Основы акустического метода контроля за цементированием и реализующая его аппаратура

 

Метод акустического контроля за цементированием скважин основан на зависимости параметров акустических колебаний (амплитуды, скорости, частоты, и др.) от упругих и поглощающих свойств окружающей среды, в том числе и от характера связи цементного кольца с колонной и породой в скважине [29, 77].

Основными узлами скважинного прибора аппаратуры акустического контроля за цементированием скважин являются излучатель (И) акустических колебаний и приемник (П). Попадающие после прохождения от излучателя через буровой раствор, колонну и породу в приемник акустические колебания (волновые сигналы) преобразуются в электрические сигналы, которые передаются по каротажному кабелю к наземной панели управления. С помощью каротажного регистрирующего устройства, подсоединяемого к панели управления АКЦ, непрерывно по стволу скважины записываются в аналоговой форме кривые изменения значений трех параметров акустических колебаний: амплитуды продольной акустической волны, распространяющейся по колонне - , амплитуды акустической волны, превышающей в первых вступлениях некоторый заданный уровень - (при наличии контакта цементного камня с колонной и породой может являться амплитудой волны, распространяющейся по породе); времени распространения (пробега) продольной акустической волны от излучателя до приемника - Т (при прохождении волны по незацементированной колонне это время равно , при прохождении по породе - ).

Регистрация этих параметров производится одновременно, при движении в колонне скважинного прибора со скоростью около 1200 м/ч.

В свободной (незацементированной) колонне, так же как при отсутствии контакта цементного камня с колонной, значения максимальны, значения Т минимальны и равны (для АКЦ-4 около 550 мкс), а кривая повторяет по конфигурации кривую и не несет никакой информации о состоянии контакта цементного камня с породой.

Наличие контакта цементного камня с колонной отмечается на акустической цементограмме нулевыми или близкими к нулю значениями , обусловленными демпфированием колебаний колонны цементным кольцом. Промежуточные между и значения характеризуют частичность (или неопределенность) такого контакта.

Только при наличии или иногда частичности контакта цементного камня с колонной возможна оценка состояния контакта его с породой, который наиболее уверенно определяется по соответствию конфигураций кривых цементограммы и амплитуды продольной волны, распространяющейся по породе - акустического каротажа в необсаженном стволе данной скважины, а также по близости значений Т на цементограмме к Т' акустического каротажа.

В интервалах ствола скважины против вскрытых в ее разрезе плотных (" высокоскоростных" с ) пластов и, наоборот, против рыхлых и кавернозных пород ( ) интерпретация акустических цементограмм усложняется.

На рис. 42 представлена схема комплексной интерпретации кривых , Т и цементограммы совместно с диаграммой акустического каротажа в необсаженной скважине (АК) и кавернограмой, которые существенно уточняют данные акустической цементограммы. Так, против плотных, " высокоскоростных" пород (характеризующихся максимальными значениями амплитуды и минимальными значениями времени на диаграмме акустического каротажа, а так­же - отсутствием каверн на кавернограмме) контакт цементного камня с колонной и породой имеет место при значениях параметров цементограммы и . Наоборот, против глубоких каверн, характеризующихся неполным замещением бурового раствора цементным, как правило, отсутствует контакт цементного камня не только с породой, но и с колонной. Необходимо также учитывать, что в незацементированных участках колонны (в отличие от зацементированных), или при отсутствии контакта цементного камня с колонной, на кривых , и Т цементограммы обычно отмечаются места муфтовых соединений.

Метод акустического контроля за цементированием скважин с регистрацией в аналоговой форме кривых , и Т реализуется с помощью аппаратуры АКЦ-4, СПАК-6 в режиме АКЦ, АКЦ-36 и др. В целях повышения информативности и достоверности данных о качестве цементирования применяется акустическая аппаратура с трех- или четырех-, пятиэлементными зондами: двумя излучателями и одним приемником (разработанная в ВНИИнефтепромгеофизике акустическая аппаратура для комплекса ЦМГА-2, немецкая аппаратура USBA и др.) или двумя - четырьмя приемниками и одним излучателем (выпускаемая Краснодарской фирмой " Нефтегеофизприбор" аппаратура АК-4, АК-5, АК-6).

