Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Аппаратурно-методическое развитие скважинной электромагнитной дефектоскопии нефтяных и газовых скважин
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых
Автореферат диссертации по теме "Аппаратурно-методическое развитие скважинной электромагнитной дефектоскопии нефтяных и газовых скважин"
На правах рукописи
ТЕПЛУХИН Владимир Клавдиевич
АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ СКВАЖИННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН
Специальность 25.00. 10- Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых
4845994
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
1 2 МАЙ 2011
Дубна-20И
4845994
Работа выполнена на кафедре геофизики ГОУ ВПО «Пермский государственный университет»
Научный консультант: Официальные оппоненты :
Костицын Владимир Ильич,
доктор технических наук, профессор
Денисов Сергей Борисович,
доктор технических наук
Молчанов Анатолий Александрович,
доктор технических наук, профессор
Хаматдииов Рафнс Такиевич,
доктор технических наук, профессор
Ведущая организация:
Пермский инженерно-технический центр «Геофизика», г. Пермь
Защита состоится 27.05. 2011 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д800.017.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Международном университете природы, общества и человека «Дубна».
С диссертацией можно Ознакомиться в научной библиотеке Международного университета природы, общества и человека «Дубна».
«с^оС»
Автореферат разослан «¿ус»С» апреля 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 800.017.01 —" И.З. Каманина
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Важнейшим направлением технологического развития российских нефтяных компаний в области добычи углеводородов в настоящее время является не столько увеличение дополнительной добычи нефти и не столько повышение нефтеотдачи пластов, сколько радикальное снижение затратности основного производства. Наиболее существенным потенциалом в снижении затрат и ресурсосбережении обладает система надежности бурения, освоения и эксплуатации добывающих и нагнетательных скважин. Наибольшая эффективность достигается при увеличении срока службы скважин.
При этом одной из наиболее актуальных проблем, возникающих при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, является контроль технического состояния стальных эксплуатационных и технических колонн, насосно-компрессорных труб, цементного кольца, качества сцепления цемента с породой и колонной и, соответственно - повышение срока эффективной эксплуатации.
Отсутствие системы надежного систематического контроля технического состояния скважин приводит, как правило, к серьезным нарушениям экологического равновесия среды, неконтролируемым потерям сырья и изменению его параметров, а также к крупным материальным затратам, связанным с ликвидациями аварий, неопределенности с допустимыми сроками надежной эксплуатации скважин.
Для обнаружения факта и мест негерметичности скважины широко применяется группа методов скважинных геофизических исследований: электромагнитная дефектоскопия, термометрия, шумометрия, расходометрия, скважинная акустическая цементометрия, акустический видеокаротаж. Надежным методом выявления негерметичности является поинтервальная опрессовка.
Однако эти технологии позволяют либо только выявить предполагаемый интервал негерметичности протяженностью от нескольких метров до нескольких десятков метров, либо дают детальную информацию о некоторых отдельных дефектах. Для правильного планирования капитального ремонта скважин необходимы как детальная и точная характеристика дефектов, так и обоснованное заключение о возможности продолжения эксплуатации скважины в конкретных геолого-технических условиях при наличии того или иного дефекта колонн или цементного кольца, поэтому тема диссертационной работы является весьма актуальной в области контроля технического состояния скважин геофизическими методами.
Цель работы
Разработка аппаратурно-методического и программного обеспечения скважинных электромагнитных исследований локальных дефектов и количественной толщинометрии стальных обсадных колонн и насосно-компрессорных труб при контроле технического состояния нефтяных и газовых скважин для повышения срока эффективной эксплуатации.
Основные задачи
1. Детальный сопоставительный анализ существующих способов обследования технического состояния стальных обсадных колонн и насосно-компрессорных труб нефтяных и газовых скважин электромагнитными методами и методами механической профилеметрии для определения перспективного направления развития технологии контроля.
2. Разработка теоретической базы и проведение численных расчетов электромагнитных полей в коаксиально-неоднородных средах в гармоническом и нестационарном режимах возбуждения и регистрации с учетом реальной неоднородности электромагнитных параметров применительно к конкретным условиям проведения работ на эксплуатационных объектах.
3. Разработка аппаратурно-методического обеспечения скважинной малогабаритной интегральной аппаратуры электромагнитной дефектоскопии стальных колонн нефтяных и газовых скважин для проведения инспекционного обследования.
4. Разработка аппаратурно-методического обеспечения технологии электромагнитной дефектоскопии с элементами сканирования с целью поисков и идентификации локальных нарушений колонн нефтяных, газовых и гидрогеологических скважин.
5. Оценка эффективности разработанных аппаратурно-методических комплексов ряда электромагнитных скважинных дефектоскопов (ЭМДС) для решения основного спектра задач контроля технического состояния стальных технических, обсадных колонн и насосно-компрессорных труб.
Научная новизна
1. Выполнен анализ характера изменения технологических параметров разрушения стальных обсадных колонн нефтяного сортамента в процессе промышленной эксплуатации нефтяных и нефтегазовых скважин применительно к решению задач контроля технического состояния методами электромагнитной дефектоскопии и толщинометрии.
2. Показано, что разработанное и внедренное в практику производственных работ аппаратурное и методическое обеспечение на базе аппаратуры скважинной электромагнитной дефектоскопии и толщинометрии (ЭМДС-ТМ-42) является ведущим средством обследования технического состояния многоколонных конструкций через лубрикаторные устройства.
3. Впервые детально исследованы характеристики электромагнитных полей в условиях коаксиально-неоднородных сред в присутствии локальных
высокоомных неоднородностей применительно к задачам скважинной электромагнитной дефектоскопии.
4. Показано, что разработанные и предложенные для производственного применения специализированные зондовые системы и программно-методические средства на базе ЭМДС-С являются эффективным средством для обнаружения и идентификации локальных дефектов колонн, в том числе малых очагов развития питтинговой коррозии и отверстий перфорации.
Достоверность результатов
Достоверность полученных автором результатов определяется:
• Решением прямых и обратных задач электромагнитных полей в коаксиально-неоднородных системах одной и двух проводящих магнитных труб с конечными значениями толщины, магнитной проницаемости и электропроводности и других параметров в условиях их радиальной и осевой фактической изменчивости.
• Экспериментальными исследованиями и анализом материалов практического применения технологии скважинных исследований по контролю технического состояния нефтяных и газовых скважин с применением метода электромагнитной дефектоскопии на нефтяных, газовых месторождений, подземных хранилищ газа и гидрогеологических скважин Башкирии, Татарии, Оренбуржья, Казахстана, Германии, Китая, Астраханской области, Кольской СГ-3, Ханты-Мансийского АО, Объединенных Арабских Эмиратов, Омана и др. (более 1000 месторождений и объектов).
Основные защищаемые положения н результаты
1. Аппаратурное и программное обеспечение комплекса электромагнитной дефектоскопии и толщинометриии (ЭМДС-ТМ), основанное на анализе электромагнитного поля в нестационарном режиме, позволяет решать задачи качественного и количественного обследования обсадных колонн (например, производить измерения толщины стенки с точностью 0,5 мм) через насосно-компрессорные трубы эксплуатационных и нагнетательных скважин без остановки процесса добычи нефти [1, 3, 5-7, 10, 14, 16,20,21,25-27,30-32,36, 43, 44].
2. Аппаратурное и программное обеспечение электромагнитной дефектоскопии с элементами сканирования (ЭМДС-С), основанное на анализе электромагнитных полей в нестационарном и гармоническом режимах, позволяет решать задачи обнаружения и идентификации локальных дефектов колонн в процессе скважинных исследований, в том числе очагов развития коррозии и отверстий кумулятивной и сверлящей перфорации [4, 5, 6,30, 32-36, 38-44].
3. Аппаратурно-методические комплексы ЭМДС, разработанные под руководством автора и поставляемые в производство ГИС, позволяют в комплексе с методами акустической, температурной и механической диагностики получать количественную информацию с необходимой степенью детальности о техническом состоянии обсадных колонн и насосно-компрессорных труб [7, И, 12,14, 40, 41].
Научная и практическая значимость работы
• Научная значимость работы состоит в комплексном анализе причин, снижающих устойчивость системы «скважина — колонна».
