Методы определения интервалов заколонных перетоков сверху комплексом ГИС и повышение точности локации места стока

2
Актуальность
Выявление заколонных перетоков выше перфорационной зоны является одной из сложных задач промысловой геофизики при оценке технического состояния скважины и выявлении источника обводнения.
Задачи, необходимые для достижения цели:
анализ современных методов определения источников ЗП и локаций стоков;
оценка определения заколонных перетоков на месторождениях Западной Сибири;
решение недостатком метода термометрии и шумометрии;
математическое моделирование дефектов скважины до и после ожидания затвердевания цемента;
разработка способов по устранению недостатков ИННК;
построение калькулятора захвата макроскопического сечения;
совмещение ИННК с методами состава и активационным каротажем;
математическое моделирование дефектов цементирования в скважине:
нахождение критериальных значений перепадов давления;
построение методики нахождения параметров дефекта цементирования.
Целью данной работы является анализ причин неоднозначного выделения заколонных перетоков сверху комплексом ГИС и повышение точности локации места стока ЗП.

Каналы возникают
Во время ожидания затвердевания цемента
После ожидания затвердевания цемента
3
Анализ современных методов определения источников заколонных перетоков
Рассматривая в качестве примера данные промысловых ГИС по определению интервалов притока на месторождениях за 2016 – 2019, получается, что ЗП определены в 22% и 16% соответственно от общего числа скважин.
Рисунок 1 – Данные по промысловым исследованиям за 4 года

4
ИННК при закачке меченой жидкости
Недостатки метода:
сложность в подборе количества раствора для закачки меченого раствора;
требуется специальная подготовка скважины;
удлинение временных рамок проведения работ;
воздействие производится на режимах, отличающихся от эксплуатационных;
высокое давление в пласте-источнике перетока могут служить препятствием для закачки в водоносные пласты меченого вещества;
ограниченность метода в количестве решаемых задач;
не заменяет проведение стандартного комплекса ГИС по определению профиля притока и источника обводнения.
В основе выявления с помощью метода ИННК интервалов, поглощающих закачиваемую жидкость, лежит контрастирование закачиваемой жидкости с пластовым флюидом по нейтронно-поглощающим свойствам.
Методы, над которыми сейчас ведётся активная работа – это шумометрия, активная термометрия при использовании нагревающего элемента, ИННК при закачке нейтронно-контрастной жидкости, методы моделирования.

Математическое моделирование возникновения заколонного перетока
в начальный период ожидания затвердевания цемента
Для построения модели скважины потребуется:
составить план цементирования;
знать профиль скважины;
уточнить условия в скважине;
значения пластового давления;
геостатическая температура на забое и поверхности скважины;
давления на устье;
получить план бурения с информацией о:
размерах бурильных труб и долота;
глубинах спуска каждой из колонн;
глубине установки «стоп-кольца»;
подобрать оптимальный рецепт ТР;
оценить литолого-геологическую обстановку цементируемой скважины:
интервалы залегания коллекторов и их насыщение;
кавернозность.
оценить геолого-технические данные по скважине:
параметров обсадных колонн;
параметров бурового и ТР;
режимов закачивания жидкостей;
знать объёмы, плотность, реологические свойства бурового раствора,
буферных жидкостей, порций ТР, продавочной жидкости;
рассчитать оптимальные интервалы установления центраторов.
5

Математическое моделирование поведения флюида при наличии
дефектов цементирования
Целью моделирования является определение критериальных перепадов давления и значений кольцевых зазоров, при которых нефть или вода поползёт только вниз относительно перфорационного отверстия или станет подниматься вверх по зазору.
6

Описание модели
Флюид сначала заходит по перфорационному отверстию (ПО) диаметром 20 – 25 мм из пласта в колонну диаметром 146 мм, далее при определённых перепадах давления начинает заполнять заколонное пространство 500 мм при скорости 2,5 м/с, тем самым образуя заколонные перетоки, или уходит в колонну.
В модели используется двухфазная среда: вода и газ. Движение жидкости ламинарное и осуществляется под влиянием гравитации. Моделирование происходит в 2D режиме.
1– часть колонны; 2 – перфорационное отверстие; 3 – дефект цементного кольца;
4 – ось симметрии скважины; 5 – граница колонна – перфорационное отверстие;
Рисунок 2 – Схематическая модель
цементного кольца
7

Таблица 1 – Исходные данные
8
Методика определения параметров дефектов цементирования
Методика определения параметров дефектов цементирования основана на расчёте объёма фигуры, занятого жидкостью, в зазоре. Расчеты производятся в той же модели, что и ранее.

Сложность подбора количества вещества для закачки меченой
жидкости в скважину
Одним из главных недостатков ИННК при закачке меченой жидкости для выявления заколонной циркуляции является сложность подбора количества меченой жидкости с учётом особенностей скважины, а также затруднительная оценка поглощающих свойств различных растворов с учётом концентраций.
Для решения данной задачи в дипломной работе разработан калькулятор, который позволяет устранить некоторые недостатки ИННК.
9
Калькулятор захвата макроскопического сечения представляет из себя файл Excel, где заранее введены формулы, необходимо менять лишь входные данные для получения результата.

Таблица 2 – Калькулятор расчёта сечения захвата
10

Ограниченность метода в количестве решаемых задач
Рисунок 4 – Показания ИННК
при закачке NaCl
Таблица 4 – Калькулятор расчёта сечения захвата породы для раствора NaCl
11

Σс-та – 28,8 с.u.
Kпск – 0,93 доли ед.
КПэфф – 0,07 доли ед.
Допустим, дефект связан с вертикальным каналом в цементном камне, или линейной зоной разуплотнения породы стенки скважины вдоль связанной с гидравлическим разрывом пласта. В этом случае 7% в объёме измерения ИННК составит канал раскрытостью 30 – 35 мм.
Рисунок 5 – Модель скважины
12

Дополнительное количество спусков скважинных приборов
с целью контроля движения пачки нейтронно-поглощающего раствора
Рисунок 6 – Технологическая схема для определения заколонных перетоков
методом закачки нейтронно-контрастных растворов
Внедрение комплексного скважинного прибора позволит полностью исключить раздельное использование приборов импульсно-нейтронного каротажа с приборами промыслово-геофизических исследований.
13

Реализация в приборе трёх походов – замеров термометрии с замерами состава, применения методики ИННК с закачкой меченой жидкости и использование данных активационного каротажа даёт возможность их комплексировать в зависимости от особенностей каждой конкретной скважины и её эксплуатационных характеристик.
Преимущества комплекса:
не требуется дополнительная подготовка скважины;
нет необходимости в спуске лифта насосно-компрессорной трубы;
не нужна промывка скважины на пресный раствор.
Рисунок 7 – Результаты интерпретации по определению перетоков
Оптимизация импульсного нейтрон-нейтронного каротажа при его совмещении с активационным каротажем
14

Расчёт критериального значения перепада давления между
давлением в коллекторе и на выходе из перфорационного отверстия
C увеличением перепада давления между давлением в коллекторе и на выходе из перфорационного отверстия, статический уровень жидкости в зазоре увеличивается как вниз, так и вверх, а площадь заполнения колонны уменьшается. Это связано с тем, что при высоких перепадах давления создаётся сопротивление движению жидкости, и в результате флюид не может прорваться через созданное препятствие, и он потечёт по направлению наименьшего сопротивления, то есть в колонну.
15

Для нахождения критериального значения давления построен график, показывающий зависимость Ly=f(∆P1), а также прямая Ly=0,02, соответствующая значению статического уровня перфорационного отверстия, пересекаемого дефектом цементирования.
Критериальным значением ∆P1 является число, равное 92 КПа, при котором происходит пересечение кривых Ly=f(∆P1) и Ly=0,02.
16

Уменьшение статического уровня жидкости в зазоре сопровождается увеличением площади течения жидкости по колонне.
Рисунок 9 – Изменение площади распространения флюида по колонне
17

18

Таблица 6 – Результаты моделирования для Ly=f(ΔP1) при низких значениях
19

Расчёт критериального значения перепада давления
между зазором и коллектором
Расчёт ведётся при тех же исходных данных, что и ранее, но в данном случае меняются значения ∆P2, ∆P3, при ∆P1, а – const.
Цель расчёта – найти значения ∆P2, ∆P3, при которых флюид потечёт только вверх или вниз.
Для расчёта критериальных значений давлений ∆P2,3, необходимо построить графическим образом зависимости Ly2=f(∆P2), при ∆P1,3, a – const и
Ly3=f(∆P3), при ∆P1,2, a – const.
20

При увеличении значений ∆P3, статический уровень жидкости для верхнего зазора увеличивается, и при значении ∆P3=96,02 КПа происходит пересечение кривых, что означает, что при этом значении уровни жидкости Ly2 и Ly3 равны.
Пересечение кривых происходит не при значении ∆P2=∆P3 из-за того, что при движении жидкости вниз оказывает влияние ещё действие гравитации, создавая силу притяжения флюида вниз.
21

22

23

Влияние ширины зазора на статический уровень жидкости
Значения Ly зависят от ширины дефекта, и при увеличении a, статический уровень жидкости также увеличивается. Для узких каналов соответствует низкое значение Ly, что связано с тем, что при уменьшении ширины зазора снижается пропуская способность дефекта. И как следствие, заполняется на меньшую высоту, тогда как площадь заполняемости по колонне увеличивается.
24

Определение параметров дефектов цементирования
Рисунок 16 – Графики зависимостей
25

Расход жидкости зависит от скорости потока. В модели использовалась скорость флюида, равная 2,5. Исходя из таблицы, можно предположить, что при увеличении скорости – увеличивается расход, соответственно и площадь сечения, что говорит об увеличении ширины раскрытия дефекта или уровня жидкости в зазоре.
Таблица 7 – Результаты моделирования
26

Заключение
В ходе дипломной работы решены следующие задачи:
проведён анализ современных методов определения источников заколонных перетоков (ЗП) и локаций стоков, из которого следует, что современными методами локаций являются шумометрия, термометрия, ИННК при закачке меченой жидкости, ТМ и шумометрия в комплексе, методы моделирования; так же установлено, что заколонные перетоки определяются в 22% и 16% соответственно от общего числа скважин;
разработаны методы по устранению недостатков ИННК в виде: создания калькулятора, который упрощает процесс закачки меченой жидкости; совмещения ИННК с методами состава и активационным каротажем; применения ИННК для решения задач при строительстве скважин;
представлены результаты математического моделирования дефектов цементирования в скважине при их возникновении в начальный период ожидания затвердевания цемента, что помогает спрогнозировать вероятность появления заколонных перетоков, моделирование гидродинамики дефекта в виде зазора между цементным кольцом и горной породой позволяет прогнозировать площади сечений дефектов цементирования по перепадам давлений в граничных элементах дефектов цементирования;
разработана методика по определению параметров дефекта цементирования
по каротажным данным.
27

Спасибо за внимание!

Каналы возникают
Во время ожидания затвердевания цемента
После ожидания затвердевания цемента
Рисунок 1 - Причины образования каналов
в колонне во время ОЗЦ
изменение режима нагружения скважины
испытание обсадных колонн на герметичность избыточным давлением;
перфорация обсадных колонн;
удары долота и бурильных труб о стенки обсадной колонны;
воздействие тектонических напряжений.
А – изменение касательных и
радиальных напряжений;
Б – образование микрозазоров.
Рисунок 2 – Образование трещин и микрозазоров
нарушение эксцентриситета колонны;
изменение течения цементного раствора;
неправильный подбор плотности раствора;
разрушение цементного камня;
изменение геометрии областей размыва;
преждевременное загустевание цемента;
чрезмерная водоотдача;
некачественная водоизоляция;

Известные методы локации заколонных перетоков
Заколонные перетоки
расходометрия
термометрия
индикаторные методы - ГК, ИННК
гамма-гамма плотнометрия
влагометрия
шумометрия
Определение положения заколонного перетока состоит в установлении источника и локации места стока ЗП.
Методы определения ЗКЦ не всегда дают эффективный результат. Так как у них есть ряд преимуществ и недостатков. Каждый из них можно усовершенствовать и постараться избавиться от ограничений, но в дипломной работе уделено внимание лишь на некоторых из них.

Методика определения параметров дефектов цементирования
Методика определения параметров дефектов цементирования основана на расчёте объёма фигуры, занятого жидкостью, в зазоре. Расчеты производятся в той же модели, что и ранее.
Методика заключается в:
определении объёма жидкости в кольцевом зазоре;
определении расчётного расхода жидкости в зазоре;
калибровке спектрального скважинного шумомера на метрологическом оборудовании с дефектами цементирования в виде кольцевых зазоров разной величины в заколонном пространстве и разной скорости перемещения жидкостей в зазоре по интегральному уровню шума и его спектральному составу;
определении уровня шумов, возникающих в скважине при перемещении жидкостей по каротажным диаграммам термоакустического метода (ТАМ);
определении расхода и скорости перемещения жидкости в дефекте по градуированным характеристикам интегральному уровню шума и его спектральному составу по каротажным диаграммам ТАМ;
определении диаграммы направленности угла раскрытия дефекта и его длины по каротажным диаграммам ТАМ;
определении эффективной площади дефекта по расходу и скорости перемещения жидкости в дефекте;
определении площади и ширины дефекта по эффективной площади дефекта, его длине и углу раскрытия.

Рисунок 5 – Зарегистрированный временной спектр тепловых нейтронов
Из анализа временного распределения тепловых нейтронов при ИННК следует:
на показания ИННК слабо влияет конструкция скважины и остатки в скважине нейтроно-поглощающего раствора
метод эффективен при наличии дефектов, расположенных в радиусе физической глубинности метода 40 – 50 см от стенки скважины, то есть, в области дефектов, лежащих вне эффективности термометрии.

Для визуальной оценки работы калькулятора были рассчитаны зависимости сечения захвата раствора от концентрации растворов и аномальности от концентрации растворов (рисунок 6).
При увеличении концентрации раствора сечение захвата раствора увеличивается, причём, для раствора CaCl2 это увеличение более существенно, как и его коэффициент аномальности выше (рисунок 5).
Рисунок 5 - Графики зависимостей сечения раствора-поглотителя и аномальности от концентрации растворов

Провели серию последовательных замеров ИННК в баке с водой, и после добавления раствора гадолиния Gd(NO3)3*6H2O, концентрацией 0,26 г/л.
По результатам обработки Σв = 23,2 c.u., ΣGD(NO3)3*6H2O = 37,1 c.u.
Рисунок 7 – Измеренные временные спектры тепловых нейтронов
Таблица 3 – Рассчитанные значения параметров для раствора Gd(NO3)3•6H2O