Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РОДА МАТЕРИАЛА В ПОЛОСТИ МЕЖДУ ВНУТРЕННЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТЕНКОЙ И НАРУЖНОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТЕНКОЙ

Область техники

Изобретение относится к способу и устройству для определения рода материала в полости между внутренней металлической стенкой и наружной металлической стенкой, установленной снаружи внутренней стенки. В типичном варианте металлические стенки являются обсадными колоннами (колоннами обсадных труб) подводной скважины, а способ и устройство согласно изобретению используются для измерения сохранности сцепления цемента с обсадными колоннами и присутствия (или отсутствия) цемента в кольцевом пространстве между обсадными колоннами.

Уровень техники

Полости часто заполняют материалом, используемым в качестве изоляции или для других целей. Как пример можно назвать резервуар с двойными стенками, полость между которыми заполнена цементом или другим твердеющим материалом. Другим примером может служить здание специального назначения, в частности электростанция, полости в стенках которой заполняют цементом. В некоторых случаях может оказаться необходимым оценить качество заполнения, но при этом могут возникнуть трудности в связи с отсутствием доступа или соображениями безопасности.

Типичным примером полости рассматриваемого типа является кольцевое пространство между обсадными колоннами углеводородной скважины. Типичная конструкция углеводородной скважины использует трубу большого диаметра, называемую кондуктором, внутрь которой последовательно устанавливают трубы, образующие в скважине в ходе процесса бурения обсадные колонны. В процессе формирования скважины сначала производится бурение на небольшую глубину (около 100 м), после чего в скважину опускают трубу-кондуктор. Затем в эту трубу закачивают цемент, уровень которого будет повышаться, так что цемент будет затекать в пространство между кондуктором и стенками скважины. Затем производят бурение на большую глубину и устанавливают в скважину обсадную колонну (называемую наружной обсадной колонной) с номинальным диаметром, в типичном случае равным 20 дюймам (508 мм), после чего кольцевое пространство между наружной обсадной колонной и стволом скважины (в открытой его части) и между наружной обсадной колонной и трубой-кондуктором также заполняют цементом. Затем, в зависимости от глубины пробуренной скважины и структуры породы, в скважину последовательно устанавливают другие обсадные колонны с уменьшающимися диаметрами, подвешенные на устьевом оборудовании скважины. Эти обсадные колонны обычно цементируют только на части их высоты, начиная с дна скважины. В завершение в скважину до глубины продуктивного пласта опускают эксплуатационную обсадную колонну и производят перфорирование обсадных колонн, чтобы обеспечить возможность поступления текучих сред (флюидов) в скважину и их подъема по эксплуатационной обсадной колонне через фонтанную арматуру в сборный трубопровод.

Нормальная практика при цементировании каждой трубы или колонны включает расчет требуемого количества цемента, исходя из площади сечения кольцевого пространства и глубины пространства, подлежащего заполнению. Однако часто бывает трудно рассчитать нужное количество цемента, так что его уровень может оказаться ниже запланированного. Применительно к наружной обсадной колонне желательно заполнить цементом пространство на всю высоту до границы ила (до морского дна). Однако это требование не всегда выполняется, что приводит к так называемой недостаточности цемента. Как следствие, верхняя часть наружной обсадной колонны может оказаться заполненной не цементом, а текучей средой (водой или соляным раствором), в результате чего наружная обсадная колонна не будет связана с кондуктором по всей высоте до границы ила. В таком случае нецементированная часть наружной обсадной колонны может рассматриваться как свободно стоящая колонна, которая может быть повреждена под действием приложенных к ней нагрузок.

Наружная обсадная колонна несет устьевое оборудование скважины, т.е. является основной несущей конструкцией для оборудования, расположенного над устьем скважины (верхнего оборудования). При этом она служит опорой как в отношении наружных нагрузок, таких как нагрузки, создаваемые эксплуатационным оборудованием (фонтанной арматурой), так и для ствола скважины в отношении воздействий со стороны пласта. В течение своего срока жизни скважина будет подвергаться различным нагрузкам. Например, в ситуации проведения операций по увеличению дебита скважины к фонтанной арматуре прикреплены противовыбросовое оборудование (Blow Out Prevention, ВОР) и райзер, причем райзер выведен на поверхность. Движения райзера и применение бурового оборудования могут создавать циклические нагрузки на устье скважины и наружную обсадную колонну (см. фиг.1 и 2). Это может вызвать усталостные явления в обсадной колонне.

