专利名称：兰姆波在水泥胶结测井中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用来评估用于粘接井洞套管(casing)和井洞的胶结剂(bond)的完整性的方法和装置。本发明还涉及一种能够评估不同密度胶结水泥的胶结完整性的方法和装置。更加具体地说，本发明涉及一种方法和装置，能够评估水泥胶结的完整性，能够区分和轻质量的水泥胶结的套管以及被微环隙(micro-annuluses)流体包围的套管。
背景技术：
碳氢化合物生产井洞包括放置在井洞5中的套管8，其中通过向由套管8的外直径和井洞5的内直径之间形成的环隙中添加水泥9将套管8和井洞胶结。水泥胶结剂不仅将套管8粘接在井洞5中，而且能够将地岩层(formation)18内相邻的地带互相(Z1和Z2)隔开。当一个地带包含油或气体而另一个地带包含非碳氢化合物液体例如水时，隔离相邻地带是非常重要的。如果套管8周围的水泥9破损而不能将相邻地带隔离时，水或者其它不期望的流体会迁移到碳氢化合物生产地带中从而稀释或污染生产地带内的碳氢化合物。
为了检测可能破损的水泥胶结剂，开发出了下孔(downhole)工具14来分析将套管8和井洞5胶结的水泥9的完整性。一般来说，这些下孔工具14放置在井洞5中，通过滑轮12悬挂在线路10上。下孔工具14也一般包含放置在其外表面上能够向套管8中发射声波并且记录声波在传输或经过套管8表面时的衰减的转换器(transducer)16。记录的衰减可以通过线路10传送到表面，在这里可以对其进行分析。通过分析声波的衰减，就可以评估水泥胶结的有效性和完整性。
然而衰减的尺寸可以取决于声波是如何极化的以及套管8和水泥9之间的耦合情况。典型地，具有声波转换器16的下孔工具14产生垂直于套管8表面被极化的声波。这种波被称为压缩/剪切或P-SV波，因为声波的压缩(P)分量或剪切(S)分量的质点运动方向都在垂直于套管8的垂直(V)平面内。当声波沿着套管8的表面传播时，声波的衰减依赖于水泥胶结的情况，也依赖于地岩层18与套管8之间的水泥9的类型。更具体来说，随着声波沿着套管8的长度传播，声波损耗，或者说泄露通过水泥胶结剂进入地岩层18中的能量——正是该能量损耗导致了声波衰减。相反地，当套管8没有被胶结，有一种叫做“自由管道”的情况，即套管后面的微环隙流体不提供任何在套管8和地岩层18之间的剪切耦合。产生这个结果是由于流体没有与水泥有关的剪切模量以及更小的体积弹性模量。由于流体的这些物理特性，P-SV波的全部SV分量以及P-SV波中的大部分P分量不传播到套管8以外，因而经历了非常小的衰减。
声波衰减的减少不仅限于套管8被流体包围的情况，而且一些类型的水泥的存在也会大大减少声波的衰减。例如低重量水泥(LWC)，或者密度低于近似12磅/加仑的水泥也能够减少声波的衰减。低重量水泥有剪切模量，因而低重量水泥可以维持套管8和地岩层18之间的剪切耦合。然而低重量水泥的密度都不会比许多流体(例如水)的密度大很多，因而一些声波特别是P-SV波的衰减，当遇到周围被低重量水泥包围的套管8时就会减小。这种衰减减少的结果导致检测流体和低重量水泥的差别的能力下降，以及在使用传统的声学方法时检测低重量水泥中的差水泥胶结剂的能力的下降。
因而，需要一种器件和方法以在套管中进行水泥胶结测井，所述器件和方法能够区分包围在套管周围的流体和胶结套管的低重量水泥。
发明内容
本发明包括一种方法，用来评估位于套管和井洞之间的套管胶结剂，该方法包括向套管中引入兰姆波，监测兰姆波，以及根据所述监测评估套管胶结剂的特性。兰姆波可以通过转送转换器或者与接收转换器相结合的传送转换器引入。兰姆波可以通过接收转换器监测。传送转换器可以是EMAT，压电器件，或者楔型转换器。接收转换器可以是EMAT和压电器件。
评估套管胶结剂特性的步骤可以包括评估套管胶结剂的质量，评估形成套管胶结剂的水泥的完整性，识别套管胶结剂中微环隙的存在，以及评估套管胶结剂厚度。被评估的套管胶结剂类型包括普通水泥，低重量水泥和自由管道。
本发明的另一个方法包括评估位于套管和井洞之间的套管胶结剂，该方法包括在套管中插入工具，利用该下孔工具在套管中引入兰姆波，监测兰姆波的衰减，以及基于对兰姆波衰减的评估来估计处于套管和井洞之间的套管胶结剂的特性。本发明的该方法的工具包括至少一个能够引入兰姆波的传送转换器和至少一个能够监测兰姆波的接收转换器。该办法的估计套管胶结剂的特性的步骤包括估计套管胶结剂的质量，估计形成套管胶结剂的水泥的完整性，识别套管胶结剂中微环隙的存在，以及评估套管胶结剂的厚度。该方法所考虑套管胶结剂的类型包括普通水泥，低重量水泥和自由管道。
本发明包括一种评估工具，该工具被形成用于插进井洞中，该工具包括被形成用于插入到井洞套管中的主体，和至少一个位于这个主体上的转换器。评估工具的转换器向套管内导入兰姆波。评估工具的转换器可以是压电器件，楔型转换器和EMAT。而且，评估工具还可以包括接收转换器和传送转换器。
所以，本发明具有的一个优势是在产生适量的胶结测井结果的同时进行水泥胶结测井，所述结果区分围绕套管低重量水泥和流体。本发明也可以提供和使用P波衰减的传统方法相比改进的普通水泥中的水泥胶结测井的方案。
图1示出了位于井洞内的现有技术的下孔水泥胶结测井工具的横截面的一部分。
图2a示出了传播通过平板的对称兰姆波。
图2b示出了传播通过平板的反对称兰姆波。
图3示出了胶结到地岩层的套管的一部分与一对转换器的截面图。
图4示出了胶结到地岩层的套管的一部分与一对转换器的截面图，其中胶结剂含有缺陷。
图5是EMAT器件的示意图。
图6示出了兰姆波的色散曲线。
具体实施例方式
本发明包含一种方法和装置，用来判定在套管和井洞之间放置的套管胶结剂的特性。套管胶结剂的特性包括套管胶结剂的质量，构成胶结剂的水泥的完整性，水泥的类型以及套管胶结剂厚度。这种方法一般地包括在套管中导入声波至接近被评估的套管胶结剂周围。在套管中传播的声波能够被监测从而估计套管胶结剂的特性。可以相信的是基于对这些导入声波的监测来确定套管胶结剂的特性是在本领域熟练的技术人员的能力范围之内的，而且完成这些不需要过分的实验。
兰姆波是穿过材料整个厚度的一种复杂的振动波。虽然兰姆波的波形可以有不同的模式，但兰姆波的两种最普通的类型是对称型和反对称型。参考图2a和图2b，示出了沿平板传播的对称兰姆波和反对称兰姆波的例子。图2a表示对称兰姆波，随着波在平板内传播，在平板平面内运动的质点同时受到压缩和稀薄(rarefaction)。平板内部对称兰姆波的质点运动的压缩和稀薄主要发生在垂直方向。图2b所示的非对称兰姆波是垂直偏振的纵向剪切波，使得质点运动也与平板平面垂直。然而，反对称兰姆波的质点运动大体上在相同的方向上，因而不会经历对称兰姆波的压缩和稀薄。优选地，特殊的兰姆波模式一次在不同的激发频率只引入一种。众所周知，兰姆波的频率依赖于兰姆波所引入的媒质的厚度，兰姆波的波长，和媒质特性。这个物理依赖性正如图6中兰姆波的色散曲线所示。这些曲线示出了兰姆波有效地穿过媒质所必需的物理条件。图6中，b是媒质厚度，β是2π/λ，ω是2λf，其中λ代表波长，f代表频率，Vs是剪切波的速度。
参考图3，示出了利用水泥9与邻近的地岩层18胶结的套管8的一部分的部分截面。放置在套管8内直径上的是第一和第二转换器(16a，16b)。这些转换器(16a，16b)都能够传送信号，接收信号或者即能传送又能接收信号。本发明考虑到的信号包括的声波，所述声波不仅仅是兰姆波，也包括瑞利波，压缩波，剪切波，横向偏振剪切波，以及这些波形的组合。
例如，第一转换器16a能够产生沿着套管8向第二转换器16b传播的声波信号。如上所述，许多胶结测井操作中使用的声波在处理传统的水泥时可能是合适的，但和低重量水泥不会耦合得很好。因而，当由低重量水泥限制套管时，这些波沿着套管8波的衰减会变小。相比较来说，已经发现兰姆波能够和低重量水泥耦合得很好，因而当兰姆波被引入被低重量水泥围绕的套管8时，其将经历可以测量的衰减。因而，兰姆波非常适合于用来分析由普通或是低重量水泥组成的水泥胶结剂。
而且，向胶结剂中传播兰姆波还可以有利于检测其中的缺陷，比如微环隙20或水22的存在，以及差胶结剂24。如上所述，兰姆波具有能够和低重量水泥耦合的能力，但它不会耦合到胶结剂缺陷中去。所以，处于传送和接收转换器之间的任何这些缺陷的存在都能通过监测兰姆波传播通过缺陷时得到的衰减结果来发现。通过研究监测的衰减结果来检测胶结剂缺陷的存在属于本领域的技术人员的能力范围。要指出的是，关心的转换器如图3和4所示可以包含两个或者更多的转换器(16a，16b)，但也可以包含能够即传送又接收声波信号的单个转换器。
对套管8内兰姆波衰减的分析不仅可以揭示水泥的特性，也可以揭示套管8周围的水泥的存在。这种方式也可以测量套管胶结剂的质量，以及形成套管胶结剂的水泥的完整性。熟练的操作人员还能够确定形成在套管8和周围地岩层18之间的区域的尺寸。能够被类似地推导出的其它水泥或是套管胶结剂的特征值包括密度，压缩强度，抗拉强度，机械弹性，杨氏模量，泊松比和孔隙度。
本发明考虑使用的转换器16可以是压电器件，电磁声转换器(EMAT)，以及楔形转换器，并且不限于此。EMAT操作的原理包括在接近导电物体(磁性或非磁性的)的表面放置导线以及在导线中通入电流。这种配置通过电磁感应(基于电磁趋肤效应)在物体内引入涡流。在存在静磁场(B)的情况下，这些引入的涡流(J)受到由这两个场的矢量乘积得到的洛仑兹力(f)f＝J×B (1)经过各种相互作用，这些洛仑兹力被传递到物体并作为声波源。取决于场的相互取向，可以用EMAT来在套管内产生剪切波或兰姆波。参考图5，示出了EMAT和相关磁场(AL，ASH)的示意图。在这个EMAT 30的简化的图示中，导线32形成一系列环34。EMAT 30和为导线32提供电流i的电流源(未示出)进行电通信。当EMAT 30放置在临近物体的位置时，例如套管8的内直径，外加静磁场AL将又在套管8内引入兰姆波。类似地，如果在套管8的一段外加静磁场ASH，套管8中将会引入剪切波。
正如本领域所公知的，EMAT器件产生的声波波长取决于EMAT30内的线圈环34的宽度W。典型的，在线圈环34的宽度W和由EMAT30产生的兰姆波的波长λ之间存在着一一对应关系。因此，由特定EMAT产生的兰姆波的波长可以通过控制线圈34的宽度W来控制。
因此，这里描述的本发明，完全适合实现上述目标并且得到上面提到的目的和优势，以及其它固有的优点。虽然由于公开的目的，给出了本发明的当前优选实施例，为了完成想要的结果，在过程的细节中存在着大量可以变化的地方。这些和其它相似的变化对于本领域的技术人员是清楚的，它们也包括在这里本发明所公开的精神和所附权利要求中。
权利要求
1.一种用来评估套管内壁和地层之间的区域的特性的方法，包括向套管中引入兰姆波；监测所述兰姆波；以及基于所述监测评估所述区域的特性。
2.如权利要求1所述的方法，其中兰姆波由传送转换器引入。
3.如权利要求1所述的方法，其中兰姆波由接收转换器监测。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述传送转换器选自电磁声转换器，压电器件和楔型转换器。
5.如权利要求3所述方法，其中所述接收转换器选自电磁声转换器，压电器件和楔型转换器。
6.如权利要求1所述方法，其中所述特性选自水泥的存在；套管胶结剂的质量；形成套管胶结剂的水泥的完整性；微环隙的存在；区域的尺寸；密度；压缩强度；抗拉强度；机械弹性；杨氏模量；泊松比；和孔隙度。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述套管和所述地岩层之间的区域的成分选自普通水泥和低重量水泥。
8.如权利要求1所述方法，还包含检测位于套管附近的自由管道地带的存在。
9.一种用来评估位于套管和井洞之间的水泥的方法，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兰姆波；监测所述的兰姆波；以及基于对所述兰姆波的评估来估计水泥的特性。
10.如权利要求9所述方法，其中所述工具包括至少一个能够导入所述兰姆波的传送转换器以及至少一个能够监测所述兰姆波的接收转换器。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述水泥的特性选自水泥的存在；水泥的质量；水泥的完整性；微环隙的存在；水泥的尺寸；密度；压缩强度；抗拉强度；机械弹性；杨氏模量；泊松比；和孔隙率。
12.如权利要求11所述方法，其中被评估的水泥的类型选自普通水泥和低重量水泥。
13.如权利要求9所述的方法，还包含检测与套管相邻的自由管道的存在。
14.一个评估装置包括被形成用来插在井洞的套管中的主体；以及与所述主体相关联的转换器，其中所述转换器向所述套管中引入兰姆波。
15.如权利要求14所述的装置，其中所述转换器选自压电器件，楔型转换器和电磁声转换器。
16.如权利要求14所述的装置，其中至少一个转换器包括接收转换器和传送转换器。
17.如权利要求14所述的装置，还包括垫板，其中所述垫板位于所述主体上，所述转换器位于所述垫板上。
18.如权利要求9所述的方法，还包括监测所述兰姆波的衰减。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述估计水泥的特性的步骤基于对兰姆波的衰减的评估。
全文摘要
一种方法和装置，用来判定处于套管和井洞之间的环形空间的水泥胶结测井仪的完整性。这种方法和装置包括在套管和井洞中引入兰姆波。此兰姆波在通过水泥胶结测井仪的过程中被衰减，水泥胶结测井仪的完整性可以通过对衰减结果的分析和评估来判定。
文档编号E21B49/00GK1828013SQ200610059429
公开日2006年9月6日 申请日期2006年3月2日 优先权日2005年3月2日
发明者艾利克斯·保沙科夫, 维拉迪米尔·杜宾斯基, 道格拉斯·帕特森, 唐晓明, 约瑟夫·巴洛来克, 乔治·A.·艾勒斯, 罗纳德·B.·艾勒斯 申请人:贝克休斯公司