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 182

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, Л, _отн = А/Д, _тах (где Л, _тах - значение А_к в свобод­ной (незацементированной) трубе, которые характеризуют состояние контакта цементного камня с обсадной трубой как функцию его упругопрочностных свойств) и прочности на изгиб а_изг 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 А_{к отн} снизится до значе­ния, менее 0,8, соответствующего наличию цементного камня за колонной по данным АКЦ.

В табл. 11 представлены значения прочности на изгиб портланд- и гельцементного камня, определенные на весах Михаэлиса, и А,. _отн, а также характеристика состояния кон-

183

0,75 0,50

10,25

О 14

i\\\\\\\w\\\\\\\\i

VII

VIII

2 4 6

С_тг, МПа

 

	К1'		2'
	Л		t	з'-
■v\				л
1	>> X	у<	X «с	-------

Т,сут

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

I — обсадная труба; 11 — цемент; III — вода; IV — кожух; V — индикатор температуры; VI — термостат, VII — блок питания; VIII — панель АКЦ; П — приемник; И — излучатель; а — кривые изменения значений А^ _отн и а_шг во времени после цементирования макеров: портландцементом плотно­стью 1820 кг/м³ при 15 °С (1, 1'), гельцементом плотностью 1520 кг/м³ при 15 °ë (2, 2'), 1450 Í„/ϳ при 20 °ë (3, 3'), 1450 Í„/ϳ при 15 °ë (4, 4'), 1450 Í„/ϳ при 10 °ë (5, 5')

такта 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 °ë.

184

 

1 ф-1Е" $ 11
	Тампонажный	материал				Состояние
Номера						контакта це-
кривых		Плот-	Температу-		"коти	ментного кам-
(см. рис.	Тип	ность	ра цемен-	МПа		ня с обсадной
69, ·)		кг/м3	тирования,			трубой макета
			°ë			скважины по
						данным АКЦ
1', 1	Портландце-	1820	15	0,80	0,00	Наличие
	мент
2', 2	Гельцемент	1550	15	0,15	0,35	Частичное
3', 3	11	1450	20	0,10	0,7
4', 4		1450	15	0,05	0,9	Практически
						отсутствует
5', 5	"	1450	10	0,00	1,00	Отсутствует

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 А„. _отн;

из портландцемента (при температуре 15 °С) — наличием контакта с обсадной трубой (А_котн = 0);

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

из гельцемента плотностью Й50 кг/м³ (при температуре 15 и 10 °С) — отсутствием контакта с обсадной трубой (А_котн = = 0,9 и Акот,, = 1), т.е. практически не выделяется по кривой

^к отн*

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 необнаружи-ваемым 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 време-

185

ни, 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 по-род, — 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 портландцементного 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].

186

1 2 3 4     5 6 мс

 

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

I — муфтовые соединения обсадных труб; 11 — 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

187

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 (А^) и реализующая его электронная ин­дикаторная приставка ИПАК к панели АКЦ [14, 24, 35, 40, 85, 90].

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

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 ё 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 а ё 1, только ту часть волнового сигнала, которая попадает в измерительное окно. Диод VD2 и емкость ёЗ 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

188

VT 2 „ Cl

АКЦ-

Rl

Рис. 71. Принципиальная электрическая схема приставки ИПАК к АКЦ

пространство макета скважины заливали тампонажным раствором плотностью 1500 кг/м³ наполовину. 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 Ад и амплитуды волн, отраженных от муфт, А_отр. Результа­ты экспериментов показаны на рис. 72, на котором видно, что амплитуды А_к начинают незначительно снижаться лишь после начала схватывания тампонажного раствора, а амп­литуды А_отр 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.

189

 

	^отр
1,0
		2
0,5
		N.          4

5 L, м

О         12  3  4

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

1,3 — Á‡ 6 ˜ ‰Ó ̇˜‡Î‡ 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 А^ 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 А_к, поскольку \ _отн 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 А_к возможно лишь в том случае, если тампонажныи раствор уже схватился и приобрел определенную прочность. Но как показывает практика, пе­риод схватывания ОТР в верхних интервалах скважин может быть очень продолжительным. Способ регистрации А_отр 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 зарегистрирован-

190

««§	А л К» отн. ед.			^отр> отн. ед.			Показания СГДТ-2, имп/мин
	0        1,0			0      1,0			0     82800
260	-				~^-
300	-
340	-	J						>
380	-	4
420	-	<						1
460	-	t						1
500

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 Л_к и волн, отражен­ных от муфт обсадной ко­ÎÓÌÌ˚, А_отр ‚ ÒÍ‚. 13198/643 Самотлорской площади

 

-
бина	отн. ед.			отн. ед.
	0       1,0			0      1,0
220	-
260	-
300	-
340	-
380	-	г
420	-	J
460	-

50

%

.-^V ~

б

Рис. 75. Эффективность определения высоты подъема ОТР (с _ц) в заколон-ном пространстве с помощью регистрации А:

t Ё ■ — термограммы, кривые ГГК, А^ А по скв. 3141 и 554 Уренгойского

гкм

ные диаграммы А_к и А^ в скв. 13198/643 Самотлорской площади. Скважина зацементирована в верхней части це-ментно-бентонитовой смесью плотностью 1510 кг/м³. Замер сделан через 7 ч после цементирования. Видно, что значение А^гр возрастает с глубины выше 290 м, что свидетельствует о подъеме ОТР до этой глубины. Амплитуда А,, 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 А^ сопоставлены с кривыми термометрии, гамма-гамма-метода (СГДТ) и \ АКЦ (рис. 75). В этих, как и в других скважинах, высота подъема облегченного тампонажного раствора q _ц по кривым А_отр 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 А_отр включена в "Типовые и обязательные комплексы геофизических исследований сква­жин", утвержденные РАО "Газпром" в 1993 г. (РД-51-1 — 93).