Автономный модуль для акустического контроля качества цементирования элементов конструкции скважин в процессе бурения

Полезная модель относится к области бурения скважин, к средствам контроля качества цементирования обсадных колонн.
Известен акустический способ диагностики качества цементного кольца за кондуктором скважины (пат. РФ №2055176, приор. 27.02.1992 г., публ. 27.02.1996 г.), в котором на верхнем конце кондуктора устанавливают излучатель и приемник, затем излучают акустические колебания и регистрируют их параметры распространения по кондуктору скважины. Излучатель и приемник при этом связывают акустически с телом кондуктора.
Известным способом диагностики можно провести исследование одной колонны, что снижает достоверность результатов исследований в скважине с другими цементируемыми элементами конструкции.
Известна аппаратура акустического каротажа «SonicScope» фирмы Schlumberger, используемая в процессе бурения, которая устанавливается в составе бурильной колонны и передает данные на поверхность по гидравлическому каналу связи
(www.slb.ru/upload/iblock/fa6/broshyura_sonicscope.pdf).
Аппаратура применяется для оценки устойчивости ствола скважины и прогноза порового давления, оптимизации процесса бурения, уточнения положения скважины на сейсмическом разрезе, оценки пористости и выделении углеводородов, оценки трещиноватости, оптимизации выбора интервалов перфорации и дизайна гидроразрыва пласта.
Данные акустических исследований позволяют оценить качество цементирования обсадной колонны (кондуктор, техническая колонна) и снизить риски при бурении.
Акустическая аппаратура содержит широкополосный многорежимный источник колебаний и обеспечивает передачу параметров продольных и поперечных волн в режиме реального времени.
Аппаратура содержит сменные центраторы и акустический изолятор, который оптимизирован для ослабления прямых волн, распространяющихся по корпусу прибора.
Поскольку известная аппаратура передает данные по гидравлическому каналу, то к качеству и составу бурового раствора предъявляются особые требования, в частности, отсутствие абразивной фазы, которые не всегда возможно выполнить в стандартных условиях бурения. Кроме того, гидравлический канал характеризуется низкой скоростью передачи данных и слабой помехоустойчивостью, невозможностью работы при продувке воздухом и с аэрированными растворами.
В настоящее время актуально применение электромагнитного канала связи, который лишен указанных недостатков.
Для бурения под кондуктор в условиях повышенной абразивности бурового раствора (в Западной Сибири), а также в скважинах глубиной до 2 км используется забойная телеметрическая система ЗТС-42ЭМ-М модификаций 01, 03, 05, 07 с автономным источником электрического питания, которая не предъявляет никаких требований к расходу и качеству бурового раствора. Развитием бурения скважин на депрессии явилась технология бурения на воздухе. В Китае (в провинции Сычуань) с помощью ЗТС-42ЭМ-М модификации 03 была пробурена первая в мире скважина с продувкой воздухом (в условиях, когда из бескабельных систем может работать только телесистема с электромагнитным каналом связи) (http://vniigis.com/razr_pkgs.shtml).
Такие системы используют электромагнитные волны - токи растекания от электрода между изолированными участками колонны бурильных труб и породой. На поверхности земли сигнал принимается как разность потенциалов от растекания тока по горной породе между бурильной колонной и приемной антенной, устанавливаемой в грунт на определенном расстоянии от буровой установки.
Известен автономный аппаратурно-методический комплекс волнового акустического каротажа «Горизонт-90 ВАК»
(www.vniigis.com/pdf/pkgs/6.pdf).
Автономный модуль устанавливается в составе бурильной колонны и содержит корпус, помещенный между центраторами, в котором расположены блок питания, излучатель акустических импульсов и приемники, разделенные акустическим изолятором.
Известный автономный модуль записывает данные в память ОЗУ (оперативно-запоминающее устройство), которые считываются после подъема модуля на поверхность. С помощью данного модуля исследуется качество цементирования обсадных колонн.
Недостатком модуля является отсутствие канала связи с поверхностью для передачи измеренных параметров в процессе бурения в режиме реального времени.
Задача, которую решает заявляемая полезная модель, заключается в возможности контроля динамики изменения качества цементирования обсадной колонны (кондуктор, техническая колонна) в режиме реального времени в процессе бурения скважин.
Указанная задача решается тем, что в автономном модуле для акустического контроля качества цементирования элементов конструкции скважин в процессе бурения, содержащем корпус, устанавливаемый в составе бурильной колонны и снабженный центраторами, расположенные в корпусе блок питания, излучатели упругих импульсов, приемники упругих импульсов, разделенные акустическим изолятором, и функциональную электронную схему, в отличие от известного, корпус модуля снабжен круговым токовым электродом, электрически изолированным от корпуса модуля, а в функциональную электронную схему введены блок управления, обработки и оцифровки принятых упругих импульсов, и блок приема-передачи электромагнитных сигналов, выход которого подключен к круговому токовому электроду.
Часть корпуса с излучателями и приемниками упругих импульсов, выполнена в виде акустического изолятора и изготовлена с чередующимися пазами и выступам, которые покрывает оболочка из прочного и эластичного материала, например, из маслостойкого прорезиненного корда.
На фиг. 1 представлен автономный модуль для акустического контроля качества цементирования элементов конструкции скважин в процессе бурения, встроенный в бурильную колонну.
На фиг. 2 представлен вид по А-А.