• Практическая значимость определяется современными аппаратурно-методическими комплексами скважинной электромагнитной дефектоскопии и толщинометрии обсадных колонн для проведения контроля технического состояния скважин и многочисленными материалами практического применения на объектах добычи углеводородного сырья.
Реализация результатов
• Разработана промышленная технология скважинной электромагнитной дефектоскопии и количественной толщинометрии, являющаяся ведущим средством контроля технического состояния колонн нефтяных и газовых скважин.
• Результаты диссертационной работы использованы при разработке методических и инструктивных документов по технологии контроля технического состояния нефтегазовых скважин при поставках и внедрении в производство методов скважинной электромагнитной дефектоскопии в ОАО НПП ВНИИГИС, ОАО «Башнефтегеофизика», ТНГ - Групп, ОАО «Газпромгеофизика», ОАО «Оренбурггеофизика», ОАО «Нижневартовскнефтегеофизика» и др.
Исходные материалы исследований
В процессе работы, выполненной на кафедре геофизики ГОУ ВПО «Пермский государственный университет», использованы материалы ОАО НПП ВНИИГИС, полученные под руководством автора или при его активном участии по исследованию электромагнитных и геометрических параметров обсадных колонн, оказывающих существенное влияние на результаты измерений, результаты обработки и интерпретации регистрируемых электромагнитных полей. В работе использованы также материалы по анализу степени влияния параметров разрушения стальных обсадных колонн в сложных геолого-технических условиях эксплуатации.
Личный вклад автора
Автор работы принимал непосредственное участие на всех этапах исследований, а также осуществлял научное руководство по организации и проведению работ, систематизации и интерпретации материалов скважинных электромагнитных исследований, постановке и реализации решения проблемы учета влияния магнитной проницаемости металла колонн. В
опубликованных в соавторстве статьях автору принадлежит, кроме постановки проблемы, часть аналитических материалов по систематизации геолого-технических данных, интерпретация и истолкование результатов. В статьях по методике оценки устойчивости систем «колонна - скважина» в сложных условиях эксплуатации при неравномерном давлении на колонну и в условиях агрессивных сред автору принадлежит постановка проблемы, решение конкретных задач и разработка направлений по реализации разработанной аппаратуры и технологии на производстве.
Апробация работы н публикации
Основные положения и результаты работы докладывались на международных, республиканских и региональных геофизических конференциях, симпозиумах и семинарах (Москва, 1998, 2002, 2003 г.), г. Санкт-Петербург (1995, 2000 г.), г. Уфа (1997, 1999, 2000, 2003 г.), Тюмень (2003 г.), Пермь (2010 г.).
В общей сложности автором опубликовано 90 печатных научных работ, их них основные результаты диссертации изложены в 45 публикациях, в том числе в 14 статьях изданий перечня ВАК, 5 патентах на изобретение и полезную модель и 3 авторских свидетельствах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем работы 320 страниц текста, включая 73 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 290 наименований.
Автор выражает искреннюю признательность и благодарность за поддержку, помощь и конструктивные предложения A.B. Миллеру, Е.С. Кучурину, А.П. Потапову, В.А. Ленскому, Ю.А. Гуторову, О.М. Казаковой, JI.E. Кнеллеру, C.B. Степанову, В.Г. Судничникову, A.M. Яхину, Судничникову A.B. и всем соавторам научных статей.
Особую благодарность за совместное обсуждение решений на ранней стадии исследований автор приносит Сидорову В.А.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Ранее проведенные исследования (Сидоров В.А., Молчанов A.A., Нечаев Б.Л., Хаматдинов Р.Т., Пятецкий Е.М., др.) и организациями (ОАО НПП ВНИИГИС, АО «СевкавНИПИгаз», НПФ «Диалоге, НПП «Луч», ЗАО «Дефектоскопы Сидорова», НТЦ «Кубаньгазпром», ОАО «Геотрон», ЗАО НПФ «ГИТАС») по рассматриваемой проблеме показали необходимость создания высокотехнологичного комплекса электромагнитной дефектоскопии для решения широкого спектра задач контроля технического состояния нефтегазовых скважин, направленных на детальную идентификацию мест негерметичности колонн, конструкции и формирование перспектив дальнейшей эксплуатации.
Отсутствие системы надежного систематического контроля приводит, как правило, к серьезным нарушениям экологического равновесия среды, неконтролируемым потерям сырья и изменению его параметров, а также к крупным материальным затратам, связанным с ликвидациями аварий, неопределенности со сроками надежной эксплуатации скважин.
Для формирования основных требований к аппаратурному обеспечению технологии изучения технического состояния нагруженной колонны предварительно было проведено исследование технологии изготовления стальных труб нефтяного сортамента, что оказывает заметное влияние на электромагнитные и геометрические параметры металла. Известно, что изготовленная обсадная колонна (труба) характеризуется наличием заметных вариаций (разрешенные допуски), прежде всего геометрического характера, что отразилось в ГОСТ 632-80 (от -12,5 % до +8 % от номинала). Система измерений толщины стенки колонны в скважинных условиях должна позволять производить замеры с точностью до 0,5 мм, так как технология изготовления труб на трубопрокатных заводах допускает изменения в указанных пределах толщины стенки. Периодичность получения точных замеров толщины с учетом технологии изготовления труб целесообразно получать не реже, чем период, с которым производится винтообразный процесс формирования трубы (0,5-0,6 м).
Установлено, что для проведения оценки технического состояния стальной обсадной колонны нефтяной скважины необходим следующий объем информации:
• Измерение толщины стенки обсадной колонны с точностью до 0,5 мм через каждые 5 см по оси колонны. Предпочтительнее, если информация будет получена по ряду образующих;
• Для уточнения значения величины электропроводности металла и определения мест заколонных перетоков необходимо измерение температуры в стволе скважины;
• Сведения по конструкции многоколонной системы, местах расположения башмаков колонн, различного рода центраторов, пакеров, муфтовых соединений и т.д.
• Данные по наличию и местоположению локальных дефектов (зон коррозионного разрушения, желобов и.д.).
Для обнаружения факта и мест негерметичности колонн нефтяных и нефтегазовых скважин широко применяется методы скважинных геофизических исследований: электромагнитная дефектоскопия, термометрия, шумометрия, расходометрия, скважинная акустическая цементометрия. Относительно надежным методом выявления негерметичности, хотя и очень грубым, является поинтервальная опрессовка.
Однако эти технологии позволяют либо выявить только предполагаемый интервал негерметичности протяженностью от нескольких метров до нескольких десятков метров, либо дают детальную информацию о больших видах дефектов (к примеру, о разрывах колонн или иных относительно крупных нарушениях). Для правильного планирования капитального ремонта
скважин необходима как детальная и точная характеристика дефектов, так и обоснованное заключение о возможности продолжения эксплуатации скважины в конкретных геолого-технических условиях при наличии того или иного дефекта колонн или цементного кольца.
Одним из наиболее эффективных методов в комплексе контроля состояния стальных колонн нефтяных и газовых скважин является скважинная электромагнитная дефектоскопия.
Основными тенденциями развития метода электромагнитной дефектоскопии являются:
Создание малогабаритной аппаратуры и методики, дающей возможность проводить обследование действующих скважин в эксплуатационных колоннах и в насосно-компрессорных трубах (НКТ) и одновременно получать количественную информацию о толщине и наличию крупных дефектов по двум, а в отдельных случаях и по трем колоннам;
- Создание аппаратурно-методических комплексов для исследований локальных дефектов и контроля точного местоположения интервалов и отдельных отверстий как кумулятивной, так и сверлящей перфорации.
Разработка аппаратуры и технологий для контроля состояния скважин с использованием электромагнитного принципа регистрации полей проводится в ОАО НПП ВНИИГИС, ЗАО НПФ «ВНИИГИС-ТЗС», ЗАО «СевКавНИПИгаз», НПФ «Диалог», Институте геофизики СО РАН, НПП «Луч», НТЦ «Кубаньгазпром», ЗАО НПФ «ГИТАС», ОАО «Геотрон», Schlumberger, Halliburton, Sondex и в других компаниях. Аппаратурные средства различаются по количеству и размерам зондов, временному диапазону регистрации сигнала и, соответственно, по своим разрешающим возможностям.
