Цементирование скважин является завершающим и наиболее ответственным этапом их строительства. От качества первичного цементирования скважин зависит дальнейшая продолжительность их безостановочной работы, степень их продуктивности, а, следовательно, и состояние разработки месторождения, суммарная величина извлеченных запасов нефти и газа, а также их себестоимость.

Из существующих геофизических методов, применяемых для контроля качества цементирования нефтяных и газовых скважин, наиболее информативны акустический метод и метод рассеянного гамма-излучения.

Ключевые слова: цементное кольцо, обсадная колонна, вертикальные каналы, микрозазоры, акустическое каротажное сканирование, геофизические исследования, цементометрие, оборудование, мониторинг.

В процессе цементирования заколонного пространства и дальнейшей эксплуатации скважины могут возникать различные дефекты цементного кольца, которые снижают его эффективность. К числу наиболее распространённых нарушений относятся вертикальные каналы и трещины, микрозазоры на границах с обсадной колонной и горными породами, горизонтальные разрывы, а также недостаточная прочность и высокая проницаемость цементного камня.

Нарушения контакта цемента с колонной делятся на объемные и контактные дефекты. В первом случае возникают каналы и разрывы в цементном кольце, тогда как во втором — формируются микрозазоры. Вертикальные каналы появляются при недостаточном центрировании обсадной колонны или её провисании, что возможно даже в вертикальных скважинах. Если колонна размещена неидеально, образуются сегментные зазоры шириной 60–90°, которые не заполняются цементным раствором и превращаются в макроканалы, заполненные жидкостью. При наличии разницы пластовых давлений или изменении давления в перфорированной колонне эти каналы могут стать путями для перетока флюидов [1].

Для выявления вертикальных каналов используют геофизические методы исследования, такие как самонастраиваемое геофизическое декодирование технологических параметров (СГДТ)[1] и акустическое каротажное сканирование (АК). Дополнительную информацию предоставляют акты спуска обсадной колонны, содержащие данные о глубинах установки труб, соединительных муфтах, центрирующих фонарях и турболизаторах, что позволяет оценить вероятность образования каналов.

Кольцевые микрозазоры между обсадной колонной и цементным камнем могут появляться вследствие различных факторов. Одной из причин является опрессовка колонны в первые дни после цементирования, когда цемент ещё не достиг необходимой прочности. Аналогичные дефекты могут возникать после перфорации продуктивных пластов или проведения взрывных работ. Кроме того, температурные колебания вызывают расширение и сжатие колонны, что способствует образованию зазоров.

Методы акустического сканирования основаны на анализе упругих колебаний в звуковом и ультразвуковом диапазонах. Их подразделяют на методы естественных и искусственных акустических полей, где первые исследуют колебания, возникающие по естественным или технологическим причинам. Одной из задач акустического сканирования является уточнение результатов стандартной акустической цементометрии, что позволяет выявлять продольные каналы и кольцевые зазоры, ухудшающие герметичность скважины. В разрезах с высокой скоростью распространения волн, где продольные волны в породе и обсадной колонне имеют схожие значения, акустическое сканирование становится единственным надёжным методом оценки качества цементирования.

Аппаратура акустического каротажа и контроля качества цементирования АКЦ-48 предназначена для мониторинга состояния цементного кольца и обсаженных скважин (рис.1). Она используется в нефтегазовых, гидрогеологических и других типах скважин с внутренним диаметром обсадных труб от 73 до 200 мм, а также применяется при исследовании необсаженных скважин, позволяя анализировать кинематические и динамические параметры упругих волн.

Рис. 1. Аппаратура акустического каротажа и контроля качества цементирования АКЦ-48

Аппаратура выполняет регистрацию акустических волновых полей, возбуждаемых монопольным излучателем. Фиксация акустического сигнала осуществляется с помощью восьми исследовательских секторов, которые равномерно распределены по периметру скважины с интервалом 45 градусов. Применение метода волнового акустического каротажа позволяет проводить исследования в обсаженных скважинах с диаметром от 125 до 300 мм. Работа осуществляется при температуре окружающей среды до 120°C, гидростатическом давлении до 80 МПа и угле наклона скважины, не превышающем 35°. Скорость каротажа при этом может достигать 350 м/ч.

Использование многочастотного режима обеспечивает регистрацию как нормальных волн, распространяющихся по колонне (волны Лэмба), так и поверхностных волн Стоунли. Анализ динамических параметров целевых волн позволяет определить особенности контакта и выявить зоны с недостаточным цементированием обсадной колонны. Визуализация трассирования целевых волновых пакетов в программном обеспечении «SystemAMIS» представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Прослеживание кинематики и динамики целевой волны по колонне в программном пакете SystemAMIS

Принцип работы прибора основан на анализе контакта между цементным камнем и обсадной колонной, который характеризуется коэффициентом затухания. В развертке данный параметр выражается градациями цвета: от черного, обозначающего полный контакт, до белого, свидетельствующего об отсутствии сцепления.

Аппаратура АКЦ-48 предназначена для контроля качества цементирования и технического состояния скважин различных типов, включая нефтегазовые и гидрогеологические, оборудованные обсадными колоннами и насосно-компрессорными трубами с внутренним диаметром от 73 до 200 мм. Кроме того, она применяется для исследования разрезов необсаженных скважин на основе кинематических и динамических параметров упругих волн.

Одним из ключевых преимуществ прибора является высокая чувствительность к дефектам цементного кольца объемно-контактного типа. Оборудование позволяет точно определить места прихвата бурового инструмента и положение башмака насосно-компрессорных труб (НКТ). Совместимость с цифровыми станциями типа «ГЕКТОР» и «ВУЛКАН» расширяет возможности использования прибора при геофизических исследованиях скважин [2].

Скважинный прибор рассеянного гамма-излучения (СГДТ-П) применяется для оценки качества цементирования и технического состояния обсадных колонн нефтяных и газовых скважин. Метод рассеянного гамма-излучения используется для «привязки» результатов измерений к муфтам обсадной колонны и геологическому разрезу скважины.

Дополнительно модуль сканирующего гамма-гамма дефектомера-толщиномера СГДТ-100М, входящий в комплекс АМК-2000, выполняет измерение плотности вещества за обсадной колонной в восьми радиальных направлениях. Он также определяет толщину стенок труб обсадной колонны с учетом их привязки к апсидальной плоскости, а также регистрирует естественное гамма-излучение горных пород, что представлено на рисунке 3

Рис. 3. Дефектомер-толщиномер СГДТ-100М

Скважинный прибор предназначен для проведения измерений в обсаженных скважинах с внешним диаметром колонны от 146 до 168 мм, а при использовании вытеснителя — до 194 мм. Оборудование функционирует при угле наклона скважины до 50° и в диапазоне температур окружающей среды от -10 до 120°C, выдерживая гидростатическое давление до 60 МПа.

Область применения прибора охватывает обсаженные скважины, оснащенные колоннами с внешним диаметром от 140 до 178 мм, заполненные промывочной жидкостью с плотностью от 1000 до 1400 кг/м³. В комплект поставки входит один скважинный модуль, который является частью программно-управляемого аппаратурно-методического комплекса АМК-2000. Этот комплекс предназначен для оценки технического состояния и качества цементирования обсаженных скважин. Модуль может работать автономно или в составе комплексной сборки с другими модулями, такими как МНК, ГКЛ, ТШ и МАК-9, входящими в состав АМК-2000.

Эффективная технология мониторинга технического состояния скважины требует не только использования современного оборудования, но и надежного программного обеспечения, обеспечивающего комплексную обработку и интерпретацию геофизических данных. Важно, чтобы технологическая цепочка включала оперативную передачу данных со скважины в контрольно-интерпретационные партии (КИП), приемку и контроль качества исходных материалов, их обработку, интерпретацию и предоставление итогового заключения заказчику [3].

Для решения этих задач разработан программный комплекс СОНАТА, который реализует полный цикл обработки — от ввода исходных полевых данных до формирования итоговых отчетов. В системе предусмотрены функции контроля качества, предварительной обработки, комплексной интерпретации данных различных геофизических методов, что позволяет применять ее на всех этапах строительства и эксплуатации скважин.

Алгоритмы и методики, используемые в программном комплексе, соответствуют утвержденным стандартам, руководящим документам и методическим указаниям, а их работоспособность подтверждена в производственных условиях на различных геофизических предприятиях. Программа сертифицирована ЕвроАзиатским геофизическим обществом и отвечает требованиям, предъявляемым к программным системам обработки и интерпретации геофизических данных.

СОНАТА является одной из немногих программных платформ, представленных на геофизическом рынке, которая поддерживает ввод и обработку данных, полученных большинством известных наземных регистрирующих комплексов и геофизических форматов.

Литература:

1. Лазуткина Н. Е. Геофизические исследования скважин: Справочник мастера по промысловой геофизике / Н. Е. Лазуткина, В. Г. Мартынов, М. С. Хохлова. — М.: Инфра-Инженерия, 2009. — 960 с.
2. Хмелевской В.К, Костицын В. И. Основы геофизических методов: учебник для вузов /Перм. гос. ун-т. Пермь, 2010. 400 с.
3. Бычков С. Г. Методы обработки и интерпретации гравимет-рических наблюдений при решении задач нефтегазовой геологии. Екатеринбург: УрО РАН, 2010. 187 с.

[1] Опечатка. Следует читать: селективный гамма-дефектомер-толщиномер (СГДТ).