3.2.3.2. Определение интервалов распространения тампонажного раствора за обсадной колонной по кривым гк

Предложенный способ основан на различии в степени по­глощения естественного гамма-излучения горных пород бу­ровым раствором и более плотной цементной массой, нахо­дящихся в заколонном пространстве скважины. В связи с этим регистрируемое гамма-излучение в зацементированном интервале скважины должно быть меньше, чем в ее незаце-ментированной части [29].

Для установления местонахождения за колонной раздела между глинистым и тампонажных раствором диаграммы гам­ма-каротажа, зарегистрированные в открытом стволе и после цементирования скважины, совмещают в интервалах с мини­мальными расхождениями в показаниях гамма-активности.

Последнее позволяет в какой-то степени уменьшить влия­ние на эти показания колонны, бурового раствора и незна­чительного слоя тампонажной массы в интервале совмеще­ния. При этом существенное уменьшение показаний ГК в интервале зацементированной скважины, по сравнению с данными ГК в открытом стволе, указывает на наличие там­понажной массы за колонной в данном интервале.

Недостатками описанного способа являются трудность до­статочно четкого определения раздела в заколонном прост­ранстве между глинистым и тампонажным растворами при незначительной разнице значений их плотности, а также ес­ли интервал цементирования скважины представлен слабо­глинистыми породами, обладающими низкой гамма-активностью (до 3 — 4 мкР/ч). Поэтому данный способ целе­сообразно применять в качестве вспомогательного, причем если позволяют геолого-технические условия, то для более полного исключения факторов, затрудняющих выделение за­цементированных интервалов при сопоставлении диаграмм ГК, проводить первое измерение гамма-активности в колон­не до ее цементирования.

3.2.3.3. Гамма-гамма-контроль за цементированием скважин (метод рассеянного гамма-излучения)

При существенном различии в значениях плотности там-понажного и бурового растворов (более 300 — 500 кг/м³) мож­но получать информацию о распределении и целостности це­ментного кольца за колонной, используя метод рассеянного гамма-излучения (МРГ) или гамма-гамма-контроля за цемен­тированием скважин (ГГКц) [29, 77].

ИЗ

Гамма-гамма-контроль за цементированием скважин осно­ван на обратной зависимости интенсивности рассеянного гамма-излучения от плотности окружающей среды.

Основными узлами аппаратуры, реализующей метод гам­ма-гамма-контроля за цементированием, являются источник гамма-излучения (радиоактивные изотопы цезия или кобаль­та) и изолированный от него свинцовым экраном (на рассто­янии 40 — 60 см) индикатор — приемник гамма-излучения, состоящий из газоразрядных счетчиков или сцинтиллятора с фотоумножителем.

При нахождении скважинного прибора в обсаженной и зацементированной скважине излучаемые из радиоактивного источника гамма-кванты рассеиваются и поглощаются в бу­ровом и тампонажном растворах, в колонне, а иногда и в породе, в связи с чем только часть рассеянного гамма-излучения попадает в индикатор.

Поэтому при наличии за колонной более плотного це­ментного раствора или камня, в результате большего погло­щения гамма-квантов, интенсивность попадающего в индика­тор рассеянного излучения будет меньше, чем при наличии в заколонном пространстве бурового раствора, и наоборот.

Для исследования скважин, обсаженных 146- или 168-мм об-садными колоннами, применялась аппаратура гамма-гамма-контроля за цементированием ЦМТУ-1. Ее индикатор (при­емник части рассеянного гамма-излучения) состоит из трех разрядных счетчиков, симметрично расположенных относи­тельно оси в углублениях на цилиндрической поверхности свин­цового экрана, что обеспечивает одновременную регистра­цию изменения интенсивности рассеянного гамма-излучения по трем образующим (через каждые 120°) ствола скважины. Вследствие вращения прибора при движении его по стволу скважины эти кривые имеют синусоидальный характер.

Для работы в 89—114-мм обсадных колоннах использо­вался прибор ЦММ-3-4 аналогичной конструкции.

В аппаратуре гамма-гамма-контроля за цементированием ЦФ-4, предназначенной для исследований в 215 —240-мм об­садных трубах, имеются четыре "башмака" (через каждые 90°), прижимающихся к стенке колонны. В специальных па­зах "башмаков" установлены четыре гамма-приемника-индикатора. По схеме прибор ЦФ-4 отличается от ЦМТУ-1 только наличием четвертого измерительного канала.

Затем для контроля за цементированием скважин с 146- и 168-мм колонной широко применялся более эффективный гамма-дефектомер с коллимированным экраном, вращаю-

114

щимся вокруг излучателя и индикатора-приемника гамма-излучения с повышенной чувствительностью, позволяющий регистрировать кривые распределения интенсивности рассе­янного излучения по периметру колонны как при перемеще­нии, так и при остановке прибора.

В связи с тем, что на показания гамма-гамма-аппаратуры оказывает сильное искажающее влияние изменение толщины стенок обсадных труб в колонне (изменение толщины стен­ки на 1 мм вызывает изменение его показаний на 10 — 20 %), дефектомер был скомплексирован с радиоактивным толщи­номером труб. Толщиномер работает по тому же принципу, что и гамма-гамма-дефектомер, но отличается тем, что рас­стояние между индикатором и источником с менее жестким излучением — изотопом тулия — около 10 см. Комплексный прибор получил название селективный гамма-дефектомер— толщиномер СГДТ-2.

Во всех модификациях аппаратуры измеряемые значения интенсивности рассеянного гамма-излучения преобразуются в скважинных приборах в соответствующие электрические сигналы, которые через каротажный кабель и наземную панель передаются на регистрирующее устройство, записы­вающее их в виде кривых изменениях интенсивности рассе­янного гамма-излучения с глубиной скважины — цементо-грамм.

При интерпретации зарегистрированных гамма-гамма-цементограмм необходимо привлекать кавернограмму для учета изменения диаметра скважин, а для приближенной оценки влияния плотности пород — диаграмму НГК. Надеж­ность результатов интерпретации повышается при наличии данных о толщине стенок труб обсадной колонны.

На рис. 38 приведена обобщенная схема качественной ин­терпретации цементограмм, зарегистрированных ЦМТУ-1 и гамма-дефектомером СГДТ-2, на которых показано, что по данным их интерпретации можно дифференцировать основ­ные случаи взаиморасположения бурового раствора, колон­ны, тампонажного раствора (камня) и стенок скважины.

На рис. 39 сопоставлены кавернограмма и зарегистриро­ванная ЦМТУ-1 в зацементированной скважине гамма-гамма-цементограмма.

Для интерпретации кривых цементограм используют ус­редненные максимальные /_тах и минимальные 4^ показания в анализируемом интервале, а также их разности и отношения.

Для облегчения интерпретации на участках зарегистриро­ванной трехканальным ЦМТУ цементограммы с заведомо

115

ж

±л.

Рис. 38. Обобщенная схе­ма интерпретации диа­грамм:

А — цементограммы, за­регистрированные трехка-нальным цементомером; Б — диаграмма, зарегист­рированная гамма-дефек-томером; / — прибор не вращается в колонне; II — прибор вращается в ко­лонне; а,в— колонна рас­положена соответственно в центре и эксцентрично незацементированной час­ти скважины; б, в — ка­верна, заполненная соот­ветственно буровым рас­твором и цементом; г, д — колонна расположе­на соответственно экс­центрично и в центре зацементированной части скважины; ж — односто­ронняя заливка цемента; 1 — цемент; 2 — порода; 3 — глинистый раствор

известной характеристикой заколонного пространства про­водят (см. рис. 39) соответствующие показаниям счетчиков скважинного прибора линии: породы (усредненные мини­мальные показания /_п), цемента и раствора (усредненные максимальные показания против каверн, заполненных це­ментным камнем 1_Ц и буровым раствором /_р), цемент-порода и раствор-порода, характеризующие эксцентриситет колон­ны в скважине (усредненные показания против зацементиро­ванных /_цп и незацементированных /_рп участков ствола сква­жины при номинальном ее диаметре), раствор-цемент, ха­рактеризующие одностороннюю заливку или нарушение це­лостности цементного камня (усредненные максимальные пока- зания против каверны, частично заполненной буровым и частично тампонажным раствором /_рц), а затем показания против других участков интерпретируют на основе этих линий.

В результате интерпретации с учетом вышеизложенного на цементограмме (с. рис. 39) четко отмечается распределение за колонной: бурового раствора (максимальная интенсивность рассеянного гамма-излучения) выше глубины 1065 м, равно-

116

Рис. 39. Сопоставление цементограммы I и ка-вернограммы II

/ 11

1500 3500имп/мин 35 55 ем

1050 -

1190 -

мерно заполненная тампонажным раствором каверна (сравнительно низкая и одинаковая интенсивность гамма-излучения) в интервале 1113 — 1130 м, переходная зона буро­вой — тампонажный раствор (камень) (спад интенсивности излучения в интервале 1065 — 1080 м) и эксцентриситет ко­лонны в скважине е, значение которого уменьшается сверху вниз (уменьшение расхождения кривых), в интервале 1030 — 1170 м, а также — односторонность заливки тампонажного раствора или канал в цементном кольце в интервале 1190 — 1200 Ï.

Независимость показаний СГДТ-2 от угла поворота при­бора при перемещении в скважине, большая чувствитель­ность и разрешающая способность, а также возможность

117

довольно точного определения изменения толщины труб в колонне с помощью толщиномера позволили разработать методику количественной интерпретации параметров регист­рируемой гамма-дефектомером круговой цементограммы для определения значений плотности вещества за колонной и эксцентриситета колонны в скважине. Определение этих значений проводится по максимальным и минимальным зна­чениям интенсивности гамма-излучения с помощью палеток, учитывающих влияние на показания гамма-дефектомера толщины стенки колонны, плотности горных пород, диамет­ра скважины и др.

На рис. 40 показаны геофизический разрез и результаты исследования ЦМТУ и СГДТ-2 состояния цементирования двух интервалов скв. 1544 Самотлорского месторождения.

Сопоставление кривых показывает, что круговая цементо-грамма по конфигурации в основном подобна цементограмме ЦМТУ-1, но более дифференцирована.

На толщинограмме (см. рис. 40) довольно четко отмечают­ся изменения толщины стенок обсадных труб колонны, а также местонахождение соединительных муфт и центрато­ров.

Определенные в тресте "Тюменнефтегеофизика" по дан­ным круговой цементограммы значения плотности вещества за колонной и ее эксцентриситета приведены (см. рис. 40) в виде кривых изменения этих значений с глубиной скважины.

По кривой изменения плотности вещества за колонной (см. рис. 40) достаточно четко определяются переходы от це­ментного камня к гельцементу и затем — к буровому рас­твору, а также неполное замещение бурового раствора там-понажным в каверне.

Кривая изменения эксцентриситета (см. рис. 40) показы­вает, что в нижней части скважины, где устанавливались цен­траторы, эксцентриситет колонны меньше, чем в верхней, и значительно меньше, чем в незацементированном интервале. Однако отмечается минимальное значение эксцентриситета (около 0,2) против каверны в интервале 1620— 1635 м, по всей вероятности, только кажущееся, так как сравнительно одно­родное заполнение каверны (что подтверждается данными ЦМТУ-1) и значительные ее размеры не позволяют выявить существенного изменения плотности вещества за колонной по ее периметру. А это не позволяет оценить степень откло­нения оси колонны от оси скважины.

В связи с затруднительностью достаточно полного учета всех факторов, влияющих на определение плотности вещест-

118

1,8 1,610 ^Зкг/м³ 20 25 30 см 9 8 7 мм 300 500 имп/мин 0,4 0,6 0,8

1660 -

1670

Рис. 40. Результаты исследования качества цементирования скв. 1544 Самот-лорского месторождения:

а, б — положения соответственно соединительных муфт и центрирующих фонарей; 1 — КС; 2 — ПС; 3 — кавернограмма; 4 — толщинограмма; 5 — круговая цементограмма; 6, 7 — диаграммы, характеризующие соответст­венно эксцентриситет колонны и плотности веществ за ней; 8 — цементо­грамма ЦМТУ-1

ва за колонной и ее эксцентриситета, необходимо критичес­ки оценивать точность и надежность получаемых результа­тов, привлекая возможно шире дополнительную информа­цию, характеризующую значения определяемых параметров.

Большим преимуществом применения гамма-дефектомера СГДТ-2 является возможность определения изменения интен­сивности рассеянного гамма-излучения по периметру колон­ны при ее измерениях на точках, в наиболее важных в от­ношении оценки качества цементирования интервалах сква­жины.

Как показали расчеты и исследования моделей зацементи­рованных скважин, кривые изменения интенсивности рассе­янного гамма-излучения по периметру колонны (дефекто-граммы) имеют при однородной плотности вещества за ко­лонной несколько изменяющуюся в зависимости от конст­рукции скважин, но достаточно определенную (близкую к синусоидальной) конфигурацию, которая резко искажается при наличии дефектов (каналов, трещин) в цементном коль­це. На этой особенности регистрируемых на заданных точ­ках с помощью гамма-дефектомера СГДТ-2 кривых основана разработанная во ВНИИнефтепромгеофизике методика опре­деления каналов в зацементированном заколонном простран­стве.

В качестве иллюстрации эффективности применения гам­ма-дефектомера СГДТ-2 на рис. 41 приведены круговая це-ментограмма, кавернограмма и зарегистрированные в от­дельных точках дефектограммы с построенными по их дан­ным схемами сечения скв. 1382 Туймазинской площади.

На основе изложенных выше принципов интерпретации по круговой цементограмме (см. рис. 41) можно четко опре­делить на глубине 1060 м границу между буровым и тампо-нажным растворами (камнем), а с помощью палеток оценить плотность вещества за колонной и ее эксцентриситет е, (например, в интервале 1210—1230 м р_ц = 1,9 г/см³ и е = = 0,7, ‡ ‚ интервале 1040-1060 Ï р_ц = 1,3 „/Òϳ Ë е = 0,8).

В интервале 1193 — 1202 м отмечается некоторое уменьше­ние плотности цементного камня за колонной. Результаты интерпретации по разработанной методике зарегистрирован­ных в нескольких точках этого интервала дефектограмм по­казывают, что в нем образовался канал в цементном камне, площадь поперечного сечения которого приблизительно рав­на 10 % сечения заколонного пространства скважины.

Согласно данным ВНИИнефтепромгеофизики с помощью СГДТ можно при благоприятных геолого-технических усло-

120

1202

1201

1037

1036

17500 27500

20000 30000

28000 44000 60000

12000 28000 44000 60000

1198

20000 30000

Глубина, м

виях определять плотность вещества за колонной с точно­стью до 100 — 200 кг/м³ и выявлять каналы в цементном кам­не с площадью поперечного сечения, составляющей более 2 % площади сечения заколонного пространства. Тогда как с помощью ЦМТУ-1 выделяются каналы с сечением, не менее 10 % площади сечения заколонного пространства.

Во ВНИИнефтепромгеофизике разработана и серийно вы­пускалась, взамен прибора СГДТ-2, более совершенная аппа­ратура СГДТ-3 с улучшенной технической характеристикой и меньшими габаритами.

В СГДТ-3 осуществлена замена вращающегося вокруг из­мерительного зонда экрана с коллимационным окном (недо­статочно надежного и являвшегося источником помех) элек­тронным коммутатором с равномерно расположенными по периметру зондами (излучатель-приемник) и взаимно экрани­рованными индикаторами рассеянного гамма-излучения, ин­тенсивность которого регистрируется в виде непрерывной кривой. Для гамма-дефектомера и толщиномера используется один источник гамма-излучения — цезий 137, с активностью 50—100 мг-экв Ra, а измерительные зоны толщиномера и дефектомера совмещены.

С помощью СГДТ-3 регистрируются:

толщинограмма для определения средней по периметру толщины стенки обсадных труб с точностью ±0,5 мм;

интегральная цементограмма для определения средней по периметру плотности вещества в заколонном пространстве с точностью 150 кг/м³;

селективная цементограмма для оценки эксцентриситета обсадной колонны в скважине и плотностной неоднородно­сти вещества в заколонном пространстве;

диаграмма ГК для привязки глубин соединительных муфт обсадной колонны к геологическому разрезу скважины.

Однако вследствие существенного влияния на результаты измерения гамма-дефектомером СГДТ различных недоста­точно полно учитываемых скважинных и аппаратурных фак­торов (изменения плотности пород и бурового раствора, толщины стенок обсадных труб и цементного кольца, мощ­ности источника гамма-излучения, чувствительности прием­ного тракта и т.д.) при отличии значений параметров дефек-тограмм менее чем на 20 % расчетных, нельзя делать опреде­ленные выводы о неоднородности среды за колонной. Тре­буют также критической оценки точность и надежность результатов выявления каналов в цементном камне, и осо-бен-но — определения площади их сечения.

122

Основными ограничениями применения гамма-гамма-кон­троля за цементированием скважин являются:

необходимость наличия значительной разницы как плот­ностей тампонажного и бурового растворов (не менее 300 — 500 кг/см³), так и диаметров скважины и колонны (не менее 4 — 5 ÒÏ);

недостаточно надежная работоспособность сцинтилляци-онного индикатора гамма-излучения при температуре выше 100 — 200 °С, в результате чего основное применение аппара­тура гамма-гамма-контроля за цементированием (особенно СГДТ-2 и СГДТ-3) нашла в районах сравнительно неглубоко­го бурения (в Татарии, Башкирии, Тюменской области и т.д.).

По данным проведенной литературной и патентной про­работки в США для гамма-гамма-контроля за цементирова­нием скважин применяются в основном одноканальные при­боры, регистрирующие интегральную (по периметру колон­ны) интенсивность рассеянного излучения и в связи с этим имеющие меньшую разрешающую способность, чем отечест­венные, а также усовершенствованные в направлении повы­шения разрешающей способности к дефектам цементирова­ния с вращающимися вокруг излучателя и приемника колли-мированными экранами.