Исследование и разработка конструктивных основ создания параметрического ряда комплексной малогабаритной аппаратуры акустических методов каротажа нефтегазовых скважин

На современном этапе большинство нефтяных месторождений страны находится на поздней и завершаюш-ей стадии эксплуатации (около 50% по России) с возрастающей долей трудноизвлекаемых запасов углеводородного сырья, заключенного в низкопроницаемых коллекторах, в газонефтяных залежах, водонефтяных зонах и трещинно-кавернозных карбонатных породах. Повышение нефтеотдачи в этих условиях решается главным образом бурением горизонтальных и горизонтально — разветвленных скважин (к 2000 г. -около 450 скв.), ремонтом старых — путем зарезки боковых горизонтальных егс) стволовТ (около 300 скв.), а также с помощью таких технологий, как гидроразрыв пластов, обработка призабойной зоны и т. д. [37].

С другой стороны, подавляющее число существующих нефтяных месторождений разрабатывается с применением поддержания пластового давления путем закачки высокоминерализованной и пресной воды. Высокое давление закачки, естественное старение и коррозия обсадных колонн, НКТ и цементного кольца приводят к нарушению их герметичности, в результате чего возникают заколонные перетоки, приводящие к неконтролируемому заводнению пластов и неоправданным расходам энергии и воды, используемой для закачки. С экологической точки зрения особенно опасна неконтролируемая закачка высокоминерализованной воды в пресноводные пласты, используемые в качестве источников питьевых вод, что оборачивается невосполнимыми потерями из-за осолонения пресноводных горизонтов. Все эти задачи связаны с контролем технического состояния как открытого ствола (выделение зон повышенной трещиноватости, кавернозности, катастрофического поглощения, зон АВПД и АНПД и т. п.), так и состояния обсадных колонн и за-колонной изоляции в обсаженных скважинах [40, 44, 52].

В общем случае техническое состояние скважин определяют три главных фактора:

— состояние стенок скважины;

— состояние обсадных колонн;

— состояние заколонного пространства и цементного кольца.

Одним из перспективных и универсальных методов оценки состояния обсаженных и необсаженных скважин являются методы широкополосного акустического и шумоакустического каротажа, стабильность и качество измерений которых обеспечивается с помощью комплексной акустической аппаратуры, имеющей соответствующее метрологическое обеспечение.

За полувековой период развития акустического метода благодаря таким основоположникам, как Карус Е. В., Кузнецов О. Л., Грацинский В. Г., Прямов П. А., Белоконь Д. В., Дзебань И. П., Девятов А. Ф., Косолапов А. Ф., Аванесов В. М. и др., а также трудам Крылова ДА., Гуторова Ю. А., Кирпиченко Б. И., Рафикова В. Г., Маломожнова A.M., Служаева В. Н. и др., в последующие годы внесших большой вклад в развитие аппаратурной и методической базы акустического метода, геофизической службой нашей страны накоплен значительный опыт в проведении и интерпретации АК, а также сформирован отечественный геофизический аппаратурный парк. Однако область применения существующих аппаратурных средств не распространяется на скважины малого диаметра, а скважинные условия, в которых необходимо проводить исследования, настолько разнообразны в геологическом, технологическом, конструктивном и др. отношениях, что создание одной универсальной аппаратуры, отвечающей всем требованиям, невозможно. Необходим по крайней мере аппаратурный ряд, из унифицированных узлов и деталей которого возможно комбинирование требуемой компоновки, способной обеспечивать получение в конкретных условиях наиболее полной и достоверной информации об объекте исследований, необходимой для выбора оптимальных режимов эксплуатации, методов и сроков проведения ремонтных мероприятий и т. д.

Цель работы: повышение эффективности геофизических исследований при оценке технического состояния скважин путем обоснования, выбора и реализации конструктивных решений, обеспечивающих получение произвольных комбинаций функциональных модулей акустических приборов в соответствии с решаемыми задачами для достижения максимальной информативности и достоверности исследований.

