Прибор для акустического контроля качества цементирования скважины

Полезная модель относится к области нефтедобычи, а именно к приборам для исследования качества цементирования элементов конструкции скважины (направление, кондуктор, техническая и эксплуатационная колонна). Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение области применения прибора и повышение достоверности результатов исследований. Технический результат достигается тем, что прибор для акустического контроля качества цементирования скважины, содержащий излучатель и приемник акустических сигналов, установленные на верхнем конце колонны скважины, предварительный усилитель отраженного акустического сигнала, соединенный с приемником акустических сигналов, и персональный компьютер в качестве устройства управления, регистрации и математической обработки сигналов, согласно предлагаемой полезной модели, снабжен усилителем мощности и блоком аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя, при этом выход усилителя мощности соединен с излучателем акустических сигналов и аналого-цифровым преобразователем указанного блока, соединенным с предварительным усилителем отраженного акустического сигнала, вход усилителя мощности соединен с цифро-аналоговым преобразователем указанного блока, причем блок аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя соединен с персональным компьютером, выполненным в виде мобильного компьютера и имеющим программный комплекс, включающий в себя системное и прикладное программное обеспечение, которое ориентировано на возможность формирования параметров зондирующих импульсов, подаваемых на усилитель мощности, контроля параметров зондирующих импульсов, оперативного программного управления изменением параметров зондирующих импульсов и графическую визуализацию в реальном времени цементограмм, полученных за каждый сеанс измерений. 1 ил.

Полезная модель относится к области нефтедобычи, а именно к приборам для исследования качества цементирования элементов конструкции скважины (направление, кондуктор, техническая и эксплуатационная колонна).

Из существующего уровня техники известны цементомеры, принцип действия которых основан на возбуждении в скважине импульсов упругих колебаний и регистрации приемником, удаленным на фиксированное расстояние от источника колебаний, времени прихода преломленной продольной волны и ее амплитуды. (Геофизические методы исследования скважин: Справочник геофизика / Под ред. В.М. Запорожца. М. Недра, 1983, с.291-307). Измерения осуществляются зондами, включающими в свою конструкцию источник излучения (излучатель) и приемник, а зонд перемещается во внутрискважинном пространстве на кабеле.

Недостатком данного технического решения является необходимость при проведении диагностики состояния цементации скважины, находящейся в эксплуатации, произвести демонтаж эксплуатационной колонны. Данное обстоятельство существенно увеличивает трудоемкость работ и время проведения исследований.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является прибор, реализующий акустический способ диагностики качества цементного кольца за кондуктором скважины (патент RU 2055176, МПК E21B 47/00, опубл. 27.02.1996) и позволяющий проводить зондирование и регистрацию отраженных сигналов через оголовок скважины. Прибор содержит генератор зондирующих импульсов, излучатель и приемник акустических сигналов, установленные на верхнем конце скважины, предварительный усилитель отраженного акустического сигнала, соединенный с приемником акустических сигналов и персональным компьютером в качестве устройства регистрации и математической обработки сигналов.

Известный прибор позволяет определить наличие цемента за скважиной и качество его сцепления с ней, без демонтажа эксплуатационной колонны.

Основным недостатком данного технического решения является низкая область применения прибора из-за возможности контролирования качества цементирования скважины на глубину только до 400 метров, что обусловлено высокой частотой (до 40 кГц) и низкой амплитудой зондирующего импульса (до 1000 В) на выходе генератора.

Кроме этого, недостатком известного прибора является низкая достоверность результатов исследований, обусловленная отсутствием возможности диагностирования искажения формы зондирующих импульсов в канале излучателя акустических сигналов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является расширение области применения прибора и повышение достоверности результатов исследований.

Технический результат достигается тем, что прибор для акустического контроля качества цементирования скважины, содержащий излучатель и приемник акустических сигналов, установленные на верхнем конце колонны скважины, предварительный усилитель отраженного акустического сигнала, соединенный с приемником акустических сигналов, и персональный компьютер в качестве устройства управления, регистрации и математической обработки сигналов, согласно предлагаемой полезной модели, снабжен усилителем мощности и блоком аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя, при этом выход усилителя мощности соединен с излучателем акустических сигналов и аналого-цифровым преобразователем указанного блока, соединенным с предварительным усилителем отраженного акустического сигнала, вход усилителя мощности соединен с цифро-аналоговым преобразователем указанного блока, причем блок аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя соединен с персональным компьютером, выполненным в виде мобильного компьютера и имеющим программный комплекс, включающий в себя системное и прикладное программное обеспечение, которое ориентировано на возможность формирования параметров зондирующих импульсов, подаваемых на усилитель мощности, контроля параметров зондирующих импульсов, оперативного программного управления изменением параметров зондирующих импульсов и графическую визуализацию в реальном времени цементограмм, полученных за каждый сеанс измерений.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема предлагаемого прибора для акустического контроля качества цементирования скважины.

На чертеже цифрами обозначены:

1. Излучатель акустических сигналов;

2. Приемник акустических сигналов;

3. Колонна скважины;

4. Предварительный усилитель отраженного акустического сигнала;

5. Персональный компьютер;

6. Усилитель мощности;

7. Блок аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя;

8. Аналого-цифровой преобразователь;

9. Цифро-аналоговый преобразователь;

Прибор для акустического контроля качества цементирования скважины содержит излучатель 1 и приемник 2 акустических сигналов, установленные на верхнем конце колонны 3 скважины, предварительный усилитель 4 отраженного акустического сигнала, соединенный с приемником 2 акустических сигналов, и персональный компьютер 5 в качестве устройства управления, регистрации и математической обработки сигналов.

Отличием предлагаемого прибора для акустического контроля качества цементирования скважины является то, что он снабжен усилителем 6 мощности и блоком 7 аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя. Блок 7 состоит из аналого-цифрового преобразователя 8 и цифро-аналогового преобразователя 9.

Выход усилителя мощности 6 соединен с излучателем 1 акустических сигналов и аналого-цифровым преобразователем 8 для контроля выходного сигнала. Аналого-цифровой преобразователь 8 соединен с предварительным усилителем 4 отраженного акустического сигнала. Вход усилителя мощности 6 соединен с цифро-аналоговым преобразователем 9. Блок 7 аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя соединен с персональным компьютером 5.

Персональный компьютер 5 выполнен в виде мобильного компьютера и имеет программный комплекс, включающий в себя системное и прикладное программное обеспечение, которое ориентировано на возможность формирования параметров зондирующих импульсов, подаваемых на усилитель мощности 6, контроля параметров зондирующих импульсов, оперативного программного управления изменением параметров зондирующих импульсов и графическую визуализацию в реальном времени цементограмм, полученных за каждый сеанс измерений.

Пример конкретного выполнения.

Прибор для акустического контроля качества цементирования скважины конструктивно выполнен в виде бокса, размерами 700×300×300 мм и весом 15 кг, в котором располагаются все основные блоки и элементы питания. Питание прибора может быть реализовано от сети автомобиля (12 В) через инвертор или от аккумулятора на напряжение 12 В (на чертеже условно не показаны).

Блок 7 аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя представляет собой готовое устройство фирмы National Instruments, модель NI USB 6221.

Излучатель 1 и приемник 2 акустических сигналов выполнены из пьезокерамических пластин марки ЦТС-19 (цирконат-титонат свинец).

Предварительный усилитель 4 отраженного акустического сигнала - электронная плата, которая конструктивно устанавливается в приемник 1 акустических сигналов.

Усилитель мощности 6 выполнен в виде отдельного блока с трансформаторным выходом для создания высокого напряжения на обкладках излучателя 1 акустических сигналов. Усилитель мощности 6 также снабжен делителем напряжения (на чертеже условно не показан) для обеспечения обратной связи и контроля посылаемого зондирующего импульса.

Персональный компьютер 5 - нетбук или ноутбук с установленным прикладным программным обеспечением.

Работает устройство следующим образом.

Настройка оборудования подразумевает установку излучателя 1 и приемника 2 акустических сигналов на верхнем конце колонны 3 скважины, включение питания прибора и посылки пробного тестового зондирующего импульса, после чего можно приступать к проведению измерений.

Персональный компьютер 5, через специальное программное обеспечение осуществляет общее управление и формирует все основные и вспомогательные сигналы для всей системы.

