Способ оценки характеристики области, расположенной между стенкой обсадной колонны и породой

010880 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к способу и устройству для оценки целостности соединений,обеспечивающих крепление обсадной колонны в стволе скважины. Настоящее изобретение также относится к способу и устройству, позволяющим оценивать целостность таких соединений при использовании цементов различной плотности. В частности, настоящее изобретение относится к способу и устройству, позволяющим оценивать целостность цементного соединения, отличая участки обсадной колонны,сцепленные с облегченным цементом, от участков, окруженных флюидом, заполняющим микрозазоры между обсадной колонной и цементом. Уровень техники Нефтяная или газовая скважина содержит обсадную колонну 8, установленную в стволе 5 скважины и соединенную с ним путем закачки цементного раствора 9 в кольцевое пространство, образовавшееся между наружным диаметром обсадной колонны 8 и внутренним диаметром ствола 5 скважины. Цементирование служит не только для фиксации обсадной колонны 8 в стволе 5 скважины, но и для разобщения соседних зон (Z1 и Z2) пласта 18. Разобщение соседних зон может быть особенно важным в том случае, когда в одной из этих зон содержится нефть или газ, а в другой - неуглеводородный флюид, например вода. Если цементный камень 9 (далее для краткости называемый просто цементом), окружающий обсадную колонну 8, окажется дефектным и не сможет обеспечить разобщение соседних зон, то вода или иной нежелательный флюид смогут мигрировать в газонефтяную продуктивную зону, разбавляя или загрязняя углеводороды в продуктивной зоне. Для выявления возможных дефектов цементирования были разработаны скважинные приборы 14,анализирующие целостность цемента 9, связывающего обсадную колонну 8 со стволом 5 скважины. Обычно эти скважинные приборы 14 располагают в стволе 5 скважины, подвешивая их на кабеле 10 при помощи блока 12. Снаружи на таких скважинных приборах 14 имеются преобразователи 16, способные испускать акустические волны в обсадную колонну 8 и регистрировать затухание акустических волн при их прохождении, или распространении, по поверхности обсадной колонны 8. Зафиксированное затухание волн передается на поверхность по кабелю 10, где его можно проанализировать. Анализируя затухание акустической волны, можно оценить эффективность и целостность цементного соединения. Однако степень затухания может зависеть от характера поляризации акустической волны и от состояния акустической связи между обсадной колонной 8 и цементом 9. Обычные скважинные приборы 14, оснащенные преобразователями 16 акустических волн, генерируют акустические волны, поляризованные перпендикулярно поверхности обсадной колонны 8. Волны такого типа называют продольнопоперечными волнами или P-SV-волнами, поскольку направление движения частиц под воздействием как продольной (Р), так и поперечной (S) составляющих акустической волны лежит в вертикальной (V) плоскости, перпендикулярной обсадной колонне 8. Затухание акустической волны при ее распространении вдоль поверхности обсадной колонны 8 зависит от состояния цементного соединения, а также от типа цемента 9, находящегося между обсадной колонной 8 и породой пласта 18. В частности по мере распространения акустической волны по длине обсадной колонны 8 энергия волны теряется или рассеивается через цементное соединение в породу пласта 18, причем эта потеря энергии как раз и является причиной затухания акустической волны. И наоборот, при отсутствии сцепления цемента с обсадной колонной (это состояние также характеризуется термином "незацементированная зона") флюид, находящийся в микрозазорах за обсадной колонной, не обеспечивает акустической связи для передачи поперечных волн от обсадной колонны 8 к породе пласта 18. Провал способности к передаче поперечных волн значительно снижает и способность к передаче продольных волн от обсадной колонны 8 к породе пласта 18. Это происходит вследствие отсутствия у флюида жесткости на сдвиг, а также присущего флюиду значительно меньшего модуля объемного сжатия по сравнению с цементом. Вследствие этих физических характеристик флюида вся SV-составляющая P-SV-волны и значительная часть Р-составляющей P-SVволны не выходят за пределы обсадной колонны 8, соответственно претерпевая значительно меньшее затухание. Уменьшение затухания акустической волны не ограничивается теми ситуациями, когда обсадная колонна 8 окружена флюидом, т.к. ощутимое снижение затухания акустических волн может наблюдаться и в присутствии некоторых типов цемента. Например, облегченный цемент, или цемент плотностью ниже приблизительно 12 фунтов на галлон, также может снижать затухание акустической волны. Облегченный цемент обладает определенным модулем сдвига, поэтому облегченный цемент может обеспечивать передачу поперечных волн от обсадной колонны 8 к породе пласта 18. Однако плотность облегченного цемента ненамного выше плотности многих флюидов (например, воды), в связи с чем затухание некоторых типов акустических волн, особенно Р-SV-волн, при прохождении в обсадной колонне 8, окруженной облегченным цементом, снижается. В результате такого снижения затухания при использовании традиционных акустических методов исследования ухудшается способность к восприятию различия между флюидом и облегченным цементом, а также к выявлению мест некачественного сцепления в облегченном цементе. Таким образом, существует потребность в устройстве и способе для проведения в обсадной колонне цементометрических исследований, которые позволяли бы различать флюид, окружающий обсадную-1 010880 колонну, и облегченный цемент, сцепленный с обсадной колонной. Краткое изложение сущности изобретения В настоящем изобретении предлагается способ оценки соединения между обсадной колонной и стволом скважины, заключающийся в том, что в обсадной колонне возбуждают волну Лэмба, наблюдают за волной Лэмба и на основании результатов наблюдения оценивают характеристику указанного соединения. Возбуждение волны Лэмба можно осуществлять излучающим преобразователем. Наблюдение за волной Лэмба можно осуществлять приемным преобразователем. Излучающий преобразователь может быть электромагнитным акустическим излучателем, пьезоэлектрическим прибором или клиновидным преобразователем. Приемный преобразователь может быть электромагнитным акустическим излучателем и пьезоэлектрическим прибором. Оценка характеристики соединения с обсадной колонной может предусматривать оценку качества соединения с обсадной колонной, целостности цемента, образующего указанное соединение, определение наличия микрозазоров между обсадной колонной и цементом, а также оценку толщины соединения с обсадной колонной. К возможным типам соединения с обсадной колонной при осуществлении предлагаемого в изобретении относятся цемент класса А (по стандарту Американского института нефти), облегченный цемент и незацементированная зона (т.н. свободная труба). Другой вариант предлагаемого в изобретении способа предусматривает оценку соединения (связующего), расположенного между обсадной колонной и стволом скважины, для чего в обсадную колонну вводят скважинный прибор, при помощи скважинного прибора в обсадной колонне возбуждают волну Лэмба, наблюдают за затуханием волны Лэмба и на основании оценки затухания волны Лэмба оценивают характеристику соединения между обсадной колонной и стволом скважины. В состав такого скважинного прибора для осуществления предлагаемого в изобретении способа входит по меньшей мере один излучающий преобразователь, выполненный с возможностью возбуждения волны Лэмба, и по меньшей мере один приемный преобразователь, позволяющий наблюдать за волной Лэмба. Оценка характеристики соединения с обсадной колонной по данному способу может включать в себя оценку качества соединения, оценку целостности цемента, образующего соединение, определение наличия микрозазоров между обсадной колонной и цементом, а также оценку толщины соединения с обсадной колонной. К возможным типам соединения с обсадной колонной при осуществлении предлагаемого в изобретении относятся цемент класса А (по стандарту Американского института нефти), облегченный цемент и незацементированная зона (т.н. свободная труба). Объектом настоящего изобретения является также прибор для оценочных работ, вводимый в ствол скважины и содержащий корпус, выполненный для ввода в обсадную колонну скважины, и по меньшей мере один преобразователь, расположенный на корпусе. Преобразователь прибора для оценочных работ возбуждает в обсадной колонне волну Лэмба. Этот преобразователь может быть пьезоэлектрическим прибором, клиновидным преобразователем и электромагнитным акустическим излучателем. Кроме того,скважинный прибор для оценочных работ может содержать приемный преобразователь и излучающий преобразователь. Исходя из этого, одним из преимуществ настоящего изобретения является возможность выполнять в обсадной колонне каротаж для контроля цементирования - цементометрию с получением