Другим источником нагрузки являются обсадные колонны, которые испытывают нагрузки вследствие нагрева, вызываемого добываемыми флюидами.

Если цемент полностью заполнил кольцевое пространство и, кроме того, находится в требуемом сцеплении со стальной трубой, циклические нагрузки будут распределяться по длине обсадной колонны и передаваться трубе-кондуктору и грунту. Однако, если имеется участок, не заполненный должным образом, соответствующая часть обсадной колонны может вести себя (как было упомянуто) как свободно стоящая колонна, причем циклические нагрузки могут привести к усталости и повреждению обсадной колонны. При этом точка, соответствующая верхнему уровню цемента, может служить точкой перелома вследствие отмеченных выше движений колонны.

Аналогично, нагрев и охлаждение обсадной колонны могут создавать нагрузки, приводящие к усталостным явлениям и деформации обсадной колонны.

Из вышеизложенного должно быть понятно, что определение того, правильно ли была выполнена операция цементирования, например, кольцевого пространства, является приоритетной задачей. Соответственно, основной задачей, решаемой изобретением, является установление того, имеется ли цемент между наружной обсадной колонной и кондуктором и, более конкретно, определение уровня цемента, которое позволяет оценить длину свободно стоящей колонны.

Если позднее на скважине должны производиться какие-либо работы, ВОР и райзер заново прикрепляются к фонтанной арматуре, так что операции могут осуществляться безопасным образом.

И в процессе бурения и при выполнении работ по увеличению дебита скважины (если они необходимы) устье скважины подвергается наружным нагрузкам, как это было пояснено выше. В какой степени они влияют на устье скважины, зависит от длины свободно стоящей колонны. Чем больше эта длина, тем больше чувствительность к усталости. Возможность определения длины свободно стоящей колонны позволяет рассчитать, какой нагрузке можно подвергнуть устье скважины, и по результатам расчета определить, какой объем работы может быть выполнен. Это позволит оператору предсказать функциональный срок службы скважины и гарантировать целостность ее конструкции.

Известно несколько способов и систем для неразрушающего контроля слоев различных материалов. Некоторые из этих способов основаны на генерировании, на первом этапе, электрических, электромагнитных или акустических сигналов с последующим измерением различных отражений сгенерированных сигналов от этих слоев. Данные способы и системы ранее не применялись для инспекции подводных скважин. Одной из причин этого является трудность доступа к скважине через центральную колонну труб. Кроме того, скважина представляет собой сложную для измерений среду вследствие присутствия в ней углеводородных флюидов и/или воды, температуры и давления которых могут варьировать в широких пределах. Кроме того, центральная труба может в значительной степени подвергаться закупориванию и коррозионному износу.

Имеются также значительные трудности для формирования сигнала, достаточно интенсивного, чтобы проникнуть сквозь различные слои, и для считывания сигналов, отразившихся от различных слоев. Как нетрудно понять, чем более удалено место отражения, тем слабее будут отраженные сигналы.

Раскрытие изобретения

В связи с этим изобретение направлено на создание способа и устройства для определения рода материала в полости между внутренней металлической стенкой и наружной металлической стенкой. Изобретение направлено также на создание способа и системы, предусматривающих опускание, для выполнения соответствующих операций, измерительного прибора в скважину с внутренней стороны внутренней металлической стенки, например в эксплуатационную обсадную колонну.

Изобретение направлено также на определение уровня цемента, т.е. положения его верхнего уровня с расчетом, на основе данных об этом уровне, длины свободно стоящей колонны.

Более конкретно, изобретение относится к способу для определения рода материала в полости между внутренней металлической стенкой и наружной металлической стенкой, установленной снаружи внутренней стенки. Способ согласно изобретению включает:

- установку с внутренней стороны внутренней металлической стенки прибора, содержащего генератор импульсов и регистратор сигнала;

- генерирование, посредством генератора импульсов, электромагнитных импульсов малой длительности, вызывающих механические вибрации стенок;

- регистрацию, посредством регистратора сигнала, данных, характеризующих отражения механических вибраций от указанной полости и дополнительных полостей, и

- анализ зарегистрированных данных для определения рода материала в указанной полости.

