RU2006883C1 - Method of estimating quality of cementing boreholes - Google Patents

Abstract

FIELD: geoacoustic investigations. SUBSTANCE: method involves the steps of: exciting waves at dominant frequencies f₁ and f₂ determined by the most probable propagation velocities of transverse waves in rock V_s and in cement V_y and from borehole radius R, layer thickness h as well from expressions f₁=aV_s/ΠR and f₂=QV_y/h given in the invention description (where a and Q are dimensionless coefficients). The method is characterized in that waves are emitted at second critic angle respectively for liquid-cement boundary for f₂ and cement-rock boundary for f₁. Reflected waves are received within frequency ranges corresponding to f₁ and f₂. Cementing quality is determined from the relationship between high-frequency wave amplitudes corresponding to cement and low-frequency transverse wave amplitudes corresponding to rock, the decrease of the latter and increase in the high frequency wave amplitude corresponding to cement being representative of the presence of a gap between cement and rock. EFFECT: enhanced accuracy and efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к геоакустическим методам оценки качества цементирования обсаженных скважин. The invention relates to geoacoustic methods for assessing the quality of cementing cased wells.

Известен способ оценки качества цементирования скважин, основанный на возбуждении акустических волн в скважине и регистрации акустического сигнала в двух временных интервалах, начало одного из которых совпадает с первым вступлением продольной волны в незацементированной колонне. Для устранения неоднозначности оценок качества цементирования затрубного пространства в скважинах с многоколонной конструкцией длительность этого интервала регистрации ограничивают временем прихода продольной волны по второй колонне и она не должна быть больше двойной суммы времени пробега продольной волны через стенку внутренней колонны и цементное кольцо в межтрубном пространстве. Начало второго интервала регистрации устанавливают позднее относительно начала первого на величину, не меньшую, чем указанное двойное время. Качество цементирования колонны определяется величинами амплитуд волн в выделенных временных интервалах. A known method for assessing the quality of cementing wells, based on the excitation of acoustic waves in the well and registration of the acoustic signal in two time intervals, the beginning of one of which coincides with the first arrival of a longitudinal wave in an uncemented string. In order to eliminate the ambiguity of the annular cement cementing quality estimates in wells with a multi-column design, the duration of this registration interval is limited by the time of arrival of the longitudinal wave along the second column and it should not be more than twice the sum of the longitudinal wave travel time through the wall of the inner column and the cement ring in the annulus. The beginning of the second recording interval is set later relative to the beginning of the first by an amount not less than the specified double time. The quality of the cementing of the column is determined by the magnitudes of the amplitudes of the waves in the selected time intervals.

Этот способ может применяться только для установления качества сцепления обсадных труб с цементом, так как в основе его лежит использование продольных волн по колонне. This method can only be used to establish the adhesion of the casing to cement, since it is based on the use of longitudinal waves along the string.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является общепринятый способ определения качества цементирования, использующий сравнение кинематических и динамических параметров волн по колонне и по породе (см. Интерпретация результатов геофизических исследований нефтяных и газовых скважин/Под ред. В. Н. Добрынина, с. 397-401). Closest to the proposed invention is a generally accepted method for determining the quality of cementing, using a comparison of the kinematic and dynamic parameters of the waves along the string and rock (see Interpretation of the results of geophysical studies of oil and gas wells / Edited by V.N. Dobrynin, pp. 397-401 )

Суть способа состоит в том, что, сравнивая амплитуды указанных двух волн, можно судить о состоянии границы цемент-колонна. Однако за исключением простейшего случая отсутствия цемента в затрубном пространстве, способ не позволяет судить о состоянии границы цемент-порода. The essence of the method is that by comparing the amplitudes of these two waves, one can judge the state of the cement-column boundary. However, with the exception of the simplest case of the absence of cement in the annulus, the method does not allow to judge the state of the cement-rock boundary.