Персональный компьютер 5 посредством цифро-аналогового преобразователя 9 формирует зондирующий сигнал, при этом оператор может оперативно менять параметры цуга (синусоидальный пакет) - частота, период, длительность, и кроме того, благодаря обратной связи, можно оперативно контролировать пакет посылки, т.е. диагностировать проблемы при работе в канале излучателя 1 акустических сигналов, повышая при этом достоверность результатов исследований.

Сигнал с цифро-аналогового преобразователя 9 усиливается в усилителе мощности 6 для создания высокого напряжения на обкладках излучателя 1 акустических сигналов, представляющего собой пьезокерамический преобразователь.

Отраженные от дефектов сигналы принимаются приемником 2 акустических сигналов и усиливаются предварительным усилителем 4 отраженного акустического сигнала, который выполнен по схеме логарифмического усилителя с полосовым фильтром на операционном усилителе LM398. Предварительный усилитель 4 отраженного акустического сигнала и приемник 2 акустических сигналов расположены на колонне 3 скважины с возможностью обеспечения снижения помех и увеличения отношения сигнал-шум.

Кроме того, предварительный усилитель 4 отраженного акустического сигнала может быть снабжен вторым каскадом для повышения чувствительности, таким образом, совместно с изменяемой амплитудой цуга можно диагностировать близкие по расстоянию дефекты.

Таким образом, технический результат достигается тем, что предлагаемый малогабаритный переносной многочастотный прибор для акустического контроля и экспресс-диагностики состояния цементации скважины в полевых условиях включает в себя программно-аппаратный комплекс, при этом параметрами зондирования, регистрации и математической обработки сигнала управляет оператор через прикладное программное обеспечение, разработанное в среде Lab View фирмы National Instruments и установленное на персональном компьютере 5.

Аппаратное обеспечение программно-аппаратного комплекса состоит из излучателя 1 и приемника 2 акустических сигналов, установленных на верхнем конце колонны 3 скважины, блока 7 аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя фирмы National Instruments, предварительного усилителя 4 отраженных акустических сигналов, усилителя мощности 6, мобильного персонального компьютера 5.

Оператор контролирует весь процесс исследования скважины и имеет возможность оперативного изменения параметров зондирования посредством прикладного программного обеспечения.

Параметром зондирующего импульса является частота (до 20 кГц), длительность (5-10 периодов), амплитуда (до 5000 В), что позволяет расширить область применения прибора и контролировать качество цементирования скважины на глубину до 2000 метров

Формирование зондирующего импульса, подаваемого на усилитель мощности 6, а также оцифровывание отраженного сигнала после усиления осуществляется блоком 7 аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователя фирмы National Instruments.

При плохой выявляемости дефектов цементации (отслоения цемента от кондуктора скважины) можно программно изменить конфигурацию зондирующих импульсов (частоту, длительность, амплитуду), тем самым увеличив разрешающую способность прибора.

Таким образом, использование предлагаемой полезной модели позволит расширить область применения прибора и повысить достоверность результатов исследований.

Прибор для акустического контроля качества цементирования скважины, содержащий излучатель и приемник акустических сигналов, установленные на верхнем конце колонны скважины, предварительный усилитель отраженного акустического сигнала, соединенный с приемником акустических сигналов, и персональный компьютер в качестве устройства управления, регистрации и математической обработки сигналов, отличающийся тем, что он снабжен усилителем мощности и блоком аналого-цифрового/цифроаналогового преобразователя, при этом выход усилителя мощности соединен с излучателем акустических сигналов и аналого-цифровым преобразователем указанного блока, соединенным с предварительным усилителем отраженного акустического сигнала, вход усилителя мощности соединен с цифроаналоговым преобразователем указанного блока, причем блок аналого-цифрового/цифроаналогового преобразователя соединен с персональным компьютером, выполненным в виде мобильного компьютера и имеющим программный комплекс, включающий в себя системное и прикладное программное обеспечение, которое ориентировано на возможность формирования параметров зондирующих импульсов, подаваемых на усилитель мощности, контроля параметров зондирующих импульсов, оперативного программного управления изменением параметров зондирующих импульсов и графическую визуализацию в реальном времени цементограмм, полученных за каждый сеанс измерений.