Определения герметичности крепления обсадных колонн глубоких скважин

      Министерство  образования и  науки

     Российской  Федерации

                              Федеральное государственное  бюджетное

     образовательное учреждение высшего

        профессионального  образования 

          Уральский государственный горный университет 
 

Кафедра геофизики 
 

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ КРЕПЛЕНИЯ 

ОБСАДНЫХ  КОЛОНН ГЛУБОКИХ СКВАЖИН 

                                                                                                  Выполнил:.

                                            Проверил:   
 
 
 
 
 

Екатеринбург 2011

Оглавление 

1. Введение……………………………………………………….3
2. Оценка герметичности затрубного пространства ………….4

обсадных колонн по данным комплекса методов ГИС

3. Выводы……………………………………………………….12
4. Используемая литература…………………………………...15

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

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 еѐ достижения необходимы, в первую очередь, изоляция друг от друга различных гидродинамических комплексов, пересечѐнных скважиной, и безусловное исключение выхода на дневную поверхность минерализованных вод, особенно содержащих углеводороды и сероводороды.

В мировой  практике задачи контроля качества крепления  возлагают на геофизические методы исследований скважин (ГИС). В настоящее  время в США, Канаде, России  применяют  методы геофизики, основанные на регистращии  параметров, чувствительных к появлению  в затрубном пространстве цементного раствора и образования цементного камня. Это термометрия скважин (ОГЦ  и ОЗЦ), акустическая (АКЦ) и радиометрическая

гамма-гамма  цементометрия (ГГЦ), гамма-гамма дефектометрия  и толщинометрия (СГДТ), и, наконец, акустическое сканирование стенки колонны и цементного кольца (АК-сканирование). Вместе с тем, разрозненное применение перечисленных методов не решает проблемы оценки качество изоляции между собой отдельных продуктивных и крупных гидрогеологических комплексов.

Актуальность  оценки герметичности затрубного пространства стала очевидной в результате опыта длительной эксплуатации разрабатываемых  месторождений углеводородов во многих странах мира. Широко известны факты повсеместного осолонения поверхностных питьевых вод в  Казахстане, Поволжье. Установлено, что  негерметичность затрубного пространства вызывает такие аномальные явления, как перемещение 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. 
 
 

Оценка  герметичности затрубного пространства обсадных колонн по данным комплекса методов ГИС. 

1.1 Полная оценка качества цементирования обсадных колонн, обеспечивающая подготовку заключения о герметичности затрубного или межтрубного пространств, содержит решение нескольких близких по содержанию задач: определение высоты подъѐма 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.

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 АКЦ является слабая чувствительность к вертикальным каналам в цементном камне, угол раскрытия которых меньше  60º.  Следствием этого недостатка является тот факт, что вероятность

оценки непроницаемости  затрубного пространства стремится  к  100%, если αк >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 макроканал, само существование которых ставит под сомнение герметичность затрубного пространства.

Для исключения неоднозначности оценки герметичности затрубного пространства необходимо комплексирование данных АКЦ 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-гамма дефектометрии содержит шесть детекторов, расположенных по окружности скважинного прибора. Соответственно, его материалы позволяют различать каналы с угловым раскрытием  60º. 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 еѐ достоверность в неконтролируемых условиях . Кроме того, возможность

определения местоположения центрирующих фонарей обсадной колонны и интервалов еѐ эксцентричного положения объясняет суть происходящего явления.

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 45º; фактически, с учѐтом дифракционных явлений, не менее чем в углах 60º. Этот результат сопоставим с полученными для стандартных приборов АКЦ и СГДТ. Сканеры с одним вращающимся преобразователем (фирмы ООО  “Нефтегазгеофизика” , 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 60º, а значение коэффициента BI менее 0,8.

 
 

Таблица 1.1 — Перечень частных задач, решения которых необходимо для оценки герметичности (проницаемости или непроницаемости) затрубного пространства.

*͗ Не выполняется в непродуктивных интервалах вследствие малой скорости и дороговизны исследований 

Таким образом, от всех трѐх 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 придаѐт 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.

1.2. 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 45º. Итоговое решение, охватывающее все частные задачи, может быть достигнуто при разумном комплексировании двух и более методов.

С экономической точки зрения комплексирование исследований необходимо проводить по мере надобности и удорожания работ:

а) Сочетание  данных АКЦ и сведений об оснащении и спуске обсадных колонн. Информация об оснастке обсадных колонн самая дешѐвая и доступная для геофизических предприятий. Тем не менее, еѐ использование исчисляется единичными случаями. Воз-можной причиной служит частое отступление организаций, бурящих скважину, от требований ГТН и,соответственно, недоверие к данным, которые они предоставляют.Если центрирующие фонари колонны (с учѐтом еѐ 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  – обосенесимметричном 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 илимежтрубного пространств, хотя прямые доказательства негерметичности отсутствуют.

в)  Сочетание  данных двух методов акустической цементометрии  – на преломленных (АКЦ) и отражѐнных (круговое сканирование) волнах  – предоставляет достоверную информацию о качестве цементирования обсадной колонны и проницаемости или непроницаемости затрубного пространства. В интервалах безупречного цементирования (αк ≥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  αк <24  дБ/м соответствуют градации  “частичный контакт”  камня с колонной. Значения  BI, найденные по данным АК-сканирования, меньше  0,6. Угловое раскрытие каналов измеряется от 60 до 110º. Остаѐтся 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 АКЦ сплошными контактами камня с колонной и породами и полным заполнением затрубного пространства камнем. Это ещѐ раз подчѐркивает вероятностную оценку качества цементирования по данным отдельно применяемой акустической цементометрии (АКЦ).