В начале 1980-х годов определенное распространение получили серийно выпускавшиеся приборы ДСИ и ЭПОК-1. Известны также случаи использования локатора муфт при контроле технического состояния обсадных колонн (скорее — интервалов изменения напряженного состояния металла колонн).
Данные технологии, основанные на электромагнитных принципах, либо на принципах механического измерения внутреннего диаметра труб (к примеру, ПТС-4) или на принципах рассеянного гамма-излучения (аппаратурный ряд СГДТ), имеют целый ряд существенных недостатков. Электромагнитные приборы не смогли преодолеть зависимость измеряемого сигнала от изменчивости характерных параметров металла колонны: например, неверный учет изменений магнитной проницаемости металла однозначно ставит любую технологию данного направления, в лучшем случае, в разряд индикаторов.
Механические измерители внутреннего диаметра не свободны от погрешностей, связанных с отложениями малорастворимых солей на стенках колонны и не всегда характеризуют непосредственно металл колонны. Кроме того, эти приборы характеризуются относительно невысокой точностью измерения (1 мм). При необходимости повышения точности измерения
диаметра (до 0,5 мм) стоимость аппаратурных средств неоправданно возрастает.
Технология, основанная на анализе рассеянного гамма-излучения (СГДТ), ориентирована на изучение объемной плотности окружающей среды, в том числе и стальной колонны. При этом она также в большой степени зависит от неоднородности цементного кольца и вмещающих пород по плотности, а также от наличия плотных малорастворимых (к примеру, бариевых) солевых отложений на стенках скважины и слабо реагирует на наличие трещинных нарушений с малой сквозностью.
Все вышеперечисленные разработки позволяли проводить обследование только одной эксплуатационной колонны в отсутствие НКТ.
На основании сопоставительного анализа развития аппаратуры и методики электромагнитных методов определения параметров и дефектов (трещин, отверстий, зон развития коррозии и т. п.) обсадных, бурильных и насосно-компрессорных труб в стране и за рубежом известно, что, в основном, работы ведутся в направлении повышения термобаростойкости. Кроме того, известные виды аппаратурно-методических средств ориентированы только на изучение геометрических параметров обсадной (преимущественно) колонны. Информации, получаемой при проведении контрольных обследований скважин, недостаточно для принятия решения о сроках дальнейшей эксплуатации. При проведении промысловых работ особенно в условиях старых нефтепромысловых районов необходима информация о реальной толщине стенки колонны в конкретном интервале.
ПЕРВОЕ ЗАЩИЩАЕМОЕ ПОЛОЖЕНИЕ
Аппаратурное и программное обеспечение комплекса электромагнитной дефектоскопии и толщинометриии (ЭМДС-ТМ), основанное на анализе электромагнитного поля в нестационарном режиме, позволяет решать задачи качественного и количественного обследования обсадных колонн (например, производить измерения толщины стенки с точностью 0,5 мм) через насосно-компрессорные трубы эксплуатационных и нагнетательных скважин без остановки процесса добычи нефти [1,3, 5-7,10,14,16,20,21, 25-27,30-32,36,43,44]
Основные положения электромагнитной дефектоскопии с целью проведения неразрушающего контроля стальных колонн обсадных труб разрабатывались многими учеными и специалистами: Абакумовым A.A., Антоновым Ю.Н., Антоновым Е.Ю, Глечиковым В.А., Губатенко В.П., Гуторовым Ю.А., Даутовым A.A., Ивановым О.В., Климовым В.В., Кнеллером JI.E., Кузнецовым O.JL, Марковым В.А., Миллером A.B., Миллером A.A., Назаровым В.Ф., Наянзиным А.Н., Нечаевым Б. Л, Потаповым А.П., Пятецким Е.М., Расторгуевым В.Н., Сидоровым В.А., Сулеймановым М.А., Ткаченко А.К., Шлейным А.Т., Эповым М.И., и многими другими.
Основные принципы электромагнитной дефектоскопии в импульсном режиме малогабаритного ряда ЭМДС впервые были предложены В.А. Сидоровым в 1980-х годах. Автором диссертации выполнен сопоставительный анализ развития методики и аппаратуры электромагнитных методов с точки зрения качества определения параметров и дефектов (трещин, отверстий, зон развития коррозии и т. п.) обсадных, бурильных и насосно-компрессорных труб в стране и за рубежом, при этом отмечено, что, в основном, работы ведутся в близких направлениях [43].
Основной задачей при решении поставленной проблемы является разработка современного аппаратурно-методического обеспечения электромагнитной дефектоскопии уже на стадии первичной оценки технического состояния колонн для полного изучения всех вышеперечисленных характеристик, в том числе обнаружения дефектов в скважинах с многоколонными конструкциями с учетом многообразия мешающих факторов и их вариаций.
Выполненный автором сопоставительный анализ основных разработок в области развития методики и технологии контроля технического состояния обсадных колонн нефтяных скЕажин методами малогабаритной электромагнитной дефектоскопии и технологий с применением оборудования большого диаметра, поставил поставить задачи развития теоретического, аппаратурно-методического и программного обеспечения систем контроля, основанных на применении малогабаритной аппаратуры и сканирующих комплексов на основе нестационарного электромагнитного поля с полным учетом вариаций характеристик металла и основных конструкций колонн.
При участии автора впервые удалось получить численное решение прямой задачи о распределении нестационарного электромагнитного поля диполя и соленоида внутри стальных труб с конечной толщиной и конечными значениями электромагнитных параметров [10, 13, 30, 33]. Для детального изучения закономерностей были использованы решения Максвелла в частотной области, которые последовательно трансформировались во временную область с помощью преобразований Фурье.
Известны уравнения Максвелла для гармонического электромагнитного поля вертикального магнитного диполя, расположенного на оси с коаксиально-цилиндрическими границами раздела. Наиболее удобными для условий практики представляются приближения, полученные A.A. Кауфманом и реализованные решения, разработанные на их моделях. Важно отметить, что полученные системы формул справедливы при любых практических, в том числе и очень высоких значениях электропроводности и магнитной проницаемости. Главная проблема заключалась в выполнении численных расчетов с максимально приближенной к реальной модели системой «колонна (колонны) — скважина».
Напряженность магнитного поля магнитного диполя определяется по формуле
N 1У3 00
hz{w)=h;d"{k1L)-— ] л,2 С, cos {aX)dk. (1)
я о
где (kjL) - поле в однородной среде, L - длина зонда, a -L/ ait а; -радиус скважины, С/ - коэффициент, зависящий от количества сред, Х; = V X + iXc, Хс ~ <хс ¡х со, о- электропроводность металла, ¡л —магнитная проницаемость металла, со - циклическая частота поля, X - независимая переменная.
На основании численного анализа разработаны с участием автора алгоритмы и программные средства дня расчетов гармонических электромагнитных полей дипольных и соленоидных источников в одной и нескольких проводящих магнитных трубах [10, 13, 33, 42]. Это дало возможность теоретически оценить характер зависимости низкочастотного гармонического поля в колонне от диаметра, толщины стенок труб, магнитной проницаемости и электропроводности для зондов различной конструкции.
Электромагнитные свойства металла труб и, в частности, его магнитные свойства могут на практике существенно варьировать в зависимости от сорта стали, технологии изготовления труб и других факторов, рассмотренных в данной работе, а также в связи с напряженным состоянием металла колонны [6, 7, 44].
Зависимость измеряемого поля от магнитной проницаемости металла обсадных труб по данным теоретических расчетов исследована с высокой степенью детальности с помощью аналитических расчетов и сопоставления с материалами экспериментальных работ. При изменении ¡1 на 30 % показания могут реально измениться в 1,5 раза. В первом приближении отмечается эквивалентность влияния fj. и О, однако и квадратурные компоненты индукции магнитного поля ReB (вещественная) и ImB (мнимая) характеризуются существенно различными зависимостями от этих параметров, что открыло возможность учета их вариаций на измеряемое поле.
По представлению специалистов фирмы Шлюмберже удельная электрическая проводимость сталей обсадных колонн практически не меняется. Однако следует отметить, что она заметно изменяется при повышении температуры. Температурный коэффициент электропроводности металла, направляемого на изготовление обсадных труб, составляет в среднем 0,0062 1Лрад, т.е. при повышении температуры в скважине на 100°С электрическое сопротивление изменится на 62%.
