Акустическая цементометрия

Акустическая цементометрия (АКЦ) основана на измерении характеристик волновых пакетов, создаваемых источником с частотой излучения 20-30 кГц, распространяющихся в колонне, цементном камне и горных породах.

Оценка качества цементирования обсадных труб в скважине основана на высокой чувствительности динамических параметров (амплитуда Ак, коэффициент затухания а) акустического сигнала (волны растяжение-сжатие), распространяющегося по колонне, к жесткости механического контакта на границе цементное кольцо-колонна и «прозрачности» данной системы по отношению к волне, проходящей через нее к породе и обратно.

При наличии дефектов (трещины, пузыри, каналы, зазоры) в цементном кольце «прозрачность» системы существенно снижается и сигнал из породы не регистрируется.

Информативными характеристиками метода являются:

  • Ак - амплитуда продольной волны, распространяющаяся по незацементированной колонне или обобщенная волна по колонне, цементному кольцу и горной породе ) в зацементированных интервалах;
  • ак - коэффициент затухания волны, распространяющейся по свободной колонне.

В качестве дополнительной информации регистрируют:

  • Ап - амплитуду волны, распространяющуюся по горной породе,
  • апк) - коэффициент затухания волны, распространяющейся по зацементированной колонне и горной породе,
  • • Af - интервальное время распространения волны в колонне (185-187 мкс/м), в случае свободной, незацементированной колонны;
  • At - интервальное время распространения продольной волны по колонне, цементному кольцу и породе, в зацементированных интервалах.

Фазокорреляционная диаграмма (ФКД) представляет собой волновое поле, развернутое в двух координатах: глубина - время.

ФКД получается путем выделения и высвечивания на экране осциллографа точек перехода сигнала через, нулевой (или любой заданный) уровень.

Точки, относящиеся к одинаковой фазе колебания, сливаются в одну линию фазовой корреляции.

ФКД дает информацию о кинематических особенностях всех типов волн, а также используется для контроля правильного срабатывания вычислительных блоков наземных приборов АКЦ.

«Свободная», незацементированная колонна

Рис. 2.33. «Свободная», незацементированная колонна

Сцепление цементного камня с колонной и породой в скважине, как правило, не происходит из-за глинистой пленки или корки на поверхности труб колонны и стенках скважины, поверхность обсадных труб обычно покрыта смазкой, окалиной, ржавчиной, лаком, что препятствует непосредственной связи цементного камня с металлом. Поэтому применительно к каждой из границ в затрубном пространстве введены следующие градации этого понятия: хороший (или жесткий) контакт, частичный и отсутствие.

«Свободная», незацементированная колонна (рис. 2.33): в пространстве между колонной и стенкой скважины может находиться невытесненный буровой раствор (цемент за колонной отсутствует) или несхватившийся цементный раствор, или зазор между цементным камнем и колонной более 50 мкм (отсутствие контакта), или разрыв сплошности цементного кольца на участке не менее длины зонда, а также наличие трещин и любых других дефектов в цементном кольце, препятствующих прохождению сигнала от измерительного зонда к горной породе и обратно и ослабляющих регистрируемый сигнал до уровня аппаратурных шумов.

В этом случае существует интенсивная продольная волна по колонне и поверхностные трубные волны. Остальные волны будут ослаблены из-за наличия нескольких границ перехода твердой в жидкую фазу и наоборот. Регистрируемое значение скорости будет практически постоянным и равным скорости волны в колонне:

или

ЛФК продольной акустической волны, распространяющейся по колонне, представлены в виде параллельных линий. Напротив муфтовых соединений наблюдаются конусообразные сдвиги ЛФК высокочастотного сигнала. Значения Ак максимальны и уменьшаются на муфтовых соединениях

Волнистость ЛФК в правой части и некоторое снижение амплитуды Ак свидетельствуют о том, что колонна в некоторых точках касается стенки скважины (рис. 2.34).

«Свободная» незацементированнная колонна в некоторых точках касается стенки скважины

Рис. 2.34. «Свободная» незацементированнная колонна в некоторых точках касается стенки скважины

Незацементированная колонна, как жестко прилегающяя к стенке скважины (А), так и не прилегающяя, показана на рис. 2.35.

Имеется непосредственная связь колонны с породой и часть акустической энергии распространяется по породе. Высокочастотный отраженный сигнал на участке Б указывает на отсутствие прилегания колонны к стенке скважины. Значения Ак увеличиваются до 0,8-0,9 от.ед.

