Ing. Zdeněk Pavliňák
MND Servisní a.s.
Akustická cementometrie se používá ke kontrole cementace pažnicových kolon, a to k vyhodnocení kvality vazby cementu s pažnicí. Základem je zdroj akustického vlnění, šíření akustických vln v prostředí a jejich registrace v přijímači.
Je možné použít přístroj s jedním vysílačem a jedním přijímačem, nebo pro více informací se dvěma přijímači. Vzdálenost mezi přijímačem a vysílačem je důležitá z hlediska dosahu akustických vln.
Vzdálenost 3" přijímač - vysílač je optimální pro testování vazby cementu s pažnicí.
Vzdálenost 5" přijímač - vysílač se ukázala vhodná pro posouzení vazby cementu s horninou.
Většina ultrazvukových vysílačů pracuje s frekvencí 20 kHz a vyšší, a to s počtem opakování 20x za sekundu (20Hz). Při akustickém měření vazby cementu se měří úbytek akustické energie přenášené pažnicemi. Tato ztráta může být teoreticky vztahována na části obvodu pažnice v kontaktu s cementem. Výstup z přijímače ve vzdálenosti 3" zaznamenává velikost amplitudy jako křivku, zatímco výstup ze vzdálenějšího přijímače 5" je většinou zobrazován jako proměnlivá hustota VDL (Variable Density Log). Pro kvalitní měření je důležitá dobrá centralizace přístroje v pažnici. Měření průběhového času zpravidla odhalí excenrititu přístroje a také pomáhá při identifikaci tzv. "rychlých formací". Rychlá odezva formace obvykle indikuje dobrou vazbu pažnice a formace.
Měření Cementologu indikuje hlavu cementu, volné pažnice a dává údaj o zacementování trubek, ale nemělo by být spolehlivé na kvantitativní vyhodnocení izolací nebo hydraulické integrity.
Výrobce: Computer Sonics System Inc.
Calgary, Alberta
V MND Servisní je od roku 2003 pro měření cementové vazby používán akustický cementolog Multiplex II Radial Bond Tool vyrobený firmou CSS Inc., Calgary.
Tento přístroj je představitelem druhé generace radiálních cementologů. Pracuje na principu tlumení akustických vln. V každém hloubkovém intervalu měří současně kvalitu vazby cementu, přirozené gama záření, teplotu a lokátor spojek.
Při průchodu akustických vln různými médii - kapaliny ve vrtu, zapažení, cement a horninové formace, akustická impedance média tlumí amplitudu a rychlost každé vlny. Utlumené vlna má méně energie. Tato skutečnost je základem funkce cementologu Multiplex II.
Všechna měřená data jsou v přístroji kódována a karotážním kabelem přenášena do povrchových přístrojů k dalšímu zpracování například ve formě diagramu.
Rozměry přístroje:
Průměr: 80 mm
Váha: 121 kg
Déka: 6,8 m
Rozsah použití:
Max. teplota: 190 °C
Max. tlak: 140 Mpa
Max. vnitř. průměr pažnice: 340 mm
Min. vnitř. průměr pažnice: 95 mm
Kapalina ve vrtu: čistá voda, slaná voda, ropa
Multiplex II se skládá ze dvou základních částí:
1. horní přístrojová část která obsahuje: CCL - lokátor spojek pažnic
GR - čidlo přirozeného gama záření
Elektronickou část s pěti obvodovými deskami
2. dolní mechanickou část, která obsahuje akustické díly a teplotní čidlo:
vysílač, izolátor a tři přijímače - 3 ft přijímač
- 5 ft přijímač
- radiální přijímač
Provedení radiálního cementologu Multiplex II a jeho provoz jsou založeny na celé řadě vlastností a principů. Při značném zjednodušení jsou tyto vlastnosti a principy vycházející z teoretického základu následující:
Keramické piezoelektrické krystaly jsou akustické převodníky. To znamená, že převádějí akustickou energii na elektrickou a naopak. Tato vlastnost je podstatná pro jejich použití v Multiplex II pokud jde o zdroj, ale také i pokud jde o snímání akustické energie:
- zdroj akustické energie protřednictvím vysílání krystalu vysílače
- snímání : 1. krystalem ve vzdálenosti 3 ft
2. krystalem ve vzdálenosti 5 ft
3. krystaly radiálního přijímače
Multiplex II pracuje na principu tlumení průběhu akustických vln.
Zdroj akustických vln - piezoelektrický krystal vysílače - převádí elektrickou energii spouštěcího pulsu na akustickou energii. Tato energie je vysílána z vysílače všemi směry jako koncentrované vlny, elastické vlny, které je snadné transformovat. Některé vlny se interakcí s fluidním médiem transformují na křížové vlny. Všechny tři typy vln vykazují charakteristický měřitelný režim.
Při průchodu akustických vln různými médii s různou akustickou impedancí je tlumena amplituda a rychlost každé vlny podle velikosti akustické impedance daného média.
FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI AKUSTICKÝCH VLN A ROZMÍSTĚNÍ PŘIJÍMAČŮ
Akustické vlny utlumené na různé stupně, postupují přes formace různými rychlostmi. Toto chování je známé a má vliv na fyzické umístění čidel. Přijímač 3 ft je umístěn 0,91 m pod vysílačem, což je nejlepší místo pro zkoumání vztahu cementu a stěny pažnice. Přijímač 5 ft je ve vzdálenosti 1,52 m pod vysílačem a to je nejlepší umístění na vyhodnocování vztahu centu a formace. Umístění radiálního přijímače je 0,61 m pod vysílačem. Toto umístění optimalizuje vertikální výsledek grafu amplitudy a umožňuje detekci menších kanálů.
Jakmile akustická vlna dorazí k přijímačům, krystaly příslušného přijímače ji zachytí a převedou na elektrický signál.
ELEKTROTECHNICKÉ A OPERAČNÍ PRINCIPY
Multiplex II je hybridní přístroj na jehož výstupu jsou jak analogová, tak i digitální data. Kvalita dat a rychlost přenosu jsou v optimální rovnováze.
Přístroj obsahuje jedenáct obvodových desek, které komunikují a pracují v sestavě, přičemž základní deska řídí veškeré procesy. Přístrojová část obsahuje devět obvodových desek. Další desky jsou umístěny v CCL a teplotní části. Tyto desky přijímají, zpracovávají a vysílají signály. Základní deska řídí zpracování a časování pořadí přenosu.
Přístroj Multiplex II zpracovává a upravuje signály z čidel. Tyto informace jsou digitalizovány. Takovéto zpracování dat vytváří balíčky přesných dat, které se okamžitě přenášejí na povrch. Celý sled dat se přenese na povrch za 153 milisekund.
KALIBRACE A AKUSTICKÁ MĚŘENÍ
Na povrchu dostanou provozní data digitální zařízení na jejich zpracování. Porovnání takto získaných dat s kalibračními daty vloženými do přístroje dostaneme přesné měření. Multiplex II je kalibrován za regulovaných podmínek bez akustického tlumení. Z toho důvodu kalibrační data představují chování neutlumených vln s nepřerušovaným pohybem vlny a s maximální amplitudou. Tato data vyjadřují ideální - nulové (nebo blížící se nule) utlumení. Povrchový počítačový software zpracovává provozní data a porovnává je s daty ideálními a vytváří akustickou informaci na výstupu pro zpracování např. v podobě diagramu.
Ze základních křivek jsou to :
- první příchozí amplituda čela vlny na 3 ft přijímači
- průběhový čas čela vlny na 3 ft přijímači
- proměnlivá hustota - vlnový obraz útlumu založený na celém průběhu
vln na 5 ft přijímači
- rozvinutý radiální obraz útlumu na radiálním přijímači
Energie průmyslových výbušnin se využívá k navázání kontaktu zapaženého vrtu s obzorem, při likvidačních pracích k ustřelení trubek, uvolnění uvíznutého nářadí, vytvoření dutin, pročištění perforace apod.
Teorie kumulace
K navázání kontaktu zapaženého vrtu s obzorem je nutné vytvořit otvor do pažnice a případně rozrušit cementovou vrstvu nacházející se v prostoru mezi pažnicí a horninou. Použitá výbušnina musí vytvořit kanál určitého průměru a hloubky. K tomu jsou určeny kumulativní nálože v perforátorech.
Při použití válcové nálože se energie výbuchu šíří všemi směry a v požadovaném směru účinku se vytvoří pouze malá prohlubeň jejichž rozměry závisí na vlastnostech výbušniny jejich rozměrech, hmotnosti a na vlastnostech materiálu překážky.
Aby bylo dosaženo kumulativního účinku detonující výbušniny musí být ve válcové náloži na jednom čele vytvořena kuželová (nebo parabolická, hemisférická) dutina a z druhého čela v ose iniciována. Působením kuželového vybrání a vzduchové mezery je energie výbuchu soustředěna - kumulována do úzkého svazku, který velkou rychlostí a energií působí na překážku a probíjí ji.
Pro zvětšení účinku kumulativní nálože je kuželová dutina vyložena většinou kovovou číškou a tvar kumulativní nálože nemusí být válcový. Rovněž i vzdálenost nálože od překážky má vliv na tvar a hloubku kanálu. Někteří výrobci vkládají do nálože tzv. stínící vložku, která může zvětšit hloubku průrazu.
Protože rychlost kumulativního děje a rychlost kumulativního paprsku je velmi vysoká - řádově 10 000 m/s, zakládá se vysvětlení procesu tvorby kumulativního paprsku převážně na teorii.
Vytvořením vhodné dutiny v náloži brizantní trhaviny se dosáhne usměrnění plynů tak, že se spojí do kompaktního proudu. V dutině dochází ke srážce detonačních vln, jenž jsou tlakem detonace z horních vrstev rozložené výbušniny tlačeny kolmo k ose, takže vzniká kumulovaný paprsek. S rostoucí vzdáleností od nálože dochází k jeho ztenčování a prodlužování. Po dosažení určité vzdálenosti se trhá na menší části.
Detonační vlna šířící se náloží od rozbušky narazí na kovovou vložku a při velkém tlaku, který mnohonásobně převyšuje vazební síly v kovu, se část kovové číšky vypaří a vytvoří velmi hustý kumulovaný proud. Průměr tohoto proudu se rovná přibližně 1/10 průměru základny kovové číšky. Hloubka průrazu ocelovou překážkou může být až 30ti násobkem průměru proudu. Průměr probitého otvoru je až několikanásobně větší než průměr paprsku, protože v okolí jeho dopadu se pří vysoké teplotě paprsku (řádově 10 000°C) začne ocel odpařovat.
Probíjecí schopnost kumulativní náložky závisí na:
- detonační rychlosti výbušniny - - materiálu vložky - - úhlu stěn vložky - - délce nálože - - vzdálenosti od překážky -
Použití kumulativních náloží v perforátorech
V MND Servisní se používají kumulativní perforátory dvou základních provedení:
1. maloprůměrové perforátory sestavené z hermetických kumulativních náložek
2. trubkové perforátory jejichž obal tvoří hermetické pouzdro
Podle teploty v místě použití je možné určit druh výbušniny:
- RDX do teploty 162°C
- HMX do teploty 204°C
- HNS do teploty 260°C
Ad. 1. Maloprůměrové perforátory
Jsou sestaveny z hermetických náložek o hmotnosti nálože 8 - 10,25 g výbušniny jejich výhodou je malý průměr (43 mm) a použití výkonnějších náloží než průměrově ekvivalentní trubkový perforátor. Jsou ve dvou provedeních:
- STRIP - Kumulativní náložky jsou připevněny ke spirálnímu nosiči o hustotě 20 náloží na metr ve spirálním rozmístění po 45° . Po odstřelu je nosič vytažen.
- LINK - Kumulativní náložky jsou připevněny jedna na druhou pootočeny o 90° o hustotě 20 náloží na metr.
Tyto perforátory jsou z úspěchem používány při perforacích pod tlakem plynu, ropy nebo vody bez nutnosti umrtvovat sondu. A nebo tam, kde se po odstřelu předpokládá vysoký nárust tlaku. Zapouští se na kabelu (v případě tlaku přes lubrikační a těsnící zařízení) a odpalovány jsou elektricky.
Dosah kumulativních náloží je až 380 mm (platí pro cement) o průměru díry 7,8 mm.
Ad. 2. Trubkové perforátory
MND Servisní používá řadu kumulativních náloží pro trubkové perforátory od průměru 2 7/8" do 5 1/2" s hustotou až 39 náloží na metr. Standardní rozmístění náloží je po 45° nebo po 90°.
Trubkové perforátory jsou zapouštěny na kabelu a odpalovány elektricky.
Typy kumulativních náloží:
- 15 g RDX, HMX, HNS dosah: 505 - 641 mm; průměr díry: 8,1 mm
- 22,7 g RDX, HMX, HNS dosah: 457 - 564 mm; průměr díry: 9,6 - 10,4 mm
- 23 g RDX dosah: 355 - 535 mm; průměr díry: 10,4 -10,9 mm
- 32 g RDX, HMX, HNS dosah: 745 - 877 mm; průměr díry: 9,6 mm
TCP - perforace
MND Servisní v rámci vrtné činnosti a při opravách sond provádí TCP perforaci (Tubing Conveyed Perforating). Trubkové perforátory jsou zapouštěny na vrtných tyčích, nebo v sestavě čerpacích stupaček a odpalovány jsou převážně perkusní rozbuškou.
Použití:
- V horizontálních nebo velmi ukloněných vrtech, kde je perforace na
kabelu nemožná z důvodu průchodnosti perforátoru
- Za předpokladu nárustu tlaku po perforaci
- Perforace za deprese
- Perforace rozsáhlých úseků
- Perforace při vystrojení sondy
TCP perforátory je možné sestavovat v libovolné délce a umístění perforátoru s maximální přesností. Další výhodou je odpálení celého perforátoru v jednom časovém okamžiku.
Do sestavy čerpacích trubek je možné zapojit pakrovací sestavu, celý vrt vystrojit, snížit hladinu kapaliny v trubkách, a pak teprve iniciovat roznětku se zavřeným ústím. V tomto případě je možné do sestavy perforační hlavy zapojit automatický odpojovač, který po odpálení perforátoru odpojí perforátor od sestavy trubek.
Perkusní roznětku je možné iniciovat mechanicky vhozením úderníku nebo hydraulicky manipulací s tlakem na ústí.
Sondex: Cement evaluation
CSS: Radial Bond Tools
ANALOG: Cement Bond Logging
J.Tichý: Vrtné a geofyzikální práce
Ing. B. Růžička: O kumulaci
Exxperts: Kumulativní jev
BAKER HUGES: Tubing Conveyed Perforating
Baker Perforating Systems: Certification Data Sheet