Проведенные исследования группой специалистов под руководством автора показывают на необходимость учета температуры при проведении работ по электромагнитной толщинометрии. В частности, целесообразно использование коротких зондов с совмещенными приемной и генераторной катушками для улучшения вертикальных характеристик зонда, с применением импульсного (нестационарного) режима.
Правильность полученного решения была подтверждена сравнением со всеми данными физических экспериментов [30]. При сопоставлении выяснилась практически важная закономерность - зависимость постоянной времени спада электромагнитного поля от физических параметров трубы.
При изучении нестационарных процессов удобнее использовать функцию г- постоянную времени спада, равную
_ ¿// _ £
(2)
где / — время измерения, е — ЭДС в измерительном контуре, с - её производная по времени.
Как известно (Сидоров, Губатенко, Глечиков, 1977), в немагнитной трубе на больших временах постоянная времени (г) пропорциональна произведению толщины на диаметр труб, а также прямо пропорциональна удельной электропроводности металла.
Однако по исследованиям при участии автора было установлено, что в случае применения магнитных труб постоянная времени (г) стремится к значению, пропорциональному электропроводности {а), магнитной проницаемости (/л) и квадрату толщины стенки (с/), и слабо зависит от диаметра трубы. Следовательно, влияние изменений толщины стенки на постоянную времени спада в магнитных трубах проявляется гораздо сильнее, чем влияние изменений электромагнитных свойств [30]. Это позволило активно использовать функцию постоянной времени спада, наряду с измеренными значениями ЭДС, при расчетах толщины стенок.
В случае расчетов по методике, основанной на численном решении системы уравнений Максвелла, влияние вихревых токов полностью учитывается. Поэтому в данном случае потери на вихревые токи не следует рассматривать как источник дисперсии магнитной проницаемости. Потери на магнитный гистерезис, связанные с величиной магнитной жесткости буровой стали, оценить достаточно сложно. Главной помехой является влияние вихревых токов на определяемую в экспериментах величину эффективной магнитной проницаемости (//).
Выполненные при участии автора теоретические расчеты гармонического поля в трубе на различных частотах от 9,25 Гц до 78,1 Гц при фиксированных значениях Ц и <7 и последующее сопоставление с материалами экспериментальных модельных работ подтвердили, что значение величины дисперсии магнитной проницаемости обсадных колонн в низкочастотном электромагнитном поле невелико, и пренебрежение им при расчетах не приведет к заметным ошибкам.
С участием автора был разработан новый метод расчета толщины стенок внутренней и следующей за ней труб при одно-, двух- и трехколонных конструкциях скважины с учетом осевой изменчивости электромагнитных свойств колонны [5, 6, 10, 25, 30].
Метод основан на составлении приближенных аналитических зависимостей между толщиной (сТ) стенок, диаметром (/)), магнитной
проницаемостью {¡л) с одной стороны, и значениями ЭДС и постоянной
времени спада (т) с другой стороны. При этом общий вид аналитических зависимостей подбирался путем анализа данных численных расчетов прямой задачи, а входящие в уравнения коэффициенты уточнялись при физическом моделировании. В качестве основы модели использовалась информация геолого-технологических служб, если конструкция скважины достоверно известна.
В основу теории электромагнитного поля в коаксиально-цилиндрических средах положены алгоритмы и программы расчета дипольных и соленоидных источников в одной или нескольких стальных (проводящих) трубах, при этом значение величины магнитной проницаемости системы определялось экспериментальным путем. Для условий каротажных измерений (генераторные и измерительные катушки находятся внутри проводящей трубы) на низких частотах получены экспериментальные эффективные значения ¡И эфф = 50+100.
В процессе выполнения исследований разработана методика и алгоритмы расчетов нестационарного электромагнитного поля в стальных трубах для поздних стадий, основанные на численном определении интеграла Фурье от функции гармонического поля [10]. Производная магнитной индукции во времени пропорциональна ЭДС приемной рамки и определяется по формуле
1 00
h(t) = -f J hr(w)eiwtdw . (3)
/я-00
Для определения толщины стенок трубы, в особенности в многоколонных конструкциях, более эффективным оказывается нестационарный, а не гармонический режим измерений.
Аналитические оценки и численные расчеты, выполненные с участием автора, показали, что при анализе интегральных (усредненных) характеристик, полученных при использовании соосных совмещенных зондовых установок по интерпретации радиальной составляющей, нормальное поле равно нулю; но оно должно отличаться от нуля при наличии дефектов. Последнее заключение создало предпосылки для выявления дефектов или зон изменения физических свойств металла (прежде всего зон напряженного состояния металла) уже при сканирующем каротаже. Результаты численных расчетов позволяют сделать выводы по выбору оптимальных длины зонда и временных параметров для решения проблемы контрастного выявления наименьших дефектов. В аппаратуре ЭМДС-ТМ установлен основной диапазон времени в интервале 5-150 мс, при этом длина зонда не менее 0,10 м. Для расчета толщины наиболее применимы зонды длиной 0,2 - 0,24 м.
Эти принципы регистрации полей и расчета толщины на основании детального их анализа использованы при создании скважинного оборудования и программного обеспечения, поставляемого заказчикам совместно с аппаратурой электромагнитной дефектоскопии - толщинометрии
ЭМДС-ТМ-42У (дефектоскоп-термометр) и ЭМДС-ТМ-42Е (дефектоскоп-термометр-радиометр). На рис.1 приведена схема конструкции скважинного прибора ЭМДС-ТМ-42. Одно из преимуществ такого комплекса зондов -наличие малого С и большого А осевых зондов, что позволяет совершенно однозначно производить привязку выявленных дефектов к первой (внутренней) или ко второй (внешней) колонне.
1 2 3 4 5 6 7
Рис. 1 Схема расположения зондов малогабаритного электромагнитного дефектоскопа ряда ЭМДС-ТМ-42: 1 — верхний центратор; 2 - блок гамма,; 3 — короткий осевой зонд С; 4 — поперечные зонды В и ВВ; 5 — длинный осевой зонд А; б — термометр; 7 — нижний центратор
Дефекты стальной колонны типа продольных трещин и близких к продольным фиксируются относительно просто по интенсивным аномалиям осевого зонда, который преимущественно используется при толщинометрии. Для улучшения вертикальной характеристики зонда (снижения зависимости от неоднородности электромагнитных параметров колонны) длину его целесообразно сократить до размера порядка 5 см. С увеличением длины щели амплитуда аномалии растет, ширина щели значения не имеет, так как щель прерывает вихревые токи по окружности трубы.
Использование нестационарного режима измерений позволило совместить генераторную и приемную катушки и создать малогабаритный поперечный зонд, измеряющий радиальную составляющую электромагнитного поля.
Основные технические характеристики аппаратуры электромагнитной дефектоскопии ЭМДС-ТМ-42
Максимальный диаметр внешней трубы, мм........................426;
Минимальный внутренний диаметр внутренней трубы, мм........60;
Максимальная толщина стенки одной трубы, мм.....................12;
Минимальная толщина стенки одной трубы, мм.......................3;
Максимальная толщина стенки двух труб..............................25;
Пределы допускаемых значений относительной погрешности измерения относительного изменения толщины стенки одиночной трубы,
не более........................................................................5 %;
Предел допускаемых значений относительной погрешности измерения толщины относительного изменения стенки внешней трубы в
двухколонных конструкциях, не более......................................15 %;
Минимальная протяженность дефекта типа «трещина» вдоль оси трубы, доступная для обнаружения, должна быть, мм:
при исследовании одиночной трубы от 50 до 225 мм...............50
при исследовании внутренней трубы двух- и трехколонных
конструкций,..................................................................75
при исследовании внешней из двух соосных труб, мм:
диаметр 146 мм................................................100
диаметр 168 мм................................................150
диаметр 245 мм................................................. 175
диаметр 324 мм.................................................200
Максимально допустимая скорость перемещения скважинного прибора по скважине для достижения детальности (не менее одного измерения на
каждые 5 см): при основных наблюдениях...................- 0,166 м/с (400 м/ч),
при детальных наблюдениях.................- 0,055 м/с (200 м/ч).
