Содержание к диссертации
Введение
1 Эффективность методов цементометрии для оценки качества крепления обсадных колонн. Изученность проблемы и постановка задач 16
1.1 Краткий исторический экскурс: развитие методов цементометрии во времени 16
1.2 Стандартная акустическая цементометрия: преимущества и недостатки
1.3 Преимущества и ограничения гамма-гамма цементометрии 24
1.4 Сведения, предоставляемые акустической цементометри ей на отражённых волнах (круговое акустическое зондирование) 27
1.5 Выводы к разделу
Постановка задач 32
2 Применение информации полного волнового пакета для оценки качества цементирования одиночных обсадных колонн 36
2.1 Анализ факторов, определяющих контакт цементногокамня с обсадной колонной и заполнение камнем затрубного пространства 36
2.2 Конкретизация причин дефектного цементирования. Разбраковка изменений ак в диапазоне значений от 4,5 до 24дБ/м 41
2.3 Экспериментальные скважинные исследования влияния дефектов цементирования на параметры АКЦ $ 1
2.4 Изучение возможностей применения параметров объёмных волн для оценки контактов цементного камня с горными породами 64
2.5 Выводы к разделу
2 3. Определение качества цементирования затрубного пространства обсадных колонн разного назначения и многоко лонных конструкций 73
3.1 Определение качества цементирования и прогнозирова ниє герметичности затрубного пространства колонн различного назначения 73
3.2 Вероятностный характер оценки герметичности затрубного и межтрубного пространств по данным акустической це-ментометрии 81
3.3 Оценка качества цементирования многоколонных конструкций 88
3.4 Выводы к разделу 3 96
4 Оценка герметичности затрубного пространства обсадных колонн по данным комплекса методов ГИС 98
4.1 Обсуждение результатов акустической цементометрии и формулировка задачи 98
4.2. Оценка герметичности затрубного пространства по данным комплекса методов цементометрии 1 о 1
4.3 Оценка качества изоляции затрубного пространства при проведении гидроразрывов пластов 108
4.4 Выводы к разделу 4 113
Заключение 117
Литература 121
- Стандартная акустическая цементометрия: преимущества и недостатки
- Конкретизация причин дефектного цементирования. Разбраковка изменений ак в диапазоне значений от 4,5 до 24дБ/м
- Вероятностный характер оценки герметичности затрубного и межтрубного пространств по данным акустической це-ментометрии
- Оценка качества изоляции затрубного пространства при проведении гидроразрывов пластов
Введение к работе
Актуальность работы. Крепление (тампонирование, цементирование) обсадных колонн нефтегазовых скважин преследует две цели. Одна из них чисто производственная - изолировать в продуктивном интервале газо-, нефте- и водонасыщенные пласты, чтобы исключить межпластовые перетоки пластовых флюидов и обеспечить максимально длительный период безводной добычи углеводородов. Вторая цель заключается в обеспечении экологической безопасности в процессе бурения и длительной эксплуатации скважин. Для её достижения необходимы, в первую очередь, изоляция друг от друга различных гидродинамических комплексов, пересечённых скважиной, и безусловное исключение выхода на дневную поверхность минерализованных вод, особенно содержащих углеводороды и сероводороды.
В мировой практике задачи контроля качества крепления возлагают на геофизические методы исследований скважин (ГИС). В настоящее время в США, Канаде, России применяют методы геофизики, основанные на регистращии параметров, чувствительных к появлению в затрубном пространстве цементного раствора и образования цементного камня. Это термометрия скважин (ОГЦ и ОЗЦ), акустическая (АКЦ) и радиометрическая гамма-гамма цементометрия (ГГЦ), гамма-гамма дефектометрия и толщинометрия (СГДТ), и, наконец, акустическое сканирование стенки колонны и цементного кольца (АК-сканирование). Вместе с тем, разрозненное применение перечисленных методов не решает проблемы оценки качество изоляции между собой отдельных продуктивных и крупных гидрогеологических комплексов.
Актуальность оценки герметичности затрубного пространства стала очевидной в результате опыта длительной эксплуатации разрабатываемых месторождений углеводородов во многих странах мира. Широко известны факты повсеместного осолонения поверхностных питьевых вод в Казахстане, Поволжье. Установлено, что негерметичность затрубного пространства вызывает такие аномальные явления, как перемещение высоко- реологичных люлинворских глин, приводящих к смятию обсадных колонн на уникальных по запасам нефтяных месторождениях Западной Сибири.
Цель работы: Разработка технологии определения герметичности затрубного пространства комплексом геофизических методов акустической, радиометрической цемен- тометрии и АК-сканирования.
Задачи работы:
теоретическое и экспериментальное изучение возможностей применения параметров упругих волн, содержащихся в волновом пакете и регистрируемых в процессе АКЦ нормальной волны Лэмба, распространяющейся в обсадной колонне, объёмных продольной и поперечной волн в горных породах, а так же поверхностной волны Стоунли, для оценки механического контакта цементного камня с обсадной колонной и горными породами с учетом осложняющих факторов (изменение диаметров и толщин обсадных колонн, их наклонного положения, недостаточное центрирование скважинных приборов, образование кольцевых микрозазоров и вертикальных макроканалов);
исследование формирования акустических сигналов в многоколонных конструкциях скважин и разработка критериев оценки их качества крепления.
Методы решения поставленных задач:
обобщение и анализ опубликованных данных по оценке герметичности затрубно- го пространства геофизическими методами;
планирование и выполнение специальных скважинных исследований для изучения влияния кольцевых микрозазоров на параметры упругих волн, регистрируемые в процессе акустической цементометрии;
теоретические исследования и экспериментальные работы в скважинах, направленные на обоснование комплекса ГИС, позволяющего установить герметичность за- трубного пространства;
систематизация и формализация технологических приёмов комплексирования методов цементометрии, обработки и интерпретации их данных, обеспечивающие оценку герметичности затрубного и межтрубного пространств.
Научная новизна:
впервые установлены зависимости параметров волны Лэмба в обсадной колонне от изменений свойств цементного камня (сроков схватывания и набора прочности, плотности, толщины, присутствия кольцевых микрозазоров и вертикальных макроканалов) и неблагоприятных условий измерений (нецентрированное положение измерительного зонда, ограничение динамического диапазона измерений);
обосновано применение параметров объёмных продольной и поперечной волн, измеряемых через обсадную колонну, для оценки контактов цементного камня с породами, вскрытых скважиной;
обоснована возможность выделения в акустическом сигнале, зарегистрированном в цифровом виде, колебаний волн Лэмба, распространяющихся в отдельных обсадных колоннах (эксплуатационной, технической, кондукторе) многоколонных конструкций, и определение на этой основе качества цементирования этих конструкций;
определены критерии оценки качества цементирования затрубного пространства. Показано, что вероятность герметичности затрубного пространства стремится к 100 %, если индекс цементирования равен или больше 0,8, и становится неопределённой при его меньшем значении.
Положения и результаты, защищаемые автором:
технология (методика) вероятностной оценки герметичности затрубного пространства обсадных колонн в зависимости от степени и качества его заполнения цементным камнем, использующая комплекс данных акустической и радиометрической цемен- тометрии и акустического сканирования колонн и обеспечивает однозначную оценку крепления ствола скважины и выявление причин появления дефектов в интервалах некачественного цементирования;
оценка динамики поведения волн Лемба в полном цифровом акустическом сигнале позволяет определить качество крепления в многоколонных конструкций скважин.
Практическую ценность работы составляют:
методические (технологические) рекомендации, обеспечивающие достоверную оценку герметичности затрубного пространства, в том числе многоколонных конструкций, в процессе бурения и длительной эксплуатации скважин, и, соответственно, экологически безопасную эксплуатацию залежей;
экономическая эффективность достигнута за счёт безаварийной и экологически безопасной эксплуатации нефтяных и газовых залежей и сокращения объёмов ремонтно - восстановительных работ.
Внедрение результатов работы:
разработанные технологии оценки герметичности затрубного пространства нефтяных и газовых скважин широко применяют для оценки качества изоляции одно- и многоколонных конструкций на нефтегазовых месторождениях Западного Казахстана, обслуживаемых геофизической службой ТОО "Techno Trading, Ltd."
Апробация работы :
основные положения работы доложены на межгосударственных и региональных конференциях и совещаниях, прошедших в городах: Уфе (2004, 2005 гг.), Алматы (2005, 2006, 2007 гг.), Дагомыс (2005, 2007гг.), Варшава (2004 г.), Тюмени (2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы в 2004-2011 гг. монография, 12 научных статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и ВАК КР, 5 других публикациях.
Сделано 8 докладов на межгосударственных и республиканских конференциях и совещаниях, ежегодно текущие результаты работ и направления дальнейших исследований докладывались на научно-технических советах ТОО "Techno Trading, Ltd." и объединения Мангыстаумунайгаз.
Личный вклад автора. Диссертационная работа подготовлена на основе результатов исследований, выполненных автором и под его руководством в 1999-2011 гг. в Управлении геофизики ТОО "Techno Trading, Ltd.".
Автор обеспечил:
научно обоснованную формулировку задачи об использовании для оценки герметичности затрубного пространства полной информации, содержащейся в волновых пакетах акустической цементометрии [2];
формулировку принципов, критериев и последовательности исследований многоколонных конструкций крепления скважин, обеспечивающих герметичность заколонного и межколонных пространств на всех этапах строительства скважин [1, 4, 11];
формулировку принципов и критериев, необходимых для оценки герметичности затрубного пространства по материалам отдельно взятого метода АКЦ и комплексу данных АКЦ, ГГЦ и СГДТ, АК-сканирования [1, 3, 6, 10, 14];
научное руководство проведением опытных скважинных исследований приборами стандартной акустической цементометрии в условиях атмосферного и повышенного давления на устье скважины, а также комплексом приборов стандартной акустической и радиометрической цементометрии, АК-сканирования на месторождениях Республики Казахстан [1, 3, 7];
освоение на месторождениях Республики Казахстан технологии оценки измерений технического состояния затрубного пространства в процессе проведения гидроразрывов пластов и воздействия на них горюче-окислительными смесями и выделения по акустическим данным проницаемых пород, в том числе интервалов проницаемость которых обусловлена воздействием [8, 9, 16, 17];
анализ и обобщение результатов выполненных исследований, подготовку соответствующих рекомендаций обслуживаемым предприятиям и сообщений в научной печати, на научных конференциях и совещаниях [1, 3, 7, 11, 18].