точных результатов цементометрии, позволяющих различать, где обсадную колонну окружает флюид, а где - облегченный цемент. Настоящее изобретение также может повысить разрешение цементограмм для цемента класса А по сравнению с традиционными способами, в которых используется затухание продольной волны. Краткое описание чертежей Ниже сущность изобретения поясняется на примере его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых на фиг. 1 - в местном разрезе ствол скважины с введенным в него известным каротажным прибором-цементомером,на фиг. 2 А - распространение через пластину симметричной волны Лэмба,на фиг. 2 Б - распространение через пластину антисимметричной волны Лэмба,на фиг. 3 - в разрезе секция соединенной с породой обсадной колонны и пара преобразователей,на фиг. 4 - в разрезе секция соединенной с породой обсадной колонны и пара преобразователей, в соединении имеются дефекты,на фиг. 5 - схематическое изображение электромагнитного акустического излучателя,на фиг. 6 - кривая дисперсии волны Лэмба. Подробное описание варианта осуществления изобретения В настоящем изобретении предлагается устройство и способ, позволяющие определять характеристики соединения с обсадной колонной, расположенного между обсадной колонной и стволом скважины. К характеристикам соединения с обсадной колонной относятся качество соединения, целостность цемента, обеспечивающего соединение, тип цемента, а также толщина соединения с обсадной колонной. Предлагаемый в изобретении способ в целом предусматривает возбуждение акустической волны в обсадной колонне вблизи того места, где требуется оценить соединение. Затем можно проконтролировать поведе-2 010880 ние распространяющейся по обсадной колонне акустической волны с оценкой характеристик соединения. Определение характеристик соединения обсадной колонны с породой на основании результатов наблюдения за поведением возбужденной акустической волны известно специалистам и осуществимо без излишнего экспериментирования. Волны Лэмба представляют собой волны сложной колебательной природы, проходящие по всей толщине материала. Хотя в случае волн Лэмба возможны различные волновые формы (моды), двумя наиболее распространенными типами волн Лэмба являются симметричные и антисимметричные. На фиг. 2 А и 2 Б показаны примеры симметричной и антисимметричной волн Лэмба, которые распространяются вдоль пластины. На фиг. 2 А изображена симметричная волна Лэмба, где в процессе прохождения волны по пластине движение частиц внутри пластины характеризуется сжатием и разрежением. Уплотнение и разрежение (сближение и расхождение) частиц при прохождении в пластине симметричной волны Лэмба пластины показаны в основном в вертикальном направлении. Антисимметричная волна Лэмба на фиг. 2 Б представляет собой продольно-поперечную волну, поляризованную вертикально, вследствие чего движение частиц также перпендикулярно плоскости пластины. Однако движение частиц при прохождении антисимметричной волны Лэмба обычно происходит в одном направлении и не характеризуется уплотнением и разрежением, как в случае с симметричной волной Лэмба. Отдельные моды волны Лэмба возбуждаются предпочтительно по одной частоте за раз и на разных частотах возбуждения. Как известно,частота волны Лэмба зависит от толщины среды, в которой возбуждается волна Лэмба, длины волны Лэмба, а также свойств среды. Данная физическая зависимость проиллюстрирована кривыми дисперсии волн Лэмба, показанными на фиг. 6. Эти кривые отображают физические условия, необходимые для эффективного распространения волны Лэмба в среде. На фиг. 6 символ b обозначает толщину среды,2/,- 2, гдеобозначает длину волны,- частоту, a Vs - скорость поперечной волны. На фиг. 3 в разрезе изображена секция обсадной колонны 8, скрепленной цементом 9 с породой окружающего пласта 18. На внутреннем диаметре обсадной колонны 8 расположены первый и второй преобразователи 16 а, 16b. Оба этих преобразователя 16 а, 16b способны излучать сигнал, принимать сигнал или делать и то, и другое. Сигнал, используемый в соответствии с настоящим изобретением, включает в себя волны Лэмба, что является существенным для оценки качества цементирования. В дополнение к волнам Лэмба могут использоваться волны Рэлея, продольные волны, поперечные волны, поперечные волны с поперечной поляризацией, а также их комбинации. Например, первый преобразователь 16 а может сгенерировать акустический сигнал, распространяющийся вдоль обсадной колонны 8 по направлению ко второму