способ контроля технического состояния скважин в многолетнемерзлых породах

Формула изобретения

1. Способ контроля технического состояния скважин в многолетнемерзлых породах, включающий исследование разреза криолитозоны скважины на льдистость, просадочность многолетнемерзлых пород и кавернозность ствола с выделением в разрезе современных и реликтовых многолетнемерзлых пород и определение качества цементирования перекрывающих криолитозону обсадных колонн, отличающийся тем, что исследование на льдистость разреза криолитозоны скважины осуществляют при температуре многолетнемерзлых пород, которая ниже в современных многолетнемерзлых породах или равна в реликтовых ММП температуре фазового перехода лед-вода в породах на глубине проведения исследования разреза криолитозоны, при этом обводненные породы выявляют при кажущемся электрическом сопротивлении (КЭС) 5-7 Ом·м при значении льдистости m=0 кг/м ³, мерзлые, просадочные породы с показателем льдистости m 3 кг/м³ выявляют по величине КЭС 20 Ом·м, охлажденные талые многолетнемерзлые породы с показателем льдистости m<3 кг/м³ выявляют с учетом КЭС, лежащих в промежутке значений от 7 до 20 Ом·м, а подошву границы залегания многолетнемерзлых пород выявляют по показателю льдистости m=3 кг/м³, после этого регистрируют просадочные породы с показателем льдистости m 180-250 кг/м³ и после исследования кавернозности ствола скважины выделяют кавернозные породы, подверженные обвалу при оттаивании, далее определяют суммарную толщину кавернозных, просадочных многолетнемерзлых пород в верхней и нижней частях разреза криолитозоны скважины, а также протяженность и толщину пород с незаполненными цементом кавернами, после этого определяют суммарную толщину кавернозных, просадочных многолетнемерзлых пород, их просадочность при оттаивании пород в верхней и нижней частях разреза криолитозоны скважины, а также критическую длину конструкции скважины L_кр по продольной устойчивости, после чего определяют критерий аварийной опасности (КАО) скважины, соответствующий степени опасности по возможной потере конструкцией скважины продольной устойчивости, из следующих выражений: (1) и (2)

где К_пм - суммарная просадочность в верхней части разреза (индекс верх) многолетнемерзлых пород и нижней части (индекс низ) по скважине;

К _пмi - просадочность, рассчитываемая по отдельным пропласткам i (i=1, 2, 3, ..., n) с различной льдистостью m _i в разрезе многолетнемерзлых пород;

_пмi - относительная деформация _пмi=f(m_i) просадки многолетнемерзлых пород пласта "i" с льдистостью m _i, которая при оттаивании определяется как отношение разности толщин пласта в мерзлом состоянии и после его оттаивания к толщине мерзлого пласта;

H_i - толщина отдельных просадочных пластов i (i=1, 2, 3 ..., n) с различной льдистостью m_i в разрезе многолетнемерзлых пород;

(Н_пм·К_пм) _верх, (Н_пм·К _пм)_низ, (Н_кав )_вер, (Н_кав) _низ - соответствующие произведения суммарной толщины Н _пм в разрезе просадочных многолетнемерзлых пород с m 250 кг/м³ и их суммарной просадочности К_пм в верхней части разреза многолетнемерзлых пород, с индексом "верх", куда достигает производимая с поверхности отсыпка песком образующихся провалов в оттаивающих кавернозных, просадочных многолетнемерзлых породах вокруг скважины с поверхности, и произведение соответствующих величин Н _пм·К_пм в нижней части с индексом "низ", куда не достигает отсыпка с поверхности, и суммарные толщины Н_кав кавернозных, с коэффициентом кавернозности более 1,22 по диаметру, пород с льдистостью m<250 кг/м³ в верхней и нижней частях разреза многолетнемерзлых пород с незаполненными цементом кавернами;

В - эмпирический поправочный коэффициент, учитывающий промысловые данные, равный 0,05-0,10;

А - эмпирический коэффициент, учитывающий степень аварийной опасности по скважине при образовании провалов в верхней части многолетнемерзлых пород, а также количество и объемы произведенных отсыпок образовавшихся провалов в многолетнемерзлых породах, принимаемый равным 1,0 при отсутствии отсыпок провалов на устье или менее 1,0 согласно расчету (2) при произведенных фактических отсыпках провала в объеме V_отф ;

V_отф - значение фактического суммарного объема произведенных отсыпок на устье скважины, образовавшихся провалов на момент контроля технического состояния скважины;

V_пр - значение прогнозной оценки объема провала вокруг скважины в верхнем отсыпаемом интервале на момент исследования скважины по техническому состоянию в интервале просадочных, кавернозных пород разреза многолетнемерзлых.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при значении КАО больше 0,5 наблюдают за процессом развития провалов при оттаивании многолетнемерзлых пород на скважине, измеряя диаметр и/или глубину провалов, образующихся на устье скважины и на глубине, и по значениям диаметра и/или глубины провалов вокруг скважины, в том числе при обеспечении проходимости измерительного прибора на возможно большую глубину, прогнозируют объемы образующихся провалов, как прилегающих к поверхности скважины в ее верхней, так и в нижней частях разреза скважины, производят отсыпку образовавшихся провалов вокруг скважины с поверхности не реже одного-двух раз в год, регистрируют возможную подвижку колонн, например, их опускание относительно поверхности, и при регистрации подвижки колонн прекращают эксплуатацию скважины, снижают нагрузки, действующие на конструкцию скважины, и осуществляют мероприятия по повышению продольной устойчивости конструкции скважины с учетом определенных значений критерия аварийной опасности скважины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности и может быть использовано, в частности, для выбора конструкций скважин, контроля качества строительства и технического состояния скважин при их строительстве и эксплуатации в многолетнемерзлых породах (ММП).

В процессе строительства и эксплуатации газовых месторождений в многолетнемерзлых породах необходимо обеспечить достаточную продольную устойчивость конструкции скважины в просадочных, кавернозных многолетнемерзлых породах с учетом детального строения криолитозоны по льдистости, просадочности, кавернозности для предотвращения потери конструкцией продольной устойчивости при протаивании многолетнемерзлых пород.

Существуют различные методы и способы предотвращения потери скважиной продольной устойчивости в ММП и контроля за техническим состоянием скважин (см., РД 2.1-142-2005, "Методика расчета допустимых значений параметров конструкций скважин, температурного режима их эксплуатации, технических решений по обеспечению устойчивости и целостности устья и обсадных колонн". - М.: ООО "ИРЦГазпром", 2005, 26 с. или ВРД 39-1.9-015-2000, "Руководство по термометрическим методам контроля качества строительства, крепления скважин в многолетнемерзлых и низкотемпературных породах", М.: ООО "ВНИИГАЗ", ООО "ИРЦ Газпром", 2001, 63 с.

Однако эти методы предотвращения потери скважины продольной устойчивости в многолетнемерзлых породах и контроля за техническим состоянием скважин не используют в полной мере данные по детальному строению многолетнемерзлых пород с выделением просадочных, кавернозных многолетнемерзлых пород и недостаточно обосновывают выбор конструкции скважины, методы предотвращения потери устойчивости и соответственно, методы контроля технического состояния скважин в конкретных геокриологических условиях.

В методиках также используются одинаковые средние оценки осадки (просадки) по разным скважинам, кустам на месторождениях. Однако использование средней осадки (просадки ММП) по всем кустам месторождения в верхнем интервале многолетнемерзлых пород проводится без выделения в разрезе просадочных многолетнемерзлых пород и без учета соответственно детальных глубинных геокриологических условий при определении длины L_нк участка конструкции скважины, который может оказаться при растеплении мерзлых пород неподкрепленным породой с боков. Критическая длина L_кр конструкции скважины на продольную устойчивость должна превышать L_нк. При этом для всех участков месторождения используется одна конструкция скважин. Существенный недостаток этого способа заключается в том, что не учитываются величины просадочности К _пм разрезов многолетнемерзлых пород, толщины просадочных - Н_пм и Н_кав - кавернозных многолетнемерзлых пород, которые по разным эксплуатационным кустам, скважинам месторождения существенно меняются.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ контроля технического состояния скважин в многолетнемерзлых породах, включающий исследование разреза криолитозоны скважины на льдистость, просадочность многолетнемерзлых пород и кавернозность ствола с выделением в разрезе современных и реликтовых многолетнемерзлых пород и определение качества цементирования перекрывающих криолитозону обсадных колонн (см. Методика учета геокриологических условий при выборе конструкций эксплуатационных скважин, М.: ООО "ВНИИГАЗ", 2003, 63 с.).

Однако в методике не предлагается конкретный способ оценки учета влияния просадочности, кавернозности разреза ММП на продольную устойчивость конструкции скважины и не дается оценка опасности потери скважиной продольной устойчивости при оттаивании ММП и развитии вокруг нее провалов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение достоверности в оценке технического состояния скважин по продольной устойчивости конструкции скважины при оттаивании многолетнемерзлых пород.

Техническим результатом от использования описываемого способа контроля является повышение надежности эксплуатации скважин в просадочных и кавернозных многолетнемерзлых породах.

Поставленная задач решается, а технический результат достигается за счет того, что способ контроля технического состояния скважин в многолетнемерзлых породах включает исследование разреза криолитозоны скважины на льдистость, просадочность многолетнемерзлых пород и кавернозность ствола с выделением в разрезе современных и реликтовых многолетнемерзлых пород и определение качества цементирования перекрывающих криолитозону обсадных колонн, причем исследование на льдистость разреза криолитозоны скважины осуществляют при температуре многолетнемерзлых пород, которая ниже в современных многолетнемерзлых породах или равна в реликтовых ММП температуре фазового перехода лед - вода в породах на глубине проведения исследования разреза криолитозоны, при этом обводненные породы выявляют при кажущемся электрическом сопротивлении (КЭС) 5-7 Ом·м при значении льдистости m=0 кг/м ³, мерзлые, просадочные породы с показателем льдистости m 3 кг/м³ выявляют по величине КЭС 20 Ом·м, охлажденные талые многолетнемерзлые породы с показателем льдистости m<3 кг/м³ выявляют с учетом КЭС, лежащих в промежутке значений от 7 до 20 Ом·м, а подошву границы залегания многолетнемерзлых пород выявляют по показателю льдистости m=3 кг/м³, после этого регистрируют просадочные породы с показателем льдистости m 180-250 кг/м³ и после исследования кавернозности ствола скважины выделяют кавернозные породы, подверженные обвалу при оттаивании, далее определяют суммарную толщину кавернозных, просадочных многолетнемерзлых пород в верхней и нижней частях разреза криолитозоны скважины, а также протяженность и толщину пород с незаполненными цементом кавернами, после этого определяют суммарную толщину кавернозных, просадочных многолетнемерзлых пород, их просадочность при оттаивании пород в верхней и нижней частях разреза криолитозоны скважины, а также критическую длину конструкции скважины по продольной устойчивости, после чего определяют критерий аварийной опасности (КАО) скважины, соответствующий степени опасности по возможной потере конструкцией скважины продольной устойчивости, из следующих выражений: (1) и (2)

где К_пм - суммарная просадочность в верхней части разреза (индекс верх) многолетнемерзлых пород и нижней части (индекс низ) по скважине;

К _пмi - просадочность, рассчитываемая по отдельным пропласткам i (i=1, 2, 3, ..., п) с различной льдистостью m _i в разрезе многолетнемерзлых пород;

_пмi - относительная деформация _пмi=f(m_i) просадки многолетнемерзлых пород пласта "i" с льдистостью m _i, которая при оттаивании определяется как отношение разности толщин пласта в мерзлом состоянии и после его оттаивания к толщине мерзлого пласта;

Н_i - толщина отдельных просадочных пластов i (i=1, 2, 3 ..., n) с различной льдистостью m_i в разрезе многолетнемерзлых пород;

(Н_пм·К_пм) _верх, (Н_пм·К _пм)_низ, (Н_кав )_вер, (Н_кав) _низ - соответствующие произведения суммарной толщины Н _пм в разрезе просадочных многолетнемерзлых пород с m 250 кг/м³ и их суммарной просадочности К_пм в верхней части разреза многолетнемерзлых пород, с индексом "верх", куда достигает производимая с поверхности отсыпка песком образующихся провалов в оттаивающих кавернозных, просадочных многолетнемерзлых породах вокруг скважины с поверхности, и произведение соответствующих величин Н _пм·К_пм в нижней части с индексом "низ", куда не достигает отсыпка с поверхности, и суммарные толщины Н_кав кавернозных, с коэффициентом кавернозности более 1,22 по диаметру, пород с льдистостью m<250 кг/м³ в верхней и нижней частях разреза многолетнемерзлых пород с незаполненными цементом кавернами;

В - эмпирический поправочный коэффициент, учитывающий промысловые данные, равный 0,05-0,10;

А - эмпирический коэффициент, учитывающий степень аварийной опасности по скважине при образовании провалов в верхней части многолетнемерзлых пород, а также количество и объемы произведенных отсыпок образовавшихся провалов в многолетнемерзлых пород, принимаемый равным 1,0, при отсутствии отсыпок провалов на устье или менее 1,0 согласно расчету (2) при произведенных фактических отсыпках провала в объеме V_отф ;

V_отф - значение фактического суммарного объема произведенных отсыпок на устье скважины, образовавшихся провалов на момент контроля технического состояния скважины;

V_пр - значение прогнозной оценки объема провала вокруг скважины в верхнем отсыпаемом интервале на момент исследования скважины по техническому состоянию в интервале просадочных, кавернозных пород разреза многолетнемерзлых.

В данном способе контроля технического состояния скважин в многолетнемерзлых породах исследуется разрез криолитозоны на льдистость, просадочность, кавернозность с определением толщин просадочных, кавернозных пород в разрезе, в том числе просадочность и толщины просадочных многолетнемерзлых пород в верхней части, в нижней части разреза многолетнемерзлых пород и суммарные. Исследование разреза многолетнемерзлых пород на льдистость проводят по данным стандартного каротажа с обработкой этих данных методом "MOCK" по определенным корреляционным зависимостям m=f(КЭС). По определенной льдистости пород, разреза ММП оценивают их просадочность. Определяют расчетным методом критическую L_кр длину конструкции скважины, при неподкреплении которой породой она потеряет продольную устойчивость при оттаивании многолетнемерзлых пород, и рассчитывают коэффициент КАО, по величине которого определяют техническое состояние скважины, уровень аварийной опасности (УАО) по продольной устойчивости конструкции и по величине КАО=0,70-1,10 отмечают повышенный уровень аварийной опасности (особо опасный уровень - ОО) или при КАО>1,10 аварийный уровень (АО), при которых должны приниматься меры по повышению продольной устойчивости конструкции (своевременная отсыпка провалов, образовавшихся в оттаявших многолетнемерзлых породах, снижение нагрузок, действующих на конструкцию, в том числе с остановкой эксплуатации скважины, подвеской ее конструкции на устье и др. мероприятия).

При разбуривании месторождения на кустах с выявленной повышенной просадочностью, кавернозностью разрезов многолетнемерзлых пород и определенном опасном уровне (ОО, АО) в случае применения облегченной двухколонной конструкции (например, кондуктор диаметром 245 мм, эксплуатационная колонна диаметром 168 мм) необходимо использовать более тяжелую конструкцию с перекрытием просадочных, кавернозных многолетнемерзлых пород дополнительной обсадной колонной (например, диаметром 324 мм) или использовать облегченную конструкцию, но предотвращать оттаивание многолетнемерзлых пород при эксплуатации, например, за счет ее теплоизоляции или снижать нагрузки, действующие на конструкцию (ее подвеска; расширение ствола в верхнем просадочном, кавернозном интервале с увеличением толщины цементного кольца и полноты заполнения цементом каверн и др. мероприятия).