Широкое производственное опробование технологий ЭМДС, выполненное коллективом специалистов во главе с автором, а также материалы, полученные непосредственно производственными предприятиями в процессе внедрения и эксплуатации большого числа (более 100 комплексов ЭМДС различных модификаций), показали, что разработанные и представленные технологии, включающие теоретическое, аппаратурное и программное обеспечение скважинной электромагнитной дефектоскопии ряда ЭМДС отвечают современным представлениям о контроле технического состояния колонн нефтяных и нефтегазовых скважин.
Экспериментальное опробование технологических схем применения скважинной электромагнитной дефектоскопии при контроле технического состояния нефтегазовых скважин показало высокие технические возможности разработанного аппаратурно-методического обеспечения ряда ЭМДС при решении всех основных технологических задач.
Таким образом, на основании теоретических и методических исследований разработано и широко поставляется на производство технологическое оборудование малогабаритного комплекса электромагнитной дефектоскопии ЭМДС-ТМ-42 в составе скважинного и наземного комплексов с необходимым программным и метрологическим обеспечением, предназначенное для осуществления детального количественного контроля технического состояния нефтяных и газовых скважин в условиях многоколонных конструкций, что обосновывает первое защищаемое положение.
ВТОРОЕ ЗАЩИЩАЕМОЕ ПОЛОЖЕНИЕ
Аппаратурное и программное обеспечение электромагнитной дефектоскопии с элементами сканирования (ЭМДС-С), основанное на анализе электромагнитных полей в нестационарном и гармоническом режимах, позволяет решать задачи обнаружения и идентификации локальных дефектов колонн в процессе скважиниых исследований, в том числе очагов развития коррозии и отверстий кумулятивной и сверлящей перфорации [4, 5, 6,30,32-36, 38-44]
Исследования по созданию технологий сканирующих систем неразрушающего контроля стальных магнитных труб преимущественно на основе акустического принципа проводились многими учеными и специалистами: СЛ. Соколов (1928 г.), Мюльхойзер (1931 г.), Файрстон (США), Спрулс (Великобритания), Крузе (Германия, 1939-1942). Первые эхо-импульсные дефектоскопы были выпущены в 1943 г. почти одновременно фирмами «Сперри продакгс инк.» (Ден-бери, США) и «Кельвин энд Хьюз лтд.» (Великобритания). В России известны работы Гуторова Ю.А., Губиной А.И., Еникеева В.Н., Жуланова И.Н., Загидуллина Р.В., Коровина В.М., Служаева В.Н., Стрелкова В.И., Сулейманова М.А., Ташбулатова В.Д., и многих других.
Преимущественно основные работы были сосредоточены в области акустических методов, что позволяло аппаратурным способом организовать высокоточное сканирование колонны по периметру. На основании акустических технологий были созданы и успешно внедрены в практику работ акустические телевизоры различных модификаций.
Однако, акустический способ при несомненных преимуществах по точности измерений, имеет несколько больших ограничений применения, обусловленных высокими требованиями к плотности скважинного флюида и к отсутствию плотных отложений на внутренней поверхности стальных труб.
Для разработки аппаратуры и методики сканирующей
электромагнитной дефектоскопии проведено исследование характера распространения электромагнитного поля вблизи локальных неоднородностей [4, 5, 6,19, 20, 33,39, 42].
Задача о распределении переменного электромагнитного поля магнитного диполя внутри магнитной проводящей трубы с локальными дефектами строгого теоретического решения не имеет.
Генераторная катушка зонда, питаемая переменным током, возбуждает в проводящей трубе вихревые токи. Хотя плотность этих токов заведомо непостоянна в пространстве, непроводящее препятствие на пути токов в виде отверстия вызовет аномалию, соответствующую аномалии от вторичного электрического диполя, направленного навстречу вихревым токам. Поэтому,
несмотря на относительно грубую аналогию с непроводящим включением в однородном поле, автором рассмотрен характер пространственного распределения магнитного поля подобного диполя. Характер пространственного распределения поля на удалении от отверстия не изменяется со временем, несмотря на то, что при работе в нестационарном режиме плотность вихревых токов вблизи отверстия (а, соответственно, и момент вторичного диполя и амплитуда аномального поля) со временем уменьшается.
Вертикальная составляющая поля Вг имеет двухполярную аномалию с переходом через ноль против отверстия. Соответственно, при использовании дифференциального зонда с двумя радиальными катушками кривая дВг/дг дает положительный экстремум против отверстия и два слабых отрицательных минимума. Амплитуда аномалии быстро убывает с удалением зонда от стенки скважины (Ь) - практически как 1/Ъ2. Поскольку помехи, связанные с более крупными, чем отверстие, неоднородностями электромагнитных свойств трубы, ослабевают заметно медленнее, качество измерений быстро ухудшается с удалением от стенки трубы.
В процессе разработки выполнен значительный объем физического моделирования с целью определения параметров зондовых систем, частотных и временных режимов измерений для определения наиболее эффективных устройств по выявлению малых дефектов в стальной колонне. Основные помехи создавали неоднородности электромагнитных свойств металла (магнитная проницаемость, остаточное намагничение, электропроводность). Решение задачи сведено к поискам методики, обеспечивающей хорошее соотношение амплитуды аномалии против естественного или искусственного локального дефекта трубы к фону помех на участке трубы, где дефекты отсутствуют.
Важна также разработка критериев разбраковки эффектов, обусловленных поперечными трещинами, продольными трещинами и локальными дефектами, а также обширной по площади коррозией по всей поверхности трубы — истирание или коррозия с одной стороны трубы.
В результате выполнения более 2000 опытов физического моделирования сделан вывод о том, что наилучшей для обнаружения локальный объектов является дифференциальная установка, измеряющая дВ'/дг- градиент радиальной составляющей поля вертикального магнитного диполя (соленоида). Практически поле В? создается осевой катушкой, а измеряется ЭДС на зажимах двух поперечных катушек, соединенных встречно-последовательно.
В процессе проведения исследований в период 1992-96 гг. коллективом под руководством автора выполнялись масштабные физические экспериментальные работы по изучению гармонических полей вблизи малых дефектов. В качестве наиболее оптимального был выбран зонд, имеющий осевую генераторную катушку-соленоид, удаленный от измерительных катушек на 0.25-0.35 м, и несколько пар измерительных поперечных катушек. Оптимальная частота поля - 10 Гц.
В данных исследованиях важнейшим дополнительным параметром, облегчающим выделение аномалий от отверстия на фоне интенсивных аномалий-помех, является фаза поля. Определение фазового сдвига может производиться как аппаратурным, так и расчетным путем. Практически измеряются квадратурные компоненты поля (радиальная компонента индукции магнитного поля, продифференцированная по оси трубы), а зависимости значений фазового сдвига необходимо определять аналитически. [18, 19, 20, 21, 22].
Из-за больших проблем, связанных, прежде всего, с полным учетом первичного поля, основные усилия по разработке аппаратуры I электромагнитной дефектоскопии были сосредоточены на разработке зондовых устройств и измерительных схем, работающих в нестационарном режиме.
После опробования на физических моделях целого ряда установок наилучшие результаты при выделении малых локальных дефектов типа отверстий и раковин показала установка дВг:/дг, аналогичная той, что и при использовании гармонического возбуждения и приема.
Уменьшение размеров зонда при переходе к нестационарному режиму ' возбуждения и регистрации позволяет уменьшить размер скважинного прибора до совмещенной установки и снизить уровень помех от неоднородностей металла трубы, которые оказываются против генераторной катушки при ее отдельном расположении. I На основании теоретических и модельных исследований созданы основные конструктивы зондовых систем для решения задач измерения толщины стенки колонны и для решения задач поиска малых локальных дефектов (ряд ЭМДС-С, рис. 2).
Рис. 2. Схема электромагнитного дефектоскопа с элементами сканирования ЭМДС-С: 1 - модуль гидрозащиты: 2 -модуль датчиков; 3 — модуль генератора; 4 — модуль коммутатора; 5 - модуль электроники
ЭМДС-С предназначен для решения следующих задач:
• детальное обследование колонны по нескольким образующим, выявления дефектов, определение их формы и размеров;
• определение толщины стенки колонны по нескольким образующим и осредненной по окружности;
• выявление и определение местоположения перфорационных отверстий сверлящей и кумулятивной перфорации.
