книги / Геофизические исследования скважин

Г л а в а VIII.

ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СКВАЖИН

Геофизические методы применяют для изучения технического со­ стояния бурящихся и эксплуатационных скважин. Для этого разра­ ботаны скважинные приборы, специальные методики проведения ис­ следований, которые реализуют принципиальные возможности раз­ личных геофизических методов.

В настоящее время геофизическими методами возможно решение следующих задач: контроль положения ствола скважины в простран­ стве (инклинометрия); измерение диаметра и профиля ствола скважи­ ны (кавернометрия и профилеметрия); исследование состояния цемен­ тного камня за обсадной колонной; контроль за состоянием обсадных

Рис. 144.Виды геофизических исследований, выполненныхдля изучения тех­ нического состояния скважин

271

колонн; определение мест притоков и поглощений; установление затрубной циркуляции; определение мест прихвата бурового инструмен­ та в скважине; установление местоположения искусственного забоя, уровня воды, нефти в скважине; исследование зон гидроразрыва плас­ та; определение местоположения металлических предметов в скважи­ не; установка цементных мостов, разобщающих пакеров и т. д.

Информация о техническом состоянии скважин, получаемая гео­ физическими методами, необходима для успешной проводки и за­ вершения строительства скважины; для контроля за разработкой ме­ сторождения; для проведения ремонтных работ в эксплуатационных и нагнетательных скважинах.

Кроме того, данные о техническом состоянии скважин спо­ собствуют повышению эффективности геологической интерпретации геофизических исследований. Виды геофизических исследований, которые проводятся в бурящихся и обсаженных скважинах с целью изучения их технического состояния, и решаемые при этом задачи показаны на схеме, изображенной на рис. 144.

§1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖ И Н

Впроектах на бурение проводка скважин предусматривается вер­ тикальной или в заданном направлении (наклонно-направленные). Направленное бурение проводят в тех случаях, когда кровлю пласта необходимо вскрыть в точках, проекция которых на земную поверх­ ность смещена относительно устья скважины. Это требуется при ку­ стовом бурении (рис. 145, а) в случае, когда невозможно разместить

оборудование непосредственно над объектом бурения (рис. 145, б), при вскрытии крутопадающих пластов (рис. 145, в) и т. п.

Однако и при бурении вертикальных скважин за счет изгиба бу­ рильных триб и вскрытия пластов различной твердости, залегаю­ щих под некоторым углом к горизонтальной поверхности, происхо­ дит отклонение ствола от вертикали, называемое и с к р и в л е н и ­ ем с к в а ж и н ы .

Информацию о фактическом положении ствола скважины необхо­ димо иметь прежде всего технологам, с тем чтобы предотвратить зна­ чительные отклонения ствола от вертикали или заданного направле­ ния. Необходимо выявлять участки с резкими искривлениями, в кото­ рых может образоваться система желобов, приводящих к осложнениям при бурении, проведении геофизических исследований, при спускоподъемах бурового инструмента, спусках обсадных колонн, фильтров. Кроме того, данные об искривлениях необходимо учитывать при геологических построениях, при определении месторасположения за­ боя, абсолютных отметок вскрываемых пластов и их нормальной мощ­ ности. Пространственное положение любой точки ствола скважины ха­ рактеризуется двумя углами: у г л о м и с к р и в л е н и я 8 (кривизны скважины) — отклонением оси скважины от вертикали (рис. 146, а) и д и р е к ц и о н н ы м у г л о м (i (рис. 146, б) — углом между горизон­ тальной проекцией элемента оси скважины, взятой в направлении уве­ личения глубины скважины, и географическим меридианом.

272

Рис. 146. Проекция участка ствола скважины на вертикальную (а) и гори­ зонтальную (б) плоскости

Обычно вместо дирекционного угла пользуются магнитным ази­ мутом ф, т. е. углом, отсчитываемым по ходу часовой стрелки между направлением на магнитный север См и горизонтальной проекцией элемента оси скважины.81

Определение искривления скважины сводится к замерам положе­ ния в пространстве оси скважины, следующим один за другим. Причем в пределах каждого отрезка ось скважины отождествляют с прямой линией. Измерения в скважинах выполняют по точкам. В вертикаль­ ных скважинах расстояние между точками наблюдения Z(шаг измере­ ния) принимают равным 25 м, в наклонно-направленных — 5 м.

При определении проекции ствола скважины условно принима­ ют, что углы 5 и ф, полученные в нижней точке интервала исследова­ ния, остаются постоянными до следующей точки измерения. Плос­ кость, проходящую через вертикаль, и прямую линию, принимае­ мую в данном интервале за ось скважины, называют п л о с к о с т ь ю и с к р и в л е н и я . Истинные значения угла отклонения 8, а также ве­ личину горизонтальной проекции заданного интервала глубин опре­ деляют в плоскости искривления.

Проекцию интервалов ствола скважины на вертикальную плос­ кость (рис. 146, а) определяют как

где 11вер= hl+1- h t n h t — глубина нижней и верхней точек измерения). Для определения абсолютной отметки вскрываемого г-го пласта Нгвычисляют сумму вертикальных проекций от устья скважины до

изучаемого интервала:

Горизонтальная проекция i -го интервала скважины Alv от­ клоненного на угол 8t (рис. 147, б),

жины от вертикали а на исследу­ емом участке. Величину смещения и его направление указывают на плане. Инклинограммы строят, как правило, в масштабе 1:200.

Углы и азимуты отклонения в скважинах измеряю т специ­ альными скважинными приборами — инклинометрами. В зави­

274

ного прибора в пространстве плоскость рамки устанавливается пер­ пендикулярно к плоскости искривления скважины. В рамке разме­ щен указатель азимута и угла. Указатель азимута состоит из маг­ нитной стрелки 1 и градуированного электрического сопротивления 2 (кругового реохорда).

Круговой реохорд смонтирован на изоляционной панели и уста­ новлен под магнитной стрелкой. Магнитная стрелка выполнена из двух намагниченных стерженьков, которые закреплены в дюралю­ миниевом колпачке с агатовым подшипником. Подшипник насажен на острие оси 5. Стрелка снабжена изолированными от нее пружин­ ными контактами 4.

Корпус, в котором смонтирован указатель азимута, закреплен на двух полуосях и под действием груза 5 занимает положение, при ко­ тором ось магнитной стрелки всегда ориентирована вертикально.

Датчик угла искривления состоит из отвеса 6, стрелки 7 и граду­ ированного электрического сопротивления (углового реохорда) 8. Плоскость качания отвеса перпендикулярна к плоскости рамки и со­ впадает с плоскостью искривления скважины.

Винклинометре установлен электромагнит, который по команде

споверхности фиксирует или освобождает магнитную стрелку и от­

276

Три плеча моста имеют постоянное сопротивление и установлены на поверхности в панели управления. Сопротивления R 1и R 2вклю­ чаются при измерении углов, сопротивления К4 и i?5 — при измере­ нии азимута; R z— общее сопротивление моста. Четвертое плечо сла­ гается из сопротивления жилы кабеля, переменного сопротивления R 7, предназначенного для компенсации изменения сопротивления жилы кабеля, и сопротивлений реохорда угла наклона Rs или маг­ нитной буссоли Кф.

В одну диагональ моста АВ подключен источник тока Е, в другую диагональ моста MN — гальванометр G. Переменное сопротивление R 6служит для компенсации моста при измерении ДК8или .

В настоящее время выпускаются инклинометры как для исполь­ зования на одножильном кабеле (рис. 150, а), так и сбрасываемые в бурильную колонну (извлечение производится после подъема бу-

1

Рис. 150.

а) . Компьютеризированный многоточечный магнитный инклинометр типа ИМТ-2М.

ЭЛ — электромагнитный привод, РСС — регулятор скорости спусковой с переключателем мгновенного действия, МПСК — многоцепной переключатель со скользящими контактами, АМЭ — арретирующий механизм электромагнитный, ИС — измерительная система

б) . Универсальный забойный инклинометр ЗИ-6 смеханическимметодомрегистрациипа­ раметров искривления ствола скважины (пу­ тем фиксации стрелок чувствительных эле­ ментов относительно измерительных шкал).

1— измерительная система, 2 — арретирующее ус­ тройство с часовым механизмом, 3 — дифференци­ альный сильфонный уплотнительный элемент, 4 — мембранный компенсатор давления, 5 — компенси­ рованный охранный кожух, б — пружинный амор­ тизатор, 7 — ударник, 8, 9 — предохранительные муфты

277

рильной колонны либо с помощью овершота съемной грунтоноски). — рис. 150, б (ЗАО «Газпромгеокомсервис», ЗАО «Геотермприбор»).

Для контроля за проводкой стволов наклонно-направленных и го­ ризонтальных скважин разработана навигационно-технологическая компьютеризированная система (НТКС) «Волна» (рис. 151). НТКС включает в себя сбрасываемый инклинометр (ЗИ-48) с двумя сква­ жинными приборами диаметром 48мм, магнитный инклинометр (ИМТ-2М-01) с двумя скважинными приборами диаметром 60мм, ги­ роинклинометр (ИГМ 1-42/120-80) с двумя скважинными прибора­ ми, модуль гамма-метода, датчики глубины и веса бурильной колон­ ны, датчик давления, спускоподъемное устройство с одножильным геофизическим кабелем, персональный компьютер и другое обору­ дование по согласованию с предприятием.

Рис. 151. НТКС «Волна» для контроля за проводкой наклонно-направлен­ ных и горизонтальных стволов скважин:

I — ввод геофизического кабеля на отводе вертлюга, 2 — одножильный геофизичес­ кий кабель; 3,4 — ролики; 5 — каротажная лебедка; 6 — измерительная система ТЛС19 на основе компьютера Pentium с сопутствующим оборудованием; 7 — буровая ко­ лонна; 8 — турбобур с отклонителем; 9 — долото, 10 — гидравлический ориентатор, II — скважинный навигационный прибор (например, сборка «гироинклинометр+модуль ГМ»)

НТКС позволяет пронозировать и корректировать траекторию ствола скважины поданным механического каротажа для формиро­ вания волнообразного горизонтального участка ствола и обеспечи­ вает проведение инклинометрии с построением плана и профиля ствола скважины с полным комплексом навигационных параметров (смещение забоя, интенсивность искривления, кручение и др.).

§2. ИЗМЕРЕНИЕ ДИАМЕТРА И ПРОФИЛЯ СТВОЛА СКВАЖИНЫ

Впроцессе бурения скважины ее диаметр не остается постоянным; он изменяется с глубиной и во времени. Диаметр скважины может

278

быть номинальным, т. е. соответствовать диаметру долота, быть боль­ ше или меньше номинального. Изменения диаметра определяются литолого-петрографическими свойствами горных пород и зависят также от технологии бурения.

Номинальный диаметр dHсохраняется в плотных, непроницаемых породах. Увеличение диаметра dc> d Hнаблюдается при разбурива­ нии глин, аргиллитов, каменной соли, трещиноватых и кавернозных известняков. Уменьшение диаметра скважины по сравнению с но­ минальным происходит при проникновении фильтрата бурового ра­ створа в проницаемые отложения и образовании на стенках скважи­ ны глинистой корочки. Нарастание глинистой корочки, образование каверн в толщах соли и аргиллитов в значительной мере определя­ ются параметрами бурового раствора. Скважины никогда не бывают строго вертикальными. Поэтому при спуско-подъемных операциях буровой инструмент движется всегда по одной и той же образующей стенке скважины. При этом замковые соединения врезаются в гор­ ную породу, разрушают ее, образуют желоб и асимметрично увели­ чивают диаметр.

Измерение фактического диаметра скважины называется кавернометрией. Эти измерения выполняют специальными приборами — каверномерами и профилемерами. Каверномеры обеспечивают не­ прерывную запись усредненного диаметра по глубине, называемую кавернограммой. Профилемеры позволяют проводить измерения ди­ аметра или радиуса скважины в двух или нескольких плоскостях. Такие измерения проводят непрерывно по стволу скважины, и по­ лучаемая при этом диаграмма называется п р о ф и л е г р а м м о й ; они могут быть выполнены по отдельным точкам.

Кавернометрия

Все скважинные приборы по конструкции измерительных эле­ ментов подразделяются на циркульные, фонарные, ромбические (рис. 152).

Кинематическая схема ромбовидного каверномера приведена на рис. 152, б. В этой конструкции используются коленчатые рычаги, соединенные в верхней части осями 2 с корпусом прибора 1; в ниж­ ней части осями 4 они соединены с подвижным фланцем 5, скользя­ щим по хвостовику 6. Пружина 7 стремится шарнирные соединения 8 измерительных рычагов прижимать к стенке скважины. В схеме каверномера фонарного типа (рис. 152, в) измерительными элемен­ тами являются упругие рессоры, верхний конец которых соединен с корпусом, а нижний — с подвижным фланцем.

В приборах циркульного типа (рис. 152, а) измерительными эле­ ментами являются рычаги 5, которые осью 2 соединяются с корпу­ сом прибора.

Измерительные рычаги имеют длинные (За) и короткие (36) пле­ чи. С короткими плечами механически связан шток-толкатель 9. С помощью пружин 7 шток-толкатель прижимает измерительные щупы к стенкам скважины. При уменьшении диаметра скважины

279

Рис. 152. М еханические схемы циркульного (о), ромбического (б) и рессорного

(в) каверномеров

рычаги перемещают штоки внутрь прибора, сжимая при этом пру­ жины.

Во всех приборах для измерения диаметра скважины линейное движение штока, расположенного в корпусе прибора, преобразуется в электрический сигнал. Движение штока приводит к изменению ка- кого-либо электрического датчи­ ка, чаще всего омического. Прин­ ципиальная электрическая схема измерения диаметра скважины прибором с омическим датчиком на трехжильном кабеле приведе­

280