 

 

 

Рис. 42. Схема интерпретации цементограммы АКЦ совместно с диаграммой АК и кавернограммой:

1 - кавернограмма; 2 - номинальный диаметр скважины; 3, 4 - соответственно и диаграммы АК; 5, б, 7, 8 - соответственно , Т, и цементограммы АКЦ; 9 - местоположение муфтовых соединений; 10 - отсутствие цементного камня или контакта его с колонной; 11 - наличие контакта цементного камня с колонной и частичное с породой; 12 - отсутствие контакта цементного камня с колонной; 13 - контакт цементного камня с колонной и отсутствие контакта его с породой; 14 - контакт цементного камня с колонной и неопределенное состояние контакта его с породой

 

Применение такой аппаратуры позволяет регистрировать, кроме кривых и (где 1 - 4 - приемники или излучатели):

- кривую изменения интервального времени распространения акустических колебаний между двумя приемниками (излучателями) - Т, характеризующую скорость распространения акустических колебаний по колонне или горной породе;

- кривую изменения коэффициента затухания акустических колебаний, распространяющихся по колонне, характеризующую изменение прочностных свойств цементного кольца и его связи с колонной:

где: S - база акустического зонда, равная расстоянию между двумя приемниками (излучателями) большого и малого зондов;

- кривую изменения коэффициента затухания акустических колебаний, характеризующую изменение поглощающих свойств горных пород при наличии контакта цементного кольца с колонной и стенками скважины:

В связи с возможностью определения с помощью метода акустического контроля за цементированием не только характера распределения за колонной цементного камня, но и состояния его контакта с колонной (а иногда и с породой), этот метод считается в настоящее время наиболее информативным, а следовательно, и наиболее эффективным.

С целью сравнения эффективности методов контроля за цементированием скважин были совместно рассмотрены термограммы, гамма-гамма- и акустические цементограммы, зарегистрированные в скв. 67, 72, 78, пробуренных на Ленинградском месторождении Краснодарского краям, и в скв. 24 площади Канибадам Таджикистана. На основе сопоставления и анализа этих диаграмм с учетом данных проводки и крепления скважин сделаны следующие выводы [62].

На термограмме скв. 72 Ленинградской площади наличие цемента за колонной в большинстве случаев отмечается в кавернозной части скважины (рис.43). Однако на гамма-гамма-цементограмме и в зацементированном интервале против больших каверн наблюдается уменьшение плотности заколонной среды (см. рис.43, 2010 - 2030 м), а акустическая цементограмма показывает отсутствие контакта цементного камня с обсадной колонной.

Рис. 43. Результаты ГИС в скв. 72 Ленинградской площади:

1 - КС; 2 - ПС; 3 - кавернограмма; 4 - термограмма; 5, 6 - гамма-гамма-цементограмма; 7 - АК; 8 - ; 9 - ; 10 - ; 11 - отсутствие контакта цементного камня с колонной

 

Это обусловлено тем, что тампонажный раствор в кавернах либо перемешан с буровым, либо замещен им и, следовательно, не может надежно разобщать выше- и нижележащие пласты.

Термограмма и гамма-гамма-цементограмма этой же скважины свидетельствуют о несомненном наличии цемента в интервале 2010 - 2110 м, причем распределение его за колонной сравнительно равномерное. Но их показания не могут служить гарантией надежной разобщенности в заколонном пространстве пластов-коллекторов, тем более часто чередующихся. Согласно акустической цементограмме (см. рис.43), контакт цементного камня с колонной в этом интервале меняется от плотного до полного его отсутствия против кавернозных глинистых пластов.

При двухколонной конструкции скважин наличие или отсутствие цементного камня между колоннами часто не определяется с помощью термометрии и гамма-гамма-метода (рис.44 и 45).

Рис. 44. Результат исследования в скв. 24 на площади Канибадам:

1 - промежуточная колонна; 2 - эксплуатационная колонна; 3 - термограмма; 4 - гамма-гамма-цементограмма; 5 - цементный камень; б - , 7 - ; 8 - ; 9 - Т

 

Этот факт наиболее вероятно обусловлен сравнительно небольшой толщиной цементного камня между колоннами и экранным влиянием наружной колонны. Например, на наличие цементного камня между 146- и 245-мм колоннами в интервале 2395 - 2440 м скв. 24 площади Канибадам указывает лишь акустическая цементограмма (см. рис.44). По кривым же термометра и гамма-гамма-метода в этом случае цементный камень не обнаруживается.

В скв. 67 Ленинградской площади цементный камень над башмаком 219-мм кондуктора за 146-мм колонной отмечается тоже лишь на акустической цементограмме (см. рис.45).

Вышеизложенные факты подтверждают существенные преимущества акустического метода перед термометрией и гамма-гамма-метода при контроле за цементированием скважин.