Цель изобретения состоит в повышении достоверности определения качества сцепления цемента с породой. The purpose of the invention is to increase the reliability of determining the quality of adhesion of cement to rock.

Цель достигается тем, что в скважине под определенными углами к ее стенке возбуждают акустические волны в определенных диапазонах частот, принимают преломленные волны в других точках скважины, путем частотной фильтрации и регистрации амплитуд в определенных временных интервалах определяют амплитуды высокочастотной волны по слою цемента и низкочастотной поперечной волны по породе и по их соотношению оценивают качество сцепления цемента с горной породой, причем увеличение амплитуды высокочастотной волны по слою цемента и уменьшение амплитуды низкочастотной поперечной волны по породе свидетельствуют о наличии зазора между цементом и породой. The goal is achieved by the fact that in a well, at certain angles to its wall, acoustic waves are excited in certain frequency ranges, the refracted waves are received at other points of the well, and the amplitudes of the high-frequency wave are determined from the cement layer and the low-frequency transverse wave by frequency filtering and recording amplitudes at certain time intervals by rock and by their ratio, the quality of adhesion of cement to rock is evaluated, and an increase in the amplitude of the high-frequency wave along the cement layer and a decrease in The amplitudes of the low-frequency shear wave over the rock indicate the presence of a gap between the cement and the rock.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники совокупность всех признаков, отличающих заявляемое изобретение от прототипа, выявлена не была и поэтому она обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия". Comparison of the claimed technical solution with the prototype allows us to establish compliance with its criterion of "novelty." When studying other well-known technical solutions in this technical field, the totality of all the features that distinguish the claimed invention from the prototype was not identified and therefore it provides the claimed technical solution with the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 изображена схема распространения волн в модели обсаженной зацементированной скважины; на фиг. 2 - пример реализации способа в скв. 5784 - Лянторского месторождения. In FIG. 1 shows a wave propagation pattern in a model of a cased cemented well; in FIG. 2 - an example of the implementation of the method in SLE. 5784 - Lyantorskoye field.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Схема измерений представлена на фиг. 1. The measurement scheme is shown in FIG. 1.

Скважина с жидкостью 1, пробуренная в горной породе 2, обсажена металлической колонной 3 и зацементирована. Зазор между породой 2 и колонной 3 заполнен цементом 4. Контроль качества цементирования осуществляется акустическим зондом, спускаемым в скважину. Зонд включает излучатель И и ряд приемников, удаленных на определенное расстояние от излучателя по оси скважины. На фиг. 1 показано два приемника П1 и П2. Излучатель периодически излучает в скважину импульсы упругой энергии. В околоскважинной среде возникает целый ряд интерферирующих волн, которые распространяются вдоль скважины и регистрируются приемниками. Для реализации способа определения качества сцепления цемента с породой используется два типа волн. The fluid well 1 drilled in the rock 2 is cased with a metal column 3 and cemented. The gap between the rock 2 and the column 3 is filled with cement 4. Cementing quality control is carried out by an acoustic probe lowered into the well. The probe includes an emitter And and a number of receivers remote at a certain distance from the emitter along the axis of the well. In FIG. 1 shows two receivers P1 and P2. The emitter periodically emits elastic energy pulses into the well. A number of interfering waves arise in the near-wellbore environment, which propagate along the well and are recorded by receivers. To implement the method for determining the quality of adhesion of cement to rock, two types of waves are used.

