专利名称：水泥胶结评估中的套管共振径向弯曲模式的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及井眼套管的评价领域，更具体地，本发明涉及的是一种用于胶结分析的方法和装置，该胶结用于在井眼内固定套管。
背景技术：
生产烃的井眼通常包含许多管子，例如设置在井眼5内的套管8。典型地，通过向在套管8的外径与井眼5的内径之间形成的环空内注入水泥9，而使套管8与井眼胶结。水泥胶结不仅将套管8粘结在井眼5内，而且用于把地层18内相邻的区(Z1和Z2)互相隔离开。当一个区含有油或气而其它区包括非烃类流体，例如水时，将相邻的区隔离是重要的。假如环绕套管8的水泥9存在缺陷，不能实现相邻区的隔离，水或其它不想要的流体可能运移至烃生产区，从而稀释或者污染生产区内的烃。
为了检测出水泥胶结可能的缺陷，井下工具14已被研制，该工具用于分析将套管8胶结到井眼5的水泥9的完善性。这些井下工具14通过缆线10结合滑轮12被下入井眼5，典型地还包括布置在它们外表面的传感器16，传感器用于与井眼内的流体形成声耦合。这些传感器16一般能发射声波到套管8内，并当声波跨过套管8的表面传送或传播时，传感器能够记录声波的振幅。水泥胶结的特性，例如它的有效性和完善性，能通过分析声波的衰减来确定。
一个此种声波传感器的例子是具有将电能转换为机械振动或振荡的压电晶体的压电装置。压电装置产生的振动能发射到套管8，其进而在套管8内形成声波。声波向管状元件传播能量以产生来自管子并由接收传感器监控的频率响应。收集到的实测响应能被实时分析或者被储存为以后再分析的数据。数据可以是模拟或数字格式。
发明内容
在此公开的是一种用于评价管子和胶结剂之间的胶结的方法。该方法包括测量管子的径向共振模式和与参考管子的值比较那些测量值。该比较产生了与胶结相关的信息，也知道了水是否在邻近管子处存在。
在此也公开了一种被装配用于提供本方法的井下工具。该井下工具可置于管子内，并包括发送器和接收器。配置的接收器用来接收管子内感应的径向共振频率响应，接收到的响应可与参考管子的响应对比。该工具还可包括用于进行比较的分析器。
在此还包括一种评价粘住的管子的方法，该方法包括测量管子内的感应频率响应，比较测量的频率响应与参考管子的频率响应，并基于该比较评价管子在哪里被粘住。
附图1示出了现有技术的水泥胶结评价装置。
附图2a和2b描述了用于圆形环的振动模式。
附图3显示了管子测试安装的实施例。
附图4是管子测试安装的横截面图。
附图5是频率响应的图表。
附图6是频率响应的图表。
附图7是频率响应的图表。
附图8示出了井眼内的井下工具的一个实施例的侧视图。
附图9描述了钻柱的粘住部分和在此的井眼工具的侧视图。
附图10描绘了粘住油管部分和在此的井下工具的局部剖面侧视图。
具体实施例方式
声信号感应的管内频率响应依赖许多因素，例如管子尺寸、管子周围存在水泥或者管子外面不存在水泥而是存在流体。已知方法利用声波或振动的振幅随时间的衰减来评价流体和水泥的存在，但在该评价中不利用声信号的已记录的频率响应。试验台能够被研制用于模拟合格胶结的管子，也模拟不合格胶结的管子，例如在管子外表面有水的例子。该试验台数据能提拱用于比较目的的相应的频率响应。然而，这样的试验台对于许多情况是不切实际的，特别是对于处理已存在多年的有套管井。
为了在这里讨论的目的，管子可包括但不止于井下套管、井下油管、钻柱或任伺其它基本为圆柱形状的部件。也是对于本公开而言，胶结的管子指在适当的位置被水泥固定的管段，不考虑是否此管子某些段可能胶结不合格。同样地，此处涉及到的未胶结的管子指未被水泥胶结的管段。一般地，未胶结的管子将处于自由空间，只有空气包围。相反，“自由管子”指的是管子被流体，例如被水包围的未胶结的部分。
在此公开的方法的一个实施例中，管子内产生的共振响应随后测量。管子的共振响应能够通过用振动源激励管子，然后测量沿着管子诱发的随后的振动来确定。此过程通过研究振幅与频率的关系曲线中的测量数据和识别已测响应的“尖峰信号”用绘图的方式来实现。此外，管子的径向共振响应的大小根据管子周围或附在管子外表面的材料的改变而变化。因此，本方法能够评估由于管子周围材料的变化引起的这些共振值的变化和在共振值变化基础上识别附在管子上或管子周围的材料。
伸长的管子的共振响应模式大致与由相同材料组成的管子段(例如环)的共振响应模式相同，该段的直径和壁厚与伸长管子基本相同。因此，通过了解环的共振模式，可估计相应的伸长管子的共振弯曲模式。应当指出的是管子段的未胶结的共振模式也能或者通过实验测量或者计算得到。
环状体的共振频率可用下面的关系式来模拟(ωn)2-(kn)(ωn)2+Qn＝0 (1)参数kn和Qn定义如下 这里n是模的阶，a是环的半径，h是厚度，ρ，E，D是密度，杨氏模量和定义为D＝Eh2/(12(1-υ2))的弯曲刚度，其中υ是泊松比。合并等式1，2和3导出如下的自然(共振)频率的表达式。
ωfn＝[(kn/2)(1-(1-4Qn/kn2)1/2]1/2(4)
ωbn＝[(kn/2)(1+(1-4Qn/kn2)1/2]1/2(5)等式4涉及弯曲或挠曲模式而等式5涉及的是“呼吸”模式。
在弯曲模式中环共振的图形表示的实施例在附图2a中显示，在呼吸模式中的图形表示的实施例在附图2b中显示，故此处描述的共振模式既包括弯曲模式也包括呼吸模式。频率关系的进一步简化表明共振频率大致与材料的杨氏模量除以其密度的平方根成比例。这些简化的关系如等式6和7所示ωfn＝((E/ρ)1/2)Gfn(6)ωbn＝((E/ρ)1/2)Gbn(7)其中Gfn和Gbn是通过下面关系给出的几何因子Gfn=A(1-1-B),]]>Gbn=A(1+1-B);]]>其中A和B取决于下面式子中的环半径a，环的厚度h，模数n和泊松比υA=n2+12(1+h2a2n212(1-υ2))]]>B=48a2h2n2(n2-1)2(1-υ2)(n2+1)2(n2h2+12a2(1-υ2))2]]>同样地，具有环或环形横截面的物体的共振频率应随附着在物体上或物体周围材料的硬度和质量而变化。既然管状体具有环形的横截面，此现象也适用于管子。
将共振频率与材料硬度和质量之间的这种关系应用到有关套管胶结的情况，可以推导出井眼内的管子的共振频率随胶结的有效性和水泥性质(钢的性质应当为已知)的变化而变化。典型地，当一个管子，例如套管，被胶结在井眼内时，管子的外表面能够被水泥围绕(并因此更可能被良好地胶结)或者被例如水之类的流体围绕(并因此典型地不能被良好地胶结)。管子的外表面和水泥之间的微环隙也可能存在。
基于例如水和多数的套管胶结物之类的井下流体的物理性质，上述关系表明通过套管胶结剂(即水泥)胶结的管子段的共振频率将大于未通过液体耦合的未胶结管子的共振频率。类似地，被液体(例如水)围绕的管段的共振频率将比未胶结的管子的共振频率小一个数量级。使用这里描述的方法的实施例的下面非限制性的例子证实了这个推断。
可选择地，通过物理地测量管子的频率响应可经验性地获得响应管子段。基本可用所有特定管子或者其中一段进行测量。当测量井眼内的整个管子时，假定某些部分没有合格胶结，因此，通过分析测量的响应，可识别出未胶结的或胶结不好的段。可选择地，管子中胶结条件已知的段能被测量。这些方法可用来获得用于共振频率的经验参考。
实例准务一试验装置用于评价暴露在不同的环境中的共振模式。试验装置包括具有36英寸长的钢管的管子20，其直径为51/2英寸，厚度为7/16英寸。试验还包括从相同的管子上切割下来的1英寸长的校准环。如图3所示的实施例，管子20安装了九个粘合到其外表面的传感器或换能器16。用在实验中的传感器是陶瓷压电换能器。三个传感器被配置对应于管子20的三个段。这套具有“C”标记的传感器位于水泥胶结段，具有“W”标记的传感器位于置于水中的管子20的段，并且具有“A”标记的传感器位于暴露在空气中的管子20的段。传感器以90°间隔安置在管子20周围。附图4示出了试验装置的截面图。如图所示，管子20的一部分用水泥9固定。水22延伸至水泥胶结部分上面，管子的外圆周暴露在水平面之上的空气24中。
环在空气和水中的实测频率响应(冲击激励)分别如图5和6所示。实测共振频率发生在各自的曲线(28a和28b)所示的尖峰26上。表1比较了环在空气和水中的实测共振频率与环在空气中的计算共振频率。这使得清晰地识别各自的振动模式下的观测共振值。图和表中的数据也显示了水增加的质量向下偏移了频率。
表1图7示出了使用固定在管道20的水泥胶结部分中的附属传感器的管子20的频率响应。产生信号的传感器被安装在180°方位，而接收频率响应的传感器被定位在0°方位。当曲线28c包含多个频率响应，其中许多表示管子20在纵向上的共振频率时，通过圆30可以容易地辨别和标记出该共振响应。
需要指出的是管子的共振频率值大于从管子上切下的环的共振频率。表2包括了环和管子在空气中的共振频率。该数值差异是意料之内并且与理论符合，因为与长度极小的环相比，长管增加了附加的径向刚度。
表2该测量结果也显示出当水泥胶结到管子时，相应的阻尼增加。阻尼最好用阻尼比率表示，η＝1/2Q，其中Q是共振的品质因子。Q因子由等式Q＝FR/ΔF-3dB定义，其中FR是共振频率，ΔF-3dB是在从峰值顶部的-3dB水平处测得的共振峰值的频率宽度。Q因子与上面等式(1)-(5)中的Qn值不同。表3列出了与空气、水和水泥结合的管子的所有三个段的共振频率(FR)和阻尼比率(η)。这些值是在管子用水泥胶结五天后测量的。
表3上面描述的实验结果证实了水向管子增加了质量(惯性)，从而减小了因而发生的共振频率(在水中为964Hz，在空气中为1192Hz)。相反，水泥胶结使管子变硬，结果增加了因而发生的共振频率模式(即水泥胶结的频率为1736Hz，在空气中的为1192Hz)。因此，通过将布置在井眼5内的管子20的实测频率模式与直径和厚度基本与该管子相同的环的频率模式(或者是测量的或者是计算的)进行对比，就可评价管子20周围是否存在水泥胶结或者胶结的质量。当处理套管或油管已经就位一段时间而最初放置管子20的环样品不能获得时，该方法尤其有用。与管子基本上具有同样的直径、厚度和材料的环可被制造和测试，从而建立用于比较目的的基准数据。可选择地，用于参考管子的这些共振值可通过上述列出的关系式数学计算得到。
因而，通过对比管子的测得的共振频率与参考管子的共振频率，可评价管子和胶结剂之间的胶结。为了在此讨论的目的，胶结剂指的是应用于井下管子和井眼之间的物质，并包括将管子胶结在井眼内和/或沿着管子提供隔离的任何东西。参考管子包括通过胶结剂胶结的管子，未胶结的管子，也包括自由管子。了解了参考管子状态(即胶结，未胶结，或自由)及其相应的共振频率，测量管子的频率可与参考管子的频率进行对比来评价测量管子的胶结。上述的程序可用来确定胶结剂的力学特性。这些力学特性包括密度、杨氏模量、压缩系数、泊松比和胶结剂的速度。
图8示出了用于评价管子和胶结剂之间的胶结的井下工具40。在图8中，管子是置于穿透了地下地层38的井眼32内的井下套管36。胶结剂包括在地层38内用于隔离区位和用于把套管36胶结到井眼32的水泥44。井下工具40用线缆34悬挂在井眼32内，缆线34可选择地支撑在地面滑轮35上。线缆34不仅给出下放、支撑、和举升井下工具深入、进入和离开井眼32的方式，它还能在工具40和地面45之间提供通信线路。可选择地，信息处理系统(IHS)47可通过线缆34与井下工具40链接。
在图8的井下工具40的实施例中，示出传感器42置于井下工具40上。传感器42可以包括发送器、接收器的组合，或者一个或多个传感器既可提供发射又可提供接收功能。发送器可包括压电装置、电磁声传感器(EMAT)、楔形传感器、脉冲激光和弯曲共鸣器、或者它们的组合。通过所包括的传感器42的作用，井下工具40被装配来发送信号，例如声波，进入套管36并因此在这里诱发声信号。所包括的接收器能够使工具40记录因而发生的沿套管36传播的诱发信号。此外，发送器被调谐成发射被设计用于在套管36内诱发接收器能够探测到的共振频率响应的信号。由此，井下工具40被装配为测量套管36的包括径向共振频率响应的感应频率响应。
