生命科学関連特許情報
| タイトル： | 公開特許公報(A)_セメントボンド検層におけるラム波の使用 |
| 出願番号： | 2006054389 |
| 年次： | 2006 |
| IPC分類： | G01N 29/00 |
特許情報キャッシュ
ボルシャコフ，アレクセイ ドゥビンスキー，ウラジミール パターソン，ダグラス タン，シャオ ミン バロラック，ジョセフ アラース，ジョージ エー． アラース，ロナルド ビー． JP 2006242955 公開特許公報(A) 20060914 2006054389 20060301 セメントボンド検層におけるラム波の使用 ベイカー ヒューズ インコーポレイテッド 301008534 福村 直樹 100087594 ボルシャコフ，アレクセイ ドゥビンスキー，ウラジミール パターソン，ダグラス タン，シャオ ミン バロラック，ジョセフ アラース，ジョージ エー． アラース，ロナルド ビー． US 11/070037 20050302 G01N 29/00 20060101AFI20060818BHJP JPG01N29/20 19 ＯＬ 24 2G047 2G047AA10 2G047AB01 2G047AB07 2G047BA01 2G047BC03 2G047CA01 2G047CA02 2G047CB01 2G047CB02 2G047CB03 2G047CB04 2G047DB18 2G047EA10 2G047GB27 2G047GC00 2G047GJ08 本発明は、坑井に坑井ケーシングを付着させるボンドの状態を評価する方法と装置とに関する。本発明は、さらに、さまざまな密度の接着セメントの接着状態を評価することのできる方法と装置とに関する。より具体的には、本発明は、軽量セメントによって接着されたケーシングと微小環内にある流体によって取り囲まれたケーシングとを区別することのできる、セメントボンドの状態を評価することのできる方法と装置とに関する。 炭化水素を生産する坑井は坑井５中にケーシング８のセットを有し、ケーシング８の外径と坑井５の内径との間に形成される環状部内にセメント９を入れることによって、ケーシング８は坑井に接着される。このセメントボンドは坑井５内でケーシング８に膠着するだけではなく、地層18内で隣接する領域（Ｚ１とＺ２）を相互に分離する役目も果たす。領域のうちの１つが油またはガスを含んでおり、他の領域が水などの非炭化水素流体を含有している場合には、隣接する領域を分離することが重要になる場合がある。ケーシング８を取り囲むセメント９に欠陥があって隣接する領域からの分離がなされていないと、水や他の望ましくない流体が炭化水素を生産する領域に入り込んできて、生産領域内の炭化水素を希釈または汚染する可能性がある。 セメントボンドに欠陥があるかどうかを検出するために、坑井５にケーシング８を接着するセメント９の状態を分析するための坑内機器14が開発されている。これらの坑内機器14は、通常、滑車12を介してワイヤライン10で吊り下げられて、坑井５内に配設される。また、坑内機器14は、ケーシング８に向けて音波を発信して、ケーシング８の表面を伝って音波が進む、又は伝播する間の音波の減衰を記録することのできる複数の変換機16を、その外表面に有している。記録された減衰はワイヤライン10を介して地上に送ることができ、そこで分析することができる。音波の減衰を分析することによって、セメントボンドの有効性と状態とを評価することができる。 しかしながら、減衰の程度は、音波がどれだけ偏向されているかとケーシング８とセメント９との間の接着状態とに依存する。音波変換機16を有する通常の坑内機器14は、ケーシング８の表面に垂直に偏向された音波を発生する。音波の疎密波（Ｐ）成分または横波（Ｓ）成分のいずれかがケーシング８に垂直な（Ｖ）面内にあるので、このような音波は、疎密波／横波またはP−SV波と称される。ケーシング８の表面に沿って伝播する間の音波の減衰は、セメントボンドの状態と、ケーシング８と地層18との間に充填されたセメント９の種類による。より具体的には、音波がケーシング８の長さ方向に沿って伝播するとき、音波はセメントボンドを通じて地層18中にエネルギーを漏出して失う。