книги / Геофизические исследования скважин
..pdfРис. 84 Проведение ГИС в горизонтальной скважине с боковым вводом кабе ля внутрь колонны бурильных труб
а — компоновка скважинной аппаратуры, б — схема переводника с боковым вводом кабеля, I — геофизический кабель, 2 — переводник бокового ввода, 3 — бурильные трубы, 4,5 — подвижная и «неподвижная» соединительные головки, 6 — модули сква жинного геофизического прибора, 7— амортизатор, 8 — герметизирующий клапан
—гидравлических импульсов по промывочной жидкости,
—акустических импульсов по металлу трубы или по промывоч ной жидкости;
—электромагнитных колебаний.
На рис. 85 приведены существующие типы беспроводных кана лов связи при проведении ГИС в процессе бурения.
Рис. 85 Беспроводные каналы связи (по Э Е Лукьянову)
11 — Добрынин В М |
161 |
|
|
|
|
Электромагнитный и акусти |
|
|
|
|
ческий каналы значительно пре |
|
|
|
|
восходят гидравлический (с пуль |
|
|
|
|
сацией давления) по скорости пе |
|
|
|
|
редачи данных, не требуют цир |
|
|
|
|
куляции промывочной жидкости, |
|
|
|
|
обладают возможностью ретран |
|
|
|
|
сляции данных (скорость переда |
|
|
|
|
чи у большинства систем с гидрав |
|
|
|
|
лическим каналом связи около |
|
|
|
|
3 бит/с, для кабельных систем — |
0 |
5 |
10 |
f. Ги |
50— 100 Кбит/с). На рис. 86 пока |
заны зависимости произведения |
||||
Рис. 86. Иллюстрация эффективно |
пропускной способности канала |
|||
сти связи для беспроводного и гид |
на его дальность (С • L) от часто |
|||
равлического каналов [13] |
|
ты передаваемого сигнала (/). |
||
Шифр кривых — значения Ом • м |
|
Из рис. 86 видно, что применение |
||
|
|
|
|
гидравлического канала связи не |
|
|
|
|
целесообразно в интервале частот |
>4 Гц. На сегодняшний день наибольшее распространение имеют сис темы с пульсацией давления [13].
Виды геофизических исследований горизонтальных скважин
в процессе бурения
Основной целью ГИС на этапе строительства ГС является кор ректировка ствола при бурении для обеспечения попадания ствола в выбранный объект и оптимизации положения ствола относительно границ объекта и флюидальных контактов.
Геофизические исследования ГС в процессе бурения подразде ляются на [13]:
—инклинометрические (измерение траектории ствола ГС);
—геолого-технологические исследования (ГТИ);
—геофизические (выполнение комплекса ГИС).
Геофизики в первые годы освоения горизонтального бурения пе ределывали традиционные инклинометры, и сначала закачивали их потоком промывочной жидкости на забой, после проходки 20— 30 метров ствола, потом научились спускать их на кабеле, перево дя его в затрубье, а с появлением бескабельных систем с гидравли ческими, электромагнитными и другими каналами связи стали включать их в состав бурильной колонны (в диамагнитной трубе) и получать данные в реальном масштабе времени о текущих коорди натах ствола ГС. По терминологии, существующей за рубежом, их назвали MWD (M easurement while drilling — измерения в процессе бурения) и LWD (Logging while drilling) системами1, в отечествен
1 MWD-система — это инклинометр либо в чистом виде, либо с одним (ГМ) или двумя геофизическими (ГМ и БК) и технологическими датчиками, способными «при вязать» ствол к геологической ситуации, а LWD-система — комплекс (инклиномет-
162
ной терминологии — ЗТС (забойные телеметрические системы). Кроме инклинометрических параметров в процессе бурения нуж но получать данные о технологических параметрах (нагрузка на долото, число его оборотов, давление, температура на забое и др.), системы MWD стали оснащать этими датчиками. Для проводки ствола в заданную цель необходимы сведения о геологической си туации— о реперах-маркерах, способных «привязать» траекторию к конкретной геологической ситуации и провести ствол в наиболее рациональном «коридоре». В составе MWD-систем появились гео физические зонды, сначала гамма-метода, а затем и зонды для из мерения электрического сопротивления горных пород (токовый ка ротаж, боковой каротаж) [13].