1. Поперечная волна по породе. Распространяется по скважинной жидкости до колонны, проходит колонну и слой цемента и, преломляясь на границе цемента с породой, распространяется вдоль скважины в виде колебаний поперечной поляризации. Переизлучаемая в сторону скважины часть энергии этой волны, пройдя через слой цемента, колонну и скважинную жидкость, регистрируется приемниками. Наилучшее распространение поперечной волны происходит на частоте f₁= a×V_s/ΠR, где v_s- скорость поперечной волны в породе; R - радиус скважины; a = 0,8-1,3 - безразмерный коэффициент, зависящий от литологии горной породы. Частота f₁ представляет собой так называемую частоту среза поперечной волны в скважине, т. е. частоту, ниже и выше которой происходит резкое снижение амплитуды поперечной волны, распространяющейся вдоль ствола скважины.1. Transverse wave over the breed. It propagates through the borehole fluid to the column, passes the column and the cement layer and, being refracted at the cement-rock boundary, propagates along the well in the form of transverse polarization oscillations. Part of the energy of this wave reradiated towards the well, passing through the cement layer, the column and the well fluid, is recorded by the receivers. The best shear wave propagation occurs at a frequency f ₁ = a × V _s / Π R, where v _s is the shear wave velocity in the rock; R is the radius of the well; a = 0.8-1.3 - dimensionless coefficient, depending on the lithology of the rock. The frequency f ₁ represents the so-called shear wave cut-off frequency in the well, i.e., the frequency below and above which there is a sharp decrease in the amplitude of the shear wave propagating along the wellbore.

2. Волна по кольцевому слою цемента. Распространяется по скважинной жидкости до колонны, проходит через нее и, преломившись на границе колонны с цементом, идет по слою цемента вдоль скважины. Переизлучаемая в сторону скважины часть энергии этой волны, пройдя через колонну и скважинную жидкость, регистрируется приемниками. По физике своего распространения - это волноводная волна с поперечной поляризацией, аналогичная волне Лэмба в упругом плоском слое. Найнизшая частота распространения волны Лэмба определяется по формуле f₂= Q×V_ц/h, где v_ц - скорость поперечной волны в слое; h - толщина слоя; Q = 0,5-1 - безразмерный параметр. Частота f₂ является критической частотой первой симметричной (при Q = 1) или первой антисимметричной (при Q = 0,5) волны Лэмба в твердом плоском слое. Применение этих формул для кольцевого слоя цемента в скважине возможно в первом приближении, поскольку соответствующая длина волны мала по сравнению с радиусом кривизны слоя цемента.2. The wave along the annular layer of cement. It spreads through the borehole fluid to the column, passes through it, and, being refracted at the boundary of the column with cement, goes along the cement layer along the well. Part of the energy of this wave reradiated towards the well, passing through the column and the well fluid, is recorded by the receivers. According to the physics of its propagation, it is a transverse polarized waveguide wave similar to the Lamb wave in an elastic plane layer. The lowest propagation frequency of the Lamb wave is determined by the formula f ₂ = Q × V _c / h, where v _c is the velocity of the transverse wave in the layer; h is the thickness of the layer; Q = 0.5-1 is a dimensionless parameter. The frequency f ₂ is the critical frequency of the first symmetric (at Q = 1) or the first antisymmetric (at Q = 0.5) Lamb waves in a solid plane layer. The application of these formulas for an annular cement layer in a well is possible in the first approximation, since the corresponding wavelength is small compared to the radius of curvature of the cement layer.

Предлагаемый способ оценки качества сцепления цемента с породой основан на том, что в случае плохого качества цементирования прохождение акустической энергии (особенно ее высокочастотной составляющей) через границу цемент-порода затруднено и наблюдается минимальная амплитуда поперечной волны по породе и максимальная - волны по слою цемента. В случае хорошего сцепления цемента с породой создаются наилучшие условия для прохождения энергии в породу, а волноводная волна по слою цемента затухает ввиду излучения ее энергии в массив горной породы, т. е. имеет место максимум амплитуды поперечной волны по породе и минимум амплитуды волны Лэмба по цементу. The proposed method for assessing the adhesion quality of cement to rock is based on the fact that in the case of poor cementing quality, the passage of acoustic energy (especially its high-frequency component) through the cement-rock boundary is difficult and there is a minimum amplitude of the transverse wave over the rock and the maximum amplitude over the cement layer. In the case of good adhesion of cement to rock, the best conditions are created for the energy to pass into the rock, and the waveguide wave attenuates through the cement layer due to the radiation of its energy into the rock mass, i.e., there is a maximum shear wave amplitude over the rock and a minimum Lamb wave amplitude over cement.

