Определение высоты подъема облегченных тампонажных растворов в заколонном пространстве скважин

 

Облегченные тампонажные растворы (ОТР) широко применяются при строительстве скважин, составляя не менее 30 % объема используемых тампонажных материалов. Основным фактором, определяющим эффективность применения ОТР, является их меньшая, чем у портландцемента, плотность, позволяющая в сложных геолого-технических условиях (большая глубина, аномально низкие пластовые давления или невысокие градиенты давления гидравлического разрыва пластов) поднимать цементный раствор в заколонном пространстве скважины до проектный глубины.

Наиболее часто в качестве ОТР используют цементно-бентонитовые смеси (гельцемент), так как добавка бентонитовой глины к портландцементу позволяет уменьшить плотность тампонажного раствора за счет увеличения содержания воды, в то же время снижая прочность образующегося цементного камня и замедляя процесс его формирования, особенно при невысоких температурах. Аналогичными свойствами характеризуются и другие облегченные тампонажные материалы.

Однако меньшие у ОТР, чем у портландцемента, выделение тепла при схватывании, плотность, а также скорость формирования цементного камня и его прочность обусловливают возможность занижения, по сравнению с фактическими, определяемых по данным термометрии, гамма-гамма- и акустического методов контроля за цементированием скважин значений высоты подъема (наличия) облегченных тампонажных растворов в заколонном пространстве скважин.

С целью подтверждения возможности занижения, по сравнению с фактическими, определяемых по данным АКЦ значений высоты подъема ОТР были выполнены исследования на созданных (схематически представленных на рис.69, ) разборных макетах скважин, зацементированных при различных температурах (от 10 до 65 °С) гельцементами и облегченными цементами плотностью от 1300 до 1700 кг/м³, а также портландцементом [22, 75].

В период ожидания затвердения тампонажных растворов с помощью АКЦ и весов Михаэлиса неоднократно одновременно определялись значения относительной амплитуды акустической волны, распространяющейся по обсадной трубе макета, (где - значение в свободной (незацементированной) трубе, которые характеризуют состояние контакта цементного камня с обсадной трубой как функцию его упругопрочностных свойств) и прочности на изгиб цементных образцов, находившихся в одинаковых с макетом скважины температурных условиях (в термостате макета).

Из графически представленных результатов (рис. 69, ) части проведенных комплексных исследований макетов скважин следует, что чем меньше плотность ОТР и ниже температура цементирования, тем через более длительный период времени облегченный цементный камень наберет достаточную прочность для образования такого состояния контакта его с обсадной трубой, при котором , снизится до значения, менее 0, 8, соответствующего наличию цементного камня за колонной по данным АКЦ.

Рис.69. Схема и результаты временных исследований с помощью АКЦ и весов Михаэлиса макетов скважин после цементирования портландцементом и ОТР:

I - обсадная труба; II - цемент; III — вода; IV - кожух; V - индикатор температуры; VI - термостат, VII - блок питания; VIII - панель АКЦ;

П - приемник; И - излучатель; - кривые изменения значений и . во времени после цементирования макеров: портландцементом плотностью 1820 кг/м³ при 15 °С (1, 1'), гельцементом плотностью 1520 кг/м³ при 15 °С (2, 2'), 1450 кг/м³ при 20 °С (3, 3'), 1450 кг/м³ при 15 °С (4, 4'), 1450 кг/м³ при 10 °С (5, 5')

 

В табл.11 представлены значения прочности на изгиб портланд- и гельцементного камня, определенные на весах Михаэлиса, и , а также характеристика состояния контакта его с обсадной трубой по данным АКЦ через 1, 5 сут после цементирования макетов скважин (средний срок замера АКЦ в промысловых условиях) при температуре от 10 до 20 °С.

Таблица 11

 

Из представленных данных (см. табл.11) следует, что образовавшийся в затрубном пространстве макета скважины через 1, 5 сут после цементирования при температуре от 10 до 20 °С тампонажный камень отмечается по кривой :

- из портландцемента (при температуре 15 °С) - наличием контакта с обсадной трубой ( );

- из гельцемента плотностью 1550 (при температуре 15 °С) и плотностью 1450 кг/м³ (при температуре 20 °С) - частичным контактом с обсадной трубой ( = 0, 35 и = 0, 7);

- из гельцемента плотностью 1150 кг/м³ (при температуре 15 и 10 °С) - отсутствием контакта с обсадной трубой ( = 0, 9 и = 1) т.е. практически не выделяется по кривой

Поэтому, если в скважинных условиях верхняя пачка гельцемента будет характеризоваться такими же или еще более низкими значениями плотности и температуры цементирования, то она из-за отсутствия контакта с колонной не будет обнаружена в заколонном пространстве с помощью АКЦ через 1, 5 сут после цементирования, а следовательно, будет занижена верхняя граница распространения цемента за колонной.

Смешивание в скважине верхней пачки гельцемента или облегченного цемента для горячих скважин (ОЦГ) с буровым раствором и образование глинистой пленки на наружной поверхности обсадных труб еще больше ослабляют контакт образующегося тампонажного камня с колонной, увеличивая верхний интервал заколонного пространства с необнаруживаемым по данным АКЦ облегченным цементом.

Следовательно, для определения с помощью АКЦ фактической высоты подъема ОТР было необходимо производить повторный замер через больший, чем 1, 5 сут, период времени, что приводило к дополнительным затратам и простоям скважин.

Актуальность предотвращения длительных простоев скважин в несколько суток, а при низких (меньше 5 - 10 °С) температурах, например в интервалах многолетнемерзлых пород, - в несколько десятков суток (в течение которых облегченный цементный камень в заколонном пространстве наберет достаточную прочность для обнаружения его с помощью АКЦ) обусловила необходимость разработки метода, позволяющего определять высоту подъема ОТР через период времени, не больший, чем для определения высоты подъема портландпементного раствора.

 

В работах Д.А. Крылова и других исследователей была показана возможность усовершенствования акустического метода контроля за цементированием скважин для определения высоты подъема облегченных тампонажных растворов за обсадными колоннами скважин [51]. Усовершенствование заключается в том, что регистрируется только часть испускаемых излучателем АКЦ, а затем отраженных от различных неоднородностей колонны акустических колебаний (которая вследствие увеличения длины пробега по сравнению с регистрируемыми с помощью АКЦ головными волнами характеризуется меньшей энергией). Поэтому отраженные акустические волны затухают при более слабом, чем осуществляется портландцементным кольцом, демпфировании акустических колебаний обсадной колонны облегченным тампонажным камнем еще в ранней стадии твердения, указывая на его наличие в заколонном пространстве.

Проведенный анализ результатов исследований скважин и их макетов показал, что из акустических волн, отраженных от различных неоднородностей обсадной колонны, целесообразно использовать для определения высоты подъема ОТР волны, отраженные от муфтовых соединений, как от значительных и практически равноудаленных друг от друга периодически повторяющихся по стволу скважины одинаковых нарушений целостности колонны.

Для подтверждения возможности определения высоты подъема (наличия) ОТР за обсадной колонной путем регистрации отраженных от муфтовых соединений акустических волн были проведены исследования на зацементированных гельцементами с плотностью от 1300 до 1500 кг/м³ макетах скважин с двумя муфтовыми соединениями на внутренней секции обсадных труб, которая заполнялась буровым раствором, а межтрубье - гельцементным (рис.70, ) [67].

Рис.70. Схема (а) и результаты (б) исследований в период ОЗЦ макета зацементированной ОТР скважины с помощью АКЦ с АКР:

I - муфтовые соединения обсадных труб; II - гельцемент; III - термостат;

IV - блок питания АКЦ; V - панель АКЦ; VI - АКР;

1, 2 - ВК головных и отраженных акустических волн; 3, 4 - ВК, зарегистрированные сразу и через 20 ч после цементирования

 

В процессе ОЗЦ в макете скважины с помощью АКЦ с акустическим кинорегистратором (АКР) регистрировался полный волновой сигнал в виде волновых картин и одновременно прибором Вика испытывались образцы гельцемента, находящиеся в термостате.

Результаты акустических исследований макета скважины, зацементированного при 20°С облегченным тампонажным раствором плотностью 1500 кг/м³, иллюстрируются на рис.70, в виде волновых картин. Сопоставление ВК, зарегистрированных сразу и через 20 ч после заливки макета скважины ОТР, показывает, что если сразу после заливки ОТР на ВК 3 четко отмечаются головные 1 и (в интервале временной развертки приблизительно от 3 до 4, 5 мс) отраженные от муфтовых соединений 2 акустические волны, то через 20 ч после заливки (к моменту схватывания ОТР по данным прибора Вика) на ВК 4, при практически неизменившихся амплитудах головных волн, отраженные от муфт волны полностью затухают. Следовательно, затухание отраженных от муфтовых соединений акустических волн может служить индикатором наличия ОТР в заколонном пространстве уже в период его схватывания менее чем через сутки после цементирования при невысокой температуре.

На основе полученных результатов были разработаны и созданы способы определения высоты подъема облегченных тампонажных растворов в скважинах путем регистрации амплитуд отраженных от муфтовых соединений колонны акустических волн ( ) и реализующая его электронная индикаторная приставка ИПАК к панели АКЦ [14, 24, 35, 40, 85, 90].

С помощью АКЦ с приставкой ИПАК кривая регистрировалась одновременно с кривыми и Т АКЦ, что исключало дополнительные простои скважины и затраты на отдельный замер .

На рис.71 представлена принципиальная электрическая схема приставки ИПАК к АКЦ, которая работает следующим образом. Сигнал синхронизации с панели АКЦ (через делитель R14, R15 или инвертор на транзисторе VT4 соответственно при работе с АКЦ-1 или АКЦ-4) через переключатель 1 подается на вход первого ждущего мультивибратора (D2, D3, С5, R16, R17), формирующего импульс задержки длительностью 3 - 4 мс, задним фронтом которого запускается второй ждущий мультивибратор (D5, D6, С6, R18, R19). На его выходе формируется импульс измерительного временного окна длительностью 1 - 20 с, управляющий работой параллельно-последовательного ключа (VT1, VT2, VT3), который пропускает на вход усилителя, собранного на 1, только ту часть волнового сигнала, которая попадает в измерительное окно. Диод VD2 и емкость СЗ преобразуют усиленный сигнал в постоянное напряжение, регистрируемое наземной каротажной аппаратурой. Питание схемы осуществляется от двухполярного источника постоянного напряжения ±12 В. Потребляемый ток 12—15 мА. Допустимое напряжение пульсации не более 5 мВ.

Для оценки в стендовых условиях (см. рис.70, ) эффективности применения АКЦ с приставкой ИПАК затрубное пространство макета скважины заливали тампонажным раствором плотностью 1500 кг/м³ наполовину.

Рис. 71. Принципиальная электрическая схема приставки ИПАК к АКЦ

 

Оставшуюся часть объема заполняли буровым раствором плотностью 1300 кг/м³. Затем по мере загустевания тампонажного раствора скважинный прибор АКЦ периодически перемещали из зоны тампонажного раствора в зону бурового раствора и регистрировали амплитуды продольной волны по колонне и амплитуды волн, отраженных от муфт, . Результаты экспериментов показаны на рис.72, на котором видно, что амплитуды начинают незначительно снижаться лишь после начала схватывания тампонажного раствора, а амплитуды заметно уменьшаются уже при погружении пестика Тетмайера в образец тампонажного материала на 25 - 30 мм, т.е. задолго до начала схватывания раствора [67].

С целью проверки этого способа в промысловых условиях были проведены сравнительные исследования в скважинах Главтюменнефтегаза на площадях Самотлорская, Ватинская, Северо-Варьегинская, Урьевская.

 

Рис. 72. Изменения амплитуд продольной волны по колонне (кривые 1, 2) и амплитуд волн, отраженных от муфт, (кривые 3, 4) при перемещении L скважинного прибора вдоль макета скважины:

1, 3 - за 6 ч до начала схватывания; 2, 4 - к моменту начала схватывания тампонажного раствора

 

На рис.73 приведены результаты исследований СГДТ и АКЦ с ИПАК приблизительно через 10 сут после цементирования скв. 7273/442 Самотлорской площади. Видно, что высота подъема ОТР по данным определяется на глубине 340 м от устья скважины. Это менее четко, но подтверждается круговой цементограммой СГДТ-2. Такое же заключение приблизительно можно сделать и по кривой , поскольку , ниже глубины 340 м снижается до менее 0, 8 отн. ед. Таким образом, всеми тремя способами высота подъема ОТР определяется через длительное время после цементирования портландцементом практически одинаково, что подтверждает достоверность результатов определения [67].

Однако для однозначного определения высоты подъема тампонажных растворов с помощью СГДТ-2 необходимо, чтобы разница плотностей бурового и тампонажного растворов составляла не менее 300 кг/м³. Данное ограничение и отсутствие достаточного числа приборов СГДТ-2 приводило к тому, что в большинстве скважин Тюменской области высота подъема ОТР за колонной методом ГГК не определялась. Использование для этой цели кривой возможно лишь в том случае, если тампонажный раствор уже схватился и приобрел определенную прочность. Но как показывает практика, период схватывания ОТР в верхних интервалах скважин может быть очень продолжительным. Способ регистрации не имеет этих ограничений и позволяет практически в любых условиях определять высоту подъема ОТР в заколонном пространстве через 24 ч после цементирования.

На рис. 74 представлены одновременно зарегистрированные диаграммы и в скв. 13198/643 Самотлорской площади.

 

Рис. 73. Диаграмма СГДТ и АКЦ с ИПАК для записи волн, отраженных от муфт обсадной колонны, в скв. 7273/442 Самотлорской площади

 

 

Рис. 74. Диаграмма амплитуд продольной волны по колонне и волн, отраженных от муфт обсадной колонны, в скв. 13198/643 Самотлорской площади

 

 

 

Рис.75. Эффективность определения высоты подъема ОТР
( ) в заколонном пространстве с помощью регистрации

- термограммы, кривые ГГК, , - по скв. 3141 и 554 Уренгойского ГКМ

 

Скважина зацементирована в верхней части цементно-бентонитовой смесью плотностью 1510 кг/м³. Замер сделан через 7 ч после цементирования. Видно, что значение возрастает с глубины выше 290 м, что свидетельствует о подъеме ОТР до этой глубины. Амплитуда начинает заметно снижаться лишь ниже глубины 450 м, что связано с замедленными сроками формирования облегченного цементного камня, и в данном случае не может служить показателем высоты подъема ОТР.

Повышение достоверности определения высоты подъема ОТР с помощью АКЦ с ИПАК показано также на примере скв. 3141 и 554 Уренгойского ГКМ, в котором кривые сопоставлены с кривыми термометрии, гамма-гамма-метода (СГДТ) и АКЦ (рис.75). В этих, как и в других скважинах, высота подъема облегченного тампонажного раствора по кривым отмечается выше и четче, чем по кривым термометрии СГДТ и АКЦ, что подтверждается промысловыми данными [85].

После промысловых испытаний ИПАК в различных геолого-технических условиях были проведены предварительные и приемочные ее испытания в системе б. Миннефтепрома, а затем было организовано серийное производство приставки в Тюменском СКТБ.

Серийный выпуск и широкое внедрение ИПАК, а также разработка РД 39-4-1252—85 " Способ определения высоты подъема тампонажных растворов за обсадными колоннами путем регистрации отраженных акустических волн" позволили обеспечить в основных нефтегазодобывающих регионах страны, в том числе в Северной Сибири, определение фактической высоты подъема ОТР в скважинах без их простоев [96].

Экономический эффект от внедрения способа определения высоты подъема ОТР путем регистрации отраженных акустических волн только в 1985 г. составил 570 тыс. руб.

Регистрация кривых АКЦ с включена в " Типовые и обязательные комплексы геофизических исследований скважин", утвержденные РАО " Газпром" в 1993 г. (РД-51-1-93).

⇐ Предыдущая15161718192021222324Следующая ⇒

Поделиться: