автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Исследование свойств газонаполненных тампонажных систем и разработка методов и средств контроля состояния зацементированных интервалов скважин

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ИБ 7 Р Е Н И Е"

Всероссийский научно-ясследователБский и проектный икстигут до креплению сквакян я Дуровым растворам

РГ 5 Од ( ВНИИКРнефгь )

На правах рукописи

СУГАК Владимир Михайлович УМ / 622.245.422 / 622.245.428

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ ТАМПОНАЖ« СИСТЕМ И РАЗРАБОТКА МЕТОД® И СРЗДСТВ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ЗАЦЕМЕНТИРОВАННЫХ ИНТЕРВАЛОВ СКВАШН

Специальность - 05.15.10 Еуршто нефтших и газовых скважин

Автореферат диссертация ка соискание ученой отепени кандидата технических наук

Краснодар - 1994

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском и проектном институте ззо креплению скважин и буровым растворам (ВНИИКВкефть)

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие

- доктор технических наук Новохатский Д.Ф.

- доктор технических наук, профессор Ащрафьян М.О.

- кандидат технических наук Логвинанко С.В.

-АО "КУБАНЬГАВШШ"

Защита состоится " //" 0 1994 г. в ¿0 часов на заседании специализированного совета Д 104.04.01 Всероссийского научно-исследовательского и проектного института по креплению скважин и буровш растворам при НПО "Дурении" по адресу: 350624, г.Краснодар, ул.Мира, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " /¿" О 1994 г.

Ученый секретарь специализированного д совета, кандидат технических наук И.Рябова

0Е11АЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблем!. Повннвние эффективноетп строительства скважин на базе использования совершенных технологий цементирования скважин газонаполненными ташокажными системами (ГГС), а такта методов и средств оценки качества цементирования, сокращающих сроки задалживания скважин под геофкзячоские исследования и повышающих достоверность выдаваемое заключений о герметичности вацементи-рованкого заколонного пространства, являются важными факторами онкчояия общих затрат на та строительство.

В этом плане повышение успешности цементирования скважин ГГС при обеспечении проектных требований к высоте их подъема за колоннами в различных геолого-технических условиях строительства требует наличия оперативного расчета распределения плотности в столбе ГГС по глубине скважины, а также степени его газонасыщения, осуществляемого с использованием средств вычислительной техники.

Актуальной является проблема отсутствия широко применяемого в практике проведения геофизических исследований акустического метода контроля состояния эацетлентировашшх интервалов скважин газонаполненными тампонажными системами, что является сдерживающим фактором широкого внедрения этой передовой технологии в практике цементирования скважин.

Всегда остро стоит проблема повышения достоверности исходной геофизической информации о состоянии зацементированного пространства. Создание с этой целью новкх технических средств контроля и методов интерпретации их данных способствует повышению общей эффективное т строительства скважин.

И, наконец, отсутствие методов оценки герметичности зацементированных интервалов скважин, учитывающих комплексно как состоя-

нле их дефектности, так и приложенную к ним в заколонном пространстве нагрузку (перепад давления) и определяющую по этим данным их изолирующую способность, приводит зачаотую к конфликтным*ситуациям при передаче скважин заказчику, ведет к неоправданным задержкам с вводом их в эксплуатацию, проведении исправительно-цементировоч-ннх работ, снижает общую эффективность строительства.

Цель работы. Целью настоящей работы явилось повышение эффективности строительства скважин на базе исследования технологических и акустических свойств газонаполненных тампонажных систем и разработки методов и средств контроля зацементированного состояния скватан.

Основные задачи исследований. Провести анализ причин недостаточной эффективности методов контроля состояния зацементированных скважин различными тампонажными материалами. Определить пути усовершенствования отарых и создания новых методов и средств контроля.

Разработать методы исследований физико-механических, акустических и технологических свойств ГГС.

Провести исследования различных свойств ГГС с целью установления закономерностей, необходимых для создания теоретических предпосылок разработки акустического метода контроля цемннтирования ГГС и совершенствования технологии цементирования.

Разработать методику оценки состояния зацементированных скважин ITC на основе акустического метода исследований качества цементирования.

Создать и внедрить аппаратуру записи фазокорреляционных диаграмм "Волна" и на её оонове усовершенствовать метод оценки состояния зацементированных интервалов скважин.

Разработать отраслевой руководящий документ на применение усовершенствованной технологии контроля.

Проанализировать распределение градиентов давлений в заколон-ном пространстве скважин на различных меоторовдениях страны.

Провести теоретические и экспериментальные исследования влияния типоразмеров зацементированных колонн на допустимый градиент гидропрорыва.

Разработать методику оценки герметичности зацементированных интервалов скваюш.

Научная новизна. Разработаны метод и средства изучения технологических и акустических свойотв газонаполненных тампонажных растворов и сформированных из них тампонажных кашей в зависимости от исходной плотности негазонаполнонного тампонажного раствора, кратности газирования, давления формирования тампонажного камня и времени выдержки образцов.

Установлены изменения:

- плотности в столбе газонаполненного тампонажного раствора;

- скорости распространения акустических волн в газонаполненных тампонажных камнях;

- прочнооти на изгиб и на сжатие газонаполнешшх тампонажных кашей;

- прочности на изгиб и на сжатие газонаполненных тампонажных кашей неразрувгающими методами испытаний;

- прогнозной прочности на изгиб и на сжатие газонаполненных тампонажных камней.

Разработаны:

- методический подход к расчету коэффициента затухания волны по колонне при оценке зацементировагшого состояния скважин ГГО;

- методика оценки зацементированного состояния скважин ГГС;

- алгоритм и программа по расчету на ПЭВМ распределения плот-

нооти и давления в столбе ГГС по глубине окважины;

- на уровне изобретения аппаратура записи фазокорреляционных диаграмм "Водна" и внедрена в производство;

- на уровне отраслевого руководящего документа технология контроля качества цементирования скважин о применением регистраторов фазокорреляционных диаграмм;

- способ определения влияния типоразмеров зацементированных колонн на допустимый градиент гидропрорыва; определен теоретически и экспериментально коэффициент изменения давления гидропрорыва от типоразмера зацементированной колонны;

- методика оценки герметичности зацементированных интервалов скважин.

Практическая ценность. Разработанные аппаратура записи фазокорреляционных диаграмм "Волна" и на её основе РД 39-0147009-534-87 "Технология контроля цементирования скважин с применением регистраторов фазокорреляционных диаграмм ("Волна", БЖА ...)".позволяют более точно, по' сравнению с существующими-методами, определить для различных тампонажных растворов "голову" тампонажного. камня за колонной и качество его сцепления как о колонной, так и с породой в различных геологических разрезах, в том числе и высокоскоростных (скорость волны по породе выше, чем по колонне).

Установленные зависимости для ГГС позволили разработать новый акустический метод оценки состояния зацементированного пространства, разработать программу для ПЖМ по оперативному расчету распределения плотности и давления в столбе ГГС, оперативно определять прочностные свойства газонаполненных тампонажных кашей неразруша-идими методами испытаний, прогнозировать прочностные характеристики газонаполненных тампонажных камней в зависимости от изменения исходных параметров ГГС, условий формирования и времени старения камня.

Новый акустический метод оценки состояния зацементированных скважин ГГС позволил оценить качество их цементирования в соответствий о изменяющимися по глубине физико-мехашпескими свойствами газонаполненного тампонажного камня, что привело к однозначности интерпретации измеряемых аппаратурных параметров стандартной аппаратуры АКЦ и истинного состояния зацементированного участка. Тем-самым метод способствовал более широкому внедрении самой техноло-. гип цементирования ГГС при строительстве скважин.

Новый метод оценки герметичности зацементированного интервала скважины,- учитывающий в совокупности его дефектность по данным геофизических исследований и приложенную к нему нагрузку по данным распределения градиентов давления в затрубном пространстве, позволил оценить разобщащуп способность данного интервала с учетом конкретных условий заколонного пространства, что позволяет обоснованно принимать решения при передаче скважин в эксплуатацию и необходимость проведения исправительно-цементировочных работ.

Реализация работы в промышленности. Разработанные с участием автора руководящий документ РД 39-0147009-534-87 "Технология контроля цементирования скважин с применением регистраторов фазокорре-ляционных диаграмм ("Волна", ШКА)" и аппаратура "Волна", позволяющая её реализовать, внедрены в большинстве нефтегазодобывающих объединений России и стран СНГ.

Новый метод оценки герметичности зацементированных интервалов скважин внедрен в ПО "Пурнефтегаз" и прошел промышленные испытания на предприятии "Черногорнефть"' ПО "Нижневартовскнефтегаз".

Основные положения акустического метода оценки состояния зацементированных скважин ГГС реализованы в виде отдельных разделов в следующих руководящих документах:

■ Методические рекомендации ко пржтнекия усовершенствованной технологии цементирования окваяин аэрированными ташонажными сус-

пензиями в условиях Западной Сибири: РР 39-0147009-721-88, Краснодар, ВНИИКЕнефть, 1988 г.;

Методические рекомендации по применению технологии цементирования скважин газонаполненными тампонажнши системами на месторовдени- . ях ПО "Таджикгеология": РД 39-0851-89Р,Краснодар,ВНИИКРнефть,198Эг.;

Методические рекомендации по контролю состояния зацементированных скважин применительно к условиям месторождений полуоотрова Шал; Краснодар, ВНШКРнефть, 1990 т.;" -

Технология одноступенчатого цементирования^ скважин с применением газонаполненных тампоражннх растворов для условий АНПД в ПО "Таджикнефть": РД ЗЭ-ОгО^вТТ,; Краснодар, ВНИИКРнефтв, 1987 г.

Апробация работы. Обновные положения диссертации доложены и обсуждены на:

Научно-практической конференции "Состояние и перспективы геолого-геофизических и технологических исследований, проводимых в процессе френия скважин*1, 23-27 марта 1987 г.^.Нижневартовск;

Всесоюзной конференции "Проблема, строительства нефтяных и газовых скважин", 1-6 октября, 1990 г., г.Краснодар;

17 конференции-дискусоии "Формирование и работа тампонажногоч калия в скважине", май, 1991 г., г.Краснодар;

Секции "прение скважин" Ученого совета ВНИИКРнефти, 10.11.92г.

Публикации. Основное содержание работа изложено в П печатных работах,в том числе в 2 автороких свидетельствгрс и 2 руководящих -документах.

Обьем-и структура работы. Работа соотоит из.введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций,'описка использованной литературы и приложений в виде документов о внедрении, изложена на листах машинописного текста,» содержит £ рисунков. Список использованной литератур! включает наименований.

СОДЕРЖАНИИ РАБОТЫ

Первая глава посвящена проблемам цементирования скважин различными тампоннЕными материалами и последующей оценки качества зацементированного пространства.

Приведено много примеров, когда решение конкретных технологических задач зачастую подгоняется к возможности оценить зацементированную скважину. В этих случаях нередко ставится под сомнение эффективность на самом деле передовых технологий из-за того, что геофизические службы выдают заключения о качестве цементирования, не соответствующие истинному состоянию зацементированного пространства, его возможности выдерживать приложенную к нему конкретную нагрузку, обусловленную существующими в затрубном пространстве градиентами давлений.

В представленных примерах показано, что пз-за неэффективной, а зачастую и неверной оценки состояния зацементированных скважин организации вынуждены были менять технологии, искать новые тато-нажнне материалы, чтобы удовлетворить требования , предъявляемые к ним со стороны служб РГГИ в вопросах качества строительства сква-кин, на что необоснованно расходов,аллоь средства, а необходимого результата зачастую не достигалось.

Достаточно привести только один щжмер из множества примеров этого несоответствия, когда в связи с массовым примененном облегченных тампонйлннх растворов на месторождениях Западной Сибири очень остро встал вопрос о контроле за высотой■поднятия тампонак-ного растрора за эксплуатационными колоннами. В связи с этим по распоряжению коллегии Мйннефтепрома от 13,01.84 г. за Д 202-54 (П. $ 5) была проведена проверка качества строительства скважн в объединении Нижлевартовскнефтегаэ. В справке, составленной комиссией, созданной приказом по Главтюменнефтегазу 53-У от 05.02.84).

в частности, отмечается, что проектная высота подъема тампонажно-го раствора не обеспечена в 140 скважинах, что составляет 7,4$ общего количества сквашш, сданных 11ГДУ в 1983 г. Во всех'случаях высота подъема определялась геофизическими методами. В то же вре- , мя, по данным визуальных наблюдений, выход тампонажного раствора на устье отмечен по 29 скважинам, а буферной жидкости - по 52. Последующей опрессовкой установлена герметичность межколонного пространства в 123 скважинах, что служит прямым свидетельством подъема раствора выше башмака кондуктора. Недоподъем определился лишь в 17 скважинах из 140. Комиссией было указано, что геофизические службы не располагают надежными методами определения высоты ■ подъема облегченных, в т.ч. газонаполненных тампонатанх растворов. В последующем большая часть этих скважин (99) была введена в эксплуатацию. Дальнейпяш анализ работы скважин свидетельствует, что средний их дебит ничем не отличается от дебита других скважин с "нормальным" подъемом цемента, введенных в эксплуатацию в 1983 г.

Дело в том, что существующие в настоящее время геофизические методы оценки качества зацементированных интервалов скважин разрабатывались применительно к "чистым" тампонажннм растворам и не учитывают изменения физико-механических и акустических свойств облегченных растворов, влияющих на изменения показаний аппаратуры акустического контроля цементирования (АКЦ). Кроме того, с помощью этих методов можно определять лишь состояние цементного кольца: его целостность (наличие-отсутствие зазоров, каналов), геометрию распределения изолирующего состава за обоадной колонной. Сама по себе такая информация, безусловно, важна, но она не отвечает на вопрос, герметично ли заколонное пространство с точки зрения возможных перетоков между разнонапорными горизонтами, а также сообщения их с дневной поверхностью.

Под герметичностью зацементированного участка затрубного пространства понимается споообность выдерживать напор жидкости (газа) без их фильтрации. Разгерметизация интервала может проходить как по самой цементной оболочке, так к по её контактным поверхностям. Давление, при котором происходит разгерметизация системы, можно назвать давлением разгерметизации. Что касается фильтрации жидкости по каналам в цементном каше и на контакте его с породой, то в большинстве случаев происходит необратимый процесс прорыва дефектных учаотков, и фильтрация будет зависеть от дефектности системы, вязкости флюида и градиента давления, действующего на данную систем. Прорыв по контакту цементного камня с колонной, кроме того, зависит от давления внутри колонны, так как в этом случае сказывается деформация труб, следствием которой является образование микрозазоров. Для теоретического решения задачи определения давления разгерметизации требуются данные больного количества геометрических, прочностных и гидравлических параметров - потенциальных преград движению флюида. Иметь такую информацию о системе в скважине не представляется возможным. Остается единственный путь определения давления прорыва только непосредственным испытанием системы о последующе" обработкой данных.