Основные задачи исследований: А.

1. Изучить возможность создания параметрического аппаратурного ряда акустических методов исследования скважин с целью контроля технического состояния в зависимости от геолого-технических условий применениявыполнить анализ влияния различных факторов на величину погрешности измерений при АК и поиск способов ее снижения;

2. Теоретически и экспериментально обосновать принципы построения параметрического ряда малогабаритной аппаратуры, его составляюпщх элементов с различными методическими возможностями и основных функциональных узлов этих элементов — приемо-излучающих систем, акустических изоляторов, центрируюш-их устройств и т. п.;

3. Разработать и унифицировать конструкции основных функциональных узлов и элементов — приборов параметрического аппаратурного ряда;

4. Разработать параметрический ряд малогабаритной комплексной аппаратуры акустического, шумоакустического и видеоакустического методов каротажа, позволяющий учитывать различные геолого-технические и технологические условия проведения работ по контролю технического состояния скважин;

5. Разработать средства метрологического обеспечения элементов, входящих в параметрический ряд малогабаритной комплексной аппаратуры акустических методов каротажа;

6. Опробовать и внедрить элементы параметрического ряда и средства метрологического обеспечения в различных геолого-технических условиях.

Методами решения поставленных задач являются эмпирические и теоретические исследования, проведение расчетов, поиск, реализация и сравнительные испытания конструкторских решений, опытно-методические и производственные работы на скважинах, анализ и обобщение полученных данных.

Научная новизна:

1.Обоснованы основные принципы построения параметрического ряда комплексной малогабаритной аппаратуры АК для контроля технического состояния обсаженных скважин, сущность которых заключается в следующем: обеспечение максимальной помехозащищенности измерительного тракта, высокой надежности и проходимости приборов в скважине сложного профиля, унификации узлов и деталей, позволяющей компоновать аппаратуру в зависимости от сложности решаемых в обсаженных скважинах геолого-технических задач, многоуровневого метрологического сопровождения.

2. Разработаны и реализованы технические решения по выбору и обоснованию конструкций узлов и деталей параметрического ряда малогабаритной аппаратуры АК, обеспечивающие реализацию сформулированных принципов его построения.

3. Созданы специализированные средства многоуровневого метрологического контроля, обеспечивающие метрологическое сопровождение элементов параметрического ряда, начиная от его изготовления и завершая проведением с его помощью исследований в различных скважинах.

Достоверность основных положений, выводов, технических решений подтверждалась экспериментальными исследованиями в лабораторных условиях, испытаниями, проводимыми в термобарокамере и модельных установках, скважинными материалами, полученными при проведении акустического каротажа в разных геолого-технических и технологических условиях для решения задач по определению технического состояния скважин.

Основные защищаемые положения:

1. Возможность повышения эффективности геофизических исследований обсаженных скважин методами АК на основе создания параметрического аппаратурного ряда, позволяющего компоновать из унифицированных узлов и деталей необходимый комплекс измерительных зондов в целях оптимального решения целевой задачи по контролю технического состояния нефтегазовых скважин.

2. Принципы конструирования основных функциональных узлов и приборов для создания гибкого параметрического ряда комплексной малогабаритной аппаратуры, предназначенной для решения широкого круга нефтепромысловых и геолого-технических задач.

3. Конструктивная база скважинных приборов, являющихся элементами параметрического аппаратурного ряда, и комплекса средств метрологического обеспечения и вспомогательного оборудования.

Практическая значимость и реализация работы заключается в том, что по результатам теоретических и экспериментальных исследований автором обоснованы и разработаны конструкции основных функциональных узлов базовых приборов, унификация которых позволила создать параметрический ряд, легко адаптируемый для решения широкого круга задач по оценке техсостояния скважин. Составные элементы параметрического ряда обеспечены метрологическими средствами для контроля стабильности и точностных технических характеристик и параметров приборов.

Аппаратурно-методические разработки, включая средства метрологического и программного обеспечения, реализующие способы и идеи, предложенные и разработанные автором совместно с коллегами, внедрены в ряд производственных объединенийвсего внедрено более 300 комплектов АКЦ-НВ-48, 18 комплектов АКЦ-НВ-36, 8 комплектов А11ТИМ-36, 2 комплекта АВК-42М, а также 14 комплектов полевых устройств УПК-1 для калибровки аппаратуры акустического каротажа, 1 установку У1Ш-1 для поверки первичных преобразователей, 2 комплекта устройств УП-3 для калибровки аппаратуры акустического видеокаротажа.

Разработанная и реализованная с участием автора комплексная малогабаритная аппаратура АКЦ-НВ-48 прошла в 1985 г. межведомственные, в 1987 г. государственные приемочные испытания, на которых ей была присвоена высшая категория качества с внесением в Государственный Реестр промышленной продукции. Серийный выпуск этой аппаратуры был освоен с участием автора в ПО «Геофизприбор» (г.Уфа), где с 1990 по 1992 г. было выпущено 300 комплектов аппаратуры. Остальные модификации аппаратурного ряда освоены опытным производством ОАО НПП «ВНИИГИС» и выпускаются по прямым договорам с производственными организациями.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований представлялись и обсуждались на республиканских научно — практических конференциях по повышению эффективности ГИС (Октябрьский, 1988 г.), «Разработка и внедрение новой аппаратуры для ГИС» (Киев, 1989 г.), по использованию геолого-геофизических методов при поисках, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых в Республике Башкортостан (Октябрьский, 1994), по геофизическому обеспечению ГС (Уфа, 1995), по проблемам качества ГИС (Тверь, 1997), на втором международном семинаре по ГС (Москва, 1997), по современным технологическим процессам в нефтегазодобыче (Октябрьский, 1998), по состоянию и перспективам использования геофизических методов для решения задач поисков, разведки и разработки месторождений полезных ископаемьпс (Октябрьский, 1999), на совещании Главных инженеров и специалистов геологических служб нефтегазовых компаний (Уфа, 2000), международной геофизической конференции (Санкт-Петербург, 2000 г.).

Приборы АКЦ-НВ-36, АКЦ-НВ-48, АШИМ-Зб, АВК-42М, являющиеся элементами внедрения аппаратурного ряда, включая средства метрологического обеспечения, экспонировались на международных выставках «Нефть и газ -92», «Нефть и газ-93» (г. Москва), ВДНХ (павильон «Геология», 19 871 990 Г. Г.), «Нефть и газ -93» (г. Уфа), «Нефть и газ — 95» (г. Уфа), в павильоне ВДНХ аппаратура АКЦ-НВ-48 получила бронзовую медаль.

Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 12 статьях, докладах на конференциях, получено 2 а. с. и 1 патент, 2 находятся на рассмотрении в ФИПС.

В диссертации представлены результаты исследований, выполненных лично автором и при его непосредственном участии в отделе геофизических методов контроля технического состояния обсаженных скважин ОАО НПП.

ВНИИГИС" в период с 1978 по 2000 год.

Личный вклад автора заключается в постановке и проведении на стадии НИР экспериментальных исследований, обосновании принципов построения параметрического ряда, разработке оригинальных конструкций основных функциональных узлов, комплекса метрологических средств контроля и на стадии ОКР — вспомогательного технологического оборудования, конструкторской и текстовой документации, сопровождения процесса изготовления экспериментальных и опытных образцов и серийного выпуска, включая подготовку и проведение межведомственных, государственных и заводских приемочных испытаний.

Автор благодарит сотрудников отдела Ш. Ш. Шариязданова, В. П. Майорова, Г. Н. Хайдарова, Р. Н. Ахмадеева, В. В. Агапитова, Ю. Н. Моисеева, И. С. Набиуллина, Н. И. Ткачеву, СР. Гарееву, А. Р. Салахову, В. Д. Ташбулатова и др., плодотворное сотрудничество с которыми способствовало решению поставленных задач.

Искреннюю благодарность автор выражает научному руководителю Д.Т.Н., профессору Ю. А. Гуторову и научному консультанту к.г.-м.н. В.К. Те-плухину за ценные советы, поддержку и помощь в выборе темы диссертационной работы, постановке задач и проведении исследований, постоянное внимание к работе и важные замечания.

Сердечную признательность автор выражает А. П. Полякову, А.П. Ша-раеву, Р. К. Яруллину, Н. М. Зараменских, P.P. Хайретдинову, В. М. Осадчему, А. Л. Поляченко, И. С. Файзуллину, В. Ф. Козяру, а также всем руководителям и специалистам производственных организаций, оказавшим автору содействие и поддержку в подготовке и полезном обсуждении данной работы.

Выводы:

1. Повышение качества акустических исследований невозможно без решения задач метрологического обеспечения, которое должно являться составной частью всего технологического процесса от стадии разработки аппаратуры до методики решения конкретных геолого-технологических задач.

2. Для акустических приборов аппаратурного ряда разработаны и реализованы физические эталоны с высокостабильными во времени свойствами, основанные на способе имитации затухания и временной задержки упругих волн, распространяющихся в обсадных трубах. Разработана и реализована конструкция калибровочного устройства для аппаратуры акустического видеокаротажа, принцип действия которого также основан на способе имитации затухания и временной задержки упругих волн, позволившая повысить достоверность исследований.

3. Разработана и реализована конструкция полевого калибровочного устройства, позволившая обеспечивать оперативную калибровку акустической аппаратуры параметрического ряда в производственных условиях.

Обеспечение динамического диапазона по параметру а, дБ/м.

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ.

ПРИБОРОВ — ЭЛЕМЕНТОВ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО РЯДА.

МАЛОГАБАРИТНОЙ КОМПЛЕКСНОЙ АППАРАТУРЫ.

АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КАРОТАЖА.

5.1. Промышленное внедрение приборов — элементов аппаратурного ряда.

В результате выполненных автором работ по обоснованию принципов конструктивных решений основных функциональных узлов на основе расчетов и экспериментов разработан параметрический аппаратурный ряд малогабаритных приборов акустических методов каротажа широкого применения, оснащенный средствами метрологического контроля полевого и стационарного типов.

Элементы аппаратурного ряда внедрены в производство таких геофизических объединений, как «Башнефтегеофизика», «Татнефтегеофизика», «Пермьнефтегеофизика», «Тюменьнефтегеофизика», «Севергазгеофизика», «Укргеофизика», «Мангышлакнефтегеофизика», «Узбекгеофизика» и др.

Всего внедрено 314 приборов следующих модификаций: АКЦ-НВ-48-более 300 комплектов, АКЦ-НВ-Зб — 18 комплектов, АШИМ-36 — 8 комплектовАВК-42М — 2 комплекта, а также УПК-1 — 14 комплектов, УПП-1 — 1 комплект, УП-3 — 2 комплекта.

На Государственных приемочных испытаниях в 1987 году комплексной двухчастотной аппаратуре АКЦ-НВ-48 в связи с высоким уровнем технических показателей была присвоена высшая категория качества, а аппарат) фа занесена в Государственный Реестр промышленной продукции. Изготовление этих приборов в 1989 году было освоено ПО «Геофизприбор», где они выпускались серийно до 1992 года.

Остальные приборы — элементы параметрического аппаратурного ряда, а также средства метрологического обеспечения и вспомогательное технологическое оборудование выпускались фирмой «Прибор» АО НПП ВНИИГИС и поставлялись заказчикам в качестве опытно-методических образцов.

5.2. Оценка геолого — экономической эффективности применения приборов — элементов аппаратурного ряда.

Работа составных элементов аппаратурного ряда в различных геолого-технических и геолого-технологических условиях показала, что они имеют ряд существенных преимуществ перед различными модификациями геофизической аппаратуры аналогичного назначения (АКЦ-4, УЗБА-21, АКШ и др.) [25,27,41]. Например, малогабаритность конструкций приборов — элементов параметрического аппаратурного ряда и надежные системы центрирующих устройств позволяют проводить работы через НКТ, в наклонно-направленных и горизонтальных скважинах и в боковых стволах.

Так, только в 2000 году в Удмуртии малогабаритными приборами АКЦ-НВ-48 геофизиками управления «Ижгеофизсервис» исследовано по Татарии порядка 200 скважин старого фонда — в боковых стволах [52]. На рис. 5.1 приведен фрагмент диаграммы, полученной малогабаритной аппаратурой АКЦ-НВ-48 в СКВ. № 208 Киенгопской пл., на рис. 5.2 — скв.№ 3009 БГС Лудошурской пл.

На территории Республики Башкортостан приборами — элементами аппаратурного ряда в 2000 г. исследовано порядка 40 скважин, большинство из которых являются БГС, забуренными из скважин старого фонда. Рис. 5.3 показывает обобщенные результаты обработки данных исследований БГС аппаратурой АК, анализ которых выявляет необходимость центрирования колонны при цементировании.

Местоположение нарушения целостности кондуктора и интервала наличия цементной корки установлены исследованиями на скв. № 1 Ря-Тамакской пл. (Рис. 5.4). Результат применения комплекса ВАК-АВК показывает, что метод ВАК является ведущимим исследуется весь интересующий интервал, а на участках, имеющих перебитость фазовых линий или резко меняющееся время прихода волнового пакета, используется аппаратура. видеокаротажа, которая позволяет объяснить поведение некоторых параметров волнового пакета за счет тех или иных причин (наличие каверн, интерва.

КИЕНГОПСКАЯ 208.

В ОТКРЫТОМ СТВОЛЕ В ОБСАДКЕ t.

Рис. 5.1.

Скв. ХО3009-БГС Лудошурская пл.

Рис. 5.2.

График распределения качества цементирования БГС по исследованиям аппаратурой АК.

РЯ-ТАМАКСКОЙ ПЛОЩАДИ МЕТОДАМИ АК.

Рис. 5.4 лов с аномальными свойствами, уточнить границы пластов, наличие, раскры-тость и ориентацию макро и микротрещин).

Результаты исследований технологической скв. № 15 Яр — Бишкадак-ского месторождения (Рис. 5.5) позволяют не только оценить состояние цементного камня в межколонном пространстве и положение башмака направления и технологической колонны, но также выделить интервал заколонной циркуляции (40−13 Ом), которая происходит за счет излива из водопроявляю-щего пласта, расположенного на глубине 200−210 м, что, возможно, и является причиной интенсивного осолонения близлежащих грунтовых вод.

Пример исследований дЕухВСлЮннЕИ системы обсадки Оренбургской скважины показан на рис. 5.6. Интерпретационные колонки показывают качество сцепления цементного кольца между двумя колоннами и между колонной и породой.

Итак, преимущества приборов АК, входящих в аппаратурный ряд, обусловлены следующими причинами:

1. Высокие технические и эксплуатационные показатели, обеспечивающие широкую область применения в ВС, ННС, ГС, включая технические, эксплуатационные колонны и НКТ, в т. ч. обсадные колонны малого диаметра, зарезаемые в виде боковых стволов в сложно-построенных карбонатно-терригенных коллекторах при предельных температурах и давлениях обычных и агрессивных сред;

2. Единая конструктивная и функциональная основа общей компоновки, а также отдельных узлов и деталей механических частей и узлов электронной схемы приборов параметрического ряда, обеспечивающая возможность гибкой компоновки аппаратуры в зависимости от сложности решаемых задач;

3. Высокая чувствительность и разрешающая способность к дефектам технического состояния обсаженных скважин;

4. Возможность сопряжения с приборами других геофизических методов каротажа с целью проведения комплексных исследований в обсаженных.

Скв.№ 15 Яр — Бишкадакская.

— интервал заколоннои циркуляции.

ЦЕМЕНТОГРАММЫ АК ДЛЯ ДВУХКОЛОННОЙ СИСТЕМЫ ОБСАДКИ.

181 скважинах;

5. Возможность адаптации к разнотипному каротажному и спуско-подъемному геофизическому оборудованию и кабелю, высокая ремонтопригодность и взаимозаменяемость узлов и деталей параметрического ряда;

6. Обеспечение составных элементов ряда многоуровневыми средствами метрологического контроля;

7. Обеспечение возможности исследований скважин приборами в динамическом режиме;

8. Единое программно-техническое обеспечение, позволяющее осуществлять цифровую регистрацию и автоматизированную обработку и интерпретацию диаграммных материалов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В итоге проведенных теоретических и экспериментальных исследований по созданию параметрического ряда комплексной малогабаритной аппаратуры акустического, шумоакустического и видеоакустического методов каротажа для контроля технического состояния обсаженных и необсаженных нефтегазовых скважин получены следующие результаты:

1. На основании постановки и обоснования задач по контролю технического состояния скважин акустическими методами каротажа, изучена возможность создания параметрического аппаратурного ряда в составе акустического, шумоакустического и видеоакустического методов исследования скважин. Рассмотрены геолого-технические и геолого-технологические условия проведения исследований, позволившие сформулировать принципы построения параметрического ряда и требования к его элементам (компоновку и размеры зондов габариты приборов и т. п.);

2. Предложены конструктивные способы снижения систематической и случайной составляющих погрешности измерений, позволившие повысить качество и информативность ползАаемого скважинного материала;

3. На основании теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с учетом сформулированных автором принципов и предъявляемых требований, найдены оригинальные технические решения конструкций следующих основных функциональных узлов и деталей:

— акустических изоляторов, обеспечивающих затухание до 80 дБ/м и задержку времени вступления волны по корпусу до 400 мкс/м.;

— широкодиапазонных центрирующих устройств, унифицированных в зависимости от условий их применения;

— приемо-излучающих узлов, обладающих высокой помехозащищенностью и чувствительностью в широком диапазоне частот (0,5−40 кГц), предназначенных для работы в обычной и агрессивной среде;

4. На основе унификации конструкций основных функциональных узлов разработан параметрический ряд малогабаритной комплексной аппаратуры акустического, шумоакустического и видеоакустического методов каротажа, легко адаптируемый для решения широкого круга нефтепромысловых и геолого-технических задач при контроле технического состояния обсаженных скважин;

5. Для калибровки приборов, входящих в параметрический аппаратурный ряд, разработан, реализован и внедрен комплекс средств метрологического обеспечения стационарного и полевого типов в составе установки проверки акустических преобразователей УПП-1, полевого устройства У1Ж-1 для калибровки акустической аппаратуры на преломленных волнах и установки калибровочной УП-З для акустической аппаратуры на отраженных волнах.

6. Разработаны комплекс вспомогательного технологического оборудования для проведения исследований в динамическом режиме и узлы внешней и межмодульной стыковки для обеспечения комплексирования с приборами других методов каротажа.

7. Разработаны, изготовлены и внедрены следующие элементы, составляющие параметрический аппаратурный ряд:

— аппаратура АКЦ-НВ-48 многовариантнаясерийный выпуск;

— аппаратура АКЦ-НВ-36 многовариантнаянесерийно-повторяющийся выпуск;

— аппаратура АШИМ-36 многовариантнаянесерийно-повторяющийся выпуск.

— аппаратура АВК-42Мединичный выпуск.

Перспективным направлением дальнейшего продолжения работ является: расширение методических возможностей аппаратурного ряда путем включения в его состав таких модулей, как ЭМДС, ГК и др. с применением цифровой телеметрической линии связи и обработки информации.