- ПО-

Незацементированная колонна, жестко прилегающяя к стенке скважины (А) и не прилегающяя (Б)

Рис.2.35. Незацементированная колонна, жестко прилегающяя к стенке скважины (А) и не прилегающяя (Б)

Хороший контакт наблюдается, когда в пространстве между колонной и стенкой скважины находится сформировавшийся сплошной цементный камень, контактирующий с колонной и породами - зазор между ними отсутствует.

Сформировавшийся сплошной цементный камень, контактирующий с колонной и породами (хороший контакт; зазор отсутствует)

Рис. 2.36. Сформировавшийся сплошной цементный камень, контактирующий с колонной и породами (хороший контакт; зазор отсутствует)

«Свободная», незацементированная колонна так же характеризуется возникновением обобщенных РРР и PSP волн, распространяющихся со скоростями, близким к скорости продольной волны в породе в необсаженной скважине,

или

Волна, распространяющаяся по колонне Ак, уменьшается до нулевых значений.

Хороший контакт цементного камня с высокоскоростной породой показан на рис. 2.37.

Хороший контакт цементного камня с высокоскоростной породой

Рис. 2.37. Хороший контакт цементного камня с высокоскоростной породой

Кроме того, ЛФК, зарегистрированные в колонне, хорошо корре- лируются с ЛФК полученными в открытом стволе.

Изменение величины Ак в интервале 2430-2450 м вызвано попаданием в фиксированное окно Ак волны «высокоскоростной» волны по породе.

В интервале 2410-2430 м она имеет меньшую скорость, и поэтому

Понятие «частичное сцепление» применяется при наличии нескольких видов дефектов контакта и цементного камня:

1) колонна зацементирована частично, контакт цементного камня с колонной не по всей поверхности, связь со стенкой скважины отсутствует (рис. 2.38).

Колонна зацементирована частично, контакт цементного камня с колонной не по всей поверхности, связь со стенкой скважины отсутствует

Рис. 2.38. Колонна зацементирована частично, контакт цементного камня с колонной не по всей поверхности, связь со стенкой скважины отсутствует

В этом случае волна в колонне будет несколько ослаблена, и вместо первого экстремума, который заключен в фиксированном окне, регистрируется второй-четвертый, последующие экстремумы. Вследствие отсутствия контакта цементного камня с породами волна в породе не регистрируется. Соотношение скоростей будет иметь вид

или

где 6 V характеризует кажущееся уменьшение скорости вследствие регистрации последующих экстремумов;

2) колонна зацементирована (рис. 2.39), но контакт со стенкой скважины отсутствует, между ними существует кольцевой микрозазор.

Колонна зацементирована, но контакт со стенкой скважины отсутствует, между ними существует кольцевой микрозазор

Рис. 2.39. Колонна зацементирована, но контакт со стенкой скважины отсутствует, между ними существует кольцевой микрозазор

В этом случае волна в колонне также ослаблена, но вследствие отсутствия контакта цементного камня с породами продольная волна, распространяющаяся в породе, отсутствует (затухает). Волновой пакет содержит другие типы волн, более медленные и интенсивные. Соотношение скоростей будет следующее:

или

3) колонна зацементирована, но контакт с породой слабый (рис. 2.40) (либо присутствует не полностью сформировавшийся цементный камень, либо дефект в пространстве между цементным камнем и стенкой скважины - глинистая корка).

Колонна зацементирована, но контакт с породой слабый

Рис. 2.40. Колонна зацементирована, но контакт с породой слабый

В этом случае волна по колонне отсутствует. Продольная волна, распространяющаяся в породах, значительно ослаблена. Так как уменьшение амплитуд более значительно для длинного зонда, измеряемые значения скорости продольной волны уменьшаются: соотношение скоростей

или

где 6At равно одному-двум периодам колебаний. При этом кривые At и Atp должны быть достаточно «жестко» коррели- рованы. Прерывистые, извилистые ЛФК волны по породе указывают на частичность контакта цемента с породой.

Акустический метод даёт наибольшую информацию о качестве цементирования обсадных колонн и позволяет:

  • 1) установить высоту подъёма цемента;
  • 2) выявить наличие или отсутствие цемента за колонной;
  • 3) определить наличие каналов, трещин и каверн в цементном камне, в том числе и небольших размеров;
  • 4) изучить степень сцепления цемента с колонной и горными породами;
  • 5) исследовать процесс формирования цементного камня во времени.

Измеряется затухание продольной упругой волны, распространяющейся по обсадной колонне, цементному кольцу и породе от излучателя к приёмнику. Количественная зависимость затухания выражается формулой

где Ах и А2 значения амплитуд регистрируемого сигнала на расстояниях L, и Ь2 от излучателя; а - эффективный коэффициент поглощения упругой волны.

В обсаженной скважине коэффициент поглощения а зависит от диаметра обсадной колонны и толщины её стенок, однако влияние этих факторов мало. Существенно в большей степени а зависит от состояния цементного кольца. Если цемент ещё не затвердел и находится в жидком состоянии, он слабо влияет на затухание продольной волны, распространяющейся по обсадной колонне, т. е. колонна проявляет себя как свободная. При затвердении цемента и его сцеплении со стенками обсадной колонны энергия волны расходуется на возбуждение не только колонны, но и связанного с ней цементного кольца, поэтому затухание значительно больше. Примерно через сутки после заливки, когда раствор практически превращается в цементный камень, коэффициент затухания а увеличивается более чем на порядок по сравнению с первоначальным значением.

Поэтому, при изменении амплитуды продольной волны Ацк, распространяющейся по обсадной колонне, через 24 часа и более (время, необходимое для затвердевания цемента) можно по её величине судить о наличии или отсутствии цементного кольца, сцеплённого с обсадной колонной. Амплитуда продольной волны, проходящей по обсадной колонне, характеризует надёжность сцепления цементного камня с обсадными трубами. При наличии даже небольших кольцевых зазоров между трубой и цементным кольцом затухание резко уменьшается и такой интервал выделяется на кривой Ацк увеличением амплитуды.

Следовательно, по мере распространения упругих волн от источника колебаний к приёмнику происходит перераспределение энергии между обсадной колонной, цементным камнем и горной породой. Если колонна обсадных труб свободна и не связана с цементным камнем, то упругая волна распространяется непосредственно по металлу колонны со скоростью порядка 5200 м/с и малой потерей энергии.

Амплитуда этой волны Ак сохраняется максимальной. В случае жёсткого сцепления колонны с цементом упругие колебания, распространяясь по колонне, возбуждают колебания в цементном камне. Прохождение волны по цементу сопровождается снижением скорости и значительными потерями энергии. В результате возрастает время прохождения волны и снижается её амплитуда. При жёстком сцеплении цементного камня со стенками скважины время прихода волны определяется свойствами горных пород. Таким образом, динамические характеристики упругих волн изменяются в широких пределах и зависят от свойств цемента и условий контакта цементного камня с обсадной колонной и горными породами.

Диаграммы акустического цементомера дают качественное представление о состоянии цементного кольца и его герметичности (рис. 2.41).

Пример выделения цемента за колонной по диаграммам акустического цементомера (АКЦ) и гамма-гамма дефектомера (СГДТ-2)

Рис. 2.41. Пример выделения цемента за колонной по диаграммам акустического цементомера (АКЦ) и гамма-гамма дефектомера (СГДТ-2)

Установить характер дефектов (каналы, разрывы или микрозазоры) по полученным материалам в большинстве случаев нельзя. Поэтому любые дефекты или их сочетания выражаются через чисто условный термин:

  • • сплошной контакт, под которым понимается жёсткий контакт цементного камня с колонной по всей поверхности прилегания;
  • • частичный контакт: на отдельных участках поверхности цементного камня с колонной существуют каналы в цементном камне размером не более половины периметра колонны, разрывы не менее 1,5 м, чередование участков размерами 0,5- 1,5м с хорошим или плохим сцеплением цементного камня с колонной;
  • • отсутствие контакта: в пределах базы измерения колонна свободна или имеет зазор на границе колонна - цементный камень.

По данным акустического цементомера:

  • • контакта цемента с колонной нет - IV. Об этом свидетельствуют максимальные значения Ар, чётко прослеживаются замковые соединения муфт, минимальные значения времени прохождения упругой волны (около 550-600 м/с);
  • • сцепление цемента с колонной хорошее - I. Об этом свидетельствуют - значения амплитуды Ар резко снижаются, возрастает значение времени прохождения волны Т.
  • • сцепление частичное - III.
  • • контакт плохой - 11

Таким образом, акустический метод в основном позволяет определить степень сцепления цементного камня с колонной. Сцепление цементного камня со стенками скважины оценить уверенно можно не всегда.

Методические ограничения применения связаны с исследованиями высокопористых разрезов (V > 5300м /с), в которых:

  • • первые вступления при хорошем и удовлетворительном цементировании относятся к волне, распространяющейся в породе;
  • • при скользящем контакте цементного камня с колонной, когда волна распространяется преимущественно по колонне;
  • • при низкой чувствительности волны к отдельным дефектам цементного кольца.

В приборах акустической цементометрии используются короткие трёхэлементные измерительные зонды с расстоянием между ближайшими излучателем и приёмником от 0,7 до 1,5 м и базой зондов (расстояние между приёмниками) - в пределах 0,3-0,6м.

Требования к измерительным зондам:

  • • диапазон измерения интервального времени - 120-600 мкс/м;
  • • диапазон измерения коэффициента затухания - 0,5^10 дБ/м.

Скважинный прибор центрируется. Скорость каротажа - не более

1200 м/ч. Значение интервального времени (At к) продольной волны в незацементированной обсадной колонне должно находиться в пределах 185-187 мкс/м, затухания - в пределах 1-5 дБ/м. В интервале между муфтами кривая интервального времени и фазовые линии на ФКД должны представлять собой устойчивые прямые линии, параллельные оси глубин.

Акустическая цементометрия успешно применяется для контроля изменения состояния цементного камня после перфорации колонны и в процессе эксплуатации скважины. Просрелочно-взрывные работы приводят к нарушению целостности цементного камня и уменьшают степень его сцепления с колонной.

Выводы

Акустическая цементометрия (АКЦ) основана на измерении характеристик волновых пакетов, создаваемых источником с частотой излучения 20-30кГц, распространяющихся в колонне, цементном камне и горных породах. При наличии дефектов (трещины, пузыри, каналы, зазоры) в цементном кольце «прозрачность» системы существенно снижается и сигнал из породы не регистрируется.

ФКД получается путем выделения и высвечивания на экране осциллографа точек перехода сигнала через нулевой (или любой заданный) уровень

ФКД дает информацию о кинематических особенностях всех типов волн, а также используется для контроля правильного срабатывания вычислительных блоков наземных приборов АКЦ.

Сцепление цементного камня с колонной и породой в скважине, как правило, не происходит из-за глинистой пленки или корки на поверхности труб колонны и стенках скважины, поверхность обсадных труб обычно покрыта смазкой, окалиной, ржавчиной, лаком, что препятствует непосредственной связи цементного камня с металлом. ФКД дает информацию о кинематических особенностях всех типов волн, а также используется для контроля правильного срабатывания вычислительных блоков наземных приборов АКЦ.

Сцепление цементного камня с колонной и породой в скважине, как правило, не происходит из-за глинистой пленки или корки на поверхности труб колонны и стенках скважины, поверхность обсадных труб обычно покрыта смазкой, окалиной, ржавчиной, лаком, что препятствует непосредственной связи цементного камня с металлом. По мере распространения упругих волн от источника колебаний к приёмнику происходит перераспределение энергии между обсадной колонной, цементным камнем и горной породой. Если колонна обсадных труб свободна и не связана с цементным камнем, то упругая волна распространяется непосредственно по металлу колонны со скоростью порядка 5200 м/с и малой потерей энергии. Амплитуда этой волны сохраняется максимальной. В случае жёсткого сцепления колонны с цементом упругие колебания, распространяясь по колонне, возбуждают колебания в цементном камне. Прохождение волны по цементу сопровождается снижением скорости и значительными потерями энергии. В результате возрастает время прохождения волны и снижается её амплитуда. При жёстком сцеплении цементного камня со стенками скважины время прихода волны определяется свойствами горных пород.

Таким образом, динамические характеристики упругих волн изменяются в широких пределах и зависят от свойств цемента и условий контакта цементного камня с обсадной колонной и горными породами.

Контрольные вопросы

  • 1. От чего зависит качество изоляции продуктивных пластов?
  • 2. Обязательное условие эффективной добычи нефти и газа.
  • 3. Методы ГИС, контролирующие возможность её нарушения качества изоляции.
  • 4. Регистрируемые параметры при АКЦ.
  • 5. Решаемые вопросы АКЦ.
  • 6. Эффективность информации о ЦК.
  • 7. Необходимость комплексирования.
  • 8. Принцип работы сканера АК-цементометрии.
  • 9. Задачи, решаемые сканером АК-цементомером.
  • 10. Какие дефекты могут быть в ЭК и НКТ?
  • 11 Задачи, решаемые акустическим дефектомером. 12. Регистрируемые параметры.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >