СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЛИНИСТОЙ КОРКИ
METHOD TO DETERMINE ACOUSTIC CHARACTERISTICS OF CLAYEY CRUST

Настоящее изобретение относится к способам определения акустических характеристик глинистой корки, образующейся при бурении скважины, таких, как подвижность флюида и пьезопроводность глинистой корки.
Глинистая корка создается во время бурения буровым раствором, подаваемым в скважину по бурильной колонне и удаляемым через отверстия в буровом долоте с целью смазки бурового долота при бурении и для выноса обломков выбуренной породы на поверхность. Слой глинистой корки образуется по мере того, как буровой раствор смешивается с обломками горной породы и/или другими твердыми веществами и циркулирует вверх через кольцевую область между внешней поверхностью бурильной колонны и стенкой скважины. Смесь покрывает стенку скважины и образует слой глинистой корки. Одной из функций слоя глинистой корки является изолирование пласта от внутренней части скважины. Слой глинистой корки в отрасли часто называют глинистой коркой или фильтрационной коркой.
Известен способ прямого определения характеристик глинистой корки во время отбора проб, проводимого во время бурения, описанный в заявке WO 2009/139992. В данном патенте упомянута возможность использования низкочастотного акустического датчика, размещенного на пробоотборнике, в режиме прослушивания для оценки коэффициента диффузии давления (пьезопроводности) глинистой корки κ, который непосредственно связан с герметизирующими характеристиками глинистой корки. В качестве устройства для создания гармонических или периодических колебаний давления предлагается использовать поршень камеры предварительных испытаний или любого другого устройства.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в создании простого, эффективного и достаточно точного способа определения характеристик глинистой корки в скважине, позволяющего извлечь из зарегистрированного сигнала информацию о геометрических и фильтрационных свойствах глинистой корки.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в скважине по меньшей мере одним акустическим приемником регистрируют отклик давления на низкочастотные гармонические колебания давления в скважине, из полученного сигнала определяют сдвиг фаз незатухающих колебаний давления, регистрируемых акустическим приемником относительно колебаний давления источника колебаний, и отношение амплитуды колебаний давления, зарегистрированных приемником, к амплитуде исходного сигнала, определяют толщину глинистой корки и на основе полученных значений определяют по меньшей мере одно из следующих значений: пьезопроводность глинистой корки и подвижность флюида.
Источником низкочастотных гармонических колебаний давления могут являться естественные источники, такие как низкочастотный шум, возникающий при перемещении инструментов в скважине, низкочастотный шум при бурении, низкочастотная природная акустическая активность, шум от работы насоса, телеметрический сигнал бурового раствора и т.п.
Низкочастотные гармонические колебания давления могут быть возбуждены посредством по меньше мере одного техногенного источника. В качестве техногенных источников могут быть использованы низкочастотные акустические датчики/источники/трансдьюсеры, низкочастотная модуляция скважинного давления и т.п.
В качестве акустических датчиков для регистрации отклика давления могут быть использованы гидрофоны, трансдьюсеры, виброметры, акселерометры, датчики давления и т.п.
Источник низкочастотных гармонических колебаний одновременно может быть акустическим приемником.
Источник и/или датчик низкочастотных гармонических колебаний может быть установлен на пакере.
Источник и/или датчик низкочастотных гармонических колебаний может быть установлен на пробоотборнике.
Источник и/или датчик низкочастотных гармонических колебаний может быть установлен на опорном башмаке.
Может быть использовано несколько источников, установленных в разных местах.
Толщину глинистой корки определяют на основе импульсно-эховых измерений, включающих подачу в пласт коротких высокочастотных сигналов и регистрацию времени прихода отраженных эхо-сигналов.
Предпочтительно при определении толщины глинистой корки подачу высокочастотных сигналов осуществляют по меньшей мере из двух положений, расположенных на разном расстоянии от глинистой корки.
В качестве источника можно использовать низкочастотные длинноволновые колебания давления в скважине. Они могут создаваться телеметрией импульсов бурового раствора или другими средствами.
Преимущества естественных источников заключаются в том, что они почти всегда присутствуют в околоскважинном пространстве, не требуют введения дополнительных компонентов в инструмент, не требуют источника питания и т.д. Например, «дорожный шум», т.е. шум, возникающий при движении инструментов в скважине, может иметь существенное значение при использовании каната, и обычно связан с взаимодействием между инструментом и стенкой скважины; шум при бурении относится к применению методов измерений во время бурения и вырабатывается при взаимодействии бурового долота и бурильной колонны с породой; природная акустическая активность (например, пассивная сейсмичность) может оказаться полезной в тех случаях, когда околоскважинное пространство является статичным (например, канатный инструмент или КНБК являются стационарными и не перемещаются во время измерений); и т.д. Особый интерес при проведении низкочастотных измерений представляют естественные источники в форме шума от работы насоса и телеметрии бурового раствора. Эти два источника почти всегда присутствуют в скважине (особенно, в процессе бурения); они обладают формой колебаний, которая хорошо известна (насосы и телеметрия раствора), и которой можно управлять (телеметрия раствора); существует возможность выработки весьма низкочастотных колебаний (до 1 Гц и даже ниже), а также колебаний, которые продолжаются достаточно длительное время; и т.д.
Преимущества техногенных источников заключаются в том, что они доступны при необходимости, не зависят существенно от внешних факторов, вырабатывают повторяющиеся и воспроизводимые сигналы, которыми можно управлять, и которые можно варьировать в соответствии с потребностями и т.д. Например, низкочастотный датчик может позволить получить управляемый сигнал; модуляция скважинного давления является логическим развитием естественного источника, представленного телеметрией бурового раствора, обладает ее преимуществами и дает дополнительные преимущества в виде гибкости управления и т.д.
Достоинства и недостатки различных датчиков, работающих на низкой частоте, во многом аналогичны преимуществам и недостаткам соответствующих источников. Например, виброметры обладают потенциалом, позволяющим очень точно описать поверхностные колебания; акселерометры могут помочь при охвате широкой и, в особенности, высокочастотной области низкочастотного спектра (1 Гц - десятки кГц); автономные датчики давления позволяют проводить измерения сигнала давления и могут использоваться, даже если непосредственный контакт с глинистой коркой/ формацией по какой-либо причине нежелателен или невозможен, либо в таких местах, как вход зонда и т.д.
Можно использовать один или несколько источников, а также один или несколько датчиков. Следует также отметить, что зачастую одно и то же устройство может действовать и как источник, и как датчик, и эти состояния можно либо комбинировать, либо переключать. Кроме того, в части мест расположения этих источников и/или датчиков имеется определенная гибкость. В число примеров среди прочего входят:
- пакер для инструмента;
- башмак пробоотборника;
- опорный башмак;
- источник(и) /приемник(и), установленные автономно;
- и т.д.
Широкий спектр вариантов имеет большое значение и дает многочисленные преимущества. Например, если установить источник(и)/ датчик(и) на пакере, это может помочь для установления хорошего контакта с глинистой коркой; если установить их на башмаке пробоотборника, можно надежно измерить отклик вблизи входа зонда, что позволяет избежать сильного затухания сигнала давления (например, если в качестве источника используется шум при пробоотборе), и т.д.; если установить их на опорный башмак, можно компенсировать шум и точно измерить компонент сигнала, связанного с диффузией давления через глинистую корку; автономная установка обеспечивает гибкость при измерениях и проектировании; и т.д.
Низкочастотные измерения можно существенно усовершенствовать за счет применения нескольких датчиков. Их можно размесить в различных местах: башмаке пробоотборника, опорном башмаке и т.д. Это может обеспечить снижение или устранение шума, а также возможность измерения дифференциального давления. Это может увеличить соотношение «сигнал-шум», снизить требования в части динамического диапазона и чувствительности, способствовать снижению возможных воздействий геометрии измерения и т.д.
Для оценки пьезопроводности κ предлагается использовать амплитуду и сдвиг фаз наведенных колебаний, регистрируемые низкочастотным акустическим датчиком.
При проведении измерений с колеблющимся сигналом отклик давления на датчике состоит из двух частей - переходного процесса, который стремится к нулю с возрастанием времени, и временных колебаний.
Пьезопроводность κ глинистой корки оказывает влияние на оба этих процесса, и для количественной оценки значения κ можно использовать сдвиг фаз φ незатухающих колебаний давления, регистрируемых датчиком относительно колебаний давления источника, и отношение RA амплитуды колебаний давления, зарегистрированных датчиком, к амплитуде исходного сигнала.
Эти характеристики отклика давления жестко связаны с κ. Их использование оправдано, когда незатухающие колебания давления на датчике достаточно сильны, чтобы их можно было извлечь из сигнала.
Для извлечения описанных выше количественных значений из сигнала, регистрируемого датчиком, предлагается использовать идеи о фильтрации сигнала и синхронизированные по фазе контуры для разделения переходных и колебательных процессов. Для определения фазы и амплитуды незатухающих колебаний можно умножить зарегистрированный сигнал на гармонические сигналы с известными фазами и частоту источника. После применения низкочастотного фильтра и решения простой системы линейных уравнений можно получить и сдвиг фаз, (с неопределенностью 2πn), и амплитуду незатухающих колебаний. Алгоритм можно реализовать как на программном (для отдельной обработки данных сигнала давления), так и на аппаратном (например, для обработки сигнала в скважине) уровне.
Ввиду того что реальные параметры затухания волн давления в
b
mc
m
*
1
2
-2
0
-2
-1
-3
формации и глинистой корке для частот f свыше ~ 1 Гц будут слишком высоки, рекомендуется применять данный метод с использованием сигналов давления при частотах ниже ~ 1 Гц. Для таких частот характерный масштаб диффузии давления в формации  намного превышает радиус скважины R. Характерный масштаб диффузии давления связан с пьезопроводностью и частотой сигнала как , где ω=2πf. Для частоты 1 Гц и реальных параметров λ (характерная длина диффузионной волны) находится в диапазоне 10-10m для формации и ниже 10-10m для глинистой корки. Затухание амплитуды колебаний давления при их распространении через глинистую корку характеризуется отношением  к толщине глинистой корки h (что равно показателю экспоненты данного затухания). Следовательно, рекомендуется поддерживать частоту на низком уровне, чтобы затухание давления было минимально возможным. Для реальных параметров формации и глинистой корки рекомендуется, чтобы датчик располагался близко к источнику (~10-10 m), а частота f сигнала была низкой (~10 - 1 Гц). Нижний предел частоты сигнала равен , где t - продолжительность измерений.
Рассматривается уравнение пьезопроводности в постановке полупространства с плоской границей и тонким слоем на нем (глинистая корка). Существенная разница во временных и пространственных масштабах диффузии давления в этих двух средах (благодаря разнице в несколько порядков в их коэффициентах пьезопроводности) позволяет расщепить задачу на две подзадачи. Первая - диффузия давления в породе в цилиндрических координатах. Вторая - одномерная диффузия давления в глинистой корке в направлении, перпендикулярном к ее поверхности. Собирая решения этих задач вместе, можно получить простое аналитическое решение в виде ряда. Выделение и анализ его ведущего члена позволяет определить амплитуду и фазовый сдвиг отклика по отношению к исходному сигналу.
Пьезопроводность κ глинистой корки определяется как
*2
κ=2πfl/(2k)
*
Так, например, для случая, когда источником колебаний является пробоотборник (см., например, WO 2009/139992), k определяется из решения уравнений
*
-1
mc
φ=arg(cosh kh(1+i))
mc
где RA - отношение амплитуды колебаний давления, зарегистрированных датчиком, к амплитуде исходного сигнала, h - толщина глинистой корки, rp - радиус отверстия пробоотборника, ap - расстояние от датчика до центра отверстия пробоотборника, на котором измеряют отклик давления (ap>rp).
mc
Толщину глинистой корки h предварительно определяют на основе импульсно-эховых измерений, включающих подачу в пласт коротких высокочастотных сигналов и регистрацию времени прихода отраженных эхо-сигналов (см., например, WO 2009/139992). Предпочтительно при определении толщины глинистой корки подачу высокочастотных сигналов осуществляют по меньшей мере из двух положений, расположенных на разном расстоянии от глинистой корки.
Подвижность флюида η в глинистой корке определяют как
η=κϕ/K
Пористость глинистой корки ϕ оценивается как 10-30%, K - объемный модуль упругости пористой среды.