Испытание обсадных колонн на герметичность
После цементирования, в том числе ремонтного, а также после установления цементных мостов для изоляции уже испытанных объектов каждая колонна подвергается испытанию для проверки качества цементирования, определения ее прочности и герметичности.
Испытание предполагает проверку: равномерности распределения цементного камня за обсадной колонной и его контакта с обсадными трубами и породой; герметичности цементного кольца и обсадной колонны.
Эксплуатационные колонны испытывают на герметичность:
1) после спуска и цементирования - созданием давления с предварительной заменой глинистого раствора на воду, если вода не была жидкостью продавки; в скважинах, где при освоении и в начале эксплуатации ожидается отсутствие избыточного давления, эксплуатационную колонну дополнительно испытывают снижением уровня воды;
2) после установки цементных мостов для испытания залегающих выше горизонтов - созданием давления с предварительной заменой глинистого раствора водой и тем способом, которым был вызван приток при испытании предыдущего изолированного пласта (снижением уровня при помощи компрессора, аэрацией жидкости и т.д.);
3) после ремонтных цементирований под давлением - созданием давления и снижением уровня жидкости.
При испытании колонны на герметичность внутреннее давление на трубы колонны ропZ следует создавать из расчета повышения не менее чем на 10% максимально возможного в них внутреннего рабочего давления pвZ, которое возникает при бурении, испытании, эксплуатации и при ремонте скважин. Максимальные значения внутренних рабочих давлений рвZ для секций колонн, собранных из однотипных труб, определяется для глубин, отвечающих фактической верхней границе этих секций в скважине.
Верхнюю секцию колонны при испытании на герметичность необходимо проверить при внутреннем давлении на устье колонны роп.у = 1.1 рвZ но не ниже указанных значений (Pоп.у), т.е. роп.у ≥ роп.и (роп.и - избыточное внутреннее давление на устье при испытании верхней секции на герметичность).
Избыточное внутреннее давление рвнZ, воздействующие на трубы секций колонны при ее испытании на герметичность, определяется из выражения
рвнZ = ропZ - рвнеш.Z.
где рвнеш.Z - внешнее давление на колонну на глубине Z, МПа (определяется по пластовому давлению или по давлению столба жидкости в затрубном пространстве в конце зоны цементирования с учетом разгрузки цементного кольца при внутреннем давлении ропZ). Оно принимается как расчетное для проверки прочности колонны (с запасом не менее п = 1,15 для труб производства заводов СНГ диаметром до 219 мм включительно и п = 1,2 для труб диаметром свыше 219 мм) на внутреннее давление.
Минимально необходимое давление на устье при испытании на герметичность любой секции обсадной колонны с верхней границей на глубине Z определяется из выражения
роп.у = ропZ - ρжZ;
где ропZ =1,1 рвZ; ρж - плотность жидкости; Z - расстояние до устья скважины от рассматриваемого сечения колонны, м.
Обсадные трубы эксплуатационных и ответственных промежуточных колонн до спуска их в скважину должны подвергаться гидроиспытаниям (на трубной базе или непосредственно на скважине) с выдержкой под давлением не менее 30 мин при внутреннем давлении ропZ, превышающем не менее чем на 5% внутреннее избыточное давление рвнZ, которое воздействует на трубы колонны при ее испытании на герметичность в скважине, те. ропZ = 1,05 рвнZ. В любом случае давление гидроиспытания на поверхности не должно быть меньше указанных выше значений.
Считается, что колонна выдержала испытание на герметичность опрессовкой, если после замены раствора на воду отсутствует переток жидкости или выделение газа из колонны, а также если не отмечено снижение давления на протяжении 30 мин или если давление уменьшается не более чем на 0,5 МПа при давлении испытания выше 7 МПа и не более чем на 0,3 МПа при давлении испытания ниже 7 МПа. Наблюдение за изменением давления начинается через 5 мин после создания необходимого давления.
При испытании на герметичность методом снижения уровня последний должен быть снижен до значений, указанных ниже, или до уровня на 40-50 м ниже того, при котором предвидится вызов притока из испытываемого или эксплуатируемого объекта.
Во всех случаях снижение уровня не должно превышать значения, при котором имеющееся гидростатическое давление жидкости в колонне может вызвать избыточное давление на нее выше, чем предельно допустимое на смятие,
В скважинах, заполненных перед цементированием глинистым раствором плотностью 1400 кг/м3 и выше, вместо испытания герметичности колонны снижением уровня заменяют глинистый раствор на воду и на протяжении 1 ч после стабилизации температуры констатируют отсутствие перетока жидкости или выделения газа (если замена раствора на воду не вызывает опасности смятия колонны).
При испытании методом снижения уровня колонна считается герметичной в том случае, если повышение уровня за 8 ч наблюдения не превысит следующих значений:
Уровень измеряют аппаратом Яковлева или другими приборами через 3 ч после его снижения, чтобы исключить влияние стекания жидкости со стенок колонны на результаты измерений.
Если уровень жидкости в колонне на протяжении 8 ч поднимается более указанного, то повторяют измерение, и если оно подтверждается, то колонна признается негерметичной. Тогда планируются работы по установлению причины и разрабатываются меры по ликвидации негерметичности.
Методы геофизических исследований скважины (ГИС) проводятся для контроля качества цементирования, технического состояния обсадной колонны и получения базовых исходных показаний, используемых впоследствии при изучении динамики технического состояния скважины в процессе ее эксплуатации, ГИС и должны обеспечить:
• определение пространственного положения - траектории и конфигурации ствола скважины, соответствия траектории ствола проекту;
• определение геометрии сечения ствола, выделение желобов, каверн, сальников, мест выпучивания и течения глин, прогнозирование прихватоопасных зон;
• выявление зон флюидопроявлений и поглощений.
• контроль диаметров, толщин и целостности обсадных колонн (кондуктора, технических и эксплуатационных колонн), глубин расположения их башмаков и соответствия их проекту скважины;
• контроль износа и повреждений обсадных колонн (кондуктора, технических и эксплуатационных колонн), прогнозирование аварийных ситуаций в процессе бурения и эксплуатации скважины;
• контроль наличия и местоположения элементов технологической оснастки обсадных колонн (центраторов, скребков, турбулизаторов, заколонных пакеров и др.) и соответствия их проекту;
• регистрацию расположения муфт обсадных колонн (в увязке с геологическим разрезом);
• представление фактического паспорта конструктивных элементов обсадных колонн для скважины.
Контроль и обеспечение затрубной изоляции скважин:
• определение высоты подъема цемента за колонной, однородности цементного камня, полноты заполнения цементом затрубного пространства, наличия затрубных каналов, заполненных жидкостью и газом;
• определение наличия сцепления цемента с колонной и породой;
• выявление затрубных перетоков, интервалов негерметичности обсадных колонн и цементного камня;
• изучение гидродинамических и температурных условий в зоне негериметичности;
• уточнение положения муфт и зоны перфорации.
Исследовательские работы для выявления характера негерметичности:
• геофизическими методами (в том числе расходометрия, термометрия, резистивиметрия, АКЦ, ГГК и др.);
• технологическими методами (ноинтервальная опрессовка, контроль уровня жидкости, шаблонирование колонны, снятие отпечатков и др.).
Методы оценки качества цементирования.
• Термометрия.
• Метод радиоактивных изотопов.
• Акустический цементомер (АКЦ).
• Гамма-гамма цементомер (ГГК).
При рассмотрении методов контроля цементирования необходимо учитывать следующее.
1. Дефекты цементного камня за колонной можно разделить на объемные (каверны, каналы) и щелевые. Аппаратура ГГК позволяет установить интервалы распространения только объемных дефектов, тогда как аппаратура акустического контроля - интервалы объемных и щелевых дефектов, не различая их между собой. Комплексное использование обоих видов контроля позволяет однозначно классифицировать дефекты цементирования.
2. Дефекты, выявляемые по данным акустического и ГГК, характеризуют лишь возможность возникновения затрубных циркуляций при определенных градиентах давления между соседними пластами. Наличие затрубной циркуляции должно быть подтверждено данными других геофизических методов, служащих для выявления заколонных перетоков.
При гамма-гамма-контроле цементирования (ГГЦ) регистрируют вдоль ствола скважины интенсивность рассеянного гамма-излучения по периметру колонны зондом, состоящим из источника гамма-излучения и трех детекторов, расположенных на одинаковом расстоянии от источника в плоскости, перпендикулярной к продольной оси прибора. Каждый из детекторов коллимирован так, что отмечает рассеянное гамма-излучение, поступающее в основном только из сектора колонны с радиальным углом 45-60", находящегося против детектора. С помощью схемы коммутации детекторы поочередно в круговой последовательности включаются в измерительную цепь. Прибор снабжен фонарями, центрирующими его в колонне.
Так как плотность цементного камня меньше плотности горных пород, то в зацементированной части колонны наибольшими показаниями будут отмечаться каверны. Следовательно, кривая ГГЦ в этом интервале всегда располагается левее линии, проходящей через наибольшие показания в каверне с цементом (линия цемента на рис. 3.35).
Исключение составляют случаи наличия в цементном камне объемных дефектов (каверны, каналы, заполненные жидкостью), против которых кривая выйдет вправо за линию цемента, так как плотность жидкости значительно меньше. Максимальные показания, превышающие показания в каверне с цементом, и наибольшие амплитуды кривой при эксцентричном положении колонны в скважине соответствуют интервалам, где затрубное пространство заполнено водой или промывочной жидкостью. Таким образом, измерения аппаратурой ГГЦ позволяют определить высоту подъема цемента за обсадной колонной, выявить участки с односторонним заполнением затрубного пространства и оценить степень центрирования колонны в скважине.
Контроль обсадных колонн. Гамма-гамма-толщиномер (ГГТ) представляет собой зонд ГТК, состоящий из коллимированных источника и детектора гамма-излучения на расстоянии от источника, меньшем 10 см. Благодаря малой длине зонда и коллимации его элементов, среда за колонной не влияет на показания метода.
Диаграммы ГГТ используют при интерпретации цементограмм; для паспортизации обсадных колонн в скважинах; определения местоположения муфт, центрирующих фонарей и участков с механическим и коррозионным разрушением труб.
Дефекты в колонне после цементирования определяют методами термометрии и закачкой меченых жидкостей (в том числе включающих радиоактивные изотопы). Кроме того, геофизические методы применяют для определения мест поглощения промывочной жидкости, выделения интервалов затрубного движения флюидов, контроля за гидроразрывом пластов и др.
Методы определения верхней границы подъема цемента (рис. 3.36):
Для определения верхней границы подъема цемента используются:
• термометрия;
• метод радиоактивных изотопов.
Этими методами граница подъёма цемента определяется по отклонению геостатической кривой распределения температуры по стволу скважины или по зарегистрированной высоте подъёма порции цемента с добавкой изотопов (контролируется энергия гамма-излучения). Высоту подъема цемента за колонной контролируют также с помощью электротермометра (ОЦК).
Гамма-гамма цементометрия (ГГЦ).
Возможность определения плотностной характеристики среды в заколонном пространстве методом ГГЦ базируется на различиях объёмной плотности цементного камня (1,8-1,9 г/см3), бурового раствора или воды и плотности горных пород при различных длинах зондов (рис. 3.37).
Зонды.
1. Гамма-гамма толщиномер - зонд малой длины (10 см); источник мягкого излучения (туллий-170); измеряемая интенсивность определяется толщиной обсадной колонны. По диаграмме определяют местоположение муфт, пакеров, цементирующих фонарей; выявляют дефекты в обсадных трубах.
2. Гамма-гамма цементомер - зонд средней длины (40 см); источник средних энергий (цезий-137). Позволяет изучать плотностные характеристики среды в затрубном пространстве.
3. Гамма-гамма дефектомер - регистрирует изменение интенсивности рассеянного гамма-излучения по периметру колонны.
На рис. 3.37 приведен пример оценки качества крепления гамма-цементометрией.
Аппаратурно-методический геофизический комплекс (например, АМК-2000, разработанный в ОАО НПФ «Геофизика») даёт возможность контролировать техническое состояние и качество цементирования обсадных колонн в нефтегазовых скважинах за 1-2 спускоподъёмные операции методами акустического, радиоактивного каротажа, электромагнитной локации муфт обсадной колонны, термометрии и акустической шумометрии.
В состав комплекса AMK входят CK:
1) модуль сканирующего гамма-гамма-дефектомера-толщиномера СГДT-100;
2) модуль акустического каротажа МАК-9;
3) модуль многозондового нейтронного каротажа МНК;
4) модуль гамма-каротажа - локатора муфт ГКЛ;
5) модуль термометра-шумомера ТШ.
Измерения прибором акустического контроля цементирования. Скважинный прибор акустического контроля цементирования АКЦ представляет собой двухэлементный зонд (излучатель упругих колебаний - приемник) длиной около 2,5 м. С помощью этого зонда регистрируются следующие кривые:
1) Aк - кривая амплитуд продольной волны по колонне, измеряемых во временном интервале длительностью 120 мкс, считая от момента прихода на приемник продольной волны по колонне;
2) tр - кривая времени пробега от излучателя до приемника продольной волны, приходящей к приемнику с заметной амплитудой, превышающей уровень дискриминации измерительного канала;
3) Aр - кривая амплитуд продольной волны, приходящей к приемнику от излучателя за время t.
Все три кривые регистрируются на одном бланке, называемом диаграммой АКЦ. Пo диаграммам АКЦ определяют высоту подъема цемента за колонной и оценивают качество ее цементирования.
Аппаратура АКЦ чувствительна к щелевым дефектам цементного кольца. Поэтому качество цементирования, по данным АКЦ, принято выражать термином «сцепление» (хорошее, плохое, отсутствует). Этот термин, однако, следует понимать в широком смысле, т.е. не только как характеристику сцепления цементного кольца с колонной и породами, но также как наличие или отсутствие в цементном кольце объемных дефектов (каналов, пустот, повышенной проницаемости цементного камня и т.п.), от которых показания АКЦ также зависят.
Хорошее сцепление означает жесткий контакт цементного камня со всей площадью колонны и породы при отсутствии заметных объемных дефектов в цементном кольце. При этих условиях обеспечивается надежная изоляция проницаемых пластов между собой. Отсутствие сцепления означает либо наличие зазора более 0,05 мм между цементным кольцом и колонной, либо отсутствие цемента в затрубном пространстве по радиальному углу более 300°. Плохое сцепление соответствует промежуточным дефектам цементирования.
Часто интервалы плохого сцепления приурочены к кавернам.
Геофизические методы применяют также для контроля технического состояния скважин либо решения задач, возникающих в процессе бурения и эксплуатации скважин. К ним относятся: определение места поглощения промывочной жидкости; выделение интервалов затрубного движения жидкости; контроль гидроразрыва пластов и др.
Известно, что при достаточно длительном бурении скважин обсадные колонны могут подвергаться различного рода нарушениям за счет внутреннего износа в процессе бурения, действия горного давления в процессе бурения, внутреннего и наружного износа в процессе эксплуатации.
В настоящее время имеется ряд приборов по контролю технического состояния обсадных колонн в скважинах. Для количественной и качественной оценки нарушений герметичности колонны наиболее оптимально использование приборов электромагнитного принципа измерения. Основным преимуществом этих приборов является возможность получить информацию о состоянии поверхности колонны бесконтактным способом с высокой разрешающей способностью. Наиболее достоверные значения дефектов обсадных колонн дает электромагнитный профилограф, который позволяет получить развертку внутренней стенки колонны по периметру, аналогичную развертке, получаемой при исследовании акустическим телевизором.
Инклинометрия скважин - ИС (определение искривления ствола скважины) проводится для контроля за пространственным -положением ствола скважины и получения данных, необходимых при геологических построениях.
Метод контроля за пространственным положением оси скважины
Для контроля пространственного положения ствола скважины измеряют угол отклонения оси скважины от вертикали (зенитный угол) и магнитный азимут проекции оси скважины на горизонтальную плоскость. Инклинометрия - метод определения основных параметров (угла и азимута с целью построения фактических координат бурящихся скважин. По данным замеров угла и азимута искривления скважины, а также глубины ствола в точке замера строится план (инклинограмма) - проекция оси скважины на горизонтальную плоскость и профиль - вертикальная проекция на плоскость магнитного меридиана, широтную или любую другую. Таковой обычно принимается плоскость, в которой составляется геологический разрез по месторождению, проходящий через исследуемую скважину. Наличие фактических координат бурящихся скважин позволяет точно установить точки пересечения скважиной различных участков геологического разреза, т.е. установить правильность бурения в заданном направлении.
Данные инклинометрии скважины используются:
• для обеспечения бурения скважины в заданном направлении,
• при определении истинных глубин залегания геологических объектов,
• при построении карт и разрезов.
Для измерений применяются электрические, фотографические и гироскопические инклинометры. В настоящее время существует достаточно широкий выбор средств для получения необходимой информации, при этом все большее влияние на выбор средств инклинометрии оказывают вопросы точности и стоимости проведения инклинометрических работ.
Для получения информации о направлении, например об ориентации скважины или бурового инструмента, могут быть использованы магнитные или гироскопические устройства. И те и другие можно условно разделить на «обычные» и «высшего класса». В обычных устройствах используются механические средства измерения угла, магнитные компасы или гироазимуты и пленочные фотокамеры для регистрации показаний приборов. В устройствах высшего класса используются инерционные акселерометры, магнетометры или гиродатчики, электронные приборы с твердотельной памятью или приборы для передачи данных на поверхность и проводящие кабели.
Магнитные устройства измеряют магнитное поле земли, поэтому они должны находиться на достаточном удалении от бурильной колонны и КНБК. В связи с этим приходится использовать немагнитное оборудование для спуска приборов или немагнитные УБТ (при использовании приборов в процессе бурения). Магнитные устройства не предназначены для использования в обсаженных скважинах и в тех случаях, когда поблизости находятся источники сильных помех. Расположенные поблизости обсаженные скважины часто влияют на работу инклинометрических устройств, включая устройства для измерений в процессе бурения. Для защиты от магнитных помех расстояние между скважиными должно быть не менее 6-23 м.
Гироскопические устройства. Обычные гироскопические устройства измеряют направление в неподвижном положении относительно изначальной ориентации гироскопа, сохраняющейся за счет использования карданной подвески. Гироскопические устройства высшего класса либо выполняют измерения в неподвижном положении по реакции гиротахометра на вращение Земли, либо считывают показания датчика при движении устройства по скважине. Далее производится сопоставление показаний датчика с его показаниями в исходном положении для расчета ориентации устройства. Кроме того, в некоторых случаях могут быть использованы гироскопические инклинометрические устройства особого типа.
В большинстве случаев при проведении инклинометрии необходимо использовать как магнитные, так и гироскопические инклинометрические устройства. У обоих типов устройств есть свои преимущества и свои ограничения. Поэтому при планировании инклинометрических исследований необходимо учитывать особенности каждого типа, что позволит получить наиболее точные результаты при наименьших затратах.
Общие вопросы использования - цель проведения инклинометрии:
• избежать пересечения с другими скважинами;
• обеспечить пересечение глушащей скважины с фонтанирующей в случае выброса;
• выявить искривления ствола и рассчитать степень искривления;
• достичь геологической цели бурения;
• определить активы;
• получить данные для использования при проектировании разработки пласта;
• соблюсти нормативно-правовые требования.
Необходимость инклинометрии скважин может быть вызвана нормативно-правовыми, эксплуатационными требованиями или требованиями безопасности. Например, информация по траектории скважины может быть необходима в связи с ограниченным размером лицензионного участка либо такая информация должна быть предоставлена соответствующим органам власти. Кроме того, результаты инклинометрии, конечно же, могут быть использованы для подтверждения вскрытия того или иного пласта, а также для оценки параметров коллектора при расчете объема и распределения запасов. Результаты инклинометрии необходимы при корректирующем бурении, например при бурении скважины-дублера или бокового ствола. И наконец, при бурении разветвленных стволов скважин (а это самое ответственное применение инклинометрии).
Проведение инклинометрии бывает необходимо на всех этапах - при бурении, заканчивании, добыче и ликвидации, однако требования, предъявляемые к типу и качеству информации, могут быть разными.
При заканчивании скважины инклинометрия применяется:
• при проведении стандартного комплекса ГИС;
• для контроля зенитных и азимутальных углов на определённых участках ствола скважины;
• для ориентации забойного инструмента при бурении боковых и горизонтальных стволов.
В каждой из этих категорий имеются разные инклинометрические системы, предназначенные для решения разных задач. Выбор конкретной системы определяется набором взаимосвязанных факторов.
В любом случае при проведении инклинометрии необходимо обеспечить соблюдение следующих требований:
• получение и сохранение информации о траектории скважины;
• удовлетворение требованиям по точности измерений;
• выполнение инклинометрии с минимальными затратами при соблюдении указанных выше требований по точности измерений.
- Технические ограничения при определении допустимой интенсивности искривления ствола скважины
- Допустимые отклонения скважин от проектного положения
- Положение ствола и забоя скважины в пространстве
- Влияние процесса цементирования на эксплуатационные качества продуктивного пласта
- Герметичность заколонной части ствола скважины
- Влияние агрессивных газов на трубы и оборудование
- Альтернативные виды трубной продукции, применяемые при заканчивании скважин
- Резьбовые уплотнительные смазки
- Насосно-компрессорные трубы
- Трубы обсадные