Способ акустической профилеметрии скважин

Сфез Советск икСоциалистичесиикРеспублик СВИДЕТЕЛЬСТВУ АВТОРСКО(6 ) Дополнительное к авт. св (22)Заявлено 29. 12 . 80 (21) ву 32264 51)М. Кл 40 присоелинениеи заявки Рй Геауаарстеевей квинтет СССР аф делан кзабретаккй и ютарытий(088.8) ата опубликования описания 07. 01 А А .Кра силь нй) СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОЙ ПРОФИЛЕМЕТРСКВАЖИН остра ения уль.дальноченияых секх и региты изме-.нтальныхчения 1 1 естнои скорость развука, вычисля ти, в том числе иаметров скважин орах наблюдаемых трируют полученнний в виде диаг ли вертикальных скомые ние зн выбран сечени езульт ют и сред ре рамм горипроФилей гаемому измереИзобретение относится к области промыслово-геоФизических исследований в скважинах и предназначено для изучения технического . состояния колонны обсадных труб и открытого ствола скважины.Известные способы акустических изме рений дальностей эхо-методом основаны на определении интервального времени распространения упругих колебаний между моментами излучения и приема ультразвукового импульса. По известной скорости распространения ультразвука в среде акустического ;.тракта временные интервалы пересчитывают в дальностиТак, в известном способе, основанном на сканировании ультразвуковыми импульсами стенки заполненной жидкостью скважины, измеряют времена распространения ультразвука от излучателя до отражающих участков сканируемой поверхности и., полагая изУказанный способ обладает невысокой точностью измерения дальностей,которая обусловлена предположением,. что скорость ультразвука в промывочной жидкости известна в интервалеисследований, Поскольку значенияскорости обычно неизвестны и зависятот составЬ промывочной жидкости, атакже термобарических условий в скважине, постольку известный способ неможет быть использован при количе 20ственной интерпретации получаемыхрезультатов,Наиболее блйзким к предлаизобретению является способ3987 ния диаметра скважины,(профилеметрии: скважин), основанный на сканировании ультразвуком стенки заполненнойжидкостью скважины и измерении времени Т распространения ультразвука до -ых отражающих участков поверхности стенки, а также определении скорости ультразвука в скважинной жидкости по времени ЬТ; прохождения ультразвуком фиксированного расстояния,Ь 1. между двумя акустическими преобразователями (или отражателями), расположенными на известных расстояниях 1. и 1. от.неподвижного излучателя датчика скорости.По известной скорости ультразвука в жидкости, временные интервалы пересчитываются в дальности, которые используют для построения профилеграмм (или кавернограмм) ствола скважины 12 1.Указанный способ обладает следующими недостатками. Акустический тракт по сканирующего излучателя до стенки скважины представляет собой трехслойную среду, состоящую из масла, заполняющего отсек с акустическим датчиком резины, изолирующей его от скважинной среды и промывочной жидкости. Поэтому измеряемые времена распространения эхо-сигналов в неодно 1 одной среде сложным образом зависят от акустических параметров упомянутых сред, а также термобарических условий в скважине, При условии, когда акустический путь ультра-, звука в масле и резине оказывается соизмеримым с длиной акустического пути в промывочной жидкости, использование скорости ультразвука в промывочной жидкости для вычисления аку-. стического пути эхо-сигналов приводит к большим погрешностям и неоднознач- ной интерпретации результатов измерений, Например, при исследовании большинства скважин, бурящихся на нефть и газ, с номинальными диаметрами 125-300 мм, используют,;скважинные приборы с наружным диаметром около 100 мм. Длина акустического пути, в этих случаях, от скважинного прибора до стенки скважины может составить 125-200 мм. Обычно, из соображений эксплуатационной надежности, толщину резиновой трубы выбирают равной 4-5 мм, а слой масла между преобразователем и, резиной в зависимости от конструкции акустического датчика может составить 45-10 мм при548 размещении преобразователя по осискважинного прибора или вблизи резиновой трубы соответственно. Из сказанного следуеТ, что скорость ультразвука в акустическом тракте сканирующего преобразователя может зна.чительно отличаться от скорости впромывочной жидкости, особенно приисследованиях скважин малого диа - 1 о метра.Поэтому известный способ позволяет судить лишь о форме наблюдаемыхсечений (или диаметров) скважины ине может быть использован для одно значной количественной оценки егоразмеров и наблюдаемых нарушений.Кроме того, известный способ обладает большой информативной избыточностью передаваемых и регистрируемых сообщений о временах распространениях.эхо-сигналов, обусловленнойформированием первичнойинформацииненормализованной структуры, ограничивающей возможность его комплексирования с другими геофизическимиметодами исследований, например сакустическим видеокаротажом, при котором резко возрастают требованияобогащения передаваемой информации. эоВозникновение избыточности легко понять при представлении сообщения Тв виде двух составляющих: 1 =Т +Ь 1 (1)постоянная составляющая, характеризующая расстояние от излучателя до цилиндрической поверхности скважины с нормальным диаметром (в дальнейшем номинальным профилем сечения);переменная составляющая, характеризующая дефекты номинального профиля сечения. 35 где Т, -40 К недостаткам способа следует также отнести отсутствие метрологического обеспечения и средств контроля результатов измерений, снижающих эффективность способа при исследованиях технического состояния ствола скважины. 45Поскольку величина Тн несет информацию о номинальном диаметре скважины, значение которого, обычно, известно, она является избыточной в сообщении Т, так как не добавляет информации.Цель изобретения - повышение точности и метрологическое обеспечение измерений.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу акусти" ческой профилеметрии скважин, ос.нованному на сканировании ультразвуком стенки заполненной жидкостью .,скважины и измерении времени Т 1 распространения ультразвука до 1-х.: от ражающих участков поверхности стенки, а также на определении скорости ультразвука в скважинной жидкости по времени ЬТ прохождения ультразву ком фиксированного расстояния д 1. меж- И ду двумя акустическими преобразователями (или отражателями); расположенными на известных расстояниях 1,1и 1от неподвижного излучателя датчика скорости, размещают оба пре образователя на одинаковых расстояниях от оболочки скважинного прибо-ра, устанавливают значение Ь равным расстоянию от сканирующего излучателя до условной цилиндрической по-2% верхности скважины номинального диаметра, измеряют интервальные времена ЬТ =Т -Т 1, пробега ультразвукомзазоров по 1-и направлениям скани" рования Между номинальным и факти- З 0 ческими диаметрами .скважины, форми, руют сигналы временных меток дальности с периодом следования ЬТ, и Т 1, и используют их как масштабные единицы дальностей для калибровки аппа"ратуры, -установки масштаба записиинформации, разметки профилеграммы,измерения зазоров ЬХ в единицах Ь"1., а также контроля результатов измерений.40На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство.В акустическом отсеке 1, изолированном .от промывочной жидкости 2 резиновой трубкой 3 и заполненном мас-лом 4 размещают вращающийся вокруг оси скважинного прибора 5 ультразвуковой преобразователь 6, сканирующий стенку 7 скважины, и неподвижный преобразователь 8 датчика скоро 50 сти, облучающий через зеркало 3 отражатели 10 и 11, причем длины 1. и 1. акустических пухей от излучателя до отражателей могут устанавливаться перед спуском прибора в скважину. Оба преобразователя работают в совмещен 5 ном режиме (передача-прием) и расположены на равных расстояниях от ,резиновой трубки 3. Поэтому на рав 987548 Ьных участках акустических трактовот преобразователей 6 и 8 интервальные времена распространения ультразвука также одинаковы.,Используя.этоусловие, устанавливают длину акустического пути 1., равной акусти-ческому пути Х 1, от сканирующего пре.образователя 6 до условной цилиндрической поверхности 12, образованнойскважиной с номинальным диаметроми принимают, что интервальные времена Тн и Ть между моментами излуче- .ния зондирующих импульсов преобразователями 6 и 8 и приема эхо-сигналов, отраженных от поверхностей12 и отражателя 11 соответственно,равны между собой, т,е. Тд=Ть,Поэтому интервальные времена Т; сигналовдальностей между моментом излучениясканирующего импульса и моментомприема его от 1-го отражающего участка стенки 7 скважины можно представить в видет=т+Дт, Ь)1 дгде ЬТ - время прохождения ультразвуком зазора Д Х между поверхностью 12 и стенкой 7 (туда и обратно),Использование эталонной дальности1. =Хи, а также идентичностей акустических трактов на этих участкахакустического пути позволяет предста-.вить искомые дальности Х в виде двух1слагаемыхх;=,рд,Ргде Ч - скорость ультразвука в жид 7 Ккости, независящих от вариации скорости ультразвука вмасле и резине.Поэтому данный способ позволяетповысить точность профилеметрии .и однозначно судить как о форме, так иразмерах наблюдаемых сечений скважи"ны и нарушений ее ствола, а такжерасширяет область его использования,например метрологического обеспечения профилеметрии. Из чертежа следует, что благодаря размещению преобразователей на одинаковых расстоя:.ниях от резиновой оболочки скважинного .прибора и идентичности акустических дред на этих участках (по ихсоставу и протяженности), временараспространения ультразвука на равных расстояниях от излучающих плоскостей преобразователей равны другПринимаяравным известному расстоянию Х от сканирующего пре-, образователя до условной цилиндрической поверхности скважины номинального диаметра, с учетом сказанного, можно записать, что,Т Т и./ра. Х,:Ь ( ) где ТН и Т - времена пробега ультразвуком расстояний Х и 30и)2 соответственно.Поэтому времена Т распространения ультразвуковых импульсов от сканирующего излучателя до )-х отражающих участков стенки скважины можно 15 представить в видеТ=Т +ДТ=Т 4 +АТ) Й где АТ- интервальное время пробега ультразвуком зазоров па 20)-м направлениям сканирования между номинальным и фактически наблюдаемым профилями сечений скважины.Уравнение (3) с учетом (4) соот ветствует уравнению дальностейХ = Х н+д Х= Ьа+Чз ЕТ) Ь) где Х; - искомые значения дальностейот излучателя до )-х отража-З 0ющих участков породы,дХ - значения зазоров по 1-м направлениям сканирования между номинальным и наблюдаемым пРофилями сечения сква-.35жийы.Из выражения 6 ) видно, что представление информации Хв виде двухслагаемых, из которых одно можноимитировать при определенных условиях известным расстоянием, а второе - зазором ДХ между номийальными наблюдаемым профилями сечения скважины, позволяет в принципе исключитьвлияние вариации скорости ультраэвука в промежуточных средах скважинного прибора на результаты измеренийдальностейПо вычитании из (6) величины априорной. информацииполучим с учетом (.5) уравнение дальностей со снятой избыточностьюЬпредставляющее собой существеннуючасть информации (6). Эту информацию могут использовать буровые и гео- физические службы при подсчете объ:ема цемента, необходимого для заполнения пространства между обсадной колонной и породой при проведении тампонажных работ, оценке технического состояния ствола скважины, а также для коррекции искажений геофизической информации, обусловленных изменениями геометрии сечения скважины в функции глубины соответственно.Метрологическое обеспечение акустической профилеметрии по предлагаемому способу основано на возможности использования при выполнении требования выражения (4 ) известного способа сравнения измеряемого параметра с эталоном.На участке акустического пути ХН в качестве такого эталона используют известное интервальное время Т, велицину которого принимают постоянной в течение времени полного оборота сканирующего преобразователя.Каждый раз, нациная с момента излучения зондирующего импульса, сравнивают текущее значение времени распространение Т с известным временем Т и. при выполйении условия Т.=Т 4йформируют маркерный импульс Тн, соответствующий моменту прохождения ультразвуком упомянутой поверхности, а также моменту начала отсчета ЬТ = =0 интервального времени Д ТНа участках акустического пути ЬХ в кацестве эталона принимаем интервальное время дТвеличину которого также принимают постоянной в течение упомянутого времени обзора наблюдаемого данного сечения скважины.Из соотношения " "(3)д ь,т полученного после преобразования ( 4) вытекает очевидная возможность количественной оценки зазоров ЬХ; в единицах д путем сравнения текущей информации ЬТ с эталоном дТ,.Например когда величина д Г принимает значения О, ДТЬ 2 ЬТ) абсолютные значения зазоров ЬХ равны дальностям О, , 261, Физически разделение акустического пути Х, на два участка и использование двух эталонов сравнения вызвано неоднородностью сред на этих участках ( Хн и ДХ 1), средние скорости ультразвука в которых (Т , и ЬТ ) могут, фсущественно отличаться друг от друга, Поэтому подобное измерение мо8 30мен со шкалой эталонных значений ЬТ . Синтез такого изображения осуществляют известными способами, используя для этого электроннолучевые сред. ства представления информации и регистрации изображения с экрана элек- троннолучевой трубки.Например, при координатном представлении профилеграммы в декартовой системе координат изображения информации ДТ и масштабной сетки с шагом ЬТ, формирует в виде множества вертикальных точечно-столбиковых символов, размещенных на гори" зонтальной шкале 1-х направлений ска" нирования, и шкалового растра в виде горизонтальных линий с шагом по вертикали, пропорциональным величине сигнала ДТ. При отображении такой композиции в едином масштабеи выполйении условия совмещения. изображений ЬТ и ЬТ по началам отсчетов интервальных времен на всех -х направлениях сканирования, значения зазоров (в единицах Ь ) равны вели" чинам точечно-столбиковых символов в единицах ДТ. При этом общая нулевая линия начал отсчетов интервальных времен (ЬТ=0 и ЬТь=0) в соответствии с условием выражения (4), соответствует точному местоположению следа сечения упомянутой циплоскостью сканирования, Подобный способ отображения профилеграммы зазоров, а также шкалы дальностей с ценой шага, точно. равной акустической базе Ь датчика вко рости, используют для калибровкипрофилемера, оперативного контроля профипеметрии на скважине и выбора (установки), масштаба записи.При технической реализации способа используют известные способы передачи информации от скважинногоприбора и наземной измерительной паели, измерения интервальных времен,хранения и регистрации результатовизйерения этих времен, а также коор" динатного отображения информации на экране электроннолучевого индикатора.В скваинном приборе формируют сигналы Яо, 50, 5, 5 и 5 ь, соот" ветствующие моментам начала кругового обзора сканирующим преобразователем, излучения и приема ультразвуковых. импульсов, отраженных мишениями и "ми отражающими участ" 9 98754жет быть обеспечено только в случае, когда сравниваемые сигналы 1 Ти Т ЬТ и дТ измерены в сред Вдах, имеющих одинаковую среднюю скорость ультразвука. Так, сравниваемые интервальные времена ( 81 изме рены в однородной среде ( скважиннойжидкости), а равенство средних скоростей в многослойной среде на равных участках Хн= обеспечено приведенными конструктивными требованиямик идентичности слоев и их протяженностям.Указанное соотношение (,8 ) используют для калибровки профилемеррв 15при помощи поверочного устройства,представляющего собой трубу, внутренняя поверхность которой имеет,например, две соосно расположенныецилиндрические поверхности, разли" 20чающиеся диаметрами на величину 2 ЬМПринимая трубу меньшего диаметра вкачестве условной цилиндрическойповерхности скважины номинального диаметра с известным паспортным значением расстояния Х, а трубу большого диаметра в качестве иммитаторакаверны с известным паспортным значением расстояния Х +ЬРустанавливают расстояния Ь и Ь датчика ско-З 01Рости пРофилемеРа Равными Хн и Ьсоответственно и проводят измеренияпрофилей,.сечения внутренних поверх- :линдрической поверхности скважиныностей труб согласно данному спасоу.Если при измерении зазора трубыменьшего диаметра окажется, что из"медленные интервальные времена Ти иЪЬТ- равны Ть и нулю соответственно,то установка отражающей мишени нарасстояниипроведена правильно,При измерении зазоров в трубе большего диаметра должно выполняться тре"бование ЬТ, =ЬТ . При несоответствииМуказанных требований проводят соответствующую переустановку мишеней,добиваясь указанных требований.Аналогичную калибровку можно проводить на поверочном устройстве, имеющем большее число упомянутых соос"ных цилиндрических полостей.50Из соотношения ( 8 ) также вытека"ет возможность определения зазоров(в единицах Ь) путем простого считывания информации ЬТ. по шкале эталонных значений ЬТ при представлении профилеграммы в виде совокуп 55ности векторов ЬТ, совмещенных по-м направлениям сканирования иначалам отсчетов интервальных вре5 0 35 20 25 30 35 Формула изобретения 40 45 50 55 11 98ками стенки скважины соо аетственно. Эти сигналы передают на поверхность методом разделения во времени: медленно меняющуюся информацию5 , 5 ь ипередают один раз в на -уМчапе кругового обзора, а быстро меняющуюся 5 и;.Я с частотой посылоксканирующих импульсов.В наземной панели измеряют интервальные времена Тн, Т дТ, иЬТ и регистрируют их, в сопровождении с сигналами 5 ф и кода глубиньи получают массивы, содержащие полную информацию для построения профилеграммы зазоров, калибровки профилемера и контроля результатов измерений.В качестве примера рассмотримреализацию. возможности оперативнойпрофилеметрии и контроля в процессекаротажа, используя известные способы и устройства электроннолучевыхсредств представления информации вдекартовой системе координат,По служебным сигналам 5 ф устанавливают электроннолучевой индикатор(ЭЛИ) в исходное положение, при котором электронный луч фиксируют налевом нижнем участке экрана. Начиная с этого момента, каждый раз посигналу маркерного импульса Т=Тосуществляют равномерное горизонтальное шаговое развертывание лучаЭЛИ с фиксацией его положения иподсветкойв момент остановки, врезультате которого образуется горизонтальный точечный растр -х позиций, соответствующих 1-м направлениям сканирования . Эта линия, физически представляющая след сечения условной цилиндрической поверх-:ности плоскостью сканирования, яв-,ляется геометрическим местом точекнулевых значений интервальных времен ЬТ, и АТ 1. В моменты фиксации -х позицийосуществляют развертывание электронного луча по вертикали и одновременно формируют сигналы меток дальностей с периодом .следования ДТ которые используют для подсветки лутча ЗЛИ в моменты времени пЬТь (гдеи - числа натурального ряда), формируя тем самым точечный шкаловый растрна котором аналогичным образом фиксируют соответствующее 1-й позиции сканирования значение интервального времени ДТ 1 . 8 12После прихода каждого очередного маркерного импульса Ть последовательность формирования шкалового растра и отображенияинформации ЬТ. повторяют др прихода сигнала 5, . После отображения всего информационного массива, принятого за время полного оборота преобразователя, на экране ЭЛИ будет представлена композиция двумерного изображения шкалового растра в виде ряда горизонтальных линий с шагом между ними, равным Ь , .совмещенного по 1-мнаправлениям сканирования, началамотсчетов интервальных времен и масштабу отображения с контурным изображением профилеграмм зазоров, .значения которых (в единицах Ь.) по -мнаправлениям сканирования получаютпростым считыванием информации дТ 1по шкале значений Д Т . Подобное представление упомянутого массива информации является эффективным и удобным средством контроля измерений,масштабирования профилеграмм, а также калибровки профилемеров,Таким образом, предлагаемый способ использования размерных и временных параметров датчика скоростипозволяет значительно увеличить точность измерений, а также решитьзадачу метрологического обеспеченияакустической профилеметрии в скважинах. Способ акустической профилеметрии скважин, основанный на сканировании ультразвуком стенки заполненной жидкостью скважины и измерений времени Т распространения ультразвука до -х отражающих участков поверхности стенки, а также на определении скорости ультразвука в скважинной жидкости по времени ЬТ 1, прохождения ультразвуком фиксированного расстояния д между двумя акустическими преобразователями (или отражателями), расположенными на известных расстояниях ., и .,2 от неподвижного излучателя датчика скорости, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и метрологического обеспечения измерений, размещают оба преобразователя на одина-., ковых расстояниях от оболочки скважинного прибора, устанавливают знаМХАХв оставитель Н,Журавлевехред М. Гергель Кррректор М.Демчик Редактор О.Бугир Тираж 708НИИПИ Государственного коми о делам изобретений и откры 13035, Москва, ЖРаушск аказ 10297/33 Подписноета СССРийя наб д. 4/5 Филиал ППП Патент , г. Ужгород, ул. Проектная,13 987548 14чениеравным раСстоянию от ска- калибровки аппаратуры, установкй масфнирующего излучателя до условной ци- штаба записи информации, разметкилиндрической поверхности скважины профилеграммы, измерения зазоров 3 Хноминального диаметра, измеряют ин- в единицахЬ , а также контроля ретервальное время дТ.=Т -ТЬ пробегазультатов измерений.1 ,2.ультразвуком зазоров по -м направ- Источники информации,лениям сканирования между номиналь- принятые во внимание при экспертизеным и Фактическими диаметрами сква, Патент США У 3835953жины, Формируют сигналы временных кл, 181-05, опублик. 1974.меток дальностей с периодом следова в 2. Патент США У 3676842,ноя ЬТ 1. и Т и используют их как .кл. 340-155, опублик. 1972 (протомасштабные единицы дальностей, для тип),