В настоящее время ЗТС включают комплекс ГИС для открытого ствола и ряд технологических параметров, что позволяет проводить ГС одним долблением без перерывов в бурении. Забойные телесистемы классифицируются по целевому назначению (инклинометрические — И, геофизические — Г, технологические — Т, комбинирован ные — И+Т, И+Г, И+Т+Г) и составу первичных преобразователей ин формации (И, Т, Г); каналу связи (электрический, гидравлический, по бурильным трубам, через горные породы) и непрерывности передачи информации (непрерывная, при остановках бурения, при остановках циркуляции, комбинированная соответственно); дальности и скорос ти передачи информации (>4,5км — >10бит/с, до 4,5км — до 10бит/с, до 3,0км — до 4бит/с, до 1,2км — 0,5— 2бит/с). Приведем несколько примеров ЗТС [12].
Телеметрическая система СТЭ (разработчик — Харьковский СКТБ П З НПО «Потенциал» и институтом электромеханики при уча стии ВНИИБТ) предназначена для контроля пространственного по ложения скважины и ориентации отклонителя при бурении наклон нонаправленных и вертикальных скважин (рис. 87).
Комплекс измерений включает измерения зенитного и азимуталь ного углов, положение отклонителя, нагрузку на долото, число обо ротов долота, крутящий момент на валу электродвигателя. ЗТС типа СТЭ устанавливается над забойным электродвигателем, рассчитана на рабочее гидростатическое давление 75 МПа и температуру до 100°С. Контроль траектории осуществляется путем непрерывного измерения азимута и зенитного угла при известной бурильной ко лонны труб. Соответствующие датчики основаны на использовании естественных векторов магнитного поля Земли и вектора гравита ции [13]. Системы СТЭ широко использовались при наклонно-направ ленном бурении скважин электробуром в нефтедобывающих регио нах Башкирии, Туркмении и Азербайджана, большинство из них имело ресурс до 600— 800 ч и межремонтный период до 100 часов.
рия + зонды радио-, электрометрии AM и д р ), способный заменить или сократить до минимума промыслово-геофизические исследования после бурения ГС У всех систем LWD, наряду с достаточно сложной управляющей электроникой, имеются блоки элек тронной памяти и блоки питания (как правило, литиевые батареи)
163
|
|
Забойная инклинометричес- |
|
|
|
кая система ЗИС-4 (ВНИИГИС) |
|
|
|
предназначена для оперативного |
|
|
|
управления проводкой наклонно |
|
|
|
направленных и горизонтальных |
|
|
|
скважин при турбинном бурении, |
|
|
|
а также проведение пилотсква- |
|
|
|
жин при прокладке трубопрово |
|
|
|
дов под водными преградами и |
|
|
|
призабойными зонами морей. |
|
|
|
В процессе бурения поток промы |
|
|
|
вочной жидкости приводит в дви |
|
|
|
жение ротор генератора, дающи- |
|
|
|
го переменный электрический |
|
|
|
ток (с частотой вращения турби |
|
|
|
ны). Через некоторое время, необ |
|
|
|
ходимое для разгона генератора и |
|
|
|
ориентирования инклинометри- |
|
Рис. 87 Забойная телеметрическая |
ческих датчиков, устройство уп |
||
равления подключает к прибору |
|||
система, применяемая при бурении |
источник питания. Одновременно |
||
скважин электробуром [13]: |
|
поступает сигнал начала измере |
|
1 — вертлюг, 2 — токосъемник; 3 — ве |
|||
ний, который производит началь |
|||
дущая труба, 4 — обратный клапан, 5 — |
ную установку канальных счет |
||
бурильные трубы, 6— УБТ; 7— телемет |
|||
рическая система, 8 — электродвигатель; |
чиков, а затем цифровую регист |
||
9— механизм искривления; 10 — шпин |
рацию. |
||
дель; 11 — долото, 12 — блок датчиков; |
В настоящее время существу |
||
13 — наземный пульт управления; 1 4 |
— |
ют забойные телесистемы с элек |
|
верхний переводник с фильтром; 1 5 |
— |
||
немагнитный корпус, 16 — осевой амор |
тромагнитным каналом связи, на |
||
тизатор, 17 — радиальный амортизатор; |
пример: |
||
18 — герметичный контейнер, 19 — блок |
— МАК (ИПФ «Сибнефтеав- |
||
телеметрии; 20 — нижний переводник; |
томатика» совместно с Санкт-Пе |
||
21 — трехконтактный стержень; 22 — |
|||
трехконтактная муфта |
|
тербургским горным институтом |
и ЗАО «Петровское») наряду с инклинометрическими парамет рами, излучаемым забойным передатчиком током в нагрузке и тем
пературой производится измерение технологических параметров (частота вращения забойного двигателя и т.д.);
—информационно-измерительная система «Забой» (ВНИИГИС) предназначена для непрерывного измерения геотехнологических параметров в процессе бурения нефтяных и газовых скважин мето дами ГМ, БК, инклинометрии, виброкаротажа, измерения осевой на грузки и частоты вращения вала турбобура;
—система MWD ЗТС-1УГ предназначена для инклинометрических и геотехнологических измерений в процессе бурения боковых ство лов с радиусом кривизны 10— 12 м из нефтяных и газовых скважин.
Если мощность (толщина) однородного продуктивного пласта со ставляет 4— 5 м, необходимо проводку горизонтального участка сква
164
жины сопровождать пеленгаторами границ пласта, возможно при чле нение ГТИ.
Проведение ГТИ в процессе бурения ГС решает задачу оператив ной корректировки траектории ствола. Соответственно требуются методы, информация от которых достигает наземных приемников в кратчайшее время, новые методики проведения газового каротажа, оперативного исследования шлама, керна, бурового раствора, аппа ратура с автоматической обработкой информации.
Во ВНИГИК НПГП «ГЕРС» совместно с ЦГЭ создан прибор ран него обнаружения и локализации объектов газопроявлений — «ПРОЛОГ» со скоростью передачи сигнала около 1000 м/с. За рубе жом фирмой «Анадрилл Шлюмберже» — метод раннего обнаруже ния газопроявлении под названием «КИКАЛЕРТ» с аналогичным принципом работы (1991г.) [11].
Виброакустический каротаж (аппаратура ИРД, АВАК-РК — см. Гл. 3) при скорости распространения сигнала по телу бурильной трубы около 5000 м/с мгновенно фиксирует изменения свойств гор ных пород под долотом и полезен при выявлении неоднородностей и корректировке траектории ствола ГС при ее выходе за пределы про дуктивной зоны пласта.
Приборные комплексы, встраиваемые в компоновку низа буриль ной колонны получили название автономных забойных систем (АЗС). Он позволяют регистрировать в процессе спуска инструмента, буре ния и подъема инструмента траекторные параметры скважины (угол, азимут, угол установки отклонителя), технологические параметры процесса бурения (нагрузка на долото, момент на долоте, обороты до лота, давление и температура в трубах и затрубье и др.), параметры свойств горных пород (естественная радиоактивность, сопротивле ние и др.) [12]. Конструктивно прибор состоит из модуля датчиков, модуля ГМ и приставки. На рис. 88 приведена функциональная схе ма АЗС-42СМ (1995 г., компания «Геоэлектроника сервис»)
Рис. 88. Ф ункциональная схема АЗС-42СМ [12]
165
Скважинный прибор имеет три режима работы:
1. Инициализация измерений (посредством кабельных соедине ний между IBM PC и устройством сопряжения с персональным ком пьютером (УСО), УСО и прибором). Через УСО микропроцессору пе редаются исходные установки для данного рейса, после чего кабель ное соединение разрывается, на прибор устанавливается заглушка
иначинается измерение.
2.Измерения. Микропроцессор с заданным интервалом опраши вает инклинометрический датчик, АЦП, блок ГМ. Данные запоми наются в ПЗУ с электрической перезаписью информации (ЭППЗУ). При использовании глубиномера на персональном компьютере ини циируется программа регистрации глубиномера.
3.Считывание накопленных данных производится со скважин ного прибора на персональный компьютер. Далее к данным добавля ют глубину забоя и глубину долота и производится обработка.
Исследование горизонтальных участков
Основной целью геофизических исследований горизонтальных участков является решение традиционных геологических задач (с учётом имеющейся информации по пилотным вертикальным сква жинам):
—литологическое расчленение продуктивного пласта на го ризонтальном участке;
—определение фильтрационно-ёмкостных свойств и насыщен ности коллектора;
—определение траектории горизонтального участка, привя занной по глубине к геологическим реперам.
Комплекс исследований для скважин с горизонтальным оконча нием ствола включает ГТИ, СП, БК, ИК или ВИКИЗ, ГМ, НМ, резистивиметрию и инклинометрию. Дополнительные исследования мо гут включать AM, ГГМ, ГМ-спектрометрический, ЯММ, специаль ные исследования со сменой минерализации или плотности промы
вочной жидкости. Обязательный комплекс исследований и конт рольный инклинометрический замер проводят по достижению про ектного забоя. При проектировании строительства ГС в объектах, в которых возможна встреча сложных коллекторов, в исследователь ской части проекта должно быть предусмотрено проведение геофи зических исследований по специальным методикам (временные за меры, метод двух растворов и т.п.).
Аппаратурно-методический комплекс «Горизонт» (ВНИИГИС) обеспечивает исследования ГС сборкой автономных скважинных приборов (модулей), спускаемых в составе бурильной колонны без применения геофизического кабеля. Комплекс позволяет одновре менно измерять и регистрировать на автономные носители данные зондов ГМ, НГМ, КС, СП и инклинометрии. Информацию, необходи мую для проводки скважины получают с помощью автономных при боров, размещённых в компоновке бурильного инструмента, непос редственно в процессе бурения.
166
Существует несколько модификаций АМК: «Горизонт-180» и «Го ризонт-100» с диаметрами скважинных приборов 180 и 100 мм соот ветственно. В 1999 — 2000 гг. разработан АМК «Горизонт-90», вклю чающий спускаемый на буровом инструменте скважинный прибор с набором модулей: четыре симметричных градиент-зонда, СП, ГМ, НГМ, ННМт, инклинометрия (рис. 89, а) и «Горизонт-90-ВАК» для исследований волновым акустическим методом (рис. 89, б). Ведется разработка модулей АМК «Горизонт», включающих методы спект рометрического гамма-каротажа, гидродинамического каротажа и опробования.
Аппаратурно-методический автономный комплекс АМАК «Обь» (НПО «Луч») обеспечивает доставку на забой скважины сборки ав тономных приборов ПС, ГМ, НК, БК, ИК, оснащенных индивидуаль ными источниками автономного питания. Сборку модулей устанав ливают внутри бурильных труб и фиксируют специальным замко-
—Переводник
Модуль НГК+ННКт
уБатарея питания Изоляционное покрытие
Кольцевой электрод
^Модуль центрального процессора
Модуль ГК Модуль инклинометра
Модуль электрического каротажа
/
Сменный
' переводник
L - е
vБурильный инструмент или АМК «ГОРИЗОНТ-100»
— Переводник
\Модуль центрального процессора с ОЗУ
^Батарея питания
Модуль ГК
Модуль АК
Центратор
Излучатель
Акустический изолятор
Приемники
Рис. 89 . Скважинный прибор АМК «Горизонт-90» (а), АМК «Горизонт-90- ВАК» (б).
167
вым соединением в верхней части. Технологический модуль сборки включает датчики давления и температуры. После спуска колонны труб на забой включают циркуляцию промывочной жидкости и, вследствие перепада давления, сборка освобождается из замка и выталкивается из труб с помощью штока обратного хода и сфери ческого поршня, установленного в верхней части сборки. В этот мо мент датчик давления включает питание скважинных приборов. Гео физические данные регистрируются в процессе подъема колонны бурильных труб.
Технология исследований скважин с горизонтальным окончани ем ствола отличается от схемы исследования вертикальных скважин. При проведении исследований приборами размещенными в буриль ных трубах или в защитном контейнере, вертикальные участки ис следуются дважды: без контейнера и с контейнером для определе ния степени вляния труб и контейнера на результаты измерений. Измерения и регистрацию данных выполняют службы бурения и ГТИ. Бурение скважины ведут при непрерывном контроле положе ния забоя с использованием инклинометра, размещенного в компо новке бурильного инструмента. На наклонных участках через каж дые 50— 70м проходки проводят привязочный каротаж (ГМ, БК, СП) для привязки положения текущего забоя к геологическому разрезу.
Интерпретация данных ГИС также имеет определенные особен ности. Интерпретационная модель пласта-коллектора должна учи тывать то обстоятельство, что материалы ГИС не несут прямой ин формации о положении кровли и подошвы коллектора и литологи ческом строении выше- и нижезалегающих пород, а следовательно, исключается интерпретация данных по традиционной схеме.
Оперативное заключение по результатам обработки и интерпре тации геофизических данных должно содержать информацию о вертикальной проекции ствола скважины в азимутальной плоско сти; горизонтальный участок скважины должен быть показан на фоне положения в разрезе продуктивного пласта, построенного по результатам бурения соседних вертикальных, наклонно направлен ных и пилотных скважин; о толщине пласта с отметками абсолют ных глубин его кровли подошвы; о коллекторских свойствах пород, встреченных на горизонтальном участке; о наличии резких пере гибов ствола в вертикальной плоскости, вероятности образования в процессе эксплуатации газовых водяных слоев и пробок; об интер валах, рекомендуемых для перфорации.
По результатам оперативной интерпретации данных ГИС опре деляют коэффициент вскрытия (Квск) (относительная протяженность ствола ГС по интервалам-коллекторам); расстояние до ВНК и нали чие гидродинамических экранов между ВНК и стволом ГС; эксплуа тационную технологичность профиля ствола (степень вероятности образования в процессе эксплуатации газовых или водяных затво ров) [13]. Пористость, проницаемость, насыщенность, глинистость, эффективная мощность коллекторов, их изменение по простиранию пласта, степень трещиноватости, ориентация природных трещин,
168
образование конуса обводненности или газового конуса, соотношение между вертикальной и горизонтальной проницаемостями, и др. ха рактеристики пласта необходимы также для выбора способа заканчивания ГС (открытым забоем или фильтром, зацементированным участком и затем перфорированным с одним или двумя пакерами и др.), который, в свою очередь, определяет технику геофизических работ при ГДИ и контроле за режимом работы ГС.
Первым этапом процесса обработки и интерпретации является геометризация изучаемого объекта (определение пространственно го положения ствола ГС относительно литологических границ раз реза) по следующей схеме [13]:
—построение вертикальной проекции ГС в ее азимутальной плос кости (по данным высокоточной инклинометрии);
—детальное литологическое расчленение и отбивка границ ли тологических интервалов (по материалам НМ-ГМ);
—проведение геофизических диаграмм ГС к виду вертикального разреза (с использованием данных инклинометрии);
—детальная послойная корреляция с разрезом соседних верти кальных, наклонно-направленных или «пилот-скважины»;
—стратиграфическая идентификация пластов;
—построение геологического профиля на планшете вертикаль ной проекции ГС.
По результатам геометризации объекта проводится определе ние фактической толщины пласта-коллектора, расстояния меж ду стволом скважины и границами вмещающих пород, уточнение литологических зональных неоднородностей и других особеннос тей геологического строения объекта. Выделение коллекторов, оценка их текстурно-структурных особенностей производятся по комплексу ИК-БК-Инк. Определение пористости коллекторов — по результатам исследований аппаратурой радиометрии нефте газовых скважин. Определение коэффициентов нефтенасыщенности коллектора производится по принятым в данном регионе за висимостям.
Особенности ГИС в действующей горизонтальной скважине
Проблемы, возникающие при проведении контроля за разработ кой месторождений геофизическими методами иллюстрируются рис. 90. Они связаны с расслоением потока по сечению ГС (газ, нефть, вода), появлением дополнительных каналов в скважинах, закончен ных спуском хвостовиков со щелевидными отверстиями, появлени ем газовых (в верхней части) и водяных (в нижней части) пробок в стволе ГС, имеющем синусоидальный профиль.
Расслоение потока по сечению ГС обуславливает проблемы с при менением градиент-манометрии, термометрии, пакерной «вертушечной» расходометрии. Отечественные комплексные приборы контроля за разработкой месторождений (ГИС-контроля), как и большинство зарубежных комплексных приборов для проведения эксплуатацион ного каротажа в вертикальных и слабонаклонных скважинах, для ра-
169
Рис. 90. Проблема многофазного потока в горизонтальных скважи нах (по Э.Е. Лукьянову).
о — поперечное сечение хвостовика, зацементированного в ГС, б — разрез профиля ГС
боты в горизонтальных действующих скважинах требуют переконст руирования с учетом особенностей структуры потока.
Например, скважинный вертушечный дебитомер располагается вдоль нижней стенки скважины и вблизи забоя регистрирует пре имущественно поток менее подвижной жидкой фазы (инициатор ис следований компания M arathon Oil). Выше по скважине он захваты вает все большую часть более подвижной газожидкостной смеси. Эта проблема возникает уже при небольших (2°) отклонениях скважины от вертикали. Были внедрены дебитомеры с диффузорами разной конструкции, отклоняющими поток и направляющими большую его часть на вертушку, однако при высоких дебитах на таких диффузо рах возникает сильный перепад давлений, что приводит к серьез ным искажениям результатов. В настоящее время ведутся работы по созданию и внедрению многовертушечных дебитомеров, включа ющих также и горизонтальные вертушки [13].
Многие зарубежные фирмы выпускают аппаратуру для эксплуа тационного каротажа комплектами для записи нескольких парамет ров за один спуско-подъем. Например, фирмой Geoservises (Фран ция) был предложен комплект малогабаритных (внешний диаметр 43 мм) приборов, каждый из которых можно опускать в скважину отдельно или в любом сочетании с несколькими другими [1989г.]: ло катор муфт обсадной колонны (НКТ), ГМ, термометр, манометр, плот номер, шумомер, дебитомер, каверномер, гидрометр (прибор, опре деляющий процентное содержание воды в скважинной смеси флюи дов по принципу диэлектрического каротажа). Приборы рассчитаны
170