Технология управления качеством изоляции пластов в обсаженных скважинах на основе шумоакустических методов Кирпиченко, Борис Иванович

Введение к работе

Актуальность работы. В условиях снижения нефтедобычи велика потребность в резерве скважин, которые могут быть быстро переведены в эксплуатацию при изменении конъюнктуры. Простаивающий фонд скважин на месторождениях России составляет- порядка 35 тысяч и постоянно увеличивается.

Ввод в эксплуатацию из бурения скважин с дефектно изолированными объектами приводит к потере более 30% извлекаемых запасов - это показано БашНИПИНэфть в результате многолетних исследований на месторождениях Башкортостана. Определившееся в последнее время снижение нефтедобычи порядка 20% в год также в значительной мере обусловлено остановкой скважин по еысокой обводненности (порядка 5000 скважин в год по данным Минтопэнерго), и это тоже приведет к снижению объема конечных извлекаемых запасов.

Поэтому ремонт простаивающего фонда скважин назван в докладе России на Всемирном Конгрессе Нефтянников 1994 г. одной из двух важнейших задач нефтяной промышленности.

Бездействие скважин обусловлено чаще всего полным преждевременным обводнением продукции или снижением нефтедебита ниже _> рентабельного уровня.. Кроме очевидной причины - снижения пластового давления, снижение нефтедебита может быть вызвано также и снижением проницаемости призабойной зоны. Причем, как при обводнении продукции, так и при снижении нефтедебита, первопричина может быть общей - чрезмерное увеличение депрессии, повторяемое многократно, приводит к прорыву воды нагнетания, а также к обрушению кровельной части нефтеобъекта с закупоркой фильтрационных каналов.

Настоящая работа посвящена изучению условий нарушения изоляции пластов при строительстве и эксплуатации скважин и разработке на основе этого эффективных технологий для оценки и реализации возможностей "управления качеством изоляции.

Актуальность работы связана с тем, что среди простаивающих скважин значительна доля обводнившихся сразу и вскоре после первичной перфорации и остановленных, или переведенных в нагнетание. Принятый в практике контроль качества цементирования выполняется пс одинаковой схеме и методике для любой стадии строительства скважины и для любых условий бурения и эксплуатации. Это приводит к тому, что фактическая дефектность тампонажного кольца, определенная по данным

геофизического контроля в ряде скважин площади, не служит основой для корректировки применяемых технологий цементирования.

Между тем, с переводом скважины в нагнетание (вторая после эксплуатации на истощение стадия жизни скважины) происходит увеличение сечения заколонных каналов, насыщение водой по эаколонным каналам пластов над объектом нагнетания - до заводнения более высоколежащего нефтеобъекта и потери нефтедобычи из него задолго до достижения даже половины планировавшегося извлечения.

Кроме того, увеличение давления в верхних пластах приводит к усложнению условий бурения скважин по уплотняющей сетке и к вскрытию, как следствие, основного нефтеобъекта на репрессии с соответствующей потерей нефтедебита (часто - многократной).

Снижение продуктивности вследствие такой кольматации приводит к необходимости более значительной депрессии при отборе, тампонажное кольцо, как правило, не выдерживает нагрузок (по применяемым техпро-ектам гарантируется прочность по изгибу не выше 15 кгс/см^г на один мезр высоты перемычки), происходит прогрессирующее обводнение продукции, что опять-таки может вызвать необходимость перевода скважины в нагнетание. При этом часть закачки в системе скважин для поддержания пластового давления (ППД) будет расходоваться на пополнение давления в водоносной части разреза, в результате чего компенсация давления в нефтяной части разреза потребует более высоких давлений нагнетания и т. д. - развивается несоответствие между отбором и нагнетанием, главной причиной которого является высокая дефектность сплошности тампонажного кольца и подвижность его при воздействии изменяющегося давления в колонне. Геофизические' исследования лишь, констатируют ситуацию, не прогнозируя и не управляя ею.

Работами Ю, А. Гулина, Д. А. Еернштейна, Е А. Прямова, М. Г. Гуфранова в практику внедрен комплекс радиометрического гамма-гамма и акустического каротажа, 1L А. Дворкин, А. И. Филиппов, Р. А. Балиуллин, К R Антонов ввели в практику контроля термокаротаж.

Работами Д. Е Белоконя, ЕФ. Коэяра, И.ЕДзебаня, Е А. Гуторова,
Е Е Служаева до начала 90-х годов был сделан новый значительный шаг-
в аппаратурно-методическом обеспечении высококачественных производс
твенных измерений. *

Исследования ЕА.Бродского, А.И.Фионова, ЕС.Бойтенко, А.ЕБулатова, Б. Л, Александрова дали новое понимание причинных связей, решающего влияния величины давления порового флюида не только на условия вскрытия при бурении и опробовании, но и на условия формирования'

и работы цементного кольца, представляющего по существу ближнюю зону коллектора.

Работами 0. Л. Кузнецова, Д. А. Крылова, Я. Е Васина показано, что такой способ, как каротаж-воздействие-каротаж эффективен и при исследовании цементного кольца в обсаженной скважине.

Все изложенное выше и создало условия для обоснования возможности перехода от технологии контроля, носящей преимущественно констатирующий характер, к технологии, нацеленной на получение и реализацию решений, управляющих качеством изоляции пластов.

Всесторонний анализ этой актуальной проблемы и имеющихся технических и технологических решений показал, что наиболее радикальные возможности связаны с поиском приемов управления качеством тампонажного кольца с помощью комплекса- средств контроля и методов, характеризующих фильтрацию на всех основных этапах жизни скважины.

Основными предпосылками решения поставленной задачи являются:

возможность дальнейшего совершенствования аппаратурно-методи-ческого комплекса на основе акустического метода путем оптимизации регистрируемых информативных параметров и измерений непосредственно в производственном режиме скважины на основе разработки скважинных приборов уменьшенного диаметра/ допускающих работу при опущенном лифте НКТ;

возможность; уточнения и развития представлений об основных закономерностях изменений в ближней зоне скважины при цементировании, перфорации, вызове притока, ремонтной изоляции, гидрораэрыве пласта (ГРПЗ-

Цель работы. Обоснование и разработка технологических приемов управления изоляцией пластов'в зоне тампонажного кольца при цементировании, перфорации, вызове притока, ремонтном тампонаже, на основе совершенствования шумоакустических методов контроля и воздействия.

Задачи исследований заключались в том, чтобы:

1. проанализировать современный уровень эффективности методов контроля качества цементирования и ограничения межпластовых заколон-ных перетоков;

2. изучить путем физического моделирования и расчетов возможности контроля и регулирования скорости деформации твердой фазы цемента в первые часы после цементирования скважины;

3. исследовать взаимодействие стенки скважины и колонны с цементным кольцом расчетами, на физических моделях и в ус&эвиях сква-

- 4 -даны, обосновать приемы оценки скорости радиальной деформации стенки скважины;

4. обосновать основные технические характеристики аппаратур-но-методического комплекса на основе шудаакустического метода контроля, разработать и реализовать предложения по созданию аппаратуры, позволяющей проследить все без исключения этапы строительства скважины - от открытого ствола до вызова притока и эксплуатационного режима с помощью унифицированного зонда и комплекса информативных регистрируемых параметров;

5. провести эксперименты на скважинах по изучению возможности оценки давления флюида в тампонажном кольце и оценки качества акустического и ударного воздействия на призабойную зону (ПЗ) с целью уменьшения заколонных внеобъектных перетоков;

6. провести оценку граничных условий применимости виброакустической обработки ПЗ для уменьшения заколонных водаперетоков;

7. обосновать методику выделения нефтепропластков в обсаженной скважине и зон заколонной напорной фильтрации;

8. внедрить в производство и оценить эффективность разработан-.ных на основе шумоакустических методов технологических приемов управления изоляцией пластов.

Научная новизна-

1. На основе установленного экспериментально эффекта ускорения седиментации цемента от акустического воздействия на частотах 20-ЗС кГц в условиях фильтрации воды затворения во внешнюю среду разработан и запатентован способ и средства для ускорения процесса твердения в период цементирования скважины с целью ограничения заколойноі межпластовой фильтрации.

2. Экспериментами в скважинах показан эффект временного затихания акустических шумов в период окончания схватывания цемента, характеризующий изменение направления деформации стенки скважины -, о: растяжения к сжатию в связи с образованием несущей структуры тампонажного кольца, разработан я запатентован способ оптимизации времен и режима акустического воздействия при формировании тампонажног кольца.

3. Установлены экспериментально эффект обрушения призабояно зоны тампонажного кольца при первичной перфорации на депрессии и эф фект отслоения тампонажного кольца от колонны при перфорации на реп рессии. На этой основе разработан способ перекрытия заколонных шжп ластовых каналов над объектом виброударным и акустическим воздейс

- 5 -твием, а также способ перекрытия нижних прйзумпфсвых заколонных каналов прямой перфорацией.

4. Получены экспериментальные зависимости параметров иумоакус-тичеекого сигнала частотой 0,3-20. кГц в области 30-40 миллисекунд после запуска излучателя от эмиссионных шумов деформации ГО, линейной скорости заколонных перетоков и от длины зияющих заколонных каналов. РазраОотан способ и аппаратура, регистрирующая суммарный шу-моакустический сигнал от гидроисточников и от излучателя, и способ оценки заколонного расхода жидкости и среднего раскрытия заколонных каналов под давлением.

5. Установлен эффект задержки (порядка десятков секунд) регистрируемого по шумоакустическим параметрам излива в нефтегазонаскпзэн-ных пластах после заданного по длительности импульса давления, разработан и запатентован способ выделения нефтегазонасыщенных-проп-ластков в зоне перфорации и на удалении от перфорации по стволу по их повышенной упругоемкости.

6. Показан аффект неустойчивости тампонажного кольца и стенки скважины после любого изменения давления в колонне, на основе его изучения обоснована классификация по трем видам устойчивости, устанавливаемой по отношению разночастотных амплитуд продольной волны по колонне, причем, показано, что кольцо маяет выпучиваться при повышении давления, образуя заколонные вертикальные деформационные каналы на границе цемент-колонна.

Разработан способ определения скорости радиальной деформации стенки, а такие способ дозирования изменения давления при вызове притока с целью предотвращения заколонного каналообразования между пластами, разработан способ ликвидации заколонных перетоков на основе прицельного виброударного воздействия в участки с аномальной текучестью тампонажного кольца.

7. Установлено, что в процессе задаваемого в скважине давления взаимосвязаны изменения заколонных каналов, выделяемых по амплитудно-временным характеристикам продольной волны, фильтрационных каналов, характеризуемых эффектами изменения температуры и микрофильтрационных деформируемых каналов, характеризуемых амплитудно-частотными характеристиками шумоакустических колебаний. Разработан на этой основе оптимальный комплекс регистрируемых параметров для изучения разнообразных межпластовых заколонных сообщений.

8. Исследован эффект влияния на регистрируемые на устье нагнетательной скважины виброколебания частотой 10-1000 Гц *виброколеба-

тельного процесса от нагнетания в зоне объекта, предложен способ экспресс-выделения скважин с заколонными перетокаїїй в окрестности объекта и проведено его опробование на 8-й месторождениях Приобья, Татарии, Прикамья, Ноябръска.

Основные защищаемые положения и результаты:

1. Аномально-повышенное пластовое давление является первопричиной как первичного заколонного каналообразования (за счет излива из зоны поглощения фильтрата утяжеленного раствора), так и вторичного каналообразования (деформационный распор тампонажного кольца опрес-совкой или нагнетанием). При этом радиальное деформирование тампонажного кольца имееет неупругий характер и приводит к заколонным перетокам и ослаблению сцепления цемента с колонной, а ускоряющееся в связи с этим субосевое перемещение тампонажного кольца вниз может приводить к уплотнению кольца за счет уменьшения сечения заколонных каналов и к ослаблению фильтрации через глинистую перемычку и в перфорированном объекте.

2. Установленный экспериментами эффект ускорения течения тампонажного кольца при разгрузке колонны может быть ускорен дополнительно акустическим воздействием, а также гидросвабированием, или пульсациями при интенсивной промывке, ударным и взрывным воздействием дс величин порядка 10"м/с , что дает возможность уплотнять тампонажное кольцо и уменьшать эаколонные перетоки бестампонажным способом.

3. Разработанный новый способ поиска нефтепропластков по показателю упругоемкости и способ шумоакустического профилирования прї изливе и закачке, применяемые одновременно, позволяют выделять объекты с подвижной нефтью, а применение их совместно с методами сильного виброударного воздействия на тампонажное кольцо позволяет отремонтировать и ввести любую простаивающую из-за обводненности скважину только средствами партии ГИС на основе разработанной аппаратур! и методики.

При выполнении работы получены следующие основные результаты: 1. Предложены и разработаны новые способы расширения технологических возможностей шумоакустического метода контроля заколонногс каналообразования и перетоков и виброакустического метода воздействия, основанные на установленных фактах ускорения акустическим воздействием седиментации тампонажной смеси и виброобрушения неустойчивой стенки скважины в результате переменных нагрузок давлением в колонне. Разработан аппаратурно-методический комплекс для ускореюи

- 7 -указанных процессов на всех этапах строительства скважины прицельнш воздействием в специально выбранных участках.

2. Разработана технология ремонтного ограничения -водопротока, включающая алгоритмы поиска нефтепропластков по упрутоемкости и поэтапного контроля профилей дефектности тампонажного кольца по сплошности и по фильтрации вне перфорации, а также по скорости деформации стенки после виброакустического воздействия.

Технология основана на оценке по термошумоакустическйм параметрам тенденции деформационно-фильтрационных процессов и на дозировании воздействия в соответствии с установленной тенденцией путем чередования процессов воздействия и измерения.

. Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных исследований разработан аппаратур-но-методический комплекс, включающий:

1. предложенный и опробованный в производстве новый способ изоляционных работ для снижения внеобъектного водопротока без дополнительной закачки тампонирующих составов, основанйый на экспериментально установленном влиянии деформации стенки скважины от различным образом задаваемых воздействий (изменением давления в колонне, перфорацией и др.) на уменьшение дефектности сплошности тампонажного кольца;

2. комплекс шумоакустической аппаратуры, предназначенный для контроля заколонной фильтрации и деформации и для прицельного акустического и виброударного воздействия на каналы гидрофильтрации и тампонажное кольцо с целью изоляции межпластовых перетоков;

3. технологию последовательного поэтапного контроля изменявшегося качества тампонажного кольца по параметрам контактной прочности и скорости фильтрации при различных воздействиях давления на этапах первичного цементирования, промывки и перфорации, вызова притока, глушения, ремонтного тампонажа, гидроразрыва пласта;

Для эффективного применения комплекса разработана классификация скважин по типу преимущественной установившейся деформации стенки и тампонажного кольца при переменном давлении, позволяющая определить по минимальному числу измерений тенденцию развития характера зако-лонных межпластовых сообщений в процессе эксплуатации и ремонта скважины.

Суммарный экономический эффект НГДУ, ШТЭ от внедрения всех 60 комплектов аппаратуры порядка 180 млн. рублей, от внедрения технологии - порядка 400 млн. рублей в год (в ценах 93г.). Кряме того, ис-

- 8 -пользование в производстве приемов акустического воздействия и бес-тампонажного ремонта гидроизоляции приборами на кабеле дало возможность ускорить ввод в эксплуатацию из бездействия ряда скважин.

Внедрение результатов работы. Аппа-ратурно-методические и технологические разработки, реализующие основные способы и идеи, предложенные автором и разработанные автором с коллегами, внедрены в ряде производственных нефтегазодобывающих и геофизических объединений: Татнефтегеофизика, Татнефть, Башефтеге-офиэика, Пэрмьнефтегеофиэика, Удмуртгеология, ЗапСибнефтегеофизика, Оренбурггеология, Красноярское УТР, Ноябрьскнефтегаз, Юганскнефтегаз, Когалымнефтегаз, Астраханьгазпром, Мангышлакнефтегеофиэика, Уд-муртнефть.

Всего в указанных организациях опробовано и внедрено 15 приборов АКИ-36-7, 12 приборов типа АК-Зб-АКТАШ, 3 прибора типа АК-Зб-ГАС, 30 приборов типа АКЦ-36 (всего порядка 60 приборов диаметром 36 мм); Результаты работ используются НГДУ, цехами КРС, ИГРЕ при цементировании, перфорации, освоении, ремонтной изоляции, ликвидации скважин, а также для изучения по. мелтрубью кондукторов, перекрытых колонной, для выбора допустимой депрессии на пласт, контроля качества цементирования двухколонных конструкций.

Разработанная с участием автора малогабаритная аппаратура дл? работы в НКТ АКЦ-36 прошла межведомственные испытания и вьшущэна Киевским ОЭЗГП и ОП ВНИИГИС-серией 30 комплектов в 1980-81 гг. , 2-3 частотная 7-й канальная шумоакустическая аппаратура АКИ-36-7 прошл ведомственные, а затем и госприемочные испытания в 1984 г. и включена в госреестр измерительных средств СССР, термошумоакустическая 9-і канальная АК-Зб-АКТАШ прошла ведомственные приемочные испытания і 1986 году, трехэлементная газокислотостойкая аппаратура АК-36-ГАі прошла межведомственные приемочные испытания в 1985 году и испольэу ется в скважинах Астраханьгазпрома.

Все модификации аппаратуры выпускались также опытным лроизводс твои ВНИИГИС в виде опытно-методических образцов по прямым догово рам.

Апробация работы. Основные результаты работ представлены и обсуждены на областных научно-технических конференци ях НТО " Горное" (Тюмень 1985, 1987, 1989 г. г.), Всесоюзном семина ре по креплению скважин (Краснодар, 1987 г.), Всесоюзном семинар по проблемам вскрытия пластов (Ивано-Франковск, 1988 г.), Бсесоюэ ном семинаре по повышению эффективности испытания (Тверь, 1988 г.)

- 9 -выездном заседании НІС нефтепромысловой и полевой геофизике (Бугульма, 1991 г.), семинаре по новым технологиям геофизических исследований в нефтегазовых скважинах (Киев, 1988г.), научнопрактической коференции по аномально высоким пластовым давлениям и нефтегазонос-ности недр (Ленинград, 1990г.).

Разработанные аппаратура и методики экспонировались и отмечены двумя медалями на выставках ВДНХ в павильоне "Геология" (1988, 1990, 1991 гг.),"Нефть и газ - 92" (Москва), на Международной геофизической конференции и выставке SEG-ЕАГО (Шсква, 1993 г.).

По теме диссертации опубликовано более 80 работ.

В диссертации представлены результаты исследований выполненных лично автором, под его руководством и при непосредственном участии в отделе акустической цементометрии и лаборатории термошумоакустики и максимизации нефтедобычи ВНИИГИС в период с 1975 по 1994 годы.

Развитие данного направления исследований в течении многих лет во ВНЖГИС было возможно благодаря поддержке и участию руководства института и объединения, за что особую признательность автор выразка-ет П. А. Бродскому, А. И. Фионову, Г. А. Калистратову.

Автор считает необходимым отметить, что значительное вляние на него оказали работы О. Л. Кузнецова, А. К Фионова, Я. Е Васина, П. А. Пря-мова , Е И. Сохранова, В. К. Фздорцова, Д. А. Крылова, IL В. Крауклиса, В. Б. Черного, М. Р. Садыкова, М. В. Павлова, А. М. Потапова, Е М. Лобанкова. Получение приведенных в работе результатов было бы невозможно, в полной мере, " без квалифицированной работы сотрудников отдела: Е R Николаева, А. Г. Кунавина, Р. С. Гибадатова, Г. R Ивашовой, Л. К Ба-лабкиной. В научно-производственной деятельности автора поддерживали многие сотрудники ВНИГИК и ВНИИГИС: Г. Г. Яценко, В. Ф. Козяр, R Г. Фоменко, Ю. А.Гуторов, ЕЕБандов, А. Ф. Косолапов, А. Е Поляков, ЕА.Оп-рокиднев, Г. ЕФилиди, М. В. Зотов, Л.Е. Кнеллер, Л.Г. Леготин, В. Е Чуп-ров и др., которым автор выражает свою благодарность за полезные обсуждения и сотрудничество.