Основной особенностью аппаратуры является размещение зондов для фиксации малых дефектов в специальных прижимных контейнерах, скользящих по стенке скважины. Данная конструкция позволяет существенно улучшить соотношение сигнала от дефекта и колебаний фона, обусловленных неоднородностью электромагнитных свойств колонны. Аномалия от малого дефекта типа отверстия быстро убывает с удалением от стенки (быстрее, чем 1/R2), в то время как аномалии от электромагнитных неоднородностей убывают с расстоянием заметно медленнее.
Зондовая часть аппаратуры ограничена четырьмя прижимными зондами, каждый из которых обследует сектор колонны в 90 градусов с небольшим перекрытием. Детальности вполне достаточно для разделения по образующим перфорационных отверстий, созданных перфоратором ПК-105, стреляющим в четырех направлениях.
Четыре зонда для дифференциальных измерений толщины стенки в отдельных секторах были размещены в тех же прижимных контейнерах, что и зонды малых дефектов. Кроме прижимных зондов, дефектоскоп содержит четыре интегральных зонда: осевой и два поперечных, размещенных на оси прибора. Интегральные зонды позволяют выделить и уверенно опознать тип дефектов: продольные и поперечные трещины, зоны коррозии, а также определить толщину стенки, осредненную по окружности.
По сравнению с приборами для инте1ральной оценки колонны по всему периметру, в том числе разработанным ВНИИГИС дефектоскопом-толщиномером ЭМДС-ТМ-42, сканирующий дефектоскоп ЭМДС-С обладает лучшей разрешающей способностью при выделении малых дефектов.
Метрологические параметры аппаратуры ЭМДС-С калибруются с помощью набора аттестованных образцов обсадных труб с различной толщиной стенок и с дефектами различной формы. При выпуске аппаратуры показатели калибруются на метрологическом центре ВНИИГИС, где имеются указанные трубы.
При каротаже дефектоскоп представляет собой единую жесткую сборку. При транспортировании модуль электроники может отделяться от остальных модулей. Скважинный прибор содержит теоретически обоснованную группу электромагнитных зондов различных размеров, ориентировки и конфигурации. Переменное электромагнитное поле, создаваемое генераторными катушками, возбуждает в колонне вихревые токи, а измерительные катушки (датчики) фиксируют вторичное магнитное поле вихревых токов. Амплитуда поля на серии времен зависит от толщины стенок колонны и наличия дефектов колонны.
Для всех четырех дифференциальных датчиков используется одна генераторная катушка, размещенная в модуле генератора, остальные генераторные катушки расположены совместно с соответствующими измерительными катушками. Сигналы из модулей датчиков через герметичные разъемы в модуле коммутации передаются в модуль
электроники. Здесь сигналы от всех датчиков усиливаются, проходят предварительную обработку, оцифровываются и передаются на поверхность по телеметрической линии связи. Модуль работает в двух взаимоисключающих режимах: режиме «толщины» и режиме «дефектов».
Метрологическое обеспечение скважинной электромагнитной дефектоскопии стальных колонн нефтяных и газовых скважин с аппаратурой необходимо, прежде всего, для перевода технологии электромагнитной дефектоскопии из разряда «индикаторной» в разряд «измерительной», а также для контроля технических параметров аппаратуры; ее соответствия основным требованиям.
Методика поверки основана на измерении поверяемым прибором толщины стенок одиночной трубы (погрешность не более 0,5 мм) и толщины стенок каждой из двух совмещенных труб (погрешность не более 1,5 мм) и сравнении полученного значения с истинным значением толщины стенок образцовых мер. В свою очередь толщина стенок образцовых мер определяется с помощью аттестованных механических измерителей наружного и внутреннего диаметра.
Разработана специальная методика определения дополнительной погрешности измерений толщины за счет влияния каждого из этих факторов. Относительная погрешность измерения толщины стенки по каждому сектору не превышает 20 %, что соответствует техническим требованиям. Погрешность измерения толщины стенки, отнесенная к изменению температуры на каждые 10 градусов, не превышает 2%, что соответствует техническим требованиям. Амплитуда аномалий против отверстий более чем вдвое превышает колебания фона.
Для определения порога чувствительности дефектоскопа при выделении малых отверстий дополнительно изготовлена модель трубы с отверстиями 69-14 мм. Установлено, что достаточно уверенно выделяются отверстия диаметром 9 мм и более.
Основные технические характеристики аппаратуры электромагнитной дефектоскопии ЭМДС-С
Диапазон измерения толщины
стенки колонны, мм .................................................от 3 до 12
Основная относительная погрешность измерения толщины стенки колонны,
осредненной по окружности, % ........................................10
Основная относительная погрешность измерения толщины стенки колонны
по каждому сектору, %.........................................................20
Минимальная протяженность дефектов
типа «трещина» и «щель», мм...........................................75 х 0,5
Минимальные размеры локальных дефектов типа отверстий, доступных
для обнаружения, мм............................................................12
Внешний диаметр изучаемой
колонны, мм........................................
Максимальная температура в
скважине, °С.......................................
Максимальное гидростатическое
давление, МПа.....................................
Потребляемая мощность, Вт...................
Габаритные размеры скважинного прибора:
диаметр, мм.........................................
длина, мм...........................................
Масса дефектоскопа, кг.........................
Масса наземного пульта, кг ..................
от 146 до 168
..112 .3100 ...110 ......6
120
80 .15
Управление дефектоскопом, питание и обмен информацией осуществляется через одножильный бронированный каротажный кабель.
Таким образом, на основании теоретических и методических исследований разработано и поставляется на производство технологическое оборудование сканирующей электромагнитной дефектоскопии ЭМДС-С в составе скважинного и наземного комплексов с необходимым программным и метрологическим обеспечением, предназначенное для осуществления контроля обсадных колонн с целью поиска и идентификации локальных нарушений, что обосновывает второе защищаемое положение.
Аппаратурно-методические комплексы ЭМДС, разработанные под руководством автора и поставляемые в производство ГИС, позволяют в комплексе с методами акустической, температурной и механической диагностики получать количественную информацию с необходимой степенью детальности о техническом состоянии обсадных колонн и насосно-компрессорных труб [7,11,12,14, 40, 41]
Проверка эффективности той или иной технологии диагностирования технического состояния стальных труб в скважинных условиях проводилась многими исследователями: Венско С.А., Климов В.В., Марков В.А., Потапов А.П., Шумилов A.B. и многими другими.
При этом неоднократно производились попытки провести сравнение эффективности каждого технологического решения.
Исследования состояния системы колонн эксплуатационных скважин и для составления детального представления о необходимом и достаточном объеме геофизической информации для проведения наиболее полного исследования технического состояния автором выполнен анализ наиболее часто встречающихся причин разрушения (и его параметров) в скважинных условиях стальных труб, направляемых для изготовления обсадных колонн.
ТРЕТЬЕ ЗАЩИЩАЕМОЕ ПОЛОЖЕНИЕ
Исследованы параметры и соответственные характеристики процесса смятия и разрушения колонн в условиях неравномерной нагрузки и сделан детальный анализ характеристик нарушений в процессе эксплуатации скважин.
Автором проведен анализ технологии изготовления стальных труб нефтяного сортамента, оказывающий заметное влияние на параметры (электромагнитные, геометрические) материала, что, соответственно, сказывается на применяемых в отечественной промышленности способах контроля технического состояния колонн нефтяных, газовых и гидрогеологических скважин, в том числе и на основании известного ГОСТ 632-80 [7]. На основания данного анализа установлено, что для проведения оценки состояния эксплуатации стальной обсадной колонны нефтяной скважины необходим и достаточен следующий объем информации:
• Измерение толщины стенки обсадной колонны с точностью не хуже 0,5 мм через каждые 1-5 см по оси колонны. Лучше всего, если информация будет получена по ряду образующих;
• Измерение температуры в стволе скважины (для выявления мест потенциальной негерметичности колонн, особенно — в области муфтовых соединений, а также для уточнения значения величины электропроводности металла);
• Точные знания по сорту стали и по конструкции многоколонной системы, по месту расположения башмаков колонн, различного рода центраторов, пакеров, кроссоверов, муфтовых соединений и т.д.;
• Знания по наличию и местоположению по глубине локальных дефектов (зон коррозионного разрушения, желобов и т.д.).
В процессе разработки технологических комплексов ЭМДС коллективом специалистов под руководством автора было разработано специализированное метрологическое обеспечение, позволяющее перевести ЭМДС из разряда «индикаторов» в разряд «измерителей», что дало возможность выполнить оценку соответствия полученных технических характеристик оборудования поставленным требованиям.
Методика поверки основана на измерении каждым поверяемым прибором толщины стенок одиночной трубы (погрешность не более 0,5 мм) и толщины стенок каждой из двух совмещенных труб (погрешность не более 1,5 мм) и сравнении полученного значения с истинным значением толщины стенок образцовых мер. В свою очередь толщина стенок образцовых мер определяется с помощью аттестованных механических измерителей наружного и внутреннего диаметра.
Основными дополнительными факторами, создающими дополнительные погрешности при измерениях, являются вариации температуры и электромагнитных свойств металла труб, эксцентричное расположение внутренней трубы по отношению к внешней трубе.
Разработана специальная методика определения дополнительной погрешности измерений толщины за счет влияния каждого из этих факторов. В частности, проведены детальные исследования: 1) по определению диапазона измерений и основной относительной погрешности измерений толщины стенки трубы, осредненной по окружности, 2) по нахождению основной относительной погрешности измерения толщины стенки по каждому сектору ЭМДС-С, 3) по определению дополнительной погрешности измерений толщины стенки за счет изменения температуры среды и т.д.
Проведены испытания (независимая экспертиза) аппаратурно-методических комплексов ЭМДС-ТМ-42ТС на территории компании скважинных геофизических исследований Синзянской нефтяной компании (Китай) на соответствие заложенных в технических требованиях метрологических параметров реальным достигнутым характеристикам в марте 2006 г. [14].
Основные результаты метрологического анализа на моделях и в скважине Синзяна сведены в таблицу.
Значения величины абсолютной погрешности при измерении толщины стенок труб
Номер модельной системы компании «Синзян» Толщина, мм
Норматив Результаты
По первой колонне По второй колонне По первой колонн По второй колонне
4 0,5 1,5 0,2 - 0,5 -
5 - 0,5 0,3
1 0,5 - 0,1 -
2 - 1,5 - 0,18-0,22
4+6 0,5 1,5 0,1-0,5 0,1
3+5 0,5 1,5 0,2 0,1-0,88
3+2 0.5 1,5 ОД 0,22
1+5 0,5 1,5 0,2 0,2-0,9,8
1+6 0,5 1,5 0,1 0,2-0,3
3 0,5 - 0,1 -
6 - 1,5 - 0,27-0.44
При активном участии автора было проведено широкое опробование технологического оборудования ЭМДС с целью оценки соответствия полученных характеристик поставленным задачам. В рамках экспериментального опробования в диссертационной работе приведены
примеры скважинных исследований, выбранные из основного объема полевых скважинных работ (более 1000 скважин) и систематизированные по решению основных задач:
• Изучение трещинных нарушений колонны, выявленные как в условиях одноколонных, так и многоколонных конструкций (рис. 3).
т
NOISE
Б,
L
ч\\
Продольные трещины (все четыре) уверенно фиксируются осевыми зондами. Особенно надежно - малым осевым зондом С. Данные дефекты видны также на кривых ранних времен задержек и длинного осевого зонда, однако выявление их по материалам зонда С существенно надежнее.
Отметим, что выявление продольной трещины длиной всего 23 мм существенно превышает характеристики, установленные в техническом описании аппаратуры ЭМДС (50 мм). Все поперечные трещины надежно фиксируются поперечными зондами В] и ВВ, в интервалах их расположения. При проведении модельных работ при шаге дискретизации 2 см уверенно зафиксирована поперечная трещина длиной всего 25 мм, что составляет практически 1/10 периметра трубы, что также превышает характеристики, установленные для интегральный малогабаритный ЭМДС-ТМ-42. Отверстия диаметром 25 мм отмечаются отчетливо по кривым поперечного зонда В. Выделяется также одно из отверстий диаметром 15 мм.
• Раздельное измерение толщины стенок труб в условиях многоколонных конструкций (рис. 4).
Рис. 4. Результаты применения ЭМДС-ТМ-42. Месторождение РаИис!-97, Оман
На рис. 4 приведен интервал диаграммы 352-388 м по скв. РаЬис)-97 с результатами интерпретации. Две кривые, нанесенные в правой части каротажной диаграммы, пронормированные в дюймах, характеризуют также техническое состояние обеих колонн и показывают интегральное (осредненное по периметру) значение толщины стенки трубы. На диаграмме приведенного интервала на глубине 369 м резким спадом изменения
толщины внутренней колонны отмечается интервал смены системы насосно-компрессорных труб диаметром с 3 'Л дюйма на 2 7/8 дюйма. На первичных материалах, полученных по отдельным осевым зондам А и С на относительно ранних временах, изменение системы труб однозначно фиксируется понижением уровня записи осевых зондов и закономерно слабо проявляется на кривых поперечного зонда В. Особенно ярко эффект проявляется на кривой длинного осевого зонда А.
• Выделение локальных дефектов, в том числе, как интервалов, так и отдельных отверстий перфорации (рис. 5).
Зонды чмдс с
Зон.'! 1 Зона I 3«И 3 Зонд -I
.41 Г| 10. у г
Рис. 5. Результаты применения ЭМДС-С для выявления отверстий перфорации ПК-105С. Юотв/м, колонна 168 мм. Нижневартовск, скв. 2.
На рис. 5 приведены все кривые прижимных зондов в режиме выделения малых дефектов по одному (верхнему) из выявленных интервалов перфорации. При анализе итоговых скважинных материалов каждый из зондов А, В, С фиксирует разные серии аномалий, расположенных приблизительно через 35 см друг от друга, причем аномалии одного зонда смещены по глубине относительно аномалий соседних зондов на 8-9 см, в совокупности образуя систему спирали.
Такое расположение отверстий соответствует системе установки зарядов в перфораторе ПК105С (заряды размещены по четырем образующим) и, соответственно,- пробиваемым отверстиям при плотности 10 отв./м. Глубина
расположения интервала перфорации, как установил оператор ЭМДС-С, соответствует проектной.
• Выявление и детальное изучение зон развития коррозии в условиях многоколонных конструкций (рис. 6).
Рис.6. Результаты применения ЭМДС-С для выявления интервалов развития коррозии. Туймазинское месторождение, скв. 704
Достаточно ярким примером выявления участка интенсивного развития коррозии обсадной колонны является обследование скв. 704 Туймазинского нефтяного месторождения (рис. 6). На фоне относительно спокойного каротажа ЭМДС-С ярко выделяется интервал 1371 — 1387 м. Зона развития коррозии фиксируется в разной степени практически всеми зондовыми системами. Именно разный характер проявления аномального участка на разных зондах подтверждает неравномерность развития дефекта по периметру колонны. В верхней части коррозионного участка отмечается контрастный минимум, указывающий на наличие в интервале 1375,5 — 1376,5 м сквозного нарушения в пределах выделенного интервала коррозии.
• Выявление участков перфорации и отдельных отверстий в комплексе с акустическими методами контроля (рис. 7).
Рис. 7. Результаты комплексного исследования зоны перфорации методами АВК, ЭМДС-С, МИД-К.
Площадь Сулимовская, Татарстан, скв. 504
В скв. 504 Сулимовской площади (Татарстан) (рис.7) проведено сверление отверстий ПС-112 и работы комплексом аппаратуры ГИС для контроля проделанных отверстий перфорации: сканирующий дефектоскоп ЭМДС-С, электромагнитный дефектоскоп интегрального типа МИД-К (ЗАО НПФ «ГИТАС»), акустический телевизор АВК-42. Условия для применения акустического телевизора максимально благоприятны: новые обсадные трубы без окислов и парафина на стенках, легкий раствор без примеси газа, каротажный подъемник, способный обеспечить малую скорость 30 м/ч.
