способ определения границ залегания многолетнемерзлых пород
Классы МПК: | E21B36/00 Нагревательные, охлаждающие, изолирующие устройства для буровых скважин, например для использования в зоне вечной мерзлоты E21B47/06 измерение температуры или давления |
Автор(ы): | Зинченко Игорь Александрович (RU), Салихов Зульфар Салихович (RU), Полозков Александр Владимирович (RU), Орлов Александр Викторович (RU), Гафтуняк Петр Иванович (RU), Филиппов Виктор Павлович (RU), Потапов Александр Григорьевич (RU), Полозков Ким Александрович (RU), Сутырин Александр Викторович (RU) |
Патентообладатель(и): | ООО "Ямбурггаздобыча" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2006-11-07 публикация патента:
20.07.2008 |
Изобретение относится к газовой и нефтяной отраслям промышленности и может быть использовано, в частности, для выбора технологии строительства и конструкций скважин, а также при контроле их технического состояния в многолетнемерзлых породах (ММП), в криолитозоне. Техническим результатом изобретения является повышение точности в определении глубины залегания подошвы толщи ММП, выявление интервалов залегания талых, мерзлых пород внутри толщи ММП с учетом обводненности разрезов ММП и криолитозоны. Способ заключается в том, что бурят скважину, измеряют температуру по глубине скважины и определяют геотермический градиент. По результатам измерений определяют глубину нижней границы залегания подошвы ММП. При этом перед замерами температур по глубине скважины вдоль ее боковой стенки в скважину спускают обсадную колонну (ОК) и ее цементируют. После окончания цементирования ОК замеры температур в скважине проводят в процессе схватывания цемента во время восстановления температур. Результаты замеров температур используют для построения температурной кривой в скважине в зависимости от глубины скважины. При этом по температурной кривой по пониженному уровню температур в ней выделяют верхнюю зону залегания толщи ММП и под ней выделяют нижнюю зону - зону талых, охлажденных и/или обводненных пород с более высоким уровнем температур при среднем градиенте температур не выше 0,02-0,05°С/м. Между ними выделяют промежуточную, переходную зону-«ступеньку» с резким ростом температуры и высоким значением градиента температур (Г=0,06-0,45°С/м и более). По температурной кривой, по выявленной точке соединения «ступеньки» - промежуточной высокоградиентной температурной зоны с нижней талой, охлажденной и/или обводненной зоной определяют глубину залегания подошвы толщи ММП. Причем одновременно внутри толщи ММП выделяют отдельные локальные зоны талых пород с более высоким уровнем температур, мерзлые зоны с пониженным уровнем температур и промежуточные - высокоградиентные температурные зоны между ними. По точкам стыка промежуточных зон с талыми зонами определяют границы между талыми и мерзлыми зонами, располагаемыми внутри толщи ММП. При этом замеры температур в скважине производят с использованием высокочувствительного термометра с интервалом замера температур по глубине не более чем через 0,1-0,2 м. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Формула изобретения
1. Способ определения границ залегания многолетнемерзлых пород, заключающийся в том, что бурят скважину, измеряют температуру по глубине скважины и определяют геотермический градиент, и по результатам измерений определяют глубину нижней границы залегания подошвы многолетнемерзлых пород (ММП), отличающийся тем, что перед замерами температур по глубине скважины вдоль ее боковой стенки в скважину спускают обсадную колонну и ее цементируют, после окончания цементирования обсадной колонны скважины замеры температур в скважине проводят в процессе схватывания цемента во время восстановления температур и результаты замеров температур используют для построения температурной кривой в скважине в зависимости от глубины скважины, при этом по температурной кривой по пониженному уровню температур в ней выделяют верхнюю зону залегания толщи ММП и под ней выделяют нижнюю зону - зону талых, охлажденных и/или обводненных пород с более высоким уровнем температур при среднем градиенте температур не выше 0,02-0,05°С/м и между ними выделяют промежуточную, переходную зону - «ступеньку» с резким ростом температуры и высоким значением градиента температур (Г=0,06-0,45°С/м и более), по температурной кривой, по выявленной точке соединения «ступеньки» - промежуточной высокоградиентной температурной зоны с нижней талой, охлажденной и/или обводненной зоной определяют глубину залегания подошвы толщи ММП, причем одновременно внутри толщи ММП выделяют отдельные локальные зоны талых пород с более высоким уровнем температур, мерзлые зоны с пониженным уровнем температур и промежуточные - высокоградиентные температурные зоны между ними, а по точкам стыка промежуточных зон с талыми зонами определяют границы между талыми и мерзлыми зонами, располагаемыми внутри толщи ММП, при этом замеры температур в скважине производят с использованием высокочувствительного термометра с интервалом замера температур по глубине не более чем через 0,1-0,2 м.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что замеры температур с определением глубины залегания подошвы ММП в процессе затвердевания цемента за обсадной колонной проводят не ранее чем через 15-30 ч после завершения цементирования обсадной колонны, причем при закачке цемента за обсадную колонну последним полностью перекрывают толщу ММП.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к газовой и нефтяной отраслям промышленности и может быть использовано, в частности, для выбора технологии строительства и конструкций скважин, а также при контроле их технического состояния в многолетнемерзлых породах (ММП), в криолитозоне.
В процессе строительства и эксплуатации скважин в зонах ММП необходимо обеспечить повышение качества строительства и надежности их эксплуатации, что связано с учетом глубины залегания подошвы ММП, влияющей на выбор конструкции скважин (глубин спуска обсадных колонн - направления, кондуктора, теплоизоляции конструкции), на проведение контроля за их техническим состоянием в криолитозоне.
Существуют различные методы и способы определения границы залегания подошвы ММП с использованием данных стандартного каротажа (градиент-зонд, потенциал-зонд), термометрии, акустического метода при выявлении границ залегания мерзлых пород (см., например, Ермилов О.М., Дегтярев Б.В., Курчиков А.Р. Сооружение и эксплуатация газовых скважин в районах Крайнего севера: Теплофизические и геохимические аспекты. Новосибирск, 2003, СО РАН, 223 с. и Быков И.Ю., Дмитриев В.Д. Бурение скважин на воду в северных районах. Ленинград, Недра, 1981, 128 с.).
Однако эти методы не дают достаточной точности в определении границы залегания мерзлых и талых пород и подошвы ММП, что связано с условиями проведения замеров, с недостаточной точностью используемой аппаратуры, например, термометрического оборудования и с неотработанностью используемых методик по выделению в разрезе талых и мерзлых пород и подошвы ММП, в том числе геофизическими методами без специальной обработки данных термометрии и стандартного каротажа.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения границ залегания многолетнемерзлых пород, заключающийся в том, что бурят скважину, измеряют геотермический градиент и по результатам измерений определяют глубину нижней границы залегания ММП (см. патент RU №2125149, кл. Е21В 36/00, 20.01.1999).
Указанный способ определения границы залегания ММП предполагает, что измерение геотермического градиента в разрезе криолитозоны и нижезалегающих пород и проведение каротажа осуществляют в скважине с интервалом 25-50 м и наносят полученные данные температур в виде прямых на график в соответствии с геотермическими градиентами в мерзлой и немерзлой зонах, и по точкам их пересечения судят о глубине нижней границы залегания ММП. Однако существенным недостатком этого способа определения границы ММП является то, что в ходе измерений не учитывается ряд условий при проведении исследования, а именно присутствие в разрезе безградиентной (реликтовой) мерзлой зоны, интервал залегания реликтовых ММП и конкретные условия проведения замеров температур в скважине, а именно после длительной выстойки или после цементирования колонн и через какое-то время.
В результате вся мерзлая зона в разрезе представляется безградиентной температурной зоной (с нулевым градиентом), а немерзлая зона - с более высоким по значению осредненным градиентом, без учета промежуточной зоны, фактически присутствующей между двумя отмеченными зонами при выстойке, например, после окончания цементирования колонн, что вносит существенную погрешность в интерпретацию результатов замера по указанному способу и неточность в определении глубины залегания подошвы ММП.
Этот способ не позволяет также выделять талые зоны, которые могут встречаться в толще ММП. Увеличенный интервал по глубине, через который проводятся замеры температур, и отсутствие указания на точность используемой термометрической аппаратуры вносят дополнительную погрешность при интерпретации результатов термометрии.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение точности в определении глубины залегания мерзлых и талых пород и подошвы ММП, в том числе с выделением границ залегания мерзлых и талых пород и подошвы ММП.
Техническим результатом, достигаемым от использования изобретения, является исключение или, как минимум, уменьшение погрешности при определении глубин залегания мерзлых и талых пород в разрезе.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ определения границ залегания многолетнемерзлых пород заключается в том, что бурят скважину, измеряют температуру по глубине скважины и определяют геотермический градиент, и по результатам измерений определяют глубину нижней границы залегания подошвы многолетнемерзлых пород (ММП), при этом перед замерами температур по глубине скважины вдоль ее боковой стенки в скважину спускают обсадную колонну и ее цементируют, после окончания цементирования обсадной колонны скважины замеры температур в скважине проводят в процессе схватывания цемента во время восстановления температур, и результаты замеров температур используют для построения температурной кривой в скважине в зависимости от глубины скважины, при этом по температурной кривой по пониженному уровню температур в ней выделяют верхнюю зону залегания толщи ММП и под ней выделяют нижнюю зону - зону талых, охлажденных и/или обводненных пород с более высоким уровнем температур при среднем градиенте температур не выше 0,02-0,05°С/м и между ними выделяют промежуточную, переходную зону - «ступеньку» с резким ростом температуры и высоким значением градиента температур (Г=0,06-0,45°С/м и более), по температурной кривой, по выявленной точке соединения «ступеньки» - промежуточной высокоградиентной температурной зоны с нижней талой, охлажденной и/или обводненной зоной, определяют глубину залегания подошвы толщи ММП, причем одновременно внутри толщи ММП выделяют отдельные (локальные) зоны талых пород с более высоким уровнем температур, мерзлые зоны с пониженным уровнем температур и промежуточные - высокоградиентные температурные зоны между ними, а по точкам стыка промежуточных зон с талыми зонами определяют границы между талыми и мерзлыми зонами, располагаемыми внутри толщи ММП, при этом замеры температур в скважине производят с использованием высокочувствительного термометра (ВЧТ) с интервалом замера температур по глубине не более чем через 0,1-0,2 м.
Замеры температур с определением глубины залегания подошвы ММП в процессе затвердевания цемента за обсадной колонной предпочтительно проводят не ранее чем через 15-30 часов после завершения цементирования обсадной колонны, причем при закачке цемента за обсадную колонну последним полностью перекрывают толщу ММП.
Анализ работ при проведении замеров в соответствии с описанной выше последовательностью действий показывает, что учитываются особенности восстановления теплового поля после прекращения теплового воздействия при проведении замеров температур после цементирования, а точнее после завершения закачки цемента за обсадную колонну, перекрывающую ММП в процессе схватывания цемента, когда происходит восстановление температур. При этом при анализе замеров выделяют помимо мерзлой и немерзлой - талой зон промежуточную высокоградиентную температурную зону, что при интерпретации температурных замеров после завершения цементирования колонн позволяет повысить точность в определении глубины залегания подошвы толщи ММП. При этом было установлено, что в промежуточной зоне на «ступеньке» отмечается резкое увеличение температуры и градиента температуры до Г=0,06-0,45°С/м и более, а также теплового потока в результате протаивания ММП на подошве ММП за счет повышения температуры вызванного поступлением тепла гидратации цемента при его схватывании. По выявленной точке соединения «ступеньки» - промежуточной (переходной) высокоградиентной (Г=0,06-0,45°С/м и более) температурной зоны с нижней талой зоной с повышенными температурами по сравнению с мерзлой зоной и с более низким градиентом (не более Г=0,02-0,05°С/м) температур по сравнению с промежуточной зоной, определяют глубину залегания подошвы толщи ММП. При наличии в толще ММП талых пород в ней выделяются участки по глубине с повышенными температурами в талых, с пониженными температурами в мерзлых породах и промежуточные зоны между ними с высокими градиентами температур и по точкам стыка промежуточных зон с талыми зонами определяют границы между талыми и мерзлыми зонами, располагаемыми внутри толщи ММП.
В ходе проведенного исследования было установлено, что замеры температур в скважине необходимо проводить с использованием высокочувствительной термометрии (ВЧТ), т.е. с точностью замера температур в градусах до второго, третьего знака после запятой и с интервалом замера температур по глубине не более чем через 0,1-0,2 м.
На фиг.1 приведены результаты замеров температур ВЧТ-ОЦК (оценка качества цементирования колонны) на скважине №1 газового месторождения.
На фиг.2 приведен градиент температур по результатам замеров температур на скважине №1 газового месторождения.
Способ реализуется следующим образом.
В предварительно пробуренной скважине с интервалом 0,1-0,2 м проводились измерения температур и определение геотермического градиента. Полученные значения обрабатывались и наносились на график (см. фиг.1 и 2).
Замеры температур по скважине №1 газового месторождения в зоне ММП, представленные на фиг.1, проводились через 24 часа после окончания цементирования эксплуатационной колонны диаметром 168 мм. Верхняя зона (позиция 1) с ММП выделяется по пониженным температурам и высоким амплитудам их изменений в мерзлой зоне, а также резким изменениям градиентов температур (см. фиг.2) с высокими абсолютными значениями градиентов до глубины 450 м. С глубины 430 м и до глубины 450 м отмечается резкий рост температуры (позиция 2 на фиг.1) и высокий температурный градиент (см. фиг.2). Эта зона (позиция 2 на фиг.1 и 2) отмечается как промежуточная, а верхняя ее точка (позиция 4) на глубине 450 м определяет глубину Нпм залегания подошвы ММП, ниже которой залегают талые, охлажденные, низкотемпературные породы (нижняя зона - позиция 3). На скважине №1 (см. фиг.2) отмечается в интервале глубин 430-450 м в промежуточной зоне резкий рост и большие значения градиента «Г» температур (0,06-0,45°С/м), а глубже, ниже подошвы ММП, отмечается снижение градиента «Г» до 0,02-0,05°С/м и его стабилизация в пределах этих величин с приближением к стационарным значениям глубинного температурного градиента при стабилизации теплового поля. В верхней мерзлой зоне в случае реликтовых ММП, прилегающих к промежуточной зоне, градиенты температур нулевые или близкие к нулю. При проведении замеров использовалась высокочувствительная термометрия (ВЧТ) с интервалом замера температур 0,1 м, что позволяет более точно выделять глубину залегания подошвы ММП. Внутри толщи ММП по предлагаемому способу также выделяются талые породы и границы интервалов глубин (см. фиг.1, 2 позиция 6), залегания талых пород при выделении соответствующих промежуточных зон (см. фиг.1 позиция 7) и точек (позиция 8) их стыка с талыми зонами (позиция 6).
В ходе проведенных исследований было установлено, что в зависимости от типа используемого тампонажного материала и особенностей его гидратации, а также в зависимости от термобарических условий в заколонном пространстве на скважине время проведения замеров температур может быть не меньше 15-30 часов. Глубинные замеры температур по описываемому способу могут проводиться как внутри скважины, в цементируемой обсадной колонне, так и в заколонном пространстве при спуске за наружными колоннами (направление, кондуктор) термометрических трубок (ТТ) до глубин 50-100 м и более. При этом ТТ могут спускаться и устанавливаться, как за наружной колонной - за направлением или кондуктором, так и в межколонном пространстве, например, между направлением и кондуктором. При этом используются ТТ как с большим внутренним диаметром (20-41 мм), так и тонкие трубки с диаметром менее 20 мм. Термометрические трубки заполняются незамерзающими жидкостями, что дает возможность проведения замеров температур и при восстановлении отрицательных температур в криолитозоне.
Глубинные замеры температур ВЧТ-ОЦК в скважинах могут проводиться как однократно, так и несколько раз внутри цементируемой колонны, например, через 15, 24, 36 часов после окончания закачки цемента, а в ТТ в любое необходимое время для контроля изменения температурных (тепловых) условий на скважине, что позволяет при многократных температурных замерах для различных используемых тампонажных материалов и термобарических условий на скважинах определять оптимальные сроки проведения термометрии по способу для выявления границ, глубин залегания мерзлых и талых пород и подошвы ММП в криолитозоне.
Результаты исследований, проведенных на нефтяных месторождениях, показали также возможность определения границ залегания ММП в нефтяных скважинах. Подошва ММП также выделяется по термограммам ВЧТ-ОЦК обсадных колонн, в том числе кондуктора. Проведенные исследования на нефтяном месторожении в зоне ММП позволили выделить «ступеньки - промежуточные зоны» на термограммах для кондуктора по 15 скважинам и определить по точкам пересечения этих зон, с выявленными талыми зонами согласно способу, глубины залегания подошв ММП. При этом данные по способу, по термограммам, сравнивались с данными выделения подошвы ММП по данным обработки стандартного каротажа (СК), метод «MOCK» (см., например, ВРД 39-1.9-015-2000. Руководство по термометрическим методам контроля качества строительства, крепления скважин в многолетнемерзлых и низкотемпературных породах. Москва, 2001, ОАО «Газпром», ООО «ВНИИГАЗ», ООО «ИРЦ Газпром», 63 с.), что показало, что глубины залегания подошвы ММП, определенные по разным кустам, по описываемому способу (термограммам ВЧТ-ОЦК) изменялись в пределах от 260 до 330 м, а по данным СК - от 272 до 318 м.
Таким образом, определенные глубины залегания подошв ММП на скважинах более простым описываемым термометрическим методом и по данным СК различаются на 4-12 метров по приведенным примерам.
Глубина залегания подошвы толщи ММП - нижней границы, до которой отмечается льдистость пород 3 кг/м 3 и более по скважине №1 выявлена по данным СК - 454 м и по данным термометрического метода ВЧТ-ОЦК - 450 м (см. фиг.1, 2) и расхождение в определении глубины составило 4 м. В то же время подошва криолитозоны по данным СК может определяться только в случае отсутствия обводненности разреза ниже выявленной подошвы толщи ММП.
В целом эффективность описанного способа заключается в том, что исследование геокриологических условий проводится непосредственно на разведочных и эксплуатационных скважинах на основе геофизических методов исследования, термометрии без бурения специальных мерзлотных скважин, без отбора и исследования керна, что позволяет получить значительную экономию средств и времени, а также исследовать эти условия на всех скважинах месторождения с построением картосхем мерзлотных условий (глубин залегания подошв ММП, обводненности и др.), изменяющихся по площади месторождений.
Предлагаемый способ может быть использован в нефтедобывающей и газодобывающей отраслях промышленности и позволяет определять нижнюю границу залегания подошвы многолетнемерзлых пород на основе полученных термометрических данных.
Класс E21B36/00 Нагревательные, охлаждающие, изолирующие устройства для буровых скважин, например для использования в зоне вечной мерзлоты
Класс E21B47/06 измерение температуры или давления