Скважинные приборы акустической цементометрии

Бурное развитие акустической цементометрии началось на заре появления скважинных приборов АК. Этому способствовали, по крайней мере, два обстоятельства: важность задач определения технического состояния обсадной колонны и цементного камня, обеспечивающих длительную работу нефтегазовых скважин, и более низкие на первых порах требования к количественным определениям параметров упругих волн по сравнению с приборами, предназначенными для исследований открытых скважин. Со временем требования к качеству решения задач и, соответственно, к приборам АК-цементометрии неизмеримо повысились. Появилась необходимость количественной оценки сцепления цемента с обсадной колонной и горными породами, выделения в цементном камне тонких вертикальных каналов, идентификации интервалов внутренней и внешней коррозии обсадной колонны и др.

Решение усложнившихся задач осуществляется в настоящее время двумя группами приборов, чётко различающихся между собой. Традиционные задачи цементометрии - определение высоты подъема цемента за колонной, степени заполнения затрубного пространства цементом и качества его сцепления с колонной и горными породами - решаются приборами АК-цементометрии (АКЦ), обладающими относительно невысокими частотами излучения (20-30 кГц) со средними для АК длинами (0,7-1,5 м) измерительных зондов ( табл. 6 ). Для этой цели часто применяют также приборы АК, предназначенные для исследований открытых скважин. Обычно ими исследуют качество цементирования промежуточных (технических) обсадных колонн во время каротажа глубже залегающих открытых интервалов. Вторую группу приборов составляют высокочастотные (250-1000 кГц) АК-сканеры. Их основное назначение заключается в обнаружении небольших дефектов, нарушающих целостность колонны и/или герметичность затрубного пространства: порывов, трещин, смятий и коррозии обсадных труб, вертикальных каналов в цементном камне, интервалов залегания газонасыщенного (вспученного) цемента.

Современные приборы АК-цементометрии обладают короткими компенсированными измерительными зондами ( табл. 7 ,а). Расстояния между ближайшими излучателем и приёмником в приборах разных фирм изменяются от 0,7 до 1,2 м; базы зондов (расстояние между приёмниками) - в пределах 0,305-0,61 м. Зарубежные и некоторые отечественные приборы содержат также третий приёмник. Его назначение заключается в регистрации ФКД на стандартной в зарубежной практике базе в 5 футов (примерно 1,5 м). С помощью этого приёмника регистрируют также положение муфт при любом качестве цементирования, воспринимая упругие колебания ближнего излучателя, расположенного на расстоянии 0,2-0,3 м от приёмника. Основная рабочая частота излучателей приборов АК-цементометрии равна 20 кГц, что благоприятно для регистрации параметров волны Лэмба, распространяющейся в колонне. Собственно, по затуханию этой волны определяется (количественно!) степень сцепления цемента с колонной. Сцепление цементного камня с горными породами фиксируется на качественном уровне по факту появления на ФКД упругих волн, распространяющихся в породах. Методические возможности и эксплуатационные характеристики приборов с компенсированными зондами близки между собой; диаметр приборов - 70-83 мм, длина - 5,4-8,5 м с центраторами. Термобарические характеристики - стандартные для зарубежных (177 °С, 138 МПа) и отечественных приборов (120°С, 80 МПа).

Скважинные приборы АК-цементометрии, оснащенные компенсированными измерительными зондами, представляют собой лучшие достижения метода начала 90-х годов. Однако практически все фирмы и предприятия продолжают эксплуатацию более старых приборов с трёхэлементными и, даже, двухэлементными измерительными зондами. По-видимому, это делается с целью полной амортизации ранее изготовленных приборов. В других случаях такие приборы предназначены для исследований скважин с экстремальными условиями: диаметр скважин - менее 120 мм, забойные температуры близки или превышают 200°С, необходимость работы с одножильным каротажным кабелем.

Конструкции сканеров АК-цементометрии более разнообразны ( табл. 7 , б). Их можно разделить, по крайней мере, на три обособленных группы: 1) сканеры с одним совмещённым преобразователем "излучатель-приёмник", вращающимся вокруг оси прибора; 2) сканеры с восемью преобразователями "излучатель-приёмник", установленными в корпусе прибора неподвижно, по винтовой линии, через 45° в проекции на азимутальную плоскость; 3) приборы с шестью парами преобразователей "излучатель-приёмник", установленными на близком расстоянии (микрозонды АК) на 6 выносных башмаках. Излучатели и приёмники соседних башмаков заменены местами. Башмаки (через один) размещены в двух горизонтальных плоскостях таким образом, что верхний излучатель первого башмака (И₁), верхний приёмник второго (П₁), нижний приёмник третьего (П₂) и нижний излучатель четвёртого башмака (И₂) образуют короткий компенсированный измерительный зонд И₁П₁П₂И₂ и т.д. Всего таких зондов 6; они расположены под углом к оси прибора и скважины, охватывая сегмент раскрытостью 60° [81,140]. Все сканеры АК-цементометрии оснащены дополнительным преобразователем "излучатель-приёмник" для определения скорости упругой волны в жидкости, заполняющей скважину.

Первичные данные сканеров АК-цементометрии включают время распространения и амплитуды упругой волны, отражённой от внутренней и внешней стенок обсадной колонны и стенки скважины, время реверберации колонны, резонансную частоту колебаний колонны, интервальное время распространения упругой волны в скважинной жидкости. Эту информацию получают почти непрерывно приборами с вращающимся преобразователем "излучатель-приёмник" (от 6-10 оборотов в минуту, до 18-32 опросов за один оборот) или в сегментах с раскрытием 45° либо 60° другими приборами. Помимо первичных данных (обычно это кривые затухания и ФКД), стандартные заключения зарубежных фирм содержат с теми или иными вариациями у разных фирм сведения о внутреннем диаметре и эксцентриситете колонны, её толщине, наличии интервалов внутренней и внешней коррозии, положении муфт и центраторов, карту распределения цемента за колонной с выделением вертикальных каналов, индекс сцепления цемента с колонной (в кг/см²). Часто, подобно тому как это делается для открытого ствола, изображение обсадной трубы может быть представлено в псевдотрехмерном отображении, на котором видны дефекты - перфорационные отверстия, коррозионные воронки, следы выработки от движения бурильных труб или НКТ и т.п.).

К сожалению, уровень решения перечисленных задач отечественными сканерами АК-цементометрии намного ниже. Сканер АВК-42 позволяет получить лишь изображение внутренней стенки скважины и её дефектов (порывов, трещин, перфорационных отверстий). Сканер САТ-4 обеспечивает измерение профиля колонны и отображение её поверхности. Линейная разрешающая способность САТ-4 по дефектам внутренней поверхности составляет 6 мм, абсолютная погрешность измерения внутреннего радиуса - не более ±0,7 мм [68]. Методические возможности сканера АРКЦ-Т-1 в общедоступной литературе не раскрыты.

Предполагается, что возможности, близкие к зарубежным сканерам, будут достигнуты у сканеров, разрабатываемых НПП "Геометр". Авторы сообщают [44], что они разрабатывают аналоги сканеров АК-цементометрии СЕТ и USI фирмы Schlumberger и сканера СВТ фирмы Western Atlas International. Организация начала опытные работы со сканером АКЦ ВМ, разработка двух остальных находится на стадии лабораторных исследований.