Для улучшения условий выделения низкочастотной поперечной волны по породе и высокочастотной волны по слою цемента из интерференционного акустического сигнала необходимо производить импульсное возбуждение излучателя с доминиpующими частотами f₁ и f₂.To improve the conditions for the selection of a low-frequency transverse wave over the rock and a high-frequency wave over the cement layer from the interference acoustic signal, it is necessary to produce pulsed excitation of the emitter with the dominant frequencies f ₁ and f ₂ .

Эффективность реализации предлагаемого способа может быть повышена за счет применения скважинного излучателя с асимметричной в горизонтальной плоскости диаграммой направленности, что создает лучшие условия для возникновения сдвиговых деформаций в слое цемента и горной породе. Частотный диапазон излучения должен включать доминирующие частоты f₁ и f₂, причем изменения по разрезу величины v_s и приближенное значение величины v_ц и h требуются для того, чтобы по всему разрезу излучать доминирующие частоты f₁ и f₂ достаточной широкополосности излучателя, например, для реальных параметров нефтяных скважин f₁изменяется от 5 до 12 кГц, а f₂ лежит в пределах 30-60 кГц, причем направление излучения высокочастотной волны находится в области возможных двух критических углов для границ жидкость-цемент, определяемых по формуле δ = arcsin S/(0.5-1)V_s, где s - скорость звука в жидкости. Прием осуществляется на некоторых расстояниях от точки возбуждения широкополосным преобразователем, преобразующим акустический сигнал в электрический. Этот сигнал подвергается параллельно двум фильтрациям для исключения низкочастотных продольных и поперечных волн и для исключения высокочастотных волн по цементному кольцу. Оставшаяся после первой фильтрации сигнала соответствует энергии волн, распространяющихся по кольцевому слою цемента (аналог волны Лэмба в слое), по жидкости (гидроволна) и вдоль граничных с жидкостью поверхностей (волны Стоунли). После второй фильтрации сигнал соответствует разделенным во времени продольным и поперечным волнам. Амплитуду сигнала после первой фильтрации во временном окне, начало которого устанавливают по формуле t_н = r/(0.5-1)V_ц , где l - длина зонда, а конец - по формуле t_к = l/V_ж , где v_ж - скорость звука в промывочной жидкости. После второй фильтрации с помощью общепринятых систем выделяются продольные, поперечные и гидроволны и определяются их параметры. Параметр t_н представляет собой начало временного интервала, в котором можно увеpенно измерить волну по слою цемента. Время l/v_s дает момент вступления волны по цементу, а коэффициент (0,5-1) позволяет учесть влияние зоны интерференции поперечной волны по горной породе с волной по цементу, которое может варьироваться для различных геологических и технических условий.The implementation efficiency of the proposed method can be improved through the use of a downhole emitter with an asymmetric radiation pattern in the horizontal plane, which creates better conditions for the occurrence of shear deformations in the cement layer and rock. The frequency range of the radiation should include the dominant frequencies f ₁ and f ₂ , and changes along the section of the value of v _s and an approximate value of the value of v _c and h are required in order to emit the dominant frequencies f ₁ and f _{2 of} sufficient broadband emitter throughout the section, for example, for real parameters of oil wells, f ₁ varies from 5 to 12 kHz, and f ₂ lies in the range of 30-60 kHz, and the direction of high-frequency wave radiation is in the region of two possible critical angles for the liquid-cement boundaries, determined by the formula δ = a rcsin S / (0.5-1) V _s , where s is the speed of sound in a liquid. Reception is carried out at some distances from the excitation point by a broadband converter that converts the acoustic signal into an electric signal. This signal is subjected in parallel to two filtrations to exclude low-frequency longitudinal and transverse waves and to exclude high-frequency waves along the cement ring. The signal remaining after the first filtering corresponds to the energy of the waves propagating along the annular cement layer (analogue of the Lamb wave in the layer), along the liquid (hydro wave), and along surfaces bordering the liquid (Stoneley waves). After the second filtering, the signal corresponds to longitudinal and transverse waves separated in time. The amplitude of the signal after the first filtering in a time window, the beginning of which is established by the formula t _n = r / (0.5-1) V _c , where l is the length of the probe, and the end by the formula t _k = l / V _w , where v _w - speed of sound in the flushing fluid. After the second filtration, using conventional systems, longitudinal, transverse and hydrowaves are distinguished and their parameters are determined. The parameter t _n represents the beginning of the time interval in which the wave can be reliably measured over the cement layer. The time l / v _s gives the moment the wave enters the cement, and the coefficient (0.5-1) allows you to take into account the influence of the shear wave interference zone from the rock with the cement wave, which can vary for different geological and technical conditions.