Благодарности:
В проведении скважинных исследований и внедрении технологий в различное время принимали активное участие сотрудники Управления геофизики TOO "Techno Trading, Ltd." В. Айтжанов, В. А. Земсков, О. М. Терёшина, Ю. В. Чеботарёв, геологи Мангыстаумунайгаз А. Бабаев, А. Е. Березин, А. М. Тастыгараев. При постановке и проведении работ автор пользовался благосклонным вниманием, помощью и поддержкой менеджмента TOO "Techno Trading, Ltd." и ООО "Нефтегазгеофизика" (г. Тверь) и лично их руководителей Л. В. Булибековой и проф. Р. Т. Хаматдинова. Неоценимую помощь в обработке и интерпретации полученных материалов оказывал к.т.н. Козяр Н. В. Автор выражает глубокую благодарность этим учёным и производственникам, а также многим другим специалистам научных и производственных организаций, с которыми он был счастлив сотрудничать в ходе работы.
Объём и структура работы. Диссертация включает введение, четыре главы и выводы. Содержит 129 страниц, 34 рисунка, 7 таблиц. Библиография включает 112 наименований.
Последовательность изложения материалов в диссертации обусловлена логикой развития акустической цементометрии со времени первых работ, выполненных в начале 50-х годов прошлого века, и включает следующие основные разделы:
-
обобщение и анализ опубликованных сведений о принципах и критериях интерпретации первичных данных АКЦ, в первую очередь, осложняющих процедуры их обработки и интерпретации;
-
изучение информационности полного волнового пакета, регистрируемого в цифровой форме, с целью решения новых задач АКЦ, в частности, объяснения причин "частичных контактов" цементного камня с обсадной колонной;
-
оценку качества цементирования затрубного пространства обсадных колонн различного назначения (кондукторов, технических, эксплуатационных) и многоколонных конструкций;
-
определение комплекса данных, необходимых для однозначной оценки герметичности (непроницаемости) затрубного пространства для пластовых флюидов и нагнетаемых вод.
Во введении сформулированы актуальность и цель работы, научная новизна и положения, выносимые на защиту, апробация и практическая ценность работы.
В первой главе сделан обзор научных публикаций, освещающих развитие методов цементометрии во времени, преимущества и ограничения современных методов — стандартной акустической цементометрии на преломленных волнах, гамма-гамма дефек- тометрии и толщинометрии, акустического сканирования на отражённых волнах. Выводы к главе содержат постановку задач настоящей диссертации.
Вторая глава раскрывает применение информации полного волнового пакета для решения задач, неоднозначно определяемых как "частичный контакт" цементного камня с обсадной колонной. Диапазон изменений основного информационного параметра ак для констатации "частичного контакта" изменяется от 4,5 до 24 дБ/м при полном диапазоне его изменения от 0 до 30 дБ/м. В главе изложены результаты специальных скважин- ных исследований по определению влияния кольцевых микрозазоров между цементным камнем и обсадной колонной на параметры АКЦ.
В третьей главе изложены приёмы интерпретации первичных данных АКЦ для оценки высоты подъёма цементного раствора за обсадной колонной, его механических контактов (сцепления) с колонной и горными породами и вероятной герметичности за- трубного пространства, основанной на показаниях одного метода АКЦ.
Четвёртая глава посвящена комплексированию методов исследований и их данных для решения основной задачи цементометрии — оценки герметичности (непроницаемости) затрубного пространства.
Выводы содержат основные результаты работы, область её практического применения, определение путей развития методов цементометрии для оценки герметичности за- трубного и межтрубного пространств.
Стандартная акустическая цементометрия: преимущества и недостатки
Эффективная эксплуатация нефтяных и газовых скважин, разработка отдельных залежей и месторождений углеводородов в целом достигается, если разбуренные нефте-, газо- и водонасыщенные пласты защищены от перетоков пластовых флюидов между собой и от притоков подошвенной либо нагнетаемой воды. На несколько десятилетий позже возникло требование экологически безопасной эксплуатации скважин и залежей, предусматривающее изоляцию между собой гидрогеологических комплексов и безусловное исключение выхода пластовых вод на дневную поверхность. Решение перечисленных задач заключается в цементировании (креплении, тампонаже) по всей длине обсадных колонн, спущенных в скважину, независимо от их количества и назначения.
Одновременно с процессом цементирования обсадных колонн (тампонажа затрубного пространства) возникла задача контроля этого процесса. Первоначально, когда глубина скважин не превышала первых сотен метров, она решалась фиксированием выхода цементного раствора на дневную поверхность. К сожалению, в настоящее время специалисты многих организаций, которые ведут бурение, спуск обсадных колонн и их цементирование, также уверены, что выход цементного раствора на дневную поверхность служит доказательством безупречной изоляции затрубного пространства. Тысячекратно доказано, что такое заключение не всегда соответствует истине.
Начиная с 1930 г. для оценки цементирования обсадных колонн начали применять термометрию скважин. Метод базировался на известном физическом явлении повышения температуры цементных растворов при их схватывании и наборе прочности цементным камнем. Следовательно, интервалы, в которых температуры превышали ранее установленный градиент температур, интерпретировались, как заполненные цементным раствором [12, 21, 58, 76]. Верхняя граница подъёма цементного раствора отмечалась уверенно, а заполнение тем же раствором интервалов скважин номинального диаметра только подразумевалось. Наверное, такая ситуация была понятна разработчикам метода и специалистам, его применяющим. Поэтому он получил названия отбивки головы цемента (ОГЦ), отбивки цементного кольца (ОЦК) или времени ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ). В настоящее время метод используется редко.
