784 - Лянторского месторождения.

Способ осуществляется следующим образом.

Схема измерений представлена на фиг. 1.

Скважина с жидкостью 1, пробуренная в горной породе 2, обсажена металлической колонной 3 и зацементирована. Зазор между породой 2 и колонной 3 заполнен цементом 4. Контроль качества цементирования осуществляется акустическим зондом, спускаемым в скважину. Зонд включает излучатель И и ряд приемников, удаленных на определенное расстояние от излучателя по оси скважины. На фиг. 1 показано два приемника П1 и П2. Излучатель периодически излучает в скважину импульсы упругой энергии. В околоскважинной среде возникает целый ряд интерферирующих волн, которые распространяются вдоль скважины и регистрируются приемниками. Для реализации способа определения качества сцепления цемента с породой используется два типа волн.

1. Поперечная волна по породе. Распространяется по скважинной жидкости до колонны, проходит колонну и слой цемента и, преломляясь на границе цемента с породой, распространяется вдоль скважины в виде колебаний поперечной поляризации. Переизлучаемая в сторону скважины часть энергии этой волны, пройдя через слой цемента, колонну и скважинную жидкость, регистрируется приемниками. Наилучшее распространение поперечной волны происходит на частоте f₁= a×V_s/ΠR, где v_s- скорость поперечной волны в породе; R - радиус скважины; a = 0,8-1,3 - безразмерный коэффициент, зависящий от литологии горной породы. Частота f₁ представляет собой так называемую частоту среза поперечной волны в скважине, т. е. частоту, ниже и выше которой происходит резкое снижение амплитуды поперечной волны, распространяющейся вдоль ствола скважины.

2. Волна по кольцевому слою цемента. Распространяется по скважинной жидкости до колонны, проходит через нее и, преломившись на границе колонны с цементом, идет по слою цемента вдоль скважины. Переизлучаемая в сторону скважины часть энергии этой волны, пройдя через колонну и скважинную жидкость, регистрируется приемниками. По физике своего распространения - это волноводная волна с поперечной поляризацией, аналогичная волне Лэмба в упругом плоском слое. Найнизшая частота распространения волны Лэмба определяется по формуле f₂= Q×V_ц/h, где v_ц - скорость поперечной волны в слое; h - толщина слоя; Q = 0,5-1 - безразмерный параметр. Частота f₂ является критической частотой первой симметричной (при Q = 1) или первой антисимметричной (при Q = 0,5) волны Лэмба в твердом плоском слое. Применение этих формул для кольцевого слоя цемента в скважине возможно в первом приближении, поскольку соответствующая длина волны мала по сравнению с радиусом кривизны слоя цемента.

Предлагаемый способ оценки качества сцепления цемента с породой основан на том, что в случае плохого качества цементирования прохождение акустической энергии (особенно ее высокочастотной составляющей) через границу цемент-порода затруднено и наблюдается минимальная амплитуда поперечной волны по породе и максимальная - волны по слою цемента. В случае хорошего сцепления цемента с породой создаются наилучшие условия для прохождения энергии в породу, а волноводная волна по слою цемента затухает ввиду излучения ее энергии в массив горной породы, т. е. имеет место максимум амплитуды поперечной волны по породе и минимум амплитуды волны Лэмба по цементу.

Для улучшения условий выделения низкочастотной поперечной волны по породе и высокочастотной волны по слою цемента из интерференционного акустического сигнала необходимо производить импульсное возбуждение излучателя с доминиpующими частотами f₁ и f₂.

Эффективность реализации предлагаемого способа может быть повышена за счет применения скважинного излучателя с асимметричной в горизонтальной плоскости диаграммой направленности, что создает лучшие условия для возникновения сдвиговых деформаций в слое цемента и горной породе. Частотный диапазон излучения должен включать доминирующие частоты f₁ и f₂, причем изменения по разрезу величины v_s и приближенное значение величины v_ц и h требуются для того, чтобы по всему разрезу излучать доминирующие частоты f₁ и f₂ достаточной широкополосности излучателя, например, для реальных параметров нефтяных скважин f₁изменяется от 5 до 12 кГц, а f₂ лежит в пределах 30-60 кГц, причем направление излучения высокочастотной волны находится в области возможных двух критических углов для границ жидкость-цемент, определяемых по формуле δ = arcsin S/(0.5-1)V_s, где s - скорость звука в жидкости. Прием осуществляется на некоторых расстояниях от точки возбуждения широкополосным преобразователем, преобразующим акустический сигнал в электрический. Этот сигнал подвергается параллельно двум фильтрациям для исключения низкочастотных продольных и поперечных волн и для исключения высокочастотных волн по цементному кольцу. Оставшаяся после первой фильтрации сигнала соответствует энергии волн, распространяющихся по кольцевому слою цемента (аналог волны Лэмба в слое), по жидкости (гидроволна) и вдоль граничных с жидкостью поверхностей (волны Стоунли). После второй фильтрации сигнал соответствует разделенным во времени продольным и поперечным волнам. Амплитуду сигнала после первой фильтрации во временном окне, начало которого устанавливают по формуле t_н = r/(0.5-1)V_ц , где l - длина зонда, а конец - по формуле t_к = l/V_ж , где v_ж - скорость звука в промывочной жидкости. После второй фильтрации с помощью общепринятых систем выделяются продольные, поперечные и гидроволны и определяются их параметры. Параметр t_н представляет собой начало временного интервала, в котором можно увеpенно измерить волну по слою цемента. Время l/v_s дает момент вступления волны по цементу, а коэффициент (0,5-1) позволяет учесть влияние зоны интерференции поперечной волны по горной породе с волной по цементу, которое может варьироваться для различных геологических и технических условий.

Качество цементирования оценивают по соотношению амплитуды высокочастотной волны по цементу и низкочастотной поперечной волны по породе, причем возрастание амплитуды высокочастотной волны по цементу и уменьшение амплитуды поперечной волны свидетельствуют о наличии зазора между цементом и породой.

Для определения качества сцепления цемента с горной породой воспользуемся приемами согласно предлагаемому способу. Выбор исходных параметров следующий: R = 109 мм; v_s = 1700 м/с; v_ц = 1600 м/с; a = 1,3; b = 5 м; Q = 0,75; h = 34 мм. Пользуясь формулами, приведенными в описании изобретения, получаем значения: f₁ = 6,5 кГц; f₂ = 35,5 кГц; t_н= 3100 мкс; t_к = 3500 мкс. Далее, используя частотные фильтры, указанные в описании изобретения, во временном интервале t_н-t_к получаем параметры энергии сигнала. На фиг. 2 приведены зависимости энергий высокочастотной волны по слою цемента W_в (сплошная кривая) и низкочастотной поперечной волны по породе W_н (пунктирная кривая) от глубины. Кроме того, на фиг. 2 представлена кривая отношения энергий высокочастотной и низкочастотной волн W_в/W_н, по которой выделены интервалы глубин с хорошей, плохой и средней степенью связи цемента с породой. В данном примере использовались энергии волн; можно для тех же целей использовать их амплитуды.

Предложенный способ позволит предотвратить перетоки флюидов (затрубной циркуляции в зазоре между породой и цементом) и предотвратить экологические катастрофы при выходе углеводородов на поверхность и перетоков флюидов из нижележащих в вышележащие интервалы. (56) Авторское свидетельство СССР N 748316, кл. G 01 V 1/40, 1977.

Интерпретация результатов геофизических исследований нефтяных и газовых скважин. Под ред. В. Н. Добрынина. М. : Недра, 1985, с. 397-401.

Формула изобретения

СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН, включающий возбуждение акустических волн, прием в удаленных от точки возбуждения точках скважины преломленных акустических волн и оценку качества цементирования по амплитудам распространяющихся вдоль оси скважины волн, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности оценки качества сцепления цемента с породой, во внутренних точках скважины возбуждают волны с доминирующими частотами f₁ и f₂, определяемыми по формулам f₁= где v_s - наиболее вероятная скорость поперечной волны в породе; R - радиус скважины; a = 0,8 - 1,3 - безразмерный коэффициент, зависящий от литологии; f₂= где v_ц - наиболее вероятная скорость поперечной волны в цементе; Q = 0,5 - безразмерный коэффициент; h - толщина слоя цемента,
причем частоту f₂ возбуждают под вторым критическим углом для границы жидкость - цемент, а частоту f₁ - под вторым критическим углом для границы цемент - порода, после приема сигнал фильтруют в двух узких диапазонах частот, соответствующих частотам f₁ и f₂, а амплитуду сигнала по цементному кольцу определяют во временном окне, начало которого устанавливают по формуле
t_н=
где l - длина зонда,
а конец окна - по формуле t_к = l / v_ж,
где v_ж - скорость звука в промывочной жидкости,
причем качество цементирования оценивают по соотношению амплитуд высокочастотной волны по цементу и низкочастотной поперечной волны по породе исходя из того, что возрастание амплитуды высокочастотной волны по цементу и уменьшение амплитуды поперечной волны свидетельствует о наличии зазора между цементом и породой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2