これが、音波の減衰の原因となるエネルギーの低下である。反対に、ケーシング８にセメントが接着していない、「非固定管（free pipe）」とも称される状態にあると、ケーシングの背後にある微小環内の流体によって、ケーシング８と地層18との間に剪断力を伝える結合が全く与えられていないことになる。剪断力を伝えるの結合の欠如は、ケーシング８と地層18との間の疎密波を伝える結合を著しく低減させる。流体は剪断弾性係数を有さず、また、セメントと比べて体積弾性率も非常に小さいので、このような結果になる。流体のこのような物理的性質故に、P−SV波の全SV成分とP−SV波のＰ成分の大部分は、ケーシング８の外側には伝播せず、したがって減衰の程度は大きく減少する。 音波の減衰の程度が減少するのは、ケーシング８が流体に囲まれている場合に限定されない。ある種のセメントが存在しても、音波の減衰を大きく低減する場合がある。例えば、軽量セメント（ＬＷＣ）、又は密度が約12 lbs/gal 未満であるセメントは音波の減衰を低減させることがある。軽量セメントは剪断弾性係数を有するので、軽量セメントはケーシング８と地層18との間の剪断力を伝える結合を維持することができる。しかしながら、軽量セメントの密度は、多くの流体（水など）の密度よりも非常に大きいわけではなく、そのために、ある種の音波、特にP−SV波の減衰は、軽量セメントで囲まれたケーシング８に遭遇すると低減される。減衰の程度が低下した結果、液体と軽量セメントとの相違を検出する能力が減少し、また、従来の音響法を採用すると、軽量セメント中のセメントボンドの弱い箇所を検出する能力も小さくなる。 したがって、ケーシングを取り囲む流体とケーシングに膠着する軽量セメントとを区別することのできる、ケーシング内でセメントボンド検層を行うための装置および方法への需要がある。 本発明は、ケーシングと坑井との間に配置されるケーシング用ボンドを評価する方法を含み、該方法は、ケーシング中にラム波を誘起し、該ラム波をモニターし、該モニターに基づいてケーシング用ボンドの性質を評価することを含む。ラム波は、送信変換機、又は受信変換機と組み合わせた送信変換機を用いて誘起することができる。ラム波は、受信変換機によってモニターすることができる。この送信変換機としては、ＥＭＡＴ、圧電装置、又は楔形変換機（wedge transducer）などを使用することができる。受信変換機はとしては、ＥＭＡＴ及び圧電装置を使用することができる。 ケーシングボンドの性質を評価する段階には、ケーシングボンドの質を判断すること、ケーシングボンドを形成するセメントの状態を判断すること、ケーシングボンド内の微小環の存在の有無を確認すること、そしてケーシングボンドの厚さを判断することがある。この方法で評価されるケーシング用ボンドの種類には、通常セメント、軽量セメント、及び非固定管状態がある。 本発明の別の方法は、ケーシングと坑井との間に入れたケーシング用ボンドを評価すること含み、ケーシング内に孔内機器を挿入し、該孔内機器によってケーシング内にラム波を誘起し、ラム波の減衰をモニターし、ラム波の減衰状態の評価に基づいて、ケーシングと坑井との間に配されたケーシングボンドの性質を判断する。本発明のこの方法で使用する機器は、ラム波を誘起することのできる少なくとも一台の送信変換機、及びラム波をモニターすることのできる少なくとも一台の受信変換機である。この方法における、ケーシング用ボンドの性質を判断する段階は、ケーシングボンドの品質を判断すること、ケーシングボンドを形成するセメントの状態を判定すること、ケーシングボンド内に微小環が存在しているかどうかを見極めること、そしてケーシングボンドの厚さを判断することを含み得る。 この方法で評価されるケーシング用ボンドは、通常セメント、軽量セメント、及び非固定管状態などである。 本発明は、坑井内への挿入用に形成された評価機器を含み、該機器は、坑井のケーシング内挿入用に形成された本体、及び該本体に配される少なくとも一台の変換機を有する。評価機器の変換機としては圧電装置、楔形変換機、及びＥＭＡＴなどを使用することができる。また、評価機器は受信変換機と送信変換機とを有していることもある。 したがって、本発明の効果の１つは、ケーシング内でセメントボンド検層を行いながら、流体とケーシングを取り囲む軽量セメントとの区別をつける正確なボンド検層結果を出す能力である。本発明は、通常セメントにおいても、Ｐ波減衰を用いた従来法と比べて解像度の高いセメントボンド検層を行うことができる。 本発明は、ケーシングと坑井との間に入れられたケーシング用ボンドの性質を測定するのに使用することのできる方法及び装置を含む。ケーシング用ボンドの性質には、該ケーシング用ボンドの品質、ボンドであるセメントの状態、セメントの型、及び該ケーシング用ボンドの厚さなどが含まれる。測定方法は、通常、評価しようとするケーシング用ボンドの位置に近接するケーシングに音波を誘起する段階を含む。そして、ケーシング内を伝播する音波をモニターしてケーシング用ボンドの性質を推定することができる。誘起された音波のモニターに基づいてケーシング用ボンドの性質を決定することは、当業者の技量の範囲に十分に含まれることであると考えられるし、さらにまた、不当に負担のかかる実験を行うことなく、ケーシング用ボンドの性質を決定することができると思われる。 ラム波は、物質の厚みを完全に通って伝わる、複雑な振動性の波である。ラム波では異なる複数のモードの波形を作ることが可能であるが、最も普通の型のラム波は対称性波形と反対称性波形である。図２Ａと２Ｂとを参照すると、これらの図面には平板を伝って伝播する対称ラム波の例と反対称ラム波の例とが示されている。図２Ａには対称ラム波が示されている。この波が平板に沿って通過すると、平板内の粒子は圧縮状態と疎の状態との両方になるように動く。平板内を通過する対称ラム波による粒子の疎密動は主として垂直方向に示されている。図２Ｂに示されている反対称波は垂直方向に偏向した長い横波であり、粒子の動きも平板の平面に垂直である。しかしながら、反対称ラム波による粒子の動きは通常、同じ方向であり、対称ラム波の圧縮状態及び疎状態になることがない。これらのラム波モードが様々な励起周波数で一度に誘起されるのが望ましい。よく知られていることではあるが、ラム波の周波数は、ラム波が誘起される媒体の厚さ、ラム波の波長、及び媒体の物性に依存する。この物理的依存性は、図６に示されているラム波分散曲線によって示されている。これらの曲線は、ラム波が媒体を通って効果的に伝播するのに必要な物理的条件を示している。図６において、ｂは媒体の厚さ、βは２π/λ、ωは２λｆであり（但し、λは波長、ｆは周波数である。）、Ｖｓは横波の速度である。 隣接する地層18にセメント９で取り付けられたケーシング８の断面の部分断面図が示されている図３を参照すると、ケーシング８の内壁に第一及び第二の変換機（16a、16b）が配置されている。これらの変換機（16a、16b）は共に信号を送信できてもよいし、受信できてもよく、またその両方ができてもよい。本発明で使用される信号はラム波だけではなく、ローリー波（Raleigh waves）、疎密波、横波、横方向偏向波、及びこれらの波形の組み合わせた音波も使用することができる。 例えば、第一の変換機16aが、第二の変換機16bに向けてケーシング８に沿って伝播する音波信号を発生することができるとする。上記のように、従来からあるセメントが処理対象であるときは、ボンド検層作業において使用される数多くの音波で十分であるが、これらの音波は軽量セメントにはうまく伝わらない。ケーシング８が軽量セメントで接着されていると、これらの音波では、ケーシングに沿って起こる音波の減衰度が小さくなってしまう。これに対して、ラム波は軽量セメントにうまく伝えることができることが発見されているので、ラム波であれば、軽量セメントで囲まれたケーシング８に誘起されたときに測定可能な減衰を示す。したがって、通常セメント、又は軽量セメントで作られているセメントボンドの分析に使用するのには、ラム波がよく適している。 さらに、ボンド中にラム波を伝播させると、微小環20や水22、そして膠着不良24などのボンド中の欠陥を検出することの一助にもなる。先に記載したように、ラム波は軽量セメントに伝わることができるが、ボンド中の欠陥には伝わらない。したがって、送信変換機と受信変換機との間にこのような欠陥が少しでもあれば、欠陥を亘って伝播するラム波の結果として得られる減衰をモニターすることにより、その欠陥を発見することができる。