Нв фиг. 3 представлен вид по В-В
На фиг. 4 изображена функциональная электронная схема модуля.
Автономный модуль содержит корпус 1 с центральным промывочным каналом 2, устанавливаемый в составе бурильной колонны 3 и помещенный между центраторами 4 и 5, а также, расположенные в герметичных выемках корпуса 1 блок питания 6, излучатели упругих импульсов 7, приемники упругих импульсов 8 и функциональную электронную схему 9. Автономный модуль на бурильной колонне 3 спущен в скважину 10, которая обсажена колонной 11 (фиг. 1).
Корпус 1 модуля снабжен круговым токовым электродом 12, изолированным от корпуса модуля электрическим изолятором 13 (фиг. 3).
Стенки корпуса 1 выполнены из прочного металла, например из металла для изготовления бурильной колонны, что позволяет повысить надежность конструкции, испытывающей значительные нагрузки при бурении. Излучатели упругих импульсов 7 и приемники упругих импульсов 8 акустически изолированы друг от друга, для чего поверхность корпуса 1 покрыта прочной эластичной оболочкой 14, обеспечивающей ослабление прямой упругой волны, передаваемой по корпусу 1 от излучателей 7 к приемникам 8, и выполняет роль акустического изолятора. Кроме того, с этой же целью часть корпуса 1 с излучателями упругих импульсов 7 и приемниками упругих импульсов 8 выполнена с чередующимися пазами 15 и выступами 16, которые покрывает эластичная оболочка 14 из прочного материала, например, из маслостойкого прорезиненного корда.
Излучатели 7 и приемники 8 упругих импульсов могут быть расположены под углом друг к другу и к поверхности внутренней стенки обсадной колонны 11, чтобы эффективно возбуждать и затем принимать распространяющуюся по ней преломленную продольную волну.
В функциональную электронную схему 9 введены блок 17 управления, обработки и оцифровки принятых упругих импульсов и блок 18 приема-передачи электромагнитных сигналов, вход-выход которого подключен к токовому электроду 12.
Функциональная электронная схема 9 содержит генераторы 19 излучаемых упругих импульсов с излучателями упругих импульсов 7, усилители 20 принятых упругих импульсов с приемниками упругих импульсов 8, и образуют каналы передачи и приема упругих импульсов по четырем образующим (фиг. 4).
Генераторы 19 излучаемых упругих импульсов и усилители 20 принятых упругих импульсов соединены с блоком питания бис блоком 17 управления, обработки и оцифровки принятых упругих импульсов, который соединен с блоком 18 приема-передачи электромагнитных сигналов, вход-выход которого подключен к токовому электроду 12 (фиг. 4).
Акустический модуль работает сдедующим образом.
Акустический модуль 1 в составе бурильной колонны 3, на которой обычно устанавливается ЗТС для передачи параметров бурения по электромагнитному каналу связи на поверхность скважины (фиг. 1 не показана, ввиду общеизвестности), спускается в скважину 10, которая была ранее обсажена колонной кондуктора или технической колонной 11.
Во время очередного подъема бурильной колонны 3 на поверхность для замены бурильного долота (на фиг. не показано) команда с поверхности (о запуске блока 17 управления, обработки и оцифровки принятых упругих импульсов) передается по электромагнитному каналу связи на ЗТС, которая транслируется с нее на токовый электрод 12, где принимается блоком 18 приема-передачи, связанного с указанным блоком 17, который запускает в работу все каналы передачи и приема упругих импульсов в функциональной электронной схеме 9 (фиг. 4).
При этом запускаются генераторы 19 с излучателями упругих импульсов 7 и по обсадной колонне 11 пропускаются упругие импульсы, синхронно излучаемые излучателями упругих импульсов 7, которые затем принимаются приемниками упругих импульсов 8, таким образом, реализуются каналы передачи и приема упругих импульсов по четырем образующим обсадной колонны 11 (фиг. 4).
Принимаемые сигналы усиливаются в усилителях 20 упругих импульсов, оцифровываются в блоке 17 управления, обработки и оцифровки принятых упругих импульсов и передаются на блок 18 приема-передачи электромагнитных сигналов, выход которого подключен к токовому электроду 12, который по электромагнитному каналу связи передает информацию на приемный блок ЗТС, которая также по электромагнитному каналу передает данные на поверхность.
Одновременно полученная информация записывается в флеш-память автономного модуля, которая может быть воспроизведена для последующего ее анализа и изучения после завершения строительства скважины.
Подобные сеансы исследований могут повторяться во время очередных спускоподъемных операций бурильной колонны на поверхность с целью контроля динамики изменения качества цементирования обсадной колонны во времени в зависимости от режима и частоты спускоподъемных операций.
Таким образом осуществляется контроль за влиянием процесса бурения на состояние цемента как кондуктора, так и технической (промежуточной колонны), что позволяет выявить возникающие там нарушения и появление межпластовых перетоков, и предотвратить в дальнейшем наиболее опасное появление заколонной фильтрации газа при эксплуатации газоконденсатной залежи.
Наличие в компоновке бурильной колонны заявляемого автономного модуля для акустического контроля качества цементирования элементов конструкции скважин как кондуктора, так и технической колонны в течении всего времени строительства скважины, позволит специалистам изучать степень негативного влияния процесса бурения на их качество и внести соответствующие коррективы для их исключения или уменьшения, что в конечном итоге сказывается на себестоимости строительства скважины и добываемой продукции.