Акустический каротаж

23.Цементаж скважины. Основы акустической и гамма-гамма цементометрии.

Основные факторы, определяющие качество цементирования обсадных колонн — это фактическая высота подъема цемента в затрубном пространстве и ее соответствие проектной высоте; равномерность распределения цемента в затрубном пространст­ве и отсутствие в нем трещин, пустот и других дефектов; схватывание цементного камня с обсадной колонной и горной по­родой. Качество цементирования нефтяных и газовых скважин контролируют с помощью геофизических методов — термомет­рии, радиоактивных изотопов, акустического, рассеянного гам­ма-излучения.

Метод рассеянного гамма-излучения

Широко распространены в настоящее время исследования це­мента за колонной с помощью гамма-гамма-метода. При изучении обсаженных скважин плотностная характери­стика среды в общем случае определяется занимаемым объемом и плотностью бурового раствора δР, цементного камня δц, об­садной колонны δк, горных пород δп .Если измерения в скважине выполнять зондом малой длины и использовать источник мягкого гамма-излучения, то глубинность исследования будет незначительной и измеряемые значе­ния интенсивностей будут определяться главным образом тол­щиной обсадной колонны. Приборы такого типа служат для контроля технического состояния скважин и называются гамма-гамма-толщиномерами (ГГТ). Полу­чаемая диаграмма — гамма-гамма-толщинограмма позволяет: измерять толщину стенок обсадной колонны; определять место­положение муфт, пакеров, цементирующих фонарей; выявлять дефекты в обсадных трубах. Применение источника средних энергий гамма-излучения, а также увеличение размера зонда позволяют увеличить глубин­ность исследования. В этом случае на показания прибора будет оказывать влияние плотностная характеристика среды в затрубном пространстве. Так как плотность цементного камня отличается от плотности бурового раствора  и горных пород, то это различие  используют для контроля ка­чества цементирования скважин методом рассеянного гамма-излучения.

Акустический метод

Оценка качества цементирования обсадных колонн в скважинах акустическими методами основана на различии в скорости рас­пространения упругой волны и на изменении ее амплитуды в за­висимости от механических свойств окружающей среды; на вы­сокой чувствительности акустического сигнала к жесткости кон­такта на границе между двумя средами и к разрывам механи­ческой сплошности среды. Если колонна обсадных труб свободна, не связана с цемен­том, то упругая волна распространяется непосредственно по ме­таллу колонны со скоростью порядка 5200 м/с и с малой поте­рей энергии. Амплитуда волны Ак сохраняется максимальной. В случае жесткого сцепления колонны с цементом упругие колебания, распространяясь по колонне, возбуждают колебания в цементном камне. Прохождение волны по цементу характери­зуется снижением скорости распространения волны и значитель­ными потерями энергии. В результате возрастает время прохож­дения волны и снижается амплитуда проходящей волны. Установить характер дефектов (каналы, разрывы или микрозазоры) по полученным материалам в большинстве слу­чаев нельзя. Поэтому любые дефекты или их сочетания выра­жаются через чисто условный термин сплошность контакта.

Таким образом, акустический метод позволяет определять степень сцепления цементного камня с колонной. Коэффициент затухания αк (αк — коэффициент затухания волны, распростра­няющейся по колонне) характеризует распространение упругих волн в цементном камне и отражает жесткость сцепле­ния колонны с цементом. Интервальное время ΔТ и коэффициент затухания αп (αп — коэффициент затухания волны, рас­пространяющейся по горной породе) отражают распространение упругих волн в горных породах; они позволяют характеризовать качество сцеп­ления цементного камня со стенками скважины.

Гамма-гамма-цементометрия ГГЦ – плотность цементного камня, наличие цемента и эксцентриситет колонны. Приборы – СГДТ-2, СГДТ-3

Акустическая цементометрия АКЦ – позволяет оценить сцепление с колонной, с породой. Прибор – ЦМТУ. АКЦ показывает сцепление с колонной, с породой. Оценка цементирования АМ основана на различии в скорости распространения упругой волны и на изменение ее амплитуды в зависимости от механических свойств окружающей среды.

6. Акустические методы ГИС. Физические основы, условия применения.

Акустический каротаж (АК). АК основан на изучении упругих свойств горных пород по наблюдениям в скважине за распространением упругих волн. Применяемый в АК прибор имеет источник упругих колебаний и расположенные на некотором расстоянии от него один или два приемника. При перемещении прибора в скважине регистрирует кривую изменения времени пробега упругой волной расстояния между источником и приемником (при одном приемнике) или расстояние между двумя приемниками.

В качестве источника и приемников упругих волн применяется магнитострикционные преобразователи электрической энергии в колебательную и наоборот.

Магнитострикционный преобразователь представляет собой катушку с сердечником из сплава с высоким коэффициентом магнитострикции. Через катушку преобразователя, служащего источником колебаний, пропускают электрические импульсы частотой 10-25 Гц. Каждый импульс тока, проходя по обмотке, создает магнитное поля, вызывающее упругую деформацию сердечника. В исходное состояние сердечник возвращается, совершая в течение непродолжительного времени колебания с частотой, соответствующей его собственной частоте колебаний (20-30 кГц).  Колебания сердечника передаются контактирующему с ним раствору и далее распространяются во все стороны в виде упругой волны.    

6. Акустические методы ГИС. Физические основы, условия применения.

Акустический каротаж (АК). АК основан на изучении упругих свойств горных пород по наблюдениям в скважине за распространением упругих волн. Применяемый в АК прибор имеет источник упругих колебаний и расположенные на некотором расстоянии от него один или два приемника. При перемещении прибора в скважине регистрирует кривую изменения времени пробега упругой волной расстояния между источником и приемником (при одном приемнике) или расстояние между двумя приемниками.

В качестве источника и приемников упругих волн применяется магнитострикционные преобразователи электрической энергии в колебательную и наоборот.

Магнитострикционный преобразователь представляет собой катушку с сердечником из сплава с высоким коэффициентом магнитострикции. Через катушку преобразователя, служащего источником колебаний, пропускают электрические импульсы частотой 10-25 Гц. Каждый импульс тока, проходя по обмотке, создает магнитное поля, вызывающее упругую деформацию сердечника. В исходное состояние сердечник возвращается, совершая в течение непродолжительного времени колебания с частотой, соответствующей его собственной частоте колебаний (20-30 кГц).  Колебания сердечника передаются контактирующему с ним раствору и далее распространяются во все стороны в виде упругой волны.    

АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИС, ФИЗ. ОСНОВЫ, УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ

Акустические методы исследования скважин (AM) основаны на изучении полей упругих колебаний (упругих волн) в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот. Акустические методы можно подразделить на пассивные и активные.

Пассивными методами изучают колебания, создавае­мые различными естественными (обычно технологическими) причинами. Сюда относятся, например, методы, находящиеся в стадии опробования: а) метод выделения газоотдающих интервалов в скважинах путем регистрации шумов, возникающих при поступлении газа или нефти в ствол скважины (шумометрия скважин); б) методы изучения шумов при бурении с целью оп­ределения характера проходимых пород по спектру колебания бурового инструмента; и) метод определения горизонтальной проекции текущего забоя на земную поверхность путем уста­новления точки с максимумом мощности колебаний на поверх­ности земли.

Основное применение получили активные методы (ме­тоды искусственных акустических полей), в которых изучают распространение волн от излучателя, расположенного в скважинном приборе. Ниже рассматриваются именно эти методы. Существуют две основные модификации метода: а) модифика­ция, основанная на изучении времени прихода (скорости рас­пространения) волн и называемая акустическим методом по скорости волн; б) модификация, основанная на изучении ампли­туды колебаний и называемая акустическим методом по зату­ханию волн.

Физические основы акустического метода

В однородной изотропной среде могут возникать и распростра­няться волны двух типов — продольные Р и поперечные S. В волне Р частицы среды движутся в направлении распростра­нения волны. Так, плоская волна, распространяющаяся в на­правлении оси х, представляет собой чередование зон сжатия и растяжения, перпендикулярных к оси х. Эти зоны перемещаются вдоль оси х со скоростью v, называемой ско­ростью волны.

В волне S частицы движутся в направлении, перпендику­лярном к распространению волны, а в пространстве наблю­дается чередование полос с противоположным направлением движения частиц (рис. 50, в). При этом (в отличие от волны Р) происходит не изменение объема элементарных частиц, а толь­ко деформация их формы. Поперечные волны возникают и рас­пространяются лишь в твердых телах.

Скорости распространения волн зависят от плотности и уп­ругих свойств среды (модулей Юнга и сдвига), от минерального состава пород и их насыщения, от литологических особенностей реальных пород, их глинистости, эффек­тивного напряжения, степени сцементированности породы и других факторов. Обратная величи­на Δt = 1/vр, равная времени пробега волной расстояния 1 м, называется интервальным временем. Интервальное время обычно выражается в микросекундах на метр. В АК используется не скорость, а интервальное время.

Скорость распространения поперечных волн vs в 1,5—2 ра­за ниже скорости vР (среднее значение vp/vs для горных пород порядка 1,75).

Скорость распространения волн в породе уменьшается, а ин­тервальное время увеличивается с ростом коэффициента пори­стости kп. Во многих случаях зависимость Δt от kп прямоли­нейна:

Δt = Δtтв(1— kп) + Δtжkп = Δtтв+kп(Δtж—Δtтв),                                                                                                                              (III. 1)

где Δtтв и Δtж — некоторые величины, условно называемые ин­тервальным временем для твердой фазы горной породы и жид­кости, заполняющей ее поры.

Характер насыщающей жидкости заметно влияет на скорость волн лишь для рыхлых пород, залегающих на относительно не­больших глубинах, т. е. при малых эффективных напряжениях. Скорость воли в газоносных пластах ниже, чем в нефтеносных, а в нефтеносных ниже, чем в водоносных. С ростом глубины и степени цементации пород разница в скоростях воли в пластах с различным насыщением уменьшается.

При удалении от излучателя энергия волн и амплитуда ко­лебаний уменьшаются вследствие расхождения, т. е. увеличения протяженности фронта волны, а также из-за процессов погло­щения энергии, рассеяния на микронеоднородностях горной по­роды. Уменьшение энергии Е и амплитуды А плоской волны происходит по законам

A = A0е-α r,  Е = E0е-2α r, (III.2) где r—расстояние от излучателя до точки наблюдения; α — амплитудный коэффициент поглощения (зату­хания) .

Коэффициент затухания увеличивается с ростом коэффициента пористости горных по­род, с ростом их глинистости и особенно трещиноватости.

Коэффициенты поглощения Р-волн (αр) и S-волн (αs) в га­зоносных (индекс «г»), нефтеносных («н») и водоносных («в») пластах располагаются в ряд: αрв<αрн<αрг,  αsв>αsн>αsr.

Простейший двухэлементный зонд акустического метода со­держит излучатель упругих колебаний И и приемник колеба­ний П. Расстояние L между ними называется длиной зонда. От L зависит глубинность зонда, а также глубинность возрастает при увеличении скорости и длины волны.

Рис. 32. Схематическое изображение тра­екторий важнейших упругих волн, воз­никающих в системе скважина — пласт.

/ — скважина; // —пласт

При проведении акустических исследований наблюдаются упругие волны различных типов: прямая гидроволна р0 (3), отра­женная волна Р0Р0 (4) преломленные продольная P0P1P0 (1) и попе­речная P0S1P0 (2) волны (рис.52). Кроме того, могут наблюдаться поверхностные волны, распространяющиеся по стенке скважи­ны, волны, отраженные от границ пластов, трещин и т. д. Пре­ломленные волны — основной объект изучения при AM. Они образуются, если угол падения волны на стенку скважины превы­шает некоторое критическое значение. Поэтому для наблюдения таких волн необходимо, чтобы длина зонда также превышала некоторое критическое значение. Наибольшая скорость распространения характер­на для преломленной продольной волны P0P1P0.

Это облегчает выделение аппаратурой волны P0P1P0, авто­матическое определение ее амплитуды А и времени поступле­ния t. По этим величинам судят о скорости и коэффициенте за­тухания волн в породе.

В обсаженной скважине волновая картина еще больше ус­ложняется. В частности, дополнительно возникает волна сжа­тия, распространяющаяся по обсадной колонне (колонная вол­на). Ее амплитуда зависит от степени сцепления колонны с це­ментным камнем. Чем лучше сцепление, тем легче энергия волны рассеивается в окружающую среду и тем ниже ампли­туда колонной волны.

Это явление используют в акустических приборах для опре­деления качества цементирования.

Аппаратура для акустических исследований

В современной аппаратуре для изучения упругих свойств гор­ных пород (vP, vs, αр,αs) используют зонды с тремя элемента­ми и более (для уменьшения влияния скважины и перекоса прибора в скважине).

- интервальное время