Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
ГОУ МО Московской области Международный университет природы, общества и человека УДубнаФ УДК 550.832:622.245.428 На правах рукописи
Конысов Асхат Кенганович
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ КРЕПЛЕНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН ГЛУБОКИХ СКВАЖИН
Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых
Автореферат диссертации на соискание учной степени доктора технических наук
Дубна - 2011 Диссертация выполнена в ТОО УTechno Trading, Ltd.Ф (г.Алматы, ул.Фурманова, 187)
Официальные оппоненты:
Доктор геолого-минералогических наук, профессор Кузнецов Юрий Иванович Доктор технических наук, Лауреат премии Правительства РФ Курьянов Юрий Алексеевич Доктор технических наук, профессор, Лауреат Государственной премии СССР, Молчанов Анатолий Александрович
Ведущая организация: трест УСургутнефтегеофизикаФ ОАО УСургутнефтегазФ
Защита состоится У___Ф _____________ 2011 г. в 1400 в аудитории 1-300 на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 800.017.при Международном университете природы, общества и человека УДубнаФ по адресу:
141980, Московская область, г.Дубна, ул.Университетская, д.19; факс (49621) 2 27 89;
e-mail: kamanina@uni-dubna.ru.
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ГОУ МО Международного университета природы, общества и человека УДубнаФ.
Отзывы в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять Учному секретарю диссертационного совета по указанному адресу.
Автореферат разослан У___Ф марта 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета И.З.Каманина ВВЕДЕНИЕ
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 е достижения необходимы, в первую очередь, изоляция друг от друга различных гидродинамических комплексов, пересечнных 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 (ОГ - 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 высокореологичных 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 цементометрии и АК-сканирования.
Задачи работы:
- теоретическое и экспериментальное изучение возможностей применения параметров упругих волн, содержащихся в волновом пакете и регистрируемых в процессе АК - нормальной волны Лэмба, распространяющейся в обсадной колонне, объмных 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 затрубного 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 затрубного пространства;
- систематизация и формализация технологических примов 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 объмных 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 неопределнной 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 цементометрии 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 счт безаварийной и экологически безопасной эксплуатации нефтяных и газовых залежей и сокращения объмов ремонтновосстановительных 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 УTechno Trading, Ltd.Ф 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, 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 УTechno Trading, Ltd.Ф и объединения Мангыстаумунайгаз.
ичный вклад автора. Диссертационная работа подготовлена на основе результатов исследований, выполненных автором и под его руководством в 1999-2011 гг. в Управлении геофизики ТОО УTechno Trading, Ltd.Ф.
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 АК - и комплексу данных АКЦ, ГГ - 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 УTechno Trading, Ltd.Ф В. Айтжанов, В. А. Земсков, О. М. Тершина, Ю. В. Чеботарв, геологи Мангыстаумунайгаз А. Бабаев, А. Е. Березин, А. М. Тастыгараев. При постановке и проведении работ автор пользовался благосклонным вниманием, помощью и поддержкой менеджмента TOO УTechno Trading, Ltd.Ф и ООО УНефтегазгеофизикаФ (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 учным и производственникам, а также многим другим специалистам научных и производственных организаций, с которыми он был счастлив сотрудничать в ходе работы.
Объм 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 Участичных контактовФ 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 Ч стандартной акустической цементометрии на преломленных волнах, гамма-гамма дефектометрии и толщинометрии, акустического сканирования на отражнных волнах. Выводы к главе содержат постановку задач настоящей диссертации.
Вторая глава раскрывает применение информации полного волнового пакета для решения задач, неоднозначно определяемых как Участичный контактФ цементного камня с обсадной колонной. Диапазон изменений основного информационного параметра ак для констатации Участичного контактаФ изменяется от 4,5 до 24 дБ/м при полном диапазоне его изменения от 0 до 30 дБ/м. В главе изложены результаты специальных скважинных исследований по определению влияния кольцевых микрозазоров между цементным камнем и обсадной колонной на параметры АКЦ.
В третьей главе изложены примы интерпретации первичных данных АК - для оценки высоты подъма цементного раствора за обсадной колонной, его механических контактов (сцепления) с колонной и горными породами и вероятной герметичности затрубного пространства, основанной на показаниях одного метода АКЦ.
Четвёртая глава посвящена комплексированию методов исследований и их данных для решения основной задачи цементометрии Ч оценки герметичности (непроницаемости) затрубного пространства.
Выводы содержат основные результаты работы, область е практического применения, определение путей развития методов цементометрии для оценки герметичности затрубного и межтрубного пространств.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Эффективность методов цементометрии для оценки качества цементирования обсадных колонн. Изученность проблемы и постановка задач 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.
1.1. Одновремнно с процессом крепления скважин (спуска и цементирования обсадных колонн) возникла проблема контроля этого процесса. Сложность решения проблемы предопределила применение всех возможных методов и методик, которые хоть в какой-то мере отражали суть явлений, происходящих в процессе цементирования. 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.
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. Верхняя граница подъма цементного раствора отмечалась уверенно, а заполнение тем же раствором интервалов скважин с номинальным диаметром только подразумевалось. Поэтому метод 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 затрубного пространства цементных растворов, содержащих радиоактивные изотопы, и задавливание растворов изотопов в перфорированные интервалы. Технология не нашла массового применения вследствие сложности, трудомкости, высокой стоимости исследований и их экологической небезопасности.
В начале 50-х годов прошлого столетия специалисты фирмы Schlumberger и, несколько позже, Halliburton выполнили первые акустические измерения. 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. С конца 50-х годов в зарубежных фирмах акустическая цементометрия стала основным и, практически, единственным методом исследования качества цементирования обсадных колонн.
В СССР пионерные сведения о возможности оценки крепления обсадной колонны появились также в 50-х годах (О.Л. Кузнецов с сотрудниками) еще до появления промышленных приборов АКЦ. Впервые эти измерения применили для оценки качества цементирования колонн в 1962-63 гг. (П. А. Прямов, Д. В. Белоконь). Исследования выполнили опытными образцами аппаратуры АКЗ-1, изготовленными в ВУФНИИГеофизики.
Уже в 1970 г. в производственные организации массовой серией поступила аппаратура АКЦ-1; тогда же появилось первое методическое руководство по интерпретации данных АКЦ. 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. Скважинный прибор УЗБА-21 содержал два излучателя упругих колебаний и один примник.
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 подъма 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 высоты подъма цементного раствора (Ю. А.
Гулин, Ф. Г. Баембитов, И. Г. Дядькин). Тогда же было предложено вести измерения приборами, которые содержат 3-4 взаимно экранированных индикатора излучения (Ю. А. Гулин, Д. А. Берштейн, Б. М. Рябов и др.) и 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 же идея послужила основанием для разработки в начале 70-х годов прошлого столетия наиболее совершенного прибора радиометрической гамма-гамма цементометрии - комплексного прибора гамма-гамма- дефектоскопии и толщинометрии СГДТ (Ю. А. Гулин, Д. А. Берштейн, Е. В. Семнов). 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. До сих пор он остатся лучшим прибором радиометрической цементометрии и активно применяется для контроля тампонажа затрубного пространства эксплуатационных обсадных колонн.
Последним по времени появления методом цементометрии стало акустическое сканирование (АК-сканер) стенки обсадной колонны и цементного камня за ней, которое осуществляется преобразователями, совмещающими функции излучателя и примника упругих колебаний. Теоретическими и экспериментальными лабораторными проработками вопроса доказано, что после первого интенсивного импульса, отражнного от стенки колонны, следует сигнал реверберации колонны. Время возвращения к преобразователю отражнного импульса для радиуса колонны по е окружности. Длительность, амплитуды, спектр и отношение частоты последнего к резонансной частоте обсадной колонны характеризуют толщину колонны, импеданс цементного камня или площадь его контактов с колонной (Н. А. Смирнов, R. A. Broding, F. H. K. Rambov и др.) Отражнный от стенки колонны или стенки скважины сигнал ранее использовался для оценки состояния их поверхностей в АК-телевизорах (М.А. Сулейманов, фирмы Schlumberger, Halliburton и др.).
Развивается также второй вариант АК-сканеров. В нем используются характеристики преломленной продольной головной волны, которые измеряют короткими измерительными зондами, примерно около 0,4 м (М. А. Сулейманов, В. В. Лаптев). В приборе в одном поперечном сечении прибора располагается до 98 секционированных излучателей, в другом через 0,4 м 8 также секционированных примников. Данные прибора решают почти все задачи сканера, за исключением определения характеристик обсадной колонны. Погрешность выделения вертикальных каналов не может быть меньшей разрешаемости прибора Ч 45 угловых градусов.
Совремнная состояние основных методов (АКЦ, ГГЦ, АК-сканирование) цементометрии следующее.
1.2. Стандартная акустическая цементометрия (АКЦ) на частотах 20-25 кГц стремительно завоевала и прочно удерживает преобладающие объмы исследований тампонажа затрубного пространства в дальнем зарубежье и странах СНГ. Е метрологическое обеспечение позволяет регистрировать основной параметр - затухание волны в колонне (волны Лэмба) - с погрешностью 3 дБ/м, что удовлетворяет всем требованиям решения задач. Повсеместно применяется цифровая регистрация полных волновых пакетов при использовании цифровых скважинных приборов или посредством оцифровки данных аналоговых приборов в наземном регистраторе.
Несомненное преимущество акустической цементометрии состоит в том, что е данные отражают состояние и объмы уже сформировавшегося в затрубном пространстве цементного камня и его механические контакты с обсадной колонной и стенкой скважины, в том числе в течении всего срока эксплуатации скважины. Второе преимущество заключается в возможности оценки качества тампонажа межтрубного и затрубного пространства многоколонных конструкций. Эта идея была продекларирована более 15 лет назад (Ю. А. Гуторов, В. Н. Служаев). Е решение было совершенно призрачным по данным аналоговых скважинных приборов и аналоговой регистрации первичных данных. Возможности е решения с применением цифровой техники раскрыты автором этой работы [1, 4, 14].
Основными недостатками АК - является аномальная чувствительность метода к кольцевым микрозазорам между обсадной колонной и цементным камнем, которые появляются при проведении работ в обсаженных скважинах во время схватывания и набора прочности цементным камнем (Ю. В. Мельников и др., H. O. Brown et. al., P. E. Pilkington и др.), и к нецентрируемому положению измерительного зонда в скважине (А. Ф.
Девятов, В. Г. Рафиков, B. F. МсGree et. al., материалы фирм Computalog, Halliburton, Western Atlas). Существует также радикальное мнение Будыко А. В., что вследствие невозможности строгого центрирования скважинных приборов данные АК - непригодны для оценки качества цементирования обсадных колонн. Не красит метод также то, что при динамическом диапазоне измерения затухания к волны в колонне, равном 30 дБ/м, однозначное заключение получают только в двух случаях. Затухание к<31,5 дБ/м соответствует УсвободнойФ (незацементированной) колоннне, а его значения, превышающие 24 дБ/м, Ч безупречному цементированию колонны. Диапазон 4,5<к <24 дБ/м относят к частичным контактам цементного камня с колонной. То-есть, преобладающая часть динамического диапазона измерений к относится к самому неопределному решению, не отражающему реального качества цементирования.
Термин Участичный контакт цементного камня с обсадной колоннойФ равноценен для интервалов, характеризующихся как совершенно неудовлетворительными, так и несколько небезупречным качеством цементирования.
1.3. Метод гамма-гамма цементометрии независимо от вариантов обработки первичных данных (ручная, интерактивная с использованием компьютера, полная компьютерная) обладает некоторыми эксклюзивными характеристиками, необходимыми для оценки качества тампонирования затрубного пространства. Наиболее важные из них:
возможность выделения интервалов эксцентричного положения колонны в скважине, используя данные о распределении цементного камня за колонной; определение положений муфтовых соединений и, что более важно, положений центрирующих фонарей колонны; выделение интервалов, предположительно содержащих вертикальные каналы в цементном камне; расчт плотности цементного камня за колонной. В длительно эксплуатирующихся скважинах к ним примыкает задача оценки толщин труб эксплуатационной колонны.
Перечисленные характеристики взаимосвязаны. Даже в слабонаклонной скважине редко расположенные центрирующие фонари обсадной колонны не обеспечивают е устойчивое положение на оси скважины. Только в местах установки фонарей цементный камень равномерно распределн за колонной и значения селективных кривых гамма-гамма дефектометрии совпадают между собой. В интервалах глубин между фонарями колонна провисает; селективные кривые фиксируют е эксцентричное положение.
При больших (более 10) зенитных углах колонна прилегает к стенке скважины, образуя в местах прилегания сегментовидные вертикальные зазоры между стенкой скважины и обсадной колонной. Зазоры не заполняются цементным раствором при расчтной и, тем более, ускоренной скорости его прокачивания. Происходит образование в цементном камне вертикальных макроканалов с угловым раскрытием, равным 45-90 угловых градусов.
Не все перечисленные задачи решаются по данным ГГ - однозначно. Погрешности измерений и расчтов резко увеличиваются с уменьшением плотности цементного камня, а при его плотности менее 1,45-1,50 г/см3 становятся неэффективными. Метод нечувствителен к кольцевым микрозазорам. Он не предоставляет сведений о контактах цементного камня с обсадной колонной и горными породами. Чткая идентификация и, тем более, размеры вертикальных макроканалов в цементном камне не определяются.
По уменьшению рассчитанной плотности камня и расхождению между собой селективных кривых дефектометрии устанавливают лишь интервалы глубин, в которых предположительно находятся макроканалы. Решение этой же задачи в многоколонных конструкциях невозможно вследствие искажения рассчитанной плотности цементного камня значительно превосходящим по абсолютным значениям влиянием плотности следующей обсадной колонны.
1.4. Основным назначением АК-сканирования является определение распределения цементного камня за обсадной колонной посредством расчта его импеданса, а также измерение по окружности внутреннего диаметра и толщины стенки колонны, выявление износа е внутренней и внешней поверхностей (А. С. Варыхалов, Н. А. Смирнов, R. A.
Broding, F. H. K. Rambow, материалы фирм Schlumberger, Halliburton, Western Atlas).
Последние задачи востребованы в длительно эксплуатирующихся скважинах. Во вновь пробуренных скважинах наиболее актуальной задачей становится выявление вертикальных каналов в цементном камне. Считается, что размеры выявляемых дефектов сопоставимы с телесным углом, равным 45.
Волновой пакет, зарегистрированный примником, содержит импульс, отражнный от внутренней поверхности обсадной колонны, и сигнал реверберации колонны, которая возникает под действием падающей волны. По времени прихода отражнного импульса рассчитывают внутренний радиус колонны, а по совокупности данных находят е внутренний профиль. Резонансная частота и длительность сигнала реверберации определяются толщиной стенки обсадной колонны. По результатам измерения внутреннего профиля и толщины стенки колонны устанавливают интервалы коррозии внешней поверхности.
Амплитуды сигнала реверберации и отношение полосы частот реверберации к резонансной частоте характеризуют импеданс цементного камня или площадь его контактов с колонной. Минимальным импедансом обладают пустоты, не заполненные цементным камнем.
Интерпретация материалов кругового сканирования, прошедших предварительную обработку заключается в оценке степени заполнения затрубного пространства цементным камнем. Считается, что затрубное пространство непроницаемо для пластовых флюидов, если индекс BI>0,8 и на круговой развртке отсутствуют участки светлых тонов, отражающие отсутствие цементного камня. Индекс BI (Bond index) отражает заполнение затрубного пространства цементным камнем. Для стандартной акустической цементометрии он определяется отношением затухания к в данной точке исследования к максимальному значению к max в незацементированном участке колонны.
Вертикальные каналы в цементном камне характеризуются значениями BI<0,6 и синими тонами (противоположная часть цветовой палитры) на круговой развртке. Промежуточные тона и значения 0,6 < BI < 0,8 соответствуют цементному камню, дефекты которого образованы кавернами в камне, заполненными вытесняющей жидкостью или остатками бурового раствора, вытесненного из каверн в стволе скважины, газовыми пузырями против газосодержащих пластов, остатками транспортировочного изоляционного покрытия и т.п. Предполагается, что каверны не соприкасаются между собой и не создают проницаемых вертикальных каналов. Кривые внутреннего диаметра и толщины стенки отражают фактические размеры колонны; они фиксируют также положение муфтовых соединений.
Ограничения акустического сканирования цементного камня обусловлены предположительно повышенной чувствительностью метода к микрозазорам между камнем и обсадной колонной, что связано с применением высокочастотных (400-600 кГц) электроакустических преобразователей. Индекс BI, регистрируемый в отсутствие микрозазоров, также не всегда отражает реальное состояние проницаемости затрубного пространства. До сих пор не зарегистрированы каналы с угловым раскрытием менее 40-60, что, не исключено, связано с угловой разрешаемостью метода. Тем не менее, гипотетически можно предположить, что существуют каналы с раскрытием 20-25 и менее. В интервалах их развития индекс BI заведомо будет больше 0,8, неизвестно также будут ли они (каналы) отражаться на круговых развртках, но их предполагаемая проницаемость будет на порядки превышать проницаемость пород.
1.5. Три основных метода цементометрии (АКЦ, ГГ - и АК-сканирование) решают частные задачи, необходимые для оценки проницаемости затрубного пространства. Вместе с тем идеология оценки по материалам АК - качества изоляционных работ осталась на уровне 50-60-х годов прошлого века (М. А. Сулейманов, Е. В. Семнов, материалы фирм Schlumberger, Halliburton и др.). Она не удовлетворяет возросшим требованиям к качеству изоляции продуктивных пластов. Не менее важно, что не соблюдаются экологические требования по оценке наджности изоляции друг от друга крупных гидрогеологических комплексов.
Можно назвать по крайней мере, три основные причины создавшегося положения с оценкой качества цементирования обсадных колонн и изоляции затрубного пространства:
а) несоответствие результатов интерпретации поставленным задачам. В требованиях на строительство скважин задачи цементирования формулируются следующим образом: Уцементирование обсадных колонн должно обеспечивать: наджное разобщение нефтяных, газовых и водоносных пластов, исключающее циркуляцию нефти, газа и воды в заколонным пространстве, проектную высоту подъма тампонажного раствора;
высокую степень наджности цементного камня за обсадными трубами, его устойчивость к разрушающему воздействию пластовых жидкостей, механических и температурных нагрузок; возможности создания проектных депрессий на пласт; соблюдение требований охраны недр и окружающей среды, предотвращение проникновения цементного раствора в продуктивный пластФ (К. В. Иогансен, А. И. Булатов и др.). Вместо этого стандартное заключение содержит информацию о высоте подъма тампонажного раствора и интервалах цементного камня, не содержащих дефектов (сплошной контакт камня с колонной) и с дефектами (частичный по площади контакт), а также интервалах полного отсутствия контакта или цементного камня за колонной, о плотности (очень приблизительной) камня за колонной, его эксцентричном положении и т.п. Заключение не содержит выводов о разобщении пластов, исключающем циркуляцию за колонной флюидов в пределах продуктивного интервала, между соседними продуктивными интервалами и разными гидрогеологическими комплексами;
б) неполное использование информации, которая регистрируется скважинными приборами АКЦ. В процессе исследований в цифровом виде регистрируются волновые пакеты длительностью 2-4 мс, которые содержат колебания всех типов упругих волн, возникающих в скважинной жидкости, обсадной колонне, цементном камне и горных породах за колонной. Для измерения затухания к волны, распространяющейся в колонне, используют первые 1-2 периода колебаний длительностью 60-100 мкс. Для оценки контакта цементного камня со стенкой скважины измеряют, далеко не всегда, а скорее, как исключение, параметры (затухание п и интервальное время tп) неидентифицированной части волнового пакета, которые приписывают Уволне по породеФ. В различных условиях это могут быть колебания продольной, поперечной и Стоунли волн либо волны, распространяющейся в скважинной жидкости;
в) отсутствует комплексная интерпретация данных трх основных методов. По материалам каждого метода датся индивидуальное заключение, содержащее решение присущих этому методу частных задач.
Современное состояние методов цементометрии позволило автору диссертационной работы сформулировать задачи исследований. Они изложены во введении диссертации и автореферата.
2. Применение информации волнового пакета для оценки качества цементирования обсадных колонн Основное внимание в этом разделе уделено вопросам, которые неоднозначно освещаются в методических рекомендациях либо вызывают резкую критику оппонентов. Их перечень составляют: искажение первичных данных вследствие нецентрированного положения измерительного зонда в скважине; неправильная оценка заполнения затрубного пространства цементным камнем из-за аномальной чувствительности АК - к кольцевым микрозазорам; нечувствительность метода к вертикальным каналам малого раскрытия. Для получения однозначных трактований автор провл анализ опубликованных материалов, появившихся с момента появления метода, и организовал выполнение серии специально ориентированных скважинных исследований.
2.1. Нецентрированное положение скважинного прибора. Искажение первичных данных АКЦ, обусловленное нецентрированным положением измерительного зонда относительно стенок скважины, многократно изучено зарубежными и советскими исследователями (А. Ф. Девятов, В. Г. Рафиков, B. F. McGree et. al., компании Computalog, Dresser Atlas, Halliburton, Western Atlas). Ими получены совершенно идентичные результаты. Автор диссертации выполнил анализ полученных данных, которого не было у исследователей и который отсутствует в его собственной монографии [1]. Он (анализ) относится к трм диапазонам изменений затухания к волны Лэмба в колонне: однозначным заключениям для незацементированной (свободной), безупречно зацементированной колонны и диапазону частичного контакта цементного камня с колонной.
В незацементированной обсадной колонне, для которой, собственно, получены все результаты физического моделирования, смещение измерительного зонда с воображаемой оси скважины более, чем на 10 мм, уменьшает амплитуды регистрируемых колебаний вдвое, по сравнению с центрированным зондом. Затухание к достигает значений 7-8 дБ/м. Для сравнения, для центрированного зонда оно равно 31,5 дБ/м. То есть, для незацементированной колонны заключение о качестве цементирования содержит одну и ту же информацию независимо от того, получено оно по данным безупречно центрированного или расцентрированного зондов.
Другая крайность Ч это безупречно зацементированные колонны, значения к в которых равны или больше 24 дБ/м. Они характеризуются чрезвычайно малыми амплитудами: Ак < (0,02-0,05)Аок, где Аок- амплитуды в незацементированной (свободной) колонне. Дальнейшее уменьшение амплитуд и увеличение к, обусловленные расцентровкой измерительного зонда (даже если они происходят по той же закономерности, что в незацементированной колонне), находятся за пределами их определений. Они, снова таки, не изменяют сути заключений о качестве цементирования обсадных колонн.
Следовательно, искусственно раздуваемый вопрос о катастрофическом влиянии расцентровки измерительного зонда на материалы АК - и невозможности устранения этого влияния вследствие отсутствия идеально цилиндрических скважин (Л. В. Будыко) никаким образом не обедняет существующие методики интерпретации данных АКЦ.
Вся критика относится к диапазону затуханий 4,5<к<24 дБ/м, вносит дополнительную сумятицу в понимание результатов измерений в диапазоне, для которого и до этого не было единого мнения о сущности явлений и, тем более, об их интерпретации. Автор диссертации считает, что формулировку заключений частичный контакт цементного камня с колонной необходимо конкретизировать, а диапазон неоднозначных значений к свести до минимума.
Автором установлено, что признаки расцентровки измерительных зондов, найденные физическим моделированием, непосредственно отображаются на первичных данных АК - для диапазонов к, соответствующих незацементированной колонне и частичному контакту цементного камня с колонной. Основным, инструментально определяемым, доказательством расцентровки служит уменьшение рассчитанных значений интервального времени tк в обсадной колонне, если сравнивать его с заранее известным значением tк = 184-185 мкс/м. Уменьшение обусловлено тем, что для нецентрированного зонда колебания волны от ближней в радиальном отношении стенки скважины достигают примника раньше, чем от дальней [1]. Регистрируемые амплитуды первых вступлений будут ослаблены по той же причине: они обусловлены энергией колебаний, пришедших от ближней стенки скважины. Этим и определяется увеличение к.
Второй признак - раздвоение первых фазовых линий волны Лэмба на фазокорреляционных диаграммах в интервалах нецентрированного положения измерительного зонда.
Однако, оба признака уверенно устанавливаются на этапе примки КИПом первичных данных от полевых отрядов и не вносят дополнительных осложнений для оценки качества изоляции затрубного пространства.
Процедуры учта расцентровки измерительных зондов АК - изучены в уже цитированных публикациях (А. Ф. Девятов, компании Computalog, Dresser Atlas и др.). Они детально изложены в монографии автора [1].
2.2 Идентификация технических обстоятельств изменений к в диапазоне значений (31,5)<к<24 дБ/м наиболее сложная. Они могут быть обусловлены двумя причинами, каждая из которых превалирует в определнных технических условиях цементирования обсадных колонн и проведения измерений средствами акустической цементометрии. Частота их появления определяется технологией и регламентами тампонажных работ затрубного пространства и может быть различной даже в организациях, работающих в одном нефтегазоносном регионе. Забегая вперд, отметим лишь, что одни организации УэкономятФ на установке центрирующих фонарей и турболизаторов обсадной колонны, следствием чего является образование громадных по протяжнности вертикальных каналов в цементном камне. Их устранение возможно только при проведении ремонтно-восстановительных работ. УЭкономияФ других организаций в том же регионе заключается в применении для тампонажа УлежалыхФ цементов, утративших свои свойства, а иногда и запрещнных к употреблению строительных цементов. Результаты последней УэкономииФ заключаются в образовании протяжнных кольцевых микрозазоров между обсадной колонной и цементным камнем. Невероятно искажается информация о тампонаже затрубного пространства и, как следствие, появляется требование о производстве необоснованных ремонтно-восстановительных работ, стоимость которых сопоставима с бурением новой скважины.
а) Вертикальные каналы в цементном камне. Основная причина их образования заключается в неудовлетворительном центрировании обсадной колонны, е провисании даже в относительно вертикальных скважинах и образовании между колонной, лежащей на стенке скважины, и самой стенкой скважины сегментовидных зазоров, угловое раскрытие которых находится в диапазоне 60-90 угловых градусов. Как правило, сегментовидные зазоры не заполняются цементным раствором, вследствие чего образуются макроканалы в цементном камне, заполненные жидкостью. Если близлежащие пласты характеризуются разными значениями пластовых давлений либо в перфорированной колонне создатся репрессия/депрессия давлений, такие каналы становятся путями перетоков пластовых флюидов или нагнетаемой жидкости.
Возможности стандартной акустической цементометрии для их выделения существенно ограничены. Физическим моделированием установлено (П. А. Прямов, В. Н.
Служаев, М. А. Сулейманов, компании Schlumberger, Halliburton), что вертикальные каналы с угловым раскрытием менее 45, практически не сказываются на результатах измерений tк и к. И только при углах раскрытия превышающих 60, к уменьшаются до значений, которые заведомо превышают погрешность измерений к. Поэтому для однозначной идентификации вертикальных каналов необходимы данные других видов ГИС, реагирующих на эксцентричное положение обсадной колонны в стволе скважины:
СГДТ или АК-сканирования. Не менее важную информацию предоставляют сведения из актов формирования и спуска обсадной колонны, в которых отражены глубины установки каждой обсадной трубы, положения соединительных муфт, центрирующих фонарей колонны и турболизаторов цементирующих растворов. Они представляют первичную информацию о потенциальной возможности образования вертикальных каналов в зависимости от оснастки буровой колонны. К сожалению, эти сведения не запрашиваются геофизическими предприятиями.
б) Кольцевой микрозазор между обсадной колонной и цементным камнем. Перечень причин и обстоятельств, способствующих образованию кольцевых микрозазоров, обширен (Р. А. Абдуллин, А. Л. Видовский, Д. А. Крылов, О. Л. Кузнецов, Ю. В. Мельников и др., С. А. Рябоконь и др., компании Schlumberger, Halliburton и др.). Это операции опрессовки обсадной колонны, которые выполняют в первые часы и дни, когда цементный камень не набрал полной прочности; проведение перфорации продуктивных объектов и других взрывных работ в кавернозных интервалах скважины; температурное расширение и сжатие колонны в процессе схватывания цементного камня, набора им прочности и при заполнении скважины холодной водой; спуск и подъм инструмента с повышенной скоростью и вибрационные нагрузки при разбуривании нижезалегающих пород.
Автор установил, что опознавательным признаком кольцевого микрозазора служит одновременное появление на фазокорреляционных диаграммах колебаний волны Лэмба (Lк), распространяющейся в обсадной колонне, и колебаний объмной продольной волны Р в породе. В высокоскоростном разрезе на ФКД фиксируются также колебания объмной поперечной S волны.
Одновременное присутствие на ФКД колебаний волн Лэмба и объмных объясняется тем, что кольцевой микрозазор, который возникает между обсадной колонной и цементным камнем в условиях скважины, не имеет идеально ровных стенок. При отрыве обсадной колонны от формирующегося цементного камня на их поверхностях образуются щтки из частиц камня, которые взаимно проникают друг в друга, контактируя между собой во многих местах. Небольшое раскрытие микрозазоров, равное десяткам и, реже, первым сотням микрометров, и наличие на поверхностях щток слов цемента, прочно- и рыхлосвязанной воды создают благоприятные условия для передачи энергии упругих волн через микрозазоры, а также резко (на порядки!) уменьшают проницаемость последних. Этим кольцевые микрозазоры, образовавшиеся в условиях скважины, отличаются от моделируемых. При создании физических моделей микрозазоры имитируют слоем плнки. Математический расчт проницаемости выполнен Л. В. Будыко при допущениях, что плнка заменяется газовым прослоем с идеально ровными поверхностями, на которых отсутствует связанная вода, и фильтруется газ.
Полученные таким образом результаты не имеют ничего общего с реальной действительностью.
в) Экспериментальные скважинные исследования влияния дефектов цементирования (кольцевых микрозазоров и вертикальных каналов) на параметры АКЦ. Обилие причин и обстоятельств, способствующих образованию вертикальных макроканалов и кольцевых микрозазоров, определяет высокую вероятность их существования в каждой конкретной скважине по всей глубине или в отдельных интервалах. Одинаковые по значениям изменения к, а именно они служат основой заключений о качестве цементирования, не классифицируются при подготовке оперативных заключений. Но главным препятствием для их классификации является неверие специалистов геофизических и геологических организаций о совершенно различном вкладе обоих дефектов в создание в затрубном пространстве путей для движения флюидов.
Для обоснования влияния обоих дефектов на проницаемость затрубного пространства и выявления характеристик ГИС, отражающих их существование, в 20-ти скважинах была намечена серия комплексных исследований по следующей программе:
- проведение АК - и гамма-гамма цементометрии прибором СГДТ для оценки качества цементирования затрубного пространства;
- проведение в отдельных скважинах акустической цементометрии при создании избыточного давления на устье скважины с целью выделения интервалов глубин, в которых развиты кольцевые микрозазоры между обсадной колонной и цементным камнем;
- ремонтная перфорация против непроницаемых пород, характеризующихся значениями 4,5<к<24 дБ/м;
- определение примистости перфорированного интервала; в ряде случаев - после гидродинамического воздействия на интервал, заключающегося в создании в стволе скважины избыточного давления и его моментальном сбросе;
- ремонтно-восстановительное задавливание цементного раствора для улучшения качества цементирования;
- повторные исследования акустической цементометрией на разных этапах работ для оценки изменений качества цементирования.
В одной из скважин получены доказательства образования кольцевых микрозазоров в процессе механических воздействий на обсадную колонну. Первое исследование скважины акустической цементометрией выполнено после набора цементным камнем прочности, но до опрессовки колонны. Контакт цементного камня с колонной преимущественно сплошной, в 20 % интервалов - частичный. Контакт камня с породами - сплошной и частичный.
После опрессовки колонны давлением 10 МПа результаты оценки контакта цементного камня с колонной ухудшилась вследствие образования между ними кольцевого микрозазора. Доля интервалов с частичным контактом возросла до 30 %. Контакты камня с породами остались прежними.
Спустя 3 месяца после опрессовки в скважине выполнили ещ одно исследование обсадной колонны акустической цементометрией. Состояние контакта цементного камня с колонной ухудшилось по сравнению с предыдущим исследованием. Появились участки, присутствие камня на которых не определяется. Косвенным объяснением может служить выполнение в этот временной промежуток перфорации, освоения продуктивного пласта и ликвидационных работ, связанных с испытанием более глубоко залегающего песчаника. Два следующих друг за другом ремонтно-восстановительных цементирований позволили улучшить (по данным АКЦ) качество тампонажа на 44 м суммарно.
Экспериментальные работы были прекращены после исследований и проведения ремонтно-восстановительных работ в 15 интервалах 7-ми скважин. Все интервалы выделены по признаку неопределнного качества цементирования (4,5<к<24 дБ/м) и включали 10 интервалов с кольцевыми микрозазорами и 5 с вертикальными каналами.
Причины прекращения работ и доказательства необходимости или отсутствия небходимости проведения ремонтно-восстановительных работ заключались в следующем:
Примистость интервалов ремонтной перфорации, простреленных против непроницаемых пластов, появлялась при давлении на устье, равном 1,5-4 МПа для интервалов, содержащих кольцевые микрозазоры. Такой характер изменения давления чем-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 щтки, которые образуются при отрыве обсадной колонны от цементного кольца.
Справедливость высказанного предположения подтверждается тем, что в 7 интервалах с кольцевыми микрозазорами не удалось достичь примистости при оговоренных давлениях 7-11,5 МПа. В двух из них она достигалась после 8-18 циклов гидроимпульсного воздействия, заключающегося в быстром подъме внутриколонного давления до значений, равных давлению опрессовки, и последующем его мгновенном сбросе. В двух других случаях после такого воздействия примистость не была достигнута.
Следует также учитывать, что значения примистости, указанные в актах на проведение ремонтно-восстановительных работ, недостоверные. Их получают согласно стандартной процедуре: на устье скважины постепенно повышается давление до тех пор, пока оно скачкообразно не уменьшится. По производительности насосов в последующие 10-20 с после уменьшения давления рассчитывается примистость затрубного пространства пересчтом на сутки. Не соблюдаются требования нормативных документов о том, что дебиты и примистость скважины рассчитываются для временного промежутка, в котором наблюдались их устойчивые значения. Краткосрочные измерения предоставляют ответ на качественном уровне: есть ли примистость испытуемого интервала или она отсутствует. Поэтому полученные значения примистости для половины исследуемых интервалов в 2-3 раза превышают примистость соседних нагнетательных скважин.
В интервалах развития вертикальных каналов примистость затрубного пространства после прострела ремонтных отверстий составляла пересчтом на сутки 120450 м3/сут. Улучшение качества цементирования по данным АК - достигнуто в интервалах протяжнностью от 115 до 320 м. Вблизи ремонтных отверстий контакт камня с колонной был сплошным, далее следовали участки, характеризующиеся частичными контактами, перемежающиеся хотя бы незначительными по протяжнности участками сплошных контактов.
Для 7 ремонтных интервалов выполнены исследования АК - при атмосферном и избыточном (до 7 МПа) давлениях на устье скважины. Впервые подобные исследования проведены (W. A. McNeely, J. E. Upp) в 60-70 годах прошлого века. Они были успешно повторены на нефтяных месторождениях Республики Казахстан в 70-х годах (Д. А.
Крылов, О. Л. Кузнецов, К. А. Шишин).
При создании внутри обсадной колонны избыточного давления она расширяется и полностью или частично перекрывает кольцевые микрозазоры. На объмные каналы в камне избыточное давление не оказывает влияния. Сравнение результатов двух измерений, а также описанные выше качественные признаки обоих дефектов, позволяют разделить их на выполненных записях. После сброса давления на устье скважины состояние контакта цементного камня с колонной практически возвращается к первоначальному. Полное восстановление первоначального состояния занимает несколько суток. В условиях опытов (избыточное давление 7 МПа, диметр колонны 168 мм) уменьшение кольцевых микрозазоров достигало 70 мкм.
г) Результаты исследований АК - при избыточном давлении на устье скважины подтвердили ожидаемое. Изменения показаний АК - не наблюдались первоначально в скважине с вертикальными каналами. После выполненного ремонта исследования АК - снова были повторены при атмосферном и повышенном на устье скважины давлении.
Они показали высокое качество ремонтных работ. В шести скважинах с кольцевыми микрозазорами качество цементирования, устанавливаемое по материалам АКЦ, возрастало. Большинство интервалов, характеризующихся частичными контактами цементного камня с колонной, получали характеристику сплошных контактов. Этим, собственно, и доказывалось существование кольцевых микрозазоров.
Ремонтно-восстановительные работы выполнены в восьми интервалах из 10.
Улучшение контактов цементного камня с колонной (по данным АКЦ) достигалось в интервалах 4-8 м вблизи перфорационных ремонтных отверстий, единично в интервале 43 м. Одновременно в семи случаях на некотором расстоянии от ремонтных отверстий были выявлены участки ухудшения контактов камня с колонной примерно такой же суммарной протяженности - от 4 до 48 м. Было принято решение о приостановке ремонтно-восстановительных работ в случаях, когда дефект цементирования обусловлен кольцевым микрозазором, непроницаемым для пластовых флюидов.
Важным оказался вроде бы побочный эффект - максимальное развитие кольцевых микрозазоров происходило в скважинах, обсадные колонны в которых цементировались цементами с длительным сроком хранения. Они (микрозазоры) перестали наблюдаться после смены поставщика цементов и сокращения сроков их хранения.
2.3 Принципиально возможен один единственный вариант оценки механического контакта (сцепления) цементного камня с горными породами, слагающими стенку скважины. Он заключается в регистрации скважинным прибором параметров объмных продольной P и поперечной S волн, распространяющихся в массиве пород. О наличии механических контактов цементного камня с обсадной колонной и горными породами свидетельствует сам факт того, что: а) энергия нормальной волны Лэмба, распространяющейся в обсадной колонне, вытекает из не через цементное кольцо в горные породы вследствие потери колонной волноводных свойств; б) в породах формируются объмные продольная P и поперечная S волны, которые преломляясь на стенке скважины, образуют в скважине соответствующие им головные волны; г) примник скважинного прибора, расположенный в жидкости на некотором удалении от излучателя, воспринимает колебания головных волн.
В полной мере оценка механических контактов цементного камня с породами посредством фиксации в акустических сигналах объмных волн выполняется ведущими зарубежными фирмами, начиная с 60-70-х годов прошлого века (H. O. Brown et. al., W.
H. Fertl et. al., G. H. Pardue et. al.). Она базируется на визуальном выделении на фазокорреляционных диаграммах (ФКД) фазовых линий, принадлежащих объмным P и S волнам. В настоящее время такое решение является общепринятым у всех зарубежных фирм (Computalog, Halliburton, Schlumberger и др.). В Советском Союзе первым начал пропагандировать оценку контактов цементного камня с породами П. А. Прямов на рубеже 70-х годов прошлого века, используя регистрируемые в аналоговом виде кривые Уволны Ап по породеФ. При подготовке следующего методического руководства по акустической цементометрии (П. А. Прямов и др.) требования к интерпретации кривых Ап исчезли. Причиной стала необходимость обработки на несовершенных отечественных ЭВМ типов СМ-2 и 4 практически в пакетном режиме первичных данных АК - по десяткам тысяч скважин, бурящихся на бурно развивающихся нефтяных месторождениях Западной Сибири.
Ситуация с регистрацией объмных волн полностью поменялась после внедрения цифровой регистрации первичных данных и возможности их многократной обработки на ПЭВМ. Возможность указания на ФКД колебаний интересующей волны (Lк, P, S, St), частотная фильтрация первичных данных, гибкое изменение порогов регистрации для определения характеристик выбранной волны, существенно упростили обнаружение объмных волн.
Непременное условие решения задачи заключается в наличии механического контакта, часто хотя бы частичного, цементного камня с обсадной колонной. Только при выполнении этого условия обеспечивается передача энергии продольной Pж волны из скважины, в которой находится измерительный зонд, в обсадную колонну, образование в последней нормальной волны Лэмба (Lк) и, далее, отток энергии этой волны в цементный камень. По наблюдениям автора эти условия выполняются, если затрубное пространство заполнено цементным камнем более, чем на 1/3.
В цементном камне энергия волны полностью поглощается, если за внешней границей камня отсутствует среда с высоким импедансом. Это типичная ситуация для физического моделирования, которая чрезвычайно редко встречается в скважинах. В противном случае, если цементный камень прочно связан с породами, энергия волны Лэмба в колонне уходит в породы, образуя в них объмные продольную P и поперечную S волны. В низкоскоростных разрезах образуется только продольная волна P волна.
По мнению автора возможны два варианта решения задачи. Первый - условно именуемый УинструментальнымФ. Высокое качество тампонажных работ, включающее в себя центрирование обсадной колонны, применение цементных растворов высокой плотности, соблюдение скорости подъма раствора, которая обеспечивает их затекание в кавернозные участки ствола скважины, предопределяют качество контактов цементного камня с колонной и породами. Две кривые tP, измеренные в открытом стволе и в обсаженной скважине, повторяют друг друга. Их поведение однозначно свидетельствует о сплошных контактах цементного камня с обсадной колонной и породами, слагающих разрез скважины. Кривые tP, к и фазокорреляционные диаграммы фиксируют такое же состояние тампонажа затрубного пространства. По данным радиометрической дефектометрии (ДФ) обсадная колонна расположена соосно со стволом скважины; затрубное пространство равномерно заполнено цементным камнем.
Второй вариант - это использование тех же фазокорреляционных диаграмм (ФКД) в условиях неполного цементирования обсадной колонны, когда на волновых пакетах и фазокорреляционных диаграммах одновременно проявляются фазовые линии волны Лэмба Lк в колонне, объмной P волны в породах и поверхностной волны Стоунли (St).
В высокоскоростных породах могут отражаться также колебания объмной поперечной волны. Эти условия объясняются частичным заполнением затрубного пространства цементным камнем (Bl<0,8), присутствием между колонной и цементным камнем кольцевых микрозазоров, остатками изоляционных материалов на внешней поверхности колонны и т.п. Инструментальное определение скоростей распространения объмной продольной (и поперечной) волны в породах, амплитуды которой только незначительно превышают амплитуды волны Лэмба в колонне, затруднено. К тому же, для небольших глубин результаты таких определений не с чем сравнивать, так как акустический каротаж в открытом стволе обычно не выполняют.
2.4. Критический анализ материалов, опубликованных со времени появления АКЦ, и результаты выполненных экспериментальных работ в скважинах КР позволили автору прийти к выводам, которые во многих аспектах изменяют технологию интерпретации полученных данных.
При определении контактов цементного камня с обсадной колонной сведения, полученные из опубликованных работ, следует дифференцировать следующим образом:
а) не сказываются на результаты интерпретации диаметр и толщина стенки зацементированных и незацементированных обсадных колон. Незначительное влияние этих факторов учитывается допусками, которые задаются условиями интерпретации;
б) удовлетворяют требованиям интерпретации и не нуждаются в каком-либо учте предусмотренные геолого-техническими нарядами толщины зазоров между внешним диаметром обсадной колонны и стенкой скважины (20-25 мм) и сроки проведения исследований акустической цементометрией (не менее 48 часов). В противном случае необходимо вносить поправки в полученные значения к, которые заранее известны по данным физического моделирования;
в) недостаточное центрирование скважинных приборов в обсадной колонне изучено на физических моделях, представляющих собой отрезки незацементированных обсадных труб. Результаты моделирования, указывающие, что амплитуды и коэффициенты затухания к регистрируемых колебаний изменяются в 2 раза при смещении прибора с оси скважины на 10-20 мм, относятся к незацементированной колонне. Увеличение к от 31,5 дБ/м до 61,5 дБ/м никаким образом не меняет сути заключения об отсутствии е цементирования. То же относится к зацементированным колоннам. На моделях эта ситуация не изучалась. Но если принять, что для них к увеличивается также вдвое, то заключение о тампонаже затрубного пространства снова-таки не изменится;
г) основные трудности интерпретации первичных данных АК - представляют технические факторы, обусловленные условиями формирования и спуска обсадной колонны, е центрированием в стволе скважины, качеством тампонирующей смеси, образованием кольцевых микрозазоров между обсадной колонной и цементным камнем, вертикальными макроканалами в цементном камне. Основной причиной образования последних служит эксцентричное положение колонны в стволе скважины. Именно эти обстоятельства (кольцевые микрозазоры и вертикальные каналы), а также дефекты цементирования, вызванные перемешиванием в верхней части цементного раствора с вытесняющей жидкостью обуславливают изменения к в диапазоне между свободной (31,5 дБ/м) и безупречно зацементированной (к 24 дБ/м) колонной, которые интерпретируются как частичный контакт цементного камня с колонной.
Результаты экспериментальных скважинных исследований, выполненных согласно методикам, предложенным автором диссертации, свидетельствуют:
а) три основных дефекта цементирования обсадных колон, а именно: прерывистое цементирование, кольцевые микрозазоры и вертикальные каналы - могут быть установлены по данным ГИС;
б) прерывистое цементирование (интервал перемешивания вытесняющей жидкости с цементным раствором) устанавливают вблизи запланированного уровня подъма тампонажной смеси по фрагментам на фазокорреляционных диаграммах (ФКД) фазовых линий волны Лэмба в обсадной колонне, появлению на них аномалий, обусловленных муфтами, фрагментам объмных волн;
в) кольцевые микрозазоры, как правило, характеризуются одновремнным присутствием на ФКД колебаний волны Лэмба в обсадной колонне и колебаний объмных продольной, поперечной и поверхностной Стоунли волн, распространяющихся в горных породах и вдоль стенки скважины. Кольцевые микрозазоры практически непроницаемы для пластовых флюидов при достаточном удалении (на несколько метров) двух соседних пластов с разной насыщенностью;
г) вертикальные макроканалы в цементном камне невозможно установить в зацементированной колонне, если их раскрытие составляет менее 60 угловых градусов. Они образуются в интервалах прилегания обсадной колонны к стенке скважины или другой внешней колонны (технической, кондуктора), имеют раскрытие более 60 угловых градусов и характеризуются значениями к, меньшими 24 дБ/м. Редко установленные (через 25 м и более) центрирующие фонари колонны придают уверенность в том, что дефект цементного камня обусловлен именно вертикальными каналами.
Определение контактов цементного камня со стенкой скважины (горными породами) возможно исключительно на основе регистрации объмных продольной и поперечной волн, распространяющихся в породах. Их регистрация, особенно поперечной волны, не распространяющейся в жидкости, одновремнно свидетельствует о наджном контакте камня с обсадной колонной. Появление этих волн всегда фиксируется фазокорреляционными диаграммами (ФКД). Последние являются в настоящее время обязательным элементом заключения по качеству цементирования обсадных колон и поэтому не требуют дополнительного времени на подготовку заключения. Если цементирование колонны выполнено с соблюдением всех нормативных требований, контакт цементного камня с породами устанавливается инструментально сопоставлением интервальных времн объмной продольной волны, зарегистрированных в открытом стволе и в обсаженной скважине.
3. Определение качества цементирования затрубного пространства обсадных колонн разного назначения и многоколонных конструкций 3.1. Повторим выводы предыдущего раздела: основные дефекты цементирования связаны с центрированием обсадной колонны в стволе скважины, качеством тампонажной смеси, образованием кольцевых микрозазоров между цементным камнем и обсадной колонной и вертикальных макроканалов в цементном камне. Нетрудно заметить, что перечисленные дефекты обусловлены всего лишь двумя обстоятельствами. Для кольцевых микрозазоров - это качество применяемой тампонажной смеси; для вертикальных макроканалов - центрирование обсадной колонны и образование в интервалах е прилегания к стенке скважины (или другой внешней колонны) серповидных пространств, не заполняемых тампонажной смесью. При этом подразумевается, что соблюдаются соотношение диаметров открытого ствола и обсадной колонны (толщина цементного кольца) и сроки проведения АК - после цементирования.
Минимальное количество условий, предъявляемых к цементированию обсадной колонны и проведению акустической цементометрии, позволяет сформулировать основные требования проведения работ. Результаты акустической цементометрии позволяют получить достоверные сведения о качестве цементирования обсадных колонн, если соблюдены технико-технологические требования к спуску и цементированию колонны и проведению измерений приборами АКЦ. Суть этих требований, закреплнная нормативными документами на проведение соответствующих работ, заключается в следующем:
- любая обсадная колонна (эксплуатационная, техническая, кондуктор) в скважине центрируется. Интервалы установки центраторов (9-22 м) определяются азимутальными углами наклона скважины, диаметром колонны и заранее жстко заданы (справочники под редакцией А. И. Булатова, К. В. Иогансена);
- зазор между обсадной колонной и стенкой скважины не может быть меньшим 25-35 мм;
- для тампонажа затрубного пространства применяются растворы, приготовленные с использованием цементов, не потерявших первоначальных характеристик;
- акустическая цементометрия выполняется не ранее 36-48 часов после цементирования в зависимости от плотности цементного раствора и ускорителей или замедлителей схватывания;
- скважинный прибор акустической цементометрии центрируется.
Если эти требования соблюдены, то измеренные значения к отражают полноту заполнения (BI) затрубного пространства цементным раствором и, далее, сформировавшимся цементным камнем (bond index BI определяется как отношение значения к, зарегестрированного в исследованном участке, к значению к =24дБ/м для интервалов со сплошным контактом цементного камня с колонной). На основании статистических данных и расчта возможного изгиба обсадных колонн предполагается, что в цементном камне отсутствуют вертикальные макроканалы, обусловленные прилеганием обсадной колонны к стенке скважины, если колонна центрирована согласно нормативным требованиям. Также предполагается, что применение тампонажных растворов из кондиционных цементов не приведт к образованию кольцевых микрозазоров между обсадной колонной и цементным камнем.
Эти утверждения справедливы для скважин любого назначения, обсаженных колоннами диаметром 127-324 мм, несмотря на бытующее и ничем не подтвержднное мнение о недостатках или невозможности получения приемлемых результатов акустической цементометрии на малых глубинах в скважинах большого диаметра и в наклонных скважинах. В районе деятельности Управления геофизики ТОО УTechno Trading, LtdФ соблюдаются приведенные выше требования нормативных документов на проведение тампонажных работ. Достаточно сказать, что кондукторы, опускаемые на глубину 450-500 м, центрируются через каждые 30 м, технические колонны Ч через 20 м. На эксплуатационные колонны устанавливают центраторы через 10-20 м в продуктивной части разреза и через 30-50 м в непродуктивных интервалах. Исследования акустической цементометрией выполняют после цементирования всех колонн: кондуктора, технической и эксплуатационной независимо от характеристик пород, вскрытых скважиной, в том числе в интервалах четвертичных и их подстилающих пород. При соблюдении нормативных требований к спуску и цементированию любой обсадной колонны материалы акустической цементометрии предоставляют достоверную и объективную информацию о степени заполнения затрубного и 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. В диссертации приведены конкретные примеры оценки в различных разрезах качества тампонажа всех типов обсадных колонн: кондукторов, технических, эксплуатационных.
3.2. Ещ 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.
В одной из первых работ (J. T. Upp, 1966) приведены статистические данные для месторождения, на котором было пробурено и исследовано акустической цементометрией 400 скважин. В 75 скважинах по данным АК - были установлены дефекты цементного камня. В этих скважинах 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.
Дефекты цементного камня были подтверждены в 28 скважинах, в том числе, в 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 Цамплитуда в исследуемом интервале, Ако - то же в незацементированной колонне) меньше 0,05 (к>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 (W. A.
McNeely, 1973). 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 H.O. et al. 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. Если значение BI равно или больше 0,8, то непроницаемость затрубного пространства при удалении двух исследуемых пластов на 2-3 м для эксплуатационных колонн диаметром 140-168 мм. Это расстояние увеличивается до 4,5 м для технических колонн диаметром 245-254 мм и до 6-7 м для обсадных колонн бльшего диаметра. Считается, что перепад давлений между ними не должен превышать 0,1 пластового давления и, безусловно, должен быть меньшим давления опрессовки колонны.
Зависимость, предложенная Brown et al., неоднократно подвергалась проверкам ими же и другими авторами (D. D. Fitzgerald, B. F. McGree, J. A. McGuire, G. R. Pickett и др.). Она стала нормативным требованием для всех ведущих фирм дальнего зарубежья (Computalog, Halliburton, Schlumberger, Western Atlas Int. и др.). По разным оценкам вероятность достоверной оценки непроницаемости затрубного пространства по материалам отдельно применяемой стандартной акустической цементометрии составляет 90-95 % (H. O. Brown, D. D. Fitzgerald, L. L. Raymer, J. E. Upp и др.).
Попытка вероятностной оценки проницаемости затрубного пространства по измеренным значениям Ак/Ако была предпринята специалистами СССР в начале 70-х годов в скважинах группы Узеньских месторождений (Б. И. Кирпиченко). Проницаемость затрубного пространства оценивалась по появлению в продукции воды при освоении скважин и в первые 5 месяцев их эксплуатации.
Полученные зависимости согласуются с основными выводами, опубликованными в зарубежных источниках. Очевидны и их явные отличия: а) в российской работе не производилось разделение дефектов цементного камня на микрокольцевые зазоры и вертикальные каналы по результатам исследований скважин при избыточном давлении;
б) не определялись источники поступления воды - было ли это обводнение длительно эксплуатируемых пластов или заколонные перетоки; в) значения минимальных зацементированных интервалов, обеспечивающих непроницаемость затрубного пространства, в 3-4 раза больше чем в предыдущих работах.
Столь высокая вероятность достоверной оценки непроницаемости затрубного пространства по данным АК - полностью приемлема для непродуктивных интервалов. Е недостатки, - а это неуверенность в 5-10 % случаев в герметичности затрубного пространства, - не всегда достаточна для продуктивных интервалов. Именно в них дефект цементного камня, обусловленный эксцентричным положением обсадной колонны в стволе скважины, обуславливает непредсказуемые притоки пластовых флюидов.
Автор диссертации обобщил материалы АК - по нескольким сотням скважин, исследованных специалистами УГ УTechno Trading, Ltd.Ф. Значения BI0,8 соответствуют сплошным контактам цементного камня с обсадными колоннами и горными породами.
Отток энергии волны Лэмба из колонны (затухание к волны в колонне) столь значителен, что она (волна) не фиксируется на ФКД. В зарегистрированном волновом пакете первые колебания принадлежат продольной волне, распространяющейся в горных породах; последующиеЧпоперечной волне в высокоскоростных разрезах. Контакты цементного камня с обсадными колоннами и горными породами устанавливаются инструментально. Затрубное пространство герметично.
Значения BI меньше 0,8 свидетельствуют о каких-то дефектах цементного камня:
кольцевых микрозазорах или вертикальных каналах. Для их идентификации необходимо привлечение ФКД и поиск признаков, описанных в предыдущей главе. Существуют предпосылки нарушений герметичности затрубного пространства. Для оценки герметичности необходимо привлечение материалов других методов цементометрии: радиометрической дефектометрии и толщинометрии, АК-сканирования, сведений об оснастке и условиях спуска обсадной колонны.
3.3. Необходимость оценки качества цементирования многоколонных конструкций существовала во все времена бурения и эксплуатации нефтегазовых скважин. Объективно она определяется возможными нарушениями цементного камня в затрубном пространстве кондуктора и технической колонны в процессе продолжающегося бурения скважины под эксплуатационную колонну, спуска, цементирования и перфорации последней. Субъективным фактором служит выполнение АК - один раз только в эксплуатационной колонне. Качество тампонажа ранее опускаемых колонн, - кондуктора, технической, второй технической, - не проводилось вследствие экономических и идеологических причин. Первая, - это сокращения сроков ввода скважин в эксплуатацию. Вторая, - предвзятое мнение о невозможности получения стандартными приборами акустической цементометрии диаграмм АК - приемлемого качества в скважинах больших диаметров, на малых глубинах и в наклонных скважинах. Несостоятельность укоренившегося второго мнения показана выше.
Попытки оценки качества цементирования многоколонных конструкций предпринимались ещ во времена аналоговой техники ГИС и АКЦ, в частности (Ю. А. Гуторов, В.Н. Служаев). Они базировались на чтко сформулированных постулатах. Один из них заключался в том, что две (или более) обсадных колонны и цементный камень между ними образуют слоистую среду, толщина любого слоя в которой намного меньше длины упругой (продольной) волны, применяющейся для исследования. По мнению части исследователей (Ю. И. Горбачв, Ю. А. Гуторов) со ссылкой на теоретическое обоснование Л. М. Бреховских, в такой среде, которая дополнительно включает полупространство горных пород, образуется обобщнная упругая волна. Характеристики этой волны, в первую очередь, скорость е распространения, изменяются от значений в наиболее низкоскоростной среде (цементный камень либо неуплотннные терригенные осадки) до значений в высокоскоростных средах (стальные колонны). Критика постулата оценки качества цементирования по значениям характеристик обобщнной волны простая.
Автором диссертации показано [1, 4], что на коротких базах измерений приборами АК - обобщнная волна не образуется. Такие же результаты получил и Д. В. Белоконь и В. Ф. Козяр. В многоколонных конструкциях, как будет показано ниже, в каждой из колонн и в горных породах распространяются характерные для них типы волн. Но если бы процесс образования обобщнных волн происходил именно таким образом, как описывают Ю. И. Горбачв, Ю. А. Гуторов, то исчезла бы даже постановка задачи оценки качества цементирования обсадных колонн акустической цементометрией из-за непрерывно изменяющихся характеристик обобщнной волны.
Вторым постулатом признатся (В. Н. Служаев) существование волн, распространяющихся в каждой из колонн отдельно. Предлагаемое решение проблемы заключается в выборе для внутренней или внешней колонн местоположения на шкале времени фиксированных окон измерений затухания к упругой волны в каждой колонне. Решение правильное, но неосуществимое в условиях аналоговой регистрации данных. В выбранных окнах, а они отделены друг о друга максимально на 30-40 мкс, определяются коэффициенты затухания любых колебаний, амплитуды которых превышают первоначально заданный порог, равный 0,01-0,05 максимальной амплитуды в незацементированной колонне. При малейшем дефекте цементирования внутренней (эксплуатационной) колонны колебания волны Лэмба, распространяющейся в этой колонне, заполняют и следующее временное окно. Чаще всего, в отсутствие действенного контроля происходящих явлений вычисленные значения скоростей и амплитуд (затухания, энергий) относились к волне, распространяющейся в эксплуатационной колонне (волне Лэмба). В других случаях они принадлежали такой же волне, средой распространения которой была внешняя колонна (техническая колонна, кондуктор), либо объмная волна, распространяющаяся в массивах горных породах или вдоль границы раздела двух сред (например обсадной колонны и цементного камня). В случае безупречного цементирования межтрубного пространства, исключающем образование дефектов, в том числе кольцевого микрозазора между эксплуатационной колонной и цементным камнем, применение второго (для внешней колонны) фиксированного окна обосновано и справедливо.
В авторском варианте физическая картина распространения упругих волн в многоколонных конструкциях заключается в следующем. Если внутренняя (эксплуатационная) колонна незацеменирована, то вся энергия упругой волны, пришедшая от излучателя скважинного прибора, распространяется в колонне как высокоскоростном волноводе в виде нормальной продольной волны. Незацементированная колонна, как бы, экранирует среды, находящейся за ней, не давая перетекать энергии волны за е пределы. Скорость распространения волны в колонне строго соответствует скорости волны Лэмба в металле (5440 м/с). Времена регистрации на ФКД первых фазовых линий для двухэлементных зондов И-П равны расчтным временам распространения упругой волны от излучателей к примникам с учтом е пути в скважинной жидкости.
Зацементированная колонна теряет свойства волновода. Энергия упругой волны перетекает через цементный камень, скорость упругих волн в котором вдвое ниже, чем в колонне, в горные породы, если обсадная колонна одиночная, или в следующую колонну, например, техническую. Энергия нормальной волны, оставшаяся и распространяющаяся в первой колонне, недостаточна для регистрации существующими приборами. Первые зарегистрированные на ФКД фазовые линии соответствуют расчтным значениям волны Лэмба во второй колонне с учтом е путей в жидкости, металле первой колонны и цементном камне.
Процесс будет повторяться. Если техническая колонна незацеменирована с внешней стороны, то регистрируемые волновые пакеты содержат только колебания нормальной продольной волны, распространяющейся в ней. При заполнении е затрубного пространства цементным камнем, сплошных и постоянных контактах камня с колонной и последующей внешней средой энергия нормальной волны УперетекаетФ в следующую колонну - кондуктор. Далее, при хорошем цементировании кондуктора энергия волны УперетекаетФ в горные породы, возбуждая в них объмные продольную P и поперечную S волны. Сопоставление зарегистрированных на ФКД фазовых линий с расчтными значениями tк для двухэлементных зондов И-П для колонн разных диаметров позволяет судить о волнах, распространяющихся в каждой колонне в отдельности. Амплитуды (затухание, интенсивность) - о качестве цементирования отдельных колонн и многоколонной конструкции в целом.
Регистрация на материалах АК - через 2-3 обсадные колонны объмных P и S волн, а на малых глубинах только продольной Р волны свидетельствует о полном заполнении цементным камнем затрубного пространства (BI>0,8) за всеми колоннами, сплошных и устойчивых контактах камня со стенками колонн и горными породами. Наоборот, регистрация нормальной волны по одной из колонн служит доказательством отсутствия механического контакта цементного камня с этой колонной с е внешней стороны.
Возможны также все промежуточные ситуации. Они возникают если какая-то из колонн зацементирована с дефектами. Это могут быть вертикальные каналы с угловым раскрытием до 90, тонкие (50-600 мкм) кольцевые микрозазоры или их сочетание с вертикальными каналами. Так же, как и в случае одиночной колонны, волновые пакеты содержат колебания нескольких волн. Например, если дефекты обусловлены тампонажом эксплуатационной колонны, то вследствие неполного оттока энергии упругой волны из этой колонны во внешнюю среду на ФКД присутствуют ослабленные колебания волны Лэмба в эксплуатационной колонне; вполне отчтливо отбиваются е муфты. В то же время, количество энергии, поступившей во внешнюю среду (последующие обсадные колонны и горные породы), может быть достаточным для фиксации е отклика. Процесс повторяется, как и в случае безупречно зацементированных колонн, а иногда и кондуктора. Оценка полноты заполнения (BI) цементным камнем межтрубного и затрубного пространств производится по значениям коэффициентов затухания каждой волны, которую удатся выделить в волновом пакете. Дополнительный контроль первого вступления волны Лэмба в каждой колонне достигается сопоставлением его времени прихода с расчтным временем с учтом затрат времени на распространение волны в скважинной жидкости, металле колонн и в цементном камне.
Выводы о качестве цементирования обсадных колонн многоколонных конструкций, полученные непосредственно после цементирования каждой колонны и при измерениях в эксплуатационной колонне, остаются примерно теми же или изменяются в лучшую сторону. Утверждение справедливо, если соблюдаются нормативные требования для спуска и цементирования колонн Ч интервалах установки центрирующих фонарей, плотности применяемых цементных растворов, скоростях их прокачки. Объяснение этому факту простое: механические контакты цементного камня с обсадными колоннами и горными породами улучшаются с увеличением промежутка времени между цементированием и датой исследований. Первое исследование выполняется через сутки после цементирования, когда цементный раствор схватился, но цементный камень не набрал полной механической прочности. Поэтому более поздние исследования отмечают улучшение контактов. Результаты исследований АК - многоколонных конструкций позволяют сделать два важных вывода:
а) оценка в многоколонных конструкциях качества цементирования каждой последующей внешней колонны возможна при наджном (BI>0,8) цементировании внутренних колонн;
в) возможность оценки состояния цементирования одной колонны через одну или две последующих не может быть основанием для исключения последовательных исследований каждой колонны в отдельности. Любые недостатки в цементировании последующих колонн могут исключить получение достоверной информации о качестве цементирования предыдущих.
4. Оценка герметичности затрубного пространства обсадных колонн по данным комплекса методов ГИС 4.1. Полная оценка качества цементирования обсадных колонн, обеспечивающая подготовку заключения о герметичности затрубного или межтрубного пространств, содержит решение нескольких близких по содержанию задач: определение высоты подъма цементного раствора в заколонном и межтрубном пространстве; определение полноты заполнения цементным камнем изолирующего пространства; количественную или полуколичественную оценка контактов образовавшегося цементного камня с колонной и породами или с внешней колонной - кондуктором, технической; выявление кольцевых микрозазоров между колонной и цементным камнем и макродефектов, образованных вертикальными каналами в камне. Полный перечень задач и потенциальные возможности их решения приведены в таблице.
Большинство перечисленных задач решается с использованием данных стандартной акустической цементометрии (АКЦ) для обсадных колонн любого диаметра и различных тампонажных смесей, приготовленных на основе чистого портландцемента или в смеси с разнообразными инертными добавками. Недостатком АК - является слабая чувствительность к вертикальным каналам в цементном камне, угол раскрытия которых меньше 60о. Следствием этого недостатка является тот факт, что вероятность оценки непроницаемости затрубного пространства стремится к 100%, если к >24 дБ/м, BI>0,8, а механические контакты цементного камня с обсадной колонной и породами сплошные. Тем не менее, в камне могут находиться вертикальные макроканалы, само существование которых ставит под сомнение герметичность затрубного пространства.
Для исключения неоднозначности оценки герметичности затрубного пространства необходимо комплексирование данных АК - с материалами других исследований, отражающих решение частных задач, которые недоступны для АКЦ. Если принять акустическую цементометрию за базовый метод определения, а таковой, по сути, она и является среди всех методов оценки качества цементирования обсадных колонн, то главным условием комплексирования служит возможность выделения вертикальных каналов, количественное определение их раскрытия (что желательно), определение положений центрирующих фонарей колонны. В длительно эксплуатируемых скважинах добавляются задачи определения внутреннего сечения (радиусов) и толщины стенок колонны и, основываясь на этих данных, интервалов коррозии внутренней либо внешних стенок.
Нельзя преувеличивать возможности добавляемых в комплекс методов радиометрической цементометрии (ДФ и ТМ) и АК-сканирования. Их (возможности) необходимо реально оценить, исключив рекламные моменты. Измерительный зонд гамма-гаммадефектометрии содержит шесть детекторов, расположенных по окружности скважинного прибора. Соответственно, его материалы позволяют различать каналы с угловым раскрытием 60о. Это то же значение углового раскрытия макроканала, которое уже определяется по данным стандартной акустической цементометрии. То есть, применение гамма-гамма-дефектометрии не способствует уточнению размеров вертикального канала. Однако, получение одинаковой информации двумя методами повышает е достоверность в неконтролируемых условиях. Кроме того, возможность определения местоположения центрирующих фонарей обсадной колонны и интервалов е эксцентричного положения объясняет суть происходящего явления.
Таблица 4.1 Ч Перечень частных задач, решения которых необходимо для оценки герметичности (проницаемости или непроницаемости) затрубного пространства Технические средства ГГ - Частная задача АК- АК - сканер ДФ ТМ Определение высоты подъма цементного + -*) + - раствора Оценка заполнения затрубного пространства + + + - цементным камнем (BI) Оценка контактов цементного камня с + + - - колонной и породами Выявление кольцевых микрозазоров между + - - - цементным камнем и колонной ограничено предполоВыявление макроканалов в цементном камне + - (более 60) жительно В многоколонных конструкциях оценка + - - - сохранности качества цементирования за внешними колоннами Выделение местоположения муфт обсадных + + + + колонн Выделение УнедотянутыхФ муфт + + - - Определение положений центрирующих - - + - фонарей колонны Определение толщины обсадной колонны - + - + Определение внутреннего диаметра обсадной - + - - колонны *) Не выполняется в непродуктивных интервалах вследствие малой скорости и дороговизны исследований Несмотря на различную конструкцию скважинных приборов АК-сканеры обладают примерно одинаковой разрешающей способностью. Сканеры с фиксированным расположением восьми преобразователей по образующей прибора (фирмы Computalog, Schlumberger, Western Atlas) исследуют колонну через 45о; фактически, с учтом дифракционных явлений, не менее чем в углах 60о. Этот результат сопоставим с полученными для стандартных приборов АК - и СГДТ. Сканеры с одним вращающимся преобразователем (фирмы ООО УНефтегазгеофизикаФ, Schlumberger) при любой частоте опроса преобразователя фиксируют такие же углы раскрытия вертикальных каналов. Опыт их применения в РФ и КР не столь большой, но ни в одной скважине не зафиксированы пустоты с меньшим угловым раскрытием. Это же относится к каналам, частично заполненным цементным камнем. Их общая раскрытость также не менее 60о, а значение коэффициента BI менее 0,8.
Таким образом, от всех трх методов цементометрии, - стандартной акустической, АК-сканирования, радиометрической, - трудно ожидать количественных определений раскрытия вертикальных каналов. Они фиксируют присутствие каналов за колонной, а двойное-тройное их (каналов) выделение методами ГИС придат уверенность в полученных результатах. Информация гамма-гамма-цементометрии о расположении центрирующих фонарей обсадной колонны раскрывает причину появления вертикальных каналов. Эксцентричное расположение цементного камня за колонной служит индикатором о возможном прилегании обсадной клоны к стенке скважины или другой колонны. Данные АК-сканирования позволяют судить о заполнении каналов жидкостью или какой-то промежуточной средой, представленной сочетанием цементного камня с жидкостью.
