蘭姆波在水泥膠結測井中的應用的製作方法

2023-12-11 13:30:22 1

專利名稱：蘭姆波在水泥膠結測井中的應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用來評估用於粘接井洞套管(casing)和井洞的膠結劑(bond)的完整性的方法和裝置。本發明還涉及一種能夠評估不同密度膠結水泥的膠結完整性的方法和裝置。更加具體地說，本發明涉及一種方法和裝置，能夠評估水泥膠結的完整性，能夠區分和輕質量的水泥膠結的套管以及被微環隙(micro-annuluses)流體包圍的套管。
背景技術：
碳氫化合物生產井洞包括放置在井洞5中的套管8，其中通過向由套管8的外直徑和井洞5的內直徑之間形成的環隙中添加水泥9將套管8和井洞膠結。水泥膠結劑不僅將套管8粘接在井洞5中，而且能夠將地巖層(formation)18內相鄰的地帶互相(Z1和Z2)隔開。當一個地帶包含油或氣體而另一個地帶包含非碳氫化合物液體例如水時，隔離相鄰地帶是非常重要的。如果套管8周圍的水泥9破損而不能將相鄰地帶隔離時，水或者其它不期望的流體會遷移到碳氫化合物生產地帶中從而稀釋或汙染生產地帶內的碳氫化合物。
為了檢測可能破損的水泥膠結劑，開發出了下孔(downhole)工具14來分析將套管8和井洞5膠結的水泥9的完整性。一般來說，這些下孔工具14放置在井洞5中，通過滑輪12懸掛在線路10上。下孔工具14也一般包含放置在其外表面上能夠向套管8中發射聲波並且記錄聲波在傳輸或經過套管8表面時的衰減的轉換器(transducer)16。記錄的衰減可以通過線路10傳送到表面，在這裡可以對其進行分析。通過分析聲波的衰減，就可以評估水泥膠結的有效性和完整性。
然而衰減的尺寸可以取決於聲波是如何極化的以及套管8和水泥9之間的耦合情況。典型地，具有聲波轉換器16的下孔工具14產生垂直於套管8表面被極化的聲波。這種波被稱為壓縮/剪切或P-SV波，因為聲波的壓縮(P)分量或剪切(S)分量的質點運動方向都在垂直於套管8的垂直(V)平面內。當聲波沿著套管8的表面傳播時，聲波的衰減依賴於水泥膠結的情況，也依賴於地巖層18與套管8之間的水泥9的類型。更具體來說，隨著聲波沿著套管8的長度傳播，聲波損耗，或者說洩露通過水泥膠結劑進入地巖層18中的能量——正是該能量損耗導致了聲波衰減。相反地，當套管8沒有被膠結，有一種叫做「自由管道」的情況，即套管後面的微環隙流體不提供任何在套管8和地巖層18之間的剪切耦合。產生這個結果是由於流體沒有與水泥有關的剪切模量以及更小的體積彈性模量。由於流體的這些物理特性，P-SV波的全部SV分量以及P-SV波中的大部分P分量不傳播到套管8以外，因而經歷了非常小的衰減。
聲波衰減的減少不僅限於套管8被流體包圍的情況，而且一些類型的水泥的存在也會大大減少聲波的衰減。例如低重量水泥(LWC)，或者密度低於近似12磅/加侖的水泥也能夠減少聲波的衰減。低重量水泥有剪切模量，因而低重量水泥可以維持套管8和地巖層18之間的剪切耦合。然而低重量水泥的密度都不會比許多流體(例如水)的密度大很多，因而一些聲波特別是P-SV波的衰減，當遇到周圍被低重量水泥包圍的套管8時就會減小。這種衰減減少的結果導致檢測流體和低重量水泥的差別的能力下降，以及在使用傳統的聲學方法時檢測低重量水泥中的差水泥膠結劑的能力的下降。
因而，需要一種器件和方法以在套管中進行水泥膠結測井，所述器件和方法能夠區分包圍在套管周圍的流體和膠結套管的低重量水泥。

發明內容
本發明包括一種方法，用來評估位於套管和井洞之間的套管膠結劑，該方法包括向套管中引入蘭姆波，監測蘭姆波，以及根據所述監測評估套管膠結劑的特性。蘭姆波可以通過轉送轉換器或者與接收轉換器相結合的傳送轉換器引入。蘭姆波可以通過接收轉換器監測。傳送轉換器可以是EMAT，壓電器件，或者楔型轉換器。接收轉換器可以是EMAT和壓電器件。
評估套管膠結劑特性的步驟可以包括評估套管膠結劑的質量，評估形成套管膠結劑的水泥的完整性，識別套管膠結劑中微環隙的存在，以及評估套管膠結劑厚度。被評估的套管膠結劑類型包括普通水泥，低重量水泥和自由管道。
本發明的另一個方法包括評估位於套管和井洞之間的套管膠結劑，該方法包括在套管中插入工具，利用該下孔工具在套管中引入蘭姆波，監測蘭姆波的衰減，以及基於對蘭姆波衰減的評估來估計處於套管和井洞之間的套管膠結劑的特性。本發明的該方法的工具包括至少一個能夠引入蘭姆波的傳送轉換器和至少一個能夠監測蘭姆波的接收轉換器。該辦法的估計套管膠結劑的特性的步驟包括估計套管膠結劑的質量，估計形成套管膠結劑的水泥的完整性，識別套管膠結劑中微環隙的存在，以及評估套管膠結劑的厚度。該方法所考慮套管膠結劑的類型包括普通水泥，低重量水泥和自由管道。
本發明包括一種評估工具，該工具被形成用於插進井洞中，該工具包括被形成用於插入到井洞套管中的主體，和至少一個位於這個主體上的轉換器。評估工具的轉換器向套管內導入蘭姆波。評估工具的轉換器可以是壓電器件，楔型轉換器和EMAT。而且，評估工具還可以包括接收轉換器和傳送轉換器。
所以，本發明具有的一個優勢是在產生適量的膠結測井結果的同時進行水泥膠結測井，所述結果區分圍繞套管低重量水泥和流體。本發明也可以提供和使用P波衰減的傳統方法相比改進的普通水泥中的水泥膠結測井的方案。


圖1示出了位於井洞內的現有技術的下孔水泥膠結測井工具的橫截面的一部分。
圖2a示出了傳播通過平板的對稱蘭姆波。
圖2b示出了傳播通過平板的反對稱蘭姆波。
圖3示出了膠結到地巖層的套管的一部分與一對轉換器的截面圖。
圖4示出了膠結到地巖層的套管的一部分與一對轉換器的截面圖，其中膠結劑含有缺陷。
圖5是EMAT器件的示意圖。
圖6示出了蘭姆波的色散曲線。
具體實施例方式
本發明包含一種方法和裝置，用來判定在套管和井洞之間放置的套管膠結劑的特性。套管膠結劑的特性包括套管膠結劑的質量，構成膠結劑的水泥的完整性，水泥的類型以及套管膠結劑厚度。這種方法一般地包括在套管中導入聲波至接近被評估的套管膠結劑周圍。在套管中傳播的聲波能夠被監測從而估計套管膠結劑的特性。可以相信的是基於對這些導入聲波的監測來確定套管膠結劑的特性是在本領域熟練的技術人員的能力範圍之內的，而且完成這些不需要過分的實驗。
蘭姆波是穿過材料整個厚度的一種複雜的振動波。雖然蘭姆波的波形可以有不同的模式，但蘭姆波的兩種最普通的類型是對稱型和反對稱型。參考圖2a和圖2b，示出了沿平板傳播的對稱蘭姆波和反對稱蘭姆波的例子。圖2a表示對稱蘭姆波，隨著波在平板內傳播，在平板平面內運動的質點同時受到壓縮和稀薄(rarefaction)。平板內部對稱蘭姆波的質點運動的壓縮和稀薄主要發生在垂直方向。圖2b所示的非對稱蘭姆波是垂直偏振的縱向剪切波，使得質點運動也與平板平面垂直。然而，反對稱蘭姆波的質點運動大體上在相同的方向上，因而不會經歷對稱蘭姆波的壓縮和稀薄。優選地，特殊的蘭姆波模式一次在不同的激發頻率只引入一種。眾所周知，蘭姆波的頻率依賴於蘭姆波所引入的媒質的厚度，蘭姆波的波長，和媒質特性。這個物理依賴性正如圖6中蘭姆波的色散曲線所示。這些曲線示出了蘭姆波有效地穿過媒質所必需的物理條件。圖6中，b是媒質厚度，β是2π/λ，ω是2λf，其中λ代表波長，f代表頻率，Vs是剪切波的速度。
參考圖3，示出了利用水泥9與鄰近的地巖層18膠結的套管8的一部分的部分截面。放置在套管8內直徑上的是第一和第二轉換器(16a，16b)。這些轉換器(16a，16b)都能夠傳送信號，接收信號或者即能傳送又能接收信號。本發明考慮到的信號包括的聲波，所述聲波不僅僅是蘭姆波，也包括瑞利波，壓縮波，剪切波，橫向偏振剪切波，以及這些波形的組合。
例如，第一轉換器16a能夠產生沿著套管8向第二轉換器16b傳播的聲波信號。如上所述，許多膠結測井操作中使用的聲波在處理傳統的水泥時可能是合適的，但和低重量水泥不會耦合得很好。因而，當由低重量水泥限制套管時，這些波沿著套管8波的衰減會變小。相比較來說，已經發現蘭姆波能夠和低重量水泥耦合得很好，因而當蘭姆波被引入被低重量水泥圍繞的套管8時，其將經歷可以測量的衰減。因而，蘭姆波非常適合於用來分析由普通或是低重量水泥組成的水泥膠結劑。
而且，向膠結劑中傳播蘭姆波還可以有利於檢測其中的缺陷，比如微環隙20或水22的存在，以及差膠結劑24。如上所述，蘭姆波具有能夠和低重量水泥耦合的能力，但它不會耦合到膠結劑缺陷中去。所以，處於傳送和接收轉換器之間的任何這些缺陷的存在都能通過監測蘭姆波傳播通過缺陷時得到的衰減結果來發現。通過研究監測的衰減結果來檢測膠結劑缺陷的存在屬於本領域的技術人員的能力範圍。要指出的是，關心的轉換器如圖3和4所示可以包含兩個或者更多的轉換器(16a，16b)，但也可以包含能夠即傳送又接收聲波信號的單個轉換器。
對套管8內蘭姆波衰減的分析不僅可以揭示水泥的特性，也可以揭示套管8周圍的水泥的存在。這種方式也可以測量套管膠結劑的質量，以及形成套管膠結劑的水泥的完整性。熟練的操作人員還能夠確定形成在套管8和周圍地巖層18之間的區域的尺寸。能夠被類似地推導出的其它水泥或是套管膠結劑的特徵值包括密度，壓縮強度，抗拉強度，機械彈性，楊氏模量，泊松比和孔隙度。
本發明考慮使用的轉換器16可以是壓電器件，電磁聲轉換器(EMAT)，以及楔形轉換器，並且不限於此。EMAT操作的原理包括在接近導電物體(磁性或非磁性的)的表面放置導線以及在導線中通入電流。這種配置通過電磁感應(基於電磁趨膚效應)在物體內引入渦流。在存在靜磁場(B)的情況下，這些引入的渦流(J)受到由這兩個場的矢量乘積得到的洛侖茲力(f)f＝J×B (1)經過各種相互作用，這些洛侖茲力被傳遞到物體並作為聲波源。取決於場的相互取向，可以用EMAT來在套管內產生剪切波或蘭姆波。參考圖5，示出了EMAT和相關磁場(AL，ASH)的示意圖。在這個EMAT 30的簡化的圖示中，導線32形成一系列環34。EMAT 30和為導線32提供電流i的電流源(未示出)進行電通信。當EMAT 30放置在臨近物體的位置時，例如套管8的內直徑，外加靜磁場AL將又在套管8內引入蘭姆波。類似地，如果在套管8的一段外加靜磁場ASH，套管8中將會引入剪切波。
正如本領域所公知的，EMAT器件產生的聲波波長取決於EMAT30內的線圈環34的寬度W。典型的，在線圈環34的寬度W和由EMAT30產生的蘭姆波的波長λ之間存在著一一對應關係。因此，由特定EMAT產生的蘭姆波的波長可以通過控制線圈34的寬度W來控制。
因此，這裡描述的本發明，完全適合實現上述目標並且得到上面提到的目的和優勢，以及其它固有的優點。雖然由於公開的目的，給出了本發明的當前優選實施例，為了完成想要的結果，在過程的細節中存在著大量可以變化的地方。這些和其它相似的變化對於本領域的技術人員是清楚的，它們也包括在這裡本發明所公開的精神和所附權利要求中。
權利要求
1.一種用來評估套管內壁和地層之間的區域的特性的方法，包括向套管中引入蘭姆波；監測所述蘭姆波；以及基於所述監測評估所述區域的特性。
2.如權利要求1所述的方法，其中蘭姆波由傳送轉換器引入。
3.如權利要求1所述的方法，其中蘭姆波由接收轉換器監測。
4.如權利要求2所述的方法，其中所述傳送轉換器選自電磁聲轉換器，壓電器件和楔型轉換器。
5.如權利要求3所述方法，其中所述接收轉換器選自電磁聲轉換器，壓電器件和楔型轉換器。
6.如權利要求1所述方法，其中所述特性選自水泥的存在；套管膠結劑的質量；形成套管膠結劑的水泥的完整性；微環隙的存在；區域的尺寸；密度；壓縮強度；抗拉強度；機械彈性；楊氏模量；泊松比；和孔隙度。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述套管和所述地巖層之間的區域的成分選自普通水泥和低重量水泥。
8.如權利要求1所述方法，還包含檢測位於套管附近的自由管道地帶的存在。
9.一種用來評估位於套管和井洞之間的水泥的方法，包括在所述套管中插入下孔工具；用所述下孔工具向所述套管中引入蘭姆波；監測所述的蘭姆波；以及基於對所述蘭姆波的評估來估計水泥的特性。
10.如權利要求9所述方法，其中所述工具包括至少一個能夠導入所述蘭姆波的傳送轉換器以及至少一個能夠監測所述蘭姆波的接收轉換器。
11.如權利要求9所述的方法，其中所述水泥的特性選自水泥的存在；水泥的質量；水泥的完整性；微環隙的存在；水泥的尺寸；密度；壓縮強度；抗拉強度；機械彈性；楊氏模量；泊松比；和孔隙率。
12.如權利要求11所述方法，其中被評估的水泥的類型選自普通水泥和低重量水泥。
13.如權利要求9所述的方法，還包含檢測與套管相鄰的自由管道的存在。
14.一個評估裝置包括被形成用來插在井洞的套管中的主體；以及與所述主體相關聯的轉換器，其中所述轉換器向所述套管中引入蘭姆波。
15.如權利要求14所述的裝置，其中所述轉換器選自壓電器件，楔型轉換器和電磁聲轉換器。
16.如權利要求14所述的裝置，其中至少一個轉換器包括接收轉換器和傳送轉換器。
17.如權利要求14所述的裝置，還包括墊板，其中所述墊板位於所述主體上，所述轉換器位於所述墊板上。
18.如權利要求9所述的方法，還包括監測所述蘭姆波的衰減。
19.如權利要求18所述的方法，其中所述估計水泥的特性的步驟基於對蘭姆波的衰減的評估。
全文摘要
一種方法和裝置，用來判定處於套管和井洞之間的環形空間的水泥膠結測井儀的完整性。這種方法和裝置包括在套管和井洞中引入蘭姆波。此蘭姆波在通過水泥膠結測井儀的過程中被衰減，水泥膠結測井儀的完整性可以通過對衰減結果的分析和評估來判定。
文檔編號E21B49/00GK1828013SQ200610059429
公開日2006年9月6日 申請日期2006年3月2日 優先權日2005年3月2日
發明者艾利克斯·保沙科夫, 維拉迪米爾·杜賓斯基, 道格拉斯·帕特森, 唐曉明, 約瑟夫·巴洛來克, 喬治·A.·艾勒斯, 羅納德·B.·艾勒斯 申請人:貝克休斯公司