用于井下固井剂评估的系统和方法 |
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| 申请号 | CN201280070192.2 | 申请日 | 2012-12-20 | 公开(公告)号 | CN104126118A | 公开(公告)日 | 2014-10-29 |
| 申请人 | 普拉德研究及开发股份有限公司; | 发明人 | B·弗勒利克; | ||||
| 摘要 | 提供了通过确定在位于井眼(11)中的 地层 (12)与 套管 (13)之间的介质(20)内传播的剪切波(26)的剪切速度来进行固井剂评估的系统和方法。该方法可以包括将 超 声波 换能器 阵列(21) 定位 在井眼中的套管内。该方法还可以包括，以推动模式，利用套管内的 超声波 换能器阵列在介质中产生剪切波。该方法还可以包括，以查询模式，利用超声波换能器阵列测量剪切波在介质中的剪切速度。剪切速度可以用来判断介质是固体还是液体。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于对井眼(11)中位于地层(12)的壁与套管(13)之间的介质(20)进行固井剂评估的方法，包括： |
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| 说明书全文 | 用于井下固井剂评估的系统和方法背景技术[0002] 在井眼完井的情况下，穿透地层的井眼可包括地层壁，其中设置有套管。在地层壁和套管之间的环状空间(或环隙)中可以填充各种材料构成的介质，例如固井剂、钻井液、泥浆和/或其它环状空间固体。在将介质设置在环状空间中之后，可以使用声学测试方法来评估介质的完整性。介质可能在不同地层之间施加区域隔离，以避免流体(例如水、气、油)从地层通过套管的环状空间流动。介质布置和完整性还可能影响井的构造，以便例如确保套管的机械支撑和/或提供防腐蚀的保护。 [0003] 可以使用固井剂评估来确定例如在环状空间中形成介质的各种材料的位置和/或存在性。可以使用各种工具，例如使用声波的工具，来探查套管外的介质。这些工具可以基于介质的剪切阻抗(大致为介质密度与声波的剪切速度的乘积)、介质的压缩阻抗(大致为介质的密度和声波的纵向速度的乘积)、和/或它们的组合来进行探查。这样的评估可以用于探测可能出现的潜在问题，例如当介质和套管之间的结合失效时、当介质没有完全设置好时、当在介质中使用轻质和/或低密度固井剂时、以及其它条件不够理想从而可能在介质中留下一些环状空间固体的实践场景。发明内容 [0004] 提供发明内容是为了引入下面的详细描述中将进一步描述的一些概念的选择。发明内容部分并不意图标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不期望用来辅助限制所要求保护的主题的范围。 [0005] 在一个实施例中，提供了一种通过确定位于井眼中的地层壁和套管之间的介质的剪切速度来进行固井剂评估的方法。该方法可包括：将超声波换能器阵列放置在井眼中套管内。该方法还可以包括：以推动模式，利用套管内的超声波换能器阵列在介质中产生剪切波。该方法还可以包括：以查询模式，利用超声波换能器阵列测量剪切波在介质中的剪切速度。 [0007] 参考附图描述了用于固井剂评估的方法和装置的实施例。在所有附图中，使用相同的附图标记来表示相同的特征或构件。 [0008] 图1是示出了具有声波测井配置的井场的一个示例的示意图。 [0009] 图2示出了根据本公开的一个实施例的可以用来产生剪切波点源的超声波换能器阵列的一个示例的示意图，该剪切波点源在套管周围的介质中产生偶极波前型式。 [0011] 图4示出了图2所示的一个示例的示意图，其中，单个散射体位于环隙中以及由入射剪切波使散射体移位时对应的超声波波形。 [0012] 图5是图解在特定位置处两个时间点记录的“查询”超声波波形的一个示例的曲线图。 [0013] 图6是图解在相距δx的两个位置处所构造的位移波形的示例性图表的曲线图，并且示出了剪切波到达时间，分别示为t1和t2。 [0014] 图7示出了根据本公开的一个实施例的固井剂评估方法的流程图。 [0015] 图8示出了根据本公开的一个实施例的另一种固井剂评估方法的流程图。 [0016] 图9示出了根据本公开的一个实施例的另一种固井剂评估方法的流程图。 具体实施方式[0018] 本公开涉及使用声学成像来进行固井剂评估。这样的成像可以用来评估套管和设置了套管的井眼周围的地层之间的环隙中的介质的质量。 [0019] 如这里所提到的，设置了套管的井眼是指地质地层中钻出的井眼，在井眼中布置了填充流体的套管，在套管和地层之间的环隙中布置了介质。井眼可以是开采井，即，开采油气流向地表的井；或注入井，即从地表向其中注入流体以到达地质地层的井。 [0020] 如这里所提到的，剪切波可以指当介质在受到剪切或横向内力而不改变介质的体积时在介质中产生的横波。如果介质是弹性的，每一层在剪切之后都将恢复其原始形状，相邻层可以经受剪切，并且这种移位可以作为波在介质中传播。剪切波的速度(v)等于剪切模量(G)(介质常数)与介质密度(ρ)之比的平方根， [0021] 这里描述的用于固井剂评估的固井剂评估工具和方法，提供环隙的块体内剪切速度的测量，该测量对套管/介质结合部相对不太敏感。无论何时剪切速度超过阈值(例如从大约10到大约100m/s的量级)，则可以认为正在评估的材料的切变强度足以提供良好的区域隔离。对剪切速度的测量可以提供液体环隙(Vs～0m/s)和固体环隙(Vs>100m/s)之间的对比，这可以用来产生套管背后的介质的图像。 [0022] 在固井剂评估中，可以使用基于剪切速度的声学成像。在这样的情况下，可以提供对套管背后的环隙中的一个点(或多个点)处的剪切波速度的测量，从而可以基于对比程度来确定环隙中布置的介质是液体还是固体。套管的声学阻抗可能影响去往或来自环隙的声波的传播。然而，当声波的频率与对应于套管厚度的共振频率相同或相似时，套管可以是声学透明的，即，由具有鲜明差异的材料制成的套管对于声波的传播只有很少影响或甚至没有影响。 [0023] 钻井泥浆可使高频超声波衰减。因此，用于井眼固井剂评估的剪切波速度成像的频率可以设计为套管共振频率或其谐波，以使剪切波产生和检测最大化。 [0024] 频率大约为2MHz的声波可能不能传播通过高密度泥浆。因此，这样的剪切波的频率与其它应用中所使用的射束频率相比较低，因为剪切波衰减可能很高，并且随频率增加，而剪切波波长可能由于低速度而较小(在大约1kHz频率、速度为大约10m/s的情况下，波长大约为1cm)。在一个实施例中，施加静态变形(即零频率)也是可行的。 [0025] 现在转向图1，示出了用于已完井的井中的固井剂评估的示例性声学测井作业的示意图。井下工具或探头10定位在穿透地层12的井眼11中。套管13被通过介质20固定到井眼壁。在执行声学测量时，探头10可以由铠装多导体电缆14(但这里也可想到任何其它输送方式，例如连续油管、钻杆、随钻下套管管线、管道等)下降到井眼11中，并且可由地面设备15经滑轮16升出井眼11。 [0026] 探头10可以包括阵列21和控制器24(可放置在探头10中和/或地表设备15中)，阵列21包括多个轴向间隔布置的声学换能器，控制器24用于控制包括阵列21在内的探头10的各个构件的操作。换能器可以被配置为用于例如检测地层压缩波、地层剪切波、固井剂压缩波以及固井剂剪切波。这样的检测可以例如通过电缆测井作业在钻井后或中间钻柱起下之后执行。 [0027] 除了电缆测井，阵列21还可嵌在钻柱段中，以进行随钻测井作业。因此，尽管图1所示的特定实施例是电缆测井，但是本公开也可延展到随钻测井和/或其它油田作业场景。另外，尽管探头10被示为电缆测井仪，但是探头10也可以是钻井工具，例如，随钻测井或随钻测量工具、连续管工具、测试工具、完井工具、开采工具、和/或其它井下工具。阵列21可以包括压电和/或压电复合材料换能器构成的超声井下工具，例如在从TM TM TMSCHLUMBERGER 商业可得的ULTRASONIC IMAGER (或USI )中使用的换能器，或任何其它压电或压电复合材料换能器阵列，以及能够从套管13内侧通过将超声波束聚焦在介质20中而在介质20中产生剪切波的超声扫描仪中的单极或偶极换能器的任何组合。 [0028] 阵列21可以例如以两种操作模式配置：“推动”模式和“查询”模式，下面将对此进一步描述。阵列21可以被配置为能基本上瞬间地在推动模式和查询模式之间切换，以基本上实时地激活和传播所产生的剪切波。 [0029] 在各种实施例中，阵列21可以输出声波(例如超声波)束，并可将其聚焦到介质20中，而且可用一个或多个任何换能器检测任何返回波形。例如，阵列21可以发射调制声激励脉冲，并检测作为声激励与套管13和/或介质20相互作用的结果而产生的返回波形。 在一些实施例中，可以将所检测到的返回波形存储在位于探头21中的存储器中，以便于以后由数据处理器18取出并分析。可以在例如如图所示的探头21中(和/或在地面设备15和/或远程位置)布置一个或多个数据处理器18。在一些实施例中，可以将返回波形经由通信链接(例如线缆14或遥测系统)发送到地面，以便由数据处理器18或远程位置处的其它处理过程分析。在一些实施例中，可以将数据处理器18布置在探头10中，以便井下的数据处理器18可就地分析返回波形。 [0030] 对所检测的返回波形的分析可以提供有关固井剂质量的信息，例如介质为液态还是固态，设置的介质是否可能包含诸如钻井泥浆的流体等。可以使用地面设备15来产生各种输出。例如，不管是井下实时执行的还是之后在地面或远程位置执行的，处理输出可以是紧接套管13之后的介质20的解释图像。在一些实施例中，所产生的图像可以是二维的，而在其它实施例中，所产生的图像可以是三维的。在各种实施例中，可以按方位角执行用于评估固井剂质量的声学测量。 [0031] 可以使用测井作业，例如图1所示的测井作业，来利用图2和3示意性示出的“推动模式”在介质中产生剪切波。现在参考图2，在“推动”模式中，探头10中的阵列21可以由控制器24(既可以是井下处理，也可以是图1的地面设备15的一部分)来驱动，以通过将阵列21产生的超声波束25聚焦来产生点力，并且调制超声波束25以在套管13外的介质20中产生剪切波26。在超声波束25被聚焦在介质内时，可以由阵列21产生低频(大约10到大约1000Hz的量级)的剪切波26。被聚焦的高强度超声波束25产生点力，该点力可以被调幅，以产生低频剪切波。如图2所示，点力可以以偶极辐射模式辐射出剪切波，其最大幅度在垂直方向上。 [0032] 参考图3，在“推动”模式中，探头10中的阵列21可以由控制器24以下述方式驱动：焦点沿垂直于阵列21的水平线快速移动，而不是具有固定的焦点。在例如图3所示的实施例中，阵列21可以由控制器24驱动，以便连续地将超声波束25聚焦在不同的径向深度处，使得所产生的剪切波沿图中所示的圆锥体建设性地相互作用。在阵列21的平面和焦线中，建设性相互作用的束25的圆锥体的整体效果是产生沿彼此相反的方向传播的两个平面剪切波26。超声波束25可以以剪切波26的剪切波速度更快的速率移动。 [0033] 在图3所示的示例中，点力可以通过改变由探头10中的阵列21产生并聚焦的超声波束25来从第一点1驱动到第二点2。介质20中所产生的剪切波26沿平行于阵列21但彼此相反的方向从圆锥体向外传播。通过由控制器24驱动阵列21来改变焦点移动的速度，可以以各种不同的方向操控剪切波26，从而从各种视角检查套管13背后的介质20。 [0034] 套管的声学阻抗可能影响声波向环隙的传播质量。然而，在套管厚度共振频率或其附近，套管表现就象是声学透明一样。由于可以在没有宽带信号的情况下执行产生点力的操作，作业频率可以设计在基频谐波频率或其(多次)谐波，以使所产生的剪切波的幅度最大化。如果超声阵列21不与套管13直接接触，那么超声波束25可以在套管内的衰减泥浆中传播。在一个实施例中，为了避免过度衰减，可以选择最低作业频率，例如基频共振频率。作业频率与套管的共振频率之间相差可以是例如5％或更小、3％或更小、1％或更小，或者为相同频率。 [0035] 在“查询”模式中，阵列21可以测量介质20中的剪切波26的剪切速度。具体说来，一旦发起剪切波26，阵列21就可以停止发射“推动”超声波束，并且切换到查询模式。可以沿着剪切波传播方向检测介质中由剪切波引起的散射体，以测量剪切波速度和衰减。散射体是介质内的可测量颗粒运动。 [0036] 图4-6图解了由阵列21在各种位置和时间产生的波形。图4是回波的幅度(y轴)相对于时间(x轴)的图，示出了用于位于套管13、介质20和地层12附近的阵列21的“查询”模式。在“查询”模式中，阵列21重复发送超声平面波到环隙，如远离阵列21而去的箭头所示。在环隙中存在单个散射体(在位置7)(图4)的情况下，散射体向阵列21反射回波，如朝向阵列21的箭头所示，并且通过波形30反射。 [0037] 回波到达时间t与阵列21与散射体7之间的距离有关。如果剪切波在环隙中沿垂直方向(参见例如图2)传播，将引起散射体的水平位移δy，散射体从位置7移动到位置7'。当阵列21发射新的平面波时，由位置7'处的散射体产生的回波，与原始波形30相比，将发生时移，时移量δt与位移量相关，如第二波形32所示。测量回波的δt，可以用来估计与散射体的位置7和7'之间的颗粒位移有关的测量量δy。 [0038] 图4的查询可以以高于图5的波形A1和A2所示的激发的剪切波的周期高的速率重复。散射体的位置处的位移历史(无量纲的)可以被相对于以秒为单位的时间重构，如波形A1和A2所示。这些波形A1和 定义了散射体的第一位置7处的剪切波的到达时间t1。 [0039] 如果在散射体的距离第一波形δx距离的第二位置7'处执行相同的操作序列，第二位移的时移量为： [0040] (t2-t1)＝δx/v 公式(1) [0041] 其中，v表示剪切速度的测量值。因此可以从(t2-t1)和δx推算出颗粒运动的两个散射体之间的局部剪切速度。另外，比较两个波形A1和A2的幅度，使得能够计算衰减A2/A1。 [0042] 散射体可以在例如固井剂浆料或泥浆的介质部分中由于悬浮的固体颗粒而自然存在。在轻质介质中，除了在介质的材料中自然存在的散射体之外，可以由于被添加以降低介质密度的空心球体而存在散射体。为了使往回散射的回波达到足够的幅度，可以以足够高的频率，例如1MHz或更高的频率(这取决于颗粒的实际尺寸)，来操作超声查询束。为了避免在跨过套管时过多的声能损失，工作频率可以为套管厚度共振频率或其谐波频率。 [0043] 图4的波形示出了单个散射体的示例。具有多个散射体(例如环隙的体积内分布的散射体)的情况，与图4所示的示例可能不同。图6示出了具有多个散射体的实施例中的波形。在图6的示例中，不同的回波没有在时间上分隔开。在这种情况下，通过两个波形之间的局部相关，存储和处理在连续的时刻记录的连续波形。两个波形中的一个可以是在剪切波发起之前记录的波形，作为参考波形。另一个波形可以是在第二时刻在有剪切波的期间记录的波形。可以使用局部相关窗来获得在第二时刻相对于参考状态的局部颗粒(即散射体)位移。这样的局部相关可以使得能够构建如图6所示的位移波形。改变相关窗的位置，可以使得能够沿径向探测环隙。 [0044] 在先前的描述中，例如可以通过记录阵列21的各个元件在相面对位置处的波形，构建两个位置处的散射体位移波形，例如如图4和5所示。然而，在阵列21具有多个元件或换能器的情况下，可以在阵列的垂直尺度上为单次“推动”事件，估计散射体位移和剪切波速度。 [0045] 现在转向所给出的井下固井剂评估方法的各种实施例的流程图，图7开始于将超声波换能器阵列放置(1000)在设置了套管的井眼中，在套管和地层壁之间具有介质(参见例如图1)。该方法包括驱动(1002)阵列以产生输出束，该输出束在介质中产生剪切波(参见例如图2和3)。 [0046] 驱动(1002)可以包括同时激活阵列中的各个或多个换能器，以将输出束聚焦到介质中的点力(例如从井眼中的套管内聚焦)。驱动(1002)还可包括调制输出束，以在介质中产生剪切波。在一个实施例中，用来驱动的频率例如可以小于大约1kHz。在另一个实施例中，换能器可以大致与套管的共振频率或其谐波频率匹配，使得套管在声学上基本透明。驱动(1002)还可以包括调制输出束，以便在介质中以特定频率产生剪切波。在一个实施例中，剪切波具有低频率，低于大约1kHz。 [0047] 该方法前进到测量(1004)介质中由于剪切波而运动的颗粒(即散射体)的剪切速度。在一个实施例中，相同的超声波换能器阵列既以推动模式产生剪切波，也以查询模式(例如参见图4)测量在介质中运动的散射体所产生的剪切速度。该方法包括：从所测量到的剪切速度，确定(1006)介质为液态(即钻井液、水或来自地层的其他流体，或者不恰当或不完全固化的固井剂)还是固态。可以记录(1007)所测量的剪切速度和所确定的状态。在一个实施例中，可以在处理器(例如图1中的18)中进行确定(1006)和记录(1007)。 [0048] 在步骤1008，可以确定是否获得了阈值数量的剪切速度测量值，以便以期望的分辨率产生套管背后的介质的图像。如果没有，该方法继续到移动阵列到井眼中不同位置(1010)，并且重复驱动(1002)、测量(1004)、确定(1006)以及记录(1007)。如果在步骤1008处为是，则该方法还包括产生(1012)图像。在一个实施例中，阈值数量的测量值可以足以产生足够进行有关井的实时判定的图像。在另一个实施例中，可以获得更高阈值数量的测量值，以产生三维图像，或更高分辨率的二维图像。该图像可以在计算机用户界面中产生，或者可以生成以作为硬或软拷贝的形式产生以便进行分析。可以使用任何已知的反演技术来产生图像。 [0049] 现在转向图8，这里给出的方法的一个实施例包括将超声波换能器阵列放置(2000)在已设置套管的井眼中(例如参见图1)。该方法包括以推动模式在套管和地层壁之间的介质中产生(2002)剪切波(参见例如图2和3)。在各个实施例中，推动模式可以包括：用井眼中套管内的阵列产生声波束以在介质中产生点力，以及调制声波束以在介质中产生剪切波。这样的实施例产生所得剪切波中的偶极波前型式。 [0050] 推动模式可以包括驱动阵列，使得通过聚焦声波束而产生的点力，以比剪切波的速度明显快的速率，沿垂直于阵列的路径移动，如图飞行术语中的声爆，使得介质中的剪切波包括圆锥形波前型式。另外，在点力移动的实施例中，可基于通过调节阵列被驱动的速率控制点力移动的速度，在介质中沿特定方向操控所产生的剪切波。在阵列被驱动以快速移动点力的这样的实施例中，点力位移的速率相对于所得到的剪切波的速度而言可以是超音速的。 [0051] 该方法包括将阵列切换(2004)到查询模式(参见例如图4和5)。这一切换(2004)可以包括变更阵列中各个换能器或换能器组合中的哪些被激活，变更阵列中被激活的换能器或换能器组合被驱动的电压或频率，或者类似的改变输出束的方法。在一些实施例中，切换(2004)可以即刻发生。该方法包括以查询模式测量(2006)在介质中产生的剪切波的剪切速度。测量(2006)可以包括发起以相对于剪切波的传播方向成大约90度传播的超声波，并且记录来自散射体的回波的差异，如上所述。 [0052] 现在转向图9，示出了本公开的另一个实施例。该方法包括在穿过地质地层的井眼中的套管内布置(3000)阵列(参看例如图1)。该方法继续到在介质中通过超声波产生(3002)剪切波，该超声波的频率接近套管的共振频率或套管的共振频率的谐波频率(参见例如图2和3)。这样的剪切波可以在介质中引起散射体。 [0053] 该方法包括在第一位置处测量(3004)介质中的剪切速度，并且基于所测量的剪切速度来确定(3006)第一位置处的介质是固体还是液体。为了分析套管背后的介质，该方法还可包括在第二位置处测量介质中的第二剪切速度；以及产生代表介质的图像，基于所测量的剪切速度指示第一和第二位置处的相应介质为固态介质还是液态介质。对剪切速度的测量可以提供液体环隙(Vs～0m/s)和固态环隙(Vs>100m/s)之间的对比，这可以用来产生套管背后的介质的图像。在一个实施例中，可以获得几百个测量值作为测量值的阈值数量，使得对于使用这样的固井剂完井图像的应用类型而言，该阈值数量足够产生沿着井眼的长度方向上具有足够高的分辨率的图像。 [0054] 尽管本公开是相对于有限数量的实施例公开的，但是本领域技术人员在受益于本公开的情况下，将从中理解若干修改和变化。尽管本公开是在井下工具应用的情况下描述的，但是本公开的装置可以用于使用对介质的剪切速度评估的许多应用场合中。 [0055] 尽管上面仅详细描述了几个示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在示例性实施例中可能有许多种修改方式，而不会实质脱离本发明。相应地，期望所有这样的修改也都包括在如所附权利要求书所限定的本公开的范围之内。在权利要求书中，装置加功能的表述意图覆盖这里描述的执行所述功能的结构，不只结构等同物，还涵盖等价结构。因此，尽管钉子和螺钉可能不是结构等同物，因为钉子具有圆柱形表面以将木质部件固定在一起，而螺钉具有螺旋表面，但是在固定木质部件的环境中，钉子和螺丝可以是等价结构。申请人明确意图不引用35 U.S.C.§112第6款来对这里的权利要求做任何限制，除非权利要求中明确使用词语“用于……的装置”以及相关的功能。 |
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