Гамма-гамма-контроль за цементированием скважин (метод рассеянного гамма-излучения)

 

При существенном различии в значениях плотности тампонажного и бурового растворов (более 300 - 500 кг/м³) можно получать информацию о распределении и целостности цементного кольца за колонной, используя метод рассеянного гамма-излучения (МРГ) или гамма-гамма-контроля за цементированием скважин (ГГКц) [29, 77].

Гамма-гамма-контроль за цементированием скважин основан на обратной зависимости интенсивности рассеянного гамма-излучения от плотности окружающей среды.

Основными узлами аппаратуры, реализующей метод гамма-гамма-контроля за цементированием, являются источник гамма-излучения (радиоактивные изотопы цезия или кобальта) и изолированный от него свинцовым экраном (на расстоянии 40 - 60 см) индикатор - приемник гамма-излучения, состоящий из газоразрядных счетчиков или сцинтиллятора с фотоумножителем.

При нахождении скважинного прибора в обсаженной и зацементированной скважине излучаемые из радиоактивного источника гамма-кванты рассеиваются и поглощаются в буровом и тампонажном растворах, в колонне, а иногда и в породе, в связи с чем только часть рассеянного гамма-излучения попадает в индикатор.

Поэтому при наличии за колонной более плотного цементного раствора или камня, в результате большего поглощения гамма-квантов, интенсивность попадающего в индикатор рассеянного излучения будет меньше, чем при наличии в заколонном пространстве бурового раствора, и наоборот.

Для исследования скважин, обсаженных 146- или 168-мм обсадными колоннами, применялась аппаратура гамма-гамма-контроля за цементированием ЦМТУ-1. Ее индикатор (приемник части рассеянного гамма-излучения) состоит из трех разрядных счетчиков, симметрично расположенных относительно оси в углублениях на цилиндрической поверхности свинцового экрана, что обеспечивает одновременную регистрацию изменения интенсивности рассеянного гамма-излучения по трем образующим (через каждые 120°) ствола скважины. Вследствие вращения прибора при движении его по стволу скважины эти кривые имеют синусоидальный характер.

Для работы в 89 - 114-мм обсадных колоннах использовался прибор ЦММ-3-4 аналогичной конструкции.

В аппаратуре гамма-гамма-контроля за цементированием Цф-4, предназначенной для исследований в 215 - 240-мм обсадных трубах, имеются четыре " башмака" (через каждые 90°), прижимающихся к стенке колонны. В специальных пазах " башмаков" установлены четыре гамма-приемника-индикатора. По схеме прибор ЦФ-4 отличается от ЦМТУ-1 только наличием четвертого измерительного канала.

Затем для контроля за цементированием скважин с 146- и 168-мм колонной широко применялся более эффективный гамма-дефектомер с коллимированным экраном, вращающимся вокруг излучателя и индикатора-приемника гамма-излучения с повышенной чувствительностью, позволяющий регистрировать кривые распределения интенсивности рассеянного излучения по периметру колонны как при перемещении, так и при остановке прибора.

В связи с тем, что на показания гамма-гамма-аппаратуры оказывает сильное искажающее влияние изменение толщины стенок обсадных труб в колонне (изменение толщины стенки на 1 мм вызывает изменение его показаний на 10 - 20 %), дефектомер был скомплексирован с радиоактивным толщиномером труб. Толщиномер работает по тому же принципу, что и гамма-гамма-дефектомер, но отличается тем, что расстояние между индикатором и источником с менее жестким излучением - изотопом тулия - около 10 см. Комплексный прибор получил название селективный гамма-дефектомер - толщиномер СГДТ-2.

Во всех модификациях аппаратуры измеряемые значения интенсивности рассеянного гамма-излучения преобразуются в скважинных приборах в соответствующие электрические сигналы, которые через каротажный кабель и наземную панель передаются на регистрирующее устройство, записывающее их в виде кривых изменениях интенсивности рассеянного гамма-излучения с глубиной скважины - цементограмм.

