книги / Геофизические исследования скважин

меряемая разность потенциалов пропорциональна сопротивлению части реохорда ДКХмежду его концом N и ползунком М, который свя­ зан со штоком. В результате регистрируемая разность потенциалов ДU пропорциональна диаметру скважины. Диаметр скважины (в см) определяется по формуле

dc= d0+CAU/I

где d0 — начальный диаметр скважины; С — постоянная кавер­ номера, см/см.

Приборы, в которых используются измерительные рычаги ром­ бического или рессорного типа, удобны при проведении исследований. Они свободно перемещаются по стволу скважины вверх и вниз, что дает возможность повторять измерения. Приборы этого типа могут быть использованы в конструкции скважинных снарядов, предназ­ начаемых для регистрации нескольких параметров.

Измерительные рычаги циркульного типа позволяют измерять диаметр скважины только при подъеме прибора. Спуск прибора в скважину осуществляется со сложенными измерительными рыча­ гами. Однако приборы этого типа широко применяются, так как обес­ печивают лучшую дифференциацию разреза. Техническая харак­ теристика наиболее распространенных каверномеров приведена в табл. 12.

Т а б ли ц а 12. Техническая характеристика некоторы х типов скважинных каверномеров

В приборах типа СКС, предназначенных для работы на трехили одножильном кабеле, четыре измерительных рычага, расположен­ ных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Конструкция ка­ верномера показана на рис. 154.

Длинное плечо каждого измерительного рычага 1 прижимается к стене скважины отдельными пружинами 2. Это обеспечивает незави­ симое перемещение измерительных рычагов. Короткое плечо закан­ чивается фигурным кулачком. Форма кулачка подобрана такой, что­ бы обеспечить линейное соотношение перемещения штока 3 при из­ менении диаметра скважины.

Перемещение всех рычагов суммируется с помощью непод­ вижных 5 и подвижных 4 роликов, огибаемых тросиком 8. По­

281

движные ролики установлены на штоках, неподвижные — укреп­ лены на стойках. Тросик одним концом закреплен на корпусе прибора, другим — на барабане, расположенном на одной оси с ползунком реостата 7. Пружина 6 обеспечивает натяжение троси­ ка и обратный ход ползунка рео­ стата.

Каверномер заполнен маслом и снабжен компенсатором давле­ ния, что обеспечивает герметиза­ цию прибора. Спуск в скважину прибора осуществляется со сло­ женными измерительными рыча­ гами, которые удерживаются в этом положении бандажом из не­ скольких слоев изоляционной лен­ ты или тонкой проволоки. Рычаги раскрываются на забое с помощью металлического хвостовика или запального устройства. Металли­ ческий хвостовик в верхней своей части имеет коническую форму; при ударе прибора о забой он сме­ щается вверх и, нажимая своей конусной частью на концы рыча­ гов, разрывает бандажи.

В каверном ерах типа КСУ имеются три мерных рычага, рас­ положенных через 120° вокруг корпуса. Гидравлическая система

обеспечивает неоднократное раскрытие и закрытие рычагов непос­ редственно в скважине, что позволяет проводить повторные изме­ рения без извлечения прибора на поверхность.

Кавернометрия входит в стандартный комплекс геофизических исследований, и регистрация диаметра скважины является обяза­ тельной во всех скважинах. Данные кавернометрии используют при литологическом расчленении разреза, при вычислении удельного со­ противления горных пород, при истолковании диаграмм микрозон­ дов, определении пористости, глинистости по данным радиоактив­ ных методов и т. п.

Кроме того, данные кавернометрии широко используют для ре­ шения технических задач.

Необходимое количество цементного раствора при цементи­ ровании обсадных колонн определяют по формуле

282

где H — высота подъема цементного кольца в затрубном пространстве (по проекту); dc — средневзвешенное значение диаметра скважины, определяемое по кавернограмме; dK— внешний диаметр обсадной ко­ лонны.

Данные каверномера используют при выборе наиболее благопри­ ятного участка скважины для установки башмака промежуточной колонны, пакера при испытании скважин, интервалов отбора керна боковыми грунтоносами, интервалов установки пробоотборника на кабеле. Кавернограммы позволяют технологам выделять участки ос­ ложненного ствола скважины. Допустимая погрешность измерения диаметра скважины каверномерами с омическими датчиками ±1 см.

Профилеметрия

В бурящихся скважинах несоответствие формы открытого ствола круглому сечению свидетельствует о наличии желоба. Образуется желоб (рис. 155, в) в результате разрушения горных пород буровым инструментом и его замковыми соединениями в процессе бурения (особенно когда бурение ведется роторным способом) и при спуске-

Рис. 155. Примеры выделения в разрезе скважин желоба.

а — профилеграмма, полученная прибором СКП; б—диаграммы поперечного сечения скважины, построенные по результатам измерения прибором СПР; в — схема образо­ вания желоба. 1— песчаник; 2 — глина; 3 — азимут желоба

283

подъеме инструмента. Развитие желобов осложняет бурение сква­ жины и разработку месторождений. В этих зонах наблюдаются за­ тяжки бурового инструмента, которые могут привести к прихватам; возникают трудности при спуске обсадных колонн; могут возникнуть заколонные перетоки.

Только в разведочном бурении четверть всех аварий связана с прихватами инструмента в желобах. На ликвидацию этих прихва­ тов расходуется до 50% аварийного времени.

Желоб в разрезе скважины выделяют с помощью профилемеров. В приборах этого типа в отличие от каверномеров раздельно регист­ рируются показания каждой пары рычагов, расположенных в одной плоскости.

Скважинный каверномер-профилемер СКП позволяет одно­ временно непрерывно регистрировать три кривые: кавернограмму и две кривы е для диаметров скваж ины в двух взаимно пер­ пендикулярных плоскостях. Диаметры скважин определяют по ве­ личине раскры тия двух пар независимо перемещ ающ ихся и з­ мерительных рычагов. Информация передается по одножильному кабелю с использованием схемы частотного разделения сигналов Пример профилеграммы приведен на рис. 155, а.

После обнаружения желоба, протяженность которого превышает размер свечи, проводят детальное изучение поперечного сечения скважины. Для этой цели применяют аппаратуру СПР — скважин­ ный профилемер-радиусомер с восемью измерительными рычага­ ми. Замеры в скважинах проводят дискретно по точкам. Прибор ус­ танавливают в исследуемом интервале и затем последовательно сни­ мают показания с каждого из восьми измерительных рычагов. Замеры, привязанные по азимуту, позволяют построить диаграммы поперечного сечения скважины (рис. 155, б).

Желоб считается прихватоопасным, если глубина его превышает половину диаметра замкового соединения; если развился он в вер­ тикальной плоскости направления скважины, приурочен к местам зенитного перегиба ствола скважины и стабилен во времени.

Для предупреждения прихвата и ликвидации опасного лечения профиля скважины выполняют торпедирование (см. гл. IX, § 2).

§ 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВА ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН

Основные факторы, определяющие качество цементирования об­ садных колон, это — фактическая высота подъема цемента в затрубном пространстве и ее соответствие проектной высоте; равномер­ ность распределения цемента в затрубном пространстве и отсутствие в нем трещин, пустот и других дефектов; схватывание цементного камня с обсадной колонной и горной породой.

Качество цементирования нефтяных и газовых скважин конт­ ролируют с помощью геофизических методов — термометрии, ра­ диоактивных изотопов, акустического, рассеянного гамма-излу­ чения.

284

Термометрия

Температурные измерения долгое время были единственным мето­ дом контроля качества цементирования обсадных колонн. Затвердева­ ние цементного раствора — реакция экзотермическая. Время, по исте­ чении которого цементный раствор достигает максимальной темпера­ туры, зависит от типа и качества цемента и обычно составляет 8— 16 ч. Тепло, выделяемое цементным раствором, вносит изменения в тепло­ вое поле скважины, и эти изменения могут быть зафиксированы.

При благоприятных условиях на термограмме, зарегистри­ рованной через 12— 36 ч после окончания заливки цемента, наличие цемента за колонной, а также его верхняя граница подъема устанав­ ливаются достаточно четко по увеличению температуры по стволу скважины (рис. 156).

Рис. 156. Определение верхней гра­ ницы подъем а цем ента м етодам и термометрии и радиоактивных изо­ топов.

1 — геотермограмма; 2 — термограмма после цементирования скважины, кри­ вые гамма-активности- 3— естественной, 4 — после цементирования с введением радиоактивных изотопов

Однако методу присущи ограничения, основными из которых яв­ ляются следующие. Незначительный радиальный градиент темпе­ ратуры в скважине не позволяет контролировать равномерность рас­ пределения цемента за колонной. Время проведения исследований в скважине ограничено периодом затвердевания цемента.

Метод радиоактивных изотопов

Выделить цемент за колонной можно путем добавления в цемен­ тный раствор активаторов — веществ, обладающих характерными свойствами, резко отличающимися от таковых в горных породах. При выборе активатора для промышленного использования необходимо соблюдать основное требование — возможность последующего изу­ чения разреза скважины с целью контроля за ходом разработки ме­ сторождения. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают ра­ диоактивные изотопы.

285

Метод радиоактивных изотопов для изучения качества це­ ментирования скважин был предложен и опробован в 1939 г (К П Ко­ зин, В Н Дахнов, Г С Морозов, А А Коржев, Г Н Строцкий) В це­ ментный раствор добавляли минерал карнотит Однако карнотит об­ ладал большим периодом полураспада и надолго изменял общую картину естественной радиоактивности разреза скважин После по­ явления короткоживущих изотопов тот же коллектив авторов в 1941 г получил авторское свидетельство на способ активации цемен­ тного раствора любыми радиоактивными элементами

По этой методике в цементный раствор добавляют радиоактивные изотопы Регистрируют кривые гамма-излучения в скважине до и после закачки раствора По изменившимся значениям активности оп­ ределяют фактическое положение цемента за колонной и характер его распределения в затрубном пространстве

В качестве активаторов обычно применяют изотопы с отно­ сительно небольшим периодом полураспада и достаточно жестким гамма-излучением Характеристика наиболее часто применяемых изотопов приведена в табл 13

Т а б л и ц а 13 Х арактеристика радиоактивны х изотопов, используемых для контроля качества цемента за колонной

Для того чтобы уверенно выделить цемент в затрубном про­ странстве, радиоактивность цементного раствора следует довести до такого значения, чтобы обеспечивалось двух-трехкратное увеличе­ ние гамма-активности по сравнению с фоновыми значениями

При интерпретации диаграмму, полученную в скважине, со­ поставляют с контрольной кривой гамма-активности, записанной до введения радиоактивных изотопов Интервал заливки цемента вы­ деляется по увеличению активности (см рис 156)

Работы с радиоактивными изотопами требуют соблюдения правил безопасного ведения работ, исключающих облучение обслуживающего персонала и загрязнение окружающей среды и оборудования Поэто­ му в настоящее время применение метода ограничивается контролем при повторных заливках, при ремонтных работах на скважине При этих работах в скважину закачивают небольшие порции цемента и требуется проследить, как происходит заполнение трещин, каналов и других нарушений цементного камня

286

Метод рассеянного гамма-излучения

Широко распространены в настоящее время исследования це­ мента за колонной с помощью гамма-гамма-метода В этом случае не требуется применение радиоактивных изотопов, показания ГГМ не зависят от температуры, времени схватывания цемента и обуслов­ лены только плотностью среды, окружающей скважину

При изучении обсаженных скважин плотностная характеристика среды в общем случае определяется занимаемым объемом и плотно­ стью бурового раствора 8Р, цементного камня 5Ц, обсадной колонны

также увеличение размера зонда позволяют увеличить глубинность исследования В этом случае на показания прибора будет оказывать влияние плотностная характеристика среды в затрубном простран­ стве Так как плотность цементного камня [5Цпорядка (1,8— 1,9) • 103 кг/м3] отличается от плотности бурового раствора [8р= (1,0 — 1,3) • 103 кг/м3] и горных пород [8П=(2,3— 2,8) • 103 кг/м3], то различие это ис­ пользуют для контроля качества цементирования скважин методом рассеянного гамма-излучения

Для изучения плотностной характеристики среды в затрубном пространстве разработаны измерительные установки двух типов

287

боковые прорези — щели 5. Благодаря такой конструкции рассеянное гамма-излучение поступает на счетчик лишь с той части скважины, куда обращена соответствующая боковая прорезь в экране. Прибор ре­ гистрирует независимые кривые рассеянного гамма-излучения с каж­ дого счетчика. Получаемая диаграмма называется ц е м е н т о г р а м - м о й. Для уменьшения влияния бурового раствора прибор в скважине центрируют.

В практике работ применяют аппаратуру ЦМТУ-1, предна­ значенную для исследования цементного камня в затрубном про­ странстве нефтяных и газовых скважин диаметром от 190 мм и бо­ лее, обсаженных эксплуатационной колонной. Регистрируются три кривые ГГМ зондом 40 см. В качестве источника гамма-лучей исполь­ зуется цезий-137, в качестве индикатора — газоразрядные счетчи­ ки по одному в канале. Прибор рассчитан на стабильную работу при температуре окружающей среды до 120 ‘С.

Гамма-гамма-дефектомер основан на принципе рассеянного гам­ м а-излучения. Он вклю чает источник и один детектор, рас ­ положенный вдоль оси прибора (рис. 158, б). Детектор 1 помещен в кольцевой свинцовый экран 2 с радиальной щелью 3. Экран с помо­ щью электродвигателя и редуктора равномерно вращается с часто­ той порядка 0,1 с-1, Это обеспечивает регистрацию изменения ин­ тенсивности рассеянного гамма-излучения по периметру колонны. Если измерения выполняют по точкам, то такая кривая называется к р у г о в о й ц е м е н т о г р а м м о й . Непрерывная кривая, записан­ ная по стволу скважины прибором с вращающимся экраном, назы­ вается д е ф е к т о г р а м м о й . Измерительные установки такого типа используют аппараты типа СГДТ.

На результатах измерения цементомерами и дефектомерами (по­ мимо плотностной характеристики среды в затрубном странстве) ска­ зывается влияние состояния обсадной колонны. При интерпретации цементограммы и особенно при количественной обработке получае­ мых материалов влияние обсадных колонн необходимо учитывать. С этой целью создан прибор СГДТ-2, в котором скомплексированы дефектомер и толщиномер. Блок-схема прибора СГДТ-2 приведена на рис. 159.

Зонд дефектомера расположен в нижней части прибора. Включа­ ет он источник 7 жесткого гамма-излучения (цезий-137) и индика­ тор 6, помещенные во вращающийся свинцовый экран с коллимаци­ онными окнами а и ах. Экран вращается электродвигателем 5. Ко-

288

манды на электродвигатель по­

ли ИП постоянный ток подается на регистрирующий прибор РП, где при непрерывном подъеме при­

бора в масштабе глубин записываются дефектограмма и толщинограмма.

Прибор СГДТ-2 стабильно работает при температуре до 120 °С и давлении до 59 МПа.

Контроль за качеством цементирования обсадных колонн гамма- гамма-методами осуществляют в остановленных скважинах после извлечения технологического оборудования. Для интерпретации по­ лучаемых материалов необходимо иметь информацию о состоянии скважины. Надо знать диаметр скважины и колонны, толщину сте­ нок обсадных колонн, количество и плотность закачиваемого цемен­ та, способ и дату заливки, плотность промывочной жидкости в пе­ риод цементирования, местоположение цементирующих фонарей, интервалов перфорации. Все эти сведения наряду со стандартной91

информацией о радиоактивных методах указываются в заголовках диаграмм. При интерпретации цементо- и дефектограмм рассмат­ ривают регистрируемые значения рассеянного гамма-излучения 1.(( и величины расхождения кривых в исследуемом интервале 1тахД ттХарактер кривых определяется положением колонны в скважине и средой, заполняющей затрубное пространство. Возможны следую­ щие основные случаи.

1.Диаметр скважины увеличен, колонна центрирована, вещество

взатрубном пространстве однородно. В этих случаях расхождение кривых невелико и определяется статистическими флуктуациями. Регистрируемые значения гамма-активности определяются плотно­ стью среды в затрубном пространстве. Если каверна заполнена бу­ ровым раствором (7), то регистрируемые значения 1Ш будут макси­ мальными по разрезу, и по ним проводят линию бурового раствора (рис. 160). Если каверна заполнена цементным камнем (IV), то регис­ трируемые значения рассеянного гамма-излучения 1т значительно меньше .L,r и отражают плотность цементного камня — линия цемента (см. рис. 160).

2.Диаметр скважины номинальной, положение колонны эксцен­ трично. При эксцентричном положении колонны плотность среды по различным радиальным направлениям будет неодинаковой и это приведет к значительному расхождению кривых. Плотность гор­ ных пород выше плотности цементного камня и бурового раствора.

2

Рис. 160 Примеры выделения на цементе и дефектограммах показаний, соот­ ветствующих буровому раствору 1р, цементу 1ц, горной породе 1П

1— буровой раствор, 2 — цемент

290