преобразователю 16b. Как отмечалось выше, многие типы акустических волн, используемые в цементометрии, могут подходить для работы с обычными цементами, но эти волны недостаточно хорошо проникают в облегченный цемент. Соответственно, если обсадная колонна 8 закреплена облегченным цементом, эти волны, проходя через обсадную колонну, будут ослабляться в меньшей степени. В противоположность этому было установлено, что волны Лэмба хорошо проникают в облегченные цементы, и при возбуждении в обсадной колонне 8, окруженной облегченным цементом, волны Лэмба претерпевают затухание, поддающееся измерению. Следовательно, волны Лэмба хорошо подходят для использования при анализе качества соединений, образованных цементом класса А и облегченным цементом. Более того, распространение волн Лэмба в материал соединения может также способствовать обнаружению дефектов соединения, таких как наличие микрозазоров 20, воды 22 или некачественного соединения 24. Как отмечено выше, волны Лэмба обладают способностью проходить в облегченные цементы,но не способны проходить в зоны дефектного соединения. Само по себе наличие любого из этих дефектов, расположенного между излучающим и приемным преобразователями, можно выявить путем наблюдения за результирующим затуханием волны Лэмба, распространяющейся через такой дефект. Специалистам хорошо известны методы анализа результатов наблюдений за затуханием на предмет наличия дефектов соединения (цементирования). Следует отметить, что обсуждаемый преобразователь может включать в себя два и более преобразователей 16 а, 16b, как показано на фиг. 3 и 4, но может также содержать и одиночный преобразователь, способный как передавать, так и принимать акустический сигнал. Анализируя затухание волны Лэмба, возбужденной в обсадной колонне 8, можно выявлять не только характеристики цемента, но и наличие цемента, окружающего обсадную колонну 8. Таким образом замеряются также качество соединения цемента с обсадной колонной и целостность цемента, образующего такое соединение. Специалистам также известны методы определения размера области, образовавшейся между обсадной колонной 8 и породой окружающего пласта 18. К другим характеристикам цемента или обсадной колонны, которые могут быть получены подобным образом, относятся плотность,предел прочности при сжатии, предел прочности при растяжении, механические упругие свойства, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, а также пористость. Преобразователи 16, подходящие для использования в настоящем изобретении, включают в себя,без каких-либо ограничений, пьезоэлектрические приборы, электромагнитные акустические излучатели,а также клиновидные преобразователи. Принцип действия электромагнитного акустического излучателя-3 010880 заключается в том, что возле поверхности электропроводящего объекта (магнитного или немагнитного) размещают провод и по проводу пропускают ток. При этом за счет электромагнитной индукции (основанной на электромагнитном поверхностном эффекте) в объекте наводятся вихревые токи. В присутствии статического магнитного поля (В) на наведенные вихревые токи (J) действуют силы Лоренца (f), определяемые как векторное произведение обоих полей Посредством различного рода взаимодействий эти силы Лоренца передаются в объект и служат в качестве источника акустических волн. В зависимости от взаимной ориентации полей электромагнитный акустический излучатель можно использовать для генерирования в обсадной колонне поперечных волн либо волн Лэмба. На фиг. 5 дано схематическое изображение электромагнитного акустического излучателя с соответствующими магнитными полями AL, ASH. На этой упрощенной иллюстрации электромагнитный акустический излучатель 30 показан провод 32, имеющий форму расположенных в ряд петель 34. Излучатель 30 подключен к источнику тока (не показан), подающему ток i на провод 32. Приложение статического магнитного поля AL при нахождении излучателя 30 вблизи объекта, каковым является внутренняя поверхность секции обсадной колонны 8, приведет к возбуждению внутри колонны 8 волны Лэмба. Аналогичным образом, если к секции обсадной колонны 8 приложить статическое магнитное поле ASH, внутри колонны будет возбуждаться поперечная волна. Как известно из уровня техники, длина волны Лэмба, генерируемой устройством типа электромагнитного акустического излучателя, зависит от ширины W петель 34 в передатчике 30. Обычно между шириной W петли 34 катушки и длинойволны Лэмба, генерируемой передатчиком 30, существует взаимно-однозначное соответствие. Таким образом, волну Лэмба, генерируемую конкретным электромагнитным акустическим излучателем, можно настраивать на заданную длину волны, регулируя ширину W петли 34. Таким образом, настоящее изобретение, рассмотренное в данном описании, хорошо приспособлено для осуществления целей, решения задач и достижения преимуществ как упомянутых выше, так и иных,вытекающих из существа изобретения. Осуществление изобретения было рассмотрено выше на примере его конкретного варианта, однако, специалисту должны быть очевидны возможности осуществления изобретения и в других, видоизмененных, вариантах. Предполагается, что любые такие изменения подпадают под патентные притязания, изложенные в прилагаемой формуле изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ оценки характеристики области, расположенной между внутренней стенкой обсадной колонны и породой, заключающийся в том, что в обсадной колонне возбуждают волну Лэмба, определяют затухание этой волны и по величине этого затухания оценивают характеристику указанной области. 2. Способ по п.1, в котором возбуждение волны Лэмба осуществляют излучающим преобразователем. 3. Способ по п.1, в котором определение затухания волны Лэмба осуществляют с помощью приемного преобразователя. 4. Способ по п.2, в котором излучающий преобразователь выбирают из группы, состоящей из электромагнитного акустического излучателя, пьезоэлектрического прибора и клиновидного преобразователя. 5. Способ по п.3, в котором приемный преобразователь выбирают из группы, состоящей из электромагнитного акустического излучателя, пьезоэлектрического прибора и клиновидного преобразователя. 6. Способ по п.1, в котором по затуханию волны Лэмба оценивают характеристику, выбранную из следующих параметров: наличие цемента, качество соединения с обсадной колонной, целостность цемента, образующего соединение с обсадной колонной, наличие микрозазоров между обсадной колонной и цементом, размер указанной области, плотность, предел прочности при сжатии, предел прочности при растяжении, механические упругие свойства, модуль Юнга, коэффициент Пуассона и пористость. 7. Способ по п.1, в котором состав материала, которым заполнена область между обсадной колонной и породой, выбирают из группы, состоящей из цемента класса А (по стандарту Американского института нефти) и облегченного цемента. 8. Способ по п.1, в котором также выявляют присутствие незацементированной зоны, примыкающей к обсадной колонне. 9. Способ оценки цемента, расположенного между обсадной колонной и стволом скважины, заключающийся в том, что в обсадную колонну вводят скважинный прибор, при помощи скважинного прибора в обсадной колонне возбуждают волну Лэмба, определяют затухание этой волны и по величине этого затухания оценивают характеристику цемента. 10. Способ по п.9, в котором в состав скважинного прибора входит по меньшей мере один излучающий преобразователь, выполненный с возможностью возбуждения волны Лэмба, и по меньшей мере один приемный преобразователь, позволяющий наблюдать за волной Лэмба.-4 010880 11. Способ по п.9, в котором по затуханию волны Лэмба оценивают характеристику цемента, выбранную из следующих параметров: наличие цемента, качество цемента, целостность цемента, наличие микрозазоров между обсадной колонной и цементом, размер цементного камня, плотность, предел прочности при сжатии, предел прочности при растяжении, механические упругие свойства, модуль Юнга,коэффициент Пуассона и пористость. 12. Способ по п.11, в котором тип оцениваемого цемента выбирают из группы, состоящей из цемента класса А (по стандарту Американского института нефти) и облегченного цемента. 13. Способ по п.9, в котором также выявляют присутствие незацементированной зоны, примыкающей к обсадной колонне. 14. Способ по п.9, в котором наблюдают за затуханием волны Лэмба. 15. Скважинный прибор для оценочных работ, содержащий корпус, выполненный для ввода в обсадную колонну скважины, и преобразователь, связанный с корпусом и позволяющий возбуждать в обсадной колонне волну Лэмба. 16. Прибор по п.15, в котором преобразователь выбран из группы, состоящей из пьезоэлектрического прибора, клиновидного преобразователя и электромагнитного акустического излучателя. 17. Прибор по п.15, в котором по меньшей мере один преобразователь содержит приемный преобразователь и излучающий преобразователь. 18. Прибор по п.15, дополнительно содержащий расположенную на корпусе подкладку, на которой установлен преобразователь.