При интерпретации зарегистрированных гамма-гамма-цементограмм необходимо привлекать кавернограмму для учета изменения диаметра скважин, а для приближенной оценки влияния плотности пород - диаграмму НГК. Надежность результатов интерпретации повышается при наличии данных о толщине стенок труб обсадной колонны.

На рис.38 приведена обобщенная схема качественной интерпретации цементограмм, зарегистрированных ЦМТУ-1 и гамма-дефектомером СГДТ-2, на которых показано, что по данным их интерпретации можно дифференцировать основные случаи взаиморасположения бурового раствора, колонны, тампонажного раствора (камня) и стенок скважины.

На рис.39 сопоставлены кавернограмма и зарегистрированная ЦМТУ-1 в зацементированной скважине гамма-гамма-цементограмма.

Для интерпретации кривых цементограмv используют усредненные максимальные и минимальные показания в анализируемом интервале, а также их разности и отношения.

Для облегчения интерпретации на участках зарегистрированной трехканальным ЦМТУ цементограммы с заведомо известной характеристикой заколонного пространства проводят (см. рис.39) соответствующие показаниям счетчиков скважинного прибора линии:

- породы (усредненные минимальные показания ;

- цемента и раствора (усредненные максимальные показания против каверн, заполненных цементным камнем и буровым раствором );

- цемент-порода и раствор-порода, характеризующие эксцентриситет колонны в скважине (усредненные показания против зацементированных и незацементированных участков ствола скважины при номинальном ее диаметре);

- раствор-цемент, характеризующие одностороннюю заливку или нарушение целостности цементного камня (усредненные максимальные показания против каверны, частично заполненной буровым и частично тампонажным раствором );

а затем показания против других участков интерпретируют на основе этих линий.

В результате интерпретации с учетом вышеизложенного на цементограмме (с. рис.39) четко отмечается распределение за колонной: бурового раствора (максимальная интенсивность рассеянного гамма-излучения) выше глубины 1065 м, равно мерно заполненная тампонажным раствором каверна (сравнительно низкая и одинаковая интенсивность гамма-излучения) в интервале 1113 -1130 м, переходная зона буровой - тампонажный раствор (камень) (спад интенсивности излучения в интервале 1065 - 1080 м) и эксцентриситет колонны в скважине , значение которого уменьшается сверху вниз (уменьшение расхождения кривых), в интервале 1030 - 1170 м, а также - односторонность заливки тампонажного раствора или канал в цементном кольце в интервале 1190 - 1200 м.

 

Рис. 38. Обобщенная схема интерпретации диаграмм:

А - цементограммы, зарегистрированные трехканальным цементомером;

Б - диаграмма, зарегистрированная гамма-дефек-томером; I - прибор не вращается в колонне; II - прибор вращается в колонне; а, в - колонна расположена соответственно в центре и эксцентрично незацементированной части скважины; б, в - каверна, заполненная соответственно буровым раствором и цементом; г, д - колонна расположена соответственно эксцентрично и в центре зацементированной части скважины; ж - односторонняя заливка цемента;

1 - цемент; 2 - порода; 3 - глинистый раствор

 

 

Рис. 39. Сопоставление цементограммы I и кавернограммы II

 

Независимость показаний СГДТ-2 от угла поворота прибора при перемещении в скважине, большая чувствительность и разрешающая способность, а также возможность довольно точного определения изменения толщины труб в колонне с помощью толщиномера позволили разработать методику количественной интерпретации параметров регистрируемой гамма-дефектомером круговой цементограммы для определения значений плотности вещества за колонной и эксцентриситета колонны в скважине. Определение этих значений проводится по максимальным и минимальным значениям интенсивности гамма-излучения с помощью палеток, учитывающих влияние на показания гамма-дефектомера толщины стенки колонны, плотности горных пород, диаметра скважины и др.

На рис.40 показаны геофизический разрез и результаты исследования ЦМТУ и СГДТ-2 состояния цементирования двух интервалов скв. 1544 Самотлорского месторождения.

Сопоставление кривых показывает, что круговая цементограмма по конфигурации в основном подобна цементограмме ЦМТУ-1, но более дифференцирована.

На толщинограмме (см. рис.40) довольно четко отмечаются изменения толщины стенок обсадных труб колонны, а также местонахождение соединительных муфт и центраторов.

Определенные в тресте " Тюменнефтегеофизика" по данным круговой цементограммы значения плотности вещества за колонной и ее эксцентриситета приведены (см. рис.40) в виде кривых изменения этих значений с глубиной скважины.

По кривой изменения плотности вещества за колонной (см. рис.40) достаточно четко определяются переходы от цементного камня к гельцементу и затем - к буровому раствору, а также неполное замещение бурового раствора тампонажным в каверне.

Кривая изменения эксцентриситета (см. рис.40) показывает, что в нижней части скважины, где устанавливались центраторы, эксцентриситет колонны меньше, чем в верхней, и значительно меньше, чем в незацементированном интервале. Однако отмечается минимальное значение эксцентриситета (около 0, 2) против каверны в интервале 1620 - 1635 м, по всей вероятности, только кажущееся, так как сравнительно однородное заполнение каверны (что подтверждается данными ЦМТУ-1) и значительные ее размеры не позволяют выявить существенного изменения плотности вещества за колонной по ее периметру. А это не позволяет оценить степень отклонения оси колонны от оси скважины.

В связи с затруднительностью достаточно полного учета всех факторов, влияющих на определение плотности вещества за колонной и ее эксцентриситета, необходимо критически оценивать точность и надежность получаемых результатов, привлекая возможно шире дополнительную информацию, характеризующую значения определяемых параметров.

Рис.40. Результаты исследования качества цементирования скв. 1544 Самотлорского месторождения:

а, б - положения соответственно соединительных муфт и центрирующих фонарей; 1 - КС; 2 - ПС; 3 - кавернограмма; 4 - толщинограмма; 5 - круговая цементограмма; б, 7 - диаграммы, характеризующие соответственно эксцентриситет колонны и плотности веществ за ней; 8 - цементограмма ЦМТУ-1

 

Большим преимуществом применения гамма-дефектомера СГДТ-2 является возможность определения изменения интенсивности рассеянного гамма-излучения по периметру колонны при ее измерениях на точках, в наиболее важных в отношении оценки качества цементирования интервалах скважины.

Как показали расчеты и исследования моделей зацементированных скважин, кривые изменения интенсивности рассеянного гамма-излучения по периметру колонны (дефектограммы) имеют при однородной плотности вещества за колонной несколько изменяющуюся в зависимости от конструкции скважин, но достаточно определенную (близкую к синусоидальной) конфигурацию, которая резко искажается при наличии дефектов (каналов, трещин) в цементном кольце. На этой особенности регистрируемых на заданных точках с помощью гамма-дефектомера СГДТ-2 кривых основана разработанная во ВНИИнефтепромгеофизике методика определения каналов в зацементированном заколонном пространстве.

В качестве иллюстрации эффективности применения гамма-дефектомера СГДТ-2 на рис.41 приведены круговая цементограмма, кавернограмма и зарегистрированные в отдельных точках дефектограммы с построенными по их данным схемами сечения скв. 1382 Туймазинской площади.

На основе изложенных выше принципов интерпретации по круговой цементограмме (см. рис.41) можно четко определить на глубине 1060 м границу между буровым и тампонажным растворами (камнем), а с помощью палеток оценить плотность вещества за колонной и ее эксцентриситет , (например, в интервале 1210 - 1230 м = 1, 9 г/см³ и = 0, 7, а в интервале 1040 - 1060 м = 1, 3 г/см³ и = 0, 8).

В интервале 1193 - 1202 м отмечается некоторое уменьшение плотности цементного камня за колонной. Результаты интерпретации по разработанной методике зарегистрированных в нескольких точках этого интервала дефектограмм показывают, что в нем образовался канал в цементном камне, площадь поперечного сечения которого приблизительно равна 10 % сечения заколонного пространства скважины.

Согласно данным ВНИИнефтепромгеофизики с помощью СГДТ можно при благоприятных геолого-технических условиях определять плотность вещества за колонной с точностью до 100 - 200 кг/м³ и выявлять каналы в цементном камне с площадью поперечного сечения, составляющей более 2 % площади сечения заколонного пространства. Тогда как с помощью ЦМТУ-1 выделяются каналы с сечением, не менее 10 % площади сечения заколонного пространства.

Рис.41. Круговая цементограмма (а) и дефектограммы (б) по скв. 1382 Туймазинской площади:

1 - в затрубном пространстве буровой раствор; 2 - в затрубном пространстве цементный камень; 3 - каналы в цементном камне

Во ВНИИнефтепромгеофизике разработана и серийно выпускалась, взамен прибора СГДТ-2, более совершенная аппаратура СГДТ-3 с улучшенной технической характеристикой и меньшими габаритами.

В СГДТ-3 осуществлена замена вращающегося вокруг измерительного зонда экрана с коллимационным окном (недостаточно надежного и являвшегося источником помех) электронным коммутатором с равномерно расположенными по периметру зондами (излучатель-приемник) и взаимно экранированными индикаторами рассеянного гамма-излучения, интенсивность которого регистрируется в виде непрерывной кривой. Для гамма-дефектомера и толщиномера используется один источник гамма-излучения - цезий 137, с активностью 50 - 100 мг-экв Ra, а измерительные зоны толщиномера и дефектомера совмещены.

С помощью СГДТ-3 регистрируются:

- толщинограмма для определения средней по периметру толщины стенки обсадных труб с точностью ±0, 5 мм;

- интегральная цементограмма для определения средней по периметру плотности вещества в заколонном пространстве с точностью 150 кг/м³;

- селективная цементограмма для оценки эксцентриситета обсадной колонны в скважине и плотностной неоднородности вещества в заколонном пространстве;

- диаграмма ГК для привязки глубин соединительных муфт обсадной колонны к геологическому разрезу скважины.

Однако вследствие существенного влияния на результаты измерения гамма-дефектомером СГДТ различных недостаточно полно учитываемых скважинных и аппаратурных факторов (изменения плотности пород и бурового раствора, толщины стенок обсадных труб и цементного кольца, мощности источника гамма-излучения, чувствительности приемного тракта и т.д.) при отличии значений параметров дефектограмм менее чем на 20 % расчетных, нельзя делать определенные выводы о неоднородности среды за колонной. Требуют также критической оценки точность и надежность результатов выявления каналов в цементном камне, и особенно - определения площади их сечения.

Основными ограничениями применения гамма-гамма-контроля за цементированием скважин являются:

- необходимость наличия значительной разницы как плотностей тампонажного и бурового растворов (не менее 300 - 500 кг/см³), так и диаметров скважины и колонны (не менее 4 - 5 см);

- недостаточно надежная работоспособность сцинтилляционного индикатора гамма-излучения при температуре выше 100 - 200°С, в результате чего основное применение аппаратура гамма-гамма-контроля за цементированием (особенно СГДТ-2 и СГДТ-3) нашла в районах сравнительно неглубокого бурения (в Татарии, Башкирии, Тюменской области и т.д.).

По данным проведенной литературной и патентной проработки в США для гамма-гамма-контроля за цементированием скважин применяются в основном одноканальные приборы, регистрирующие интегральную (по периметру колонны) интенсивность рассеянного излучения и в связи с этим имеющие меньшую разрешающую способность, чем отечественные, а также усовершенствованные в направлении повышения разрешающей способности к дефектам цементирования с вращающимися вокруг излучателя и приемника коллимированными экранами.

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться: