книги / Геофизические исследования скважин

Рис. 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)

>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

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-

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