Акустические методы

                                                                                      Содержание

 

 

Введение…….……………………………………………………………..…………4

 

1. Физические предпосылки применения метода…...……………….….………..6

 

2. Задачи решаемые методом при контроле качества цементирования скважин……………………………………………………………………………...10

 

3. Интерпретация результатов ……………………...………………………….….14

 

4. Применяемая аппаратура………….………………………………………….…18

 

Заключение…………………………………………………………………….……21

 

Список использованной литературы…..………………………………………….22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                   

 

 

 

 

                                                     Введение

 

Для детальных геологических  исследований, решения вопроса о  наличии полезных ископаемых, а также  для подсчетов их запасов бурят скважины, которые изучают с помощью геофизических методов исследования скважин (ГИС). ГИС необходимы также для надежной интерпретации результатов исследований полевыми геофизическими методами.

          ГИС применяют для решения геологических и технических задач. К геологическим задачам, в первую очередь, относят литологическое расчленение разрезов, их корреляцию, выявление полезных ископаемых и определение параметров, необходимых для подсчета запасов. К техническим задачам относят изучение инженерно-геологических и гидрогеологических особенностей разрезов, изучение технического состояния скважин, контроль разработки месторождений нефти, газа и угля, проведение прострелочно-взрывных работ. В данном учебнике основное внимание уделено изучению задач геологического характера.

           Акустический каротаж (АК) основан на изучении характеристик упругих волн ультразвукового и звукового диапазона в горных породах. При АК в скважине возбуждаются упругие колебания, которые распространяются в ней и в окружающих породах и воспринимаются приемниками, расположенными в той же скважине.

          Скважины бурят с целью изучения геологии, поисков и разведки месторождений нефти, газа, угля, руд, пресных и термальных вод, строительных материалов, решения задач гидрогеологии и инженерной геологии. Основное число скважин бурят при поисках, разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений, где методы ГИС имеют особенно большое значение. В процессе бурения горные породы претерпевают изменения.                                                                Плотные прочные породы изменяются мало. Диаметр скважины в них близок к номинальному (т.е. приблизительно равен диаметру долота). В породах рыхлых, трещиноватых, склонных к гидратированию и размыву, образуются каверны. Существенные изменения происходят при разбуривании  коллекторов, содержащих те или иные пластовые флюиды (нефть, газ, воду), так как во избежание неконтролируемых выбросов при бурении осуществляют репрессию на пласт, т.е. гидростатическое давление  промывочной жидкости поддерживают выше пластового давления. В результате возникает фильтрация скважинной жидкости в проницаемые пласты. Исходный флюид — нефть, газ, пластовая вода — оттесняется, образуется зона проникновения, диаметр которой может превышать номинальный диаметр скважины на несколько сантиметров, десятков сантиметров и даже метров. Наличие этой зоны существенно усложняет определение характера насыщения пласта. Подвергшуюся наибольшему  воздействию часть зоны проникновения называют промытой зоной. Размеры пор пород-коллекторов обычно не превышают сотен микрометров, что меньше размера глинистых частиц промывочной жидкости. Поэтому в пласт проникает лишь фильтрат жидкости, глинистые же частицы осаждаются на стенке скважины, уменьшая ее диаметр, таким образом, уменьшение диаметра скважины за счет образования глинистой корки характеризует, как правило, наличие проницаемого интервала.

          Долговечность эксплуатации скважин в основном определяется качеством цементирования обсадных колонн. Качественное крепление колонн нефтяных и газовых скважин является одной из важнейших задач службы бурения. При низком качестве цементирования результаты опробования пластов, выполняемые на этапе разведки нефтегазовых месторождений, могут оказаться неверными, в результате чего продуктивные горизонты могут быть не обнаружены. Нарушение изоляции нефтеносных и водоносных пластов в эксплуатационных скважинах приводит к преждевременному обводнению добываемой продукции и к резкому сокращению производительности скважин. Некачественное цементирование нагнетательных скважин может приводить к прорывам закачиваемых вод, неравномерному заводнению пласта и, следовательно, к снижению конечной нефтеотдачи.

          В настоящее время акустическая цементометрия является основным методом для оценки качества цементирования обсадных колонн.

          Геологические условия многих газовых месторождений требуют применения облегченных тампонажных растворов. Для снижения плотности растворов используют наполнители из глинопорошка или газонаполненных стеклянных микросфер. Наполнитель из микросфер (мс) представляет собой легкий сыпучий порошок белого цвета, состоящий из отдельных полых частиц сферической формы размером в пределах 15-200 мкм, преимущественный диаметр 12-125 мкм. Вырабатывают микросферы из натриево-боросиликатного стекла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

  1 Физические предпосылки, применение метода

 

          Горные породы являются упругими телами, которые под действием внешней возбуждающей силы, претерпевают деформации объема (растяжение и сжатие) и деформации формы (сдвига).

          Последовательное распространение деформации называется - упругой волной. Первое отклонение частицы от положения покоя называется - вступлением волны.

          В акустическом каротаже различают (регистрируют) несколько типов волн:

          -  продольные волны связаны с деформациями объема твердой или жидкой среды, а поперечные с деформациями только твердой среды. Продольная волна представляет собой перемещение зон сжатия и растяжения вдоль луча, а поперечная - перемещение зон скольжения слоев относительно друг друга в направлении перпендикулярном лучу. Продольные волны распространяются в 1,5-10 раз быстрее поперечных;

          - упругие (акустические) волны, как и все прочие волны, характеризуются определенным набором свойств. К этим свойствам относят: частоту волны, длину волны, скорость и амплитуду (затухание).

При проведении акустического  каротажа наибольший практический интерес  представляют два параметра волн – скорость и амплитуда. Следовательно, горные породы вскрытые скважиной можно изучать как по скорости распространения колебаний, так и по их затуханию.

          Простейший измерительный зонд АК (рис.1) содержащий в своем составе излучатель (И) упругих волн звукового (2-20 кГц) и ультразвукового(2-60 кГц) диапазонов частот и расположенный от него на определенном расстоянии (1,4-3,5 м) широкополосный приемник.

          Для проведения АК применяются и более сложные трех – и более элементные приборы.

          Акустический каротаж на преломленных волнах предназначен для измерения интервальных времен Dt (Dt =1/v, где v – скорость распространения волны, м/с), амплитуд А и коэффициентов эффективного затухания a преломленной продольной, поперечной, Лэмба - Стоунли продольных волн, распространяющихся в горных породах, обсадной колонне и по границе жидкости, заполняющей скважину, с горными породами или обсадной колонной. Единицы измерения – микросекунда на метр (мкс/м), безразмерная (для А) и a-децибел на метр (дБ/м) соответственно.

          Данные АК применяют: для литологического расчленения разрезов и расчета упругих свойств пород; локализации трещиноватых пород, трещин гидроразрывов и интервалов напряженного состояния пород; определения коэффициентов межзерновой и вторичной (трещинно-каверновой) пористости коллекторов и характера их насыщенности; выделения проницаемых интервалов в чистых и глинистых породах; расчета синтетических сейсмограмм и интеграции результатов скважинных измерений с наземными и скважинными сейсмическими данными.

          Измерения выполняют в необсаженных и, при определенных ограничениях, обсаженных скважинах, заполненных любой негазирующей промывочной жидкостью.

 

         Схема работы скважинного прибора акустического каротажа.

Итак, данные АК применяются для решения следующих задач:

В открытом стволе:

          Литологическое расчленение разреза.

          -  Определение коэффициента пористости коллекторов.

          - Определение кинематических свойств горных пород для корреляции данных сейсморазведки.

В обсаженной скважине:

          -  Контроля качества цементажа эксплуатационных колонн.

          -  Контроля технического состояния труб эксплуатационной колонны.

Акустический метод контроля качества цементажа, использующий свойства преломленной волны, позволяет:

          -  определять высоту подъема сформировавшегося цементного кольца (при определенных условиях);

          -  определять интервалы бездефектного цементного кольца;

          - выделять интервалы с дефектами цементного кольца и оценивать размеры дефектов;

           -  определять влияние механических и других воздействий на состояние цементного кольца.

          При излучении упругого импульса в обсаженной скважине, вдоль оси скважины, распространяются упругие волны различного типа (см. рис 2). В общем случае, при наличии контакта цементного камня с колонной и горной породой, волновые картины, представляют собой волну по обсадной колонне(1), продольную волну(2) по горной породе, поперечную волну(3) по горной породе, гидроволны(4) по промывочной жидкости, поверхностные волны(5) Лэмба –Стоунли. Можно выделить следующие параметры сигналов ВК:

          -  Т1-время распространения от излучателя до первого приемника первой положительной фазы колебаний, превышающей по амплитуде установленный пороговый уровень Ип;

           -  Т2- время распространения от излучателя до второго приемника первой положительной фазы колебаний, превышающий по амплитуде установленный пороговый уровень Ип;

          -  А1п-амплитуда сигнала первой положительной фазы колебаний, которая превышает установленный пороговый уровень Ип, и регистрируется  во временном окне, открывающемся в момент времени Т1;

         -  А2п-амплитуда сигнала первой положительной фазы колебаний, которая превышает установленный пороговый уровень Ип, и регистрируется  во временном окне, открывающемся в момент времени Т2 на втором приемнике;

          -  А1к-амплитуда упругих волн, регистрируемая в фиксированном временном окне, которое устанавливается в интервале прихода на первый приемник первого положительного вступления волны по колонне;

          -  А2к-амплитуда упругих волн, регистрируемая в фиксированном временном окне, которое устанавливается в интервале прихода на второй приемник первого положительного вступления волны по колонне.

Кинематические и динамические параметры упругих волн, распространяющихся в околоскважинном пространстве, изучают по результатам измерений широкополосного акустического каротажа.                        Кинематические параметры характеризуют скорость и направление этих волн в породах, динамические –затухание энергии и их частотные особенности.

          Для регистрации этих параметров используют схему приведенную на рисунке.

           Расстояние от излучателя до приемника П называется размером (длиной) зонда-L1, L2,

расстояние между сближенными  одноименными преобразователями-базой  зонда Dl.

          Информация  регистрируется в виде волновых картинок ВК, фазокорреляционных диаграмм(ФКД), и кривых.

            

 

                                                

 

           ФКД-графическое отображение изменения сигнала, снятых с приемника при его перемещении по скважине (рис.3)

           Волновая картинка - графическое отображение электрического сигнала, снятого с приемника в конкретной точке наблюдения.

         Интервальное время Dt(измеренное время распространения волны на фиксированной базе DL) определяется по формуле Dt = t2-t1 /DL ,мкс/м

Для пока нальных параметров t1, t2 ,A1, A2, точками записи (рис3) являются:

для первого канала –  середина расстояния от ближнего приемника до излучателя (точка О1)

для второго - середина расстояния от дальнего приемника до излучателя (точка О2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         2 Задачи решаемых методов при контроле качества

 

          Контроль качества цементирования обсадных колонн в нефтегазовых скважинах является одним из важнейших видов геофизических исследований, выполняемых промыслово-геофизическими предприятиями страны при строительстве и эксплуатации скважин.

          Контроль качества цементирования скважин (КЦС) заключается в исследовании состояния цементного кольца в заколонном пространстве скважины с целью определения степени изоляции продуктивных и водоносных пластов друг от друга и остальной части геологического разреза скважины.

          В настоящее время одним из основных геофизических методов контроля КЦС является акустический метод, основанный на возбуждении в скважине импульсов упругих колебаний и регистрации головных волн, распространяющихся вдоль оси скважины по обсадной колонне и горным породам.

         Акустические цементомеры с трехэлементными зондами интегрального типа позволяют определять средние по периметру обсадной колонны характеристики цементного кольца за обсадной колонной, поэтому они используются для общих (массовых) исследований обсадных колонн по всему стволу с целью определения интервалов с бездефектным цементным кольцом и выделения интервалов с дефектами цементирования.

          Акустические цементомеры интегрального типа не позволяют определять тип дефектов цементирования (объемный или контактный), оценивать размеры дефектов и их ориентацию в пространстве. Эта информация необходима для оценки возможности ликвидации дефектов цементирования при ремонтно-изоляционных работах в скважине. Поэтому в интервалах с дефектами цементирования выполняют дополнительные детальные исследования с применением различных геофизических методов.

          За рубежом для детальных исследований состояния цементного кольца используют акустические цементомеры секторного (сегментного) типа со сканирующим режимом измерений, которые позволяют определять качество цементирования обсадной колонны по её периметру через (45-60)° в радиальном направлении.

          Эти цементомеры имеют многоэлементные акустические зонды и работают на головных упругих волнах на частотах до 100 кГц. Наиболее известны следующие варианты приборов данного типа.

          Прибор SBT (Segmented Bond Tool) фирмы Western Atlas International содержит шесть пар излучателей и приемников на прижимных башмаках и обеспечивает определение качества цементирования обсадной колонны по её периметру в 6 сегментах через 60° в радиальном направлении.

Прибор SBT (Sector Bond Tool) фирмы Computalog имеет  акустический зонд, который содержит 8 излучателей и 8 приемников, размещенных  попарно в радиальном направлении через 45°, что позволяет выполнять контроль качества цементирования обсадной колонны в 8-ми секторах обсадной колонны через 45° по её периметру.

         По сравнению с акустическими цементомерами интегрального типа указанные секторные (сегментные) приборы имеют значительно более высокую разрешающую способность к дефектам цементирования, позволяют оценивать их размеры и пространственную ориентацию относительно апсидальной плоскости скважины.

          Отечественная аппаратура данного типа пока не разработана, хотя потребность в ней очевидна.

          Наиболее перспективно использование акустических цементомеров секторного типа в комплексе с гамма-гамма цементомерами типа СГДТ, которые позволяют выполнять контроль КЦС как в интегральном, так и в селективном (секторном) режимах.

          Создание отечественного акустического цементомера секторного типа и технологии его применения в комплексе с селективными гамма-гамма цементомерами является актуальной задачей. Цель работы. Разработка аппаратуры и методики акустической цементометрии на основе многоэлементных зондов интегрального и секторного типа и повышение эффективности комплекса геофизических методов контроля качества цементирования нефтегазовых скважин.

          Основные задачи исследований:

           • изучение на физических моделях обсаженных скважин количественных связей между состоянием цементирования скважин и регистрируемыми характеристиками упругих волн для трехэлементных акустических зондов интегрального типа различных типоразмеров;

          • обоснование выбора оптимальных технических параметров трехэлементного интегрального акустического цементомера и методики его применения для количественной оценки состояния цементирования скважин;

          • изучение возможностей акустических зондов секторного типа по определению качества цементирования скважин по периметру обсадной колонны;

          • разработка сканирующего акустического цементомера секторного типа и методики его применения для определения дефектов цементирования, оценки их размеров и пространственной ориентации в скважине;

          • разработка аппаратурного комплекса и методики комплексной интерпретации данных, получаемых акустическими цементомерами интегрального и секторного типа и селективно-интегральными гамма-гамма цементомерами.

          Методика исследований. Анализ и обобщение возможностей существующей аппаратуры и методики контроля качества цементирования скважин, теоретические расчеты и экспериментальные исследования на моделях обсаженных скважин, проведение опытно-методических работ на скважинах, обобщение и анализ полученных скважинных материалов, опробация разработанной аппаратуры и методики в производственных условиях и оценка эффективности найденных решений путем сопоставления с данными других геофизических методов. Научная новизна работы состоит в следующем:

          • экспериментально установлены критерии количественной оценки состояния цементирования скважин для типовых тампонажных материалов, основанные на измерении упругих волн, регистрируемых трехэлементным интегральным акустическим зондом на средней частоте зондирования 20 кГц;

          • обоснованы оптимальные технические параметры трехэлементного интегрального акустического цементомера, необходимые для количественного контроля состояния цементирования скважин в различных геолого-технических условиях;

          • предложены методика и средства калибровки трехэлементного акустического цементомера, обеспечивающие одновременно с контролем метрологических характеристик аппаратуры контроль идентичности параметров приемно-передающих трактов зонда;

          • экспериментально установлены зависимости параметров головных упругих волн, регистрируемых 8-секторным акустическим зондом на средней частоте зондирования 100 кГц, от состояния цементирования обсадной колонны по её периметру и от размеров дефектов цементирования различного типа, и разработаны критерии интерпретации получаемых данных;

          • показана возможность определения типа и размеров дефектов цементирования скважин на основе акустического цементомера интегрального и секторного типа и селективно-интегрального гамма-гамма цементомера.

Защищаемые положения:

          • трехэлементный интегральный акустический цементомер, средства его метрологического обеспечения и методика применения для количественного определения состояния цементирования скважин;

          • 8-секторный сканирующий акустический цементомер и методика его применения для определения дефектов цементирования по периметру обсадной колонны, оценки их размеров и пространственной ориентации относительно апсидальной плоскости скважины;

         • аппаратурный комплекс и методика комплексной интерпретации данных, получаемых акустическими цементомерами интегрального и секторного типа и селективно-интегральными гамма-гамма цементомерами.               Практическая ценность работы. На основе результатов проведенных исследований разработаны:

          • трехэлементная интегральная акустическая аппаратура МАК-2 и её модификации, предназначенные для общих (массовых) исследований скважин с целью количественного определения состояния их цементирования;

          • отраслевой документ «Методическое руководство по компьютерной технологии контроля технического состояния и качества цементирования обсадных колонн нефтегазовых скважин», предназначенный для практического применения геофизическими предприятиями России»;

          • программно-управляемый 8-секторный сканирующий акустический цементомер МАК-СК, предназначенный для контроля качества цементирования обсадной колонный по её периметру в интервале детальных исследований;

          • программно-управляемый аппаратурно-методический комплекс АМК-2000, предназначенный для контроля качества цементирования скважин акустическим, радиометрическим и термометрическими методами;

          • программное обеспечение автоматической интерпретации данных, получаемых аппаратурой МАК-2, МАК-СК и АМК-2000.

          Разработанная аппаратура и её программно-методическое обеспечение позволили значительно повысить эффективность геофизического контроля цементирования нефтегазовых скважин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           3  Интерпретация результатов

 

Акустические  исследования проводят в скважинах, заполненных буровым раствором, который необходим для создания акустического контакта излучателей  и приемников зонда с окружающей средой. Разгазирование бурового раствора способствует резкому повышению затухания волн и может вызвать искажение диаграммы, особенно для большего из зондов.

Регистрация диаграмм интервального времени ∆t и коэффициента α- наиболее распространенная форма представления данных акустического метода, предусмотренная во всех типах серийной аппаратуры.

Протяженность переходного участка на границе  пласта в этом случае равна h, а граница пласта отмечается на расстоянии s/2 (l/2) от точки начала изменения ∆t при приближении зонда к пласту.

Если диаметр  скважины непостоянен, форма кривых усложняется. На границах каверн возникают ложные максимумы. Их протяженность для трехэлементного зонда равна меньшей из двух величин- длине базы s или протяженности каверны hказ.

В обсаженных скважинах  волновая картина зависит от характера контакта на границах цемента с колонной и горной породой. При жестких контактах на обеих границах волновая картина примерно та же, что и в необсаженной скважине. Если контакт с колонной скользящий, четко выделяется волна Р по колонне, соответствующая скорости 5,2- 5,6 км/с. На муфтовых соединениях ∆t увеличивается на 3- 5 мкс/м.[3]

При интерпретации  материалов акустического цементомера  руководствуются следующим. Хорошему сцеплению цемента с колонной и породой обычно соответствуют  максимальное время tп и минимальная и амплитуда Ак=0,2×Акmax , а плохому- минимальное время tп (равное или близкое к tк) и большая амплитуда Ак=0,8-0,9 Ак max; при частичном сцеплении Ак= 0.2-0.8 Ак max.

