EA011630B1

EA011630B1 - Скважинный каротажный флюид для ультразвуковой цементометрии

Info

Publication number: EA011630B1
Application number: EA200801135A
Authority: EA
Inventors: Майкл А. Фриман
Original assignee: Эм-Ай Эл.Эл.Си.
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2009-04-28
Also published as: BRPI0617718A2; WO2007047878A1; EA200801135A1; CA2625379A1; US20080314586A1; EP1938128A1; US8186432B2; EP1938128A4

Abstract

Скважинный каротажный флюид и способы использования его, при этом скважинный каротажный флюид включает в себя базовый флюид, выбираемый из воды, бурового раствора на водной основе или бурового раствора на нефтяной основе, и добавку, выбираемую из кремнезема, или пробки, или аналогичного материала. Флюид имеет импеданс, в значительной степени отличающийся от импеданса базового флюида. Такой измененный импеданс способствует повышению точности измерений.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

В общем изобретение относится к акустическому (звуковому или ультразвуковому) каротажу.

Уровень техники

При осуществлении типичного процесса бурения нефтяной или газовой скважины колонну обсадных труб, обычно изготовленных из стали, спускают в ствол скважины после удаления бурильной трубы. Для компенсации пластового давления в стволе скважины используют буровой или каротажный флюид, такой как буровой раствор на водной основе (БРВО) или буровой раствор на нефтяной основе (БРНО). Затем наполнитель (обычно цемент) нагнетают в кольцевое пространство между обсадными трубами и стенкой скважины и вытесняют буровой раствор и образуют оболочку (или, как ее часто называют, сцепление цемента), выполняющую функции изоляции слоев пласта и защиты обсадных труб.

Получение оценки сцепления цемента является важным для определения, функционирует ли сцепление надлежащим образом, предотвращая перемещение жидкостей (таких как вода, нефть или буровой раствор) из одного слоя пласта в другой. Такую оценку обычно делают в процессе цементометрии, используя звуковые или ультразвуковые излучатели и датчики. В процессе акустического каротажа акустические импульсы излучаются от излучателей в зонде. Эти импульсы проходят через флюиды внутри обсадных труб и частично отражаются от границы раздела флюида и стали. Часть импульсов проходит дальше и частично отражается на границе раздела стали и цемента и на границе раздела цемента и пласта. Отраженные сигналы регистрируют на датчиках и анализируют.

Цементометрия с использованием акустических датчиков зависит от несоответствия импедансов между стальными обсадными трубами и флюидами по сравнению с обсадными трубами и цементом. В грубом приближении импеданс материала 1 (Ζ₁) может быть выражен как

2ι=Αι<7ι, уравнение (1) где ρ₀₁ является статической плотностью материала 1;

С₁ представляет собой скорость звука в материале 1.

Амплитуды излученной и отраженной акустических волн на границе раздела между материалом 1 и материалом 2 с различными импедансами имеют вид

Ζ, вес Θ, , _о.

А. - А= ^к А_г, уравнение (2)

Ζ₂ вес ©₂ где Л; представляет собой амплитуду падающей волны;

А_г представляет собой амплитуду отраженной волны;

Α_ή представляет собой амплитуду излученной волны;

Θ₁ является углом распространения волны в материале 1 и

Θ₂ является углом распространения волны в материале 2, измеренными относительно оси, перпендикулярной к границе раздела.

Когда импеданс материала является анизотропным, Ζ имеет тензорную форму. При иллюстрации изобретения заявитель не использует тензорное описание Ζ. Кроме того, существуют постоянные множители, которыми нормируют уравнение (2), чтобы получать частные результаты, которые в описании опущены. Для иллюстрации затрагиваемых физических принципов в пределах всего описания используется простая форма уравнения (2).

Сущность изобретения

Согласно одному аспекту варианты осуществления, раскрытые в настоящем изобретении, относятся к способу скважинного каротажа, содержащему изменение импеданса скважинного каротажного флюида и излучение акустических сигналов через скважинный каротажный флюид к обсадным трубам.

Согласно другому аспекту варианты осуществления, раскрытые в настоящем изобретении, относятся к способу скважинного каротажа, содержащему изменение импеданса скважинного каротажного флюида и излучение и прием акустических сигналов через скважинный каротажный флюид к отражающим поверхностям и от них внутри и с наружной стороны ствола скважины, включая обнаженные поверхности геологических пластов на стенке ствола скважины. Трещины в пластах, как искусственно образованные, так и естественные, также могут давать отражения. Большие композиционные изменения, такие как острые складки или внутрипластовые пески и глинистые сланцы, также могут быть отражающими. По амплитуде, фазе и временам пробега акустических сигналов, отражаемых от таких объектов, можно выявлять форму и шероховатость ствола скважины, характер и величину однородных и неоднородных механических напряжений, имеющихся в пластах и вокруг буровой скважины.

Согласно еще одному аспекту варианты осуществления, раскрытые в настоящем изобретении, относятся к способу использования скважинного каротажного флюида, приготовления скважинного каротажного флюида, содержащему этапы, на которых получают добавку, имеющую в значительной степени иной импеданс по сравнению с импедансом базового материала, в виде частиц, имеющих значительно меньшие размеры, чем длина волны акустического сигнала; смешивают базовый флюид с добавкой, нагнетают скважинный каротажный флюид в скважину, а также излучают и принимают акустические сигналы через указанный скважинный каротажный флюид.

- 1 011630

Согласно еще одному аспекту варианты осуществления, раскрытые в настоящем изобретении, относятся к скважинному каротажному флюиду, содержащему базовый флюид и добавку, имеющую в значительной степени иной импеданс по сравнению с импедансом указанного базового флюида.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

фиг. 1 - схема каротажной операции и фиг. 2 - иллюстрация множества примерных траекторий, проходимых акустическими импульсами в обсаженной скважине.

Должно быть понятно, что чертежи будут использоваться только с иллюстративной целью, а не как показатель объемов и границ изобретения или как основа для обнаружения несуществующих и не изложенных ограничений в формуле изобретения.

Подробное описание

Согласно одному аспекту варианты осуществления, раскрытые в настоящем изобретении, относятся к цементометрии и способам воздействия на импеданс скважинного каротажного флюида. Как отмечалось выше, цементометрия является важной для контроля качества сцепления цемента. Такой каротаж осуществляют, излучая акустические импульсы через каротажный флюид и обсадные трубы и принимая отраженные импульсы от границы раздела обсадных труб и цемента.

В общем случае точность измерения качества сцепления цемента определяется интенсивностью и временной протяженностью (длительностью колебаний) отраженных акустических импульсов. Факторы, влияющие на измерения, включают в себя отражение и прохождение акустических импульсов на границе раздела флюида и обсадных труб. Как отмечалось выше, амплитуда отраженных импульсов сильно зависит от отношения импеданса флюида и импеданса обсадных труб.

Обычно при практических применениях каротажа используют сталь для обсадных труб и воду или буровой раствор на водной основе, или буровой раствор на нефтяной основе в качестве каротажного флюида. Если импеданс обсадных труб или импеданс каротажного флюида может быть изменен, то результаты измерений отраженных импульсов могут быть оптимизированы. Варианты осуществления, раскрытые в настоящем изобретении, включают в себя способы воздействия на импеданс каротажного флюида, и при этом скважинный каротажный флюид будет иметь значительно измененный импеданс.

В табл. 1 указаны скорость звука (С, в м/с), показатели плотности (ρ) и Ζ для ряда материалов. При условии, что средние размеры частиц значительно меньше, чем длина волны звука, импеданс композиционных материалов может быть оценен как среднее по объему импедансов отдельных компонентов. В этом случае длины акустических волн имеют порядок сантиметров, тогда как размеры частиц в буровых растворах находятся в пределах от 1 до 100 мкм, удовлетворяя этому критерию. Отметим, что, поскольку при этом бурение не осуществляют, можно также выбирать для использования более крупные или более мелкие частицы в каротажном флюиде, чтобы получать желаемые акустические свойства, такие как рассеяние и сдвиг по фазе сигналов с более короткими длинами волн.

Из табл. 1 видно, что сталь и цемент имеют очень разные значения Ζ. Используя уравнение (2), получаем, что доля в процентах падающей амплитуды, которая проходит (с целью иллюстрации в предположении, что угол падения равен 90°, 5се(-)=1). является пропорциональной отношению Ζ^^/Ζ^^, составляет приблизительно 46926/9860, или около 4,8. Этот коэффициент существенно отличается от Ζ^^/Ζε^^! 3. Это различие в отношениях Ζ лежит в основе цементометрии, т.е. измерение мощности, отраженной от обратной стороны обсадных труб, является точным способом получения показаний, если границей раздела является сталь/цемент или сталь/флюид, иначе говоря, если цемент полностью вытесняет флюид.

- 2 011630

Таблица 1

Импульсы акустических волн должны проходить через буровой флюид к обсадным трубам и излучаться от обсадных труб к приемнику. Граница раздела обсадных труб и флюида также отражает звук. Если отражение является сильным, второй импульс, или эхо-сигнал, возвращается к задней стороне границы раздела обсадных труб, при этом делается возможным второе измерение мощности отраженной волны. Эта последовательность эхо-сигналов может продолжаться в течение нескольких циклов. Мощность, принимаемая датчиками, сильно зависит от значения 2_стали/2ф_люида.

Обратимся к фиг. 1, на которой показана схема каротажа в процессе бурения газовой или нефтяной скважины, в соответствии с которым колонну обсадных труб 1, обычно изготовленных из стали, спускают в ствол скважины после того, как удаляют бурильную трубу. Буровой раствор 2, который был закачан в ствол скважины в процессе бурения, оставляют в стволе скважины для компенсации пластового давления. Затем в кольцевое пространство между обсадными трубами и стенкой 4 скважины нагнетают наполнитель 3 (обычно цемент). Цемент вытесняет буровой раствор и образует оболочку (или, как ее часто называют, сцепление цемента), выполняющую функции изоляции слоев пласта на стенке 4 скважины и защиты обсадных труб 1. Оценку качества сцепления цемента обычно осуществляют во время цементометрии, при этом в системе 5 обработки данных обрабатываются данные, передаваемые по каротажному кабелю 6 от зонда 7. В зонде 7 звуковые или ультразвуковые импульсы излучаются акустическим излучателем или множеством таких излучателей 8. Отраженные импульсы улавливаются приемником или множеством таких приемников 14 и передаются для выполнения анализа в систему 5 обработки данных.

- 3 011630

Обратимся к фиг. 2, где звуковые или ультразвуковые импульсы 9, излучаемые излучателем 8 по фиг. 1, проходят через флюид 2. Согласно осуществлениям флюид 2 имеет измененный импеданс. Часть излучаемого импульса 10 в обсадных трубах 1 отражается на границе стали и цемента и становится отраженным импульсом 11. Отраженный импульс 11 может дополнительно отразиться на границе стали и флюида и стать импульсом 12 или может частично пройти через границу стали и флюида и стать импульсом 13, который принимается приемником или множеством таких приемников.

Согласно этому варианту осуществления импеданс (/ф,._1|юиа) флюида внутри обсадных труб является измененным для получения более качественных результатов измерений сцепления 3 цемента. Технически /ф,._1|юиа можно получить, используя добавки, имеющие импеданс, значительно отличающийся от импеданса указанного базового флюида. В качестве альтернативы, чтобы иметь подобранный импеданс, флюид может быть предварительно подготовленным.

За счет уменьшения /ф._1|юиа может быть получен более сильный сигнал 12 отражения, который может отражаться внутри обсадных труб 1 много раз, поэтому возрастает измеряемая продолжительность колебаний. Это будет повышать точность измерения мощности волны, отраженной от задней стороны.

С другой стороны, при увеличении /ф._1|юиа предоставляется большая возможность отраженному сигналу 11 выходить и становиться прошедшим сигналом 13 без отражений назад и вперед внутри обсадных труб 1, поэтому сокращается продолжительность колебаний и, в свою очередь, повышается скорость, с которой могут подаваться новые импульсы.

В зависимости от требований относительно повышения мощности отраженной волны или сокращения продолжительности колебаний для получения более качественных результатов измерений настоящим изобретением предоставляется способ уменьшения /,ф,._1|юиа или увеличения 2ф_люида.

Как показано в табл. 1, отдельные материалы могут создавать значительные изменения 2ф_люида. Пробка и кремнезем (кварц) являются двумя примерами легкодоступных нетоксичных веществ, которые могут быть добавлены в воду или буровой раствор на нефтяной основе (БРНО) для изменения его импеданса. Пробка и кварц позволяют приготавливать флюиды, которые сохраняют плотность, необходимую для обеспечения гидростатического давления, и, кроме того, имеют импедансы, значительно отличающиеся от импедансов материалов, используемых в настоящее время во флюидах в процессе каротажа. Специалисты в данной области техники должны осознавать, что существует ряд материалов, которые могут быть использованы для изменения импеданса флюида.

