книги / Геофизические исследования скважин
..pdfГ л а в а VIII.
ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СКВАЖИН
Геофизические методы применяют для изучения технического со стояния бурящихся и эксплуатационных скважин. Для этого разра ботаны скважинные приборы, специальные методики проведения ис следований, которые реализуют принципиальные возможности раз личных геофизических методов.
В настоящее время геофизическими методами возможно решение следующих задач: контроль положения ствола скважины в простран стве (инклинометрия); измерение диаметра и профиля ствола скважи ны (кавернометрия и профилеметрия); исследование состояния цемен тного камня за обсадной колонной; контроль за состоянием обсадных
Рис. 144.Виды геофизических исследований, выполненныхдля изучения тех нического состояния скважин
271
колонн; определение мест притоков и поглощений; установление затрубной циркуляции; определение мест прихвата бурового инструмен та в скважине; установление местоположения искусственного забоя, уровня воды, нефти в скважине; исследование зон гидроразрыва плас та; определение местоположения металлических предметов в скважи не; установка цементных мостов, разобщающих пакеров и т. д.
Информация о техническом состоянии скважин, получаемая гео физическими методами, необходима для успешной проводки и за вершения строительства скважины; для контроля за разработкой ме сторождения; для проведения ремонтных работ в эксплуатационных и нагнетательных скважинах.
Кроме того, данные о техническом состоянии скважин спо собствуют повышению эффективности геологической интерпретации геофизических исследований. Виды геофизических исследований, которые проводятся в бурящихся и обсаженных скважинах с целью изучения их технического состояния, и решаемые при этом задачи показаны на схеме, изображенной на рис. 144.
§1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖ И Н
Впроектах на бурение проводка скважин предусматривается вер тикальной или в заданном направлении (наклонно-направленные). Направленное бурение проводят в тех случаях, когда кровлю пласта необходимо вскрыть в точках, проекция которых на земную поверх ность смещена относительно устья скважины. Это требуется при ку стовом бурении (рис. 145, а) в случае, когда невозможно разместить
оборудование непосредственно над объектом бурения (рис. 145, б), при вскрытии крутопадающих пластов (рис. 145, в) и т. п.
Однако и при бурении вертикальных скважин за счет изгиба бу рильных триб и вскрытия пластов различной твердости, залегаю щих под некоторым углом к горизонтальной поверхности, происхо дит отклонение ствола от вертикали, называемое и с к р и в л е н и ем с к в а ж и н ы .
Информацию о фактическом положении ствола скважины необхо димо иметь прежде всего технологам, с тем чтобы предотвратить зна чительные отклонения ствола от вертикали или заданного направле ния. Необходимо выявлять участки с резкими искривлениями, в кото рых может образоваться система желобов, приводящих к осложнениям при бурении, проведении геофизических исследований, при спускоподъемах бурового инструмента, спусках обсадных колонн, фильтров. Кроме того, данные об искривлениях необходимо учитывать при геологических построениях, при определении месторасположения за боя, абсолютных отметок вскрываемых пластов и их нормальной мощ ности. Пространственное положение любой точки ствола скважины ха рактеризуется двумя углами: у г л о м и с к р и в л е н и я 8 (кривизны скважины) — отклонением оси скважины от вертикали (рис. 146, а) и д и р е к ц и о н н ы м у г л о м (i (рис. 146, б) — углом между горизон тальной проекцией элемента оси скважины, взятой в направлении уве личения глубины скважины, и географическим меридианом.
272
Рис. 146. Проекция участка ствола скважины на вертикальную (а) и гори зонтальную (б) плоскости
Обычно вместо дирекционного угла пользуются магнитным ази мутом ф, т. е. углом, отсчитываемым по ходу часовой стрелки между направлением на магнитный север См и горизонтальной проекцией элемента оси скважины.81
18 — Добрынин В М |
273 |
Определение искривления скважины сводится к замерам положе ния в пространстве оси скважины, следующим один за другим. Причем в пределах каждого отрезка ось скважины отождествляют с прямой линией. Измерения в скважинах выполняют по точкам. В вертикаль ных скважинах расстояние между точками наблюдения Z(шаг измере ния) принимают равным 25 м, в наклонно-направленных — 5 м.
При определении проекции ствола скважины условно принима ют, что углы 5 и ф, полученные в нижней точке интервала исследова ния, остаются постоянными до следующей точки измерения. Плос кость, проходящую через вертикаль, и прямую линию, принимае мую в данном интервале за ось скважины, называют п л о с к о с т ь ю и с к р и в л е н и я . Истинные значения угла отклонения 8, а также ве личину горизонтальной проекции заданного интервала глубин опре деляют в плоскости искривления.
Проекцию интервалов ствола скважины на вертикальную плос кость (рис. 146, а) определяют как
гюер=г,сos8„ |
(VIII. 1) |
где 11вер= hl+1- h t n h t — глубина нижней и верхней точек измерения). Для определения абсолютной отметки вскрываемого г-го пласта Нгвычисляют сумму вертикальных проекций от устья скважины до
изучаемого интервала:
Hl = E ltBep= E J. COsSI |
(VIII. 2) |
Горизонтальная проекция i -го интервала скважины Alv от клоненного на угол 8t (рис. 147, б),
AZ,=Z, sinS, |
(VIII. 3) |
|
|
По данным измеренных углов |
|
с |
и вычисленных значений гори |
|
|
зонтальных проекций строят ин- |
|
|
клинограмму — проекцию оси |
|
|
скважины на горизонтальную |
|
|
плоскость (рис. 147). Инклино- |
|
|
грамму получают путем последо |
|
|
вательного построения всех вы |
|
|
численных значений AZ„ начиная |
|
|
с наименьшей глубины, и откла |
|
|
дывают их в направлении изме |
|
|
ренного угла ф. Соединив началь |
|
Рис. 147. Пример построения инкли |
ную точку первого интервала с |
|
нограммы — горизонтальной проек |
конечной точкой последнего, по |
|
ции ствола скважины. |
лучают общее смещение оси сква |
жины от вертикали а на исследу емом участке. Величину смещения и его направление указывают на плане. Инклинограммы строят, как правило, в масштабе 1:200.
Углы и азимуты отклонения в скважинах измеряю т специ альными скважинными приборами — инклинометрами. В зави
274
ного прибора в пространстве плоскость рамки устанавливается пер пендикулярно к плоскости искривления скважины. В рамке разме щен указатель азимута и угла. Указатель азимута состоит из маг нитной стрелки 1 и градуированного электрического сопротивления 2 (кругового реохорда).
Круговой реохорд смонтирован на изоляционной панели и уста новлен под магнитной стрелкой. Магнитная стрелка выполнена из двух намагниченных стерженьков, которые закреплены в дюралю миниевом колпачке с агатовым подшипником. Подшипник насажен на острие оси 5. Стрелка снабжена изолированными от нее пружин ными контактами 4.
Корпус, в котором смонтирован указатель азимута, закреплен на двух полуосях и под действием груза 5 занимает положение, при ко тором ось магнитной стрелки всегда ориентирована вертикально.
Датчик угла искривления состоит из отвеса 6, стрелки 7 и граду ированного электрического сопротивления (углового реохорда) 8. Плоскость качания отвеса перпендикулярна к плоскости рамки и со впадает с плоскостью искривления скважины.
Винклинометре установлен электромагнит, который по команде
споверхности фиксирует или освобождает магнитную стрелку и от
Рис. 149. Принципиальная электри ческая схема инклинометра.
ЦЖК— центральнаяжила кабеля; ОК — оплетка кабеля
вес. С помощью коллектора с тре мя контактными кольцами 9 и двумя парами щеток 10 к измери тельной цепи подключаются с помощью переклю чателя П (рис. 149) либо реохорд угла на клона, либо датчик азимута.
При изменении азимута маг нитная стрелка пружинными контактами 4 закорачивает часть реохорда. Сопротивление незам кнутой части AR~ пропорцио нально азимуту <р.При измерении угла стрелка указателя угла от клонения, жестко скрепленная с отвесом, переместится на дугу 8 и закоротит реохорд. Сопротив ление незакороченного участка реохорда АК5 пропорционально углу 5.
Углы отклонения измеряют при фиксированном положении всех чувствительных элементов. Для замеров ARv и ДК8 исполь зуют мостовую схему. Принципи альная электрическая схема из мерения инклинометром изобра жена на рис. 149.
276
Три плеча моста имеют постоянное сопротивление и установлены на поверхности в панели управления. Сопротивления R 1и R 2вклю чаются при измерении углов, сопротивления К4 и i?5 — при измере нии азимута; R z— общее сопротивление моста. Четвертое плечо сла гается из сопротивления жилы кабеля, переменного сопротивления R 7, предназначенного для компенсации изменения сопротивления жилы кабеля, и сопротивлений реохорда угла наклона Rs или маг нитной буссоли Кф.
В одну диагональ моста АВ подключен источник тока Е, в другую диагональ моста MN — гальванометр G. Переменное сопротивление R 6служит для компенсации моста при измерении ДК8или .
В настоящее время выпускаются инклинометры как для исполь зования на одножильном кабеле (рис. 150, а), так и сбрасываемые в бурильную колонну (извлечение производится после подъема бу-
1
Рис. 150.
а) . Компьютеризированный многоточечный магнитный инклинометр типа ИМТ-2М.
ЭЛ — электромагнитный привод, РСС — регулятор скорости спусковой с переключателем мгновенного действия, МПСК — многоцепной переключатель со скользящими контактами, АМЭ — арретирующий механизм электромагнитный, ИС — измерительная система
б) . Универсальный забойный инклинометр ЗИ-6 смеханическимметодомрегистрациипа раметров искривления ствола скважины (пу тем фиксации стрелок чувствительных эле ментов относительно измерительных шкал).
1— измерительная система, 2 — арретирующее ус тройство с часовым механизмом, 3 — дифференци альный сильфонный уплотнительный элемент, 4 — мембранный компенсатор давления, 5 — компенси рованный охранный кожух, б — пружинный амор тизатор, 7 — ударник, 8, 9 — предохранительные муфты
277
рильной колонны либо с помощью овершота съемной грунтоноски). — рис. 150, б (ЗАО «Газпромгеокомсервис», ЗАО «Геотермприбор»).
Для контроля за проводкой стволов наклонно-направленных и го ризонтальных скважин разработана навигационно-технологическая компьютеризированная система (НТКС) «Волна» (рис. 151). НТКС включает в себя сбрасываемый инклинометр (ЗИ-48) с двумя сква жинными приборами диаметром 48мм, магнитный инклинометр (ИМТ-2М-01) с двумя скважинными приборами диаметром 60мм, ги роинклинометр (ИГМ 1-42/120-80) с двумя скважинными прибора ми, модуль гамма-метода, датчики глубины и веса бурильной колон ны, датчик давления, спускоподъемное устройство с одножильным геофизическим кабелем, персональный компьютер и другое обору дование по согласованию с предприятием.
Рис. 151. НТКС «Волна» для контроля за проводкой наклонно-направлен ных и горизонтальных стволов скважин:
I — ввод геофизического кабеля на отводе вертлюга, 2 — одножильный геофизичес кий кабель; 3,4 — ролики; 5 — каротажная лебедка; 6 — измерительная система ТЛС19 на основе компьютера Pentium с сопутствующим оборудованием; 7 — буровая ко лонна; 8 — турбобур с отклонителем; 9 — долото, 10 — гидравлический ориентатор, II — скважинный навигационный прибор (например, сборка «гироинклинометр+модуль ГМ»)
НТКС позволяет пронозировать и корректировать траекторию ствола скважины поданным механического каротажа для формиро вания волнообразного горизонтального участка ствола и обеспечи вает проведение инклинометрии с построением плана и профиля ствола скважины с полным комплексом навигационных параметров (смещение забоя, интенсивность искривления, кручение и др.).
§2. ИЗМЕРЕНИЕ ДИАМЕТРА И ПРОФИЛЯ СТВОЛА СКВАЖИНЫ
Впроцессе бурения скважины ее диаметр не остается постоянным; он изменяется с глубиной и во времени. Диаметр скважины может
278
быть номинальным, т. е. соответствовать диаметру долота, быть боль ше или меньше номинального. Изменения диаметра определяются литолого-петрографическими свойствами горных пород и зависят также от технологии бурения.
Номинальный диаметр dHсохраняется в плотных, непроницаемых породах. Увеличение диаметра dc> d Hнаблюдается при разбурива нии глин, аргиллитов, каменной соли, трещиноватых и кавернозных известняков. Уменьшение диаметра скважины по сравнению с но минальным происходит при проникновении фильтрата бурового ра створа в проницаемые отложения и образовании на стенках скважи ны глинистой корочки. Нарастание глинистой корочки, образование каверн в толщах соли и аргиллитов в значительной мере определя ются параметрами бурового раствора. Скважины никогда не бывают строго вертикальными. Поэтому при спуско-подъемных операциях буровой инструмент движется всегда по одной и той же образующей стенке скважины. При этом замковые соединения врезаются в гор ную породу, разрушают ее, образуют желоб и асимметрично увели чивают диаметр.
Измерение фактического диаметра скважины называется кавернометрией. Эти измерения выполняют специальными приборами — каверномерами и профилемерами. Каверномеры обеспечивают не прерывную запись усредненного диаметра по глубине, называемую кавернограммой. Профилемеры позволяют проводить измерения ди аметра или радиуса скважины в двух или нескольких плоскостях. Такие измерения проводят непрерывно по стволу скважины, и по лучаемая при этом диаграмма называется п р о ф и л е г р а м м о й ; они могут быть выполнены по отдельным точкам.
Кавернометрия
Все скважинные приборы по конструкции измерительных эле ментов подразделяются на циркульные, фонарные, ромбические (рис. 152).
Кинематическая схема ромбовидного каверномера приведена на рис. 152, б. В этой конструкции используются коленчатые рычаги, соединенные в верхней части осями 2 с корпусом прибора 1; в ниж ней части осями 4 они соединены с подвижным фланцем 5, скользя щим по хвостовику 6. Пружина 7 стремится шарнирные соединения 8 измерительных рычагов прижимать к стенке скважины. В схеме каверномера фонарного типа (рис. 152, в) измерительными элемен тами являются упругие рессоры, верхний конец которых соединен с корпусом, а нижний — с подвижным фланцем.
В приборах циркульного типа (рис. 152, а) измерительными эле ментами являются рычаги 5, которые осью 2 соединяются с корпу сом прибора.
Измерительные рычаги имеют длинные (За) и короткие (36) пле чи. С короткими плечами механически связан шток-толкатель 9. С помощью пружин 7 шток-толкатель прижимает измерительные щупы к стенкам скважины. При уменьшении диаметра скважины
279
Рис. 152. М еханические схемы циркульного (о), ромбического (б) и рессорного
(в) каверномеров
рычаги перемещают штоки внутрь прибора, сжимая при этом пру жины.
Во всех приборах для измерения диаметра скважины линейное движение штока, расположенного в корпусе прибора, преобразуется в электрический сигнал. Движение штока приводит к изменению ка- кого-либо электрического датчи ка, чаще всего омического. Прин ципиальная электрическая схема измерения диаметра скважины прибором с омическим датчиком на трехжильном кабеле приведе
|
на на рис. 153. |
|
|
Каверномер представляет со |
|
|
бой градуированное сопротив |
|
|
ление (реохорд). Датчик питает |
|
|
ся постоянным током. В цепи ус |
|
|
тановлено балластное сопротив |
|
|
ление R6 для регулировки силы |
|
|
тока I,, миллиамперметр мА, эта |
|
|
лонное сопротивление Кэтдля из |
|
|
мерения силы тока в питающей |
|
|
цепи. На поверхности измери |
|
Рис. 153. П ринципиальная электри |
тельным прибором РП регистри |
|
руется разность потенциалов ДU. |
||
ческая схема изм ерения диам етра |
||
скваж и н ы прибором с омическим |
Масштаб регистрации устанав |
|
датчиком на трехжильном кабеле |
ливается сопротивлением Км. Из |
280