Для выявления участков по площади месторождения со сложными мерзлотными (геокриологическими) условиями, влияющими на выбор конструкции скважины, на ее техническое состояние, в том числе по продольной устойчивости конструкции, в многолетнемерзлых породах строят по результатам проведенных исследований на льдистость и просадочность разрезов многолетнемерзлых пород специальные карты-схемы по просадочности разрезов многолетнемерзлых пород, по глубинам залегания подошвы многолетнемерзлых пород, наличию пластовых льдов, льдогрунтов на скважинах, эксплуатационных кустах месторождения.

На фиг.1 и 2 приведены результаты исследования разреза многолетнемерзлых пород на льдистость, просадочность, кавернозность для определения по геокрилогическим условиям разреза критерия аварийной опасности (КАО). При этом при КАО=0-0,10 отмечается неопасный уровень, при 0,10-0,30 - уровень допустимой опасности, при 0,30-0,50 - умеренной опасности, при 0,50-0,70 - повышенной, а при 0,70-1,10 - особо опасный и при более 1,10 - аварийный для конструкции скважины в выявленных геокриологических условиях глубинного разреза многолетнемерзлых пород.

На фиг.1, 2 дается номинальный диаметр скважины (позиция 1), диаметры каверн (позиция 2), льдистость (позиция 3) и глубина (позиция 4) залегания подошвы верхних просадочных многолетнемерзлых пород. По кавернозности пород рассчитывается коэффициент кавернозности К_кав по диаметру (К_кав - отношение диаметра каверн к номинальному диаметру ствола, к диаметру долота) по скважине. Выделяются в разрезе многолетнемерзлых пород просадочные мерзлые породы с льдистостью m 250 кг/м³ и определяется их просадочность и толщина.

Просадочные породы с высокой льдистостью обычно выявляются в верхней части разреза в современных многолетнемерзлых породах, существующих в современных климатических условиях. Так в ходе исследования в ряде скважин (см. фиг.1 и 2) эти породы выявлены до глубин соответственно 136 и 110 м (подошва залегания современных ММП), а ниже залегают малольдистые, талые породы, что характерно для реликтовых многолетнемерзлых пород, в настоящее время протаивающих и исчезающих. Границы залегания этих пород выявляются по льдистости и данным термометрии по величинам отрицательных температур и их градиентам в многолетнемерзлых породах.

Исследования разрезов на льдистость проводятся методом специальной обработки данных стандартного каротажа ("MOCK") по полученным корреляционным зависимостиям m=f(КЭС). Определяется по результатам исследования разреза многолетнемерзлых пород суммарная просадочность и толщина просадочных многолетнемерзлых пород с льдистостью m 250 кг/м³, а также суммарная толщина Н_кав кавернозных пород с коэффициентом кавернозности более 1,2 по диаметру, включая многолетнемерзлые породы с льдистостью m<250 кг/м³ и талые породы прилегающих к просадочным породам с m 250 кг/м³.

Ствол скважины с отмеченными кавернами (К_кав 1,2) исследуется на полноту заполнения каверн цементом с выявлением незаполненных цементом каверн и с определением качества цементирования обсадной колонны в многолетнемерзлых породах, в криолитозоне. Исследование качества цементирования проводится, например, с использованием комплексного метода: акустического и термометрического, в том числе с определением высоты подъема цемента за колонной и полноты заполнения каверн цементом.

С учетом данных исследований разреза многолетнемерзлых пород и определенной критической длины L_кр конструкции скважины по продольной устойчивости определяется уровень аварийной опасности по скважине при оттаивании многолетнемерзлых пород при ее эксплуатации. Так, например, конструкции эксплуатационных скважин в многолетнемерзлых породах включают кондуктор, спускаемый до глубины 550 м и перекрывающий многолетнемерзлые породы, эксплуатационную колонну диаметром 168 мм и оборудуются лифтовыми трубами диаметром 114 мм. Для отмеченной конструкции критическая длина по продольной устойчивости в случае отсутствия подкрепления ее со стороны пород составляет не более L_кр=30 м.

При определении технического состояния скважин № 1 и 2 (см. фиг.1, 2) выделены просадочные породы с m 250 кг/м³ только в верхнем интервале до глубины 131 м (скв. № 1) и до глубины 107,4 м (скв. № 2), а глубже просадочные породы с m 250 кг/м³ в нижнем разрезе многолетнемерзлых пород по скважинам не выявлены. По скважинам отмечена значительно более высокая кавернозность ствола в многолетнемерзлых породах, имеющих повышенную льдистость по сравнению с таломерзлыми, талыми и охлажденными породами, где льдистость незначительна m 18 кг/м³ или лед полностью отсутствует. Глубина залегания подошвы многолетнемерзлых пород по скважине № 1 составила 325 м и скважине № 2 - 342 м, а обводненные пласты выявлены по скважине № 2 на глубинах 138,0 м - 144,6 м, 150,8 м - 214,2 м и 343,0 м - 346,8 м.

Наиболее высокая кавернозность ствола выявлена по скважинам в просадочных многолетнемерзлых породах и в породах с повышенной льдистостью m 30-100 кг/м. Неполное заполнение цементом каверн и рост каверн в многолетнемерзлых породах при протаивании просадочных мерзлых пород приводит к тому, что конструкции скважин не имеют надежной опоры на просадочные, кавернозные породы и могут потерять продольную устойчивость в просадочных, кавернозных многолетнемерзлых пород.

Просадочность К_пм отдельных пластов многолетнемерзлых пород и суммарная просадочность разреза многолетнемерзлых пород (см. фиг.1, 2) определялась согласно зависимости (2). Относительная деформация _пмi=f(m_i) просадки отдельных пластов в зависимости от льдистости m _i пород пласта "i" берется из соответствующего графика или рассчитывается по формулам, представленным в ВРД 39-1.9-015-2000.

Расчет критериев КАО по продольной устойчивости конструкций скважин в просадочных, кавернозных ММП для примеров фиг.1, 2 проведен по зависимости (1), где учитывались отдельно суммарные толщины Н_кав1, Н _кав2 кавернозных многолетнемерзлых пород с m<250 кг/м ³, прилегающих к просадочным многолетнемерзлым породам с m 250 кг/м³, в том числе ниже их подошвы, с К_кав1=1,2-1,4 и К_кав2 >1,4, для которых соответственно принимались коэффициенты B₁=0,05 и В₂=0,10. Значения коэффициентов B₁ и В ₂ уточняются в процессе промысловых исследований.

По полученным данным рассчитанные начальные значения КАО до отсыпки образующихся провалов при А_пм=1 составили для скважины №1 (Н_пм=92 м, К _пм=3,0 м, Н_кав1=0, Н _кав2=129 м):

КАО=92·3,0/30² +0,1·129/30=0,31+0,43=0,74,

а для скважины №2 (Н _пм=46 м, К_пм=0,86 м, Н _кав1=12 м, Н_кав2=11 м):

КАО=46·0,86/900+0,05·12/30+0,10·11/30=0,044+0,020+0,36=0,10.

По полученным значениям КАО скв. № 1 по продольной устойчивости конструкции в многолетнемерзлых породах отнесена к категории особо опасной (ОО), а скв. № 2 к категории неопасной (НО).

При отсутствии необходимой отсыпки песком, грунтом образующегося провала вокруг скважины № 1, учитывая категорию ОО, возможна потеря двухколонной конструкцией продольной устойчивости при оттаивании многолетнемерзлых пород и рекомендуется осуществлять контроль за состоянием крепи, проведение своевременных мероприятий на скважине по снижению нагрузок, действующих на конструкцию ниже критических, в том числе ее остановка при отмеченной подвижке кондуктора, подвеска конструкции на устье.

Конструкция скважины № 2 по выявленному состоянию разреза многолетнемерзлых пород не подвержена при их оттаивании опасности потери продольной устойчивости конструкцией, так как относится к категории неопасной (НО), провалы по ней при оттаивании многолетнемерзлых пород будут отсутствовать или объем этих провалов будет незначителен.

Настоящее изобретение может быть использовано в газовой и нефтяной промышленности, в частности, для выбора конструкций скважин, контроля качества строительства и технического состояния скважин при их строительстве и эксплуатации в многолетнемерзлых породах.