* * *
Методы ГИС применяются для изучения технического состояния бурящихся, эксплуатационных, нагнетательных и других скважин, т. е. на всех стадиях их использования в горно-геологическом процессе. Основными направлениями изучения технического состояния являются контроль траектории скважины в пространстве (инклинометрия), измерение диаметра и профиля сечения скважины (кавернометрия, профилеметрия), исследование состояния обсадной колонны и цементного камня за обсадной колонной, выделение мест притоков, поглощений и затрубной циркуляции жидкости. Получаемая информация необходима для проходки и завершения строительства скважины, контроля разработки месторождения, проведения ремонтных работ в скважинах, а также интерпретации результатов отдельных геофизических методов.
Скважины проектируются вертикальными, наклонно направленными или горизонтальными. Вертикальная скважина никогда не бывает действительно вертикальной, так как при бурении происходит отклонение ствола скважины от вертикали по причинам геологического и технологического характеров (вскрытия пластов разной твердости, залегающих не горизонтально, изгиба бурильных труб и других причин). Бурение наклонно направленных скважин проводят, когда необходимо вскрыть пласт, удаленный от устья скважины, а расположить оборудование непосредственно над объектом невозможно (например, на заболоченных участках, в зоне вечной мерзлоты, в районах массовой застройки или расположения промышленных объектов); при вскрытии крутопадающих пластов; при кустовом бурении на шельфе (c одной площадки) и других случаях. В последнее время широкое распространение получила сложная технология горизонтального бурения для эксплуатации нефтегазовых месторождений. Одно из существенных ее преимуществ — то, что нефть отбирается из значительно большего по объему участка, чем при традиционной эксплуатации пласта вертикальной скважиной. С другой стороны, можно обойтись значительно меньшим числом скважин, что имеет немаловажное экологическое и экономическое значение. Применение горизонтальной проходки наиболее эффективно при добыче из коллекторов с высокой вертикальной трещиноватостью, из маломощных коллекторов, с целью интенсификации слабопроницаемых пластов и т. д. По тем же причинах, что при вертикальном бурении, траектория наклонно направленной или горизонтальной скважины может отклоняться от проектной. Таким образом, информация о фактическом положении ствола позволяет определить заданное положение забоя, а также глубины залегания и мощности объектов исследования или эксплуатации, выявить участки резких искривлений, осложняющих спуск буровой колонны, аппаратуры и оборудования.
Отклонение оси скважины от заданного направления называют искривлением скважины. Положение оси скважины определяют по двум углам (рис. 7.35):
• углу искривления (Δ) — углу отклонения (наклона) оси от вертикали на разных глубинах. Этот угол также часто называют зенитным углом, или углом кривизны скважины;
• дирекционному углу (α) (направлению отклонения) — углу между горизонтальной проекцией элемента оси скважины и северным концом осевого (или среднего) меридиана, взятому в сторону увеличения глубины скважины.
Плоскость, проходящую через вертикаль и ось скважины в определенном интервале глубин, называют плоскостью искривления. Вместо дирекционного угла α обычно пользуются получаемым непосредственно в результате измерения магнитным азимутом φ — углом, отсчитываемым по ходу часовой стрелки между направлением на магнитный север и горизонтальной проекцией скважины (см. рис. 7.35). Оба угла связаны соотношением: α = φ + γ ± D, где γ — угол сближения (угол между осевым меридианом и меридианом в данной точке; он может быть положительным или отрицательным); D — магнитное склонение (восточное со знаком плюс, западное со знаком минус). Значения γ ± D обычно указываются на картах. Углы измеряют в градусах и минутах.
Рис. 7.35. Проекции участка ствола скважины на горизонтальную (а)
и вертикальную (б) плоскости
Приборы для измерения угла искривления и магнитного азимута называют инклинометрами (от лат. incline — «наклоняю» и «метр»), а метод определения основных параметров (угла и азимута), характеризующих искривление буровых скважин, путем контроля инклинометрами с целью построения фактических координат на разных глубинах скважин — инклинометрией.