В примере 1 показано добавление кремнезема к флюиду на водной основе (ВО) для уменьшения значения /_ст1._|и//_ВО от 31,3 до диапазона 5-13. Это соответствует изменению приблизительно на 60-90%. Такое снижение отношения показано только с иллюстративной целью, и специалисту в данной области техники должно быть ясно, что количество кремнезема во флюиде на водной основе может быть скорректировано для получения другого изменения /_стии//_ВО. Варианты осуществления настоящего изобретения охватывают «значительные» изменения этих отношений. Используемый в настоящем описании термин «значительные» означает изменение отношения больше чем приблизительно на 10% или на величину, достаточную для воздействия на импеданс таким образом, чтобы улучшились характеристики каротажа. Такое изменение может быть получено при добавлении к флюиду на водной основе по меньшей мере 20 мас.% кремнезема.

Пример 1.

Материал	С, м/с	Р' объемная
Добавка		1,25
кремнезема,		1,50
ВО		1,75
		2, 00

^расчетный	детали/ %	^цемента/%
3671	13	2,7
5844	8	1,7
8018	6	1,2
10191	5	1,0

Такая добавка может быть изготовлена на основании суспендирующего агента, такого как ксантановая смола, в воде при достаточно высокой концентрации для эффективного удержания песка во взвешенном состоянии в течении измерений. Например, баррель воды, загущенный 2,5 фунтами на баррель ксантановой смолы марки ΓΙ,0-\Ί5, может быть использован для удержания песчинок диаметром 10 мкм во взвешенном состоянии в течение 24 ч при 20° С.

В примере 2 показано добавление кремнезема к буровому раствору на нефтяной основе (БРНО) для снижения отношения 2_стали/2_БРНО с 33-40 до диапазона 4-19. Это соответствует изменению на 40-90%. Такой диапазон представлен только с иллюстративной целью, и специалист в данной области техники может корректировать количество кремнезема в буровом растворе на нефтяной основе для получения другого изменения 2_стали/2_БРНО. Варианты осуществления настоящего изобретения охватывают «значительные» изменения этих отношений.

Используемый в настоящем описании термин «значительные» означает изменение отношения больше чем приблизительно на 10% или на величину, достаточную для воздействия на импеданс таким

- 4 011630 образом, чтобы улучшить характеристики каротажа. Такое изменение может быть получено при добавлении к буровому раствору на нефтяной основе по меньшей мере 10 мас.% кремнезема.

Пример 2.

С, м/с	Р, объемная	^расчетный	2*стали/Ζ	^цемента/ Ζ
	1,00	2447	19	4,0
	1,25	4475	10	2,2
	1, 50	6504	7	1,5
	1,75	8533	5	1,2
	2,00	10562	4	0,9
	2,25	12591	4	0,8

В примере 3 показано добавление пробки к буровому раствору на водной основе (БРВО) для повышения отношения 2_стали/2_БРВО с 28-31 до 29-61. Это соответствует повышению до 100%. Такой диапазон представлен только с иллюстративной целью, и специалист в данной области техники может корректировать количество пробки в буровом растворе на водной основе для получения другого изменения 2_стал_и/2_БРВО. Варианты осуществления настоящего изобретения охватывают «значительные» изменения этих отношений.

Используемый в настоящем описании термин «значительные» означает изменение отношения больше чем приблизительно на 10% или на величину, достаточную для воздействия на импеданс таким образом, чтобы улучшить характеристики каротажа. Такое изменение может быть получено при добавлении к буровому раствору на нефтяной основе по меньшей мере 5 мас.% пробки.

Пример 3.______________________________________________________________________

Материал	с, м/с	Р, объемная	^расчетный	встали/Ζ	^цемента/ Ζ
Добавка пробки, БРВО		1,00	764	61	12, 9
	1,25	980	48	10, 1
	1,50	1195	39	8,2
	1,75	1411	33	7,0
	2,00	1627	29	6,1

Преимущества настоящего изобретения включают в себя, но без ограничения ими, воздействие на импеданс каротажного флюида обеспечивает новую степень свободы для получения оптимальных результатов измерений. Такое воздействие намного легче осуществить, чем изменить импеданс обсадных труб или цемента.

Соответственно, можно видеть, что при таком воздействии обеспечиваются преимущества для других областей применения акустического каротажа методом отражения, таких как определение истинной формы и шероховатости ствола скважины, ближнего и дальнего полей механических напряжений в пробуренных пластах и наличия естественных и искусственно образованных трещин.

Кроме того, соответственно, можно видеть, что при таком воздействии предоставляются преимущества в части прохождения акустической энергии до поверхности из ствола скважины, принимаемой приемниками вне скважины, на поверхности или в соседней скважине.

Хотя изобретение было описано применительно к ограниченному числу осуществлений, специалистам в данной области техники, имеющим выгоду от этого раскрытия, должно быть ясно, что могут быть разработаны другие варианты осуществления, которые не выходят из объема изобретения, раскрытого в настоящем описании. В соответствии с этим объем изобретения должен быть ограничен только прилагаемой формулой изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ скважинного каротажа, содержащий этапы, на которых изменяют импеданс скважинного каротажного флюида, чтобы воздействовать на распространение и отражение акустических сигналов, используемых при каротаже; и излучают акустические сигналы через указанный скважинный каротажный флюид к отражающим объектам на стенке и позади стенки буровой скважины.
2. Способ скважинного каротажа, содержащий этапы, на которых изменяют импеданс скважинного каротажного флюида относительно сцепления цемента и излучают акустические сигналы через указанный скважинный каротажный флюид к обсадным трубам.
3. Способ по п.1, в котором указанного изменения импеданса скважинного каротажного флюида достигают, смешивая базовый флюид с добавкой, имеющей в значительной степени иной импеданс по сравнению с импедансом указанного базового флюида.
4. Способ по п.2, в котором базовый флюид представляет собой по меньшей мере один, выбираемый из воды, бурового раствора на водной основе и бурового раствора на нефтяной основе.
5. Способ по п.2, в котором добавка представляет собой по меньшей мере одну, выбираемую из кремнезема и пробки.
6. Способ по п.4, в котором добавка находится в виде частиц, взвешенных в базовом флюиде.
7. Способ по п.5, в котором частицы добавки имеют размеры в пределах от 1 до 100 мкм.
8. Способ по п.2, в котором добавка составляет по меньшей мере 1 мас.% указанного скважинного каротажного флюида.
9. Способ по п.1, в котором акустические сигналы излучают посредством акустического излучателя или множества излучателей и принимают посредством датчика или множества датчиков.
10. Способ по п.9, в котором акустические сигналы представляют собой импульсы с длиной волны в звуковом или ультразвуковом диапазоне.
11. Способ по п.1, в котором акустические сигналы направляют под углом вертикально к границе раздела флюида и обсадных труб.
12. Способ использования скважинного каротажного флюида, содержащий этапы, на которых приготавливают скважинный каротажный флюид, при этом получают добавку, имеющую в значительной степени иной импеданс по сравнению с импедансом базового материала, в виде частиц, имеющих значительно меньшие размеры, чем длина волны акустического сигнала;

смешивают базовый флюид с добавкой;

нагнетают скважинный каротажный флюид в скважину и излучают и принимают акустические сигналы через указанный скважинный каротажный флюид.
13. Скважинный каротажный флюид, содержащий базовый флюид и добавку, имеющую в значительной степени иной импеданс по сравнению с импедансом указанного базового флюида.
14. Скважинный каротажный флюид по п.13, в котором базовый флюид представляет собой по меньшей мере один, выбираемый из воды, бурового раствора на водной основе и бурового раствора на нефтяной основе.
15. Скважинный каротажный флюид по п.13, в котором добавка представляет собой по меньшей мере одну, выбираемую из кремнезема и пробки.
16. Скважинный каротажный флюид по п.13, в котором добавление добавки к базовому флюиду приводит к значительно измененному импедансу указанного скважинного каротажного флюида.
17. Скважинный каротажный флюид по п.16, в котором добавка составляет по меньшей мере 1 мас.% указанного скважинного каротажного флюида.
18. Скважинный каротажный флюид по п.13, в котором добавка находится в виде частиц, взвешенных в базовом флюиде.
19. Скважинный каротажный флюид по п.18, в котором средние размеры частиц являются значительно меньшими, чем длина волны акустического сигнала.
20. Скважинный каротажный флюид по п.19, в котором частицы добавки имеют размеры в пределах от 1 до 100 мкм.