способ выявления технологических каверн в газоотдающих коллекторах газонаполненных скважин

Формула изобретения

Способ выявления технологических каверн в газоотдающих коллекторах газонаполненных скважин, заключающийся в облучении горных пород потоком быстрых нейтронов, отличающийся тем, что производят радиальное зондирование газоотдающего коллектора многозондовой аппаратурой нейтрон-нейтронного каротажа и/или нейтронного гамма-каротажа, осуществляют регистрацию данных в виде каротажных диаграмм, сравнивают результаты измерений и по наличию инверсии наименее глубинных показаний зондов относительно наиболее глубинных показаний, характеризующих газоотдающий коллектор, выявляют технологическую каверну.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области прикладной ядерной геофизики, группе геофизических методов, предназначенных для оценки технического состояния ствола газовых скважин и может быть использовано в газодобывающей отрасли при решении вопросов эксплуатации и ремонта газовых скважин месторождений и подземных хранилищ газа (ПХГ).

Техногенное кавернообразование наблюдается в продуктивных отложениях при длительной эксплуатации газовых скважин и протекает в прискважинной зоне за счет выноса материала коллектора вместе с отбираемым газом через перфорационные отверстия. Кавернообразование приводит к выводу из строя подземного и наземного скважинного оборудования с последующим возникновением аварийных ситуаций.

Необходимость выявления каверн в условиях газозаполненной работающей скважины исключает применение стандартных методов цементометрии.

Известен способ определения газонасыщенности коллекторов в условиях газозаполненного ствола скважины, который может быть использован для выявления техногенных газонаполненных каверн, основанный на оценке времени жизни тепловых нейтронов по данным импульсного нейтронного каротажа ("Скважинная ядерная геофизика". Справочник геофизика. Под ред. О.Л.Кузнецова и А.Л.Поляченко. - М.: Недра, 1990, с.233).

В основе способа лежит зависимость времени жизни тепловых нейтронов от наличия и содержания элементов, аномально поглощающих нейтроны (водород, кремний, кальций и др.). Способ используется в основном для определения газонасыщенности пласта. Ввиду значительной глубинности исследований импульсного метода каверны больших радиальных размеров диагностируются уверенно, но для выявления каверн малого и среднего радиального размера, он неэффективен, особенно при повышенной влажности газа в прискважинной зоне. К недостатку способа можно также отнести его высокую стоимость.

Известен также способ контроля за разработкой нефтяных месторождений, заключающийся в измерении плотности потока тепловых нейтронов на двух и более расстояниях от источника быстрых нейтронов, который может быть использован для выявления технологических каверн (М.Х.Хуснуллин. Геофизические методы контроля разработки нефтяных пластов. - М.: Недра, с.145-162). Способ реализуется при помощи зондирования исследуемой среды многозондовой модификацией нейтрон-нейтронного каротажа, который позволяет получить пространственное распределение тепловых нейтронов и по нему рассчитать длину релаксации нейтронов, используемую для определения коэффициента пористости нефтяного пласта.

Недостатком применения этого способа для выявления каверн является, во-первых, использование единственного параметра пространственного распределения нейтронов, что исключает радиальное зондирование, которое предполагает использование как минимум двух разноглубинных однотипных параметров. Во-вторых, определяемым по распределению нейтронов аналитическим параметром является длина релаксации для пласта, т.е. дальней зоны исследований, в то время как выявление каверн в прискважинной зоне коллектора предполагает использование, в первую очередь, информации по ближней зоне исследований. Характеристика пласта имеет в данном случае второстепенное значение.

В качестве прототипа выбран наиболее близкий по сущности способ выявления технологических каверн в условиях газозаполненных скважин по данным нейтронных методов, основанный на временных (режимных) измерениях (Филиппов Е.М. Ядерная разведка полезных ископаемых. Справочник. - Киев: Наукова думка. 1978, с.108).

Способ реализуется при сравнении текущих интегральных показаний нейтрон-нейтронного каротажа (ННК) или нейтронного гамма-каротажа (НТК) с эталонными, выполненными в ранний период эксплуатации скважины. Возникновение технологической каверны в газонасыщенном пласте характеризуется увеличением измеряемой плотности потока нейтронов или гамма-квантов радиационного захвата.

Недостатком способа является его неоднозначность, т.к. показания нейтронных методов зависят не только от наличия технологической каверны, но также и от газонасыщенности пласта, которая в свою очередь связана с вариациями дебита пласта за счет изменения коллекторских свойств объекта и условий его эксплуатации. Так, образование технологической каверны малого или среднего радиального размера в прискважинной зоне отмечается нейтронными методами аналогично увеличению газонасыщенности коллектора. В случае наличия каверны большого радиального размера область исследования стационарных нейтронных методов резко увеличивается, что приводит к смещению зондов в доинверсионную область и, соответственно, к снижению измеряемых интегральных величин, что может быть проинтерпретировано как уменьшение газонасыщения объекта.

Задача изобретения - повышение надежности и технологичности выявления каверн в прискважинной зоне высокодебитных газоотдающих коллекторов в условиях газозаполненных скважин.

Указанная задача решается тем, что в способе выявления технологических каверн в газоотдающих коллекторах газонаполненных скважин, заключающемся в облучении горных пород потоком быстрых нейтронов, радиальном зондировании газоотдающего коллектора многозондовой модификацией нейтронного метода и/или комплексом разноглубинных нейтронных методов и регистрации данных в виде каротажных диаграмм, сравнивают результаты измерений и по наличию инверсии наименее глубинных показаний зондов относительно наиболее глубинных показаний, характеризующих газоотдающий коллектор, выявляют технологическую каверну.

На фиг.1 представлены нормированные на максимальные значения пространственные распределения тепловых нейтронов в геометрии сферических слоев для модели газонасыщенного кварцевого песка.

На фиг.2 показаны нормированные на максимальные значения пространственные распределения гамма-квантов радиационного захвата для модели газонасыщенного кварцевого песка.

На фиг.3 представлены показания двухзондовых модификаций ННК и ИННК в различных геометриях.

На фиг.4 показан принцип выявления технологических каверн по интегральным показаниям коротких и длинных зондов нейтронных методов.

На фиг.5 приведен пример выявления каверн заявленным способом в газоотдающем коллекторе скважины ПХГ.

На фиг.6 показан пример перехода обоих зондов 2ННК и малого зонда ИННК в доинверсионную область для верхней каверны (771.0-771.8 м).

На фиг.7 представлена таблица 1, в которой приведены макросечения захвата ( a) и рассеяния ( s), длины замедления (Ls) и диффузии (Ld), время замедления ( _s) и время жизни тепловых нейтронов ( _а) некоторых природных сред для плутоний-берилиевого источника быстрых нейтронов, рассчитанные для усредненных составов и плотности по программе NER-РА-93.

Сущность предлагаемого способа выявления технологических каверн в прискважинной зоне работающих коллекторов заключается в следующем: технологические каверны газоотдающего коллектора заполнены природным газом, нейтронные и гамма лучевые свойства которого существенно отличаются от свойств вмещающих горных пород и жидкостного флюида (табл.1), поэтому наличие дополнительного локального газозаполненного объема в зоне исследований, увеличивая долю газа и, соответственно, уменьшая долю матрицы коллектора, изменяет характеристики переноса нейтронного и гамма-излучения, что и отражается на регистрируемой плотности потока нейтронов и гамма-квантов. Поскольку каверна формируется в прискважинной зоне пласта, то ее влияние на показания нейтронных методов тем сильнее, чем меньше радиус нейтронных исследований, который определяется не только свойствами изучаемой среды, но также энергией облучающих нейтронов, видом регистрируемого излучения и размером измеряющей (зондовой) установки.

Таким образом, технологическая каверна искажает пространственное распределение нейтронов и гамма-квантов тем сильнее, чем больше ее объем и чем больше радиус исследования соответствует радиальной зоне расположения каверны. Но, поскольку распределение нейтронного и гамма-поля формируется в результате влияния характера заполнения скважины и ее конструкции, литологии коллектора, его фильтрационно-емкостных свойств и газонасыщенности, а также особенностей заколонного пространства и, в том числе, наличия технологической каверны, то для выявления каверны нейтронными методами изучение одной ближней зоны недостаточно. Требуется радиальное зондирование.

Особенности формирования пространственных распределений для газонасыщенных пластов с технологической каверной и без нее (фиг.1 и 2) приводят к тому, что наличие каверны характеризуется увеличением показаний длинного зонда при одновременном уменьшении показаний короткого. Или в общем случае - увеличением показаний наиболее глубинных измерений при одновременном уменьшении показаний наименее глубинных. Наблюдаемая инверсия будет тем больше, чем больше радиус каверны при условии, что наиболее глубинные измерения определяются в основном свойствами самого коллектора.

Для выявления наличия инверсии показаний результаты радиального зондирования отображают на одном поле диаграмм либо в стандартной лучевой геометрии, либо в геометрии сферических слоев (фиг.3). Выбор геометрии отображаемых параметров для предлагаемой технологии не принципиален. Во всех случаях технологическая каверна отражается на диаграммах локальным минимумом показаний малого зонда при максимальных показаниях большого, что обусловлено смещением пространственного распределения нейтронов в область больших расстояний и изменением позиционирования детекторов относительно зоны инверсии. Однако отображение показаний в геометрии сферических слоев предпочтительнее по сравнению с нормированными на показания в воде параметрами как в лучевой геометрии, так и сферических слоев, т.к. при одинаковом масштабе диаграмм не только выявляется наличие технологической каверны, но наиболее наглядно можно представить пространственное распределение в целом. Нормированные показания лишены этой возможности, поскольку показания в воде для каждого из зондов свои.

При сопоставлении результатов радиального зондирования для выявления технологических каверн руководствуются следующим принципом: в интервале каверны показания коротких зондов характеризуются минимумом, длинных - максимумом. Такая форма диаграмм интегральных параметров в интервале каверны, как видно из фиг.1 и 2, обусловлена смещением пространственного распределения нейтронов и/или гамма-квантов относительно фиксированных длин зондов за счет увеличения длины миграции нейтронов и/или гамма-квантов. В результате такого смещения пространственного распределения в зону больших расстояний происходит смена позиционирования одного или несколько коротких зондов измерительной системы из заинверсионной области пространственного распределения нейтронов и/или гамма-квантов в доинверсионную. Следствием изменения позиционирования зонда из заинверсионной области в доинверсионную является относительное изменение регистрируемой скорости счета нейтронов и/или гамма-квантов, что приводит к образованию локального минимума на диаграмме на фоне соответствующего газонасыщенному пласту общего максимума. В отличие от коротких зондов, длинные остаются в заинверсионной области, но приближаются к инверсии, что приводит к образованию локального максимума. Такая конфигурация диаграмм нейтронных методов, отражающих распределение нейтронного и нейтронного-гамма полей в газонасыщенном коллекторе, позволяет наиболее эффективно выявлять наличие технологической каверны.

Для практической реализации способа требуется многозондовая (двух и более зондовая) аппаратура нейтрон-нейтронного каротажа (ННК) и/или нейтронного гамма-каротажа (НТК), позволяющая осуществлять радиальное зондирование газоотдающего коллектора. Выбор нейтронного метода и его модификации для предлагаемой технологии не имеет особого значения, т.к. оба метода (ННК и НТК) при соответствующем подборе энергии источников излучения и длин зондов обеспечивают радиальное зондирование исследуемой среды.

При использовании метода нейтрон-нейтронного каротажа (ННК) по тепловым нейтронам в многозондовой модификации для обеспечения полноценного радиального зондирования количество зондов должно быть не менее трех. Измерения могут быть выполнены с аппаратурой многозондового нейтронного каротажа (ЗННК) или другой подобной.

При использовании метода нейтронного гамма-каротажа (НТК) в многозондовой модификации зондирование исследуемого пласта осуществляют по плотности потока гамма-квантов радиационного захвата также с количеством зондов не менее трех. Измерения могут быть выполнены с аппаратурой многозондового нейтронного каротажа (ЗНГК).

Для радиального зондирования могут быть также использованы многометодные варианты:

1. Два интегральных метода - двухзондовый нейтрон-нейтронный (2ННК) и двухзондовый нейтронный гамма-каротаж (2НГК), с длинами зондовых установок от 25 до 65 см.

2. Спектрометрический двухзондовый нейтронный гамма-каротаж широкодиапазонный (2СНГК-Ш), позволяющий одновременно и на одном детекторе измерять плотность потока гамма-квантов радиационного захвата и определять плотность потока тепловых нейтронов по излучению от борного фильтра-конвертора, что дает возможность выполнять измерения 2ННК + 2НГК за одну спуско-подъемную операцию;

3. Комплекс нейтронных методов разной модификации (стационарной и импульсной) в многозондовом варианте, что позволяет выполнить радиальное зондирование исследуемой среды в ближней зоне по зондам стационарного ННК и в дальней - по зондам импульсного ННК, поскольку длина миграции нейтронов с начальной энергией 14 МэВ больше, чем для нейтронов, излучающихся стационарными источниками.

Измерения могут быть выполнены двухзондовой аппаратурой радиоактивного каротажа со стационарным источником быстрых нейтронов и аппаратурой двухзондового импульсного нейтронного каротажа. Этот комплекс может быть использован в варианте НТК.

Длины зондовых устройств нейтронных методов выбираются в диапазоне стандартных зондов (20-70 см) с учетом глубинности применяемого метода, исходя из нейтронных и гамма-лучевых свойств изучаемых пластов так, чтобы они позволяли исследовать прискважинную и околоскважинную зоны, а также газонасыщенный пласт, что соответствует ближней, средней и дальней зонам исследований. При этом принимается во внимание типовая конструкция скважин и ядерные свойства горных пород коллектора, а также возможность заполнения каверны влажным газом.

По предложенному способу работы выполняются в следующей последовательности:

1. Осуществляют радиальное зондирование газонасыщенного коллектора, облучая его потоком быстрых нейтронов, посредством регистрации плотности потоков нейтронного и/или гамма-излучения на нескольких расстояниях от источника излучения быстрых нейтронов многозондовой (двух и более зондовой) аппаратурой нейтрон-нейтронного каротажа и/или нейтронного гамма-каротажа со стандартными длинами зондов от 20 до 70 см или при выполнении ряда последовательных измерений по скважине с разными длинами зондов и/или модификациями нейтронных методов.

2. Выполняют сопоставление результатов измерений, для чего строят диаграммы всех показаний зондирования на одном поле, используя наиболее глубинные показания в качестве опорных.

4. По наличию локальной инверсии (минимума) наименее глубинных показаний относительно опорных (наиболее глубинных) делают заключение о существовании технологической каверны в интервале газоотдающего коллектора.

В зависимости от радиальных размеров каверны и влажности заполняющего ее газа, диаграммы промежуточных между наименее и наиболее глубинными показаниями могут характеризоваться как минимумами, так и максимумами.

На фиг.1 и 2 показаны соответственно относительные пространственные распределения тепловых нейтронов и гамма-квантов радиационного захвата для модели газонасыщенного кварцевого песка с пористостью 36%, где кривая 1 - в колонне вода, за колонной вода, 2 - за колонной вода, 3 - за колонной газ (R=29 мм), 4 - за колонной газ (R=37 мм), 5 за колонной газ (R=75 мм).

В модель спущена стальная обсадная колонна диаметром 154 мм. Радиальное расстояние между колонной и пластом (R) изменялось, составляя 29, 37 и 75 мм, что позволило моделировать изменение радиуса каверны (глубину или протяженность каверны в радиальном направлении) в виде зазора колонна-пласт. Пространственные распределения показаний нейтронных методов (Ni) построены в геометрии сферических слоев, т.е. через полный телесный угол. Это позволяет наиболее наглядно представить протекание основных процессов переноса нейтронов и гамма-квантов в веществе, а также по положению зонда относительно экстремума распределения легко определить, в какой из областей распределения (доинверсионной, инверсионной или заинверсионной) осуществляются измерения каждым из зондов. На распределениях обозначены точки, соответствующие показаниям зондов. На распределениях обозначены точки, соответствующие показаниям зондов 30 и 55 см (X). Для удобства распределения Ni нормированы на максимальное значение Ni в геометрии сферических слоев (Nmax).

На фиг.1 и 2 видно, что при увеличении зазора между эксплуатационной колонной и пластом максимум пространственного распределения смещается в область больших расстояний.

Например, на фиг.1 с увеличением R до 75 мм при заполнении колонны газом экстремум распределения нейтронов смещается с 27 см до 43 см. В результате зонд 30 см перемещается в доинверсионную область, зонд длиной 40 см - в инверсионную область, а зонд 55 см остается в заинверсионной, но перемещается ближе к инверсионной области. Таким образом, короткие зонды из инверсионной и заинверсионной области распределения оказываются в доинверсионной, средние - в инверсионной, а наиболее длинные смещаются ближе к зоне экстремума. Это обусловлено тем, что в случае увеличения газозаполненного объема в прискважинной зоне, в частности в случае существования технологической каверны, длина миграции нейтронов и гамма-квантов увеличивается.

Влажный газ характеризуется повышенными сечениями рассеяния и поглощения нейтронов за счет более высокого водородосодержания, в результате чего для каверны, заполненной влажным газом, наблюдается меньшее смещение экстремума распределения нейтронов, чем для каверны с сухим газом. Предельным случаем повышения влажности газа в каверне является заполнение каверны водой. На фиг.1 и 2 этот случай показан под условным обозначением «за колонной вода».

На фиг.3 показаны показания короткого и длинного зондов ННК импульсной (ИННК) и стационарной (ННК) модификаций в различных геометриях.

На фиг.4 показан принцип выявления технологических каверн по интегральным показаниям коротких и длинных зондов нейтронных методов.

В данном случае зона с наименьшим радиусом исследований характеризуется показаниями малого зонда ННК (ННК-30 см).

Зона с наибольшим радиусом характеризуется показаниями большого зонда НТК (НГК-55 см).

Соответственно каверна выявляется по минимальным показаниям ННК-30 и максимальным НГК-55. Закономерное поведение аномалий на диаграммах зондов, характеризующих промежуточные зоны (ННК-55 см и НГК-30 см), подтверждает наличие газонаполненной каверны.

Здесь же обозначены радиусы каверн, выявленных методом ИННК (Rkv_ign см), и методом СНГК (Rkv_sngk см).

На фиг.5 показан пример выявления каверн заявленным способом в газоотдающем коллекторе скважины ПХГ. Показания методов приведены в геометрии сферических слоев. Измерения выполнены с закрытым (стационарным) радионуклидным источником излучения (ЗРнИ) быстрых нейтронов плутоний-берилиевого (Pu-Ве) состава и импульсным источником быстрых нейтронов типа ИГ-101.

В пласте выявлены две каверны. Верхняя каверна (972.5-973.0 м) выделяется по разнонаправленным изменениям показаний малых и больших зондов ЗННК, ЗНГК, 2СНГК-Ш и 2ННК, однако не идентифицируется по этому признаку для 2ИННК, т.к. ИННК является наиболее глубинным методом и реагирует на каверну слабо. Нижняя каверна (974.4-975.0 м) по интегральным показаниям ИННК видна еще хуже. Особенность этой каверны заключается в том, что, в отличие от верхней, она заполнена газом повышенной влажности, на что, в частности, указывают показания влагомера.

Малые зонды стационарных методов в интервале верхней каверны больше смещены в доинверсионную область распределения, чем в интервале нижней. Как видно на фиг.5, в интервале верхней каверны показания ННК зонда-55 см > ННК зонда-30 см > ННК-28 см.

Для ЗНГК наблюдается аналогичное соотношение показаний с той разницей, что глубинность метода больше, чем ННК.

Для заполненной влажным газом нижней каверны наблюдается меньшее смещение в доинверсионную область короткого зонда, средний зонд располагается практически в зоне инверсии, большой - заинверсионный. Закономерность поведения параметров короткого зонда в интервале каверны сохраняется (показания длинного зонда увеличиваются, показания среднего и короткого уменьшаются). Таким образом, предлагаемый способ выявления каверны по локальному максимуму длинного зонда и соответствующему ему локальному минимуму короткого зонда, с учетом поведения среднего, действует независимо от влажности заполняющего каверну газа.

На фиг.6 показан пример перехода обоих зондов 2ННК и малого зонда ИННК в доинверсионную область для верхней каверны (771.0-771.8 м). Это указывает на то, что радиус этой каверны превышает радиус каверны, показанной на фиг.5 в интервале 972.5-973.0 м.

Ожидаемый от использования предложенного способа экономический эффект превышает эффект от используемого в настоящее время способа-аналога, основанного на применении временных однозондовых измерений НТК, так как в отличие от аналога предлагаемый способ дает возможность выявить каверну не зависимо от первичной и текущей газонасыщенности коллектора.