Рис. 45. Результаты исследований в скв. 67 Ленинградской площади: 1 — кондуктор; 2 — колонна; 3 — термограмма; 4 — гамма-гамма-це-ментограмма; 5 — Ту 6 — Т; 7 — кривая Д,

Рис. 46. Схема остова моделей зацементированных скважин: 1 — внутренняя труба; 2 — наруж­ная труба; 3 — обратный клапан; 4 — отверстия

 

Однако в большинстве случаев и по акустической цементограмме невозможно правильно оценить проницаемость контакта цементного камня с колонной. Об этом свидетельствуют данные отечественных и зарубежных исследователей, которые изучали соотношения между проницаемостью " сцепления" (контакта) цементного камня с обсадными трубами и затуханием акустических сигналов. Ими показано, что непроницаемостью контакта обсадная колонна - цементный камень достигается при сопротивлении его сдвигу более 1, 5 МПа, тогда как затухание акустического сигнала в пределах 90 % имеет место при сопротивлении этого контакта сдвигу, равном 0, 3 - 0, 4 МПа. Отсюда следует, что почти полное затухание акустических колебаний возможно и при проницаемом контакте цементного камня с колонной. По мнению этих исследователей, прочность " сцепления" цементного камня с колонной в 1, 5 МПа может быть вообще не достигнута, если поверхность обсадной колонны недостаточно хорошо очищена от промывочной жидкости [62].

Оценка характера контакта цементного камня со стенками скважины (с породой) по акустическим данным, интерпретируемым даже в комплексе с другими геолого-геофизическими материалами, еще менее однозначна, чем оценка характера контакта его с колонной. Исходя из существующих представлений о взаимодействии цементного раствора с глинистыми пластами и глинистыми корками, образующимися на стенках скважин, можно лишь полагать, что проницаемость контакта сформировавшегося цементного камня с породой еще больше, чем контакта его с колонной.

Следует отметить, что рассмотренные результаты исследований степени проницаемости контактов цементного камня с колонной и породой, и ее отражении на акустической цементограмме в практических целях пока не используются.

Некоторыми путями изучения эффективности любого метода контроля за цементированием скважин являются их моделирование в виде зацементированных обсадных колонн (труб) и детальное исследование таких моделей зацементированных скважин этим методом. Методика и результаты части проведенных с помощью АКЦ в этом направлении работ изложены ниже [38].

Остовы трех изготовленных моделей, схема и размеры которых показаны на рис.46, представляли собой две коаксиально расположенные 245- и 146-мм обсадные трубы с общим днищем. Во внутренней трубе непосредственно над днищем имелись четыре равномерно расположенные по периметру отверстия, а над ними - обратный клапан и кольцо " стоп".

После спуска в скважину на бурильном инструменте межтрубное пространство остовов моделей через отверстия и обратный клапан подвергалось предварительной промывке глинистым раствором в течение 45 мин, а затем заполнялось раствором портландцемента плотностью 1, 75 г/см³.

Промывка производилась с целью покрытия поверхности труб модели глинистой пленкой, аналогичной образующейся на спущенной в скважину обсадной колонне.

Качество цементирования моделей исследовалось с помощью каротажной акустической аппаратуры ЛАК-2 и изготовленного двухэлементного малого зонда П0.5И. Для получения более полной и точной информации замеры проводились не с обычной панелью АКЦ, а с кинорегистратором АКР (разработанным в КФВНИИгеофизике), которым через каждые 20 см длины модели фотографировались волновые картины (ВК) полных акустических сигналов. По полученным фотографиям ВК были построены кривые изменения амплитуд первого вступления акустических колебаний ( А ), аналогов амплитуд волны, распространяющейся по колонне ( ), показанные на рис.47.

Анализ результатов сопоставления этих кривых позволил установить следующее:

- уровень подъема цементной массы в межтрубном пространстве во всех трех моделях четко отмечается наиболее резким подъемом кривых изменения амплитуд; в первой модели цементная масса недоподнята до верха трубы на 2 м, во второй - более чем на 3 м и в третьей - более чем на 2 м;

- сравнительно высокий общий уровень амплитуд первого вступления в зацементированной части моделей скважин указывает на недостаточную плотность или частичность контакта цементного камня с внутренней трубой во всех трех моделях;

- наименьшим отношением амплитуд в зацементированной и незацементированной частях модели и, следовательно, наибольшей плотностью контакта цементного камня с внутренней трубой характеризуется первая модель, а наибольшим отношением, т.е. наименьшей плотностью контакта - третья.

