СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЛИНИСТОЙ КОРКИ
METHOD FOR DETERMINING ACOUSTIC CHARACTERISTICS OF CLAY CAKE

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 известном способе используют низкочастотный акустический датчик в режиме прослушивания для оценки коэффициента диффузии давления глинистой корки κ, который непосредственно связан с герметизирующими характеристиками глинистой корки. В качестве устройства для создания гармонических или периодических колебаний давления использовался поршень камеры предварительных испытаний или любого другого устройства. Однако выработка колебаний давления не всегда возможна на практике.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в создании простого и эффективного способа определения характеристик глинистой корки в скважине, позволяющего определить характеристики глинистой корки с применением источника давления, вырабатывающего неколеблющийся сигнал (например, единичный ступенчатый импульс давления).
Указанный технический результат достигается за счет того, что в скважине по меньшей мере одним акустическим датчиком регистрируют отклик на низкочастотный неколеблющийся сигнал давления, из полученного сигнала определяют по меньшей мере одну характеристику переходного процесса изменения давления, определяют толщину глинистой корки и на основе полученных значений определяют по меньшей мере одно из следующих значений: пьезопроводность глинистой корки и подвижность флюида.
Характеристиками переходного процесса являются показатель экспоненты переходной компоненты решения, момент времени, когда переходный компонент решения достигает своего максимума, и значение максимального давления, достигнутого во время переходного процесса.
В качестве неколеблющегося источника давления могут быть использованы как естественные источники, так и техногенные.
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, акселерометры, датчики давления и т.п.
Источник низкочастотных сигналов давления одновременно может быть акустическим датчиком.
Источник и/или датчик низкочастотных сигналов давления может быть установлен на пакере.
Источник и/или датчик низкочастотных сигналов давления может быть установлен на пробоотборнике.
Источник и/или датчик низкочастотных сигналов давления 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.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показано отношение давления со стороны датчика, установленного в глинистой корке, к амплитуде давления с другой стороны для различных значений проницаемости.
mc
ƒor
mc
b
Для получения параметров формации и глинистой корки распространение импульса давления через них можно разделить. Учитывая, что длина волны рассеивания давления в глинистой корке λ значительно меньше длины волны в пласте λ и что толщина глинистой корки h значительно меньше радиуса скважины R, описание распространения сигнала давления через глинистую корку можно сократить до простой одномерной задачи.
где κ - пьезопроводность (коэффициент диффузии давления), P - давление, х - линейная координата, перпендикулярная поверхности глинистой корки, k - проницаемость, с пограничными условиями
Решение задачи (1)-(2) таково:
Это означает, что в случае источника, вырабатывающего неколеблющийся сигнал давления, отклик датчика будет содержать только переходный процесс. Например, рассмотрим ступенчатую функцию источника:
Путем простых преобразований решения (3), (4) получаем выражение:
0
для t≤τ
и
0
для t>τ
0
Можно увидеть, что данное решение содержит только переходный процесс. Этого результата можно было ожидать, т.к. отсутствуют источники стимулирования наведенных колебаний. Эта ситуация рассмотрена в качестве примера на фиг.1, на которой составлены графики P/P(t) для моделей с различными значениями проницаемости. В этом случае в качестве источника был выбран ступенчатый начальный импульс давления продолжительностью 10 с. Можно увидеть, что переходный процесс, его максимум и дальнейшее затухание являются в достаточной степени выраженными, и их можно использовать для оценки проницаемости глинистой корки. Возможность этого создается за счет анализа как роста начального давления, так и за счет длительного понижения давления. Оба этих процесса можно проанализировать, используя формулы (5), (6).
В общем случае для любого неколебательного импульса давления отклик давления будет содержать только переходный процесс. Этот процесс отличается несколькими характерными чертами, которые можно использовать для оценки пьезопроводности глинистой корки κ:
1) экспонент переходного компонента решения;
max
2) момент времени τ, когда переходный компонент решения достигает своего максимума;
3) значение максимального давления, достигнутого во время переходного процесса.
max
max
max
Выделение характеристик из отклика датчика (переходный процесс) не представляет трудностей. Нахождение τ и максимального давления представляется простым. Для извлечения описанных выше величин из сигнала, регистрируемого датчиком, мы предлагаем использовать идеи теории обработки и фильтрации сигналов и синхронизированных по фазе контуров для разделения переходных и колебательных процессов. Это объясняется тем, что частота вынужденных колебаний известна (частота источника), а спектральное содержание переходного компонента решения сконцентрировано вокруг намного более низких частот. Следовательно, для извлечения переходного компонента решения можно применить фильтр низких частот. Тогда найти τ можно очень легко. Если выбрать затухающую часть переходного компонента (при t>τ) и взять ее логарифм, можно найти интервал времени, когда наклон кривой становится постоянным. Это указывает на то, что достигнута фаза, характеризуемая присутствием только одного оставшегося экспонента. Начальная стадия этого процесса регистрируется датчиком, и ее можно проанализировать, используя формулы решения (5), (6). Если знать эти значения и использовать формулы, устанавливающие их соотношения с κ, можно легко оценить его значение (например, путем простых итераций или использования обычного решателя для нахождения корней функций).
Использование акселерометров в качестве датчиков позволяет охватить широкую и, в особенности, высокочастотную область 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) /датчик(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 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 разместить в различных местах: башмаке пробоотборника, опорном башмаке и т.д. Это может обеспечить снижение или устранение шума, а также возможность измерения пьезопроводности. 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 коэффициента диффузии давления глинистой корки κ предлагается использовать сигналы, регистрируемые низкочастотным акустическим датчиком.
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%.