在一个操作的实施例中，当用井下工具的发送器诱导声信号进入套管36并用接收器记录诱导频率响应时，井下工具40穿过套管36(向上或向下)。记录的响应可以依据上面描述的信号分析方法进行分析，也就是与参考管子的共振进行比较来评价管子胶结。
已记录的信号可存储在井下工具40内用于随后分析，或者可传输到地面，用于实时分析，例如通过缆线34传输。考虑的分析包括上面描述的步骤和方法，包含的步骤和方法包括接收测量的频率响应，与参考管子的频率对比测量的频率响应，并基于比较结果评价胶结。可以与记录的声信号和响应一起利用专门配置的分析器来执行这些分析。分析器可被布置在井下工具40或者否则布置在井眼32内。可选择地，分析器可安装在地面上，或者作为整个分析系统或者其中的一部分，而其余部分布置在井下或在远程地方。
如图8所示，IHS可通过缆线34与井下工具40耦连。IHS47可用于控制在这里描述的声信号的产生和/或接收随后信号的记录。此外，IHS既可用于存储记录的数据，还可用于把数据处理成可读格式。IHS47可布置在地面上、井眼内或部分地布置于地面上部分地布置于地面下。IHS47可包括处理器、处理器可访问的存储器、处理器可访问的非易失性的存储区、和执行每一个上述步骤的逻辑运算。
图9描述了在此公开的方法的一个实施例，其中管子包含钻柱56。如图所示，钻柱56已粘附了衬附在井眼52的壁58上的泥饼60。由于井眼52和周围地层54之间的压差(箭头所示)，通常钻柱可能变得靠着井壁58放置。这个压差，也称为一种过平衡条件，通过向井眼52增加高密度流体，直到井眼压力超过地层压力时产生，压差能造成流体从井眼52运移进地层54。这种情形的一个后果是如果钻柱通过时与井壁58太近，流体迁移可能把钻柱56挤入井壁58内，造成公知的“粘管”情况。
尽管当通过对钻柱56冲击或振动或通过从地表用比未粘管子的重量大的多的拉力时能使被粘钻柱56解粘，在某些实例中，取回管子可能也需要切断钻柱56。在每一种取回方法中，为了方便正确的外移，确定钻柱56的哪一部分被粘是必要的。井眼壁和钻柱56的外表面之间的受力接触可通过用与确定管子和胶结剂之间的胶结相同的方法来识别。沿着管子长度在不连续的位置用外加的信号激励管子(钻柱)产生共振响应，测量响应的共振响应，并与参考管子对比测量的响应能够显示管子的哪一部分与井眼壁接触。了解钻柱在哪里与井眼壁粘附通常反映了被粘管子的位置/深度。另外，本方法包括除了识别深度的能力外，还包括识别泥饼与钻柱接触的方位位置。
图9还给出了配有传感器42的井下工具40怎样插入被粘钻柱56内的例子。井下工具40上的传感器42能发射被配置为用于诱导管壁(钻柱)的共振径向频率响应的信号，并且也记录因而发生的信号。
图10示出了设置在下套管井眼62内的油管64的一段，有套管的井眼包括用水泥65固定在有套管的井眼62内的套管63。显示的封隔器67将油管64锚定到套管63上。在封隔器67的顶部上的邻近油管64的井眼内能堆积岩屑70或其它碎片。过一段时间，可能存在足够量的岩屑70楔进套管63内的油管，因此阻止了油管64的外移。外移被粘油管的方法关键在于油管怎样和在哪里被粘。由于存在胶结剂和泥饼，油管64周围的岩屑70可以通过井下工具40检测到。因而通过下放井下工具40到油管64内，测量径向共振频率，对比共振频率与参考频率，就可评价出邻近封隔器67的油管是否被岩屑70围绕。
因此，在此描述的本方法很好地适用于实现目标和达到提及的目的、优点，以及本发明固有的其它方面。虽然为了公开已经给出本发明的目前的最佳实施例，但为了实现预期的结果，在实施细节上存在多种变化。例如，参考管子的共振频率可由例如通过测量之类的试验获得，或例如通过上述提到的关系式计算得到该值。这些和其它类似的修改对于本领域的技术人员将是显而易见的，并且它们包含在在此公开的本发明精神和所附的权利要求的范围内。
权利要求
1.一种评价管子和胶结剂之间的胶结的方法，包括测量管子内诱导的共振频率响应；比较测得的频率响应与参考管子的共振；以及基于该比较评价胶结。
2.如权利要求1所述的方法，其中参考管子是胶结的。
3.如权利要求1所述的方法，还包括评价胶结剂的力学特性。
4.如权利要求3所述的方法，其中力学特性包括密度、杨氏模量、压缩系数、泊松比和速度。
5.如权利要求2所述的方法，其中胶结剂的性质已知。
6.如权利要求1所述的方法，其中参考管子是未胶结的。
7.如权利要求1所述的方法，其中评价胶结的步骤包括确定管子周围区域中流体的存在。
8.如权利要求1所述的方法，其中评价胶结的步骤包括确定胶结质量。
9.如权利要求1所述的方法，其中径向共振频率响应由波引发，该波从包括压缩波、剪切波、横向偏振剪切波、拉姆波、瑞利波和它们的组合的这组波中选择。
10.如权利要求1所述的方法，还包括检测邻近管子的微环隙。
11.如权利要求1所述的方法，其中共振频率从弯曲模式和呼吸模式中选择。
12.如权利要求1所述的方法，其中共振频率由如下的关系确定ωfn＝((E/ρ)1/2)Gfn；其中E是管子的杨氏模量，ρ是管子的密度，和Gfn是管子的几何因子。
13.如权利要求1所述的方法，其中共振频率由如下的关系确定ωbn＝((E/ρ)1/2)Gbn；其中E是管子的杨氏模量，ρ是管子的密度，和Gbn是管子的几何因子。
14.一种可置于管子内的井下工具，包括发送器；和接收器，接收器配置成用来接收管子内诱导的径向共振频率响应，该响应可与参考管子的响应进行比较。
15.如权利要求14所述的井下工具，还包括配置为用于比较管子内诱导的响应与参考管子的响应的分析器。
16.如权利要求15所述的井下工具，其中分析器包括信息处理系统。
17.如权利要求15所述的井下工具，还包括从压电装置、EMAT、脉冲激光器、楔形传感器和弯曲共鸣器中选择的装置。
18.如权利要求15所述的井下工具，还包括信号发生器。
19.如权利要求14所述的井下工具，其中发送器和接收器处在同一传感器中。
20.一种评价井下管子的胶结的方法，包括向管子内发射信号，该信号被配置为诱发径向共振频率响应；测量管子内诱发的径向共振频率响应；识别具有井下管子特性的参考管子；获得参考管子的径向共振频率响应；比较测得的频率响应与参考管子的径向共振频率响应；和基于该比较评价胶结。
21.如权利要求20所述的方法，其中参考管子是胶结的。
22.如权利要求21所述的方法，其中胶结剂的特性已知。
23.如权利要求20所述的方法，其中参考管子是未胶结的。
24.如权利要求20所述的方法，其中评价胶结的步骤包括确定管子周围区域中流体的存在。
25.如权利要求20所述的方法，其中获得参考管子的径向共振频率响应的步骤通过计算实施。
26.如权利要求20所述的方法，其中获得参考管子的径向共振频率响应的步骤经验地实施。
27.一种评价被粘管子的方法，包括测量管子内诱导的频率响应；比较测量的频率响应与参考管子的频率响应；和基于比较评价管子在哪里被粘住。
28.如权利要求27所述的方法，其中频率响应是径向共振频率响应。
29.如权利要求27所述的方法，其中参考管子是胶结的。
30.如权利要求27所述的方法，其中参考管子是未胶结的。
31.如权利要求27所述的方法，其中被粘管子是在过平衡条件下在井眼内胶结的钻柱。
32.如权利要求27所述的方法，其中被粘管子包括通过积累的碎屑粘结到套管的管路。
全文摘要
一种方法用于评价井下管子的水泥胶结的存在和/或质量。该方法包括测量管子的径向共振模式，和比较这些测量值与校准环的未胶结管子共振值。对于胶结良好的管子，测量的径向共振应当大于未胶结管子校准环的共振。在有流体的区域，例如水包围管子外面，或另外水泥没有胶结到管子的外表面，测量响应应当小于校准响应。校准环应具有相同的直径、壁厚，并用与管子相同的材料制造。
文档编号E21B47/00GK101059076SQ20061013096
公开日2007年10月24日 申请日期2006年12月11日 优先权日2005年12月9日
发明者艾利克斯·保沙科夫, 弗拉迪米尔·杜宾斯基, 唐晓明, 道格拉斯·帕特森, 迪米特里·东斯科伊, 约瑟夫·G·巴罗拉克 申请人:贝克休斯公司