モニターされた減衰の結果を検討してボンドの欠陥を検出するのは、当業者の能力の範囲内にあることである。測定に係る変換機は、図３と図４とに示されているように、２台以上の変換機（16a、16b）から構成されていてもよいが、音波信号の送受信を行うことのできる１台の変換機であってもよいことを指摘しておく。 ケーシング８内で誘起されたラム波の減衰の分析によって、セメントの性質のみならず、ケーシング８を囲むセメントが存在するかどうかもわかる。ケーシング用ボンドの品質及びケーシング用ボンドを形成するセメントの状態も、この方法で測定することができる。熟練した測定者であれば、さらに、ケーシング８とその周りにある地層18との間に形成される領域の大きさも測定することができる。同様にして得ることのできるセメント又はケーシング用ボンドの他の性質の評価項目としては、密度、圧縮強度、引張強度、機械的弾力性、ヤング係数、ポアソン比、及び多孔率などがある。 本発明に使用することができると考えられる変換機16としては、圧電装置、電磁音響変換機（ＥＭＡＴ）、及び楔形変換機を挙げることができるが、これらに限定されない。ＥＭＡＴ操作の原理は、導電性を有する物体の（磁性体でも非磁性体でも可）表面の近くにワイヤを配設し、このワイヤに電流を流すことである。このような配置によると、（電磁表皮効果に基づく）電磁誘導によって該物体中に渦電流が誘起される。静磁場（Ｂ）が存在すると、誘起されたこれらの渦電流は（Ｊ）は、それらの２つの場のベクトル積によって与えられるローレンツ力（ｆ）： ｆ＝ＪｘＢ （１）を受ける。 様々な相互作用を経て、これらのローレンツ力は前記物体中に伝えられ、音波源としての役割を果たす。前記２つの場の相互の向きに応じて、ケーシング中に横波又はラム波を発生するのにＥＭＡＴを使用することができる。図５を参照すると、同図には、ＥＭＡＴと関連する磁場（ＡＬ、ＡSH）との概略図が示されている。ＥＭＡＴ30のこの単純化された図面には、一連のループ34に形成されたワイヤ32が示されている。ＥＭＡＴ30は、ワイヤ32に電流ｉを与える電流源（図示されていない）と電気的に接続された状態にある。ＥＭＡＴ30が、ケーシング８の一部分の内径などの物体の近傍に配設されたときに静電場ＡＬを印加すると、ケーシング８内にラム波が誘起される。同様に、静磁場ＡSHがケーシング８の一部分に印加されると、ケーシング８内に横波を誘起することができる。 この技術分野では知られていることではあるが、ＥＭＡＴ装置によって作られるラム波の波長は、ＥＭＡＴ30内のコイルの環34の幅Ｗによって決定される。通常、コイルの環34の幅ＷとＥＭＡＴ30が発生するラム波の波長λとの間には一対一の関係がある。このように、特定のＥＭＡＴが発生するラム波の波長は、コイルの環34の幅Ｗを変えることによって制御することができる。 したがって、この明細書に記載されている本発明は、目的を実行して先に述べた結果と効果、そして発明に固有の他の効果を達成するのに適している。本発明の現時点で望ましい態様を開示の目的で記載したが、所望の結果を達成するために方法の詳細に数多くの変更を加えることができる。これらのそして類似の変更は当業者には容易に理解することができ、そのような変更もここに開示された本発明の精神と添付の請求項の範囲に含まれることが意図される。図１は、坑井内に配置された従来技術の孔内セメントボンド検層機器の部分断面図を示している。図２Ａは、平板を通って伝播する対称ラム波を示している。図２Ｂは、平板を通って伝播する反対称ラム波を示している。図３は、地層に接着されたケーシングの一部と一対の変換機との断面図を示している。図４は、ボンドに欠陥がある場合の地層に接着されたケーシングの一部と一対の変換機との断面図を示している。図５は、ＥＭＡＴ装置の概略図である。図６は、ラム波の分散曲線を示している。 ケーシングの内壁と地層との間の領域の性質を評価する方法であって ケーシング中にラム波を誘起し、 該ラム波をモニターし、 該モニターに基づいて前記領域の性質を評価する段階を有することを特徴とする方法。 前記ラム波が送信変換機によって誘起されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。 前記ラム波が受信変換機によってモニターされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。 前記送信変換機が、ＥＭＡＴ、圧電装置、及び楔形変換機よりなる群から選択されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。 前記受信変換機が、ＥＭＡＴ、圧電装置、及び楔形変換機よりなる群から選択されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。 前記性質が、セメントの有無、ケーシング用ボンドの品質、ケーシング用ボンドを形成するセメントの状態、微小環の有無、前記領域の大きさ、密度、圧縮強度、引張強度、機械的弾力性、ヤング係数、ポアソン比、及び多孔率よりなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。 前記ケーシングと前記地層との間の組成物が、通常セメント及び軽量セメントよりなる群から選択されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。 前記ケーシングに隣接してある非固定管領域の存在を検出する段階をさらに有する、請求項１に記載の方法。 ケーシングと坑井との間に配されたセメントを評価する方法であって、 該ケーシング内に孔内機器を挿入し、 該孔内機器によってケーシング内にラム波を誘起し、 該ラム波をモニターし、及び 該ラム波の評価に基づいて前記セメントの性質を判断する段階を有する方法。 前記孔内機器が、前期ラム波を誘起することのできる少なくとも一台の送信変換機と、前記ラム波をモニターすることのできる少なくとも一台の受信変換機とを有することを特徴とする、請求項９に記載の方法。 前記セメントの性質が、セメントの有無、ケーシング用ボンドの品質、ケーシング用ボンドを形成するセメントの状態、微小環の有無、前記領域の大きさ、密度、圧縮強度、引張強度、機械的弾力性、ヤング係数、ポアソン比、及び多孔率よりなる群から選択されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。 評価されるセメントの種類が、通常セメント及び軽量セメントよりなる群から選択されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。 前記ケーシングに隣接してある非固定管領域の存在を検出する段階をさらに有する、請求項９に記載の方法。 坑井のケーシング内への挿入用に形成された本体と、 該本体に取り付けられた変換機とを有し、該変換機が前記ケーシング内でラム波を誘起することを特徴とする評価機器。 前記変換機が、ＥＭＡＴ、圧電装置、及び楔形変換機よりなる群から選択されることを特徴とする、請求項１４に記載の機器。 前記少なくとも一台の変換機が、受信変換機と送信変換機とを有することを特徴とする、請求項１４に記載の装置。 さらに載置台を有し、該載置台が前記本体上に配置され、前記変換機が該載置台上に配設されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。 さらに、前記ラム波の減衰をモニターする段階を有する、請求項９に記載の方法。 前記セメントの性質を判断する段階が、前記ラム波のモニターされた減衰の評価に基づいていることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。 【課題】ケーシングと坑井との間の環状空間に配されたセメントボンドの状態を測定するのに有用な方法と装置を提供する。【解決手段】ケーシングと坑井との間の環状空間に配されたセメントボンドの状態を測定するのに有用な方法と装置。この方法及び装置は、送信変換器によりケーシング内、そして坑井中にラム波を誘起する。ラム波はセメントボンド中を通過すると減衰する。減衰したラム波を受信変換器によってモニタする。セメントボンドの状態を、受信されたラム波の減衰状態の結果を分析・評価することによって測定することができる。前記セメントボンドの状態とはセメントの有無、セメントの状態、密度、圧縮強度等である。【選択図】なし