Способ оценки качества цементирования скважины в низкотемпературных породах

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности и может быть использовано при освоении северных месторождений углеводородов, в частности при контроле теплоизолирующей способности теплоизолированной колоны (ТОК) и оценке качества цементирования скважин, пробуренных в районах низкотемпературных пород (НП). Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей, заключающихся в использовании теплоизолированной обсадной колонны на оптимальной глубине. Дополнительный технический результат изобретения заключается в повышении качества крепления и герметизирующей способности зацементированного ствола скважины, а также теплоизолирующей способности направления, используемого на скважине. Качество цементирования скважины в НП, оснащенной ТОК, определяют путем выделения различающихся участков h_i, где i=[1…n] - номер исследуемого участка, учитывающих устойчивость пород, и/или их кавернозность, и/или поглощающие способности. Перед закачкой цемента на устье скважины производят термометрические исследования, включающие измерение температур отобранных равных объемов проб продавочной жидкости, воды и их смеси. С учетом оценки удельной предельной величины тепловыделения используемого цемента на скважине в заколонном пространстве и удельного предельного суммарного количества тепла, которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении всего затрубного пространства во время цементирования при гидратации в цементном кольце, определяют показатель коэффициента качества цементирования К_кцi. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности и может быть использовано при освоении северных месторождений углеводородов, в частности при контроле теплоизолирующей способности теплоизолированной обсадной колоны (ТОК) и оценке качества цементирования скважин, пробуренных в районах низкотемпературных пород (НП).

Известен способ контроля технического состояния эксплуатационных скважин, цементирования скважин с использованием стандартных геофизических методов (Методика контроля технического состояния эксплуатационных скважин, Полозков А.В., Потапов А.Г., Коротаев Ю.П. и др., ООО «ВНИИГАЗ», М., 2000). Известный способ определяет основные положения по осуществлению контроля технического состояния эксплуатационных газовых скважин на месторождениях с указанием общего комплекса и конкретных работ, необходимых к выполнению. В способе определяют геокриологические условия по месторождениям, рассматривают соответствие выбранных конструкций скважин сложным горногеологическим условиям, требования к качеству цементирования, крепления, методы контроля за текущим состоянием цементного камня, герметичностью газовых скважин с выявлением причин межколонных давлений, негерметичности, отказов подземного оборудования. Однако этот способ неприменим при использовании теплоизолированной обсадной колонны, а также в обсадных колоннах, диаметр которых более 426 мм.

Наиболее близким к предлагаемому является способ оценки качества крепления скважин в интервалах многолетнемерзлых и низкотемпературных пород (патент РФ №2085727, кл. Е21В 47/00, опубл. 27.07.1997), включающий измерение температуры в скважине в процессе затвердевания цемента. Способ предусматривает контроль тепловыделения при его гидратации в цементном кольце при известных температурах окружающих скважину многолетнемерзлых пород (ММП) и НП, температур бурового раствора при бурении ствола под спуск ТОК, продавочной жидкости внутри цементируемой колонны, температур колонны перед спуском и при спуске ее в скважину, выходящих бурового и тампонажного растворов на устье скважины при цементировании обсадной колонны. По перечисленным параметрам в исследуемом интервале определяют удельное тепловыделение тампонажного раствора в затрубном пространстве скважины на момент исследования во время затвердевания цемента. В исследуемом интервале также определяют тепло, выделяемое цементным кольцом и перераспределенное между ним и окружающими скважину породами, продавочной жидкостью и обсадной колонной за время, прошедшее после окончания цементирования, до затвердевания цемента при его гидратации. Способ также позволяет определить предельное суммарное количество тепла гидратации, которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении заколонного за ТОК пространства в разные моменты исследования во время контролируемого процесса затвердевания цемента. Недостатком известного способа является отсутствие необходимого контроля и замеров температуры как непосредственно внутри теплоизолированной колонны, так и в цементном кольце, с учетом теплообмена в скважине, характерного при использовании ТОК.

Задача предлагаемого изобретения состоит в разработке способа оценки качества цементирования скважины в низкотемпературных породах, позволяющего использовать теплоизолированные обсадные колонны.

Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей, заключающихся в использовании теплоизолированной обсадной колонны на оптимальной глубине. Дополнительный технический результат изобретения заключается в повышении качества крепления и герметизирующей способности зацементированного ствола скважины, а также теплоизолирующей способности направления, используемого на скважине.

Сущность изобретения заключается в следующем. Способ оценки качества цементирования скважины в низкотемпературных породах, оснащенной теплоизолированной обсадной колонной и термоизмерительным устройством, заключается в том, что в скважине после ее бурения выделяют различающиеся по условиям участки h_i, где i=[1…n] - номер исследуемого участка, учитывающие устойчивость пород, их кавернозность, поглощающие способности, тепловые условия. Перед закачкой цемента на устье скважины производят термометрические исследования, включающие измерение температур отобранных равных объемов проб продавочной жидкости и воды, которые помещают в термос и перемешивают, после чего регистрируют установившуюся температуру смеси продавочной жидкости и воды, определяют объемную теплоемкость продавочной жидкости как:

где - С_ж - объемная теплоемкость продавочной жидкости, отобранной пробы на устье при закачке в скважину (кДж/м³°C),

- С_в - объемная теплоемкость воды, (кДж/м³°C);

- t_ж - температура продавочной жидкости на устье скважины, (°С);

- t_в - температура воды на устье скважины, (°C);

- t_см - температура смеси продавочной жидкости и воды, (°C).

По данным термометрических исследований в процессе цементирования ТОК для каждого выделенного участка h_i ствола скважины определяют количество суммарного тепла Q_жi, перераспределенного между цементным кольцом ТОК и объемом продавочной жидкости, находящейся внутри колонны в границах этого участка:

где: - t_нжi - температура продавочной жидкости внутри ТОК в границах i-го выделенного участка в начале периода схватывания цемента при цементировании ТОК, (°C);

- t_жi - температура продавочной жидкости внутри ТОК в границах i-го выделенного участка после окончания закачки цемента и в период гидратации цемента при цементировании ТОК, (°C);

- r_вк - внутренний радиус трубы цементируемой ТОК, (м).

Затем определяют количество тепла Q_кi, необходимого для нагрева внутренней поверхности цементируемой ТОК, в произвольный момент времени проведения исследования после закачки цемента в скважину выделенного i-го участка:

где:

- С_кi - теплоемкость внутренней колонны, (Дж/м³°C);

- τ_к - внешний радиус трубы цементируемой ТОК, (м).

После чего определяют количество тепла Q_цi, необходимого для нагрева выделенного i-ого участка цементного кольца цементируемой ТОК:

где:

- С_цi - теплоемкость выделенного i-ого участка цементного кольца, (Дж/м³°C);

- t_нцi - температура на внутренней поверхности цементного кольца в начале периода схватывания цемента, (°C);

- t_цi - температура на внешней поверхности выделенного i-ого участка цементного кольца в начале периода схватывания цемента, (°C);

- r_цi - наружный радиус выделенного i-ого участка цементного кольца, (м);

- r_ц1i - внутренний радиус выделенного i-ого участка цементного кольца, (м).

Определяют суммарное удельное тепловыделение q_τцi при гидратации цемента в затрубном пространстве скважины 1 кг тампонажного раствора на момент исследования выделенного i-го участка при цементировании:

где:

- Q_νцi - суммарное выделенное количество тепла при гидратации цементного кольца исследуемого метрового интервала i-го участка;

- ρ_ц - плотность тампонажного раствора в затрубном пространстве скважины, (кг/м³);

- τ_ц - время проведения исследования при гидратации цемента.

С учетом оценки суммарной величины удельного тепловыделения q_τцi при гидратации цемента в затрубном пространстве определяют показатель коэффициента качества цементирования К_кцi ТОК на глубине h_i выделенного i-го участка;

где:

- q_п - предельное суммарное количество удельного тепловыделения, которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении всего затрубного пространства во время цементирования при гидратации в цементном кольце, (Дж/кг);

- по полученным значениям показателя коэффициента качества цементирования К_кцi для всех исследуемых i-ых участков обсадной колонны судят о качестве цементирования ТОК в целом:

Кроме того, дополнительно определяют термическое сопротивление теплоизоляции:

где U_тн - термическое сопротивление теплоизоляции по исследуемым интервалам i проведения контроля качества цементирования при спуске ТОК, (м⋅ч°C/кДж); где

- Δτ_цj - - время проведения текущего исследования в j-й момент времени, (где j=1, 2, 3, , m);

- по показателю термического сопротивления судят о качестве крепления исследуемого интервала спуска ТОК, причем качество цементирования в исследованном интервале спуска считают хорошим при значениях термического сопротивления U_тн, отличающихся от регламентируемой величины U_тн изготовленных и испытанных теплоизолированых труб от 5 до 10% с учетом оценки погрешности.

По предлагаемому способу при использовании ТОК с термометрическим измерительным устройством (ТИУ), в скважине после ее бурения под теплоизолированное направление выделяют интервалы плотных пород и интервалы развития каверн и поглощающих горизонтов. Перед закачкой цемента на устье скважины производят отбор равных объемов проб продавочной жидкости и воды. В момент отбора измеряют их температуры, затем помещают данные пробы в термос, перемешивают и регистрируют установившуюся температуру смеси продавочной жидкости и воды. По полученным данным определяют объемную теплоемкость продавочной жидкости из следующего выражения (1).

Термометрию в скважине проводят как в процессе промывки и простоев до начала цементирования, так и при цементировании в процессе закачки в скважину цемента и продавочной жидкости, а также в процессе окончательного затвердевания цемента (ОЗЦ) в заколонном пространстве. Для каждого выделенного интервала i (i=1,2,…,n,) ствола скважины (в качестве примера n=7, см. чертеж), определяют количество суммарного тепла Q_жi, перераспределенного между цементным кольцом ТОК и объемом продавочной жидкости, находящейся внутри колонны в границах одного метра в исследуемом интервале по формуле (2).

Далее определяют количество тепла Q_кi, пошедшего на нагрев внутренней поверхности цементируемой ТОК в j-й момент времени проведения исследования (где j=1, 2, 3, , m) в границах одного метра в каждом исследуемом i-ом интервале после закачки цемента в скважину, используя выражение (3).

Количество тепла Q_цi, пошедшего на нагрев i-го участка цементного кольца цементируемой ТОК определяют с помощью выражения (4).

С учетом оценки суммарного количества удельного тепловыделения используемого тампонажного материала на скважине, определенного по формуле (5), при соответствующих температурных условиях в заколонном пространстве q_п определяют показатель качества цементирования К_кцi ТОК на глубине h_i в исследуемом интервале, (где i=[1…n])- номер исследуемого участка из выражения используя выражение (6).

По полученным значениям показателя качества цементирования К_кцi, вычисленного для всех интервалов i обсадной колонны, судят о качестве цементирования ТОК. О качестве цементирования ТОК судят по полученным значениям показателя термического сопротивления U_тн, (определенным по формуле (7). Если показатель термического сопротивления не отличается от регламентируемой величины термического сопротивления изготовленных и испытанных теплоизолированых труб с учетом оценки погрешности определения U_тн, более, чем на 5-10% (т.е. не меньше U_тн, регламентируемой величины изготовленных теплоизолированных труб используемых в крепи), то качество цементирования в исследованных интервалах с учетом теплоизолирующей способности крепи признают удовлетворительным.

Среднее значение К_кц по всем исследованным интервалам в теплоизолированной колонне не должно быть меньше соответствующей величины, регламентируемой для скважин в зонах ММП и НП в исследуемом интервале Н=Σh_i для i=1, 2, 3 n. Определение качества цементирования ТОК в низкотемпературном интервале производят на основе количественных оценок по пределам изменения показателя коэффициента качества цементирования К_кцi:

По показателю коэффициента качества цементирования К_кцi определяют:

- зону с поглощением бурового и цементного растворов при К_кцi≥1,1;

- зону с хорошим К_кцi колонны при 1,1>К_кцi≥0,7;

- зону с удовлетворительным К_кцi колонны при 0,7>К_кцi≥0,4;

- зону с плохим качеством К_кцi колонны при 0,4>К_кцi≥0,1;

- зону с отсутствием цемента за колонной или его схватывания при 0,1>К_кцi≥0.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана верхняя секция скважины со спущенной в пробуренный ствол ТОК.

В нижней секции ствол имеет меньший диаметр, в который спущена обсадная труба без теплоизоляции.

Верхняя секция скважины включает - внутреннюю трубу - 1, которая имеет удлиненное направление; наружную трубу-оболочку - 2; теплоизоляцию - 3; теплоизолированную секцию - 4, имеющую, например, удлиненное направление и нетеплоизолированную секцию - 5; ТИУ - 6 с термометрическим кабелем. Внутренняя труба 1 наполнена продавочной жидкостью - 7; за наружной трубой-оболочкой расположено цементное кольцо - 8; ствол скважины под теплоизолированную секцию - 9; ствол скважины под нетеплоизолированную секцию и ее цементное кольцо - 10. Каверны - 11 заполнены буровым раствором. На чертеже показана граница раздела толщ ММП и нижезалегающих НП - 12, а также стыки двустенных теплоизолированных труб - 13. Позиции 14-16 на чертеже отражают расчетные зависимости распределения температур от радиуса у подошвы ММП, в начальный момент времени τ_ц1=0 ч (после окончания закачки цемента в заколонное пространство), и в последующие моменты времени в процессе схватывания (гидратации) τ_ц2=20 ч, и в момент окончательного затвердевания цемента τ_ц3=36 ч) соответственно. Кроме того, на чертеже в толще ММП - h_м выделены различающиеся участки h_i, (h₁…h₅) в области цементирования и теплоизолирующей способности, а в зоне НП - различающиеся участки h₆ и h₇.

Протяженность h_i исследуемых участков ТОК по глубине определяется стабильностью значений t_жi, t_нжi, t_ц1i, t_нцi на них. При существенном изменении значений приведенных температур при исследовании ТОК на разных глубинных h_i участках выделяют интервалы в отдельные зоны, в которых проводят тепловые исследования, а именно, с учетом конкретных условий (в зонах с различной протяженностью h_i при различной кавернозности ствола с различными тепловыми условиями, начальными температурами пород и различными температурами их нагрева при проведении исследований), например, в зонах, выделенных по телу обсадных труб (ТОТ) и в зонах расположения стыков труб в ТОК.

В изобретении используют технологию бурения ствола до проектной глубины, в том числе первоначально до глубины спуска двухсекционного направления долотом большого размера с последующим разбуриванием под спуск нетеплоизолированной секции с использованием долота меньшего диаметра. При этом может использоваться технология, которая обеспечивает наименьшее растепление ММП и, соответственно, кавернозность ствола, как в мерзлых породах, так и в ниже расположенных НП, где лед отсутствует.

Изобретение может быть применено для верхней секции скважины, снабженной ТОК с ТИУ (6), размещенным за наружной трубой (2), а также со спуском кабеля ТИУ и за нижней секцией с установкой на устье прибора, регистрирующего температуры.

В соответствии с изобретением термометрия проводится также в устьевой зоне с проведением замеров температур:

- бурового раствора на входе-выходе перед спуском ТОК;

- промывочной жидкости при осуществлении промывки после спуска ТОК перед цементированием;

- на устье цементного раствора и продавочной жидкости при цементировании;

а также: - в цементном кольце при схватывании-гидратации цемента с использованием ТИУ.

- во время контроля температуры и внутри цементируемой колоны при спуске термометрического кабели в продавочный раствор внутри цементируемой колонны направления.

По проведенным замерам температур t_ц1 за наружной стенкой ТОК в цементном кольце и t_ж продавочной жидкости внутри ТОК контролируют тепловое взаимодействие скважины с окружающими породами при ОЗЦ в течение времени τ_ц проведения исследования при схватывании, гидратации цемента.

При этом в зоне расположения ТОК по глубине выделены исследуемые интервалы h_i с различными температурами t_нцi, t_ц1i, t_цi в цементном кольце, а также с различными диаметрами ствола по данным кавернометрии. Например, по кавернограмме выделены участки с разным диаметром ствола с наличием каверн в интервалах h₂ и h₄ и без каверн - h₁, h₃, h₅, h₆ и h₇.

На чертеже также показано распределение температур в продавочной жидкости t_нж, t_ж (в исследуемом интервале h₅ у подошвы ММП по расчетному примеру в начальный момент времени τ_ц1=0 ч, (после окончания закачки цемента в заколонное пространство) и в последующие моменты времени τ_ц2=20 ч и τ_ц3=36 ч при его схватывании.

С помощью ТИУ (например, в виде оптоволоконного кабеля) осуществляют контроль температур t_ц1 в цементном кольце (на его внутреннем радиусе r_ц1=0,20 м) непрерывно или в определенные моменты времени от τ_цоi до τ_ц3i в исследуемых интервалах i, в примере для интервала h₅, а также в продавочном растворе находящемся внутри цементируемой колонны.

В продавочной жидкости внутри ТОК замеры температур t_нж, t_ж фиксируют, например, по результатам замера температур глубинным геофизическим термометрическим прибором высокочувствительной термометрии (ВЧТ) t_нж - в начальный момент времени τ_цi=0 ч и t_ж - в конечные моменты времени τ_цi=20 ч и 36 ч, используя непрерывную запись температур или аппроксимируя t_ж в промежуточные моменты времени (если непрерывную запись температур не проводят) с учетом характера изменения на радиусе r_ц1=0,20 м температуры t_ц1.

Причем начальная температура t_нж продавочной жидкости в момент τ_ц=0 после окончания ее закачки в скважину может оцениваться по замеренной температуре продавочной жидкости на устье.

Согласно предлагаемому изобретению удельное тепловыделение цемента q_цi определяют при его гидратации в интервале расположения ТОК аналитическим расчетным методом, а на нетеплоизолированных участках (нижняя секция удлиненного направления, см. чертеж) - термометрическим методом, а также с использованием методов стандартных газодинамических исследований (ГИС).

С использованием ТИУ, например, термометрического кабеля за ТОК, проводят контроль температуры t_ж, t_ц1 в процессе ОЗЦ с осуществлением контроля технического состояния теплоизоляции ТОК, с определением ее термического сопротивления U_тн.

После окончания закачки цемента за ТОК определяют U_тн по замеренным температурам продавочной жидкости внутри колонны и с помощью ТИУ, размещенного на наружной стенке ТОК в цементном кольце. Термическое сопротивление ТОК определяют по температурам t_нж, t_ж, t_нц, t_ц1, контролируемым после окончания закачки цемента в скважину, в течение времени схватывания τ_цj цемента (в конкретные интервалы времени Δτ_цj в исследуемом i-ом интервале расположения теплоизолированных труб в скважине), а также при контроле изменения в i-ом интервале температур внутри колонны, а именно, в продавочной жидкости на начальный момент времени и на конечный момент времени при одновременном контроле температур на внутренней и внешней поверхностях цементного кольца ТОК, t_нцi и t_ц1i.

Тепло от продавочной жидкости в цементное кольцо через ТОК может передаваться как из продавочной жидкости, так и в обратном направлении в зависимости от нагрева и теплообмена в крепи скважины при ОЗЦ. Направление потока тепла в скважине при ОЗЦ в исследуемом интервале может менять направление значения при определении U_тн, поэтому перепад температур между цементным кольцом и продавочной жидкостью может приниматься как абсолютная величина: (t_нжi-t_ж1i)-(t_нцi-t_ц1i)_j, где j - момент времени проведения исследования, а знак этой величины показывает, в каком направлении перетекает тепло от цементного кольца в продавочную жидкость внутри колонны или в обратном направлении в процессе гидратации цемента. Это учитывается в формуле (7) при определении U_тн.

Индекс j, указанный в формуле (7), означает, что отмеченные температуры могут определяться в любой момент проведения исследований, в том числе в разных интервалах i по длине ТОК.

Удобнее проводить исследования в начальный момент времени τ_цj после окончания закачки цемента, продавочной жидкости и в конце ОЗЦ, при контроле температуры внутри цементируемой колонны и качества цементирования теплоизолированной и нетеплоизолированной ее частей.

Сначала рассмотрим пример обработки результатов термометрии предлагаемым способом при определении термического сопротивления U_тн при цементировании ТОК.

После окончания закачки цемента в скважину (заколонное пространство) проводят термометрию, например, в первоначальный момент (0 час).

После окончания цементирования теплоизолированной обсадной колонны при простое через τ_цj=20,0 ч проводят замер температуры геофизическим глубинным термометром внутри цементируемой ТОК. На исследуемой глубине (интервал исследования i) температура t_жi составила 10,2°C и такую же температуру имела и внутренняя стальная труба ТОК.

По замерам температур ТИУ на наружной стенке ТОК в течение 20,0 ч (на момент времени τ_цj=20,0 ч) температура в цементном кольце на радиусе r_ц1=0,20 м изменилась от t_нцi=5,5°C до t_ц1i=-15,1°C.

Для определения термического сопротивления ТОК необходимо знать объемную теплоемкость продавочной жидкости С_ж. Методом отбора проб продавочной жидкости на устье и известной объемной теплоемкости воды С_в=4184 кДж/м³°С и измеренной температуры воды t_в=17,0°C, а также температуры t_ж=12,0°C отобранной пробы бурового раствора и замеренной температуры их смеси t_см=14,7°C, помещенной в термос, определяют теплоемкость С_ж продавочной жидкости, которая закачана при цементировании внутрь ТОК:

где t_ж, - температура (0,5 л) продавочной жидкости;

t_в - температура (0,5 л) воды (°C);

t_см - температуры смеси (объем 1,0 л) продавочной жидкости и воды (°C);

С_в, - теплоемкость воды (кДж/м³°C);

С_ж - теплоемкость продавочной жидкости, отобранной пробы на устье при закачке в скважину (кДж/м³°C).

При проведении испытаний для оценки термического сопротивления U_тн ТОК в рассмотренном примере начальная температура продавочной жидкости, t_нжi, в исследуемом интервале при простое скважины при ОЗЦ в течение времени τ_цj от 0 до 20,0 ч повысилась с 10,2°C до t_жi=11,1°C. При этом за 20,0 ч внутри колонны в i-ом интервале произошел нагрев продавочной жидкости и стальной трубы (ТОК), на который было затрачено, соответственно, тепло Q_жi и Q_кi:

Термическое сопротивление U_mн ТОК определяют с учетом времени нагрева (первый временной интервал исследования j составляет 20 ч), при гидратации цемента (время ОЗЦ) по данным термометрии при контроле температуры t_цi, t_жi,:

Получаемые из выражения (7) значения «+» или «-» перед U_тн указывают, что переток тепла идет из цементного кольца в продавочную жидкость через ТОК или наоборот из продавочной жидкости в цементное кольцо.

При проведенном исследовании теплоизолированных труб на промысловом стенде до спуска в скважину их термическое сопротивление U_тн=0,61 ч⋅°C/кДж. Расхождение в определении теплоизолирующей способности труб ТОК, а именно, их термического сопротивления, полученного на стенде и в скважине незначительно, что подтверждает хорошее их техническое состояние после спуска в скважину и цементирования. Кроме того, при исследовании предлагаемым способом отмечается высокая точность определения U_тн в скважине при ее цементировании: расхождение в определении U_тн составило 0,034⋅ч⋅°C/кДж.

Пример оценки качества цементирования и крепления теплоизолированной обсадной колонны предлагаемым способом.

При оценке качества цементирования обсадной колонны замеряют температуры закачиваемых в скважину промывочного, тампонажного растворов и продавочной жидкости при подготовке к креплению и при креплении скважины теплоизолированной обсадной колонной в ММП и НП, а также выходящих на устье за цементируемой ТОК растворов до окончания продавки цементного раствора.

После промывки ствола под спуск ТОК проводят стандартный каротаж с определением литологии разреза, льдистости, обводненности и наличия газогидратных пород (например, по методике «МОСК», описанной в Методике контроля технического состояния эксплуатационных скважин, ОАО «Газпром», ООО «ВНИИГАЗ», М., 2000). Затем проводят кавернометрию ствола с выявлением каверн, с определением объема и конфигурации ствола по глубине в интервале залегания ММП в НП.

Полученные данные при проведении геофизических исследований разреза в ММП и НП применяют для оценки качества крепления и цементирования при использовании ТОК, в том числе при оценке тепломассобмена скважины с ММП и НП при креплении, а также при использовании комбинированной ТОК, включающей в верхней секции теплоизолированные трубы при наличии в верхней части просадочных льдистых ММП, а в нижней части нетеплоизолированной секции обычных одностенных обсадных труб. Предлагаемые решения по выявлению ММП за направлением по ГИС с выявлением их льдистости, позволяют определить оптимальные глубины спуска теплоизолированной секции.

При спуске ТОК в скважину на ее наружной трубе закрепляют ТИУ, а также термометрический кабель. ТИУ может быть спущен и в термометрическую трубку, закрепленную на наружной стенке ТОК для проведения замеров температур в заколонном пространстве. Использование, например, иногда стальной трубки, закрепленной на наружной стенке направления для спуска в нее ТИУ позволяет предотвратить случаи разрушения ТИУ и выход его из строя, которые иногда происходят при спуске и креплении, цементировании направления на скважине.

Термометрию в скважине проводят, например, с помощью ТИУ-термометрического кабеля, установленного за ТОК, как в процессе промывки и простоях до начала цементирования, так и при цементировании при продавке в скважину цемента и продавочной жидкости, а также в процессе схватывая цемента в течение времени τ_ц.

Оценку качества цементирования теплоизолированной секции ТОК и ее нетеплоизолированной нижней секции проводят с использованием показателя качества цементирования по формуле (8).

При термометрическом способе контроля хорошим признают качество цементирования нетеплоизолированных колонн и ТОК при показателе коэффициента качества цементирования 0,7≤К_кцi<1,1; удовлетворительным при 0,7>К_кцi≥0,4, если К_кцi≥1,1, считают, что произошло поглощение промывочного и цементного раствора при цементировании. Если К_кцi<0,4, качество цементирования считают плохим, при котором заколонное пространство может быть не полностью заполнено цементом.

Для нетеплоизолированной секции ТОК оценка качества цементирования может быть проведена термометодом, описанным, например, в патенте РФ №2085727.

Удельное предельное тепловыделение цемента, q_пi, используемого на скважине в качестве тампонажного материала, определяют с учетом тепловых условий в исследуемых интервалах h_i и при проведении сравнения с величинами q_п, полученными при исследовании образцов в лаборатории на стенде при соответствующих тепловых условиях.

Оценку качества цементирования и крепления ТОК в процессе ОЗЦ, согласно предлагаемому способу проводят по замерам температур в скважине при ОЗЦ термометодом, путем оценки теплоизолирующей способности цементируемой ТОК с определением ее термического сопротивления и качества цементирования в ММП и НП. Спускаемую перед цементированием в заколонное цементируемое пространство скважины ТОК с ТИУ, контролируют, измеряя температуры промывочного раствора и закачиваемого цемента, затем отбирают пробы продавочной жидкости, закачиваемой внутрь колонны, и в процессе цементирования контролируют температуру устьевыми термометрами.

После закачки цемента при простое скважины для момента времени τ_ц1=20 ч определяют Q_νцij - количесво тепла, выделенное цементом при гидратации, и - удельное тепловыделение цемента.

Качество цементирования ТОК (для верхней секции удлиненного направления, например, с наружным радиусом ТОТ r_нт=r_ц1=0,20 м и внутренним радиусом TOT-ТОК равным r_вк=0,112 м,) оценивают путем определения удельного тепловыделения q_ц цемента в заколонном пространстве, которое определяют с учетом рассчитанной объемной плотности Q_vi источников тепла в цементном кольце в исследуемом зацементированном заколонном пространстве в i-ом интервале при проведенных предварительно измерениях температур в цементном кольце за ТОК и в продавочной жидкости - внутри ТОК в этом интервале.

Сначала проводят замеры температур в интервале h₅ (см. чертеж), в разрезе которого выявлены мерзлые породы с начальной температурой «-1,0°C» и массовой льдистостью М=30 кг/м³ при радиусе ствола, определенном по кавернограмме и равном r_ц=0,34 м (соответствует в исследованном интервале наружному радиусу цементного кольца), и замеренным температурам t_нцi, t_ц1i, t_нжi, t_жi, t_нкi, t_кi в разные моменты времени: τ_цi=0 ч; 20,0 ч; 36,0 ч.

- где t_нкi и t_кi температура ТОК в начальный и конечный моменты периода схватывания цемента, (°C).

Затем проведем оценку качества цементирования ТОК в отмеченном интервале h₅ (см. чертеж) на момент исследования τ_цi=20,0 ч.

По проведенным замерам температур определяют тепло, которое пошло на нагрев продавочной жидкости и ТОК (внутренней ее стальной трубы, нагрев теплоизоляции и наружной ТОК из-за малости тепла не учитывают), тепло которое выделилось при схватывании цемента, при его гидратации и перераспределение тепла в цементном кольце, внутри ТОК и в окружающих породах.

С учетом перераспределения тепла в различных зонах определяют удельное тепло гидратации цемента и оценивают качество цементирования ТОК в исследуемых интервалах i=5 с учетом геокриологических и тепловых условий, влияющих на теплообмен скважины с окружающими породами в процессе гидратации, схватывания цемента.

Теплоемкость теплоизоляции ТОТ и наружной оболочки этой теплоизоляции в исследовании в рассмотренных примерах не учитываем из-за их малости.

На глубине h₅ в мерзлом интервале при проведении исследования (см чертеж, (кривая 15) на момент времени τ_ц2=20 ч определяют выделяющееся в цементном кольце удельное тепло . Толщина исследуемого интервала i составляет h_i5=15 м, в котором отмечают характерные «стабильные тепловые условия». Так при замере температур в этом интервале на момент времени τ_ц1=0 ч замеренные температуры составляли t_нцi=5,5°C, t_нжi=6,2°C, t_нкi=6,2°C, а в момент времени исследования τ_ц2=20 ч они были равны t_нцi=15,1°C, t_нжi=7,1°C, t_нкi=7,1°C. Как видим за счет выделения тепла гидратации эти температуры за время от τ_ц1=0 ч до τ_ц2=20 ч повысились.

При проведении исследования в интервале h_i5, представленном мерзлыми суглинистыми породами, продолжительностью 20 ч, при определении лед протаивал при изменении температур в породах, прилегающих к цементному кольцу, от температуры t_ф1=-1,0°C до t_ф2=0°C и Δ_tф=0-(-1.0)=1,0°C (принимают абсолютное значение Δt_ф=1,0°C).

Суммарная теплоемкость пород с учетом свойств мерзлых пород при теплообмене скважины с ними, а также при теплоемкости минеральной составляющей мерзлой породы (С_мн), например, равной 2300 кДж/м³⋅°C, и протаивании льда при повышении температуры породы от -1,0 до 0°C в зоне от r_ц=0,34 м до r_вл теплового влияния скважины в исследуемом интервале при удельной массе льда М=30 кг/м³ и тепла фазового перехода - I=334 кДж/кг составит:

Отмеченная теплоемкость учитывается при расчете теплообмена скважины при ее креплении, схватывании цемента за время Δτ_ц1=20 ч с окружающими породами, при этом р адиус влияния r_вл за указанное время определяют из формулы:

где λ_М - коэффициент теплопроводности мерзлых пород (ккал/м⋅ч⋅°C).

С учетом полученного значения радиуса влияния r_вл=0,392 м определяют коэффициент теплоотдачи α_i от скважины, начиная от наружной стенки цементного кольца в окружающие породы:

С учетом определенного радиуса r_вл теплового влияния, на котором температура в мерзлых породах равняется t_тв=0°C, коэффициент теплоотдачи α₂ от наружной стенки цементного кольца в окружающие породы на радиусе r_ц=0,34 м составляет α₂=26,25 (кДж/м²⋅ч⋅°C).

С учетом отмеченной теплоотдачи в окружающие породы определяют объемную плотность Q_vцij источников тепла в цементном кольце в исследуемом интервале i=2 на момент времени проведения исследования при схватывании, гидратации τ_ц2=0 ч:

где λ_цi - коэффициент теплопроводности цементного кольца (ккал/(м⋅ч⋅°C).

Далее определяют значение удельного тепловыделения цемента за 20 ч с учетом рассчитанной средней величины Q_vi, характеризующей объемную плотность источников тепла в цементном кольце в исследуемом интервале h₂ при плотности цемента ρ_ц=1500 кг/м³ и с учетом теплообмена цементного кольца при схватывании цемента с продавочной жидкостью внутри цементируемой колонны и ее внутренней стальной колонны.

Затем определяют перераспределение тепла, выделившегося при гидратации в исследуемом интервале, и количество тепла, необходимого для нагрева цементного кольца Q_цi, и продавочной жидкости Q_жi внутри ТОК, а также внутренней стальной колонны Q_кi. С учетом полученных значений Q_цi, Q_жi, Q_кi проводят оценку удельного тепловыделения цемента . Количество тепла, пошедшее на нагрев цементного кольца, продавочной жидкости и наружной колонны составит:

Для определения полного удельного тепловыделения в течение 36 ч необходимо определить тепловыделение за период время τ_ц от 20 до 36 ч.

В качестве примера определим Q_vuij и для момента времени τ_ц3=36 ч при Δτ_ц=τ_ц3-τ_ц2=16 (ч).

По результатам замеренных температур на моменты времени τ_ц2=20 ч и τ_ц3=36 ч:

определяют объем ную плотность Q_vцij тепловых источников в цементном кольце и удельное тепло гидратации, выделяющееся в течение времени Δτ_ц2=16 ч с учетом измеренных температур в моменты времени τ_ц2=20 и τ_ц3=36 ч в течение 36 ч теплового воздействия проведения исследований.

Результаты расчета Q_vцij и приводятся ниже:

С учетом значений замеренных температур при Δτ_ц=16 ч определяют:

Учитывая гидратацию цем ента за время исследования от 0 до 20 ч (Δτ_ц1=20 ч), количество удельного тепла q_ц1i гидратации в исследованном интервале составило 50,40 кДж/кг, а в процессе продолжения исследования за время Δτ_ц2=16 ч, соответственно, q_ц2i=14,4 кДж/кг.

За время 36-40 ч обычно выделяется не менее 70-80% тепла гидратации, а за время Δτ_ц2=36 ч по рассмотренному примеру суммарное количество q_цi составило q_цi=q_ц1i+q_ц2i=50,4+14,4=64,8 (кДж/кг).

Учитывая результаты испытаний образцов цемента на стенде, который использовался на скважинах (предельное возможное удельное тепловыделение цемента, q_п, составляет около 100 кДж/кг), полученный показатель коэффициента качества цементирования в интервале i=1 составляет

К_кц1=q_ц/q_п=64,88/100=0,65 в интервале протяженностью h₅=15 м. При К_кц5=0,65 в исследованном интервале i=2 и, учитывая, что после 36 ч, тепловыделение и схватывание цемента еще будут продолжаться и К_кц2 достигнет значения 0,7 и выше, качество цементирования в интервале h₂ считается хорошим.

В интервале спуска ТОК в верхней секции по способу выделено 5 интервалов h_i q_цi (i=1…5), по которым проведены исследования К_ц, а в нижней нетеплоизолированной секции К_ц определено по 2 интервалам q_цi(i=6…7), результаты представлены ниже:

Таким образом, в зоне спуска ТОК величина суммарного индекса К_кц качества цементирования ТОК, определенная (см. 8), составила К_кцв верхней секции:

Качество цементирования верхней теплоизолированной секции длиной 72 м оценивается как удовлетворительное.

По нижней нетеплоизолированной секции направления (термическое сопротивление U_нт нетеплоизолированной трубы - нижней секции составляет не более 0,005⋅ч⋅°C/кДж с учетом небольшого слоя цемента глины на внутренней стенке трубы около 2 см) по термометрическому методу оценки качества цементирования величина коэффициента качества цементирования (в интервале h₇=18 м) составила К_кцн=0,54 и, соответственно, в целом качество цементирования направления оценивается также как удовлетворительное.

По результатам исследования при глубине спуска теплоизолированной секции, в рассмотренном примере до 90 м, значение коэффициента верхней секции направления К_кц=0,47 удовлетворительное, а по состоянию теплоизолирующей способности ТОК при U_т=0,564⋅ч⋅°C/кДж, как хорошее. Учитывая, что термическое сопротивление обсадных труб по результатам их испытаний до спуска составляло u_т=0,61⋅ч⋅°C/кДж, а значение U_т, полученное при испытании ТОК в скважине отличается не более чем на 7,5%, то и качество крепления можно оценить в целом как удовлетворительное.

Проведенные же исследования стандартными методами показали, что качество цементирования нижней секции удлиненного направления оценивается также как удовлетворительное и в целом качество крепления обсадной двухсекционной колонны интервала с ММП и НП оценивается как удовлетворительное.

Использование данного технического решения позволяет осуществить технический контроль за теплоизолирующей способностью (термическим сопротивлением) цементируемой теплоизолированной обсадной колонны и оценить качество ее цементирования термометрическим методом в ММП и НП, когда другие стандартные геофизические методы (например, акустический) не работают, например, в случае большого диаметра обсадной колонны - 508 мм и более.

Изобретение позволяет осуществлять на скважинах оперативный контроль качества теплоизоляции ТОК непосредственно после ее спуска в скважину при цементировании. Предлагаемое решение позволяет контролировать тепловое взаимодействие скважины с ММП и НП, как в процессе строительства скважины, так и в процессе ее дальнейшей эксплуатации при использовании ТИУ, установленного на скважине.

Проведение непрерывного контроля температуры t_ц1 в цементном кольце на наружной стенке ТОК (при установке на ней кабеля волоконно-оптической термометрии) и, соответственно, его удельного тепловыделения при гидратации позволяет повысить точность определения , а также оценить теплоизолирующую способность ТОК в процессе ее цементирования.

Изобретение позволяет также определить термическое сопротивление теплоизоляции ТОТ в зоне стыков, с учетом того, что теплоизоляция (теплоизолирующая способность колонны) в зоне стыков ТОТ (в местах соединений ТОТ в колонне) может значительно отличаться от теплоизолирующей способности по телу ТОТ, в том числе может быть хуже в зависимости от используемой на скважине технологии теплоизоляции стыков. При контроле теплоизоляции ТОК может быть обнаружен брак в теплоизоляции стыков при креплении.

Зная термическое сопротивление теплоизоляции ТОК по телу ТОТ и в местах их стыков, возможно осуществление полного контроля технического состояния ТОК по их теплоизолирующей способности (по величине U_тн) в скважине.

1. Способ оценки качества цементирования скважины в низкотемпературных породах (НП), оснащенной теплоизолированной обсадной колонной (ТОК) и термоизмерительным устройством (ТИУ), заключающийся в том, что в скважине после ее бурения выделяют различающиеся по условиям участки h_i, где i=[1…n] - номер исследуемого участка, учитывающие устойчивость пород, их кавернозность, поглощающие способности, тепловые условия; перед закачкой цемента на устье скважины производят термометрические исследования, включающие измерение температур отобранных равных объемов проб продавочной жидкости и воды, которые помещают в термос и перемешивают, после чего регистрируют установившуюся температуру смеси продавочной жидкости и воды, определяют объемную теплоемкость продавочной жидкости как:

,

где С_ж - объемная теплоемкость продавочной жидкости, отобранной пробы на устье при закачке в скважину (кДж/м³°С),

С_в - объемная теплоемкость воды, (кДж/м³°С);

t_ж -температура продавочной жидкости на устье скважины, (°С);

t_в - температура воды на устье скважины, (°С);

t_см - температура смеси продавочной жидкости и воды, (°С);

по данным термометрических исследований в процессе цементирования ТОК для каждого выделенного участка h_i ствола скважины определяют количество суммарного тепла Q_жi, перераспределенного между цементным кольцом ТОК и объемом продавочной жидкости, находящейся внутри колонны в границах этого участка:

где t_нжi - температура продавочной жидкости внутри ТОК в границах i-го выделенного участка в начале периода схватывания цемента при цементировании ТОК, (°С);

t_жi-температура продавочной жидкости внутри ТОК в границах i-го выделенного участка после окончания закачки цемента и в период гидратации цемента при цементировании ТОК, (°С);

r_вк - внутренний радиус трубы цементируемой ТОК, (м);

определяют количество тепла Q_кi, необходимого для нагрева внутренней поверхности цементируемой ТОК, в произвольный момент времени проведения исследования после закачки цемента в скважину выделенного i-го участка:

где С_кi - теплоемкость внутренней колонны, (Дж/м³°С);

r_к - внешний радиус трубы цементируемой ТОК, (м);

определяют количество тепла Q_цi, необходимого для нагрева выделенного i-ого участка цементного кольца цементируемой ТОК:

где С_цi - теплоемкость выделенного i-го участка цементного кольца, (Дж/м³°С);

С_нцi -температура на внутренней поверхности цементного кольца в начале периода схватывания цемента, (°С);

t_цi -температура на внешней поверхности выделенного i-го участка цементного кольца в начале периода схватывания цемента, (°С);

r_цi- наружный радиус выделенного i-го участка цементного кольца, (м);

r_ц1i - внутренний радиус выделенного i-го участка цементного кольца, (м);

определяют суммарное удельное тепловыделение q_τцi при гидратации цемента в затрубном пространстве скважины 1 кг тампонажного раствора на момент исследования выделенного i-го участка при цементировании:

где Q_νцi - суммарное выделенное количество тепла при гидратации цементного кольца исследуемого метрового интервала i-го участка;

ρ_ц - плотность тампонажного раствора в затрубном пространстве скважины, (кг/м³);

τ_ц - время проведения исследования при гидратации цемента;

с учетом оценки суммарной величины удельного тепловыделения q_τцi при гидратации цемента в затрубном пространстве определяют показатель коэффициента качества цементирования К_кцi ТОК на глубине h_i выделенного i-го участка;

,

где q_п - предельное суммарное количество удельного тепловыделения, которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении всего затрубного пространства во время цементирования при гидратации в цементном кольце, (Дж/кг);

по полученным значениям показателя коэффициента качества цементирования К_кцi для всех исследуемых i-ых участков обсадной колонны судят о качестве цементирования ТОК в целом:

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно определяют термическое сопротивление теплоизоляции:

где U_тн - термическое сопротивление теплоизоляции по исследуемым интервалам i проведения контроля качества цементирования при спуске ТОК, (м⋅ч °С/кДж); где

Δτ_цj - время проведения текущего исследования в j-й момент времени, где j=1, 2, 3, … , m);

по показателю термического сопротивления судят о качестве крепления исследуемого интервала спуска ТОК, причем качество цементирования в исследованном интервале спуска считают хорошим при значениях термического сопротивления U_тн, отличающихся от регламентируемой величины U_тн изготовленных и испытанных теплоизолированых труб от 5 до 10% с учетом оценки погрешности.