Принцип действия большинства инклинометров основан на использовании гравитационных и магнитных полей Земли или гироскопического эффекта, и их можно объединить в две группы. В первую группу входят магнитометрические инклинометры, в которых, условно говоря, для измерения азимута служит магнитная стрелка (буссоль), а для угла искривления — отвес. Ко второй группе относятся более сложной конструкции гироскопические инклинометры, в них в качестве датчика азимута применяют гироскоп, а для контроля угла искривления — отвес или также гироскоп (стабилизатор горизонта). Гироскоп представляет собой быстро вращающийся ротор, который может свободно поворачиваться вокруг трех взаимно перпендикулярных направлений, пересекающихся в его центре тяжести. При вращении гироскоп неизменно сохраняет первоначально заданное направление своей оси (оси ротора) в пространстве, поэтому заданное направление может служить исходным ориентиром измеряемых параметров. Гироскопические инклинометры, в отличие от магнитометрических, позволяют проводить измерения в обсаженных скважинах, а также при аномальном магнитном поле.
Перед измерениями в скважине проверяют правильность работы прибора на поверхности путем согласования его показаний с заданными значениями угла искривления и азимута (градуировка зонда). Далее инклинометры опускают в скважину на кабеле с центрирующими устройствами или транспортируют буровым инструментом. Определение искривления скважины проводят при подъеме или спуске прибора в точках через 20–25 м в вертикальных скважинах и 5–10 м в наклонно направленных или горизонтальных. Современные гироскопические инклинометры позволяют измерять угол искривления с погрешностью не более ±0,1°, азимут — ±1° (до 70° зенитного угла). Показания датчиков инклинометров преобразуются в электрический сигнал и по кабелю передаются на поверхность или могут быть автономно записаны в приборе. Первичные данные представляют собой таблицу, строки которой содержат глубину, определенную, например, по каротажному кабелю, и углы искривления и магнитного азимута, измеренные на этой глубине. При расчетах траектории ствола ось X выбирают по направлению северного конца осевого меридиана, ось Y — на восток, ось Z — вертикально вниз, начало координат по горизонтали полагают в устье скважины, а по вертикали — на альтитуде скважины (высоте устья скважины над уровнем моря). В результате можно, например, построить инклинограмму — проекцию ствола скважины на горизонтальную плоскость (рис. 7.36). Ее получают последовательным соединением проекций отдельных интервалов, начиная с наименьшей глубины. Так, горизонтальная проекция интервала i, отклоненного от вертикали на угол искривления Δi, равна: ∆li = lisin(Δi), где li = hi – hi–1 — длина интервала; hi и hi–1 — глубины начальной (верхней) и нижней (конечной) точек наблюдений. Соединяя начальную и конечную точки инклинограммы, получают отрезок, показывающий общее смещение забоя скважины от вертикали. Подобным образом можно построить проекцию ствола скважины на вертикальную плоскость. Результаты инклинометрии представляют также в виде таблицы следующих значений, соответствующих точкам измерений: глубины; углов искривления, магнитного азимута, дирекционного; декартовых координат; смещений от устья скважины по горизонтали, удлинений ствола скважины (разница между глубиной и z-координатой, взятой со знаком минус) и некоторых других.
Рис. 7.36. К построению инклинограммы
Кроме изучения траектории ствола скважины инклинометры помогают определять элементы залегания пластов, т. е. углы и азимуты падения пластов, являясь составной частью пластовых наклономеров (см. 7.2.8).
7.7.2. Кавернометрия и профилеметрия
При бурении скважины ее диаметр, в общем, может значительно отличаться от окружности и диаметра долота. Диаметр долота принимают за номинальный диаметр скважины (dН). Метод ГИС, предназначенный для измерения фактического (усредненного) диаметра скважины (dС), называют кавернометрией, соответствующий прибор — каверномером, а диаграмму изменения диаметра — кавернограммой. Метод ГИС, предназначенный для изучения профиля скважины — сечения, перпендикулярного оси скважины, называют профилеметрией, а соответствующий прибор — профилемером.
Изменение dС с глубиной, как и профиль скважины, зависят от литолого-петрографических свойств горных пород и технологии бурения, они могут также меняться со временем. Номинальный диаметр (dС = dН) сохраняется в плотных непроницаемых породах. Уменьшение диаметра (dС < dН) обычно наблюдается напротив проницаемых пластов. Из-за превышения скважинного давления над пластовым фильтрат бурового раствора проникает в пласт и в результате на стенке скважины образуется глинистая корка. Это может служить признаком коллектора, однако следует учитывать, что при очень большом перепаде давлений глинистая корка может образоваться и напротив слабопроницаемых пород. Увеличение диаметра (dС > dН), сопровождающееся, как правило, образованием каверн, имеет место напротив глин, аргиллитов, каменной соли, трещиноватых и кавернозных известняков. Несоответствие профиля необсаженной скважины окружности может свидетельствовать о наличии желобов, под которыми понимают существенное отклонение профиля скважины от окружности. Желоба образуются в процессе бурения, при спуско-подъемных операциях бурового инструмента в результате воздействия его замковых соединений на искривленный ствол скважины.
Существуют каверномеры с механическими и акустическими измерительными системами.
Механический каверномер (рис. 7.37) состоит из трех или четырех рычагов 1, расположенных вокруг корпуса прибора через одинаковые углы (90° или 120°) и прижимаемых пружинами 2 к стенкам скважины, и реостата 4, ползунок которого через толкатели 3 связан с рычагами. Перемещение рычагов вызывает изменение сопротивления реостата 4, пропорциональное среднему диаметру скважины, т. е. диаметру окружности, описывающей наиболее удаленные от оси прибора точки измерительных рычагов или удвоенное среднее значение величины расстояний указанных точек от оси прибора.
Рис. 7.37. Схема конструкции механического каверномера (пояснения в тексте)
В механических профилемерах рычажные щупы располагают попарно в нескольких вертикальных плоскостях через одинаковые углы, однако сигналы от каждой пары регистрируют отдельно. Так как конструкции каверномеров и профилемеров в принципе одинаковы, то на практике часто изучение диаметра и профиля скважины проводят одновременно с помощью каверномера-профилемера, имеющего две пары рычагов. Такой прибор обеспечивает измерение четырех независимых радиусов скважины с последующим вычислением двух взаимно перпендикулярных диаметров, большого (dС,Б) и малого (dС,М), и среднего диаметра (dС) (рис. 7.38). В общем случае знания величин dС,Б и dС,М недостаточно для однозначной приближенной оценки профиля. Однако экспериментально установлено, что при произвольном вращении прибора, как правило, одна из пар занимает положение, соответствующее ее максимально возможному раскрытию, что способствует однозначности замера. При выявлении длинных желобов для их изучения применяют профилемеры с количеством пар более четырех и учитывают ориентацию прибора. Приборы необходимо центрировать в скважине, при их опускании рычаги складывают, а в начале измерений — раскрывают с помощью электрического сигнала с поверхности. Погрешность измерения каверномером трубы диаметром 200–300 мм не больше 2 мм.
Рис. 7.38. Выделение желобов в скважине (по Е. М. Пятецкому):
1 — песчаник; 2 — глина; 3 — аргиллит
(профилеграммы зарегистрированы с разрывом в один месяц)
Измерительные системы акустических каверномеров и профилемеров подобны скважинному акустическому телевизору (см. 7.4.2, метод акустического каротажа на отраженных волнах), однако работают на принципе акустической импульсной эхолокации. Электроакустические преобразователи, выполненные из пьезоэлектрика и расположенные равномерно по окружности корпуса прибора, работают попеременно в режиме излучения импульсов с рабочей частотой 200–500 кГц и приема. В результате регистрируются времена распространения волн от излучателя до стенки скважины и обратно. По этим временам, зная скорость акустической волны в скважинной жидкости, нетрудно определить расстояние до стенки скважины от каждого излучателя и, соответственно, оценить средний диаметр скважины или изучить ее профиль. Преимущество акустических систем заключается в том, что в них исключены сложные кинематические и гидравлические узлы, характерные для механических приборов. Недостаток — большое затухание высокочастотных волн в вязкой ПЖ или при наличии газа в скважинной жидкости.
Кавернометрию используют для решения следующих задач: расчета объема цемента, требующегося для заполнения затрубного пространства при цементировании скважины; контроля состояния ствола скважины в процессе бурения; интерпретации результатов отдельных методов ГИС (например, ЯФМ, МБК); выявления коллекторов по наличию глинистой корки и других.
Профилеметрию применяют для выявления желобов, которые часто встречаются; более точного расчета объема затрубного пространства; интерпретации результатов качества цементометрии скважин.