Система считается герметичной, если она выдергала нагрузку, превышающую рабочую на определенный-коэффициент запаса прочности (в большинстве случаев от 10 до 50%). Без сравнения предельных нагрузок, которые Еыдеркиваег оиотема (в нашем случае давление разгерметизаций), с рабочими (реально действующими на зацеменяирован-ное заколонное пространство) заключение о её герметичности производится не должо.

.Анализ оценки гэрметнчнооти вацемэнтированннх интервалов,проводимый согласно Действующему ныне РД 33-4-Г02Ф-84, показал, что

заключения Делаются при: неизвестных давлениях разгерметизации; без привлечения данных о реально действующих градиентах давлений (рабочих нагрузок); без учета типа флюида.

Давление разгерметизации можно определить, учитывая депрессии, при которых произошел прорыв "чужих" вод либо газа, и данных о дефектности рассматриваемых интервалов (материалы геофизического контроля качества цементирования) путем статистической обработки и по-

t

лучения зависимости Tima

где йР - перепад давления на участке;

h - протяженность рассматриваемого участка зацементированного заколонного пространства;

Xt,h,Xs,../a - геофизические параметры,участвующие в обработке.

Реально действующие градиенты давлений 8а колоннами в открытой части ствола скважины, а также .в межколонном пространстве можно рассчитать, используя данные о Пластовых давлениях я конструкции скважины.

Учесть тип и свойства флюида (воды, нефти, конденсата, газа и т.п.) можно, привлекая геолого-геофизическую информацию по скважине.

Проанализировав распределение градиентов давлений в ватрубном и межколонном пространстве (более 2000 интервалов скважин различных конструкций) трехсот месторождений основных нефтегазодобывающих регионов, можно сказать, что в непродуктивных интервалах скваяин градиенты давлений в десятки-сотни раз меньше выбранных для сушествута-щих в наотоящее время критериев оценки качества цементирования (1,5-2 Ша/м).

Необоснованное завышение требований к большинству интервалов приводит к конфликтным оитуациям при одаче скважин в эксплуатацию и, как следствие, к необоснованному поиску новых технологических

решений в процессе крепления скважин.

Основополагающим фактором, влияющим на достоверность выдаваемых заключений по оценке качеотвз цементирования и, следовательно, по герметичности зацементированного заколонного пространства, является достоверность исходной геофизической информации, её соответствие истинному состоянию зацементированного участка.

Как уже отмечалось выше, по существующей в отрасле методике оценки зацементированного состояния скважин интерпретация скважин-ных замеров аппаратуров АКЦ проводится применительно к чистому портландцементному раствору и не-учитызает изменения акустических свойств цементного камня с различными облегчающими добавками и особенно газовой депрессией.

Газонаполненный гамгонажный камень в заколонном пространстве представляет собой мелкодисперсную структуру продуктов гидратации с равномерно распределенными в них замкнутыми газовыми включениями, размер и количество которых зависит от степени газонасмценяя и термобарическизс условий формирования камня.

Поскольку гидростатическое давление столба жидкого газированного раствора изменяется по глубине скважины по определенному закону, то изменяются с глубиной и характеристики газонаполненного камня - его плотность, скорость распространения акустических волн, что влияет на изменения показаний аппаратурных параметров при контроле цементирования.

Поэтому Для установления закономерностей изменения плотности и скоростных характеристик газонаполненных камней ззовникла необходимость проведения серии экспериментов по исследованию свойств TTC. Установленные ранее зависимости изменения только плотности ГГС,приводимые в работах В.П.Дэткова, В.К.Петреску, Н.А.Полухиной и других авторов, без исследования изменения скорости в камнях, сфогали-ровапных из этих то растворов, не позволяли подойти к комплексному

решению задачи цементирования ГТО с последующей оценкой их состояния после цементирования.

Кроме того, ещё одной задачей, связанной с необходимостью проведения исследований ГГС, явилось создание алгоритма и программы для П®М по оперативног/у выбору необходимых для цементирования исходных параметров ГГС, исходя из конкретных геолого-технологических условий каждой скважины.

Необходимость повышения достоверности исходной геофизической информации предопределила разработку аппаратуры -записи фазокорре- ' ляционных диаграмм "Волна" и на её базе создание методики .оценки зацементированных интервалов скважин, позволяющую более точно по сравнению с существующими методами определять для различных тампо-нагашх растворов, в том числе и газонаполненных, высоту цементного камня за колонной -и качество его сцепления как с колонной., так и с . породой в различных геологическнх разрезах, в том числе и высокоскоростных.

Па основании анализа промысловых и литературных Данных авто- -ром диссертации определены и обоснованы основные пути решения вышеперечисленных проблем. Сформулированы цели и задачи диссертации.

Вторая глава посвящена исследованию свойств газонаполненных тампонажкис растворов и камней, совершенствованию технологии цементирования скважин ITC и разработке методики оценки их зацементированного состояния.

Исследованиям ГГС посвящзно большое количество работ как зарубежных, так и отечественных авторЪв. Наиболее полно проблемы, связанные о использованием ГГС при строительстве скважин, и пути их решения изложены в диссертации В.И.Петреску. Необходимо отметить, что общая направленность ранее выполненных работ ориентирована на" изучение различных технологических характеристик ГГС и улучшение

самого процессе цементирования. Однако нигде не был затронут вопрос о проблемах, связанных о оценкой зацементированного состояния скважин ГГС и путях их решения.

Дм решения этой проблемы были созданы лабораторные установки и методики исследований изменения плотности газонаполненных тампо-наяошх систем в зависимости от изменения исходной плотности пегази-рованного тампонажного раствора, отепени его газонасшцения и давления формирования камня, а также изменения скорости звука в образцах в зависимости от его плотности и времени формирования.

Исследовались TTC, полученные как методом механического вовле-чвния воздуха (аэрации), так и методом химической генерации. Полученные данные обработаны на Л ЗЗМ с помощью статистических методов анализа информации.

Установлены зависимости: I. Изменения плотности ПС

" о = ——- * /&? ¿п (t*/ûP) , m

-У Ho.uiß . U)

где j> - текущая плотность газонаспшенного тампонакного раствора, кг/м3;

J>0~ плотность исходного (негазированного) тампонажного раствора, кг/м3;

3 - кратность газирования;

Р- текущее давление, нря котором определяется плотность ГГС, ИПа.

Коэффициент множественной корреляции - 0,89. 2. Изменения скорости звука в газонаполненных камнях

С =» expias S fû, OOtS5J>), (2)

где С - скорость звука в образце, м/сек; tP - плотность образцов, кг/ма. Коэффициент множественной корреляции - 0,915.

3. Изменения скорости звука в газонаполненных камнях при выдерживании от 2 до 30 суток.

С*-202,434+ 0,943 С3 +O,tiSGTS+£4S,SSWtn7'-0.OZ33CzT, ^

где С - скорость звука в образце в момент времени Г , м/сек;

Cs. - скорость звука в образце через 48 час, м/сек;

Т - время выдержки образца, сут.

Коэффициент множественной корреляции - 0,807.

4. Изменения прочности газонаполненных кашей при сжатии и изгибе в процессе твердения

Ge>e -"0,374*1187 схр (-0.55?* 0,0O2J> О, /2 Г Т)} (4)

(Коэффициент множественной корреляции - 0,95),

\

«-0,03k2 + t,OOSexfl(-/.re+0,002Qrj>i-0,0/23T)f (5)

(коэффициент множественной корреляции - 0,97), где пре-

дел прочности камня при сжатии, Ша; - предал прочности камня при изгибе, Ша; J> - плотность камня, кг/м3; Г - вреш твердения образца, оут.

5. Определение прочности газонаполненных камней яеразрущаюцими методами испытаний

G~i,3Z = (М-М*С3-2, Ы-№ ~Ь О, ОО V£J/J -Р > (6)

(коэффициент множественной корреляции - 0,93),

<Йе* = (3.49-Ю'Ъ3* S.W-t°eC + 0,0/2S)-J> , (?)

(коэффициент множественной корреляция - 0,927), где $ -плотность газонаполненного камня, кг/м3; С - скорость звука в камне, м/с.

6. Прогнозируемые значения прочности газонаполненных камней

и>

по исходным параметрам ITC

Quiz - М^НТЪМА {8)

(коэффициент мно та твенной-корреляции - 0,88),

(St-hc = expl-S.M+O.OOSSSlj^i-MÍn^rtP)]} (9)

(коэффициент множественной корреляции - 0,82), где j^, -плотность исходного тампонажного раствора, кг/м3; ß - кратность газирования; р - Давление формирования, Ша.

Статистическую обработку прошли данные по исследованиям ITC, полученных методом аэрации и химической генерации как по отдельности, так и совместно. Можно отметлть, что значимость зависимостей выше у ITC, полученных методом химической генерации, что можно объяснить более равномерным распределением газовой фазы по всему объему, в том число и более равномерным и отабильным размером самого пузырька и, как следствие, более стабильной газонаполненной системой в плане удержания газовой фазы в объеме таглпонапного раствора. И второе, что нет принципиального отличия в поведении газонаполненных ташоиажннх систем, полученных как методом химической генерации, так и аэрации и, с удовлетворительной для расчетов точностью, можно пользоваться обобщенными зависимостями, приведенными выше.

Используя установленные зависимости, разработаны алгоритм и программа для 'ЛЕВМ по оперативному определенна плотности и давления в столбе ГТС при цементирования скважин.

При разработке акустического метода оценки зацементированных скважин ГТС автором диссертации предложено определять критические значения параметра затухания волны по колонне оÍ* расчетным путем,

используя зависимость, установленную Реллем для определения коэффициента пропускания олоя толщиной cl с акустическим сопротивлением $кСк , разделяющим две среда с акустическими сопротивлениями §РСр и $цСц . Здесь индекс К относится в обсадной колонне, Р - к буровому раствору и Ц - к цементное кольцу. Шло установлено, что коэффициент пропускания колонны D пропорционален параметру затрсанпя волны по колонне d* и, таким образом, зная закономерность изменения значения акустического сопротивления газонаполненного тампонажного камня frC* по глубине скважины, а также акустические сопротивления бурового раствора $рСр и колонны и рассчитав по ним вначение D , можно определить значение аппаратурного параметра, dx по всей высоте нахождения газонаполненного тампонажного камня.

Основываясь на установленных зависимостях изменения акустических параметров газонаполненных кашей и зависимости по расчету с-¿к, разработана методика оценки состояния зацементированных скважин ГГС. Она включает номограммы по определению параметра cLk в зависимости от глубины, степени газонасыщекия, условий формирования камня, а также времени проведения замера на скважине и окважинной температуры, В методике описаны порядок проведения исследований на скважине, а также последовательность интерпретации скважинных замеров.

Третья глава посвящена разработке аппаратур! записи фазокорре-ляционных диаграюл "Волна" и совершенствованию метода оценки состояния зацементированных интервалов скважик .

При оценке состояния зацементированных скважин с использованием аппаратур! акустического контроля цементирования (АКЦ) информацию о состоянии контакта цементного камня с колонной несет первая фаза продольной волны, распространяющейся по колоннэ. Вместе с тем, полный пакет, возникающий при излучении упругого импульса в скважину, дополнительно несет существенную информацию, применяя которую можно

уточнять состояние контакта цементного камня с колонной, определять его состояние с породой, используя отраженное сигналы от муфтовых соединений, определять высоту подъема облегченных, в том числе и газонаполненных тампонажных растворов.

Реализация этого метода ранее была осуществлена в аппаратуре АКР, ИФКД, БФКА, однако по причинам ограничений по разрешающей способности записи на фотоносигель в стандартных каротажных фоторегистраторах, максимально возможная длительность регистрируемого волнового пакета составляет 1,8 мсек. В то же время оптимальная регистрация отраженных сигналов е>т муфтовых соединений находится в интервале 2,5-3,5 мсек. Регистрация и их запись в виде аналоговой кривой реализована в ранее разработанной приставке ЖГАК.

Разработанная на уровне изобретения со специалистами НПО "Неф-тегеофизприбор" и НПФ "Геофизика" аппаратура записи фазокорреляци-онннх диаграмм "Волна" позволяет проводить запись волнового пакета длительностью до 4,5 мсек, используя комбинированную развертку электронного луча на экране воспроизводящей электронно-лучевой трубки. Это позволяет одновременно иметь информацию о контактах цементного камня с колонной и породой, а также об отраженных сигналах от муфтовых соединений.

В главе приводится описание функциональной и принципиальной схем аппаратур!, поясняется принцип её работы.

Далее изложена технология контроля цементирования скважин с применением разработанной аппаратурой. Она является дополнением к "Руководству по применению акустических и радиометрических методов контроля качества цементирования нефтяных и газовых скважин" и РД 39-4-1024-84 "Технология исследований и интерпретации данных, полученных аппаратурой ЦМГА-2 и УЗВЛ-21 в различных геолого-технических условиях в обсаженных скважинах". Списаны физические основы

метода, показаны возможные области его применения.

Приводится перечень технологического оборудования, необходимого для проведения исследований, а также данные о регламенте и режиме работы на скважине.

Подробно описаны подготовительные работы с аппаратурой "Волна" перед проведением исследований и сам процесс исследования скважин.

Большое место уделено описанию методологии интерпретации получаемых данных, особенно в тех случаях, когда возникают спорные вопросы из-за несоответствия показаний аппаратуры АКЦ истинному состоянию зацементированного участка, уточненного путем совместной интерпретации фазокорреляционннх диаграмм и данных АКЦ.

На промысловых примерах показаны приемы комплексной интерпретации цементограмм и фазокоррелограмм.

Четвертая глава посвящена разработке метода оценки герметичности зацементированных интервалов скважин на основе данных геофизического контроля по состоянию их цементирования и реально действующих на них в заколонном пространстве гидравлических нагрузках.

В первом параграфе главы проведен анализ распределения градиентов давлений, действующих в ааколонном пространстве. Установлено, что участки с градиентами давлений 1,5-2,0 Ша/м находятся только в призабойной части и градиенты с такими значениями возникают только в результате создаваемых депрессий (репрессий) на продуктивные пласты при длительном отборе добываемого продукта.

Б процентном отношении они составляют всего около 1,5% от всего диапазона существующих в заколояном пространстве градиентов давлений (0 - 2,5 МПа/м).

В остальных интервалах за кондукторами, промежуточными и эксплуатационными колоннами природные градиенты давлений в десятки и сотни раз меньше. Более 80$ интервалов имеют градиенты от 0 до

0,02 Ша/м, 7,4% интервалов - градиенты от 0,02 до 0,03 Ша/м, около 10% интервалов - градиенты от 0,03 до 0,07 Ша/м. Аналогичная ситуация прослеживается и с распределением градиентов давлений в межколонном пространстве, где более 41% интервалов имеют градиенты давлений менее 0,02 Ша/м. В результате проведенного анализа делается вывод, что требования, заложенные в- существующих методиках' оценки зацементированного состояния скважин, для призабойной части скважин вполне обоснованны, но автоматический перенос их (а подход к оценке качества цементирования в настоящее время одинаков, что для призабойной части, что дяя остальных интервалов) на непродуктивные интервалы скважин является явно завышенным и требует учета реапьно действующих градиентов давлений, что и сделано при разработке нового метода.

Здесь герметичность зацементированного участка определяется путем сравнения допустимого для него градиента давления и градиента, действующего в заколонном пространстве. При этом участок считается герметичным, если выдерживается соотношение 40дчп > блок. др. ,

где б^о»- допустимый градиент_давления для зецементированного участка; ч"

Г градиент давления, действующий в заколонном пространстве на этом же участие.

Допустимый градиент давления для зацементированного участка Орп определяется путем решения зависимости, полученной в результате регрессионного анализа данных АКЦ, электрического каротажа, инклинометрш, гамма-гамма каротажа, а -также освоения и эксплуатации скважин.

Градиенты давлений, действующие в заколонном пространстве &зач.пр , рассчитываются исходя из конструкции скважин, условий её эксплуатации и данных по пластовым давлениям.

В разработанной методике приведен порядок определения допустимых градиентов давлений для зацементированных участков скважин с учетом реально действующего естественного заколонного градиента на этом участке.

Кроме призабойной части скважин определены особые интервалы и допустимые градиенты, характеризующие повышенные требования к герметичности заколонного пространства. К ним относятся:

- интервалы питьевых горизонтов и участки по 25 м выше и ниже кровли верхнего и подошвы нижнего горизонтов (с целью предотвращения их загрязнения);

- участки толщиной от 100 до 150 м выше башмака всех промежуточных колонн с целью предотвращения' их разрушения при дальнейшем углублении скважин;

- интервалы пластичных пород, солей в случае цементирования этих участков с целью повышения несущей способности составной крепи (колоша - цементное кольцо).

Приводятся необходимые технологические и геолого-геофизические данные для расчета градиентов действующих в затрубном пространстве, Ждется методика их расчета в заколонном и межколонном пространстве.

Указана методологическая последовательность проведения оценки герметичности, начиная от обора исходной информации и заканчивая собственно определением герметичности конкретного зацементированного интервала скважины. Приводится форма заключения. Само заключение выдается поинтервально в двух градациях; интервал герметичен -негерметичен.

В заключение приводится пример по оценке герметичности еденной в эксплуатацию скважины.

В пятой главе приводится расчет экономической эффективности от внедрения технологии контроля цементирования скважин с применением индикатора "Волна", а также результаты её промышленного внед-

рения. Показаны результаты опытного внедрения методики оценки зацементированного состояния скважш! газонаполненными тампонажными системами и методики оценки герметичности зацементированного пространства скважин.

С участием автора диссертации в 1986 году были разработаны и изготовлены опытные образцы индикаторов "Волна", проведены их предварительные и приемочные испытания. В 1987 году на Бакинском опытно-эксперименталыюм заводе геофизических приборов изготовлена опытная партия приборов в количестве 25 шт. С 1988 года аппаратура "Волна" внедрена в производственных объединениях Пермнефтегеофизика, Актю-бинскнефть, йлбанефтегесфизика, Западнефтегеофизика, Куйбышевнефте-газ, Саратовнефтегеофизика, Арктикморнефтегазразведка, АО "Кубань-газпром", тросте Северспецбургаз, Новоуренгойской и Ямбургской ПГЭ и других.

Экономический эффект по результатам внедрения лпдшсатора "Волна" в среднем на одну скважину в 1987 году в ПО Пермнефтегеофизика составил 1041,9 руб. Общий объем исследований только за 1988-1989 гг. в выше перечисленных объединениях составил более 1100 скважин.

О участием автора диссертации в 1987 году разработан отраслевой РД 39-0147009-534-87 "Технология контроля цементирования скважин с применением регистраторов фазокорреляционннх диаграмм ("Волна", ЕЖА ...)". Технология внедрена вместе с индикатором "Волна". По результатам внедрения технологии в ПО Пермнефтегеофизика в 1987 году экономический эффект согласно акту внедрения (форма № Р-Ю) соотавил 2ЭЗ,8 тыс .руб.

Разработанная под руководством автора диссертации методика оценки герметичности зацементированного пространства скважин в 1993 году внедрена в ПО "Пурнефтегаз". Ранее, в 1991 г., методика

прошла промышленные испытания на предприятии "Черногорнефть" ПО "Нижневартовскнефтегаз".

Основные положения методики оценки состояния скважин, зацементированных газонаполненными тампонажными системами, в виде методических рекомендаций внедрены в 1987 году в ПО "Тадкикнефть", в 1988 году - в Западной Сибири, в 1989 году - в ПО "Тадаикгеология", в 1990 году - на месторождениях полуострова Ямал. В 1990 году автором диссертации была проведена оценка зацементированного состояния скважины № 7 Мариновгеранской площади (реопублика Болгария), зацементированной газонаполненным, тампонажным раствором. Исследования, проводились с применением индикатора "Волна",

ОСНОВНЫЕ вывода И ЕШЖВЩЩИИ

1. Установлены причины недостаточной эффективности методов контроля состояния зацементированных скважин различными тампонажными материалами, определены пути усовершенствования технических средств и технологий контроля.

2. Совместно со специалистами НПО "Нефтегеофизнрибор". и НПФ "Геофизика" разработаны индикатор записи фазокорреляционных диаграмм "Волна" и Технология контроля цементирования скважин с применением регистраторов фазокорреляционных диаграмм ("Волна",ЕЖА...)У

3. Разработан акустический нетод исследований газонаполненных тампонажных кашей и метод исследования сжимаемости газонаполненного тампонакного раствора. Проведены исследования газонаполненных тампонажных растворов и полученных из них камней при введении в раствор газовой фазы как методом аэрации, так и химической генерации. Экспериментально установлены зависимости для последующей разработки метода контроля качества цементирования ГГС и совершенствования технологии цементирования ГГС.

4. Разработана методика оценки состояния зацементированных скважин ГТС на основе акустического метода исследований.

5. Разработан нетрадиционный неразрудающий метод испытания прочностных характеристик газонаполненных тампокажных камней.

6. Для создания методики оценки герметичности зацементированного пространства скважин проведен анализ распределения градиентов давлений в затрубном пространстве. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования влияния типоразмеров зацементированных колонн не допустимый градиент гидропрорыва.

7. Разработана не имеющая аналогов методика оценки герметичности зацементированного пространства скважин.

С. Подготовлены руководящий документ и методические рекомендации, осуществлено промышленное внедрение разработок на месторождениях Западной Сибири, Таджикистана, Казахстана, Украины, Сахалина, Волжско-Уральского региона, Болгарии с объемом внедрения более 1000 скважин и экономическим эффектом около 300 тыс.рублей в ценах 1987 г.

Основные положения диссертации изложены з,следующих работах:

1. Сугая В.М., Дудаев В.Х-М., Прямою П.А. Некоторые особенности применения фазокорреляционного метода .при контроле цементирования скванин / Тезисы: докл.обл.научно-практич.копф. - Состояние и перспективы геолого-геофизических и/технологических исследований, проводимых в процессе бурения скважин. - Тюмень. - 1987. - С.15.

2. Су.гак В.М., Дулаев В.Х-М., Калиенко А.Ф. Некоторые особенности контроля цементирования глубоких скважин /Тезисы докл. к 1У конф.-дискуссии. - Форнирование и работа тампонажного камня в скважине. - Краснодар. - 1987. - С.218-219.

3. Сугак В.М. Особенности оценки состояния крепи в скважинах, зацементированных облегченными ташокажными материалами /Тез.докл. к Всесоюзн.конф. - Проблемы строительства нефтяных и газовых сква-

жин. - Краснодар, - 1990. - С.159-160,

4. Технология цементирования эксплуатационных колонн аэрированными цементными растворами /В.И.Петреску, В.Х-М.Дулаев, Ю.И.Сидоренко, В.М.Сугак//Тр.ВНИЖРнефтя. - 19Э0. - C.II-I7.

5. Дулаев В.Х-М., Сугак В.М. Совершенствование мзтодики оценки герметичности зацементированных интервалов с-кважин/Тея.докл. к Всесоюзн.конф.-Проблема строительства нефтяных и газовых скважин.-Краснодар. - 1990. - С.157-158.

6. Сугак В.М., Полухина H.A., Дулаэв В.Х-М., Антонов П.А. Чалый И.В.-Лэрирсзанные системы в условиях переменных давлений. -Тез. докл. к Ш Всесоюзн.конф.-дискус. - Формирование и работа тампонаж-ного камня в скважине. - Краснодар. - 1991. - С,31.-33.

7. Об оценке герметичности зацементированные интервалов скважин /В.М.Сугак, В.Х-М.Дулаев//Тр.ВНИИШзфти - 1992. - С.54-59.

8. A.c.Я I4834I7.CCCP,AI4 01 1/40.Устройство регистрации фазо-корреляционных диаграмм/В.И.Антоненко,В.Х-М.Дглаев, В.М.Сугак. (СССРМ 3945038/Эаявлено 26.08.85. Опубл.30.05.89. Вал. 120.

9. A.c. й II02920.CCCP, AIE 21 В 47/01. Споооб определения высоты подъема тампонажных растворов за обсадной колонной сквамотн/ В.В.Беспалов, В.Х-М.Дулаев, В.М.Сугак, А.Ф.Калиенко к др. (СССР) -№ 3542832/Эаявлено 24.0I.B3. Опубл. 15.07.84. Вол. № 26

10. Способ определения высоты подъема тампонажных растворов за обсадными колоннами путем регистрации отраженных акустических волн: РД 39-4-1252-851/Куксob А.К., Дулаев В.Х-М., Беспалов В.В., Сугак В.М. и др. - Краснодар: ВНИИКРкефть, 1985. - С.10.

11. Технология контроля цементирования скважин с применением регистраторов фазокорреляционных диаграмм:РД 39-0147009-534-87/ Дулаев В.Х-М. .Беспалов В.В., Сугак В.М. и др.-Краснодар,ВНИИКШефть, 1986. - C.3S.

Соискатель

В.М.Сугак