 

Рис.47. Сопоставление кривых изменения амплитуд первого вступления акустических колебаний А по длине ( L ) I, II и III моделей

 

Для дальнейших исследований были вырезаны из верхней, средней и нижней частей зацементированных участков моделей по два полуметровых патрубка (см. рис.47). Вторые патрубки каждой пары предназначались для дублирования исследований в случае получения аномальных результатов в первых.

С целью обнаружения дефектов в цементном камне и детального изучения изменения состояния его контакта с наружной трубой вырезанные зацементированные патрубки с помощью специальных щупов и прибора УКБ-1 " прозвучивались" через каждые 10 см как по образующим, так и по окружности наружной трубы. Полученные результаты свидетельствуют о том, что патрубки первой модели характеризуются наименьшими амплитудами акустических колебаний, зарегистрированных на наружной трубе, а патрубки из третьей модели - наибольшими, что еще раз подтвердило лучшее качество цементирования первой модели.

Дефекты и каналы в цементном камне с помощью такой методики акустических исследований зацементированных патрубков из моделей скважин не были обнаружены.

Чтобы проверить возможность прорыва газа, в межтрубное пространство патрубков с помощью компрессора подавался под давлением воздух через штуцер, ввернутый в отверстие, просверленное в средней точке наружной трубы. Прорыв воздуха в патрубке первой модели произошел при давлении 5, 5 МПа, а в патрубке третьей - при 2, 5 МПа, в основном между цементным камнем и поверхностью труб. Это также свидетельствует о более плотном контакте цементного камня с трубами в первой модели.

Для исследования характера связи между цементными кольцами и трубами, а также для визуального изучения и отбора образцов цементного камня наружные трубы зацементированных патрубков разрезались на фрезерном станке по образующим. При этом предпринимались возможные меры для сведения к минимуму нарушения их контакта с цементными кольцами и разрушения самого камня. В результате оказалось:

- трубы без усилий отделялись от цементного камня, а сам он при разрезании сползал с внутренней трубы, следовательно, " сцепления" цементного камня с поверхностью внутренней и наружной труб моделей не было;

- на поверхности и разломах цементных колец имелись заполненные глинистым раствором каналы диаметром 1 - 7 мм и длиной более 1 м, а также раковины (рис.48);

- одинаковая плотность высушенного камня во всех моделях (1600 кг/м³) указывает на то, что изменение амплитуды акустических колебаний обусловливается, в основном, изменением состояния его контакта с металлической трубой.

Таким образом, на основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

- подтверждается отсутствие " сцепления" между цементным камнем и покрытыми глинистой коркой трубами в скважинных условиях;

- подтверждается возможность образования в цементном камне раковин и каналов, способных быть проводниками пластовых флюидов, но не обнаруживаемых акустическими исследованиями;

- по данным акустических исследований возможно качественно дифференцировать состояние контакта цементного камня с колонной, которое является одним из основных факторов, определяющих степень герметичности заколонного пространства или возможность образования межпластовых перетоков (особенно газа) в нем.

На практике эффективность применения АКЦ ограничи­вается следующими основными факторами:

- недостаточной информативностью регистрируемых в аналоговой форме параметров акустического сигнала , Т и особенно , не позволяющей в большинстве случаев достаточно уверенно определять состояние контакта цементного камня с породой, а иногда - и с колонной;

- невозможностью выявления нарушений цементной оболочки с утлом раскрытия относительно оси скважины менее 60°, а также разрывов ее сплошности, не превышающих расстояние от излучателя до приемника вследствие невысокой разрешающей способности АКЦ;

- искажениями значений регистрируемых АКЦ параметров при наличии в буровом растворе газа, эксцентриситете и перекосе скважинного прибора в колонне и др.;

- невысокой точностью количественной интерпретации и сопоставимостью параметров , и Т вследствие нестабильности и неидентичности работы преобразователей, нелинейности измерительного тракта и различия " порогов" чувствительности АКЦ.

 

 

Рис. 48. Каналы и раковины в цементном кольце

 

Влиянием одного или нескольких из этих факторов можно объяснить нередкие случаи несоответствия сделанных на основе интерпретации акустических цементограмм заключений о качестве цементирования скважин результатам их освоения. Поэтому в общем случае по данным одного АКЦ затруднительно однозначно судить о прямом показателе качества цементирования скважин - герметичности заколонного пространства.

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться: