ПРИБОР ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИНЫ

Полезная модель относится к области нефтедобычи, а именно к приборам для исследования качества цементирования элементов конструкции скважины (направление, кондуктор, техническая и эксплуатационная колонна).
Из существующего уровня техники известны цементомеры, принцип действия которых основан на возбуждении в скважине импульсов упругих колебаний и регистрации приемником, удаленным на фиксированное расстояние от источника колебаний, времени прихода преломленной продольной волны и ее амплитуды. (Геофизические методы исследования скважин: Справочник геофизика / Под ред. В.М. Запорожца. М. Недра, 1983, с. 291-307). Измерения осуществляются зондами, включающими в свою конструкцию источник излучения (излучатель) и приемник, а зонд перемещается во внутрискважинном пространстве на кабеле.
Недостатком данного технического решения является необходимость при проведении диагностики состояния цементации скважины, находящейся в эксплуатации, произвести демонтаж эксплуатационной колонны. Данное обстоятельство существенно увеличивает трудоемкость работ и время проведения исследований.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является прибор, реализующий акустический способ диагностики качества цементного кольца за кондуктором скважины (патент RU №2055176. МПК E21B 47/00, опубл. 27.02.1996) и позволяющий проводить зондирование и регистрацию отраженных сигналов через оголовок скважины. Прибор содержит генератор зондирующих импульсов, излучатель и приемник акустических сигналов, установленные на верхнем конце скважины, предварительный усилитель отраженного акустического сигнала, соединенный с приемником акустических сигналов и персональным компьютером в качестве устройства регистрации и математической обработки сигналов.
Известный прибор позволяет определить наличие цемента за скважиной и качество его сцепления с ней, без демонтажа эксплуатационной колонны.
Основным недостатком данного технического решения является низкая область применения прибора из-за возможности контролирования качества цементирования скважины на глубину только до 400 метров, что обусловлено высокой частотой (до 40 кГц) и низкой амплитудой зондирующего импульса (до 1000 В) на выходе генератора.
Кроме этого, недостатком известного прибора является низкая достоверность результатов исследований, обусловленная отсутствием возможности диагностирования искажения формы зондирующих импульсов в канале излучателя акустических сигналов.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является расширение области применения прибора и повышение достоверности результатов исследований.
Технический результат достигается тем, что прибор для акустического контроля качества цементирования скважины, содержащий N излучателей и N приемников акустических сигналов, установленных на верхнем конце колонны скважины, N предварительных усилителей отраженного акустического сигнала, соединенных с соответствующими приемниками акустических сигналов, и персональный компьютер в качестве устройства управления, регистрации и математической обработки сигналов, согласно предлагаемой полезной модели, снабжен N усилителями мощности, блоком коммутации N усилителей мощности, блоком аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя и блоком цифровых выходов, установленным в блоке аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя, при этом выход каждого из N усилителей мощности, соединен с соответствующим ему по частоте и мощности излучателем акустических сигналов и аналого-цифровым преобразователем, соединенным с N предварительными усилителями отраженного акустического сигнала, первые входы N усилителей мощности соединены с цифро-аналоговым преобразователем, а вторые входы N усилителей мощности соединены с блоком цифровых выходов, причем блок аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя соединен с персональным компьютером, выполненным в виде мобильного компьютера и имеющим программный комплекс, включающий в себя системное и прикладное программное обеспечение, которое ориентировано на возможность формирования параметров зондирующих импульсов, подаваемых на усилитель мощности, контроля параметров зондирующих импульсов, оперативного программного управления изменением параметров зондирующих импульсов, автоматического снятия цементограмм на заданном диапазоне частот и графическую визуализацию в реальном времени цементограмм, полученных с каждого из N каналов за каждый сеанс измерений.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема предлагаемого прибора для акустического контроля качества цементирования скважины.
На чертеже цифрами обозначены:
1. N излучателей акустических сигналов;
2. N приемников акустических сигналов;
3. Колонна скважины;
4 N предварительных усилителей отраженного акустического сигнала со сменными фильтрами;
5. Персональный компьютер;
6. Блок коммутации N усилителей мощности
7. N усилителей мощности;
8. Блок аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя;
9. Аналого-цифровой преобразователь;
10. Цифро-аналоговый преобразователь;
11. Блок цифровых выходов;
Прибор для акустического контроля качества цементирования скважины содержит N излучателей 1 и N приемников 2 акустических сигналов, установленных на верхнем конце колонны 3 скважины, N предварительных усилителей 4 со сменными фильтрами отраженного акустического сигнала, соединенных с соответствующими N приемниками 2 акустических сигналов, и персональный компьютер 5 в качестве устройства управления, регистрации и математической обработки сигналов.
Отличием предлагаемого прибора для акустического контроля качества цементирования скважины является то, что он снабжен N усилителями 7 мощности, блоком 6 коммутации N усилителей мощности, блоком 8 аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя и блоком 11 цифровых выходов, установленным в блоке 8 аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя
Блок 8 состоит из аналого-цифрового преобразователя 9, цифро-аналогового преобразователя 10 и блока цифровых выходов 11.
Выходы N усилителей мощности 7 соединены с соответствующими по частоте и мощности N излучателями 1 акустических сигналов и аналого-цифровым преобразователем 9 для контроля выходного сигнала. Аналого-цифровой преобразователь 9 соединен с N предварительными усилителями 4 отраженного акустического сигнала со сменными фильтрами. Первые входы N усилителей мощности 7 соединены с цифро-аналоговым преобразователем 10, а вторые входы N усилителей мощности 7 соединены с блоком цифровых выходов 11. Блок 8 аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя соединен с персональным компьютером 5.
Персональный компьютер 5 выполнен в виде мобильного компьютера и имеет программный комплекс, включающий в себя системное и прикладное программное обеспечение, которое ориентировано на возможность формирования параметров зондирующих импульсов, подаваемых на N усилителей мощности 7, контроля параметров зондирующих импульсов, оперативного программного управления изменением параметров зондирующих импульсов, автоматического снятия цементограмм на заданном диапазоне частот и графическую визуализацию в реальном времени цементограмм, полученных за каждый сеанс измерений.
Пример конкретного выполнения.
Прибор для акустического контроля качества цементирования скважины конструктивно выполнен в виде бокса, в котором располагаются все основные блоки и элементы питания. Питание прибора может быть реализовано от сети автомобиля (12 В) через инвертор или от аккумулятора на напряжение 12 В (на чертеже условно не показаны).
Блок 8 аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя представляет собой готовое устройство фирмы National Instruments, модель NI USB 6221.
Излучатели 1 и приемники 2 акустических сигналов выполнены из пьезокерамических пластин марки ЦТС-19 (цирконат-титонат свинец), на соответствующие задачам исследования скважины мощность и частоту.
Предварительные усилители 4 отраженного акустического сигнала со сменными фильтрами - электронная плата, которая конструктивно устанавливается в приемник 1 акустических сигналов, с возможностью устанавливать фильтры (высоких, нижних частот, полосовые и т.д.) для работы на частоте зондирования, заданной оператором, а также для исключения нежелательных помех (шум подземные вод, ветер, работа оборудования).
N усилителей мощности 7 выполнены в виде отдельного блока с трансформаторным выходом для создания высокого напряжения на обкладках излучателя 1 акустических сигналов. Усилитель мощности 7 также снабжен делителем напряжения (на чертеже условно не показан) для обеспечения обратной связи и контроля посылаемого зондирующего импульса.
Блок 6 коммутации N усилителей мощности - представляет собой ключевую схему, управляемую сигналами с блока цифровых выходов 11 посредством персонального компьютера 5 для автоматического подключения одного из N усилителей мощности 7, согласно заданной оператором частоте и амплитуде зондирующего сигнала.
Персональный компьютер 5 - нетбук или ноутбук с установленным прикладным программным обеспечением.
Работает устройство следующим образом.
Настройка оборудования подразумевает установку N излучателей 1 и N приемников 2 акустических сигналов на верхнем конце колонны 3 скважины, включение питания прибора и посылки пробного тестового зондирующего импульса, после чего можно приступать к проведению измерений.
Персональный компьютер 5, через специальное программное обеспечение осуществляет общее управление и формирует все основные и вспомогательные сигналы для всей системы.
Персональный компьютер 5 посредством цифро-аналогового преобразователя 10 формирует зондирующий сигнал, при этом оператор может оперативно менять параметры цуга (синусоидальный пакет) - частота, период, длительность, и кроме того, благодаря обратной связи, можно оперативно контролировать пакет посылки, т.е. диагностировать проблемы при работе во всех N каналах излучателей 1 акустических сигналов, повышая при этом достоверность результатов исследований. Согласно заданной частоте и амплитуде зондирующего сигнала ПК выбирает канал цифро-аналогового преобразователя К) с подключенным к нему каждым усилителем мощности 7 и подает дополнительный сигнал с блока цифровых выходов 11, разрешающий работу усилителя мощности. Программно можно задать функцию автоматического получения цементограмм на заданном диапазоне частот
Сигнал с цифро-аналогового преобразователя 10 усиливается в одном из N подключенных усилителей мощности 7 для создания высокого напряжения на обкладках излучателя 1 акустических сигналов, представляющего собой пьезокерамический преобразователь.
Отраженные от дефектов сигналы могут приниматься одним или N приемниками 2 акустических сигналов и усиливаются в подключенных к ним предварительно усилителем 4 отраженного акустического сигнала со сменными фильтрами. Каждый усилитель выполнен по схеме логарифмического усилителя на операционном усилителе LM398. N предварительных усилителей 4 отраженного акустического сигнала со сменными фильтрами и N приемников 2 акустических сигналов расположены на колонне 3 скважины с возможностью обеспечения снижения помех и увеличения отношения сигнал-шум.
Кроме того, предварительный каждый усилитель 4 отраженного акустического сигнала может быть снабжен вторым каскадом для повышения чувствительности, таким образом, совместно с изменяемой амплитудой цуга можно диагностировать близкие по расстоянию дефекты.
Таким образом, технический результат достигается тем, что предлагаемый малогабаритный переносной многочастотный, многоканальный прибор для акустического контроля и экспресс-диагностики состояния цементации скважины в полевых условиях включает в себя программно-аппаратный комплекс, при этом параметрами зондирования, регистрации и математической обработки сигнала управляет оператор через прикладное программное обеспечение, разработанное в среде Lab View фирмы National Instruments и установленное на персональном компьютере 5.
Аппаратное обеспечение программно-аппаратного комплекса состоит из N излучателей 1 и N приемников 2 акустических сигналов, установленных на верхнем конце колонны 3 скважины, блока 8 аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя фирмы National Instruments, N предварительных усилителей 4 отраженных акустических сигналов со сменным фильтром, N усилителей мощности 7, блока 6 коммутации N усилителей мощности и мобильного персонального компьютера 5.
Оператор контролирует весь процесс исследования скважины и имеет возможность оперативного изменения параметров зондирования посредством прикладного программного обеспечения.
Параметром зондирующего импульса является частота (до 20 кГц), длительность (5-10 периодов), амплитуда (до 5000 В), что позволяет расширить область применения прибора и контролировать качество цементирования скважины на глубину до 2000 метров
Формирование зондирующего импульса, подаваемого на каждый усилитель мощности 7, а также оцифровывание отраженного сигнала после усиления осуществляется блоком 10 аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя фирмы National Instruments.
При плохой выявляемости дефектов цементации (отслоения цемента от кондуктора скважины) можно программно изменить конфигурацию зондирующих импульсов (частоту, длительность, амплитуду), тем самым увеличив разрешающую способность прибора.
Таким образом, использование предлагаемой полезной модели позволит расширить область применения прибора и повысить достоверность результатов исследований.