ГОУ МО Московской области

Международный университет природы, общества и человека “Дубна”

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 учѐной степени

доктора технических наук

Дубна - 2011

2

Диссертация выполнена в ТОО “Techno Trading, Ltd.”

(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 “Сургутнефтегеофизика” ОАО “Сургутнефтегаз”

Защита состоится “___” _____________ 2011 г. в 1400 в аудитории 1-300 на

заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 800.017.01

при Международном университете природы, общества и человека “Дубна” 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 универси-

тета природы, общества и человека “Дубна”.

Отзывы в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять Учѐ-

ному секретарю диссертационного совета по указанному адресу.

Автореферат разослан “___” марта 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета И.З.Каманина

3

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 дли-

тельный период безводной добычи углеводородов. Вторая цель заключается в обеспече-

нии экологической безопасности в процессе бурения и длительной эксплуатации сква-

жин. Для еѐ достижения необходимы, в первую очередь, изоляция друг от друга различ-

ных гидродинамических комплексов, пересечѐнных скважиной, и безусловное исключе-

ние выхода на дневную поверхность минерализованных вод, особенно содержащих угле-

водороды и сероводороды.

В мировой практике задачи контроля качества крепления возлагают на геофизиче-

ские 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 углеводо-

родов во многих странах мира. Широко известны факты повсеместного осолонения по-

верхностных питьевых вод в Казахстане, Поволжье. Установлено, что негерметичность

затрубного пространства вызывает такие аномальные явления, как перемещение высоко-

реологичных люлинворских глин, приводящих к смятию обсадных колонн на уникаль-

ных по запасам нефтяных месторождениях Западной Сибири.

Цель работы: Разработка технологии определения герметичности затрубного про-

странства комплексом геофизических методов акустической, радиометрической цемен-

тометрии и АК-сканирования.

Задачи работы:

– теоретическое и экспериментальное изучение возможностей применения парамет-

ров упругих волн, содержащихся в волновом пакете и регистрируемых в процессе АКЦ

нормальной волны Лэмба, распространяющейся в обсадной колонне, объѐмных продоль-

ной и поперечной волн в горных породах, а так же поверхностной волны Стоунли, для

оценки механического контакта цементного камня с обсадной колонной и горными поро-

дами с учетом осложняющих факторов (изменение диаметров и толщин обсадных ко-

лонн, их наклонного положения, недостаточное центрирование скважинных приборов,

образование кольцевых микрозазоров и вертикальных макроканалов);

– исследование формирования акустических сигналов в многоколонных конструк-

циях скважин и разработка критериев оценки их качества крепления.

Методы решения поставленных задач:

– обобщение и анализ опубликованных данных по оценке герметичности затрубно-

го пространства геофизическими методами;

– планирование и выполнение специальных скважинных исследований для изуче-

ния влияния кольцевых микрозазоров на параметры упругих волн, регистрируемые в

процессе акустической цементометрии;

– теоретические исследования и экспериментальные работы в скважинах, направ-

4

ленные на обоснование комплекса ГИС, позволяющего установить герметичность за-

трубного пространства;

– систематизация и формализация технологических приѐмов комплексирования ме-

тодов цементометрии, обработки и интерпретации их данных, обеспечивающие оценку

герметичности затрубного и межтрубного пространств.

Научная новизна:

– впервые установлены зависимости параметров волны Лэмба в обсадной колон-

не от изменений свойств цементного камня (сроков схватывания и набора прочности,

плотности, толщины, присутствия кольцевых микрозазоров и вертикальных макрока-

налов) и неблагоприятных условий измерений (нецентрированное положение измери-

тельного зонда, ограничение динамического диапазона измерений);

– обосновано применение параметров объѐмных продольной и поперечной волн,

измеряемых через обсадную колонну, для оценки контактов цементного камня с порода-

ми, 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 неопределѐнной при его

меньшем значении.

Положения и результаты, защищаемые автором:

– технология (методика) вероятностной оценки герметичности затрубного про-

странства обсадных колонн в зависимости от степени и качества его заполнения цемент-

ным камнем, использующая комплекс данных акустической и радиометрической цемен-

тометрии и акустического сканирования колонн и обеспечивает однозначную оценку

крепления ствола скважины и выявление причин появления дефектов в интервалах нека-

чественного цементирования;

– оценка динамики поведения волн Лемба в полном цифровом акустическом сигна-

ле 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 конструк-

ций, в процессе бурения и длительной эксплуатации скважин, и, соответственно, эколо-

гически безопасную эксплуатацию залежей;

– экономическая эффективность достигнута за счѐт безаварийной и экологически

безопасной эксплуатации нефтяных и газовых залежей и сокращения объѐмов ремонтно-

восстановительных работ.

Внедрение результатов работы:

– разработанные технологии оценки герметичности затрубного пространства нефтя-

ных и газовых скважин широко применяют для оценки качества изоляции одно- и много-

колонных конструкций на нефтегазовых месторождениях Западного Казахстана, обслу-

живаемых геофизической службой ТОО “Techno Trading, Ltd.”

Апробация работы :

– основные положения работы доложены на межгосударственных и региональных

конференциях и совещаниях, прошедших в городах: Уфе (2004, 2005 гг.), Алматы (2005,

2006, 2007 гг.), Дагомыс (2005, 2007гг.), Варшава (2004 г.), Тюмени (2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы в 2004-2011 гг. монография, 12

научных статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и ВАК КР, 5 других публикациях.

5

Сделано 8 докладов на межгосударственных и республиканских конференциях и совеща-

ниях, ежегодно текущие результаты работ и направления дальнейших исследований док-

ладывались на научно-технических советах ТОО “Techno Trading, Ltd.” и объединения

Мангыстаумунайгаз.

Личный вклад автора. Диссертационная работа подготовлена на основе результа-

тов исследований, выполненных автором и под его руководством в 1999-2011 гг. в

Управлении геофизики ТОО “Techno Trading, Ltd.”.

Автор обеспечил:

– научно обоснованную формулировку задачи об использовании для оценки герме-

тичности затрубного пространства полной информации, содержащейся в волновых паке-

тах акустической цементометрии [2];

– формулировку принципов, критериев и последовательности исследований много-

колонных конструкций крепления скважин, обеспечивающих герметичность заколонного

и межколонных пространств на всех этапах строительства скважин [1, 4, 11];

– формулировку принципов и критериев, необходимых для оценки герметичности

затрубного пространства по материалам отдельно взятого метода АКЦ и комплексу дан-

ных АКЦ, ГГЦ и СГДТ, АК-сканирования [1, 3, 6, 10, 14];

– научное руководство проведением опытных скважинных исследований прибора-

ми 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 измере-

ний технического состояния затрубного пространства в процессе проведения гидрораз-

рывов пластов и воздействия на них горюче-окислительными смесями и выделения по

акустическим данным проницаемых пород, в том числе интервалов проницаемость кото-

рых обусловлена воздействием [8, 9, 16, 17];

– анализ и обобщение результатов выполненных исследований, подготовку соответ-

ствующих 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 вре-

мя принимали активное участие сотрудники Управления геофизики TOO “Techno Trad-

ing, Ltd.” В. Айтжанов, В. А. Земсков, О. М. Терѐшина, Ю. В. Чеботарѐв, геологи Мангы-

стаумунайгаз А. Бабаев, А. Е. Березин, А. М. Тастыгараев. При постановке и проведении

работ автор пользовался благосклонным вниманием, помощью и поддержкой менедж-

мента TOO “Techno Trading, Ltd.” и ООО “Нефтегазгеофизика” (г. Тверь) и лично их ру-

ководителей Л. В. Булибековой и проф. Р. Т. Хаматдинова. Неоценимую помощь в обра-

ботке и интерпретации полученных материалов оказывал к.т.н. Козяр Н. В. Автор выра-

жает глубокую благодарность этим учѐным и производственникам, а также многим дру-

гим специалистам научных и производственных организаций, с которыми он был счаст-

лив сотрудничать в ходе работы.

Объѐм и структура работы. Диссертация включает введение, четыре главы и вы-

воды. Содержит 129 страниц, 34 рисунка, 7 таблиц. Библиография включает 112 наиме-

нований.

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:

6

обобщение и анализ опубликованных сведений о принципах и критериях интер-

претации первичных данных АКЦ, в первую очередь, осложняющих процедуры их обра-

ботки и интерпретации;

изучение информационности полного волнового пакета, регистрируемого в циф-

ровой форме, с целью решения новых задач АКЦ, в частности, объяснения причин

“частичных контактов” цементного камня с обсадной колонной;

оценку качества цементирования затрубного пространства обсадных колонн раз-

личного назначения (кондукторов, технических, эксплуатационных) и многоколонных

конструкций;

определение комплекса данных, необходимых для однозначной оценки герметич-

ности (непроницаемости) затрубного пространства для пластовых флюидов и нагнетае-

мых вод.

Во введении сформулированы актуальность и цель работы, научная новизна и поло-

жения, выносимые на защиту, апробация и практическая ценность работы.

В первой главе сделан обзор научных публикаций, освещающих развитие методов

цементометрии во времени, преимущества и ограничения современных методов —

стандартной акустической цементометрии на преломленных волнах, гамма-гамма дефек-

тометрии и толщинометрии, акустического сканирования на отражѐнных волнах. Выво-

ды к главе содержат постановку задач настоящей диссертации.

Вторая глава раскрывает применение информации полного волнового пакета для

решения задач, неоднозначно определяемых как “частичный контакт” цементного кам-

ня с обсадной колонной. Диапазон изменений основного информационного параметра ак

для констатации “частичного контакта” изменяется от 4,5 до 24 дБ/м при полном диапа-

зоне его изменения от 0 до 30 дБ/м. В главе изложены результаты специальных скважин-

ных исследований по определению влияния кольцевых микрозазоров между цементным

камнем и обсадной колонной на параметры АКЦ.

В третьей главе изложены приѐмы интерпретации первичных данных АКЦ для

оценки высоты подъѐма цементного раствора за обсадной колонной, его механических

контактов (сцепления) с колонной и горными породами и вероятной герметичности за-

трубного пространства, основанной на показаниях одного метода АКЦ.

Четвёртая глава посвящена комплексированию методов исследований и их дан-

ных для решения основной задачи цементометрии — оценки герметичности

(непроницаемости) затрубного пространства.

Выводы содержат основные результаты работы, область еѐ практического примене-

ния, определение путей развития методов цементометрии для оценки герметичности за-

трубного и межтрубного пространств.

7

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Эффективность методов цементометрии для оценки качества цементирова-

ния 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 со-

бой и от притоков подошвенной либо нагнетаемой воды. На несколько десятилетий поз-

же возникло требование экологически безопасной эксплуатации скважин и залежей, пре-

дусматривающее изоляцию между собой гидрогеологических комплексов и безусловное

исключение выхода пластовых вод на дневную поверхность.

1.1. Одновремѐнно с процессом крепления скважин (спуска и цементирования об-

садных колонн) возникла проблема контроля этого процесса. Сложность решения про-

блемы предопределила применение всех возможных методов и методик, которые хоть в

какой-то мере отражали суть явлений, происходящих в процессе цементирования. Перво-

начально, 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 обсад-

ных колонн и их цементирование, также уверены, что выход цементного раствора на

дневную поверхность служит доказательством безупречной изоляции затрубного про-

странства.

Начиная с 1930 г., для оценки цементирования обсадных колонн начали применять

термометрию скважин. Метод базировался на известном физическом явлении повыше-

ния температуры цементных растворов при их схватывании и наборе прочности цемент-

ным камнем. Следовательно, интервалы, в которых температуры превышали ранее уста-

новленный градиент температур, интерпретировались, как заполненные цементным рас-

твором. Верхняя граница подъѐма цементного раствора отмечалась уверенно, а заполне-

ние тем же раствором интервалов скважин с номинальным диаметром только подразуме-

валось. Поэтому метод получил названия отбивки головы цемента (ОГЦ), отбивки це-

ментного кольца (ОЦК) или времени ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ). В настоя-

щее время метод используется редко.

Во второй половине 50-х годов прошлого столетия проскочила короткая волна при-

менения для оценки качества тампонирования затрубного пространства цементных рас-

творов, содержащих радиоактивные изотопы, и задавливание растворов изотопов в пер-

форированные интервалы. Технология не нашла массового применения вследствие слож-

ности, трудоѐмкости, высокой стоимости исследований и их экологической небезопасно-

сти.

В начале 50-х годов прошлого столетия специалисты фирмы Schlumberger и, не-

сколько позже, Halliburton выполнили первые акустические измерения. Было отмечено,

что в обсаженной скважине несколько первых зарегистрированных колебаний принадле-

жат волне, распространяющейся в обсадной колонне. Амплитуды этих колебаний зависе-

ли от присутствия за колонной жидкости или цементного камня и его контактов с колон-

ной 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 про-

мышленных приборов АКЦ. Впервые эти измерения применили для оценки качества це-

ментирования колонн в 1962-63 гг. (П. А. Прямов, Д. В. Белоконь). Исследования выпол-

8

нили 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 приѐмник.

В 1954 г. в СССР было выполнено (Л. З. Цлав) первое измерение обсаженной сква-

жины прибором радиоактивного каротажа с источником гамма-излучения. Было установ-

лено, что определение глубины подъѐма цементного раствора за колонной достигается не

хуже, чем посредством ОЦК. Уже в 1959 г. появились первые публикации и методиче-

ские рекомендации по практическому применению однозондовых приборов рассеянного

гамма-гамма-излучения для определения высоты подъѐма 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 цементно-

го камня за обсадной колонной. Так было положено начало знаменитым сериям прибо-

ров радиометрической цементометрии ЦМТУ, ЦММ, ЦФ, ЦМ, которые в различных мо-

дификациях 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 цементомет-

рии – комплексного прибора гамма-гамма- дефектоскопии и толщинометрии СГДТ

(Ю. А. Гулин, Д. А. Берштейн, Е. В. Семѐнов). Он предназначался для измерения толщи-

ны стенок обсадных колонн, распределения цементного камня в затрубном пространстве

и выявления в камне крупных дефектов. Прибор подвергался непрерывному совершенст-

вованию и модификации. До сих пор он остаѐтся лучшим прибором радиометрической

цементометрии и активно применяется для контроля тампонажа затрубного пространства

эксплуатационных обсадных колонн.

Последним по времени появления методом цементометрии стало акустическое ска-

нирование (АК-сканер) стенки обсадной колонны и цементного камня за ней, которое

осуществляется преобразователями, совмещающими функции излучателя и приѐмника

упругих колебаний. Теоретическими и экспериментальными лабораторными проработка-

ми вопроса доказано, что после первого интенсивного импульса, отражѐнного от стенки

колонны, следует сигнал реверберации колонны. Время возвращения к преобразователю

отражѐнного импульса для радиуса колонны по еѐ окружности. Длительность, амплиту-

ды, спектр и отношение частоты последнего к резонансной частоте обсадной колонны

характеризуют толщину колонны, импеданс цементного камня или площадь его контак-

тов с колонной (Н. А. Смирнов, R. A. Broding, F. H. K. Rambov и др.) Отражѐнный 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 характеристи-

ки преломленной продольной головной волны, которые измеряют короткими измери-

тельными 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 приѐмников. Данные прибора решают

почти все задачи сканера, за исключением определения характеристик обсадной колон-

ны. Погрешность выделения вертикальных каналов не может быть меньшей разрешаемо-

сти прибора — 45 угловых градусов.

9

Совремѐнная состояние основных методов (АКЦ, ГГЦ, АК-сканирование) цемен-

тометрии следующее.

1.2. Стандартная акустическая цементометрия (АКЦ) на частотах 20-25 кГц

стремительно завоевала и прочно удерживает преобладающие объѐмы исследований

тампонажа затрубного пространства в дальнем зарубежье и странах СНГ. Еѐ метрологи-

ческое обеспечение позволяет регистрировать основной параметр – затухание волны в

колонне (волны Лэмба) – с погрешностью ± 3 дБ/м, что удовлетворяет всем требовани-

ям решения задач. Повсеместно применяется цифровая регистрация полных волновых

пакетов при использовании цифровых скважинных приборов или посредством оцифров-

ки данных аналоговых приборов в наземном регистраторе.

Несомненное преимущество акустической цементометрии состоит в том, что еѐ

данные отражают состояние и объѐмы уже сформировавшегося в затрубном простран-

стве цементного камня и его механические контакты с обсадной колонной и стенкой

скважины, в том числе в течении всего срока эксплуатации скважины. Второе преиму-

щество заключается в возможности оценки качества тампонажа межтрубного и затруб-

ного пространства многоколонных конструкций. Эта идея была продекларирована бо-

лее 15 лет назад (Ю. А. Гуторов, В. Н. Служаев). Еѐ решение было совершенно призрач-

ным по данным аналоговых скважинных приборов и аналоговой регистрации первич-

ных данных. Возможности еѐ решения с применением цифровой техники раскрыты ав-

тором этой работы [1, 4, 14].

Основными недостатками АКЦ является аномальная чувствительность метода к

кольцевым микрозазорам между обсадной колонной и цементным камнем, которые по-

являются при проведении работ в обсаженных скважинах во время схватывания и набо-

ра прочности цементным камнем (Ю. В. Мельников и др., H. O. Brown et. al., P. E. Pilk-

ington 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 не-

возможности строгого центрирования скважинных приборов данные АКЦ непригодны

для оценки качества цементирования обсадных колонн. Не красит метод также то, что

при динамическом диапазоне измерения затухания αк волны в колонне, равном 30 дБ/м,

однозначное заключение получают только в двух случаях. Затухание αк<3±1,5 дБ/м

соответствует “свободной” (незацементированной) колоннне, а его значения,

превышающие 24 дБ/м, — безупречному цементированию колонны. Диапазон

4,5<αк <24 дБ/м относят к частичным контактам цементного камня с колонной. То-есть,

преобладающая часть динамического диапазона измерений αк относится к самому

неопределѐному решению, не отражающему реального качества цементирования.

Термин “частичный контакт цементного камня с обсадной колонной” равноценен для

интервалов, характеризующихся как совершенно неудовлетворительными, так и

несколько небезупречным качеством цементирования.

1.3. Метод гамма-гамма цементометрии независимо от вариантов обработки пер-

вичных данных (ручная, интерактивная с использованием компьютера, полная компью-

терная) 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 поло-

жений муфтовых соединений и, что более важно, положений центрирующих фонарей

колонны; выделение интервалов, предположительно содержащих вертикальные каналы

в цементном камне; расчѐт плотности цементного камня за колонной. В длительно экс-

плуатирующихся скважинах к ним примыкает задача оценки толщин труб эксплуатаци-

онной колонны.

10

Перечисленные характеристики взаимосвязаны. Даже в слабонаклонной скважине

редко расположенные центрирующие фонари обсадной колонны не обеспечивают еѐ

устойчивое положение на оси скважины. Только в местах установки фонарей цемент-

ный камень равномерно распределѐн за колонной и значения селективных кривых гам-

ма-гамма дефектометрии совпадают между собой. В интервалах глубин между фонаря-

ми колонна провисает; селективные кривые фиксируют еѐ эксцентричное положение.

При больших (более 10˚) зенитных углах колонна прилегает к стенке скважины,

образуя в местах прилегания сегментовидные вертикальные зазоры между стенкой сква-

жины и обсадной колонной. Зазоры не заполняются цементным раствором при расчѐт-

ной и, тем более, ускоренной скорости его прокачивания. Происходит образование в

цементном камне вертикальных макроканалов с угловым раскрытием, равным 45-90 уг-

ловых градусов.

Не все перечисленные задачи решаются по данным ГГЦ однозначно. Погрешности

измерений и расчѐтов резко увеличиваются с уменьшением плотности цементного кам-

ня, а при его плотности менее 1,45-1,50 г/см3 становятся неэффективными. Метод не-

чувствителен к кольцевым микрозазорам. Он не предоставляет сведений о контактах

цементного камня с обсадной колонной и горными породами. Чѐткая идентификация и,

тем более, размеры вертикальных макроканалов в цементном камне не определяются.

По уменьшению рассчитанной плотности камня и расхождению между собой селектив-

ных кривых дефектометрии устанавливают лишь интервалы глубин, в которых предпо-

ложительно находятся макроканалы. Решение этой же задачи в многоколонных конст-

рукциях невозможно вследствие искажения рассчитанной плотности цементного камня

значительно превосходящим по абсолютным значениям влиянием плотности следую-

щей обсадной колонны.

1.4. Основным назначением АК-сканирования является определение распределения

цементного камня за обсадной колонной посредством расчѐта его импеданса, а также

измерение по окружности внутреннего диаметра и толщины стенки колонны, выявление

износа еѐ 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 вертикаль-

ных каналов в цементном камне. Считается, что размеры выявляемых дефектов сопос-

тавимы с телесным углом, равным 45˚.

Волновой пакет, зарегистрированный приѐмником, содержит импульс, отражѐн-

ный от внутренней поверхности обсадной колонны, и сигнал реверберации колонны,

которая возникает под действием падающей волны. По времени прихода отражѐнного

импульса рассчитывают внутренний радиус колонны, а по совокупности данных нахо-

дят еѐ внутренний профиль. Резонансная частота и длительность сигнала реверберации

определяются толщиной стенки обсадной колонны. По результатам измерения внутрен-

него профиля и толщины стенки колонны устанавливают интервалы коррозии внешней

поверхности.

Амплитуды сигнала реверберации и отношение полосы частот реверберации к ре-

зонансной частоте характеризуют импеданс цементного камня или площадь его контак-

тов с колонной. Минимальным импедансом обладают пустоты, не заполненные цемент-

ным камнем.

Интерпретация материалов кругового сканирования, прошедших предваритель-

ную обработку заключается в оценке степени заполнения затрубного пространства

цементным камнем. Считается, что затрубное пространство непроницаемо для пла-

стовых флюидов, если индекс BI>0,8 и на круговой развѐртке отсутствуют участки

светлых тонов, отражающие отсутствие цементного камня. Индекс BI (Bond index)

11

отражает заполнение затрубного пространства цементным камнем. Для стандартной

акустической цементометрии он определяется отношением затухания αк в данной точке

исследования к максимальному значению αк max в незацементированном участке колон-

ны.

Вертикальные каналы в цементном камне характеризуются значениями BI<0,6 и

синими тонами (противоположная часть цветовой палитры) на круговой развѐртке. Про-

межуточные 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 изоляци-

онного 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 по-

ложение муфтовых соединений.

Ограничения акустического сканирования цементного камня обусловлены предпо-

ложительно повышенной чувствительностью метода к микрозазорам между камнем и об-

садной колонной, что связано с применением высокочастотных (400-600 кГц) электроаку-

стических 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, связа-

но 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 круго-

вых развѐртках, но их предполагаемая проницаемость будет на порядки превышать прони-

цаемость пород.

1.5. Три основных метода цементометрии (АКЦ, ГГЦ и АК-сканирование) решают

частные задачи, необходимые для оценки проницаемости затрубного пространства. Вместе

с тем идеология оценки по материалам АКЦ качества изоляционных работ осталась на

уровне 50-60-х годов прошлого века (М. А. Сулейманов, Е. В. Семѐнов, материалы

фирм Schlumberger, Halliburton и др.). Она не удовлетворяет возросшим требованиям к

качеству изоляции продуктивных пластов. Не менее важно, что не соблюдаются эколо-

гические требования по оценке надѐжности изоляции друг от друга крупных гидрогео-

логических комплексов.

Можно назвать по крайней мере, три основные причины создавшегося положения

с оценкой качества цементирования обсадных колонн и изоляции затрубного простран-

ства:

а) несоответствие результатов интерпретации поставленным задачам. В требова-

ниях на строительство скважин задачи цементирования формулируются следующим

образом: “цементирование обсадных колонн должно обеспечивать: надѐжное разобще-

ние нефтяных, газовых и водоносных пластов, исключающее циркуляцию нефти, газа и

воды в заколонным пространстве, проектную высоту подъѐма тампонажного раствора;

высокую степень надѐжности цементного камня за обсадными трубами, его устойчи-

вость к разрушающему воздействию пластовых жидкостей, механических и температур-

ных нагрузок; возможности создания проектных депрессий на пласт; соблюдение требо-

ваний охраны недр и окружающей среды, предотвращение проникновения цементного

раствора в продуктивный пласт” (К. В. Иогансен, А. И. Булатов и др.). Вместо этого

стандартное заключение содержит информацию о высоте подъѐма тампонажного рас-

твора 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

12

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 ин-

тервалами 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 αк волны, распространяющейся в колон-

не, 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 αп и интервальное время ∆tп) неидентифициро-

ванной части волнового пакета, которые приписывают “волне по породе”. В различных

условиях это могут быть колебания продольной, поперечной и Стоунли волн либо вол-

ны, распространяющейся в скважинной жидкости;

в) отсутствует комплексная интерпретация данных трѐх основных методов. По ма-

териалам каждого метода даѐтся индивидуальное заключение, содержащее решение

присущих этому методу частных задач.

Современное состояние методов цементометрии позволило автору диссертацион-

ной работы сформулировать задачи исследований. Они изложены во введении диссерта-

ции и автореферата.

2. Применение информации волнового пакета для оценки качества цементи-

рования обсадных колонн

Основное внимание в этом разделе уделено вопросам, которые неоднозначно осве-

щаются в методических рекомендациях либо вызывают резкую критику оппонентов. Их

перечень составляют: искажение первичных данных вследствие нецентрированного по-

ложения измерительного зонда в скважине; неправильная оценка заполнения затрубно-

го пространства цементным камнем из-за аномальной чувствительности АКЦ к кольце-

вым микрозазорам; нечувствительность метода к вертикальным каналам малого раскры-

тия. Для получения однозначных трактований автор провѐл анализ опубликованных ма-

териалов, 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 от-

носительно стенок скважины, многократно изучено зарубежными и советскими иссле-

дователями (А. Ф. Девятов, В. Г. Рафиков, B. F. McGree et. al., компании Computalog,

Dresser Atlas, Halliburton, Western Atlas). Ими получены совершенно идентичные ре-

зультаты. Автор диссертации выполнил анализ полученных данных, которого не было у

исследователей и который отсутствует в его собственной монографии [1]. Он (анализ)

относится к трѐм диапазонам изменений затухания αк волны Лэмба в колонне: одно-

значным заключениям для незацементированной (―свободной‖), безупречно зацементи-

рованной 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 воображае-

мой оси скважины более, чем на 10 мм, уменьшает амплитуды регистрируемых колеба-

ний вдвое, по сравнению с центрированным зондом. Затухание αк достигает значений

7-8 дБ/м. Для сравнения, для центрированного зонда оно равно 3±1,5 дБ/м. То есть, для

незацементированной колонны заключение о качестве цементирования содержит одну и

13

ту же информацию независимо от того, получено оно по данным безупречно центриро-

ванного или расцентрированного зондов.

Другая крайность — это безупречно зацементированные колонны, значения αк в

которых равны или больше 24 дБ/м. Они характеризуются чрезвычайно малыми ампли-

тудами: Ак < (0,02-0,05)Аок, где Аок- амплитуды в незацементированной (свободной) ко-

лонне. Дальнейшее уменьшение амплитуд и увеличение αк, обусловленные расцентров-

кой 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 АКЦ 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<αк<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

αк свести до минимума.

Автором установлено, что признаки расцентровки измерительных зондов, найден-

ные физическим моделированием, непосредственно отображаются на первичных дан-

ных АКЦ для диапазонов αк, соответствующих незацементированной колонне и

―частичному контакту цементного камня с колонной‖. Основным, инструментально оп-

ределяемым, доказательством расцентровки служит уменьшение рассчитанных значе-

ний интервального времени ∆tк в обсадной колонне, если сравнивать его с заранее из-

вестным значением ∆tк = 184-185 мкс/м. Уменьшение обусловлено тем, что для нецен-

трированного зонда колебания волны от ближней в радиальном отношении стенки сква-

жины достигают приѐмника раньше, чем от дальней [1]. Регистрируемые амплитуды

первых вступлений будут ослаблены по той же причине: они обусловлены энергией ко-

лебаний, пришедших от ближней стенки скважины. Этим и определяется увеличение αк.

Второй признак – раздвоение первых фазовых линий волны Лэмба на фазокорреляцион-

ных диаграммах в интервалах нецентрированного положения измерительного зонда.

Однако, оба признака уверенно устанавливаются на этапе приѐмки КИПом первичных

данных от полевых отрядов и не вносят дополнительных осложнений для оценки каче-

ства изоляции затрубного пространства.

Процедуры учѐта расцентровки измерительных зондов АКЦ изучены в уже цити-

рованных публикациях (А. Ф. Девятов, компании Computalog, Dresser Atlas и др.). Они

детально изложены в монографии автора [1].

2.2 Идентификация технических обстоятельств изменений αк в диапазоне значе-

ний (3±1,5)<αк<24 дБ/м наиболее сложная. Они могут быть обусловлены двумя причи-

нами, каждая из которых превалирует в определѐнных технических условиях цементи-

рования обсадных колонн и проведения измерений средствами акустической цементо-

метрии. Частота их появления определяется технологией и регламентами тампонажных

работ затрубного пространства и может быть различной даже в организациях, работаю-

щих в одном нефтегазоносном регионе. Забегая вперѐд, отметим лишь, что одни органи-

зации “экономят” на установке центрирующих фонарей и турболизаторов обсадной ко-

лонны, следствием чего является образование громадных по протяжѐнности вертикаль-

ных каналов в цементном камне. Их устранение возможно только при проведении ре-

монтно-восстановительных работ. “Экономия” других организаций в том же

регионе заключается в применении для тампонажа “лежалых” цементов, утративших

14

свои свойства, а иногда и запрещѐнных к употреблению строительных цементов. Ре-

зультаты последней “экономии” заключаются в образовании протяжѐнных кольцевых

микрозазоров между обсадной колонной и цементным камнем. Невероятно искажается

информация о тампонаже затрубного пространства и, как следствие, появляется требо-

вание 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, еѐ провисании

даже в относительно вертикальных скважинах и образовании между колонной, лежащей

на стенке скважины, и самой стенкой скважины сегментовидных зазоров, угловое рас-

крытие которых находится в диапазоне 60-90º угловых градусов. Как правило, сегмен-

товидные 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 создаѐтся репрессия/депрессия давлений, такие каналы становятся путями пе-

ретоков пластовых флюидов или нагнетаемой жидкости.

Возможности стандартной акустической цементометрии для их выделения суще-

ственно ограничены. Физическим моделированием установлено (П. А. Прямов, В. Н.

Служаев, М. А. Сулейманов, компании Schlumberger, Halliburton), что вертикальные ка-

налы с угловым раскрытием менее 45º, практически не сказываются на результатах из-

мерений ∆tк и αк. И только при углах раскрытия превышающих 60º, αк уменьшаются до

значений, которые заведомо превышают погрешность измерений αк. Поэтому для одно-

значной 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 уста-

новки каждой обсадной трубы, положения соединительных муфт, центрирующих фона-

рей колонны и турболизаторов цементирующих растворов. Они представляют первич-

ную информацию о потенциальной возможности образования вертикальных каналов в

зависимости от оснастки буровой колонны. К сожалению, эти сведения не запрашива-

ются геофизическими предприятиями.

б) Кольцевой микрозазор между обсадной колонной и цементным камнем. Пере-

чень причин и обстоятельств, способствующих образованию кольцевых микрозазоров,

обширен (Р. А. Абдуллин, А. Л. Видовский, Д. А. Крылов, О. Л. Кузнецов, Ю. В. Мель-

ников и др., С. А. Рябоконь и др., компании Schlumberger, Halliburton и др.). Это опера-

ции опрессовки обсадной колонны, которые выполняют в первые часы и дни, когда це-

ментный 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 подъѐм инструмента с

повышенной скоростью и вибрационные нагрузки при разбуривании нижезалегающих

пород.

Автор установил, что опознавательным признаком кольцевого микрозазора слу-

жит одновременное появление на фазокорреляционных диаграммах колебаний волны

Лэмба (Lк), распространяющейся в обсадной колонне, и колебаний объѐмной продоль-

ной волны Р в породе. В высокоскоростном разрезе на ФКД фиксируются также колеба-

ния объѐмной поперечной S волны.

Одновременное присутствие на ФКД колебаний волн Лэмба и объѐмных объясня-

ется тем, что кольцевой микрозазор, который возникает между обсадной колонной

и цементным камнем в условиях скважины, не имеет идеально ровных стенок. При

15

отрыве обсадной колонны от формирующегося цементного камня на их поверхностях

образуются щѐтки из частиц камня, которые взаимно проникают друг в друга, контакти-

руя между собой во многих местах. Небольшое раскрытие микрозазоров, равное

десяткам и, реже, первым сотням микрометров, и наличие на поверхностях щѐток

слоѐв цемента, прочно- и рыхлосвязанной воды создают благоприятные условия для

передачи энергии упругих волн через микрозазоры, а также резко (на порядки!) умень-

шают проницаемость последних. Этим кольцевые микрозазоры, образовавшиеся в усло-

виях скважины, отличаются от моделируемых. При создании физических моделей мик-

розазоры имитируют слоем плѐнки. Математический расчѐт проницаемости выполнен

Л. В. Будыко при допущениях, что плѐнка 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 действи-

тельностью.

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 αк, 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 простран-

ства и выявления характеристик ГИС, отражающих их существование, в 20-ти скважи-

нах была намечена серия комплексных исследований по следующей программе:

– проведение АКЦ и гамма-гамма цементометрии прибором СГДТ для оценки ка-

чества 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 кам-

нем;

– ремонтная перфорация против непроницаемых пород, характеризующихся зна-

чениями 4,5<αк<24 дБ/м;

– определение приѐмистости 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 микрозазо-

ров 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 преиму-

щественно сплошной, в 20 % интервалов – частичный. Контакт камня с породами –

сплошной и частичный.

После опрессовки колонны давлением 10 МПа результаты оценки контакта це-

ментного камня с колонной ухудшилась вследствие образования между ними кольцево-

16

го микрозазора. Доля интервалов с частичным контактом возросла до 30 %. Контакты

камня с породами остались прежними.

Спустя 3 месяца после опрессовки в скважине выполнили ещѐ одно исследование

обсадной колонны акустической цементометрией. Состояние контакта цементного кам-

ня с колонной ухудшилось по сравнению с предыдущим исследованием. Появились

участки, присутствие камня на которых не определяется. Косвенным объяснением мо-

жет служить выполнение в этот временной промежуток перфорации, освоения продук-

тивного пласта и ликвидационных работ, связанных с испытанием более глубоко зале-

гающего песчаника. Два следующих друг за другом ремонтно-восстановительных це-

ментирований позволили улучшить (по данным АКЦ) качество тампонажа на 44 м сум-

марно.

Экспериментальные работы были прекращены после исследований и проведения

ремонтно-восстановительных работ в 15 интервалах 7-ми скважин. Все интервалы вы-

делены по признаку неопределѐнного качества цементирования (4,5<αк<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:

Приѐмистость 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 проникнове-

ния жидкости в затрубное пространство ей необходимо преодолеть какую-то преграду.

Нельзя исключить, что ею служат низкопроницаемые цементные щѐтки, которые обра-

зуются при отрыве обсадной колонны от цементного кольца.

Справедливость высказанного предположения подтверждается тем, что в 7 интер-

валах с кольцевыми микрозазорами не удалось достичь приѐмистости при оговоренных

давлениях 7-11,5 МПа. В двух из них она достигалась после 8-18 циклов гидроимпульс-

ного воздействия, заключающегося в быстром подъѐме внутриколонного давления до

значений, равных давлению опрессовки, и последующем его мгновенном сбросе. В двух

других случаях после такого воздействия приѐмистость не была достигнута.

Следует также учитывать, что значения приѐмистости, указанные в актах на про-

ведение 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 после-

дующие 10-20 с после уменьшения давления рассчитывается приѐмистость затрубного

пространства пересчѐтом на сутки. Не соблюдаются требования нормативных докумен-

тов о том, что дебиты и приѐмистость скважины рассчитываются для временного про-

межутка, в котором наблюдались их устойчивые значения. Краткосрочные измерения

предоставляют ответ на качественном уровне: есть ли приѐмистость испытуемого ин-

тервала или она отсутствует. Поэтому полученные значения приѐмистости для полови-

ны исследуемых интервалов в 2-3 раза превышают приѐмистость соседних нагнетатель-

ных скважин.

В интервалах развития вертикальных каналов приѐмистость затрубного про-

странства после прострела ремонтных отверстий составляла пересчѐтом на сутки 120-

450 м3/сут. Улучшение качества цементирования по данным АКЦ достигнуто в интерва-

лах протяжѐнностью от 115 до 320 м. Вблизи ремонтных отверстий контакт камня с ко-

лонной был сплошным, далее следовали участки, характеризующиеся частичными кон-

тактами, перемежающиеся хотя бы незначительными по протяжѐнности участками

сплошных контактов.

17

Для 7 ремонтных интервалов выполнены исследования АКЦ 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 объѐмные каналы в

камне избыточное давление не оказывает влияния. Сравнение результатов двух измере-

ний, а также описанные выше качественные признаки обоих дефектов, позволяют раз-

делить их на выполненных записях. После сброса давления на устье скважины состоя-

ние контакта цементного камня с колонной практически возвращается к первоначально-

му. 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 АКЦ при избыточном давлении на устье скважины

подтвердили ожидаемое. Изменения показаний АКЦ не наблюдались первоначально в

скважине с вертикальными каналами. После выполненного ремонта исследования АКЦ

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, возрас-

тало. Большинство интервалов, характеризующихся частичными контактами цементно-

го 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 ре-

монтно-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 объѐмных

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, распростра-

няющейся в обсадной колонне, вытекает из неѐ через цементное кольцо в горные поро-

ды вследствие потери колонной волноводных свойств; б) в породах формируются объ-

ѐмные продольная P и поперечная S волны, которые преломляясь на стенке скважины,

образуют в скважине соответствующие им головные волны; г) приѐмник скважинного

прибора, расположенный в жидкости на некотором удалении от излучателя, восприни-

мает колебания головных волн.

В полной мере оценка механических контактов цементного камня с породами по-

средством фиксации в акустических сигналах объѐмных волн выполняется ведущими

зарубежными фирмами, начиная с 60-70-х годов прошлого века (H. O. Brown et. al., W.

18

H. Fertl et. al., G. H. Pardue et. al.). Она базируется на визуальном выделении на фазо-

корреляционных диаграммах (ФКД) фазовых линий, принадлежащих объѐмным 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 ру-

беже 70-х годов прошлого века, используя регистрируемые в аналоговом виде кривые

“волны Ап по породе” . При подготовке следующего методического руководства по аку-

стической 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 АКЦ по де-

сяткам тысяч скважин, бурящихся на бурно развивающихся нефтяных месторождениях

Западной Сибири.

Ситуация с регистрацией объѐмных 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

объѐмных волн.

Непременное условие решения задачи заключается в наличии механического кон-

такта, 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 цемент-

ный камень. По наблюдениям автора эти условия выполняются, если затрубное про-

странство заполнено цементным камнем более, чем на 1/3.

В цементном камне энергия волны полностью поглощается, если за внешней гра-

ницей камня отсутствует среда с высоким импедансом. Это типичная ситуация для фи-

зического моделирования, которая чрезвычайно редко встречается в скважинах. В про-

тивном случае, если цементный камень прочно связан с породами, энергия волны Лэмба

в колонне уходит в породы, образуя в них объѐмные продольную P и поперечную S вол-

ны. В низкоскоростных разрезах образуется только продольная волна P волна.

По мнению автора возможны два варианта решения задачи. Первый – условно

именуемый “инструментальным”. Высокое качество тампонажных работ, включающее

в себя центрирование обсадной колонны, применение цементных растворов высокой

плотности, соблюдение скорости подъѐма раствора, которая обеспечивает их затекание

в кавернозные участки ствола скважины, предопределяют качество контактов цемент-

ного камня с колонной и породами. Две кривые ΔtP, измеренные в открытом стволе и в

обсаженной скважине, повторяют друг друга. Их поведение однозначно свидетельству-

ет о сплошных контактах цементного камня с обсадной колонной и породами, слагаю-

щих разрез скважины. Кривые ΔtP, αк и фазокорреляционные диаграммы фиксируют та-

кое же состояние тампонажа затрубного пространства. По данным радиометрической

дефектометрии (ДФ) обсадная колонна расположена соосно со стволом скважины; за-

трубное 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, объѐмной P волны в породах и поверхностной волны Стоунли (St).

В высокоскоростных породах могут отражаться также колебания объѐмной поперечной

волны. Эти условия объясняются частичным заполнением затрубного пространства це-

ментным камнем (Bl<0,8), присутствием между колонной и цементным камнем кольце-

19

вых микрозазоров, остатками изоляционных материалов на внешней поверхности ко-

лонны и т.п. Инструментальное определение скоростей распространения объѐмной про-

дольной (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 каро-

таж 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 интерпре-

тации полученных данных.

При определении контактов цементного камня с обсадной колонной сведения,

полученные из опубликованных работ, следует дифференцировать следующим обра-

зом:

а) не сказываются на результаты интерпретации диаметр и толщина стенки заце-

ментированных и незацементированных обсадных колон. Незначительное влияние этих

факторов учитывается допусками, которые задаются условиями интерпретации;

б) удовлетворяют требованиям интерпретации и не нуждаются в каком-либо учѐте

предусмотренные геолого-техническими нарядами толщины зазоров между внешним

диаметром обсадной колонны и стенкой скважины (20-25 мм) и сроки проведения ис-

следований акустической цементометрией (не менее 48 часов). В противном случае не-

обходимо вносить поправки в полученные значения αк , которые заранее известны по

данным физического моделирования;

в) недостаточное центрирование скважинных приборов в обсадной колонне изуче-

но на физических моделях, представляющих собой отрезки незацементированных об-

садных труб. Результаты моделирования, указывающие, что амплитуды и коэффициен-

ты затухания αк регистрируемых колебаний изменяются в 2 раза при смещении прибора

с оси скважины на 10-20 мм, относятся к незацементированной колонне. Увеличение αк

от 3±1,5 дБ/м до 6±1,5 дБ/м никаким образом не меняет сути заключения об отсутствии

еѐ цементирования. То же относится к зацементированным колоннам. На моделях эта

ситуация не изучалась. Но если принять, что для них αк увеличивается также вдвое, то

заключение о тампонаже затрубного пространства снова-таки не изменится;

г) основные трудности интерпретации первичных данных АКЦ представляют

технические факторы, обусловленные условиями формирования и спуска обсадной ко-

лонны, еѐ центрированием в стволе скважины, качеством тампонирующей смеси, обра-

зованием 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 це-

ментирования, вызванные перемешиванием в верхней части цементного раствора с вы-

тесняющей жидкостью обуславливают изменения αк в диапазоне между

―свободной‖ (3±1,5 дБ/м) и безупречно зацементированной (αк ≥24 дБ/м) колонной, ко-

торые интерпретируются как ―частичный контакт цементного камня с колонной‖.

Результаты экспериментальных скважинных исследований, выполненных со-

гласно методикам, предложенным автором диссертации, свидетельствуют:

а) три основных дефекта цементирования обсадных колон, а именно: прерывистое

цементирование, кольцевые микрозазоры и вертикальные каналы – могут быть установ-

лены по данным ГИС;

б) прерывистое цементирование (интервал перемешивания вытесняющей жидко-

сти с цементным раствором) устанавливают вблизи запланированного уровня подъѐма

тампонажной смеси по фрагментам на фазокорреляционных диаграммах (ФКД) фазо-

20

вых линий волны Лэмба в обсадной колонне, появлению на них аномалий, обусловлен-

ных муфтами, фрагментам объѐмных волн;

в) кольцевые микрозазоры, как правило, характеризуются одновремѐнным присут-

ствием на ФКД колебаний волны Лэмба в обсадной колонне и колебаний объѐмных

продольной, поперечной и поверхностной Стоунли волн, распространяющихся в гор-

ных породах и вдоль стенки скважины. Кольцевые микрозазоры практически непрони-

цаемы для пластовых флюидов при достаточном удалении (на несколько метров) двух

соседних пластов с разной насыщенностью;

г) вертикальные макроканалы в цементном камне невозможно установить в заце-

ментированной 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 гра-

дусов и характеризуются значениями αк, 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 объѐмных продольной и

поперечной волн, распространяющихся в породах. Их регистрация, особенно попереч-

ной волны, не распространяющейся в жидкости, одновремѐнно свидетельствует о на-

дѐжном 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 цемен-

тирование колонны выполнено с соблюдением всех нормативных требований, контакт

цементного камня с породами устанавливается инструментально сопоставлением интер-

вальных времѐн объѐмной 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 тампонаж-

ной смеси, образованием кольцевых микрозазоров между цементным камнем и обсад-

ной 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 верти-

кальных макроканалов – центрирование обсадной колонны и образование в интервалах

еѐ прилегания к стенке скважины (или другой внешней колонны) серповидных про-

странств, не заполняемых тампонажной смесью. При этом подразумевается, что соблю-

даются соотношение диаметров открытого ствола и обсадной колонны (толщина це-

ментного кольца) и сроки проведения АКЦ после цементирования.

Минимальное количество условий, предъявляемых к цементированию обсадной

колонны и проведению акустической цементометрии, позволяет сформулировать основ-

ные требования проведения работ. Результаты акустической цементометрии позволяют

получить достоверные сведения о качестве цементирования обсадных колонн, если со-

блюдены технико-технологические требования к спуску и цементированию колонны и

проведению измерений приборами АКЦ. Суть этих требований, закреплѐнная норма-

тивными документами на проведение соответствующих работ, заключается в следую-

щем:

21

- любая обсадная колонна (эксплуатационная, техническая, кондуктор) в скважине

центрируется. Интервалы установки центраторов (9-22 м) определяются азимутальными

углами наклона скважины, диаметром колонны и заранее жѐстко 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 цементиро-

вания в зависимости от плотности цементного раствора и ускорителей или замедлите-

лей схватывания;

- скважинный прибор акустической цементометрии центрируется.

Если эти требования соблюдены, то измеренные значения αк отражают полноту

заполнения (BI) затрубного пространства цементным раствором и, далее, сформировав-

шимся цементным камнем (bond index BI определяется как отношение значения αк, за-

регестрированного в исследованном участке, к значению αк =24дБ/м для интервалов со

сплошным контактом цементного камня с колонной). На основании статистических

данных и расчѐта возможного изгиба обсадных колонн предполагается, что в цемент-

ном камне отсутствуют вертикальные макроканалы, обусловленные прилеганием об-

садной колонны к стенке скважины, если колонна центрирована согласно нормативным

требованиям. Также предполагается, что применение тампонажных растворов из конди-

ционных цементов не приведѐт к образованию кольцевых микрозазоров между обсад-

ной колонной и цементным камнем.

Эти утверждения справедливы для скважин любого назначения, обсаженных ко-

лоннами диаметром 127-324 мм, несмотря на бытующее и ничем не подтверждѐнное

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 “Techno

Trading, Ltd” 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 — через

20 м. На эксплуатационные колонны устанавливают центраторы через 10-20 м в продук-

тивной части разреза и через 30-50 м в непродуктивных интервалах. Исследования

акустической цементометрией выполняют после цементирования всех колонн: кондук-

тора, 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 простран-

ства цементным камнем (коэффициент заполнения BI) и его механических контактах

с обсадной колонной и стенкой скважины (горными породами). Эта информация усили-

вается сведениями из актов спуска колонны об установке на ней центрирующих фона-

рей. В диссертации приведены конкретные примеры оценки в различных разрезах

качества тампонажа всех типов обсадных колонн: кондукторов, технических, эксплуата-

ционных.

3.2. Ещѐ на заре развития акустической цементометрии, как метода изучения там-

понажа затрубного пространства, возникла задача перехода от оценки состояния меха-

нических контактов камня с колонной к определению герметичности затрубного про-

странства.

В одной из первых работ (J. T. Upp, 1966) приведены статистические данные для

22

месторождения, на котором было пробурено и исследовано акустической цементомет-

рией 400 скважин. В 75 скважинах по данным АКЦ были установлены дефекты цемент-

ного 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 перфо-

рированном интервале служило признаком непроницаемости затрубного пространства;

увеличение давления – о его проницаемости.

Дефекты цементного камня были подтверждены в 28 скважинах, в том числе, в 26

скважинах – кольцевые микрозазоры, а в двух – вертикальные каналы. Все скважины с

микрозазорами введены в эксплуатацию без проведения ремонтных изоляционных ра-

бот. Было установлено, что затрубное пространство непроницаемо для пластовых

флюидов, если измеренные двухэлементными зондами относительные амплитуды Ак/

Ако (где Ак –амплитуда в исследуемом интервале, Ако – то же в незацементированной

колонне) меньше 0,05 (αк>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 кото-

рых 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 за-

трубного пространства при удалении двух исследуемых пластов на 2-3 м для экс-

плуатационных 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 ко-

лонн бóльшего диаметра. Считается, что перепад давлений между ними не должен пре-

вышать 0,1 пластового давления и, безусловно, должен быть меньшим давления опрес-

совки 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 мате-

риалам 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 изме-

ренным значениям Ак/Ако была предпринята специалистами СССР в начале 70-х годов в

скважинах группы Узеньских месторождений (Б. И. Кирпиченко). Проницаемость за-

трубного 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 заце-

ментированных интервалов, обеспечивающих непроницаемость затрубного пространст-

ва, в 3-4 раза больше чем в предыдущих работах.

23

Столь высокая вероятность достоверной оценки непроницаемости затрубного про-

странства по данным АКЦ полностью приемлема для непродуктивных интервалов. Еѐ

недостатки, - а это неуверенность в 5-10 % случаев в герметичности затрубного про-

странства, – 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 АКЦ по нескольким сотням скважин, ис-

следованных специалистами УГ “Techno Trading, Ltd.”. Значения BI≥0,8 соответствуют

сплошным контактам цементного камня с обсадными колоннами и горными породами.

Отток энергии волны Лэмба из колонны (затухание αк волны в колонне) столь значите-

лен, что она (волна) не фиксируется на ФКД. В зарегистрированном волновом пакете

первые колебания принадлежат продольной волне, распространяющейся в горных поро-

дах; последующие—поперечной волне в высокоскоростных разрезах. Контакты цемент-

ного камня с обсадными колоннами и горными породами устанавливаются инструмен-

тально. Затрубное пространство герметично.

Значения BI меньше 0,8 свидетельствуют о каких-то дефектах цементного камня:

кольцевых микрозазорах или вертикальных каналах. Для их идентификации необходи-

мо привлечение ФКД и поиск признаков, описанных в предыдущей главе. Существуют

предпосылки нарушений герметичности затрубного пространства. Для оценки герме-

тичности необходимо привлечение материалов других методов цементометрии: радио-

метрической 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. Объектив-

но она определяется возможными нарушениями цементного камня в затрубном про-

странстве кондуктора и технической колонны в процессе продолжающегося бурения

скважины под эксплуатационную колонну, спуска, цементирования и перфорации по-

следней. Субъективным фактором служит выполнение АКЦ один раз только в эксплуа-

тационной колонне. Качество тампонажа ранее опускаемых колонн, - кондуктора, тех-

нической, второй технической, - не проводилось вследствие экономических и идеологи-

ческих причин. Первая, - это сокращения сроков ввода скважин в эксплуатацию. Вто-

рая, - предвзятое мнение о невозможности получения стандартными приборами акусти-

ческой цементометрии диаграмм АКЦ приемлемого качества в скважинах больших диа-

метров, на малых глубинах и в наклонных скважинах. Несостоятельность укоренивше-

гося второго мнения показана выше.

Попытки оценки качества цементирования многоколонных конструкций предпри-

нимались ещѐ во времена аналоговой техники ГИС и АКЦ, в частности (Ю. А. Гуторов,

В.Н. Служаев). Они базировались на чѐтко 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 дли-

ны упругой (продольной) волны, применяющейся для исследования. По мнению части

исследователей (Ю. И. Горбачѐв, Ю. А. Гуторов) со ссылкой на теоретическое обосно-

вание Л. М. Бреховских, в такой среде, которая дополнительно включает полупростран-

ство горных пород, образуется обобщѐнная упругая волна. Характеристики этой волны,

в первую очередь, скорость еѐ распространения, изменяются от значений в наиболее

низкоскоростной среде (цементный камень либо неуплотнѐнные терригенные осадки)

до значений в высокоскоростных средах (стальные колонны). Критика постулата оцен-

ки качества цементирования по значениям характеристик обобщѐнной волны простая.

Автором диссертации показано [1, 4], что на коротких базах измерений приборами

АКЦ обобщѐнная волна не образуется. Такие же результаты получил и Д. В. Белоконь и

24

В. Ф. Козяр. В многоколонных конструкциях, как будет показано ниже, в каждой из ко-

лонн и в горных породах распространяются характерные для них типы волн. Но если бы

процесс образования обобщѐнных волн происходил именно таким образом, как описы-

вают Ю. И. Горбачѐв, Ю. А. Гуторов, то исчезла бы даже постановка задачи оценки ка-

чества цементирования обсадных колонн акустической цементометрией из-за непрерыв-

но изменяющихся характеристик обобщѐнной волны.

Вторым постулатом признаѐтся (В. Н. Служаев) существование волн, распростра-

няющихся в каждой из колонн отдельно. Предлагаемое решение проблемы заключается

в выборе для внутренней или внешней колонн местоположения на шкале времени

фиксированных окон измерений затухания αк упругой волны в каждой колонне. Реше-

ние правильное, но неосуществимое в условиях аналоговой регистрации данных. В вы-

бранных окнах, а они отделены друг о друга максимально на 30-40 мкс, определяются

коэффициенты затухания любых колебаний, амплитуды которых превышают первона-

чально заданный порог, равный 0,01-0,05 максимальной амплитуды в незацементиро-

ванной колонне. При малейшем дефекте цементирования внутренней

(эксплуатационной) колонны колебания волны Лэмба, распространяющейся в этой ко-

лонне, 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 ко-

лонне (волне Лэмба). В других случаях они принадлежали такой же волне, средой рас-

пространения которой была внешняя колонна (техническая колонна, кондуктор), либо

объѐмная волна, распространяющаяся в массивах горных породах или вдоль границы

раздела двух сред (например обсадной колонны и цементного камня). В случае безу-

пречного цементирования межтрубного пространства, исключающем образование де-

фектов, в том числе кольцевого микрозазора между эксплуатационной колонной и це-

ментным камнем, применение второго (для внешней колонны) фиксированного окна

обосновано и справедливо.

В авторском варианте физическая картина распространения упругих волн в много-

колонных конструкциях заключается в следующем. Если внутренняя

(эксплуатационная) колонна незацеменирована, то вся энергия упругой волны, пришед-

шая от излучателя скважинного прибора, распространяется в колонне как высокоскоро-

стном волноводе в виде нормальной продольной волны. Незацементированная колонна,

как бы, экранирует среды, находящейся за ней, не давая перетекать энергии волны за еѐ

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 расчѐтным временам распространения упругой

волны от излучателей к приѐмникам с учѐтом еѐ 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 распро-

страняющаяся в первой колонне, недостаточна для регистрации существующими прибо-

рами. Первые зарегистрированные на ФКД фазовые линии соответствуют расчѐтным

значениям волны Лэмба во второй колонне с учѐтом еѐ путей в жидкости, металле пер-

вой колонны и цементном камне.

Процесс будет повторяться. Если техническая колонна незацеменирована с внеш-

ней стороны, то регистрируемые волновые пакеты содержат только колебания нормаль-

ной продольной волны, распространяющейся в ней. При заполнении еѐ затрубного про-

странства цементным камнем, сплошных и постоянных контактах камня с колонной и

последующей внешней средой энергия нормальной волны “перетекает” в следующую

25

колонну – кондуктор. Далее, при хорошем цементировании кондуктора энергия волны

“перетекает” в горные породы, возбуждая в них объѐмные продольную P и поперечную

S волны. Сопоставление зарегистрированных на ФКД фазовых линий с расчѐтными зна-

чениями 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 многоко-

лонной конструкции в целом.

Регистрация на материалах АКЦ через 2-3 обсадные колонны объѐмных P и S

волн, а на малых глубинах только продольной Р волны свидетельствует о полном запол-

нении цементным камнем затрубного пространства (BI>0,8) за всеми колоннами,

сплошных и устойчивых контактах камня со стенками колонн и горными породами. На-

оборот, регистрация нормальной волны по одной из колонн служит доказательством

отсутствия механического контакта цементного камня с этой колонной с еѐ 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 90º, тонкие (50-600 мкм) кольцевые микрозазоры или их сочетание с вер-

тикальными каналами. Так же, как и в случае одиночной колонны, волновые пакеты со-

держат 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 отчѐтливо отбиваются еѐ муфты. В то же

время, количество энергии, поступившей во внешнюю среду (последующие обсадные

колонны и горные породы), может быть достаточным для фиксации еѐ отклика. Процесс

повторяется, как и в случае безупречно зацементированных колонн, а иногда и кондук-

тора. Оценка полноты заполнения (BI) цементным камнем межтрубного и затрубного

пространств производится по значениям коэффициентов затухания каждой волны, кото-

рую удаѐтся выделить в волновом пакете. Дополнительный контроль первого вступле-

ния волны Лэмба в каждой колонне достигается сопоставлением его времени прихода с

расчѐтным временем с учѐтом затрат времени на распространение волны в скважинной

жидкости, металле колонн и в цементном камне.

Выводы о качестве цементирования обсадных колонн многоколонных конструк-

ций, полученные непосредственно после цементирования каждой колонны и при изме-

рениях в эксплуатационной колонне, остаются примерно теми же или изменяются в

лучшую сторону. Утверждение справедливо, если соблюдаются нормативные требова-

ния для спуска и цементирования колонн — интервалах установки центрирующих фо-

нарей, плотности применяемых цементных растворов, скоростях их прокачки. Объясне-

ние этому факту простое: механические контакты цементного камня с обсадными ко-

лоннами 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 отмеча-

ют улучшение контактов. Результаты исследований АКЦ многоколонных конструкций

позволяют сделать два важных вывода:

а) оценка в многоколонных конструкциях качества цементирования каждой после-

дующей внешней колонны возможна при надѐжном (BI>0,8) цементировании внутрен-

них колонн;

в) возможность оценки состояния цементирования одной колонны через одну или

две последующих не может быть основанием для исключения последовательных иссле-

дований каждой колонны в отдельности. Любые недостатки в цементировании после-

26

дующих колонн могут исключить получение достоверной информации о качестве це-

ментирования предыдущих.

4. Оценка герметичности затрубного пространства обсадных колонн по дан-

ным комплекса методов ГИС

4.1. Полная оценка качества цементирования обсадных колонн, обеспечивающая

подготовку заключения о герметичности затрубного или межтрубного пространств, со-

держит решение нескольких близких по содержанию задач: определение высоты подъѐ-

ма цементного раствора в заколонном и межтрубном пространстве; определение полно-

ты заполнения цементным камнем изолирующего пространства; количественную или

полуколичественную оценка контактов образовавшегося цементного камня с колонной

и породами или с внешней колонной – кондуктором, технической; выявление кольце-

вых микрозазоров между колонной и цементным камнем и макродефектов, образован-

ных вертикальными каналами в камне. Полный перечень задач и потенциальные воз-

можности их решения приведены в таблице.

Большинство перечисленных задач решается с использованием данных стандарт-

ной 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 сла-

бая чувствительность к вертикальным каналам в цементном камне, угол раскрытия ко-

торых меньше 60о. 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 макроканалы,

само существование которых ставит под сомнение герметичность затрубного простран-

ства.

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 аку-

стическую цементометрию за базовый метод определения, а таковой, по сути, она и яв-

ляется среди всех методов оценки качества цементирования обсадных колонн, то глав-

ным условием комплексирования служит возможность выделения вертикальных

каналов, количественное определение их раскрытия (что желательно), определение по-

ложений 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 внеш-

них стенок.

Нельзя преувеличивать возможности добавляемых в комплекс методов радиомет-

рической цементометрии (ДФ и ТМ) и АК-сканирования. Их (возможности) необходи-

мо реально оценить, исключив рекламные моменты. Измерительный зонд гамма-гамма-

дефектометрии содержит шесть детекторов, расположенных по окружности скважин-

ного прибора. Соответственно, его материалы позволяют различать каналы с угло-

вым 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 вер-

тикального канала. Однако, получение одинаковой информации двумя методами по-

вышает еѐ достоверность в неконтролируемых условиях . Кроме того, возможность

определения местоположения центрирующих фонарей обсадной колонны и интерва-

лов еѐ эксцентричного положения объясняет суть происходящего явления.

27

Несмотря на различную конструкцию скважинных приборов АК-сканеры обла-

дают примерно одинаковой разрешающей способностью. Сканеры с фиксированным

расположением восьми преобразователей по образующей прибора (фирмы Computa-

log, Schlumberger, Western Atlas) исследуют колонну через 45о; фактически, с учѐтом

дифракционных явлений, не менее чем в углах 60о. Этот результат сопоставим с по-

лученными для стандартных приборов АКЦ и СГДТ. Сканеры с одним вращающим-

ся 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 ка-

Частная задача

Технические средства

АКЦ АК-

сканер

ГГЦ

ДФ ТМ

Определение высоты подъѐма 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

+ - - -

Выявление макроканалов в цементном камне ограничено

(более 60º) + предполо-

жительно -

В многоколонных конструкциях оценка

сохранности качества цементирования

за внешними колоннами

+ - - -

Выделение местоположения муфт обсадных

колонн

+ + + +

Выделение “недотянутых” муфт + + - -

Определение положений центрирующих

фонарей колонны

- - + -

Определение толщины обсадной колонны - + - +

Определение внутреннего диаметра обсадной

колонны

- + - -

Таблица 4.1 — Перечень частных задач, решения которых необходимо для оценки

герметичности (проницаемости или непроницаемости) затрубного пространства

*) Не выполняется в непродуктивных интервалах вследствие малой скорости и дорого-

визны исследований

28

налам, частично заполненным цементным камнем. Их общая раскрытость также не

менее 60о, а значение коэффициента BI менее 0,8.

Таким образом, от всех трѐх методов цементометрии, - стандартной акустиче-

ской, АК-сканирования, радиометрической, - трудно ожидать количественных опре-

делений раскрытия вертикальных каналов. Они фиксируют присутствие каналов за

колонной, а двойное-тройное их (каналов) выделение методами ГИС придаѐт уве-

ренность в полученных результатах. Информация гамма-гамма-цементометрии о

расположении центрирующих фонарей обсадной колонны раскрывает причину по-

явления 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 за-

полнении 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 ограниче-

ниями для решения других, не свойственных ему, задач (табл.4.1). Кроме того, в настоя-

щее время отсутствуют методы, позволяющие выделять в цементном камне вертикаль-

ные каналы с угловым раскрытием менее 45о. Итоговое решение, охватывающее все ча-

стные 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 АКЦ и сведений об оснащении и спуске обсадных колонн. Ин-

формация 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 тре-

бований 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 норма-

тивным требованиям турбулизаторы цементного раствора, исключают образование вер-

тикальных 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 срав-

нению с использованием сведений об оснастке обсадной колонны, преимущества ком-

плекса очевидны. Это определение фактического, а не проектного положения центри-

рующих фонарей и оценка положения колонны в скважине. Совпадение между собой

значений шести селективных кривых гамма-гамма-дефектометрии служит доказательст-

вом 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 ме-

ханических 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

29

равномерное его распределение в затрубном пространстве, плотные контакты камня с

колонной и горными породами служат основанием суждения о герметичности затрубно-

го 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 прелом-

ленных (АКЦ) и отражѐнных (круговое сканирование) волнах – предоставляет досто-

верную информацию о качестве цементирования обсадной колонны и проницаемости

или непроницаемости затрубного пространства. В интервалах безупречного цементиро-

вания (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 цемент-

ном камне отсутствуют или размеры одиночных пустот незначительные.

В интервалах развития вертикальных каналов (по данным АК-сканирования) пол-

нота 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 интерва-

лах, которые характеризуются по АКЦ сплошными контактами камня с колонной и

породами и полным заполнением затрубного пространства камнем. Это ещѐ раз под-

чѐркивает вероятностную оценку качества цементирования по данным отдельно при-

меняемой акустической цементометрии (АКЦ).

г) Комплексирование данных стандартной акустической цементометрии (АКЦ),

радиометрической цементометрии (ДФ и ТМ) и акустического сканирования колон-

ны 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 межтруб-

ного пространств, перечислен в табл. 4.1. Признаки и критерии оценки

герметичности/негерметичности описаны в главах 2 и 3 диссертации по мере изложе-

ния влияния на состояние цементного камня различных технических и техногенных

факторов. Возможности парных комплексов ГИС для решения частичных задач изло-

жены выше. Для облегчения подготовки сводного заключения о состоянии герметич-

ности 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 ин-

тенсификации притоков в длительно эксплуатирующихся и вновь пробуренных сква-

жинах. Это гидроразрывы пластов (ГРП) и интенсификация с помощью горючеокисли-

тельных 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,

30

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 определе-

ние 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 сведе-

ниям, полученным в открытом стволе; оценку анизотропии пород для определения на-

правления 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 еѐ развития, не-

обходимо получить те же сведения. Можно обойтись лишь без расчѐта упругих пара-

метров.

Несмотря на тщательный выбор объектов проведения ГРП и ГОС, результаты воз-

действия могут быть совершено различными. В первую очередь это относится к интер-

валам, в которых цементный камень имеет дефекты: кольцевые микрозазоры и верти-

кальные каналы.

Интервалы колонны, в которых по каким-то причинам образовался микрозазор ме-

жду колонной и цементным камнем, характеризуются на ФКД фазовыми линиями вол-

ны Лэмба в колонне, включая отображение соединительных муфт, и фазовыми линиями

продольной и поперечной волн, распространяющихся в горных породах. Даже неболь-

шое раздутие колонны при ГРП имеет свои последствием смыкание микрозазора и ис-

чезновение фазовых линий волны Лэмба. Регистрация поперечной волны доказывает

полное заполнение затрубного пространства цементным камнем. Увеличение интер-

вального 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 несколь-

ких интервалах перфорации гидроразрыв происходит только в некоторых из них, наибо-

лее удачно зацементированных; изменение в них характеристик акустического поля уже

описаны. В других интервалах перфорации, особенно если они характеризуются одно-

времѐнным присутствием вертикальных каналов и кольцевых микрозазоров, разрыв

пластов по данным АКЦ не происходит. На ФКД усиливается влияние микрозазоров;

проницаемость пород не изменяется.

Наиболее тщадящие нагрузки на обсадную колонну и цементный камень в затруб-

ном пространстве происходят при воздействии на продуктивную часть разреза горюче-

окислительными смесями (ГОС). Контакт цементного камня с обсадной колонной прак-

тически не изменяется; незначительные интервалы ухудшения контакта происходит

против каверн, образовавшихся при бурении скважины и, очевидно, не всегда полно-

стью заполненных цементным камнем после тампонажа затрубного пространства. Про-

ницаемость перфорированных интервалов по данным волны Стоунли увеличивается от

ничтожно малой до средней, в других интервалах — от средней до высокой.

31

Со

сто

ян

ие

гер

мет

ичн

ост

и

ЗП

Исп

ользу

емы

е м

ето

ды

Осн

астк

а ко

ло

нн

ы,

сост

ав т

амп

он

ажн

ой

смес

и

Ста

ндар

тная

акуст

ичес

кая

цем

енто

мет

ри

я

Рад

ио

мет

ри

чес

кая

ц

емен

том

етри

я –

ГТ

и Д

Ф

АК

-

скан

ир

ован

ие

По

ло

жен

ие

цен

три

рую

щи

х

фо

нар

ей к

оло

нн

ы

Кач

еств

о

цем

енти

ро

ван

ия;

деф

екты

цем

ентн

ого

кам

ня

1

2

3

4

5

6

Гер

мет

ичн

о

Цен

три

рую

щи

е

фо

нар

и ч

ерез

10-1

7м

;

пло

тно

сть

смес

и б

олее

1,7

5 г

/см

3

Сп

ло

шн

ые

ко

нта

кты

цем

ентн

ого

кам

ня

с

ко

ло

нн

ой

и

по

ро

дам

и: α

к>

24 д

Б/м

;

по

лн

ое

зап

олн

ени

е З

П

Со

глас

но

но

рм

ати

вн

ым

до

кум

ента

м ч

ерез

10-1

7 м

Рав

но

мер

но

е

зап

олн

ени

е

кам

нем

ЗП

.

Пло

тно

сть к

амн

я бо

лее

1,7

5 г

/см

3

Отс

утс

тви

е

по

ло

стей

и

вер

тикал

ьн

ых

кан

ало

в в

кам

не

Гер

мет

ичн

о

˗˗ “

˗˗

Ко

льц

евой

ми

кроза

зор м

ежд

у

кам

нем

и

ко

ло

нн

ой

;

8<α

к<

24 д

Б/м

˗˗ “

˗˗

˗˗ “

˗˗

˗˗ “

˗˗

Гер

мет

ичн

о

(облег

чѐн

ны

й

цем

ент)

Цен

три

рую

щи

е

фо

нар

и ч

ерез

20-3

0м

;

Плотн

ост

ь

см

еси

1,4

0-1

,75 г

/см

3

Сп

ло

шн

ые

ко

нта

кты

цем

ентн

ого

кам

ня

с

ко

ло

нн

ой

и

по

ро

дам

и: α

к>

16 д

Б/м

;

по

лн

ое

зап

олн

ени

е З

П

˗˗ “

˗˗

Ош

ибки

оп

ред

елен

ий

вы

ше

до

пуст

им

ых

˗˗ “

˗˗

Таб

ли

ца

4.2

- К

ри

тери

и п

ои

нте

рвал

ьно

й о

цен

ки

гер

мет

ич

ност

и з

атр

уб

ного

прост

ран

ства

32

Про

дол

жен

ие

таб

ли

цы

4.2

1

2

3

4

5

6

Нег

ерм

ети

чн

о

Рас

сто

ян

ие

меж

ду ф

он

арям

и

бо

лее

30 м

,

пло

тно

сть с

мес

и

бо

лее

1,7

5 г

/см

3

Ко

нта

кт

кам

ня

с

ко

ло

нн

ой

сп

лош

но

й

или

час

тичн

ый

8<α

к<

24 д

Б/м

.

Ко

нта

кт

с п

оро

дам

и

сплош

но

й

Ред

ко

е

рас

по

ло

жен

ие

цен

три

рую

щи

х

фо

нар

ей

(30-5

0 м

и б

олее

)

Нес

им

мет

ри

чн

ое

рас

пр

едел

ени

е

кам

ня в

ЗП

Вер

тикал

ьн

ые

ка-

нал

ы

Нег

ерм

ети

чн

о

(облег

чѐн

ны

й

цем

ент)

Рас

сто

ян

ие

меж

ду ф

он

арям

и

бо

лее

30 м

,

пло

тно

сть с

мес

и

бо

лее

1,7

5 г

/см

3

˗˗ “

˗˗

˗˗ “

˗˗

Ош

ибки

оп

ред

елен

ий

вы

ше

до

пуст

им

ых

Вер

тикал

ьн

ые

кан

алы

; др

уги

е

пуст

оты

Неп

олн

ое

зап

олн

ени

е З

П

цем

ентн

ым

кам

нем

Нео

бхо

ди

мы

свед

ени

я о

про

ектн

ой

вы

соте

по

дъ

ѐма

смес

и

Чер

едо

ван

ие

уч

астк

ов

сво

бо

дн

ой

ко

ло

нн

ы и

час

тичн

ых к

он

такто

в

кам

ня с

ко

ло

нн

ой

Не

оп

ред

еляет

ся

Отс

утс

тви

е кам

ня в

ЗП

Пятн

ист

ое

рас

по

ло

жен

ие

кам

ня

Отс

утс

тви

е

цем

ентн

ого

кам

ня

˗˗ “

˗˗

Сво

бо

дн

ая к

оло

нн

а

αк<

7 д

Б/м

. Н

е о

пред

еляет

ся

˗˗ “

˗˗

Отс

утс

тви

е

кам

ня в

ЗП

33

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 по-

явления дефектов цементного камня в интервалах некачественного цементирования.

Решение проблемы достигается с использованием материалов трѐх методов цементо-

метрии: стандартной акустической, радиометрической и акустического сканирования.

Достоверность определения герметичности уменьшается, если какие-то виды цементо-

метрии не выполнены.

Занимаясь проблемой определения герметичности затрубных пространств, на ос-

нове личных исследований и работ, выполненных под его руководством, автор диссер-

тации получил следующие основные выводы и результаты:

1. Традиционное заключение геофизических предприятий подменяет требование

оценки “разобщения нефтяных, газовых и водоносных пластов, исключающее циркуля-

цию нефти, газа и воды в заколонном пространстве” информацией о высоте подъѐма

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) явля-

ется основным и наиболее распространѐнным методом цементометрии. Еѐ недостатки и

главный из них, – нецентрированное положение скважинного прибора, – преувеличены.

Не сказываются на результатах интерпретации диаметр и толщина стенки зацементиро-

ванных и незацементированных обсадных колонн, влияние которых находится в преде-

лах ошибок измерений; не нуждаются в каком-либо учѐте предусмотренные геолого-

техническими нарядами толщины заколонных зазоров и сроки проведения исследова-

ний АКЦ.

Автор нашѐл объяснение “пугающему” уменьшению амплитуд и увеличению зату-

хания нормальной волны Лэмба в обсадной колонне более чем вдвое, многократно

изученных на физических моделях, выполненных из обрезков незацементированных

обсадных труб. Эти изменения αк никаким образом не сказываются на заключение о

незацементированной колонне: увеличение αк от 3±1,5 дБ/м для идеального центриро-

ванного измерительного зонда до 6-8 дБ/м для расцентрированного не изменяет сути

заключения. То же справедливо для полностью зацементированной колонны, для кото-

рой значение затухания αк равно или больше 30 дБ/м. Дальнейшее увеличение αк нахо-

дится за пределами диапазона измерений. Промежуточные значения затухания между 8

и 30 дБ/м рассматриваются одновременно с оценками дефектов цементного камня.

3. Определение контактов цементного камня со стенкой скважины (горными поро-

дами) достигается исключительного на основе регистрации объѐмных продольной и по-

перечной 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 со-

гласно методикам, предложенным автором диссертации, свидетельствуют, что три ос-

новных дефекта цементирования обсадных колонн, а именно: прерывистое пятнистое

цементирование, обусловленное перемешиванием вытесняющей жидкости с цементным

раствором, образование кольцевых микрозазоров между обсадной колонной и цемент-

ным камнем и вертикальных каналов в сформировавшемся камне, – могут быть уста-

34

новлены средствами ГИС. Все они принадлежат диапазону изменения αк, который носит

общее наименование “частичный контакт цементного камня с колонной”;

а) прерывистое цементирование (интервал перемешивания вытесняющей жидко-

сти с цементным раствором) устанавливают вблизи запланированного уровня подъѐма

тампонажной смеси по фрагментам на фазокорреляционных диаграммах (ФКД) фазо-

вых линий волны Лэмба в обсадной колонне, появлению на них аномалий, обусловлен-

ных муфтами, фрагментами объѐмных волн;

б) кольцевые микрозазоры характеризуются одновременным присутствием на

ФКД колебаний волны Лэмба в обсадной колонне и колебаний объѐмных продольной,

поперечной и поверхностной Стоунли волн, распространяющихся в горных породах и

вдоль стенки скважины. Кольцевые микрозазоры практически непроницаемы для пла-

стовых флюидов при достаточном удалении двух соседних пластов с разной насыщен-

ностью;

в) вертикальные макроканалы в цементном камне невозможно установить в заце-

ментированной 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 гра-

дусов и характеризуются значениями затухания αк, меньшими 24 дБ/м. Редко установ-

ленные (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, про-

шедшие необходимую метрологическую проверку и оснащѐнные центрирующими уст-

ройствами, 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 вскрыв-

шим консолидированные осадки на глубинах более 30-40 м. В этих скважинах высокое

качество цементирования обсадных колонн, исключающее заколонные перетоки пла-

стовых флюидов и нагнетаемых вод, и кондиционные материалы АКЦ получают при

строгом соблюдении требований к строительству скважин: центрировании всех обсад-

ных колонн – кондуктора, технической, эксплуатационной; цементировании колонн

смесью нормальной плотности (1,83-1,87 г/см3), приготовленной из свежего тампонаж-

ного цемента.

Определение в перечисленных скважинах механических контактов цементного

камня с обсадными колоннами и полноты заполнения затрубного и межтрубного про-

странств камнем обуславливает оценку герметичности или негерметичности изоляции

затрубных пространств с достоверностью, равной 0,9-0,95.

6. Современные цифровые скважинные приборы и компьютерные средства обра-

ботки первичных данных позволяют оценить в многоколонных конструкциях качество

цементирования каждой колонны непосредственно после еѐ цементирования и измене-

ния его состояния, если бурение продолжалось и в скважину опускали другие обсадные

колонны. Оценка качества цементирования в многоколонных конструкциях каждой по-

следующей внешней колонны возможна при надѐжном (BI>0,8) цементировании внут-

ренних колонн.

7. Достоверное заключение о герметичности затрубного пространства базируется

на определении следующих параметров: высоты подъѐма цементного раствора в затруб-

ном 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 мак-

роканалов. Для подготовки заключения необходимы данные трѐх методов цементомет-

35

рии: стандартной акустической (АКЦ), радиометрической (ТМ и ДФ) и акустического

сканирования. В частности:

а) комплекс данных стандартной акустической цементометрии, сведений об осна-

стке обсадной колонны, изложенные в акте на еѐ спуск, и радиометрической гамма-

гамма-толщинометрии (ТМ) и -дефектометрии (ДФ) позволяют установить интервалы

эксцентричного положения обсадной колонны и предположить образование вертикаль-

ных каналов в таких интервалах;

б) комплекс данных стандартной акустической цементометрии и акустического

сканирования устанавливает существование за обсадной колонной незаполненных це-

ментным 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 це-

ментометрии, в том числе выявление кольцевых микрозазоров и вертикальных каналов,

достигается при комплексировании всех трѐх методов цементометрии.

8. Полнота решения проблемы определяется переходом производимых оценок

(заключений) цементирования колонны на качественно новый уровень. Решение част-

ных задач, как-то, — высота подъѐма цементного раствора, сплошность контактов це-

ментного камня с колонной и горными породами, эксцентричное положение обсадной

колонны в скважине, — заменяется оценкой более высокой категории — 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 доказа-

тельств длительной безопасности эксплуатации скважин с точек зрения сохранения их

добывных возможностей и экологического состояния недр и окружающей среды, сокра-

щения объѐмов ремонтно-восстановительных работ.

10. Все выводы и результаты получены автором в скважинах нефтегазовых место-

рождений Западного Казахстана, обслуживаемых геофизической службой TOO “Techno

Trading, Ltd.” Рекомендуется внедрить описанную технологию оценки затрубного и

межтрубного пространства на всех месторождениях Республики Казахстан независимо

от формы собственности на лицензионные участки и организации –исполнители работ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монография:

1. Конысов А. К., Козяр Н. В. Акустическая цементометрия обсадных колонн при-

борами 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 “Каротажник”.

Тверь: изд. АИС. 2004. Вып.7 (120). С.144-154.

3. Конысов А. К., Земсков В. А., Козяр Н. В. Определение необходимости ремонт-

но-изоляционных работ затрубного пространства по данным акустической и радиомет-

рической цементометрии // НТВ “Каротажник”. Тверь: Изд. АИС. 2005. Вып.5-6 (132-

133). С.244-251.

4. Конысов А. К., Козяр Н. В. К вопросу оценки качества цементирования много-

колонных конструкций // НТВ “Каротажник”. 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

36

“Каротажник”. Тверь: Изд. АИС. 2005. Вып.7 (134). С.71-77.

6. Конысов А. К. О вероятностной оценке непроницаемости затрубного простран-

ства по данным акустической цементометрии // НТВ “Каротажник”. Тверь: Изд. АИС.

2005. Вып.12-13 (140). С.91-97.

7. Козяр Н. В., Конысов А. К., Земсков В. А. Оценка качества цементирования об-

садных колонн по данным двухчастотной акустической цементометрии // НТВ

“Каротажник”. 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. // “Промышленность Казахстана”, 2005. № 2. С.26-27.

9. Конысов А. К., Козяр Н. В. Исследование коллекторов сложнопостроенных раз-

резов Западного Казахстана // НТВ “Каротажник”. Тверь: Изд. АИС. 2006. Вып.10-11

(151-152). С.129-139.

10. Конысов А. К. Определение герметичности затрубного пространства геофизи-

ческими методами // “Геофизика”. 2009. №4. С.65-69.

11. Конысов А. К. Определение качества цементирования многоколонных конст-

рукций акустическими методами – обеспечение экологической безопасности нефтегазо-

вых скважин /“Экология и промышленность Казахстана”. 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 программ-

но-технологического комплекса “Ingef-W” в геологических условиях Южноторгайского

нефтегазоносного бассейна. // НТВ “Каротажник”. 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 “Высокие техноло-

гии в промысловой геофизике”. Уфа. 17-20 мая 2004 г.

15. Об информативности шумометрии при решении задач контроля за разработкой

многопластовых месторождений Южного Мангышлака. Доклады III Российско-

Китайского симпозиума. А. Конысов, Р. Шакиров, А. Бижанов, Ж. Тулесинов. Уфа.

2004. С.324-331.

16. Применение комплексных аппаратов для одновремѐнного вторичного вскры-

тия и интенсификации притоков / В. Павлов, В. Романенко, В. Любимов и др. // Мате-

риалы 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 “Новые

технологии при поиске, разведке и эксплуатации месторождений углеводородного сы-

рья в Республике Казахстан, г. Алматы. 28-30.05.2006 г.

18. Варыхалов А. С., Козяр Н. В., Конысов А. К. и др. Оценка состояния техниче-

ской колонны и затрубного пространства длительно эксплуатируемых скважин акусти-

ческими методами // Материалы научно-практической конференции “Проблемы эффек-

тивности геофизических исследований при разведке и разработке месторождений нефти

и газа Западной Сибири”. Тюмень. 2010. С.7-9.