Во второй половине 50-х годов прошлого столетия проскочила короткая волна применения для оценки качества тампонирования за-трубного пространства цементных растворов, содержащих радиоактивные изотопы, и задавливание растворов изотопов в перфорированные интервалы [2, 3], хотя она и возрождалась позже в других модификациях [52]. Эта технология не нашла массового применения вследствие сложности, трудоёмкости, высокой стоимости исследований и их экологической небезопасности.
В начале 50-х годов прошлого столетия специалисты фирмы Schlumberger и, несколько позже, Halliburton выполнили первые измерения скорости распространения продольной (головной) волны в скважине двухэлементным зондом, содержащим излучатель и приёмник упругих волн [110, 115]. Было отмечено, что в обсаженной скважине несколько первых зарегистрированных колебаний принадлежат волне, распространяющейся в обсадной колонне. Амплитуды этих колебаний зависели от присутствия за колонной жидкости или цементного камня и его контактов с колонной и породами. Акустическая цементометрия (АКЦ) быстро вытеснила из употребления термометрию (ОЦК) скважин. В конце 50-х годов в зарубежных фирмах акустическая цементометрия стала основным и, практически, единственным методом исследования качества цементирования обсадных колонн [81, 82, 88, 89, 105, 106].
В СССР пионерные сведения о возможности оценки крепления обсадной колонны акустическими методами появились в 50-х годах (О.Л. Кузнецов с сотрудниками) ещё до появления промышленных приборов АКЦ. Промышленные измерения впервые выполнили П.А. Прямов и Д.В. Белоконь в 1962-63 гг. Исследования выполнили опытными образцами аппаратуры АКЗ-1, изготовленными в ВУФНИИГео-физике [4, 60, 61]. Уже в 1970 г. в производственные организации массовой серией поступила аппаратура АКЦ-1; тогда же появилось первое методическое руководство по интерпретации данных АКЦ [62, 65]. В последующие годы массовыми сериями производилась аппаратура АКЦ-2,3,4, скважинные приборы которой содержали двухэлементный (ИП) измерительный зонд. После 1980 г. производственные организации оснащались аппаратурой УЗБА-21, которая производилась в ГДР в рамках межгосударственной кооперации по производству основных видов промышленной продукции. Скважинный прибор УЗБА-21 содержал два излучателя упругих колебаний и один приёмник. Организации Министерства геологии по-прежнему оснащались приборами АКЦ.
В 1954 г. в СССР было выполнено (Л.З. Цлав) первое измерение обсаженной скважины прибором радиоактивного каротажа с источником гамма-излучения. Было установлено, что определение глубины подъёма цементного раствора за колонной достигается не хуже, чем посредством ОЦК. Уже в 1959 г. появились первые публикации и методические рекомендации по практическому применению однозондовых приборов рассеянного гамма-гамма-излучения для определения глубины подъёма цементного раствора [7]. Тогда же было предложено вести измерения приборами, которые содержат 3-4 взаимно экранированных индикатора излучения [9, 19, 25], которые фиксируют распределение цементного камня за обсадной колонной. Так было положено начало знаменитым сериям приборов радиометрической цементометрии ЦМТУ, ЦММ, ЦФ, ЦМ, которые в различных модификациях до сих применяются для исследования затрубного пространства в колоннах большого диаметра (технических и кондукторах).
Эта идея послужила основанием для разработки в начале 70-х годов прошлого столетия (Ю.А. Гулин, Д.А. Бернштейн, Е.В. Семёнов) наиболее совершенного прибора радиометрической гамма-гамма цементометрии — комплексного прибора гамма-гамма- дефектоскопии и толщинометрии СГДТ [31, 67, 75]. Он предназначался для измерения толщины стенок обсадных колонн, распределения цементного камня в затрубном пространстве и выявления в камне крупных дефектов. Прибор подвергался непрерывному совершенствованию и модификации. Достаточно упомянуть замену двух источников ионизирующего излучения одним, замену одного вращающегося детектора рассеянного гамма-излучения четырьмя и шестью, расположенными по окружности прибора неподвижно, организации цифровой формы передачи первичных данных из прибора на дневную поверхность. До сих пор он остаётся лучшим прибором радиометрической цементометрии и активно применяется для контроля тампонажа затрубного пространства эксплуатационных обсадных колонн.
Конкретизация причин дефектного цементирования. Разбраковка изменений ак в диапазоне значений от 4,5 до 24дБ/м
Всего экспериментальные работы были выполнены для 15 ремонт-но-восстановительных интервалов (табл. 2.2). Согласно данным акустической цементометрии, для 10 из них уменьшение значений сск волны Лэмба, равных или больших 24 дБ/м для безупречно зацементированной колонны, обусловлено кольцевыми микрозазорами. Пять интервалов содержали вертикальные каналы или сочетание вертикальных каналов и кольцевых микрозазоров. Шесть интервалов были исследованы акустической цементометрией, выполненной при открытом устье скважины, при давлении на устье, равном 3,5-11,5 МПа, и после снятия давления. В одной скважине выполнили исследования АКЦ при последовательном изменениях на устье, равных 4; 6 и 7 МПа. Во всех интервалах ремонтной перфорации, а её выполняют против заведомо непроницаемых пород, определялась приёмистость затрубного пространства. Процедура определения стандартная: на устье скважины постепенно повышается давление до тех пор, пока оно скачкообразно не уменьшится. По производительности насосов в последующие 10-20 с после уменьшения рассчитывается приёмистость затрубного пространства пересчётом на сутки. Не следует удивляться абсолютной недостоверности таких расчётов. Нормативными документами предусмотрено, что дебиты и приёмистость скважины рассчитываются для временного промежутка, в котором наблюдались устойчивые значения дебитов или поглощений. Краткосрочные измерения предоставляют ответ на качественном уровне: есть ли приёмистость испытуемого интервала или она отсутствует. Поэтому полученные значения приёмистости для половины исследуемых интервалов в 2-3 раза превышают приёмистость соседних нагнетательных скважин.
Кроме того, при каждом исследовании скважина начинала принимать при некотором пороге давлении. Он составлял 3,5-4,0 МПа на устье скважины (9,5-11,2 МПа против интервала ремонтной перфорации) для интервалов с вертикальными каналами и 7,0-11,5 МПа на устье (15,0-21,3 МПа на забое) для интервалов, характеризующихся кольцевыми микрозазорами. Такой характер изменения давления чем
К-во интервалов 2 оЯЯчЙ евч:tf о к Определение приёмистости Ион и оSаоиИч о вИ Улучшение контактов Ухудшение контактов о Я Я евОS Я&
Я2 ев Он О со евО& S кS евяевКО ев«и"н о %евКевясо ч и о яев Н О ево"i-qно .евИ0)Я Я Dч иев Приемистость (пересчётом),м3/сут ев Я и Ч й Окевн о и оеЗиОн ин и яо и Протяжённость интервалов, м и ои и, он и яо и Протяжённость интервалов, м 10 - 6 3+2 7-11.5 75-576 5(2 ) 8 8 4-43 7 4-48 после 7-18 циклов гидро-импульсн ого воздействия Экспериментальные скважинные исследования ... то напоминает его рост при проведении гидроразрывов пластов. Для проникновения жидкости в затрубное пространство ей необходимо преодолеть какую-то преграду. Нельзя исключить, что ею служат низкопроницаемые цементные щётки, которые образуются при отрыве обсадной колонны от цементного кольца.
Рассмотрим отдельно влияние кольцевых микрозазоров между обсадной колонной и цементным камнем и вертикальных каналов в камне на герметичность затрубного пространства и обусловленную ими необходимость ремонтно-восстановительных работ затрубного пространства.
а) Кольцевые микрозазоры между обсадной колонной и цементным камнем. Почти однозначная идентификация дефектов цементного камня достигается при проведении акустической цементометрии при атмосферном и избыточном давлении на устье скважины. При создании внутри обсадной колонны избыточного давления она расширяется и полностью или частично перекрывает кольцевой микрозазор. На объёмный канал в камне избыточное давление влияния не оказывает. Сравнение результатов двух измерений, а также описанные в п. 2.2 качественные признаки обоих дефектов позволяют разделить их на выполненных записях. При полном перекрытии кольцевого микрозазора его толщина определяется согласно выражению [1]: где R-радиус колонны, см; Ар-изменение давления, кГс/см ; 8-толщина стенки трубы, см; v-коэффициент Пуассона.
Впервые подобные исследования были выполнены в 60-70 годах прошлого века [99, 104]; они были успешно повторены на нефтяных месторождениях Республики Казахстан в 70-х годах [13, 47-50]. Исследования возможны в колоннах любого диаметра, в том числе в кондукторах и технических, недоступных для исследований комплексными приборами радиометрической цементометрии.
Интервалы развития кольцевых микрозазоров выделяются полностью, если избыточное давление на устье скважины равно давлению опрессовки. На рис. 2.8 показан продуктивный интервал, разбуренный долотом 215,9 мм. Ствол скважины кавернозный. Эксплуатационная колонна диаметром 168 мм центрирована через 10 м, зацементирована раствором плотностью 1,83 г/см3.
Акустическая цементометрия выполнена после опрессовки обсад 2.3 Экспериментальные скважинные исследования ...
Рисунок 2.8 Оценка контактов цементного камня с обсадной колонной при создании избыточного давления на устье скважины (месторождение Калам кас): 1 - 3—измерения АКЦ, выполненные при открытом устье скважины, при создании на устье избыточного давления, равного 7 МПа, и после сброса избыточного давления; 4—частичный контакт камня с колонной; 5—кольцевой микрозазор между камнем и колонной; 6—сплошной контакт камня с колонной. 2.3 Экспериментальные скважинные исследованияной колонны. Фиксируемое качество цементирования невысокое. В основном преобладают интервалы с кольцевым микрозазором между цементным камнем и обсадной колонной. Несколько небольших интервалов протяжённостью 2-3 м каждый характеризуются сплошными контактами.
При создании на устье скважины избыточного давления, равного 7 МПа, что меньше давления опрессовки (10 МПа), обсадная колонна расширилась и перекрыла предполагаемые кольцевые микрозазоры. Максимально возможное расширение колонны при таком давлении равно 70 мкм. Очевидно, что в тех интервалах, в которых при создании давления зафиксированы сплошные контакты цементного камня с колонной, раскрытие микрозазора было меньшим 70 мкм. В остальных интервалах раскрытие микрозазора было равным или большим этого значения, однако оно уменьшилось при исследовании под давлением. Зафиксированные характеристики контактов относятся к частичным: на ряде участков кольцевой микрозазор полностью не закрылся. Напомним, что для участков с микрозазором между цементным камнем и обсадной колонной характерно одновременное присутствие на ФКД фазовых линий волны Лэмба LK И объёмной продольной Рп волны, распространяющейся в породе.
После сброса давления состояние контакта цементного камня с колонной вернулось практически к первоначальному. Полное восстановление первоначального состояния занимает несколько суток. Выполненные исследования позволили получить однозначный ответ: дефекты цементного камня обусловлены кольцевыми микрозазорами и не подлежат ремонтированию. Продуктивные пласты изолированы друг от друга.
Желательно, чтобы значение избыточного давления на устье скважины было не меньшим давления опрессовки, а лучше превышало его. При меньших значениях давления кольцевые микрозазоры закрываются не по всей длине, а при небольших давлениях и вовсе только в отдельных интервалах (рис. 2.9). С увеличением избыточного давления на устье интервалы сплошных контактов расширяются. После сброса давления практически восстанавливается первоначальное состояние за-трубного пространства.
Вероятностный характер оценки герметичности затрубного и межтрубного пространств по данным акустической це-ментометрии
По всему интервалу размещения технической колоны значения ак затухания волны Лэмба близки к предельно возможным 30 дБ/м (рис.3.3). То же относится к эксплуатационной колонне. Интервальные времена Atp продольной волны, распространяющейся в горных породах и зарегистрированные в открытом стволе и через две колонны, совпадают между собой. Механические контакты цементного камня с обсадными колонами в затрубном и межтрубном пространстве преимущественно сплошные. То же относится к контакту камня с горными породами. Коэффициент заполнения цементным камнем затрубного и межтрубного пространств близок к единице. По данным гамма-гамма дефектометрии-толщинометрии камень равномерно распределён в межтрубном пространстве. Исключение составляет небольшой участок в интервале глубин 604-630 м, характеризующийся неполным заполнением пространства (BI 0,8) и плохими контактами цементного камня с колонами и породами. Цель изоляции газо- и водонасыщенных пластов достигнута. г) Кондуктор диаметром 245 мм спущен на глубину 285,5 м. Центрирован в скважине диаметром 295,3 мм по стандартной технологии: жёсткая обвязка на устье, далее вниз центрирующие фонари через 30 м. Зацементирован смесью плотностью 1,83 г/см . Исследование акустической цементометрией выполнено через сутки после окончания цементирования. Применён стандартный прибор акустической цемен-тометрии диаметром 73 мм с измерительным зондом И1,0И0,4П.
Разрез скважины за кондуктором сложен переслаиванием глинистых известняков и мергелей, слабосцементированных песков и песчаников, аргиллитов и аргиллитоподобных супесей (рис. 3.4). Разрез низкоскоростной. Так как выполнены все необходимые требования к спуску и цементированию кондуктора, данные акустической цементо-метрии фиксируют, в основном, сплошные контакты цементного камня с обсадной колонной и горными породами, в том числе, в интервалах слабокавернозного ствола скважины. Исключение составляет только самая верхняя часть исследованного интервала на глубинах менее 50 м, в котором выделяются участки частичного и плохого цементирования. Они обусловлены перемешиванием в головной части тампонажной смеси цементного раствора с вытесняющей жидкостью. 3
Определение качества цементирования технической колонны диаметром 245 мм по данным акустической цементометрии, полученным после обсадки скважины эксплуатационной колонной. Скважина месторождения КаламкаС: 1-2 - значения Atp, измеренные в открытой и обсаженной скважине; 3-4 — сплошной и частичный контакты цементного камня с обсадными колоннами или горными породами; 5 - канал в цементном камне. 3.1 Определение качества цементирования и ...
Определение качества цементирования кондуктора диаметром 245 мм. Скважина месторождения Жетыбай: 1-3 - карбонатные породы, песчаник, аргиллит соответственно; 4-6 - контакт с колонной или породами отсутствует, частичный и сплошной соответственно 3.2 Вероятностный характер оценки герметичности ... д) Кондуктор диаметром 324 мм спущен на глубину 450 м. Центрирован в скважине диаметром 393,7 мм по той же стандартной технологии: жёсткая обвязка на устье, ниже центрирующие фонари распо-ложены через 30 м. Зацементирован смесью 1,87 г/см . Зенитный угол ствола скважины 1-3. Исследования акустической цементометрией выполнены стандартным прибором АКЦ через одни сутки после проведения тампонажных работ до разбуривания цементировочного клапана и направляющей головки.
Геологический разрез скважины за кондуктором сложен низкоскоростными (At=350-580 мкс/м) песчано-глинистыми отложениями с редкими пропластками заглинизированных карбонатных пород. По данным АКЦ контакт цементного камня с кондуктором сплошной и только в небольших интервалах оценивается как частичный (рис. 3.5). Контакт камня с породами сплошной по всему разрезу: продольная волна, распространяющаяся в породах, регистрируется даже в интервалах частичных контактов камня с колонной. Коэффициент BI заполнения затрубного пространства больше 0,8. Затрубное пространство непроницаемо для пластовых флюидов.
Вероятностный характер оценки герметичности затрубного и межтрубного пространств по данным акустической цементомет рии
Если соблюдаются нормативные требования к спуску и цементированию обсадной колонны, перечисленные в начале раздела 3.1, то материалы акустической цементометрии предоставляют достоверную и объективную информацию о степени заполнения затрубного или межтрубного пространства цементным камнем (коэффициент заполнения BI) и его механических контактах с обсадной колонной и стенкой скважины (горными породами). Эта информация усиливается сведениями из актов спуска колонны об установке на ней центрирующих фонарей.
Однако, ещё на заре развития акустической цементометрии, как метода изучения тампонажа затрубного пространства, возникла задача перехода от оценки состояния механических контактов камня с колонной к определению герметичности затрубного пространства. Собственно, это и является основной и единственной задачей.
В одной из первых работ [114] приведены статистические данные для месторождения, на котором было пробурено и исследовано акустической цементометрией 400 скважин. В 75 Оценка качества цементирования кондуктора диаметром 324 мм по материалам стандартного прибора акустической цементометрии диаметром 73 мм. Скважина месторождения Каламкас:1-2 - сплошной и частичный контакты цементного камня с обсадной колонной или породами 3.2 Вероятностный характер оценки герметичности ... нах выполнили прямую оценку проницаемости затрубного пространства. Для этого в каждой скважине перфорировали на небольшом удалении друг от друга (1,5-3 м, редко до 15 м) два интервала и, разделив их пакерами, повышали давление в одном из них, а измеряли в другом. Постоянство давления во втором перфорированном интервале служило признаком непроницаемости затрубного пространства; увеличение давления — о его проницаемости.
Из 75-и выбранных скважин дефекты цементного камня установлены по данным акустической цементометрии в 28 скважинах, в том числе, в 26 скважинах - кольцевые микрозазоры, а в двух - вертикальные каналы. Все скважины с микрозазорами введены в эксплуатацию без проведения ремонтных изоляционных работ. Было установлено, что затрубное пространство непроницаемо для пластовых флюидов, если измеренные двухэлементными зондами относительные амплитуды Ак/Ако (где Ак -амплитуда в исследуемом интервале, Ако - то же в незацементированной колонне ) меньше 0,05 (ак 24 дБ/м), а расстояние между двумя интервалами перфорации находится в диапазоне 1,5-3 м.
Несколько позже этот эксперимент был повторен на другом месторождении [99]. Работы выполнены в 16 скважинах, диаметры обсадных колонн в которых находились в диапазоне 140,0-244,5 мм, удаление между интервалами перфорации составляло 2,3-20 м (единично 30 м).
Brown Н.О. et al. [85] обобщил полученные результаты и установил, что вероятностная граница разделения зацементированных интервалов на проницаемые и непроницаемые соответствует значению индекса BI цементирования затрубного пространства (bond index), равного 0,8. Индекс BI и соответствующий ему индекс BR (bond rating) описываются выражениями (2.1) и (2.2). Предложенная им граница (рис. 3.6) зависит от диаметра исследуемых колонн и минимального расстояния между двумя интересующими пластами. Считается, что перепад давлений между ними не должен превышать 0,1 пластового давления и, безусловно, должен быть меньшим давления опрессовки колонны.
Оценка качества изоляции затрубного пространства при проведении гидроразрывов пластов
Каналы не выходят за пределы коллекторов. Группы коллекторов не сообщаются между собой и с водонасыщенными объектами. Поэтому можно считать цементирование затрубного пространства удачным. Затрубное пространство непроницаемо для флюидов между группами коллекторов. В пределах одной группы коллекторов с выдержанным характером насыщенности в цементном камне существуют вертикальные каналы с угловым раскрытием 60 - 120 толщиной по высоте от 6 до 20 м. По данным стандартной акустической цементометрии (АКЦ) характеристика таких интервалов самая неоднозначная: частичные контакты цементного камня с обсадной колонной.
Общая схема подготовки заключения. Критерии оценки герметичности затрубного пространства. Содержание последних резде-лов диссертации 3 и 4 отражают оценку геофизическими методами герметичности затрубного пространства (ЗП). В реальных вновь пробуренных скважинах и скважинах действующего фонда герметичность затрубного пространства не является преобладающей характеристикой. Признаки и критерии негерметичности описаны в главах 2 и 3 по мере изложения влияния на состояние цементного камня различных технических и техногенных факторов. Заключение о качестве цементирования обсадной колонны должно содержать поинтервальную оценку качества цементирования заданного участка колонны: эксплуатационной, технической, кондуктора. Для облегчения подготовки заключений автор диссертации изложил критерии оценки качества в виде единой таблицы (табл.4.2). Схема подготовки заключения задается поинтерваль-ной оценкой качества.
Оценка качества изоляции затрубного пространства при проведении гидроразрывов пластов Повышение нефтеотдачи коллекторов посредством воздействия на них механическими возмущениями дискутируется в научной и производственной печати последние два десятка лет. Оно включает: вибрационное воздействие на коллектор приборами, аналогичными скважин-ным приборам АК с увеличенной до 2 м высотой излучателя и более низкой частотой колебаний; гидроразрывы пластов (ГРП); более щадящую обработку продуктивных интервалов горюче-окислительными
Критерии оценки герметичности затрубного пространства СостояниегерметичностиЗП Используемые методы Оснасткаколонны,составтампонажнойсмеси Стандартнаяакустическаяцементометрия Радиометрическая - ГТ и ДФ АК-сканирование Положениецентрирующихфонарей колонны Качествоцементирования;дефектыцементногокамня 1 2 3 4 5 б
Герметично Центрирующиефонари через10-17м;плотностьсмеси более 1,75г/см3 Сплошные контактыцементного камня сколонной ипородами: ак 24 дБ/м; полное заполнение ЗП Согласнонормативнымдокументам через10-17 м Равномерноезаполнениекамнем ЗП.Плотность камняболее 1,75 г/см3 Отсутствиеполостей ивертикальныхканалов вкамне Герметично II Кольцевоймикрозазор междукамнем иколонной;8 ак 24 дБ/м и и II Герметично (облегчённыйцемент) Центрирующиефонари через20-30м;Плотностьсмеси1,40-1,75 г/см3 Сплошныеконтактыцементного камня сколонной ипородами: ак 16 дБ/м; полное заполнениеЗП
Если отвлечься от вибрационных воздействий, положительные результаты применения которых публикуют только авторы разработок [15, 16, 51, 56], то пристальный интерес вызывают два остальных вида воздействия, оказывающих знакопеременные нагрузки на обсадную колонну и цементный камень. Это гидроразрывы пластов (ГРП) и интенсификация с помощью горюче-окислительных смесей (ГОС). В первом случае это воздействие на обсадную колонну и породы в интервале перфорации мощного импульса давления, во втором — плавных градиентов нарастания давления и температуры. Первоначально эти виды интенсификации применяли для разработки низкопроницаемых объектов [44, 46, 61], в последнее время их успешно используют также в высокопроницаемых объектах, находящихся в поздней стадии разработки [17].
Несмотря на тщательный выбор объектов для проведения ГРП, предварительную оценку состояния обсадной колонны и цементного камня, результаты воздействия могут быть совершенно разными. На рис. 4.4 показан пример поведения ГРП в интервале глубин, в котором между цементным камнем и обсадной колонной имеется кольцевой микрозазор. Даже небольшое раздутие колонны при ГРП имеет своим последствием смыкание микрозазора. Измерение характеристик поперечной волны до и после ГРП монопольным и кросс-дипольным зондами (кросс-дипольный зонд позволяет измерить характеристики поперечной волны в двух взаимно перпендикулярных направлениях [91, 96]) предоставляет важную информацию: а) регистрация поперечной волны во всем интервале глубины доказывает полное заполнение затрубного пространства цементным камнем, но не исключает существование кольцевых микрозазоров и вертикальных каналов; б) фазокорре-ляционные линии волны Лэмба LK на ФКД, полученной до проведения ГРП, обязаны кольцевому микрозазору, а не вертикальным каналам; в) исчезновение этих линий на ФКД, полученной после ГРП, свидетельствует об исчезновении этого зазора; г) увеличение интервального времени Atst при повторном замере происходит в интервале увеличения проницаемости пород за счёт ГРП при одновременном улучшении качества тампонажа; д) кривые интервальных времён Ats поперечной волны, измеренные кросс-дипольными зондами, позволяют определить анизотропию пород и преимущественное направление их трещиноватости.
Наиболее щадящие нагрузки на обсадную колонну и цементный камень в затрубном пространстве происходят при воздействии на продуктивную часть разреза горюче-окислительными смесями (рис. 4.6). Контакт цементного камня с обсадной колонной практически не изменяется; незначительные интервалы ухудшения контакта происходят против каверн, образовавшихся при бурении скважины и, очевидно, не всегда полностью заполненных цементным камнем после тампонажа затрубного пространства. Проницаемость перфорированных интервалов по данным волны Стоунли увеличивается от ничтожно малой до средней, в других интервалах — от средней до высокой.
Заключение о герметичности затрубного пространства базируется на определении следующих параметров: высоты подъёма цементного раствора в затрубном или межтрубном пространстве, полноты заполнения цементным камнем затрубного пространства, степени контактов по прочности и площади цементного камня с обсадной колонной и стенкой скважины или внешней колонны, выявления дефектов цементного камня - кольцевых микрозазоров между ним и обсадной колонной и вертикальных макроканалов.
Большинство перечисленных задач решается по данным стандартной акустической цементометрии. Неразрешимой проблемой является выделение вертикальных каналов в цементном камне, приуроченных к интервалам эксцентричного положения обсадной колонны в скважине или по отношению к другой внешней колонне и, особенно, в местах их прилегания друг к другу.
Комплекс данных стандартной акустической цементометрии, сведений об оснастке обсадной колонны, изложенные в акте на её спуск, и радиометрической гамма-гаммма-толщинометрии (ТМ) и -дефектометрии (ДФ) позволяют установить интервалы эксцентричного положения обсадной колонны и предположить образование вертикальных каналов в таких интервалах. Однозначное утверждение их существования не достигается.