Качество цементирования оценивают по соотношению амплитуды высокочастотной волны по цементу и низкочастотной поперечной волны по породе, причем возрастание амплитуды высокочастотной волны по цементу и уменьшение амплитуды поперечной волны свидетельствуют о наличии зазора между цементом и породой. The quality of cementing is evaluated by the ratio of the amplitude of the high-frequency wave in cement and the low-frequency shear wave in the rock, and an increase in the amplitude of the high-frequency wave in cement and a decrease in the amplitude of the transverse wave indicate a gap between the cement and the rock.

Для определения качества сцепления цемента с горной породой воспользуемся приемами согласно предлагаемому способу. Выбор исходных параметров следующий: R = 109 мм; v_s = 1700 м/с; v_ц = 1600 м/с; a = 1,3; b = 5 м; Q = 0,75; h = 34 мм. Пользуясь формулами, приведенными в описании изобретения, получаем значения: f₁ = 6,5 кГц; f₂ = 35,5 кГц; t_н= 3100 мкс; t_к = 3500 мкс. Далее, используя частотные фильтры, указанные в описании изобретения, во временном интервале t_н-t_к получаем параметры энергии сигнала. На фиг. 2 приведены зависимости энергий высокочастотной волны по слою цемента W_в (сплошная кривая) и низкочастотной поперечной волны по породе W_н (пунктирная кривая) от глубины. Кроме того, на фиг. 2 представлена кривая отношения энергий высокочастотной и низкочастотной волн W_в/W_н, по которой выделены интервалы глубин с хорошей, плохой и средней степенью связи цемента с породой. В данном примере использовались энергии волн; можно для тех же целей использовать их амплитуды.To determine the quality of adhesion of cement to rock, we will use techniques according to the proposed method. The choice of initial parameters is as follows: R = 109 mm; v _s = 1700 m / s; v _c = 1600 m / s; a = 1.3; b = 5 m; Q = 0.75; h = 34 mm. Using the formulas given in the description of the invention, we obtain the values: f ₁ = 6.5 kHz; f ₂ = 35.5 kHz; t _n = 3100 μs; t _k = 3500 μs. Further, using the frequency filters specified in the description of the invention, in the time interval t _n −t _k we obtain the signal energy parameters. In FIG. Figure 2 shows the dependences of the energies of the high-frequency wave along the cement layer W _in (solid curve) and the low-frequency transverse wave along the rock W _n (dashed curve) on depth. In addition, in FIG. 2 is a curve ratio of the energies of high-frequency and low-frequency waves W _a / W _n at which depth intervals allocated with good, bad and an average degree of cement due to breed. In this example, wave energies were used; one can use their amplitudes for the same purposes.

Предложенный способ позволит предотвратить перетоки флюидов (затрубной циркуляции в зазоре между породой и цементом) и предотвратить экологические катастрофы при выходе углеводородов на поверхность и перетоков флюидов из нижележащих в вышележащие интервалы. (56) Авторское свидетельство СССР N 748316, кл. G 01 V 1/40, 1977. The proposed method will prevent the flow of fluids (annular circulation in the gap between the rock and cement) and prevent environmental disasters when hydrocarbons exit to the surface and fluid flows from the underlying to the overlying intervals. (56) Copyright certificate of the USSR N 748316, cl. G 01 V 1/40, 1977.

Интерпретация результатов геофизических исследований нефтяных и газовых скважин. Под ред. В. Н. Добрынина. М. : Недра, 1985, с. 397-401.  Interpretation of the results of geophysical studies of oil and gas wells. Ed. V.N.Dobrynina. M.: Nedra, 1985, p. 397-401.

Claims (1)

СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН, включающий возбуждение акустических волн, прием в удаленных от точки возбуждения точках скважины преломленных акустических волн и оценку качества цементирования по амплитудам распространяющихся вдоль оси скважины волн, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности оценки качества сцепления цемента с породой, во внутренних точках скважины возбуждают волны с доминирующими частотами f₁ и f₂, определяемыми по формулам
f₁=

где v_s - наиболее вероятная скорость поперечной волны в породе;
R - радиус скважины;
a = 0,8 - 1,3 - безразмерный коэффициент, зависящий от литологии;
f₂=

где v_ц - наиболее вероятная скорость поперечной волны в цементе;
Q = 0,5 - безразмерный коэффициент;
h - толщина слоя цемента,
причем частоту f₂ возбуждают под вторым критическим углом для границы жидкость - цемент, а частоту f₁ - под вторым критическим углом для границы цемент - порода, после приема сигнал фильтруют в двух узких диапазонах частот, соответствующих частотам f₁ и f₂, а амплитуду сигнала по цементному кольцу определяют во временном окне, начало которого устанавливают по формуле
t_н=

где l - длина зонда,
а конец окна - по формуле t_к = l / v_ж,
где v_ж - скорость звука в промывочной жидкости,
причем качество цементирования оценивают по соотношению амплитуд высокочастотной волны по цементу и низкочастотной поперечной волны по породе исходя из того, что возрастание амплитуды высокочастотной волны по цементу и уменьшение амплитуды поперечной волны свидетельствует о наличии зазора между цементом и породой. METHOD FOR ASSESSING THE QUALITY OF CEMENTING OF WELLS, including the excitation of acoustic waves, the reception of refracted acoustic waves at the points of the well far from the excitation point, and the assessment of the quality of cementing by the amplitudes of the waves propagating along the axis of the well, characterized in that, in order to increase the reliability of assessing the quality of cement adhesion to rock, at internal points of the well, waves with dominant frequencies f ₁ and f ₂ , determined by the formulas, excite
f ₁ =

where v _s is the most probable shear wave velocity in the rock;
R is the radius of the well;
a = 0.8 - 1.3 is a dimensionless coefficient depending on lithology;
f ₂ =

where v _c is the most probable shear wave velocity in cement;
Q = 0.5 - dimensionless coefficient;
h is the thickness of the cement layer,
moreover, the frequency f _{2 is} excited at a second critical angle for the liquid-cement boundary, and the frequency f ₁ is excited at a second critical angle for the cement-rock boundary, after reception, the signal is filtered in two narrow frequency ranges corresponding to the frequencies f ₁ and f ₂ , and the amplitude the signal along the cement ring is determined in a time window, the beginning of which is established by the formula
t _n =

where l is the length of the probe,
and the end of the window is according to the formula t _k = l / v _w ,
where v _W is the speed of sound in the washing liquid,
moreover, the quality of cementing is evaluated by the ratio of the amplitudes of the high-frequency wave in cement and the low-frequency shear wave in the rock, based on the fact that an increase in the amplitude of the high-frequency wave in cement and a decrease in the amplitude of the transverse wave indicate a gap between the cement and the rock.

Images