Устройство для контроля качества цементирования обсадных колонн в газовых скважинах

Предполагаемая полезная модель относится к области геофизических исследований нефтегазовых скважин акустическим методом и предназначена для контроля качества цементирования обсадных колонн.
Известен способ акустического каротажа скважин и устройство, использующее трубу в качестве акустического передатчика (Пат. US №3752257, приоритет 14.08.1973 г.).
Известное устройство представляет собой стержень с высокой проводимостью, на котором навита обмотка, соединенная с источником высокого напряжения. Устройство помещено в металлическом контейнере-трубе, спускаемой в скважину на кабеле. Импульсы напряжения, проходящие через катушку, создают магнитное поле, которое деформирует трубу и создает в ней акустический передатчик. Акустические импульсы проходят через горные породы и принимаются акустическими приемниками, расположенным вблизи передатчика. По измеренным скоростям звука в пластах вычисляют характеристики горных пород.
Известное средство предназначено для исследования скважин, заполненных жидкостью, что является необходимым условием для распространения «преломленных» волн акустического каротажа.
В случае исследования газовых скважин, их приходится на время проведения исследований заполнять жидкостью (водой), которая может оказать отрицательное воздействие на газонасыщенные пласты, находящиеся в эксплуатации, и существенно снизить их продуктивность, которую часто трудно восстановить до первоначального уровня.
Известно акустическое каротажное устройство, предназначенное для проведения исследований в скважинах, заполненных газом, газонасыщенной жидкостью и пенами (Ю.А. Гуторов, A.M. Гильманова. Современные геофизические аппаратурные комплексы на базе акустического метода для исследования нефтегазовых скважин. Уфа, УГНТУ. 2013 г. стр. 78-80).
Устройство содержит акустические преобразователи (излучатели и приемники), размещенные на прижимных подпружиненных рычагах, с помощью которых они прижимаются к стенке скважины или к обсадной колонне (ОК). Сами акустические преобразователи имеют тороидальную форму, выполнены из магнитострикционного материала с нанесенной на него обмоткой и размещены в маслонаполненном контейнере, имеющим также тороидальную форму, который соприкасается своей поверхностью со стенкой скважины (ОК).
Акустические колебания от тороидального сердечника - излучателя поступают в масло, заполняющее контейнер, и далее через область его контакта со стенкой скважины проникают в породу в виде «преломленных» продольных волн и достигают аналогичного по конструкции приемного преобразователя и фиксируются электронной схемой скважинного зонда.
Подобная конструкция прижимных акустических преобразователей позволяет производить акустический каротаж в скважинах, заполненных любой, в том числе, загазованной жидкостью и чистым газом.
Недостатком известной конструкции является низкая надежность акустических преобразователей, связанная с быстрым износом маслонаполненной эластичной оболочки, внутри которой располагается тороидальный сердечник с обмоткой возбуждения - приема, а также нестабильность акустических характеристик, обусловленная постепенным проникновением газа из-за высокой проницаемости эластичной оболочки внутрь маслонаполненного контейнера в процессе нахождения скважинного зонда в газонаполненной скважине.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение надежности работы устройства в процессе исследования газовых скважин.
Предлагаемая полезная модель решает также техническую задачу по исследованию газовых скважин без заполнения водой, что исключает снижение их продуктивности.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для контроля качества цементирования обсадных колонн в газовых скважинах, содержащем корпус прибора с прижимными подпружиненными рычагами, (рессоры) акустические преобразователи, размещенные в контейнерах на прижимных рессорах, имеющих возможность прижимать контейнеры к стенке скважины, в отличие от известного, каждый контейнер с акустическим преобразователем выполнен герметичным и установлен на одном конце каждого из двух пар кронштейнов, разнесенных по длине корпуса, другой конец каждого из которых соединен с электрогидравлическим приводным механизмом, который расположен в корпусе и управляется с поверхности, а каждый акустический преобразователь выполнен в виде П-образного ферромагнитного сердечника с намотанной на него обмоткой, образующего соленоид, обращенный к стенке скважины разомкнутой стороной П-образного ферромагнитного сердечника, создавая при контакте герметичного контейнера со стенкой скважины замкнутый магнитопровод, при этом обмотка каждого соленоида соединена через коммутатор с генератором токовых импульсов и усилителем принятых токовых импульсов в электронной схеме прибора, которая содержит блок управления электрогидравлическими приводными механизмами кронштейнов и блоком синхронизации работы генератора токовых импульсов. Герметичные контейнеры залиты диэлектрическим, изолирующим составом, обладающим абразивно-стойкими свойствами, например, эпоксидным компаундом.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема прибора.
На фиг. 2 дана электронная схема прибора.
Устройство, содержащее корпус 1, оснащенный двумя парами прижимных рессор 2 и 3, спущено в скважину с обсадной колонной 4 и цементным кольцом 5, в котором образовались дефекты объемного 6 и контактного 7 типов, которые могут служить каналами 8 заколонной фильтрации газа из газового коллектора 9, вскрытого интервалом перфорации 10 (фиг. 1).
На корпусе 1 расположены две пары разнесенных по длине корпуса 1 кронштейнов. В первой паре кронштейнов 11 один конец каждого кронштейна соединен с электрогидравлическим приводным механизмом 12, который расположен в корпусе 1 и управляется с поверхности, а свободные концы кронштейнов 11 снабжены герметичными контейнерами 13, содержащими акустические преобразователи, выполненные в виде ферромагнитного П-образного сердечника 14 с намотанной на него обмоткой 15. Герметичные контейнеры залиты диэлектрическим, изолирующим составом, обладающим абразивно-стойкими свойствами, например, эпоксидным компаундом.
П-образные сердечники 14 с намотанной на него обмоткой 15 помещены в закрепленные на первой паре прижимных рессор 2 герметичные контейнеры 13, прижимаемые при помощи первой пары прижимных рессор 2 к стенке обсадной колонны 4 стороной 16, перекрывающей разомкнутую часть 17 П-образного сердечника 14, образуя в контакте со стенкой обсадной колонны 4 замкнутый магнитопровод. Первая пара кронштейнов 11 приводится в действие электрогидравлическим приводным механизмом 12, управляемым блоком управления 18, расположенным в герметичном отсеке 19 корпуса 1. В отсеке 20 корпуса 1 размещена электронная схема с блоком 21 синхронизации работы прибора, имеющим двустороннюю электрическую связь с блоком управления 18. Выход блока 21 синхронизации работы прибора соединен с генератором токовых импульсов 22, выход которого соединен с коммутатором 23, имеющим двустороннюю электрическую связь с блоком 21 синхронизации работы прибора. Один выход коммутатора 23 соединен с усилителем принятых токовых импульсов 24, который своим выходом связан с блоком синхронизации 21. Другой выход коммутатора 23 соединен с обмоткой 15 П-образного сердечника 14 (фиг. 2).
На некотором расстоянии от первой пары кронштейнов 11 с соленоидами на корпусе 1 расположена (аналогично первой паре) вторая пара кронштейнов 25 снабженных герметичными контейнерами 26, содержащими акустические преобразователи, выполненные в виде ферромагнитного П-образного сердечника 27 с намотанной на него обмоткой 28. П-образные сердечники 27 с намотанной на него обмоткой 28 помещены в закрепленные на второй паре прижимных рессор 3 герметичные контейнеры 26, прижимаемые при помощи второй пары прижимных рессор 3 к стенке обсадной колонны 4.
Вторая пара кронштейнов 25 приводится в действие электрогидравлическим приводным механизмом 29, управляемым единым блоком управления 18. При этом обмотка 28 соединена с коммутатором 23 (фиг. 2).
Устройство работает следующим образом.
В скважину с металлической (стальной) обсадной колонной 4 и цементным кольцом 5 спускают устройство на геофизическом кабеле (на фиг. 1 не показано). Прижимные рессоры 2 и 3 корпуса 1 находятся в сложенном (прижатом) состоянии за счет того, что кронштейны 11 и 25, соединенные с герметичными контейнерами 13 и 26, установленными на прижимных рессорах 2 и 3, находятся в сложенном состоянии и удерживаются от раскрытия при помощи электрогидравлических приводных механизмов 12 и 29, управляемых блоком управления 18, расположенным в герметичном отсеке 19 корпуса 1 и соединенным посредством геофизического кабеля с поверхностью. При этом закрепленные на прижимных рессорах 2 и 3 герметичные контейнеры 13 и 26 с находящимися в них соленоидами 14 и 27 в виде ферромагнитного П-образного сердечника с намотанной на него обмоткой удалены от стенки обсадной колоны 4 и не имеют с ней контакта.
При достижении прибором интересующего интервала, например, где образовались дефекты объемного 6 и контактного 7 типов, с поверхности по геофизическому кабелю на блок управления 18 электронной схемы прибора (фиг. 2) подается команда, приводящая в действие электрогидравлические приводные механизмы 12 и 29 которые раскрывают кронштейны 11 и 25, при этом прижимные рессоры 2 и 3 за счет упругости имеют возможность прижать к стенке обсадной колонны 4 герметичные контейнеры 13 и 26 с находящимися в них соленоидами 14 и 27, при этом обеспечивается скользящий контакт между ними и ОК 4.
Затем на блок управления 18 поступает команда по запуску блока 21 синхронизации работы прибора, генератора токовых импульсов 22 и усилителя принятых токовых импульсов 24.
Токовые импульсы от генератора 22, проходя по обмотке 15, возбуждают в ферромагнитном П-образном сердечнике 14 кратковременное поле магнитной индукции, которое замыкаясь через локальный участок обсадной колонны 4 (поскольку герметичные контейнеры 13 стороной 16 с находящимися в них соленоидами 14 прижаты к стенке ОК), создает в этом участке сильную притягивающе-отталкивающую механическую деформацию, которая вызывает в стенке ОК упругий импульс, распространяющийся от места его возбуждения в обе стороны по стальной стенке ОК 4 со скоростью более 5000 м/сек и достигает места расположения второй пары кронштейнов 25 с герметичными контейнерами 26 с находящимися в них соленоидами 27 в виде ферромагнитного П-образного сердечника с навитой на него обмоткой 28. При этом упругий импульс, за счет изменения магнитной проницаемости зазора между стенкой ОК и ферромагнитным П-образным сердечником 27, наводит в его обмотке 28 ЭДС самоиндукции в виде токового импульса, амплитуда которого зависит от величины амплитуды достигшего его упругого импульса, величина которого в свою очередь зависит от жесткости контакта цементного кольца 5 с ОК 4 и типа находящегося за ней дефекта цементного камня: объемного 6, либо контактного 7. Принятый обмоткой 28 токовый импульс поступает через коммутатор 23 на усилитель принятых токовых импульсов 24 и далее передается в блок 21 синхронизации работы прибора с последующей передачей на блок управления 18 электронной схемой прибора и далее на поверхность по кабелю (на фиг. 1 не показан).
Для более достоверной оценки состояния контактов цементного кольца 5 с ОК 4 в газовой скважине в электронной схеме прибора предусмотрен режим «реверса», когда блоком управления 18 по команде с поверхности переключают с помощью коммутатора 23, имеющим двустороннюю электрическую связь с блоком 21 синхронизации работы прибора, выход генератора токовых импульсов 22 на подачу импульсов тока на вторую пару соленоидов 27, а соленоиды 14 первой пары, установленные в герметичных контейнерах 13, подключают к входу усилителя принятых токовых импульсов 24.
Полученные результаты измерений в намеченном для исследования интервале ОК в каждом из двух режимов передаются на поверхность через блок 18 управления работой электронной схемой прибора, где сравниваются между собой для получения обобщающей диаграммы, которая более достоверно характеризует состояние контакта цементного кольца 5 с ОК 4.
Конструкция заявляемого прибора позволяет использовать стальную ОК 4 одновременно в качестве источника и проводника (волновода) упругих колебаний в окружающее ее цементное кольцо, а затем регистрировать принятые упругие колебания ОК 4 на некотором удалении от места возбуждения, интенсивность которых изменяется в зависимости от степени демпфирования ОК 4 цементным кольцом за нею при различной плотности контакта между ними независимо от типа среды, заполняющей внутренний объем скважины, в том числе, полностью - газовой.
Решение технической задачи по исследованию газовых скважин без заполнения их водой при помощи заявленного устройства обеспечивается особой конструкцией акустических преобразователей для возбуждения и приема «прямых» акустических волн в колонне ОК 4 и прижимных рессор, обеспечивающих их контакт со стенкой ОК 4 в скользящем режиме с обеспечением необходимой плотности их соприкосновения со стенкой ОК 4, что существенно отличает предложенное решение от известных конструкций акустических преобразователей, работающих на «преломленных» акустических волнах, требующих заполнения скважин жидкостью, либо передающих упругие колебания в обсадную колонну через иммерсионную жидкость, заполняющую контейнер с магнитострикционными преобразователями.