-
Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Zustandes von Bohrloch-oder
Schachtauskleidungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Ermittlung der hinter einer Bohrlochverrohrung oder Schachtauskleidung bestehenden
Verhältnisse, wie z. B. die Abbindung einer Zementierung oder die mehr oder weniger
dichte Auslagerung von Tonen, Sanden usw. an die Außenseite einer Bohrlochverrohrung
oder Schachtauskleidung.
-
Es ist bereits bekannt, durch Schallausbreitungsmessungen einen näheren
Aufschluß über die Verhältnisse an der Außenwand einer Bohrlochverrohrung zu erhalten,
indem an einer Stelle im Bohrloch impulsförmige Schallwellenzüge ausgesandt werden
und an einer weiteren Stelle oberhalb oder unterhalb des Schallsenders empfangen
werden. Bei verrohrten Bohrlöchern ergibt sich insbesondere aus der Anfangsamplitude
des empfangenen Wellenzuges eine gute Aussagemöglichkeit über die an der äußeren
Bohrlochwandung vorliegenden Verhältnisse. So gibt sich z. B. eine gute Zementierung
an einer geringen mittleren Anfangs amplitude des empfangenen Signais zu erkennen.
-
Die bisher bekannten Verfahren gestatten eine Aussage über einen
mittleren Zustand der Verhältnisse über eine gewisse Strecke hinter einer Bohrlochverrohrung,
Schachtauskleidung usw. Da die Schallwege zwischen Sender und Empfänger in achsparalleler
Richtung längs der Bohrlochverrohrung verlaufen, wird die gemessene Anfangs amplitude
nur einen mittleren Wert der längs des Weges angetroffenen Verhältnisse darstellen.
Diese Meßverfahren wurden daher bislang für entsprechende Aufgaben, z.B. der Bestimmung
der oberen Grenze der Abbindung einer Zementhinterfüllung, eingesetzt.
-
Mit dem weiteren Fortschreiten der Bohrtechnik werden inzwischen
genauere Untersuchungen gefordert. So ist es bisher nicht möglich, Längskanäle in
der Zementhinterfüllung festzustellen oder genauere Aussagen über sonstige Eigenschaften
der Hinterfüllung zu machen. Auch fehlt eine Entscheidungsmöglichkeit darüber, ob
eine höhere Anfangsamplitude durch eine Änderung der elastischen Eigenschaften des
Zementes (Härte, Porosität) bei einem an sich vollständig geschlossenen Mantel oder
durch einzelne Kanäle oder ungleiche Abbindung längs des Umfanges verursacht wird.
-
Das Verfahren nach der Erfindung vermeidet die angegebenen Mängel
der bisher bekannten akustischen Bohrlochmessungen, z. B. zur Feststellung der Ausbildung
der Zementierung, indem die Durchschallung des Bohrlochrohres mit dem dahinterliegenden
Raum in mehrere Sektoren aufgeteilt horizontal erfolgt. Durch Differenzbildung zwischen
den
so erhaltenen Mittelwerten der Anfangsamplituden der einzelnen Sektoren können
relativ detaillierte Aussagen über die Ausbildung z. B. einer Zementation hinter
einer Rohrtour oder Schachtauskleidung gewonnen werden. Zweckmäßig werden zwei Sender
und zwei Empfänger jeweils um 900 gegeneinander versetzt nahe der Innenseite in
einer horizontalen Ebene innerhalb des Rohres, z.B. in einer Sonde, angeordnet und
die Sender abwechselnd zur Abgabe eines höherfrequenten Schallimpulses erregt, wobei
jeweils die Mittelwerte der Anfangsamplituden der an den Empfängern eintreffenden
Wellenzüge ermittelt werden. Anschließend werden die Differenzen der Mittelwerte
der Anfangsamplituden gebildet. Bei einem geschlossenen Zementmantel mit guter Bindung
über den ganzen Rohrumfang liegen alle Differenzwerte nahe Null, da die Anfangsamplituden
der empfangenen Schallimpulszüge nahezu gleich groß sind. Aus der gleichzeitig gebildeten
Summe der vier Anfangsamplituden läßt sich die Unterscheidung treffen, ob die Anfangsamplituden
gering (gute Zementation) oder groß sind (frei im Formationswasser stehendes Rohr),
da auch die Differenz zwischen gleich großen, aber an sich hohen Anfangsamplituden
nahezu Null ist.
-
Sind nun im Zementmantel Stellen mit schlechter Bindung oder einzelne
Kanäle oder Risse vorhanden, so weichen die Anfangsamplituden der einzelnen empfangenen
Signale voneinander ab, so daß die Differenzen zwischen den einzelnen empfangenen
Signalen von Null abweichen und somit Schlüsse auf die Qualität der Abbindung des
Zementes an der Außenwand erlauben. Liegen alle Differenzen nahe
Null,
jedoch die Summe der Anfangsamplituden auf einem höheren Wert als dem einer guten
Zementierung entsprechenden, so umschließt ein relativ schallweiches Medium die
Rohre, wie z. B. Ton oder feinkörniger Sand oder nicht abgebundener Zementbrei.
-
Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung
der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Bohrloch, Fig. 2 einen schematischen Querschnitt
durch die Anordnung nach Fig. 1 in Höhe der Sender und Empfänger mit Bildung eines
Differenzsignals, Fig. 3 einen Querschnitt nach Fig. 2 mit anderen Fehlern der Zementation,
Fig. 4 einen Querschnitt nach Fig. 2 für ein Ausführungsbeispiel, Fig. 5 ein mit
einer Anordnung nach den vorangehenden Figuren erhaltenes Meßdiagramm.
-
In Fig. 1 ist ein Bohrloch 1 mit einer Verrohrung 10 ausgekleidet.
Eine Zementhinterfüllung 2 soll das beispielsweise am unteren Ende der Rohrtour
10 unter hohem Druck befindliche Erdöl gegen einVordringen längs der Außenwand der
Verrohrung 10 abdichten. Die Zementhinterfüllung 2 füllt in zunächst unbekannter
Ausbildung den Zwischenraum zwischen der Verrohrung 10 und den durchbohrten Erdschichten
3 und 4 aus. Zur Ermittlung der Art der Abbindung des Zementes 2 an der Verrohrung
10 wird ein Versenkkörper 5 an einem Kabel 8 in das Bohrloch 1 hinabgelassen. Der
Versenkkörper 5 trägt auf seinem Umfang die erfindungsgemäße neue horizontale Anordnung
von z.B. abwechselnd je einem Schallsender 7 und einem Schallempfänger 6. Natürlich
können auch andere horizontale Anordnungen, wie z. B. nur ein Schallsender 7 und
zwei Schallempfänger 6, vorhanden sein. Auch können statt gesonderter Sende-oder
Empfangswandler solche Wandler benutzt werden, die wahlweise als Sender oder als
Empfänger wirksam werden. Ferner ist es möglich, ober- oder unterhalb des Kreises
der Empfänger 6 und Sender 7 einen oder mehrere weitere Empfänger oder Sender anzuordnen,
so daß auch eine vertikale Durchschallung des Zementmantels 2 möglich ist. Dabei
könnten die oberhalb oder unterhalb der Empfänger 6 und der Sender 7 angeordneten
Empfänger oder Sender ebenfalls so ausgebildet werden, daß sie nur einem bestimmten
Sektor zugeordnet sind.
-
Über das Kabel 8 werden die empfangenen Signale einer Registrierapparatur
9 zugeleitet, in der die Meßwerte als Funktion der Teufe als Diagramm aufgezeichnet
werden.
-
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Querschnitt ist zurVereinfachung der
Darstellung der eigentliche Versenkkörper 5 nicht eingezeichnet worden. Mit S1 bzw.
S2 sind je ein Sender und mit E1 und E2 je ein Schallempfänger bezeichnet. Die Sender
S, und S2 und die Empfänger E1 und E9 sind in der Reihenfolge Sender-Empfänger-Sender
um je 900 gegeneinander versetzt im Außenmantel des Versenkkörpers 5 angeordnet.
Um die Verrohrung 10 ist eine Zementierung 2 gegen das Gebirge3 abdichtend eingepreßt.
-
Die Zementierung 2 weist eine Fehlstelle 13 auf, die die Form eines
Längskanals hat, welcher z.B. mit Formationswasser gefüllt ist.
-
Ein vom SenderS1 ausgesandter Schallimpuls wird von den Empfängern
E1 und E2 aufgenommen und in der nachgeordneten Schaltung 15 voneinander sub-
trahiert.
Die so erhaltene Differenzsignalspannung wird dann auf die Amplitude des Anfangsteiles
des Signals untersucht. Da die Schall-Laufzeit für Stahl, d. h. die der Verrohrung,
wesentlich höher als die für Wasser oder Öl und meist auch erheblich höher als die
der umgebenden Gesteine ist, stellt der Anfangsteil des empfangenen Schallwellenzuges
die über die Verrohrung längs der Wege 17 und 18 gelaufene Welle dar. Ihre Amplitude
ist dann besonders groß, wenn das Stahlrohr ungedämpft frei schwingen kann, also
ohne jede feste Verbindung mit dem Gebirge im Bohrloch steht. Wenn die Verrohrung
dagegen durch eine gut abgebundene Zementierung fest mit dem Gebirge verbunden ist,
tritt durch die nunmehr gute Abstrahlung von Schallenergie aus der Verrohrung in
die Zementierung eine erhebliche Verkleinerung der Amplitude der durch die Verrohrung
gelaufenen Welle ein, so daß die Anfangsamplituden der an den Empfängern eintreffenden
Signale ein Maß für die Güte der Abbindung des Zementes an der Verrohrung bilden.
Durch die Fehlstelle 13 in der Zementierung 2 tritt im Beispiel der Fig. 2 eine
unterschiedliche Bedämpfung der Schallwegel7 und 18 ein, so daß die Differenz der
Anfangsteile der an den EmpfängernE1 und E2 empfangenen Signale ungleich Null wird.
Somit läßt sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine recht gute Aussage über
die Gleichmäßigkeit der Zementabbindung mit der Verrohrung treffen. Als Schallsignal
wird entweder ein reiner Nadelimpuls oder ein kurzerWellenzug einer so hohen Grundfrequenz
gewählt, daß die Wellenlänge der Schallwelle im Stahl im wesentlichen kürzer ist
als die Entfernung vom Sender zum Empfänger.
-
Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung mit fehlerhafter Zementation
ist zur Demonstrierung der Auswertung besonders geeignet. Die der Fig. 2 entsprechenden
Elemente tragen das gleiche Bezugszeichen.
-
Zwischen den Sendern, und S2 und den Empfängern E1 und E2 werden
vier Ringraumabschnitte gebildet. Die beiden Sender werden abwechselnd impulsförmig
erregt, so daß an den Empfängern vier verschiedene Signale auftreten, deren Anfangsamplituden
zur Bildung von Differenzen und Summen verwandt werden. Die vom Sender Sl zum EmpfängerE1
gelaufene Schallwelle sei mit A, die zum Empfängene, gelaufene Schallwelle sei mit
B bezeichnet.
-
Ebenso werden die Schallwege vom SenderS.) zum Empfänger E2 mit C
und zum Empfänger E1 mit D bezeichnet. Aus diesen vier Meßwerten werden durch Differenzbildung,
z.B. A-B, C-D usw., die Unterschiede in der Dämpfung und damit der Güte der Abbindung
des Zementes der vier Sektoren erhalten.
-
Einen weiteren Meßwert kann man aus der Summe der vier Anfangsamplituden,
also A + B + C + D, bilden.
-
Bei einem geschlossenen Zementmantel mit guter Bindung über den ganzen
Rohrumfang liegen alle Differenzwerte bei Null, denn die Anfangsamplituden der vier
Empfangssignale haben den gleichen Wert.
-
Sind dagegen im Zementmantel Stellen mit schlechter Bindung oder einzelne
Kanäle 3 vorhanden, so weichen die Anfangsamplituden der vier Empfangssignale mehr
oder weniger voneinander ab. Die Differenzwerte sind nicht mehr gleich Null und
zeigen an, inwieweit eine Abbindung zwischen Verrohrung und Zementierung besteht.
-
Liegen alle Differenzwerte nahe Null, der Wert der Summe der Amplituden
jedoch oberhalb des Wertes,
der bei vollständig erhärtetem Zement
zu erwarten wäre, so umschließt ein relativ schallweiches Medium die Verrohrung,
wie z. B. Ton oder feinkörniger Sand oder nicht abgebundener Zementbrei.
-
Der in Fig. 4 dargestellte Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel
zeigt einen Versenkkörper 20, der im Bereich der Sender-Empfänger-Anordnung aus
stark schalldämmendem Material besteht. An dem Halter 21 sind die Sender S1 und
S2 und die Empfänger E1 und ES befestigt. Durch das Mittelloch 23 laufen die Versorgungsleitungen
zum Betrieb der elektronischen Teile des Versenkkörpers. Da viele Wandler sowohl
als Sender wie auch als Empfänger betrieben werden können, ist es auch möglich,
die Senderwandler abwechselnd als Empfänger oder als Sender zu betreiben, so daß
eine weitere Verbesserung der Meßwerte durch Mehrfach- oder gegenläufige Messung
der gleichen Meßstrecke erzielt wird.
-
In dem Meßdiagramm nach Fig. 5 stellt die Kurve 25 die Summe der
Anfangsamplituden der einzelnen Schallwege dar, während die Kurven 26 und 27 die
Differenz der Anfangsamplituden zwischen je zwei Sektoren abbilden. In Höhe der
Linie 28 gibt sich im Summensignal 25 der Zementkopf einer Zementhinterfüllung durch
starken Abfall der Amplitude zu erkennen. Außer dem Auftreten einer stärkeren Unruhe
auf den Differenzspuren26 und 27 ist keine weitere Änderung ersichtlich, so daß
anzunehmen ist, daß der Zement in der Mischzone allseitig relativ ungleichmäßig
abgebunden hat. Dagegen tritt in Höhe der Linie 29 ein auffälliger Amplitudenanstieg
in der Differenzkurve 26 auf, wobei auch ein kleiner Amplitudenanstieg in der Summenkurve
25 zu erkennen ist.
-
Dies bedeutet also, daß in dem dem ersten Glied der Subtraktion entsprechenden
Sektor an dieser Stelle eine schlechte Abbindung vorliegt, die sich über eine dem
Auftreten der Abweichung entsprechende Strecke längs der Verrohrung erstreckt. Dementsprechend
zeigt auch das Summensignal 25 eine kleinere Erhöhung der Amplitude.
-
Da der für die Meßanordnung nach der Erfindung benötigte Raum in
einer Meßsonde nur relativ gering ist, ist es vorteilhaft möglich, dieses Meßverfahren
mit anderen Bohrlochmeßverfahren unter Benutzung nur einer Sonde zu verbinden.