Способ мониторинга качества и герметичности цементирования скважины
METHOD FOR MONITORING THE QUALITY AND TIGHTNESS OF WELL CEMENTING

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может найти применение при исследовании качества цементирования элементов конструкции скважины. Используемый в дальнейшем при характеристике разработанного способа термин «эластомер» в рамках настоящей заявки означает полимер, обладающий высокоэластичными свойствами и вязкостью.
Известен (RU, патент 2055176, опубл. 27.02.1996) акустический способ диагностики качества цементного кольца за кондуктором скважины, основанный на принципе использования самой колонны кондуктора скважины в качестве волновода для распространения зондирующих акустических импульсов и отраженных от неоднородностей системы металл - цемент - порода вторичных сигналов, несущих информацию о состоянии заколонного цемента. При этом излучатель и приемник акустических сигналов размещают на верхнем торце исследуемого кондуктора, что обеспечивает высокую оперативность проведения исследований, не требующих разгерметизации скважины и спуска в ее внутреннее пространство какого-либо оборудования.
Основной недостаток способа связан с тем, что он не позволяет различать вторичные сигналы, поступающие как от нарушений сцепления в системе металл - цемент, так и в системе цемент - порода. Кроме того, применение сравнительно высоких рабочих частот (от 10 до 40 кГц) ограничивает глубину применения способа величиной порядка 400 м.
Известен (RU, патент 2315180, опубл. 20.01.2008) способ определения химического состава флюида в процессе бурения и добычи, заключающийся в том, что а) осуществляют сбор образцов скважинных флюидов из заданных точек отбора флюидов, где скважинные флюиды протекают или хранятся, Ь) вводят указанные образцы в микрофлюидальную систему для химического измерения, включающую по меньшей мере одно микрофлюидальное устройство, содержащее чип, имеющий по меньшей мере один вход для введения тестируемого образца, по меньшей мере один микрофлюидальиый канал и по меньшей мере три полости, с) выполняют один или несколько выбранных тестов на указанном микрофлюидальном устройстве, d) используют средство для детектирования результатов тестов и формирования данных, характеризующих результаты.
Недостатком известного способа следует признать неприменимость его к мониторингу цементирования скважины.
Известен (RU, патент 223840, опубл. 20.10.2004) акустический способ контроля качества цементирования элементов конструкции скважины, основанный на комбинации эхо- и зеркально-теневого методов. Способ виброакустическойцементометрии сводится к возбуждению продольных звуковых волн в длинной стальной трубе, окруженной с внешней стороны цементным камнем. Продольные звуковые волны в стальной трубе представляют собой механические волны сжатия-расширения, распространяющиеся вдоль трубы. Применен принцип распространения зондирующих акустических импульсов и регистрации отраженных от неоднородностей системы металл - цемент - порода вторичных сигналов, несущих информацию о состоянии заколонного цемента с использованием двух рабочих частот 2 кГц и 5 кГц. Затухание звуковой волны сильнее при хорошем сцеплении металла с цементом и ослабевает при отсутствии сцепления. Наличие сигналов от дефектов цементирования проявляется в отклонении их амплитуд от линии огибающей (средней) линии зарегистрированных приемником сигналов. Излучатель и приемник акустических сигналов размещают параллельно друг другу на верхнем торце исследуемого кондуктора.
Существенным недостатком этого способа является то обстоятельство, что на цементограмме отражаются лишь интервалы нарастания амплитуды отраженного сигнала, информация о ниспадающей части амплитудных пиков утрачивается, уходя в отрицательные значения первой производной, не отражаемые на результирующей цементограмме. Следствием этого является неполное отражение информации в представляемом результате - цементограмме, на которой отмечаются лишь головные части дефектов заколонного цемента.
Указанный патент принят в качестве ближайшего аналога.
Техническая проблема, решаемая использованием разработанного способа, состоит в обеспечении контроля качества цементирования, а так же в возможности мониторинга цементирования элементов скважины.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, заключается в улучшении качества цементирования, образования и отслеживания меток, получении качественных и количественных показателей изоляции ствола скважин в реальном времени без проведения остановок, дополнительных работ и исследований.
Для достижения указанного технического результата предложено для мониторинга качества и герметичности цементрирования скважины, в цементный или тампонажный раствор добавляют трассеры-метки или маркеры, содержащиеся в полимерной предпочтительно, эластомерной, матрице,способной менять свои физические свойства или растворяться при контакте со скважинным флюидом в зависимости от условий строительства, эксплуатации и условий в призабойной зоне скважины с выделением или прекращением выделения трассеров-меток из носителя и регистрацией трассеров-меток на выходе скважины, по зарегистрированным данным судят о качестве и герметичности цементрирования скважины.
Заявителю не известен источник информации, в котором был бы раскрыт способ мониторинга качества и герметичности цементрирования скважины с использованием маркеров.
В некоторых вариантах реализации разработанного способа трассеры-метки добавляют к цементному или тампонажному раствору в составе включений в полимерной матрице, представляющей собой эластомер, способный разбухать, при этом герметизируя трещины и поры в цементном камне, тем самым прекращая выделение трассеров-меток.
Также в некоторых вариантах реализации разработанного способа маркеры (трассеры-метки) в составе разбухающей в пластовом флюиде полимерной матрицы добавляют совместно с маркерами в составе с растворяющейся в пластовом флюиде полимерной матрицы.
Иногда используемый в качестве добавки к цементному или тампонажному раствору эластомер сам является маркером, точнее его частицы.
В некоторых вариантах реализации разработанного способа используемый в качестве добавки к цементному или тампонажному раствору эластомер способен выделять метки за счет диффузии или за счет осмоса. В некоторых вариантах реализации разработанного способа трассеры-метки добавляют к цементному или тампонажному раствору в составе включений в полимерной матрице, представляющей собой полимер, способный растворяться только в воде, только в нефти или газе.
Также в некоторых вариантах реализации разработанного способа при цементировании различных участков скважины добавляют различные маркеры или трассеры-метки для идентификации интервала негерметичности, плохого качества цементирования или заколонных/межколонных перетоков.
Способ может быть реализован путем введения в цементный или тампонажный раствор на стадии замеса сухих компонентов каучуковых микросфер в состав которых входят трассеры метки любого типа.
Поскольку каучуки хорошо растворимы в нефти, то выделившиеся из микросфер трассеры-метки легко могут по стандартной технологии работы с трассерами-метками в скважинной флюиде.
Каучуковые микросферы могут и сами выполнять функции трассеров-меток. В этом случае для обнаружения каучуковых микросфер могут быть использованы методы спектрального анализа выделенных из скважинного флюида частиц.
Использование каучуковых микросфер имеет и дополнительное преимущество при мониторинге качества и герметичности цементрирования скважины, поскольку набухающие при контакте с нефтью каучуковые микросферы закрывают микротрещины с цементном камне.
Нефтяные компании постоянно сталкиваются с проблемами оптимизации добычи, уменьшения обводненности добываемой жидкости, проблемами различных внутрискважинных перетоков, которые чаще всего связанны с недостаточным качеством тампонажных работ. В свою очередь это приводит к некачественному разобщению пластов, требует дорогостоящих методов устранения последствий такого некачественного цементирования, и в итоге снижает ожидаемый экономический эффект разработки такой скважины.
Поскольку цементирование скважины является неотъемлемой и критически важной частью технологического процесса строительства скважины, многие компании работают в направлении разработки методов повышения качества цементирования.
В составе цементного раствора в качестве добавки с маркерами может так же использоваться разбухающий в воде эластомер, с целью ограничения или полного прекращения перетоков воды в трещинах, неизбежно возникающих в цементном камне. А использование маркирующих добавок при проведении тампонажных работ даст дополнительную возможность оперативно определить интервалы скважины, в которых возникли нарушения целостности цементного камня и как следствие перетоки или прорывы воды в добывающие скважины. По мере того, как эластомер будет разбухать и перекрывать трещины. По которым поступает вода, маркерные вещества перестанут вымываться и позволят проследить процесс изоляции.
Система цементирования с включением частиц или кластеров набухающих в воде эластомеров и маркеров в состав цементной смеси, является контролем качества изоляции колонн и контролем наличия межколонных перетоков, может определять качество цементных мостов, выявлять интервалы прорыва воды по цементному камню в горизонтальные скважины для их последующей изоляции.
Применение маркеров может также успешно использоваться при строительстве многозабойных скважин, где различные маркеры могут добавляться как при установке цементного моста, перед зарезкой бокового ствола, так и в каждый боковой ствол. Применение такого подхода в этом случае может быть особенно оправданно, так как даст точное понимание состава добываемого флюида из каждого ствола, т.к. проведение ГИС в многоствольных скважинах является гораздо более дорогой операцией, по сравнению со стандартным комплексом работ.
Еще одним способом включения маркеров в состав цементной или тампонажной смеси является включение маркеров в составе полимерных матриц, которые могут растворяться только в воде или только нефти. При этом, при цементировании различных участков скважины могут включаться различные по свойствам маркеры. Например, включения в виде сфер могут растворяться когда поступает вода, при этом интервал в пяточной зоне при цементировании был оснащен маркером красного цвета в составе полимерной матрицы, растворимой в воде, а интервал в носочной зоне скважины оснащен маркером зеленого цвета. При взятии проб добываемого флюида на устье скважины и обнаружении маркера красного цвета, можно сделать однозначный вывод о том, что существуют трещины в цементном камене в пяточной зоне и по этим трещинам поступает вода. Необходимо планировать ремонтно-изоляционные работы в пяточной зоне соответственно.