Оценка качества цементирования по акустике

 

Наибольшую информацию о качестве цементирования обсадных колонн дает акустический метод, который позволяет:

· установить высоту подъема цемента;

· выявить наличие или отсутствие цемента за колонной;

· определить наличие каналов, трещин и каверн в цементном камне, в том числе и небольших размеров;

· изучить степень сцепления цемента с колонной и горными породами;

· исследовать процесс формирования цементного камня во времени.

Метод основан на измерении амплитуды преломленных продольных волн, распространяющихся по обсадной колонне (трубная волна) и горной породе, и регистрации времени распространения упругих колебаний в этих средах.

Амплитуда трубной волны определяется коэффициентом α_ц эффективного поглощения (коэффициентом затухания) продольных волн:

На амплитуду трубной волны оказывают влияние ряд факторов: база измерения, толщина и состав цементной смеси, время формирования цементного камня и наличия в нем дефектов, внешнее покрытие обсадных труб, давления и температура в скважине и др. Эти факторы необходимо принимать во внимание при интерпретации диаграмм АМ.

Процесс формирования цементного камня со временем вызывает изменение амплитуд трубных волн. По величинам амплитуд А_к весьма четко различаются два состояния: незагустевший цементный раствор и цементный камень. В первом случае наблюдаются максимальные амплитуды, которые равны амплитудам в незацементированной колонне, во втором случае – минимальные амплитуды трубных волн на уровне шумов.

Различные факторы, оказывающие влияние на формирование цементного камня, могут увеличивать его проницаемость, ухудшать силу и прочность сцепления с горными породами и металлом обсадных труб, приводит к образованию в нем каналов, трещин и разрывов. С уменьшением сплошности цементного камня, с увеличением размеров каналов, трещин и разрывов амплитуда трубной волны увеличивается. Когда интервал отсутствия цемента равен или больше базы зонда, амплитуда трубной волны достигает значения амплитуды в свободной колонне.

При интерпретации кривых акустического цементомера за основу берутся показания кривой А_к, кривые А_п, τ_п, τ_к являются вспомогательными. Кривая τ_п достигает максимального значения на участках колонны с хорошим сцеплением цементного камня с колонной и плохим – с горной породой. В этом случае величина τ_п близка ко времени пробега упругой волны по промывочной жидкости. Минимальная величина регистрируемого времени τ_п меньше времени прохождения продольной волны по колонне τ_к и наблюдается в интервалах, характеризующихся высокой скоростью распространения колебаний в горной породе при жесткой связи цементного камня с колонной и стенками скважины.

В разрезах скважин, где скорость распространения продольных волн по породе ν_п превышает скорость их распространения по колонне ν_к (ν_п > > ν_к), или в случае низких ν_п и больших затуханий волн определение качества цементирования обсадных колонн по параметрам А_к, А_п, τ_п и τ_к затрудняется. При ν_п > ν_к (высокоскоростной разрез) вместо волны по колонне регистрируют волну по породе, а при низких ν_п и больших затуханиях волн (низкоскоростной разрез) вместо волн по породе регистрируют гидроволну.

Надежность определения качества цементирования обсадных колонн повышается, если одновременно с записью кривых акустическим цементомером фотографировать волновые картины, получаемые этим цементомером.

Качество цементирования по волновым картинам оценивается по следующим признакам.

1. Незацементированная колонна на волновой картине отмечается мощным долго не затухающим сигналом трубных волн, приходящим за время τ_к, которое равно времени пробега волны на базе зонда со скоростью стержневых волн в стали. Время τ_к для базы Δl = 2,5 м в зависимости от диаметра колонны и физико-механических свойств жидко­сти в скважине может изменяться от 500 до 650 мкс.

2. Хорошее качество цементирования обсадных колонн (надежное сцепление цементного камня с горной породой и колонной) в низкоскоростном разрезе отмечается на волновой картине малой амплитудой А_к и значительной амплитудой А_п. Типы волн в этом случае отчетливо разделяются по времени их вступления. Если А_к меньше критической величины, выше которой контакт цементного камня с колонной считается неполным, а А_п и τ_к коррелируются со значениями этих величин, полученными при исследовании необсаженной скважины акустическим методом, или со значениями кажущегося электрического сопротивления горных пород, то затрубное пространство является герметичным.

3. В высокоскоростных разрезах, где различить однозначно волны, распространяющиеся по горной породе и по колонне, только по времени их вступления трудно, оценить качество цементирования обсадных колонн помогает частотная характеристика волн. Установлено, что частота продольных волн в горных породах возрастает с увеличением скорости их распространения, однако во всех случаях остается ниже частоты волны, распространяющейся по колонне (при частоте излучателя 25 кГц). Хорошее качество цементирования обсадных колонн в высокоскоростном разрезе отмечается на волновой картине неискаженным импульсом продольной волны частотой ниже 25 кГц и амплитудой, коррелирующейся с ее величиной, полученной до обсадки скважины, а также наличием поперечной волны частотой ниже 20 кГц.

4. Когда величина А_к превышает критическое значение и не удается выделить волны по породе при наличии волны частотой 25-30 кГц, вступающей на временах больше 1300 мкс, а также при отсутствии корреляции значений амплитуд А_п со значениями их в необсаженной скважине, затрубное пространство негерметично или его герметичность неопределенна (частичное цементирование).

5. В высокоскоростном разрезе при частичном цементировании обсадной колонны сигнал с момента времени τ_к представлен волнами различной частоты. Этот признак позволяет отличить по волновой картине частичное цементирование от хорошего даже в случае надежной корреляции кривых амплитуды и времени, записанных до и после обсадки скважины колонной.

Недостатки метода: при скользящем контакте цементного камня с обсадной колонной упругие колебания распространяются в основном по колонне, волны в последующих вступлениях не фиксируются, качество цементирования в этом случае определить невозможно; в высокоскоростном разрезе (ν_п > 5300 м/с) первые вступления при плохом и хорошем качестве цементирования относятся к волне, идущей по породе, поэтому однозначная интерпретация кривых А_к и А_п невозможна, необходима дополнительная регистрация волновых картин.

 

Контрольные вопросы

1. Какую информацию можно получить при оценке качества цементирования по акустике?

2. По каким признакам оценивается при оценке качества цементирования по волновым картинам?