При интерпретации  кривых акустического цементомера  за основу берутся показания кривой Ак, кривые Ап и Тп являются вспомогательными. Максимальные значения амплитуд Ак и Ап и среднее значение интервального времени Тп характеризуют незацементированную колонну, а иногда и отсутствие связи цементного камня с колонной. Минимальные значения амплитуд трубной волны Ак свидетельствуют о хорошем сцеплении цементного камня с колонной (рис 3.1). Кривая Тп достигает максимального значения на участках колонны с хорошим сцеплением цементного камня с колонной и плохим сцеплением с породой. В этом случае величина Тп близка ко времени пробега упругой волны по промывочной жидкости.  Минимальная величина регистрируемого времени Тп меньше времени прохождения продольной волны по колонне Тк наблюдается в интервалах, характеризующихся высокой скоростью распространения колебаний в породе при жесткой связи цементного камня с колонной и стенками скважины.

В разрезах скважин, где скорость распространения продольных волн по породе Vп превышает скорость их распространения по колонне Vк(Vп>Vк), или в случае низких Vп и больших затуханий волн определение качества цементирования обсадных колонн по параметрам Ак, Ап и Тп затрудняется.

При Vп>Vк (высокоскоростной разрез) вместо волны по колонне регистрируют волну по породе, а при низких Vп и больших затуханиях волн (низкоскоростной разрез) вместо волн по породе регистрируют гидроволну.

Надежность  определения качества цементирования обсадных колонн повышается, если одновременно с записью кривых акустическим цементомером фотографировать волновые картины, получаемые этим цементомером.

 Качество  цементирования по волновым картинам  оценивается по следующим признакам.

Незацементированная  колонна на волновой картине отмечается мощным долго не затухающим сигналом трубных волн, приходящим за время  Тк, которое равно времени пробега волны на базе зонда со скоростью стержневых волн в стали. Время Тк для базы 2,5 м в зависимости от диаметра колонны и физико- химических свойств жидкости в скважине может изменяться от 500 до 650 мкс .

  Хорошее качество цементирования обсадных колонн (надежное сцепление цементного камня с породой и колонной) в низкоскоростном разрезе отмечается на волновой картине весьма малой амплитудой Ак и значительной амплитудой Ап. Типы волн в этом случае отчетливо разделяются по времени их вступления.Если Ак меньше критической величины, выше которой контакт цементного камня с колонной считается неполным, а Ап и Тп коррелируются со значениями, полученными при исследовании необсаженной скважины акустическим методом, или со значениями кажущегося электрического сопротивления пород, то затрубное пространство является герметичным.

В высокоскоростных разрезах, где различить однозначно волны, распространяющиеся по породе и  по колонне, только по времени их вступления трудно, оценить качество цементирований обсадных колонн помогает частотная характеристика волн. Установлено, что частота продольных волн в породах возрастает с увеличением скорости их распространения, однако во всех случаях остается ниже частоты волны, распространяющейся по колонне (при частоте излучателя 25 кГц). Хорошее качество цементирования обсадных колонн в высокоскоростном разрезе отличается на волновой картине неискаженным импульсом продольной волной по породе с частотой ниже 25 кГц и с амплитудой, коррелирующейся с ее величиной до обсадки скважины, а также наличием поперечной волны с частотой ниже 20 кГц.

В случаях, когда  величина Ак превышает критическое  значение и не удается выделить волны  по породе при наличии волны с  частотой 25- 30 Гц, вступающей на временах больше 1300 мкс, а также при отсутствии корреляции значений амплитуд Ап со значениями их в необсаженной скважине, затрубное пространство не герметично или его герметичность неопределенна (случай частичного цементирования).