СКВАЖИННЫЙ ПРИБОР АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН
DOWNHOLE DEVICE FOR ACOUSTIC QUALITY CONTROL OF CEMENTING WELLS

Изобретение относится к области геофизических исследований обсаженных скважин с целью контроля качества цементирования обсадных колонн.
История вопроса.
Принцип работы скважинного прибора акустического контроля качества цементирования (АКЦ) скважин заключается в возбуждении в скважине импульсов упругих волн одним или несколькими излучателями и регистрации одним или несколькими приемниками упругих волн, распространяющихся по обсадной колонне.
Из области техники известен скважинный прибор АКЦ (патент США №3.401.772 от 17.09.1968 г.), содержащий излучатель и приемник упругих волн, которые размещены относительно друг друга на фиксированном расстоянии вдоль оси прибора и центрирированы относительно исследуемой обсадной колонны с помощью специальных центраторов, размещенных на корпусе прибора. Излучатель возбуждает в скважинной жидкости упругие волны, которые через жидкость попадают на обсадную колонну, распространяются по ней и через жидкость попадают на приемник упругих волн прибора. По амплитуде и времени прихода регистрируемых упругих волн определяют качество цементирования обсадной колонны.
Известные приборы АКЦ с центрируемыми акустическими зондами имеют следующие недостатки:
1. Амплитуда и время прихода регистрируемых акустических сигналов зависят от акустических параметров скважинной жидкости (плотности, степени газосодержания, температуры и давления). При этом параметры жидкости изменяются в зависимости от глубины скважины и не учитываются при интерпретации регистрируемых данных, что вносит существенные погрешности при оценке качества цементирования обсадной колонны.
2. В наклонно-направленных скважинах, особенно в колоннах большого диаметра, как правило, происходит расцентровка прибора относительно оси обсадной колонны из-за ограниченной жесткости центраторов и/или их износа, что искажает регистрируемые акустические сигналы и вносит значительные дополнительные погрешности при измерении исследуемых параметров.
Указанные недостатки в конструкции описанных приборов существенно снижают достоверность заключений о качестве цементирования обсадных колонн, особенно при их больших диаметрах.
Известны скважинные приборы АКЦ с прижимными к обсадной колонне акустическими зондами (патент США №4.802.145 от 31.01.1989 г., патент США №4.805.156 от 14.02.1989 г.), которые позволяют устранить вышеуказанные недостатки. Так в конструкции известных скважинных приборов АКЦ каждый из прижимных зондов содержит один излучатель упругих волн и один приемник упругих волн. При этом прижимные зонды разнесены на фиксированном расстоянии друг от друга по продольной оси прибора и равномерно развернуты относительно друг друга в плоскостях поперечного сечения устройства, образуя равные секторы излучения. Излучатели на прижимных зондах возбуждают в обсадной колонне импульсы упругих волн, которые распространяются вдоль образующей обсадной колонны и, отражаясь, воспринимаются соответствующими приемниками упругих волн. По амплитуде и времени прихода регистрируемых акустических сигналов оценивается качество цементирования обсадной колонны.
Недостатком известного устройства является зависимость амплитуд регистрируемых сигналов от характеристик электроакустических преобразователей зонда (мощности излучателя и чувствительности приемника), которые могут изменяться в зависимости от скважинных условий - температуры и гидростатического давления. Помимо этого, на регистрируемую амплитуду влияют степень прижатия прижимных зондов с электроакустическими преобразователями к обсадной колонне. А соответственно - и степень центрирования скважинного прибора. Низкое качество этих параметров снижают достоверность заключений о качестве цементирования обсадной колонны.
Известен также прибор АКЦ (патент США №4.805.156 от 14.02.1989 г.), который позволяет устранить недостатки вышеописанного прибора. Этот прибор выбран в качестве прототипа предложенного технического решения.
1
1
3
3
5
5
2
2
4
4
6
6
Известное устройство (прототип) содержит электронный блок и шесть двухэлементных акустических зондов, прижимаемых к обсадной колонне с помощью шести подпружиненных рычагов, разнесенных через друг друга по периметру прибора. Каждый двухэлементный зонд содержит один излучатель и один приемник упругих волн, размещенные на фиксированном расстоянии L друг от друга вдоль образующей обсадной колонны. Соседние по периметру прибора зонды смещены в нижнюю сторону прибора вдоль образующей колонны на расстояние L/2 и отличаются тем, что, если в верхней части зонда размещен излучатель, то в соседнем нижнем зонде в верхней части размещен приемник. И далее по периметру прибора такое размещение зондов повторяется через 60°. Три верхних зонда содержат пары излучатель T - приемник R, Т-R, Т-R, а три нижних зонда содержат пары приемник R - излучатель Т, R-Т, R-Т.
Работа известного устройства состоит из 6 циклов измерений, в каждом из которых измеряется коэффициент затухания упругих волн, распространяющихся по обсадной колонне в секторе 60°.
Каждый цикл измерений состоит из 2-х полуциклов.
1
12
12
2
13
13
3
Например, в первом полуцикле возбуждается излучатель T и регистрируется амплитуда А и время прихода Т акустического сигнала на второй R приемник и соответственно амплитуда А и время прихода Т сигнала на третий приемник R.
4
43
43
3
42
42
2
Во втором полуцикле возбуждается излучатель Т и регистрируется амплитуда А и время прихода Т акустического сигнала на третий приемник R и амплитуда А и время прихода Т сигнала на второй приемник R.
1
В первом полуцикле измерений рассчитывается коэффициент затухания упругих волн α по формуле:
к
2
Где V - известная скорость распространения упругих волн по обсадной колонне. Во втором полуцикле измерений рассчитывается коэффициент затухания α упругих волн по обсадной колонне по формуле:
Затем определяется среднее (компенсированное) значение коэффициента затухания упругих волн в данном секторе обсадной колонны
На измеренный таким образом коэффициент затухания упругих волн не влияет мощность излучателей и чувствительность приемников измерительных зондов, а также степень их прижима к обсадной колонне, так как измерения выполняются компенсационным способом.
2
5
3
4
В следующем цикле измерений поочередно возбуждаются излучатели Т и Т, акустические сигналы регистрируются приемниками R и R. Коэффициент затухания упругих волн определяется для следующего 60° сектора обсадной колонны..
3
6
4
1
5
2
6
3
Далее сканирование обсадной колонны выполняется по ее периметру с помощью излучателей Т-Т, затем Т-T, Т-Т и Т-Т.
В результате за 6 циклов измерений коэффициента затухания упругих волн прибор позволяет выполнять оценку качества цементирования обсадной колонны по ее периметру в 6-ти секторах.
Недостатком известного устройства АКЦ является сложность конструкции, а именно - большое количество электроакустических преобразователей (6 излучателей и 6 приемников) и большая длина прижимного зонда - 1,5 L (L - расстояние между излучателем и приемником зонда), а также - большая длина прибора, обусловленная тем, что прижимные зонды разнесены относительно друг друга по продольной оси корпуса, При этом электроакустические преобразователи размещены вне герметичного корпуса прибора на прижимных башмаках, что требует их надежной электроизоляции и защиты от воздействия давления и температуры скважинной жидкости. Соответственно, чем больше электроакустических преобразователей, тем ниже надежность прибора.
Большая длина прижимного зонда с двумя преобразователями увеличивает площадь трения зонда по обсадной колонне при движении прибора в скважине, что создает акустические шумы и помехи, снижающие точность измерений параметров регистрируемых упругих волн.
Кроме этого, большая длина прижимных зондов прибора, больше габаритные размеры и масса прибора Например, прибор SBT фирмы Baker Hughes, реализованный по данному патенту, имеет длину 10,1 м и массу 218 кГ (www.bakerhughes.com). значительно снижают его эксплуатационные характеристики при калибровке, транспортировке и обслуживании на скважине.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерений за счет снижения уровня акустических шумов и помех при движении прибора в скважине. А также - упрощение конструкции прибора и повышение ее надежности и удобства эксплуатации.
Поставленная задача решается следующим образом.
В скважинном приборе акустического контроля качества цементирования скважин, содержащем герметичный корпус с электронным блоком, состоящим из телеметрического устройства, контроллера, генератора импульсов возбуждения и приемного устройства, и прижимные зонды с размещенными на них электроакустическими преобразователями, согласно изобретению
- электронный блок дополнительно оснащен коммутатором режима работы преобразователей,
- каждый из прижимных зондов содержит один электроакустический преобразователь, связанный с коммутатором режима преобразователей
- все прижимные зонды установлены в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса, и равномерно разнесены относительно друг друга на равные секторы,
Предложенное техническое решение конструкции по сравнению с известными аналогами обеспечивает новый технический результат, а именно
- оснащение электронного блока коммутатором режима работы преобразователей обеспечивает возможность применения в каждом прижимном зонде по одному приемопередающему электроакустическому преобразователю (в отличие от двух - как у прототипа), что в два раза сокращает количество применяемых измерительных датчиков и соответственно упрощает конструкцию и повышает ее надежность;
- наличие одного приемо-передающего электроакустического преобразователя на прижимном зонде позволяет сократить длину последнего на 1,5L (где L - расстояние между излучателем и приемником в акустическом зонде прибора - прототипа), и тем самым обеспечивает возможность снижения диаметра скважинного прибора;
- размещение всех прижимных зондов в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса, позволяет значительно сократить длину прибора, его габаритные размеры и массу, и соответственно улучшить его эксплуатационные характеристики, поскольку сокращается площадь контакта прижимного зонда с обсадной колонной;
- в связи с уменьшением количества приемо-передающих электроакустических преобразователей и длины зондов, на которых они установлены, уменьшается уровень акустических шумов и помех при движении прибора в скважине, то есть - повышается точность измерений акустических сигналов.
Предложенное техническое решение просто, надежно и экономично в эксплуатации, Для практической реализации предложенной конструкции скважинного прибора акустического контроля качества цементирования скважин не требуется специальных материалов и оборудования.
На фиг. 1 представлен вариант конструкции предложенного прибора,
На фиг. 2 - структурная схема прибора.
Скважинный прибор акустического контроля качества цементирования скважин (далее - скважинный прибор) содержит герметичный корпус 1 с электронным блоком 2, и электроакустический зонд 3 в виде шести прижимных зондов 4-9, расположенных в одной плоскости, на каждом из которых установлены электроакустические преобразователи 10-15 соответственно. Прижимные зонды 4-9 радиально разнесены относительно друг друга через 60° по периметру корпуса 1. Конструктивно прижимные зонды 4-9 опираются на пружинное устройство или гидравлический поршень (на фиг. не показано), что, позволяет создавать заданное усилие для прижима электроакустических преобразователей к обсадной колонне.
Структурная схема электронного блока 2 скважинного прибора (фиг. 2) содержит телеметрическое устройство 16 контроллер 17, генератор импульсов возбуждения 18, приемное устройство 19, и коммутатор 20 режима работы электроакустических преобразователей 10-15.
Скважинный прибор работает следующим образом.
Из наземного каротажного регистратора по каротажному кабелю на телеметрическое устройство 16 подаются команды, запускающие цикл измерений скважинного прибора на каждой заданной глубине исследований.
12
13
12
13
Цикл измерений скважинного прибора задается контроллером 17, который на коммутаторе 20 режима преобразователей формирует двенадцать управляющих команд (по две на каждый из электроакустических преобразователей 10-15). По первой команде коммутатор 20 режима преобразователей подключает к генератору импульсов возбуждения 18 электроакустический преобразователь 10 прижимного зонда 4, а к приемному устройству - электроакустические преобразователи 11 и 12 прижимных зондов 5 и 6 соответственно. Электроакустический преобразователь 10 возбуждает в обсадной колонне импульс упругих волн, которые распространяются по обсадной колонне (в направлении, указанном на фиг. 2), воспринимаются электроакустическими преобразователями 11 и 12 и преобразуются в электрические импульсы, Полученные электрические импульсы приемным устройством 19 усиливаются, фильтруются, оцифровываются и через контроллер 17 и телеметрическое устройство 16 передаются в наземный каротажный регистратор (на фиг. не показано), который измеряет амплитуду А, А и время распространения T, Т акустических сигналов по обсадной колонне от электроакустических преобразователей 10, 11 и 12.
43
42
43
42
По второй команде контроллера 17 коммутатор 20 режима преобразователей подключает к генератору импульсов возбуждения 18 электроакустический преобразователь 13, а к приемному устройству 19 - электроакустические преобразователи 11 и 12. При этом электроакустический преобразователь 13 возбуждает импульс упругих волн, которые распространяются по обсадной колонне (в направлении, указанном на фиг. 2) и воспринимаются электроакустическими преобразователями 11 и 12. Принятые сигналы через приемное устройство 19, контроллер 17 и телеметрическое устройство 16 передаются в наземный каротажный регистратор, который измеряет амплитуду А, А и время распространения Т, Т акустических сигналов по обсадной колонне от электроакустических преобразователей 11, 12 и 13.
По результатам этих измерений рассчитывается коэффициент затухания упругих волн по обсадной колонне в интервале между электроакустическими преобразователями 11 и 12 по следующим формулам:
ср
где α - среднее (компенсированное) значение коэффициента затухания упругих волн.
ср
α не зависит от приемно-передающих характеристик преобразователей и степени их прижима к обсадной колонне.
23
24
23
24
По третьей команде контроллера 17 к генератору импульсов возбуждения 18 подключается 2-й преобразователь, а к приемному устройству - 3-й и 4-й преобразователи. При этом выполняются измерения амплитуд А, А и времени распространения Т, Т аналогично вышеописанному процессу.
54
53
54
53
По четвертой команде контроллера к генератору импульсов возбуждения подключается 5-й преобразователь, а к приемному устройству - 3-й и 4-й преобразователи. При этом выполняются измерения амплитуд А, А и времени распространения Т, T.
34
По результатам этих измерений рассчитывается среднее (компенсированное) значение коэффициента затухания α упругих волн в интервале между 3-м и 4-м преобразователями.
Далее по последующим командам контроллера выполняются аналогичные измерения в остальных секторах обсадной колонны.
То есть за один полный цикл измерений выполняется сканирование обсадной колонны по ее периметру в 6-ти секторах протяженностью 60°.
По коэффициенту затухания упругих волн, измеренному в каждом секторе, выполняется оценка качества цементирования обсадной колонны по ее периметру в соответствии с критериями, полученными экспериментально на моделях обсаженных скважин.
Таким образом, предложенное техническое решение решает поставленную задачу изобретения в полном объеме, а именно:
- повышает надежность конструкции устройства за счет уменьшения количества используемых акустических преобразователей;
- повышает точность измерений за счет снижения уровня акустических шумов и помех при движении прибора в скважине за счет уменьшения площади соприкосновения электроакустических преобразователей с обсадной колонной, что соответственно;
- обеспечивает возможность проведения высокоточных электроакустических измерений в том числе - в скважинах большого диаметра;
- уменьшает габаритные размеры и массу прибора за счет уменьшения длины прижимных акустических зондов и длины корпуса в целом, что повышает его экономичность и эксплуатационные возможности.
В приведенном выше описании представлен оптимальный вариант конструкции скважинного прибора, содержащей шесть прижимных зондов с электроакустическими датчиками на каждом соответственно. Однако это не ограничивает количество применяемых измерительных элементов. По предложенному техническому решению, в зависимости от поставленных задач исследования, возможно построение прибора с большим количеством прижимных акустических зондов, например, 8-ми зондового прибора, позволяющего сканировать обсадную колонну через каждые 45°.