§75. Кавернометрия и профилеметрия

При бурении диаметр долота зависит от конструкции сква­жины. Если диаметр пробуренной части ствола скважины со­ответствует диаметру долота или коронки, то его называют номинальным. Однако в разрезе различной литологии фак­тический диаметр скважины (1_С не всегда является номиналь­ным и может быть больше или меньше диаметра долота. По­минальный диаметр <1_и отмечается в плотных непроницаемых

породах. Увеличение диаметра (с1_с/(1 _и>1) — образование каверн характерно для глинистых пород и песков, уменьшение ((¿с/й_и<\)—для пород-коллекторов, в которые проникает фильтрат промывочной жидкости. Сужение диаметра скважины обусловлено возникновением глинистой корки на стенках сква­жины в результате фильтрации промывочной жидкости в пла­сты. Толщина глинистой корки зависит от физико-химических особенностей промывочной жидкости, а также от коллектор­ских свойств пород и может достигать 2—4 см.

Данные о фактическом диаметре скважины необходимы для проведения следующих операций: 1) расчета объема затруб- ного пространства при определении количества цемента, тре­бующегося для цементирования обсадных колонн; 2) выявле­ния наиболее благоприятных участков скважин для установки башмака колонны, фильтров или испытателя пластов; 3) конт­роля состояния ствола скважины в процессе бурения; 4) коли­чественной интерпретации данных комплекса промыслово-гео- физических методов (БЭЗ, нейтронных и др.); 5) уточнения геологического разреза скважины (определение литологии, вы­деление коллекторов и др.).

Фактический диаметр скважины измеряется каверноме­рам и. Кривая фактического измерения диаметра скважины в масштабе глубин называется кавернограммой.

Ствол скважины в сечении не всегда является кругом. Не­соответствие формы сечения ствола необсаженной скважины кругу свидетельствует о наличии желобов, которые образуются из-за ее искривления, воздействия на стенки замковых соеди­нений бурового инструмента.

В колоннах, опускаемых для крепления скважины, могут возникать деформации, обусловливающие изменение кругового сечения труб и их первоначальный диаметр, за счет неравно­мерных механических напряжений по сечению колонны и в ре­зультате проведения прострелочно-взрывных работ.

Измерение диаметров нсобсаженных и обсаженных скважин одновременно в нескольких вертикальных плоскостях произво­дится скважинными профиле мерам и. Обычно измеряют из­менения диаметров скважин в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Но есть приборы для измерения диаметра сква­жины в трех и четырех плоскостях.

Данные профилеметрии необсаженных скважин необходимы для разработки мероприятий по нейтрализации прихватоопас­ных желобов, уточнения объема затрубного пространства при цементировании обсадной колонны и более точной интерпрета­ции кривых контроля цементирования скважин.

Типы каверномеров и профилемеров и принципы их действия

Принципы действия всех существующих типов каверноме­ров и профилемеров одинаковы и состоят в преобразовании механических перемещений мерных рычагов в электрические

Р

I _ I

>///////Л

цжк'?*'

ис. 146. Электрические схемы каверномеров для работы с трехжильным (а, б) и одножильным (в) кабелем.

а — мостовая схема; б. в — потенциометрическая схема. М. ДЗ — переменные сопро­тивления моста; 42, — постоянные сопротивления моста; КП — компенсатор поляри­зации; /?_ — сопротивление датчика; Г — генератор постоянного тока; АВ — токовая цепь; МЫ — измерительная цепь

сигналы, которые передаются по линии связи на поверхность, а затем — на регистрирующий прибор. Различаются каверно­меры и профилемеры электрическими схемами, конструкциями и способами раскрытия мерных рычагов.

Используются каверномеры с мостиковой и потенциометри­ческой схемами измерения для трехжильного и одножильного кабеля (рис. 146).

В профилемерах измерение диаметров скважин в несколь­ких взаимно перпендикулярных плоскостях производится путем раскрытия двух пар независимо перемещающихся измеритель­ных рычагов. Величина раскрытия рычагов преобразуется в пропорциональную ей разность потенциалов с помощью рео­статов для каждой пары рычагов отдельно.

Каверномеры типов СКС и СКО имеют по четыре измерительных рычага с двумя плечами — длинным / и корот^ ким 2 (рис. 147). Длинный рычаг прижимается пружиной 3 к стенке скважины 7. Короткое плечо с помощью кулачка пере­мещает шток 6, который связан механически с помощью тро­сика с ползунком 5, передвигающимся по омическому дат­чику 4. Этот датчик является общим для всех четырех ры­чагов.

Каверномеры СКС и СКО опускают в скважину со сложен­ными измерительными рычагами, которые удерживаются зам­ком, кольцом или стальной проволокой. При подъеме с забоя за счет силы трения о стенку скважины и промывочную жидкость насадка смещается вниз и освобождает рычаги. Если рычаги обмотаны стальной проволокой, то при пропускании

через нее с помощью трансформатора тока достаточной силы она перегорает, и рычаги раскрываются. Для записи по­вторной кавернограммы приборы необ­ходимо поднимать на поверхность и сно­ва закреплять рычаги удерживающими устройствами.

К аверномер КС-3 позволяет изме­рять диаметр скважины на трехжиль­ном кабеле и служит в качестве кавер- нометра-нрофилемера при работе на че- тырехжилыюм кабеле. По конструкции он сходен с каверномерами типов СКС и СКО. Прибор КС-3 снабжен устройст­вом для одноразового раскрытия рыча­гов, которое состоит из электромагнита и шарикового замка.

Ромбовидный каверномер КВ-2 служит для измерения диаметра скважины как при спуске, так и при подъеме. В КВ-2 используется потенцио­метрическая схема. Основной частью ка­верномера является фонарь с тремя па­рами шарнирно соединенных измеритель­ных рычагов, расположенных через 120°.

Ромбовидный каверномер предназначен для исследования скважин малого диаметра (от 60 до 240 мм) с помощью трехжильного кабеля.

Фонарный каверномер типа КФМ для изучения скважин диаметром от 70 до 250 мм имеет аналогичную кон­струкцию.

Каверномеры типа КС У скважинные, управляемые, на трехжильном кабеле, применяются для исследования нефтя­ных, рудных и угольных скважин [8]. Они имеют три измери­тельных рычага, расположенных вокруг корпуса через 120°. Рычаги прижимаются к стенке скважины с помощью пружин. Для измерения величины Д£7, пропорциональной изменению диаметра скважины, используется потенциометрическая схема. Каверномеры типа КСУ снабжены управляемой гидравлической системой для раскрытия и закрытия мерных рычагов.

Каверномеры типа КМ, имеющие гидравлическую си­стему управления раскрытием рычагов однократного действия, используются в скважинах малого диаметра.

Каверн ом ер-профилем ер СКП-1 позволяет реги­стрировать одновременно диаметр скважины в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и величину усредненного диа­метра скважины. Для передачи сигналов по одножильному ка­белю используется частотно-модулнрованная система с несу­щими частотами 7, 8 и 14 кГц.

Каверномер-профилемер Т П К - 1 позволяет полу­чать три кривые профиля ствола скважины и кавернограмму, представляющую собой суммарный сигнал от трех пар изме­рительных рычагов. Сигналы передаются по линии связи на несущих частотах 7,8; 14 и 25,7 кГц.

Профи л ем ер СПР-1 предназначен для точечных из­мерений восьми радиусов и азимута искривления скважины при остановках прибора через интервалы 5—20 м. По резуль­татам измерений строят ориентированные по странам света диаграммы сечения скважины.

С к в а ж и н н ы й трубный п р о ф и л е м е р П Т С -1 слу­жит для измерения профилен и средних внутренних диаметров обсадных колонн. Он позволяет записывать шесть профиле- грамм. Каждый профиль определяется двумя соседними рыча­гами, перемещающимися независимо от других. Для повышения точности измерений профилемер центрируется. Одновременная передача шести измеряемых сигналов по двум жилам кабеля проводится время-импульсной телеизмерительной системой с амплитудной модуляцией.

Профилемер ПТС-2 предназначен для исследования обсадных колонн с трехжильным бронированным кабелем, ко­торый позволяет измерять восемь радиусов колонны.

Иногда с целыо выделения в разрезе коллекторов регистри­руют дополнительно мнкрокавернограмму прибором с мерными рычагами специальной конструкции (они имеют меньшую длину, чем в обычных каверномерах) в масштабе 1:1 и корко- грамму — коркомером, позволяющим измерить толщину гли­нистой корки.

Градуирование каверномеров ипрофилемеров

Перед измерениями фактического диаметра скважины необ­ходимо произвести градуировку каверномера (или профиле- мера), которая состоит в определении постоянной прибора С, начального диаметра скважины с/₀ и нормальной силы тока /о, а также в проверке линейности его показаний.

Для градуировки каверномеров в стационарных условиях обычно используется крестовина с отверстиями, расположен­ными на одинаковом расстоянии от ее центра, в которые встав­ляются мерные рычаги, или набор градуировочных колец.

Собирается обычная схема измерения, минус источника пи­тания подключается к корпусу прибора. При выбранной силе тока питания каверномера / около 2 мА, и задаваемых значе­ниях раскрытия мерных рычагов, соответствующих определен­ным диаметрам скважин, измеряют разности потенциалов Д£/, снимаемые с омического датчика. По величинам ДI) и извест­ным диаметрам крестовины строят градуировочный график Д£/ = /(</_с) (рис. 148). Постоянная С каверномера рассчитыва­ется по двум парам значений (Г_с, ДбА и Д(/₂, выбранным

на линейном участке графика, с помо­щью формулы

C =r_i(d-_c-d'_c)/(MJ₂-AU_l).

Диаметр do, при котором Д£У = 0, ус­танавливают по графику ДU — l(d_c).

Диаметр скважины определяется по формуле

d_c = d₀ + C(MJ!l).

Характеристика каверномера должна быть близка к линейной, отклонение от линейности не должно превышать 10%.

Нелинейность градуировочного графика рассчитывается по фор­муле Де=-у^-100.

Проведение измерений каверномерами и профилемерами

Кавернограммы и профилеграммы обычно регистрируют в масштабах глубин 1:200, 1:500 и 1:50; горизонтальный масштаб выбирается равным 1; 2 и 5 см/см. Точкой записи ка­верномеров СКС. СКО, КС-3, КСУ являются нижние концы из­мерительных рычагов. Скорость подъема прибора при записи кавернограммы зависит от технического состояния ствола сква­жины, а также типа регистратора и обычно составляет 1000— 3000 м/ч.

Требуемый масштаб записи кавернограммы на трехжильном кабеле обеспечивается подбором силы тока, при которой соб­людается условие

/ =» CR₀ln. (124)

где / — отклонение регистрирующего устройства; R₀ — сопро­тивление контрольного шунта; п — требуемый масштаб записи кривой.

Сила тока может быть оценена по формуле / = Ст/п, где т — постоянная по напряжению измерительного канала.

Сила тока при регистрации кавернограммы не должна пре­вышать двойной величины нормальной силы тока /₀.

Масштаб записи кавернограммы при работе с каверноме­ром на одножильном кабеле определяется следующим образом. Регистрирующее устройство устанавливается на нуль, рычаги раскрываются до известного диаметра скважины и отклонение'/ задается в соответствии с требуемым масштабом [см. формулу (124)].

Перед спуском каверномера в скважину на диаграмме фик­сируют отклонение регистрирующего устройства при закрытых рычагах, при помещении рычагов в кольцо известного диаметра

Рис. 149. Кривые наверно- метрик, профнлеметрии и ди­аграммы сечения скважины (по Е. М. Пятецкому).

/

Каверно-

грамиа

сО 404..СК

Круговые

диаграммы

Прсфилсграмма 50 чо с1_г.<м

— известняк плотный; 2 нссча- I ник проницаемый; 3 — алевролит; * 4 — глина

и при полностью раскры­тых рычагах. Если сква­жина частично закреп­лена, то в колонне обя­зательно записывается кавернограмма на участ­ке не менее Юме от­бивкой башмака колонны.

Погрешности измере­ния фактического диа­метра скважины кавер­номером и профилемером связаны главным обра­зом с нелинейностью мас­штабной шкалы, наличи­ем люфтов в передаче перемещения рычагов из­мерительному устрой­ству, влиянием больших углов искривления скважины, непо­стоянством питающей силы тока и нарушением изоляции жил кабеля. Сопротивление изоляции жил кабеля должно быть не менее 2 МО м.

Качество кавернограммы и профилеграммы оценивается по показаниям регистрирующего прибора в колонне и по величи­нам диаметров скважины против плотных непроницаемых пла­стов, в которых диаметр скважины, определенный по этим кри­вым, должен быть равен номинальному диаметру скважины. Примеры кавернограммы, профилеграммы и диаграммы сече­ния скважины приведены на рис. 149.

Бесконтактные способы измерения диаметра скважины, ос­нованные на изучении волновой картины распространения уп­ругих колебаний в скважине, описаны в работе {14]. Акустиче­ский каверномер даст возможность получить форму стенки скважины по вертикали, а акустический профилемер—горизон­тальные сечения скважины.

•§ 76. КОНТРОЛЬ ЦЕЛ\ЕНТИРОВДНИЯ СКВАЖИН

После окончания бурения в скважину, как правило, спус­кают обсадные колонны, а затрубное пространство между стен­кой скважины и внешней поверхностью заливают цементом. Цементирование затрубного пространства необходимо для ра-

зобщсния отдельных пластов с целью устранения перетоков различных флюидов из одного пласта в другой. Высококачест­венное цементирование обсадных колонн позволяет однозначно судить о типе флюида, насыщающего породу (нефть, газ, вода, нефть с водой и т. п.), правильно подсчитывать запасы нефти и газа и эффективно осуществлять контроль разработки нефтя­ных и газовых месторождений.

О высоком качестве цементирования обсадных колонн сви­детельствуют следующие показатели: 1) соответствие подъема цемента в затрубном пространстве проектной высоте его подъ­ема; 2) наличие цемента в затрубном пространстве в затвер­девшем состоянии; 3) равномерное распределение цемента в за­трубном пространстве; 4) хорошее сцепление цемента с колон­ной и породами.

Качество цементирования обсадных колонн контролируется методами термометрии и радиоактивных изотопов, гамма- гамма-методом и акустическим методом.

Термометрия для контроля цементирования

Определение местоположения цемента в затрубном прост­ранстве по данным термических исследований основано на фик­сировании тепла, выделяющегося при твердении цемента в про­цессе экзотермической реакции. Метод позволяет установить верхнюю границу цементного кольца и наличие цемента в за­трубном пространстве.

Зацементированный интервал отмечается на термограмме повышенными значениями температуры на фоне общего посте­пенного возрастания ее с глубиной и расчлененностью кривой по сравнению с кривой против незацементированных участков скважины (рис. 150, а).

Величина температурной аномалии у верхней границы це­ментного кольца определяется: 1) физико-химическими свой­ствами цемента и его количеством в данном интервале; 2) вре­менем, прошедшем с момента схватывания цемента до начала измерений; 3) геологическими и техническими условиями про­ведения тампонажных работ.

Цементы различных марок отличаются неодинаковыми вре­менем твердения, количеством выделяющегося тепла и макси­мальной температурой. Максимальные температуры при экзо­термической реакции наблюдаются в интервале б—16 ч после окончания заливки цемента, а наибольшие температурные ано­малии можно зафиксировать в промежутке времени от 6 до 24 ч. Чем больше цемента участвует в реакции, тем значитель­нее тепловой эффект.

Сильная дифференциация температурной кривой в интер­вале нахождения цемента обусловлена лнтологическими осо­бенностями и кавернозностыо разреза. Как правило, песчаным породам соответствуют пониженные температурные аномалии,

Рис. 150. Определение уровней подъема цемента по данным термометрии и плотностного гамма- гамма-метода

глинистым — повышенные. Песчаные породы, имеющие наи­меньшее тепловое сопротивление, значительно быстрее отдают тепло в окружающую среду, чем глины, тепловое сопротивление которых выше. Кроме того, в глинистых породах чаще всего образуются каверны, в которых скапливается значительное ко­личество цемента.

Метод радиоактивных изотопов

Метод радиоактивных изотопов, применяющийся для конт­роля качества цементирования обсадных колонн, основан на регистрации интенсивности гамма-излучения радиоактивных изотопов, добавленных в цементный раствор при его приготов­лении. Этот метод позволяет выявить наличие цемента, опре­делить высоту его подъема, выяснить характер распределения цемента в затрубном пространстве. Наличие цемента и его уро­вень отмечаются повышенными значениями гамма-активности. Для более уверенной интерпретации необходимо иметь кривую гамма-метода необсаженной скважины.

Обычно применяют короткожнвущне изотопы, например ¹³¹1, ⁵⁹Fe, ⁹⁵Zr. Если требуется определить лишь высоту подъема це­мента, то активируется только его первая порция. При исполь­зовании радиоактивных изотопов необходимо следить за безо­пасностью ведения работ на буровой, а также за тем, чтобы радиационное излучение не мешало проведению дальнейших радиоактивных исследований в скважине.

По кривой гамма-излучения можно не только определить интервал цементирования, но и изучить характер распределе­ния цемента в затрубном пространстве вдоль колонны. Для этой цели после цементирования обсадной колонны с добав­лением в цементный раствор изотонов в скважину опускается цементомер с разрядным счетчиком гамма-излучения, окру­женным цилиндрическим свинцовым экраном с продольной щелыо. Наибольшее гамма-излучение связано с активирован­ным цементом, находящимся против щели. При вращении эк­рана записывается кривая интенсивности гамма-излучения в функции угла поворота экрана.

Если цемент распределен вокруг колонны равномерно, а фактический диаметр скважины постоянен в разных направ­лениях, кривая ГМ будет близка к прямой, параллельной оси абсцисс. При неравномерной толщине цемента вокруг колонны на кривой ГМ будут отмечаться отчетливые минимум /_упхin и максимум /_vтах- Чем более неравномерно распределен цемент за колонной, тем значительнее разница My = Iy_max-~I_ytnln’

В методе радиоактивных изотопов используют скважинные цементомеры на трехжильном и одножильном кабелях. Они со­стоят из трех основных частей: индикатора гамма-излучения, электродвигателя для вращения экрана и системы контактов.

Метод радиоактивных изотопов применяется в том случае, когда заканчивается небольшое количество активированного цемента, например при ремонтных работах. Повторная заливка активированным цементом позволяет обнаружить в цементном камне каналы. Расхождение кривых, снятых после цементиро­вания без изотопов и с добавками изотопов, свидетельствует о перемещении активированного цементного раствора по ка­налам в цементном камне.

Гамма-гамма-метод

Этот метод контроля качества цементирования обсадных ко­лонн основан на регистрации рассеянного гамма-излучения при прохождении гамма-квантов через изучаемые среды” различной плотности. Поскольку цементный камень и промывочная жидкость значительно различаются по плотности, а интенсив­ность вторичного гамма-излучения находится в обратной за­висимости от плотности, то на регистрируемой кривой ГГМ достаточно четко выделяются участки с цементом и без него.

Гамма-гамма-метод позволяет: 1) установить высоту подъ­ема цемента; 2) определить наличие цемента и харак­тер его распределения в интервале цементирования; 3) фик­сировать наличие переходной зоны от цементного камня к раствору (гель-цемент); 4) выявить в цементном камне небольшие раковины и каналы; 5) определить эксцентриси­тет колонны.

Для контроля качества цементирования обсадных колонн может применяться одноканальная аппаратура с регистрацией одной кривой ГГМ, трехканальная аппаратура с регистрацией трех кривых ГГМ (три индикатора расположены иод углом 120°), четырехканальная с регистрацией четырех кривых ГГМ (четыре индикатора расположены под углом 90°) и однока­нальная с зондом, коллимированным по радиальному углу в пределах 30—50° и вращающимся в процессе измерении с за­данной угловой скоростью при подъеме прибора.

Совокупность кривых трех- и четырехканального приборов называется цементограммой. В случае регистрации рас­сеянного гамма-излучения вращающимся зондом кривая ГГМ называется круговой цементограммой. Круговая це- ментограмма, записанная в масштабе длины окружности сква­жины при равномерной протяжке ленты регистратора при ос­тановке прибора на заданной глубине называется дефекто- г р а м м о й.

Для записи цементограмм гамма-гамм а-методом использу­ется аппаратура ЦМТУ-1, СГДТ-2. Аппаратура ЦМТУ-1 пред­назначена для исследования распределения цементного камня в затрубном пространстве нефтяных и газовых скважин диа­метром 190 мм и более, закрепленных колонной диаметром 146 и 168 мм. Регистрируются три кривые ГГМ зондом длиной 40 см. В качестве источников гамма-лучей применяется це­зий-137 активностью (1,85—3,7) 10⁹ расп./с, а в качестве инди­каторов излучения — газоразрядные счетчики СИ-4Г (по од­ному на канал). Стабильная работа прибора обеспечивается при температуре до 120 °С и давлении до 50 МПа.

Дефектомер-толщиномер СГДТ-2 предназначен для одно­временного определения состояния цементного камня в затруб­ном пространстве и толщины стенок обсадных колонн. Сква­жинный прибор имеет два зонда для регистрации рассеянного гамма-излучения различных энергий. Зонд дефектомера распо­ложен в нижней части прибора и служит для установления ка­чества цементирования путем измерения интенсивности гамма- излучения от источника (цезий-137). Этот зонд состоит из источника 6' (рис. 151) и индикатора 5, помещенных во вращаю­щийся свинцовый экран с коллимационными окнами а и а\. Так как гамма-излучение регистрируется по периметру скважины путем вращения экрана с коллимационными окнами, то можно определить не только полное отсутствие цементного камня или промывочной жидкости за колонной, но и выявить односторон­нюю заливку, каналы и пустоты в цементном камне.

Для количественной интерпретации данных дефектометрни следует учитывать влияния изменения плотности горных пород и толщины стенки обсадных труб. Зонд толщиномера располо­жен в верхней части прибора и служит для измерения толщины стенки труб обсадной колонны. Он состоит из источника мяг­кого гамма-излучения 2 (тулий-170), индикатора 3 и свинцо­вого экрана / с двумя коллимационными окнами б и б\, нап­равленными навстречу друг другу под углом 45° относительно оси прибора. Благодаря использованию относительно мягкого гамма-излучения источника, хорошей его коллимации и малой длине зонда (около 8 см) показания толщиномера зависят главным образом от толщины стенки труб стальной колонны.

В качестве индикаторов рассеянного гамма-излучения 3 и 5 используются ецннтилляционные счетчики, состоящие из кри­сталлов Nal (TI) и ФЭУ.

При исследовании скважин регистрируются одновременно две диаграммы рассеянного гамма-излучения—дефектомера и толщиномера. Кривая дефектомера записывается при равно­мерном вращении экрана вокруг оси скважинного прибора при непрерывном его перемещении по стволу скважины (круговая цементограмма) либо при остановке прибора в заранее выбран­ных интервалах глубин (дефектограмма).

Д ля одновременной передачи на поверхность сигналов от зондов и питания скважинного прибора по­стоянным током используют двухканаль­ную импульсную телеизмерительную систе­му с разделением каналов по полярности импульсов. Частота вращения экрана изме­няется мотором через редуктор. Скважин­ный прибор питается постоянным током от источника Г. Работа мотора 4 регулнру- ^77777777^ ется с пульта ПУ.

Прибор СГДТ-2 стабилен в работе при температуре до 120°С и давлении 50 МПа.

Разработана аппаратура СГДТ-3, в ко­торой отсутствует система вращения изме­рительного зонда — электродвигатель и ре­дуктор. Регистрация плотности потока рас­сеянного гамма-излучения по периметру скважины обеспечивается равномерным рас­положением детекторов гамма-квантов по периметру измерительного зонда прибора параллельно его оси. Детекторы взаимно экранированы. С помощью коммутацнон-

СГТ.Т 2^* Блок-схема дефектомера-толшнномера ЭБ — электронный блок

ной системы детекторы периодически подключаются в измери­тельную цепь. Используется шесть детекторов с одним источ­ником гамма-квантов — цезием-137. Прибор может работать с трехжильным и одножильным кабелями.

Перед работой цементомеры и дефектомеры эталонируются с помощью специальных эталонировочных устройств [10]. Масш­таб записи выбирается на основании данных эталонировкн. Скорость записи цементограммы устанавливается около 600— 700 м/ч, для детализации ее снижают до 300—400 м/ч. Скорость записи дефектограмм при масштабе глубин 1 :500 составляет 700—800 м/ч, при 1 :200 уменьшается до 300—400 м/ч.

Интерпретация цементограмм состоит в следующем. Сте­пень дифференциации кривых ГГМ определяется параметром /_у? max/^w min* т. е. отношением максимальных и минимальных показаний рассеянного гамма-излучения в изучаемом интервале глубин. Чем больше отличается это отношение от единицы в данном сечении скважины, тем меньше центрирована колонна и менее равномерно распределен цемент в затрубном простран­стве. При использовании трехканального цементомера все три кривые ГГМ записываются одновременно на одной фотоленте.

Возможны следующие варианты оценки качества цемен­тирования скважин.

1. Кривые ГГМ совпадают, т. е. показания /_vv одинаковые (см. рис. 150,6,/). В этом случае колонна цементирована и за- трубное пространство целиком заполнено цементом или промы­вочной жидкостью. Уровень показаний в жидкости выше, чем в цементе, за счет различия их плотности.

2. Две кривые ГГМ совпадают и характеризуются более вы­сокими показаниями, чем третья (см. рис. 150,6,//). Колонна расположена эксцентрично. Счетчик, фиксирующий низкие зна­чения /_vv, находится вблизи места прилегания колонны к стенке скважины.

3. Две кривые ГГМ совпадают и характеризуются более низкими значениями /_vv. чем третья (см. рис. 150,6,///). Ко­лонна эксцентрична, два счетчика расположены вблизи стенки скважины, и их показания обусловлены в основном влиянием горных пород, интенсивность третьего счетчика связана глав­ным образом с влиянием цемента. В случае цементированной колонны превышение /_vy третьей кривой в каверне по отноше­нию интенсивностей двух других кривых указывает на несплош­ную заливку цемента. Такая же картина наблюдается и при односторонней заливке кольцевого пространства цементом.

4. Все три кривые ГГМ не совпадают (см. рис. 150, б, IV). В этом случае колонна эксцентрична или заливка цемента од­носторонняя.

В зацементированном участке скважины наибольшие зна­чения /_YV характерны для каверн, так как плотность цемент­ного камня 1,8—1,9 г/см³ существенно меньше плотности гор­ных пород 2,1—2.8 г/см³.

Если в процессе записи кривых ГГМ происходит вращение прибора из-за скручивания и закручивания кабеля, то кривые имеют синусоидальный вид.

Круговая цементограмма получается в результате непре­рывного перемещения прибора по вертикали и его вращения в определенном азимутальном угле. Интерпретация круговых цементограмм мало отличается от интерпретации обычных це- ментограмм. С помощью данных круговых цементограмм можно определять плотность вещества в затрубном пространстве и эксцентриситет колонны в скважине. Абсолютные показания /_т: больше зависят от плотности вещества в кольцевом прост­ранстве, а отношение щах//уу шп — в основном от эксцентри­ситета колонны.

С помощью дефектограммы изучают распределение рассеян­ного гамма-излучения по сечению колонны путем точечных из­мерений в заданных интервалах разреза. Если вещество в за­трубном пространстве имеет однородную плотность, то кривые дефектограмм имеют синусоидальный вид; наличие каналов в цементном камне и одностороннее цементирование обсадных колонн приводят к резкому искажению синусоидальных кривых.

Качество цементирования оценивается по протяженности по­ложительной и отрицательной полуволн (рис. 152). Линия ОО_х проводится так, чтобы а\=а₂. Если ¿>1 = 62, то цементирование качественное, если Ь\фЬ^— некачественное. Искажение пра­вильной синусоидальной формы кривых связано с наличием в цементном камне каналов и с неравномерной заливкой це­ментного раствора.

На интенсивность рассеянного гамма-излучения оказывают влияние толщина стенки обсадных колонн, диаметр скважины, изменение плотности горных пород и другие факторы, которые необходимо учитывать при интерпретации цементограмм и де­фектограмм.

На рис. 152 граница подъема цемента фиксируется на глу­бине 1060 м. В интервале 1210—1230 м плотность вещества за колонной 6=1,9 г/см³, эксцентриситет Э=0,7; в интервале 1070—1100 м 6=1,8 г/см³, Э = 0,7; в интервале 1040—1060 м 6=1,3 г/см³, 3 = 0,8. В интервале 1198—1220 м проведены точеч­ные исследования цементирования колонны. Из полученных де­фектограмм следует, что в цементном камне имеется канал, за­полненный жидкостью. Наличие канала устанавливается по значительному превышению длины Ь₂ отрицательной полуволны над длиной Ь\ положительной полуволны.

На рис. 153 показаны результаты комплексных измерений дефектомером и толщиномером. Привлечение данных о тол­щине стенок обсадных колонн значительно облегчает интерпре­тацию цементограмм. При отсутствии толщннограммы можно было сделать неверный вывод о плохом цементировании интер­вала 485—635 м.

Рис. 152. Пример определения качества цементирования обсадной колонны по данным круговой цементограммы (частота вращения прибора 60 об/мин) и дсфектограммы (частота вращения прибора I об/мин).

I — цемент; 2 — промывочная жидкость

Контроль цементирования затрубного пространства акусти­ческим методом основан на измерении амплитуды преломлен­ной продольной волны, распространяющейся по обсадной ко­лонне, и регистрации времени распространения упругих коле­баний.

Метод позволяет: 1) установить высоту подъема цемента; 2) выявить наличие или отсутствие цемента за колонной; 3) об­наружить каналы, трещины и каверны (в том числе малых раз­меров) в цементном камне; 4) изучить степень сцепления це­мента с колонной и породами; 5) исследовать процесс форми­рования цементного камня во времени.

При создании упругих колебаний в обсаженной скважине образуется ряд волн: продольная, поперечная, отраженные и др. Наибольшее значение для решения данной задачи имеет пре­ломленная продольная волна, распространяющаяся по трубе и называемая трубной в о л и о й.

Скорость распространения трубной волны

у_т = £/6_т,

( где Е — модуль Юнга, б_т — плотность материала трубы) всего на 10 % меньше скорости ее распространения в неограниченной среде, заполненной сталыо.

Амплитуда трубной волны опреде­ляется коэффициентом а_уз эффектив­ного поглощения (коэффициентом за­тухания) продольных волн:

Л = Л₀ехр(— а_узД/),

где А, Ло — амплитуды трубной волны соответственно в произвольной и ис­ходной точках; Д/ — расстояние между излучателем и приемником упругих колебаний.

На основании теоретических и экс­периментальных исследований уста­новлено следующее.

1. Амплитуда трубной волны при отсутствии сцепления цемента с обсад­ной колонной будет максимальной, амплитуда продольной волны по поро­де — минимальной.

Рис. 153. Пример круговой цементограммы и толщинограммы

2. Надежный контакт цемента с обсадной колонной характе­ризуется отсутствием трубной волны, при этом величина ам­плитуды на диаграмме минимальна. Если скорость распростра­нения упругих волн по породе больше, чем по трубе, на кривой может возникнуть дополнительная аномалия. Для исключения неоднозначности в интерпретации одновременно регистрируется кривая времени распространения волн.

3. В случае неполного сцепления цемента с колонной на ос- цнлограмме может быть зафиксирована в первом вступлении трубная волна промежуточной амплитуды. Интерпретировать такую волновую картину наиболее сложно.

На амплитуду трубной волны оказывают влияние несколько факторов: база измерения, толщина и диаметр обсадных труб, толщина и состав цементной смеси, время формирования цементного камня, наличие дефектов в цементном камне, внеш­нее покрытие обсадных труб, давление и температура в сква­жине и др.

С увеличением базы измерения уменьшается величина ам­плитуды продольной волны и становятся более резкой разница в показаниях против свободного зацементированного участка труб. Оптимальная база акустического зонда 2,5 м. С увеличе­нием диаметра обсадных колонн и их толщины амплитуда труб­ной волны уменьшается. Однако в связи с тем, что коэффициент затухания при наличии жесткого контакта цемента с колонной в 15—16 раз превышает его значение в свободной трубе, влия­нием диаметра обсадной колонны и ее толщины на величину амплитуды трубной волны можно пренебречь.

С увеличением толщины цементного камня, жестко свя­занного с колонной, амплитуда трубной волны уменьшается. Цементное кольцо толщиной всего в несколько миллиметров обусловливает значительное поглощение трубных волн. Аку­стический метод позволяет контролировать наличие цемента и характер его сцепления с обсадной колонной в случае малой толщины цементного кольца.

Скорости распространения упругих колебаний в цементах разных сортов, различающихся временем схватывания и плот­ностью, неодинаковы. Цементы с малой плотностью и большим временем схватывания имеют высокие коэффициенты затухания.

Процесс формирования цементного камня со временем вы­зывает изменение амплитуд трубных волн. По амплитудам весьма четко различаются два состояния: незагустевший це­ментный раствор и цементный камень. В первом случае наблю­даются максимальные амплитуды, величины которых равны ам­плитудам в незацементированной колонне, во втором — мини­мальные амплитуды трубных волн на уровне шумов.

Различные факторы, оказывающие влияние на формирова­ние цементного камня, могут увеличить его проницаемость, ухудшить прочность сцепления с горными породами и металлом обсадных труб, вызвать образование в нем каналов, трещин и разрывов. С уменьшением сплошности цементного камня, уве­личением размеров каналов, трещин и разрывов амплитуда трубной волны возрастает. Когда интервал отсутствия цемента равен или больше базы зонда, амплитуда трубной волны дости­гает значения амплитуды в свободной колонне.

Степень схватывания цемента с колонной и породой зави­сит от качества цемента, типа внешнего покрытия колонны, времени формирования цементного камня, наличия флюида в затрубном пространстве, давления и температуры в скважине. При отсутствии непосредственного контакта цементного камня с обсадными трубами амплитуды трубных волн на любых ба­зах зонда достаточно большие и близки к амплитудам про­дольных волн в свободной колонне.

Как уже отмечалось, наиболее полную информацию о нали­чии и состоянии цементного камня в затрубном пространстве несет амплитуда колебаний продольной трубной волны. Ам­плитуда первого вступления значительно меньше последующих колебаний, поэтому берется среднее значение амплитуд за три периода волны. При частоте излучателя 25 кГц это соответст­вует 120 мке; время отсчитывается с момента прихода продоль­ной волны, распространяющейся по колонне. Время прихода продольной волны к приемнику но колонне устанавливается по наблюдениям волновой картины в незацементированной ее ча­сти или рассчитывается по формуле [14].

Средняя величина сигнала за время первых трех периодов распространения продольной волны называется амплитудой к о л е б а и и й в интервале времени прихода продольной волны А_к. Эта амплитуда соответствует амплитуде продольной волны по колонне, если в данном интервале времени нет других коле­баний, например по породе.

Для определения характера сцепления цементного камня со стенками регистрируется время пробега для первой из волн со значительными амплитудами колебаний, а также амплитуды этих колебаний. Время, относимое к базе зонда, обозначается через Г„, а амплитуда колебаний — через А_п. Обычно определя­ется среднее значение сигнала за три периода, т. е. за 120 мкс.

Амплитуда колебаний продольной волны, идущей по ко­лонне, время пробега продольной волны и амплитуда колеба­ния продольной волны, регистрируемой в качестве первого вступления, измеряются акустическими цементомерами типа

лкЦ.

Цементомер ЛКЦ-4 состоит из наземной аппаратуры и сква­жинного прибора. Скважинный прибор представляет собой двухэлементный акустический зонд с кольцевым магнитострик- ционным излучателем И и кольцевым пьезоэлектрическим при­емником П (рис. 154). База зонда составляет 2,5 м. Излучатель и приемник изолированы друг от друга и от корпуса акусти­ческими изоляторами (резиной). В средней части прибора

в герметизированном корпусе размещаются блоки генера­тора и усилителя. Для воз­буждения магнитострнкцион- ного излучателя И использу­ется генератор токовых им­пульсов Г, который через фильтры Ф1 и Ф2 запускается генератором блока запуска ГЗ панели управления. Частота запуска излучателя 25 Гц.

К

Работа

Рпс. 154. Блок-схема цементомера типа АКЦ-4.

I — обсадная колонна; 2 — цемент; 3 — порода

и
/ — / —	И-гН
	-VI 1
		ТП
¿л	Ц
/ 14=	*——г1

олебания излучателя час­тотой 25 кГц, распространяясь по промывочной жидкости, ко­лонне и затрубному простран­ству, достигают приемника и преобразуются в нем в элект­рические сигналы. После уси­ления усилителем У электри­ческие сигналы через фильтр Ф1 по кабелю передаются на поверхность в пульт управле­ния в соответствующие кана­лы измерения амплитуд Л_к и и канал измерения интер­вального времени распростра­нения продольной волны по по­роде Т_п. После соотвстствую- ющих преобразований в кана­лах сигналы поступают на ре­гистрирующие приборы РП1, РП2 и РПЗ.

Для контроля работы и ка­либровки цементомера в на­земной аппаратуре и скважин­ном приборе предусмотрены специальные имитаторы сигналов ИМ1 и ИМ2. Визуальный контроль работы всех цепей осуществляется с помощью стан­дартного электронно-лучевого осциллографа.

Прибор в скважине центрируется с помощью сменных обойм с резиновыми стержнями. Питание аппаратуры обеспечивает унифицированный выпрямитель типа УВК-1 и сеть переменного тока. Аппаратура рассчитана на работу со станциями, оборудо­ванными фоторегистраторами и использующими одножильный бронированный кабель типа КГ 1-53-180 длиной до 6500 м. Длина цементомера 2,8 м. Прибор обеспечивает стабильную работу при температуре до 170 °С и давлении до 100 МПа.

При интерпретации данных акустического цементомера за основу берутся показания кривой А_к, а кривые /1„ и Т_п явля-

Рис. 155. Пример определения качества цемен­тирования обсадной колонны по данным аку­стического метода

ю тся вспомогательными. Максимальные значения А_к и А„ и среднее значение Г„ характеризуют незацементированную ко­лон ну, а иногда и отсутствие связи це­ментного камня с колонной. Минималь­ные значения А_к свидетельствуют о хо­рошем сцеплении цементного камня с ко­лонной (рис. 155). Кривая Т„ достигает максимального значения на участках ко­лонны с хорошим сцеплением цемент­ного камня с колонной и плохим сцепле­нием его с породой. В этом случае Т_п близко ко времени пробега упругой вол­ны по промывочной жидкости. Мини­мальное значение регистрируемого вре­мени Г„, меньшее времени прохождения продольной волны по колонне Т_к, на­блюдается в интервалах, характеризую­щихся высокой скоростью распростра­нения колебаний в породе при жесткой связи цементного камня с колонной и стенками скважины.

В разрезах скважин, где скорость рас­пространения продольных волн по по­роде превышает скорость их распространения по колонне (Уц>Ук) или в случае низких V,, и больших затуханий волн, оп­ределение качества цементирования обсадных колонн по пара­метрам А_ю А_и и Т„ затрудняется. При у„>у_к (высокоскорост­ной разрез) вместо волн по породе регистрируют гидроволну.

Надежность определения качества цементирования обсад­ных колонн повышается, если одновременно с записью кривых акустическим цементомером фотографировать волновые кар­тины, получаемые этим цементомером.

Качество цементирования по волновым картинам оценива­ется по следующим признакам.

1. Незацементированная колонна на волновой картине от­мечается мощным долго не затухающим сигналом трубных волн, приходящим за время Т_];, которое равно времени пробега волны на базе зонда со скоростью стержневых волн в стали. Время Г_к для базы 2,5 м в зависимости от диаметра колонны и физико-химических свойств жидкости в скважине может изме­няться от 500 до 650 мке (рис. 156; в. к. 1).

2. Хорошее качество цементирования обсадных колони (на­дежное сцепление цементного камня с породой и колонной)

Рис. 156. Определение качества цементирования обсадной колонны по вол­новым картинам. . _ПЛЛ / _ известиях: 2 — известняк глинистый; 3 — мергель: 4 — глина; 5 цемент.

полностью зацементированная колонна

в низкоскоростном разрезе отмечается на волновой картине весьма малой амплитудой А_н и значительной амплитудой Л_п. Типы волн в этом случае отчетливо разделяются но времени их вступления (рис. 156, в. к. 5). Если Л,< меньше критической ве­личины, выше которой контакт цементного камня с колонной считается неполным, а Л_п и Т„ коррелируются со значениями, полученными при исследовании необсаженной скважины аку­стическим методом, или со значениями кажущегося электриче­ского сопротивления пород, то затрубное пространство является герметичным.

3. В высокоскоростных разрезах, где различить однозначно волны, распространяющиеся по породе и по колонне, только по времени их вступления трудно, оценить качество цементирова­ния обсадных колонн помогает частотная характеристика волн. Установлено, что частота продольных волн в породах возра­стает с увеличением скорости их распространения, однако во всех случаях остается ниже частоты волны, распространяю­щейся по колонне (при частоте излучателя 25 кГц). Хорошее качество цементирования обсадных колонн в высокоскоростном разрезе отмечается на волновой картине неискаженным им­пульсом продольной волны по породе с частотой ниже 20 кГц (рис. 156; в. к. 6 и 7).

4. В случаях, когда Л_к превышает критическое значение и не удается выделить волны по породе при наличии волны с часто­той 25—30 кГц, вступающей на временах более 1300 мкс, а также при отсутствии корреляции значений амплитуд Л„ со значениями их в необсаженной скважине, затрубное простран­ство негерметично или его герметичность неопределенна (слу­чай частичного цементирования) (рис. 156; в. к. 2 и в. к. 3).

5. В высокоскоростном разрезе при частичном цементирова­нии обсадной колонны сигнал с момента времени Т_к представ­лен волнами различной частоты. Этот признак позволяет отли­чите» по волновой картине частичное цементирование от пол­ного, даже в случае надежной корреляции кривых амплитуды и времени, записанных до и после крепления скважины колонной (рис. 156; в. к. 3).

Совместная интерпретация данных контроля цементирова­ния акустическим методом, данных акустического метода, полу­ченных в необсаженной скважине, и волновых картин позво­ляет наиболее правильно оценить качество цементирования об­садных колонн.

Для регистрации волновых картин разработан кинорегистра­тор, который может быть использован с любой аппаратурой акустических методов. Он предназначен для автоматического фотографирования с заданным шагом но глубине волновых кар­тин и их одновременного наблюдения и состоит из кинокамеры и осциллоскопа. Осциллоскоп имеет две электронно-лучевые трубки: одна для фотографирования, другая — для наблюдения волновых картин.

Под притокометрисй понимают определение мест притоков, поглощений и затрубной циркуляции жидкостей в необсажен- ных и обсаженных скважинах. Места притоков жидкости в сква­жину могут быть установлены методами сопротивления, терми­ческим и фотоэлектрическим.

Метод сопротивления основан на изучении удельного элек­трического сопротивления поступающих в скважину пластовых вод и промывочной жидкости. Удельное сопротивление про­мывочной жидкости отличается от удельного сопротивления пластовых вод. Для определения сопротивления жидкости в скважине используется резистивнметр. Место притока или поглощения жидкости отмечается резким изменением кривой сопротивления резнстнвнметра (рис. 157).

Термический метод определения места притока жидкости в скважину базируется на изменении температуры промывочной жидкости в пределах предполагаемого участка притока. Сква­жина заполняется жидкостью, температура которой отличается от температуры пластовой воды. Температура жидкости изме­ряется обычными электрическими термометрами. Место при­тока воды отмечается изменением температуры жидкости —по­вышением или понижением.

Фотоэлектрический метод установления притока жидкости в скважину основан на сравнении прозрачности жидкостей, по­ступающих в скважину, и глинистого раствора. Прозрачность жидкости в скважине определяется с помощью прибора, изме­ряющего разность потенциалов в цепи фотоэлемента, освещае­мого электрической лампочкой через слой исследуемой жид­кости.

Местоположение притока жидкости в скважину устанавли­вается путем понижения давления столба жидкости в скважине (способ оттартываиия) и повышения (способ продавливання). В обоих случаях при изменении давления в скважине измеря­ется серия кривых сопротивления жидкости р_р, ее температуры / или разности потенциалов &U в цепи фотоэлемента на участке притока. Перед каждым измерением этих величин при способе оттартываиия уровень жидкости в скважине снижается, а при способе продавливання — повышается.

Зоны затрубной циркуляции вод выявляются методами тер­мометрии и радиоактивных изотопов. Первый метод основан на изучении теплообмена между скважинной жидкостью и водами, циркулирующими в затрубиом пространстве. На участке за­трубной циркуляции вод устанавливается сравнительно посто­янная температура, поэтому против интервала их движения отмечается аномалия практически одинаковой температуры (рис. 158).

Для определения местоположения зоны затрубной циркуля­ции вод радиоактивным методом в скважину закачивается вода,

<3	кривые сопротивления жидкости
	0 16 3,20м«
200_
220.
2<Ю_
260_
2S0_	М
300_
320_	Приток \	1

Рис. 157. Определение места притока пла­стовых вод в скважину резистивиметром. 1—4 — кривые сопротивления жидкости, заме­ренные в разнос время

Р ис. 158. Определение зоны затрубной циркуляции методом термометрии.

I, II — кривые, замеренные в разное время. / — водоносный песчаник; 2 — глина; 3 — цемент; 4 — колонна; 5 — интервал перфорации; С — на­правление движения пластовой воды

активированная радиоактивными изотопами. После этого сква­жина тщательно промывается, затем регистрируется кривая ГМ. Участок затрубной циркуляции вод, поглощающие и от­дающие пласты отмечаются повышенными значениями интен­сивности гамма-излучения по сравнению с интенсивностью, за­регистрированной до закачки активированного раствора.

Метод радиоактивных изотопов можно применять также для контроля гидроразрыва пласта. Участки пласта, подвергшиеся воздействию гидравлического разрыва, и образовавшиеся зоны трещиноватости определяются с помощью песка, активирован­ного радиоактивными изотопами. В этом случае участки пла­ста, в которых образовались трещины, можно выделить по по­вышенным показаниям кривой ГМ, зарегистрированной после разрыва пласта и закачки активированного песка.