4.2. Невозможно решить все задачи контроля цементирования, перечисленные в таблице, по данным какого-то одного метода цементометрии. Каждый метод обладает ярко выраженной чувствительностью своих показаний к определенным свойствами цементного камня в затрубном пространстве: его плотности, контактов с соседними средами (колонной и породами), к микрозазорам и макродефектам, представленными вертикальными каналами. Однако, каждый метод обладает также известными ограничениями для решения других, не свойственных ему, задач (табл.4.1). Кроме того, в настоящее время отсутствуют методы, позволяющие выделять в цементном камне вертикальные каналы с угловым раскрытием менее 45о. Итоговое решение, охватывающее все частные задачи, может быть достигнуто при разумном комплексировании двух и более методов.
Автор считает, что с экономической точки зрения комплексирование исследований необходимо проводить по мере надобности и удорожания работ:
а) Сочетание данных АК - и сведений об оснащении и спуске обсадных колонн. Информация об оснастке обсадных колонн самая дешвая и доступная для геофизических предприятий. Тем не менее, е использование исчисляется единичными случаями. Возможной причиной служит частое отступление организаций, бурящих скважину, от требований ГТН и, соответственно, недоверие к данным, которые они предоставляют.
Если центрирующие фонари колонны (с учтом е диаметра и зенитного угла ствола скважины) установлены согласно требованиям нормативных документов (справочники под редакцией А. И. Булатова и К. В. Иогансена), то провисание колонны исключено. Невозможность провисания и, снова таки, установленные согласно нормативным требованиям турбулизаторы цементного раствора, исключают образование вертикальных серповидных макроканалов. В таких условиях вероятность достоверной оценки герметичности затрубного пространства стремится к значению 0,9-0,95.
б) Комплекс данных акустической и радиометрической цементометрии. По сравнению с использованием сведений об оснастке обсадной колонны, преимущества комплекса очевидны. Это определение фактического, а не проектного положения центрирующих фонарей и оценка положения колонны в скважине. Совпадение между собой значений шести селективных кривых гамма-гамма-дефектометрии служит доказательством осесимметричного положения колонны и равномерного распределения цементного камня в затрубном пространстве, также как их несовпадение - об осенесимметричном положении колонны и возможном образовании сегментовидных вертикальных каналов.
Сведения о полноте заполнения затрубного пространства цементным камнем и его механических контактах с обсадной колонной и горными породами предоставляют данные АКЦ. Следовательно, доказательства осесимметричного положения обсадной колонны в стволе скважины, полное заполнение затрубного пространства цементным камнем и равномерное его распределение в затрубном пространстве, плотные контакты камня с колонной и горными породами служат основанием суждения о герметичности затрубного пространства. Наоборот, отсутствие части из этих сведений заставляет усомниться в герметичности затрубного или межтрубного пространств, хотя прямые доказательства негерметичности отсутствуют.
в) Сочетание данных двух методов акустической цементометрии - на преломленных (АКЦ) и отражнных (круговое сканирование) волнах - предоставляет достоверную информацию о качестве цементирования обсадной колонны и проницаемости или непроницаемости затрубного пространства. В интервалах безупречного цементирования (к 24 дБ/м) значения BI, рассчитанные по данным обоих методов, совпадают между собой и равны или больше 0,8; по данным АК-сканирования пустоты в цементном камне отсутствуют или размеры одиночных пустот незначительные.
В интервалах развития вертикальных каналов (по данным АК-сканирования) полнота заполнения (BI) цементным камнем затрубного пространства становится меньше 0,8. Значения к <24 дБ/м соответствуют градации Участичный контактФ камня с колонной. Значения BI, найденные по данным АК-сканирования, меньше 0,6. Угловое раскрытие каналов измеряется от 60 до 110. Остатся неясным происхождение каналов.
Предположительно они возникают вследствие прилегания обсадной колонны к стенке скважины или другой (внешней)колонны. Доказательства прилегания отсутствуют, если не выполнена радиометрическая цементометрия и не запрошены акты о спуске и цементировании колонны.
Самое неприятное, что небольшие по толщине (1-3 м) каналы и участки цементного камня, содержащие пустоты, сформировавшиеся в поцессе схватывания цементного раствора и установленные с помощью АК-сканирования, могут находиться и находятся в интервалах, которые определяются по данным сканирования в интервалах, которые характеризуются по АК - сплошными контактами камня с колонной и породами и полным заполнением затрубного пространства камнем. Это ещ раз подчркивает вероятностную оценку качества цементирования по данным отдельно применяемой акустической цементометрии (АКЦ).
г) Комплексирование данных стандартной акустической цементометрии (АКЦ), радиометрической цементометрии (ДФ и ТМ) и акустического сканирования колонны и цементного кольца (АК-сканирование). Оно крайне необходимо для большинства скважин, в которых качество цементирования измеряется в разных интервалах от безупречного до неудовлетворительного, что соответствует отсутствию цементного камня за колонной. Перечень частичных задач, которые необходимо решить для оценки герметичности (проницаемости или непроницаемости) затрубного и межтрубного пространств, перечислен в табл. 4.1. Признаки и критерии оценки герметичности/негерметичности описаны в главах 2 и 3 диссертации по мере изложения влияния на состояние цементного камня различных технических и техногенных факторов. Возможности парных комплексов ГИС для решения частичных задач изложены выше. Для облегчения подготовки сводного заключения о состоянии герметичности затрубного пространства автор диссертации изложил критерии оценки качества диссертации в виде единой таблицы (табл. 4.2).
4.3. В последнее время широко и повсеместно нашли применение два вида интенсификации притоков в длительно эксплуатирующихся и вновь пробуренных скважинах. Это гидроразрывы пластов (ГРП) и интенсификация с помощью горючеокислительных смесей (ГОС). В первом случае воздействие на обсадную колонну и породы в интервале перфорации производится почти мгновенно мощным импульсом давления, во втором - плавным нарастанием градиентов давления и температуры. Первоначально эти виды интенсификации применяли для разработки низкопроницаемых объектов [8, 16], в последнее время их успешно используют также в высокопроницаемых объектах, находящихся в поздней стадии разработки.
Выбор объекта для проведения ГРП или ГОС должен включать: оценку качества цементирования обсадной колонны на дату проведения операции, включая определение дефектов цементного камня; расчет упругих параметров пород по значениям tp, ts, измеренным через колонну; выделение проницаемых пород в интервале воздействия и на 10-15 м выше и ниже его по вновь измеренным параметрам волн Стоунли и сведениям, полученным в открытом стволе; оценку анизотропии пород для определения направления развития трещины. Последняя задача реализуется с использованием данных двух дипольных зондов, преобразователи которых развернуты относительно друг друга на 90о (кросс-дипольные зонды).
Для контроля качества выполнения ГРП и ГОС, заключающегося в определении интервала распространения по вертикали трещины ГРП и направления е развития, необходимо получить те же сведения. Можно обойтись лишь без расчта упругих параметров.
Несмотря на тщательный выбор объектов проведения ГРП и ГОС, результаты воздействия могут быть совершено различными. В первую очередь это относится к интервалам, в которых цементный камень имеет дефекты: кольцевые микрозазоры и вертикальные каналы.
Интервалы колонны, в которых по каким-то причинам образовался микрозазор между колонной и цементным камнем, характеризуются на ФКД фазовыми линиями волны Лэмба в колонне, включая отображение соединительных муфт, и фазовыми линиями продольной и поперечной волн, распространяющихся в горных породах. Даже небольшое раздутие колонны при ГРП имеет свои последствием смыкание микрозазора и исчезновение фазовых линий волны Лэмба. Регистрация поперечной волны доказывает полное заполнение затрубного пространства цементным камнем. Увеличение интервального времени tst волны Стоунли, по сравнению с измеренными значениями до ГРП, происходит в интервале увеличения проницаемости пород за счет ГРП. Кривые ts дипольных зондов позволяет выявить направление развития трещины. Как правило, оно согласуется с направлением наиболее ослабленных, часто трещиноватых пород.
На участках присутствия в цементном камне вертикальных каналов, а также при их сочетании с кольцевыми микрозазорами процесс ГРП может отражаться на диаграммах акустической цементометрии иным образом. В единственном в зоне разрыва интервале перфорации признаки развития трещины ГРП те же, что описаны выше. При нескольких интервалах перфорации гидроразрыв происходит только в некоторых из них, наиболее удачно зацементированных; изменение в них характеристик акустического поля уже описаны. В других интервалах перфорации, особенно если они характеризуются одновремнным присутствием вертикальных каналов и кольцевых микрозазоров, разрыв пластов по данным АК - не происходит. На ФКД усиливается влияние микрозазоров;
проницаемость пород не изменяется.
Наиболее тщадящие нагрузки на обсадную колонну и цементный камень в затрубном пространстве происходят при воздействии на продуктивную часть разреза горючеокислительными смесями (ГОС). Контакт цементного камня с обсадной колонной практически не изменяется; незначительные интервалы ухудшения контакта происходит 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 Ч от средней до высокой.
Таблица 4.2 - Критерии поинтервальной оценки герметичности затрубного пространства Используемые методы Радиометрическая цементометрия - ГТ и ДФ Состояние Оснастка колонны, Стандартная герметичности Качество АКсостав тампонажной акустическая Положение ЗП сканирование цементирования;
смеси цементометрия центрирующих дефекты фонарей колонны цементного камня 1 2 3 4 5 Центрирующие Сплошные контакты Равномерное Отсутствие Согласно фонари через цементного камня с заполнение полостей и нормативным Герметично 10-17м; колонной и камнем ЗП. вертикальных документам через плотность породами: к>24 дБ/м; Плотность камня более каналов в 10-17 м смеси более 1,75 г/см3 полное заполнение ЗП 1,75 г/см3 камне Кольцевой микрозазор между Герметично У камнем и У У У колонной;
8<к<24 дБ/м Центрирующие Сплошные фонари через контакты Ошибки Герметично 20-30м; цементного камня с определений (облегчнный У У Плотность колонной и выше цемент) смеси породами: к>16 дБ/м; допустимых 1,40-1,75 г/см3 полное заполнение ЗП Продолжение таблицы 4.1 2 3 4 5 Контакт камня с Расстояние Редкое колонной сплошной между фонарями расположение Несимметричное или частичный Вертикальные каНегерметично более 30 м, центрирующих распределение 8<к<24 дБ/м. налы плотность смеси фонарей камня в ЗП Контакт с породами более 1,75 г/см3 (30-50 м и более) сплошной Расстояние Негерметично между фонарями Ошибки Вертикальные (облегчнный более 30 м, У У определений выше каналы; другие цемент) плотность смеси допустимых пустоты более 1,75 г/смНеобходимы Неполное Чередование участков сведения о Пятнистое заполнение ЗП свободной колонны и Отсутствие камня в проектной Не определяется расположение цементным частичных контактов ЗП высоте камня камнем камня с колонной подъма смеси Отсутствие Свободная колонна Отсутствие цементного У Не определяется У к<7 дБ/м. камня в ЗП камня ВЫВОДЫ Основным результатом диссертационной работы является создание технологии определения герметичности (непроницаемости для пластовых флюидов и нагнетаемых вод) затрубного и межтрубного пространств обсадных колонн и выявления причин появления дефектов цементного камня в интервалах некачественного цементирования.
Решение проблемы достигается с использованием материалов трх методов цементометрии: стандартной акустической, радиометрической и акустического сканирования.
Достоверность определения герметичности уменьшается, если какие-то виды цементометрии не выполнены.
Занимаясь проблемой определения герметичности затрубных пространств, на основе личных исследований и работ, выполненных под его руководством, автор диссертации получил следующие основные выводы и результаты:
1. Традиционное заключение геофизических предприятий подменяет требование оценки Уразобщения нефтяных, газовых и водоносных пластов, исключающее циркуляцию нефти, газа и воды в заколонном пространствеФ информацией о высоте подъма тампонажного раствора и интервалах сплошных или частичных контактов цементного камня с обсадной колонной и, не всегда, со стенкой скважины. Заключение не содержит выводов о разобщении пластов, исключающем циркуляцию за колонной флюидов в пределах продуктивного интервала, между соседними продуктивными интервалами и разными гидрогеологическими комплексами.
2. Стандартная акустическая цементометрия на преломленных волнах (АКЦ) является основным и наиболее распространнным методом цементометрии. Е недостатки и главный из них, - нецентрированное положение скважинного прибора, - преувеличены.
Не сказываются на результатах интерпретации диаметр и толщина стенки зацементированных и незацементированных обсадных колонн, влияние которых находится в пределах ошибок измерений; не нуждаются в каком-либо учте предусмотренные геологотехническими нарядами толщины заколонных зазоров и сроки проведения исследований АКЦ.
Автор нашл объяснение УпугающемуФ уменьшению амплитуд и увеличению затухания нормальной волны Лэмба в обсадной колонне более чем вдвое, многократно изученных на физических моделях, выполненных из обрезков незацементированных обсадных труб. Эти изменения к никаким образом не сказываются на заключение о незацементированной колонне: увеличение к от 31,5 дБ/м для идеального центрированного измерительного зонда до 6-8 дБ/м для расцентрированного не изменяет сути заключения. То же справедливо для полностью зацементированной колонны, для которой значение затухания к равно или больше 30 дБ/м. Дальнейшее увеличение к находится за пределами диапазона измерений. Промежуточные значения затухания между и 30 дБ/м рассматриваются одновременно с оценками дефектов цементного камня.
3. Определение контактов цементного камня со стенкой скважины (горными породами) достигается исключительного на основе регистрации объмных продольной и поперечной волн, распространяющихся в породах. Их регистрация, особенно поперечной волны, не распространяющейся в жидкости, одновременно свидетельствует о прочном контакте камня с обсадной колонной.
4. Результаты экспериментальных скважинных исследований, выполненных согласно методикам, предложенным автором диссертации, свидетельствуют, что три основных дефекта цементирования обсадных колонн, а именно: прерывистое пятнистое цементирование, обусловленное перемешиванием вытесняющей жидкости с цементным раствором, образование кольцевых микрозазоров между обсадной колонной и цементным камнем и вертикальных каналов в сформировавшемся камне, - могут быть установлены средствами ГИС. Все они принадлежат диапазону изменения к, который носит общее наименование Участичный контакт цементного камня с колоннойФ;
а) прерывистое цементирование (интервал перемешивания вытесняющей жидкости с цементным раствором) устанавливают вблизи запланированного уровня подъма тампонажной смеси по фрагментам на фазокорреляционных диаграммах (ФКД) фазовых линий волны Лэмба в обсадной колонне, появлению на них аномалий, обусловленных муфтами, фрагментами объмных волн;
б) кольцевые микрозазоры характеризуются одновременным присутствием на ФКД колебаний волны Лэмба в обсадной колонне и колебаний объмных продольной, поперечной и поверхностной Стоунли волн, распространяющихся в горных породах и вдоль стенки скважины. Кольцевые микрозазоры практически непроницаемы для пластовых флюидов при достаточном удалении двух соседних пластов с разной насыщенностью;
в) вертикальные макроканалы в цементном камне невозможно установить в зацементированной колонне, если их раскрытие составляет менее 60 угловых градусов. Они образуются в интервалах прилегания обсадной колонны к стенке скважины или другой внешней колонны (технической, кондуктора), имеют раскрытие более 60 угловых градусов и характеризуются значениями затухания к, меньшими 24 дБ/м. Редко установленные (через 25 м и более) центрирующие фонари колонны придают уверенность в том, что дефект цементного камня обусловлен именно вертикальными каналами.
5. Стандартные приборы акустической цементометрии диаметром 73-90 мм, прошедшие необходимую метрологическую проверку и оснащнные центрирующими устройствами, обеспечивают получение кондиционных первичных данных в вертикальных и слабонаклонных (до 45о) скважинах, обсаженных колоннами различного назначения (эксплуатационной, технической, кондуктором) диаметром от 120 до 324 мм и вскрывшим консолидированные осадки на глубинах более 30-40 м. В этих скважинах высокое качество цементирования обсадных колонн, исключающее заколонные перетоки пластовых флюидов и нагнетаемых вод, и кондиционные материалы АК - получают при строгом соблюдении требований к строительству скважин: центрировании всех обсадных колонн - кондуктора, технической, эксплуатационной; цементировании колонн смесью нормальной плотности (1,83-1,87 г/см3), приготовленной из свежего тампонажного цемента.
Определение в перечисленных скважинах механических контактов цементного камня с обсадными колоннами и полноты заполнения затрубного и межтрубного пространств камнем обуславливает оценку герметичности или негерметичности изоляции затрубных пространств с достоверностью, равной 0,9-0,95.
6. Современные цифровые скважинные приборы и компьютерные средства обработки первичных данных позволяют оценить в многоколонных конструкциях качество цементирования каждой колонны непосредственно после е цементирования и изменения его состояния, если бурение продолжалось и в скважину опускали другие обсадные колонны. Оценка качества цементирования в многоколонных конструкциях каждой последующей внешней колонны возможна при наджном (BI>0,8) цементировании внутренних колонн.
7. Достоверное заключение о герметичности затрубного пространства базируется на определении следующих параметров: высоты подъма 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. Для подготовки заключения необходимы данные трх методов цементометрии: стандартной акустической (АКЦ), радиометрической (ТМ и ДФ) и акустического сканирования. В частности:
а) комплекс данных стандартной акустической цементометрии, сведений об оснастке обсадной колонны, изложенные в акте на е спуск, и радиометрической гаммагамма-толщинометрии (ТМ) и -дефектометрии (ДФ) позволяют установить интервалы эксцентричного положения обсадной колонны и предположить образование вертикальных каналов в таких интервалах;
б) комплекс данных стандартной акустической цементометрии и акустического сканирования устанавливает существование за обсадной колонной незаполненных цементным камнем пустот, в том числе вертикальных каналов, но не объясняет причины их образования;
в) однозначное доказательство и объяснения герметичности либо негерметичности затрубного пространства, основанное на решении всех перечисленных выше задач цементометрии, в том числе выявление кольцевых микрозазоров и вертикальных каналов, достигается при комплексировании всех трх методов цементометрии.
8. Полнота решения проблемы определяется переходом производимых оценок (заключений) цементирования колонны на качественно новый уровень. Решение частных задач, как-то, Ч высота подъма цементного раствора, сплошность контактов цементного камня с колонной и горными породами, эксцентричное положение обсадной колонны в скважине, Ч заменяется оценкой более высокой категории Ч герметичности затрубного пространства или межтрубного пространства. На данный момент на такой переход не решается ни одна из ведущих транснациональных фирм.
9. Технико-экономическая эффективность работы состоит в получении доказательств длительной безопасности эксплуатации скважин с точек зрения сохранения их добывных возможностей и экологического состояния недр и окружающей среды, сокращения объмов ремонтно-восстановительных работ.
10. Все выводы и результаты получены автором в скважинах нефтегазовых месторождений Западного Казахстана, обслуживаемых геофизической службой TOO УTechno Trading, Ltd.Ф Рекомендуется внедрить описанную технологию оценки затрубного и межтрубного пространства на всех месторождениях Республики Казахстан независимо от формы собственности на лицензионные участки и организации Цисполнители работ.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Монография:
1. Конысов А. К., Козяр Н. В. Акустическая цементометрия обсадных колонн приборами с цифровой регистрацией данных // Актау. 2009. 192 с.
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и ВАК КР:
2. Конысов А. К. Проблемы акустической цементометрии // НТВ УКаротажникФ.
Тверь: изд. АИС. 2004. Вып.7 (120). С.144-154.
3. Конысов А. К., Земсков В. А., Козяр Н. В. Определение необходимости ремонтно-изоляционных работ затрубного пространства по данным акустической и радиометрической цементометрии // НТВ УКаротажникФ. Тверь: Изд. АИС. 2005. Вып.5-6 (132133). С.244-251.
4. Конысов А. К., Козяр Н. В. К вопросу оценки качества цементирования многоколонных конструкций // НТВ УКаротажникФ. Тверь: Изд. АИС.2005. Вып.7(134).
С.62-69.
5. Конысов А. К., Земсков В. А., Хаматдинов Р. Т., Черменский В. Г., Теленков В. М., Велижанин В. А. Опыт работы по определению характера насыщения пластов методом углеродно-кислородного каротажа на месторождении Жетыбай. // НТВ УКаротажникФ. Тверь: Изд. АИС. 2005. Вып.7 (134). С.71-77.
6. Конысов А. К. О вероятностной оценке непроницаемости затрубного пространства по данным акустической цементометрии // НТВ УКаротажникФ. Тверь: Изд. АИС.
2005. Вып.12-13 (140). С.91-97.
7. Козяр Н. В., Конысов А. К., Земсков В. А. Оценка качества цементирования обсадных колонн по данным двухчастотной акустической цементометрии // НТВ УКаротажникФ. Тверь: Изд. АИС.2005. Вып.5-6 (132-133). С.263-269.
8. Реабилитация малодебитных нефтяных скважин / А. Конысов, Г. Хапров, У.
Жанбасбаев и др. // УПромышленность КазахстанаФ, 2005. № 2. С.26-27.
9. Конысов А. К., Козяр Н. В. Исследование коллекторов сложнопостроенных разрезов Западного Казахстана // НТВ УКаротажникФ. Тверь: Изд. АИС. 2006. Вып.10-(151-152). С.129-139.
10. Конысов А. К. Определение герметичности затрубного пространства геофизическими методами // УГеофизикаФ. 2009. №4. С.65-69.
11. Конысов А. К. Определение качества цементирования многоколонных конструкций акустическими методами - обеспечение экологической безопасности нефтегазовых скважин /УЭкология и промышленность КазахстанаФ. Алматы. 2009. № 8.
С.23-25.
12. Конысов А. Обеспечение экологической безопасности нефтегазовых скважин // Промоышленность Казахстана // 2009. С.23-25.
13. Конысов А. К., Барсуков Ю. Ф., Бигараев А. Б. Опыт использования программно-технологического комплекса УIngef-WФ в геологических условиях Южноторгайского нефтегазоносного бассейна. // НТВ УКаротажникФ. Тверь: Изд. АИС. 2011. № 1 (199).
С.3-15.
Другие публикации:
14. Конысов А. К. Смена идеологии оценки качества цементирования обсадных колонн - требование времени / Доклад на 3-ем научном симпозиуме УВысокие технологии в промысловой геофизикеФ. Уфа. 17-20 мая 2004 г.
15. Об информативности шумометрии при решении задач контроля за разработкой многопластовых месторождений Южного Мангышлака. Доклады III РоссийскоКитайского симпозиума. А. Конысов, Р. Шакиров, А. Бижанов, Ж. Тулесинов. Уфа.
2004. С.324-331.
16. Применение комплексных аппаратов для одновремнного вторичного вскрытия и интенсификации притоков / В. Павлов, В. Романенко, В. Любимов и др. // Материалы Международной конференции Geopetrol-2004. Секция IV.С.585-891.
17. Конысов А. К., Козяр Н. В., Хаматдинов Р. Т. Геофизические исследования разрезов сложного строения / Доклад на второй Международной конференции УНовые технологии при поиске, разведке и эксплуатации месторождений углеводородного сырья в Республике Казахстан, г. Алматы. 28-30.05.2006 г.
18. Варыхалов А. С., Козяр Н. В., Конысов А. К. и др. Оценка состояния технической колонны и затрубного пространства длительно эксплуатируемых скважин акустическими методами // Материалы научно-практической конференции УПроблемы эффективности геофизических исследований при разведке и разработке месторождений нефти и газа Западной СибириФ. Тюмень. 2010. С.7-9.