Согласно одному аспекту полость между внутренней металлической стенкой и наружной металлической стенкой представляет собой кольцевое пространство в углеводородной скважине между обсадными колоннами.

Согласно другому аспекту материал, род которого подлежит определению, является цементом или водой.

Еще в одном аспекте снаружи промежуточной обсадной колонны установлены дополнительные металлические стенки, а между наружной металлической стенкой и дополнительными металлическими стенками имеются дополнительные полости. При этом способ по изобретению включает:

- регистрацию, посредством регистратора сигнала, данных, характеризующих отражения механических вибраций от дополнительных полостей;

- анализ зарегистрированных данных для определения рода материала в дополнительных полостях.

В следующем аспекте способ включает повторение операций генерирования, регистрации и анализа для различных уровней внутри скважины, чтобы определить границу между цементом и водой.

В одном аспекте электромагнитный сигнал содержит электромагнитный импульс длительностью менее 200 мкс.

В частности, электромагнитный сигнал может содержать электромагнитный импульс длительностью менее 4 мкс.

В другом аспекте энергия электромагнитного сигнала составляет 0,1-3 кДж.

Согласно одному аспекту способ осуществляется без физического контакта между генератором импульсов и стенкой и/или между регистратором сигнала и стенкой.

В одном аспекте генератор сигнала содержит индуктор.

При этом индуктор может иметь индуктивность, составляющую 10·10^-6-40·10^-6 Гн.

Согласно другому аспекту способа подачу энергии к генератору сигнала осуществляют с использованием конденсатора.

Изобретение относится также к устройству для определения рода материала, находящегося в полости между внутренней металлической стенкой и наружной металлической стенкой, установленной снаружи внутренней стенки. Устройство по изобретению содержит прибор, имеющий корпус, и средство для подвешивания прибора в скважине, а прибор содержит:

- генератор импульсов для генерирования электромагнитных импульсов малой длительности, вызывающих механические вибрации стенок, и

- регистратор сигнала для регистрации данных, характеризующих отражения механических вибраций от указанной полости и дополнительных полостей.

При этом устройство дополнительно содержит подключенный к прибору анализатор для анализирования зарегистрированных данных с целью определения рода материала в полости.

В одном аспекте изобретения полость между внутренней металлической стенкой и наружной металлической стенкой представляет собой кольцевое пространство между обсадными колоннами в углеводородной скважине.

В другом аспекте изобретения материал, род которого подлежит определению, является цементом или водой.

Еще в одном аспекте снаружи промежуточной обсадной колонны установлены дополнительные металлические стенки, а между наружной металлической стенкой и дополнительными металлическими стенками имеются дополнительные полости. При этом регистратор сигнала сконфигурирован с возможностью регистрировать данные, характеризующие отражения механических вибраций от указанной полости и от дополнительных полостей, а анализатор способен анализировать зарегистрированные данные для определения рода материала в дополнительных полостях.

Согласно следующему аспекту устройство содержит кабель для передачи мощности и сигнала между прибором и расположенной над скважиной станцией управления.

Согласно одному аспекту генератор импульсов содержит индуктор для генерирования электромагнитного импульса.

Индуктор может иметь индуктивность, составляющую 10·10^-6-40·10^-6 Гн.

Согласно другому аспекту устройство содержит конденсатор, подключенный к индуктору с обеспечением возможности разряжать накопленную в нем энергию через индуктор.

При этом генератор может содержать ключ, включенный между индуктором и конденсатором.

Зарядка конденсатора может обеспечиваться по кабелю от источника питания.

Краткое описание чертежей

Далее, со ссылками на прилагаемые чертежи, будут подробно описаны варианты осуществления изобретения.

На фиг.1 иллюстрируется укрепление ствола скважины в морском дне.

На фиг.2 иллюстрируется скважина по фиг.1, в которой в некоторых пространствах между колоннами труб введено недостаточное количество цемента.

На фиг.3 представлена модельная кривая для вибраций на различных частотах.

На фиг.4 схематично представлено контрольное устройство по изобретению.

На фиг.5 представлен вариант генератора сигнала.

На фиг.6 показаны результаты испытаний одного из вариантов изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлен вариант верхней части законченной углеводородной скважины 1. Показаны различные типы труб и обсадных колонн, установленных в пробуренной скважине. В частности, как показано на фиг.1, могут использоваться следующие типы труб:

хвостовик/опорная плита;

кондукторная обсадная колонна;

наружная обсадная колонна;

промежуточная обсадная колонна;

эксплуатационная обсадная колонна.

Названные колонны являются металлическими. Как показано на фиг.1, эксплуатационная обсадная колонна образует внутреннюю металлическую стенку, а промежуточная колонна - наружную по отношению к ней металлическую стенку, охватывающую внутреннюю металлическую стенку. Остальные колонны являются металлическими стенками, расположенными за наружной металлической стенкой, т.е. за промежуточной колонной.

Между внутренней и наружной металлическими стенками имеется полость (полое пространство). Другие полости имеются между наружной металлической стенкой и остальными металлическими стенками.

Чтобы закрепить колонны труб относительно одна другой, производят закачку цемента. Как уже упоминалось, количество или уровень цемента, закачанного в различные полости, может оказаться недостаточным, так что вместо цемента полости могут быть частично заполнены морской водой.

Таким образом, как правило, цемент находится между стенками пробуренной скважины и кондукторной обсадной колонной и между кондукторной обсадной колонной и наружной обсадной колонной. Как уже упоминалось, кольцевое пространство между кондуктором и наружной обсадной колонной в идеале должно быть заполнено цементом на всю его высоту до устья скважины. Кольцевое пространство между другими колоннами труб обычно заполняется цементом только частично, причем количество цемента зависит от характеристик пласта. Следует отметить также, что в зависимости от характеристик морского дна количество обсадных колонн, используемых при формировании скважины, может быть увеличено.

На фиг.1 показана также фонтанная арматура (фонтанная елка) 2, установленная над верхней частью труб. К фонтанной арматуре 2 прикреплен блок 3 противовыбросового оборудования (ВОР).

На фиг.2 иллюстрируется пример законченной скважины, в которой кольцевое пространство между наружной обсадной колонной и кондукторной обсадной колонной неполностью заполнено цементом. Как уже упоминалось, изобретение направлено на определение того, заполнено ли данное пространство цементом в достаточном количестве (как в примере по фиг.1) или нет (как в примере по фиг.2).

Специалистам хорошо известны теоретические основы процессов распространения физических вибраций в различных средах и их отражения от различных сред.

На фиг.3 иллюстрируются два модельных примера спектров отражения для интервала частот 0-16 кГц: от структуры, содержащей цемент, и от структуры, содержащей воду. Видно, что по спектральному сигналу на частотах вблизи 4 кГц можно определить, является ли материал в составе структуры цементом или водой.

Однако для конструкций с несколькими колоннами труб, охватывающими одна другую, спектры отражения становятся более сложным, особенно в отношении определения материала, находящегося между конструктивными элементами 3-4 или между конструктивными элементами 4, 5, что соответствует варианту по фиг.2.

В связи с этим предложено устройство для определения рода материала в полости. Устройство содержит прибор 10 (см. фиг.4), пригодный для опускания в подводную скважину 1. Прибор 10 содержит корпус 11, связанный с кабелем 12 для подвешивания прибора 10 в скважине. Кабель содержит средство для переноса сигналов/мощности между прибором 10 и верхним оборудованием (не изображено).

Прибор содержит, кроме того, генератор 14 импульсов для генерирования коротких электромагнитных импульсов, которые, поскольку труба обладает магнитными свойствами, будут вызывать ее вибрацию, т.е. импульс индуцирует механические вибрации стенок труб. Прибор содержит также регистратор 16 сигнала для регистрации данных, соответствующих отражениям механических вибраций от полости.

Устройство дополнительно содержит анализатор (не изображен). Анализатор может входить в состав верхнего оборудования, т.е. находиться над скважиной. В этом случае он связан с другими частями устройства посредством кабеля 12. Альтернативно, анализатор может находиться в корпусе 11 прибора. Анализатор подключен к прибору для анализа зарегистрированных регистратором данных с целью определения рода материала, находящегося в полости.

На фиг.5 представлена электрическая схема предпочтительного варианта генератора импульсов. Генератор 14 содержит зарядное устройство, например источник питания, обеспечивающий напряжение Uo для зарядки накопительного устройства, например конденсатора С. Конденсатор С подключен к соединенным последовательно ключу Q, магнитному устройству L и резистивному устройству R.

Зарядное устройство, например в виде источника питания, может находиться в составе верхнего оборудования и быть подсоединенным к конденсатору С через кабель 12. Принимается, что зарядное устройство является известным для специалистов и поэтому не требует дальнейшего описания.

Ключ является, например, полупроводниковым ключом, замыкаемым вручную или автоматически согласно заданному режиму, например, при достижении напряжением на конденсаторе заданного порогового значения.

На схеме по фиг.5 магнитное устройство L состоит из индуктора (соленоида) Lms, индуктор содержит витки, количество которых определяет характеристики электромагнитного разряда.

Резистивное устройство R предпочтительно является нелинейным резистором, характеризующимся резким падением удельного сопротивления при повышении плотности тока, протекающего через него. Падение U_R напряжения на нелинейном резисторе связано с током I следующим соотношением:

,

где а₀ и α - параметры материала, h_R и S_R - высота и площадь сечения резистора R соответственно.

Требования к компонентам генератора 14 сигнала будут зависеть от желательных параметров генерируемого электромагнитного сигнала и от характеристик магнитной системы, как это хорошо известно специалистам.

Регистратор 16 сигнала может содержать датчики для регистрации акустического сигнала, вызванного вибрацией труб в скважине под действием электромагнитного импульса. В качестве примера, датчики могут иметь следующие свойства:

- верхняя граница частотного диапазона измерений не ниже 10 кГц;

- способность измерения вариаций давления на уровне 10³ Па на фоне статического давления 10⁷ Па;

- способность функционировать в углеводородной скважине при температурах до 150°С.

Следует отметить, что могут быть использованы различные регистраторы сигналов, например, с применением пьезоэлектрических, емкостных, тензометрических или оптических датчиков давления и/или гидрофонов.

Анализатор 18 может содержать один или несколько фильтров, усилители, преобразователь переменного тока в постоянный и процессор для анализа сигналов. Аппаратные аспекты анализатора рассматриваются как известные для специалистов.

В процессе применения генератора импульсов производится его зарядка, и после замыкания ключа индуктор генерирует электромагнитный импульс. Этот импульс будет воздействовать на трубу, вызывая ее вибрацию. Эта вибрация, возникшая в трубе, будет распространяться в форме импульсов давления сквозь слои труб. При достижении этими импульсами каждого слоя трубы начинают вибрировать, и это создает акустические волны, которые будут отражаться в обратном направлении и регистрироваться регистратором сигнала.

Создаваемая сила приводит к взаимодействию между магнитным полем и токами, индуцируемыми в проводящей среде, причем источник магнитного поля (обмотка) в сочетании с проводящей средой образует магнитную систему. Магнитная система может быть сформирована таким образом, что в проводящей среде будет создаваться зона с равномерным распределением тока. В этой зоне будет обеспечиваться однозначное соотношение между давлением, созданным в проводящей среде, током и геометрическими параметрами обмотки. Очевидно, что пространственные характеристики силового поля определяются геометрией магнитной системы, а временные параметры действующего давления - характеристиками тока, текущего в магнитной системе.

В результате проведенных экспериментов было обнаружено, что уровень шума в зарегистрированном сигнале может быть понижен путем сокращения длительности сигнала, т.е. генерирования сигнала с предельно короткой длительностью.

Преимущество коротких акустических импульсов состоит в возможности использования для диагностики коротковолновой части спектра и в малой длительности измерений сигнала.

Была проведена серия тестов с использованием следующих параметров:

напряжение Uo: 3-15 кВ;

емкость конденсатора: С=10·10^-6-100·10^-6 Ф;

индуктивность магнитного устройства: L=10·10^-6-40·10^-6 Гн;

ключ: могут быть использованы полупроводниковые коммутаторы, газоразрядные коммутаторы или псевдоискровые коммутаторы.

Далее будет описан способ выполнения соответствующих операций в углеводородной скважине. Сначала в скважину опускают прибор 10. Как это было описано, прибор 10 содержит генератор 14 импульсов и регистратор 16 сигнала. Затем посредством генератора сигнала генерируют электромагнитный сигнал.

Опущенный в скважину прибор подвешивают в эксплуатационной обсадной трубе. Он может находиться в контакте с поверхностью трубы, однако такое положение не является обязательным условием для функционирования прибора.

В исходном положении ключ разомкнут. Как уже упоминалось, к конденсатору С прикладывают напряжение Uo для зарядки конденсатора до напряжения 3-15 кВ. Напряжение Uo подается по кабелю 12. По завершении процесса зарядки замыкают ключ, и конденсатор начинает разряжаться при протекании тока I через магнитное устройство L и резистор R. При проведении испытаний ключ замыкался на период 20-200 мкс. Тестировались даже более короткие периоды 4-20 мкс. Такие короткие длительности достигнуты выбором соответствующей геометрии индуктора. Длительность импульса зависит от индуктивности обмотки индуктора (которая может быть понижена уменьшением количества витков) и от размеров обмотки. При фиксированном значении емкости для накопления энергии уменьшение индуктивности приводит к сокращению длительности импульсов.

При выборе указанных выше параметров мгновенные значения тока I будут составлять 5-20 кА. Ток, текущий через магнитное устройство L, будет генерировать импульсный электромагнитный сигнал, который будет вызывать механические вибрации находящихся в скважине труб. Лучшие результаты в ходе испытаний были получены при энергии электромагнитного сигнала, составляющей 0,1-3 кДж.

Данные, соответствующие механическим вибрациям в скважине, регистрируют посредством регистратора сигнала. Зарегистрированные данные передают анализатору 18 для проведения их анализа. На выходе анализатора могут выдаваться одна или несколько кривых, отображающих сведения о материале, находящемся между различными колоннами.

На фиг.6 представлены результаты одного из испытаний. Верхние кривые соответствуют сигналам, зарегистрированным регистратором сигнала, а нижние - спектрам этих сигналов для случая заполнения наиболее удаленного зазора (зазора 4) цементом и водой соответственно. Видно, что спектральные кривые различимы в частотном интервале 3,5-4 кГц.

Малая длительность сигнальных импульсов приводит к сокращению длительности отраженных сигналов. Как следствие, становится легче различать отражения от различных конструкций (стенок). Кроме того, расстояния между различными конструкциями, т.е. диаметры различных колонн, известны. Поэтому становится возможным предсказать, когда к регистратору сигнала будут возвращаться волны, отраженные от различных колонн, и эта информация также может быть использована при анализе зарегистрированных сигналов.

После этого устройство при его практическом применении может быть передвинуто в скважине на другой уровень (другую глубину), и операции генерирования, регистрации и анализа сигнала могут быть повторены, чтобы определить, присутствует ли на данном уровне цемент в различных полостях между колоннами труб. Таким способом можно определить уровень цемента между наружной обсадной колонной и кондуктором. Соответственно, станет известна высота свободно стоящей колонны (труб). Используя эти данные в сочетании с данными о физических свойствах труб, можно рассчитать допустимые изгибающие нагрузки и провести анализ, результаты которого затем будут использоваться для определения того, какой объем работ можно выполнить на скважине без ухудшения структурной целостности ее устья.

При отсутствии правильного сцепления цемента с трубой между ними в кольцевом пространстве будет иметься небольшой зазор. В результате труба будет способна двигаться более свободно, например, в процессе ее теплового расширения. Даже применительно к промежуточной обсадной колонне это может привести к нежелательным нагрузкам в устье скважины или вызвать смещение герметизирующего узла колонны со своего положения с возможным возникновением канала утечки в устье скважины. Прибор может быть использован для обнаружения зазоров между промежуточными трубами, причем возможность идентификации даже подобных малых зазоров обеспечивается малой длительностью импульсов.