По данным бригады перфорации просверлено 13 отверстий. Электромагнитным дефектоскопом ЭМДС-С четко выделяется 10 отверстий. Интегральный электромагнитный дефектоскоп МИД-К сверленых отверстий не выделяет. По данным акустического телевизора все отверстия, отмеченные дефектоскопом ЭМДС-С, также выделяются (одно из них на глубине 1496,7 м отмечается весьма слабо аномалией с амплитудой на уровне помех). Кроме того, в самой нижней части интервала коррозии, на глубине 1498,6 м, по данным акустического телевизора фиксируется несколько сближенных отверстий по окружности колонны, а по данным ЭМДС-С они отмечаются единой аномалией.
Комплексное применение двух видов аппаратуры с разными принципами исследований: электромагнитного дефектоскопа ЭМДС-С и акустического телевизора существенно повышает детальность и достоверность контроля перфорации.
Дефектоскоп ЭМДС-С уверенно выделяет интервалы сверлящей перфорации и отдельные отверстия даже при повышенной скорости записи 400 м/ч, если они расположены не ближе 10 см друг от друга. Отверстия сверлящей перфорации, расположенные по разным образующим, четко фиксируются характерными аномалиями кривых разных зондов. Видно, что отверстия, просверленные за два отдельных спуска перфоратора, располагаются по двум разным образующим колонны, одни из них фиксируются секторными зондами 1 и 4, другие - зондами 2 и 3, записанными за один спуск.
Производственная эксплуатация комплексов ЭМДС в самых различных геолого-технических условиях на месторождениях России, Китая, Объединенных Арабских Эмиратов, Омана, Германии, Украины, Белоруссии), детальное сопоставление с известными данными технического состояния скважин, а также сопоставление с данными физического моделирования позволяют сделать заключение, что все основные нарушения стальной трубы, определяющие техническое состояние колонны, с достаточной степенью достоверности (качественные и количественные характеристики) фиксируются аппаратурными средствами с соответствующим программным обеспечением ЭМДС [11,12,14].
Для полного решения проблемы поиска местоположения какого-либо дефекта рекомендуется осуществлять комплексирование исследований ЭМДС с основными технологиями акустического видеокаротажа, цементометрии, шумометрии.
Таким образом, показано, что количественные данные электромагнитной дефектоскопии ЭМДС в комплексе с акустическим видеокаротажом, данными цементометрии и скважинной шумометрии позволяют получать необходимую детальную информацию о техническом состоянии колонн нефтяных и газовых скважин, что обосновывает третье защищаемое положение.
Заключение
На основании выполненных исследований в диссертационной работе получены следующие результаты:
1. Выполнен детальный сопоставительный анализ основных способов обследования технического состояния обсадных колонн и НКТ электромагнитными методами, определено основное перспективное направление работ по неразрушающей диагностике стальных колонн в скважинных условиях.
2. Выполнен анализ характера изменения технологических параметров при разрушении стальных обсадных колонн нефтяного сортамента в процессе промышленной эксплуатации нефтяных и нефтегазовых скважин применительно к решению задач контроля технического состояния методами электромагнитной дефектоскопии и толщинометрии.
3. Разработана теоретическая база и проведены численные расчеты электромагнитных полей в коаксиально-неоднородных средах в гармоническом и нестационарном режимах возбуждения и регистрации с учетом неоднородности электрической проводимости и магнитной проницаемости металла применительно к конкретным условиям проведения работ на нефтяных и нефтегазовых месторождениях.
4. Разработано и широко внедрено в производство технологическое оборудование скважинной малогабаритной электромагнитной дефектоскопии, ориентированной на исследование скважин с многоколонной конструкцией.
5. Разработано и внедрено в производство технологическое оборудование ЭМДС-С с элементами сканирования с целью поисков и идентификации локальных нарушений колонн нефтяных, газовых и гидрогеологических скважин.
6. Произведена оценка эффективности разработанных аппаратурно-методических комплексов ЭМДС для решения основного спектра задач контроля технического состояния стальных технических, обсадных колонн и насосно-компрессорных труб.
7. Разработанные аппаратурно-методические средства позволяют решить следующие технологические проблемы:
• Проведение инспекционных обследований состояния скважин через НКТ с раздельным измерением толщины стенок колонны без остановки процесса эксплуатации через лубрикаторное устройство;
• Исследование конструкции скважины, в том числе определение положения муфт в двух внутренних трубах и получение полной картины расположения труб по глубине, определение по глубине основных конструктивных элементов: башмаков колонн, пакеров, клапанов различного назначения, переходников;
• Обнаружение дефектов типа трещин, порывов, интервалов коррозии и механического истирания стенок, зон стреляющей перфорации и фильтров, а также мест рассоединения муфт;
• Детальное обследование колонны по нескольким образующим, выявление дефектов, определение их формы и размеров;
• Определение толщины стенки колонны по ряду образующих и, в случае необходимости, осредненной по окружности;
• Выявление и определение местоположения перфорационных отверстий сверлящей и кумулятивной перфорации.
8. Разработанные аппаратурно-методические средства ЭМДС в составе комплекса прошли широкое опробование на нефтяных и газовых месторождениях в различных условиях эксплуатации России, Китая, Объединенных Арабских Эмиратов, Омана, Германии, Украины, Белоруссии и подтвердили свои технические эксплуатационные характеристики в качестве эффективного средства диагностики технического состояния стальных колонн нефтяных и нефтегазовых скважин.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах
Научные статьи в изданиях перечня ВАК
1. Теплухин В.К., Миллер A.B., Сидоров В. А. Вопросы электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн и НКТ // НТВ «Каротажник». Тверь: Изд АИС. 1997. Вып. 33. С. 68 - 71. (Автору принадлежит участие в разработке учета степени влияния магнитной проницаемости на результаты ЭМД-электромагнитной дефектоскопии).
2. Гуторов Ю.А., Калташев С.А., Теплухин В.К. Современный малогабаритный комплекс «Контроль-2» для эффективной оценки технического состояния колонн малого диаметра в наклонно-направленных скважинах, забуриваемых из скважин старого фонда // НТВ «Каротажник». Тверь: Изд АИС. 1998. Вып. 52. С. 54 - 60. (Автору принадлежат детальный анализ применения технологии ЭМДС в составе комплекса «Контроль-2»).
3. Теплухин В.К., Миллер A.B., Миллер A.A., Мурзаков Е.М., Судничников В.Г., Степанов C.B. Изучение технического состояния обсадных, бурильных и насосно-компрессорных труб методом электромагнитной дефектоскопии // НТВ «Каротажник». Тверь: Изд АИС. 2000. Вып. 68.С. 35 — 40. (Автору принадлежит разработка положений описанных элементов теории ЭМДС).
4. Теплухин В.К., Яруллин Р.К., Миллер A.B., Мамлеев Т.С., Николаев Ю.В., Ташбулатов В.Д. Сверлящая перфорация и геофизические методы контроля интервала вскрытия // НТВ «Каротажник». Тверь: Изд АИС. 2000. Вып. 75. С. 62-68. (Автору принадлежит разработка вопросов технологии контроля ЭМДС отверстий сверлящей перфорации совместно с Миллер A.B.).
5. Теплухин В.К., Миллер A.B., Миллер A.A., Мурзаков Е.М., Степанов C.B., Судничников В.Г., Казакова О.М. Развитие электромагнитных методов исследования // НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС. 2001. Вып. 82. С. 123 — 127. (Автору принадлежит разработка описанных элементов теории ЭМДС).
6. Теплухин В.К., Миллер A.B., Миллер A.A., Казакова О.М., Мурзаков Е.М., Судничников В.Г., Степанов C.B. Проблемы электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн и пути их решения // НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС. 2002 г. Вып. 96. С. 41 - 56. (Автору принадлежит разработка вопросов теории по степени влияния магнитной проницаемости и электрической проводимости на данные ЭМД).
7. Теплухин В.К. К методике расчета устойчивости обсадных колонн по данным ГИС // Геология и разведка. Изв. ВУЗов. №1. 2004. С. 5156.
8. Теплухин В.К. К вопросу о технологии прогнозной оценки устойчивости нефтегазовых скважин // Геофизический вестник. № 4. 2004. С. 11-13.
9. Теплухин В.К., Миллер A.B. Контроль технического состояния труб бурильного инструмента. НТВ «Каротажник» // Тверь: Изд. АИС. 2005. Вып. 135. С. 113-118. (Автору принадлежит постановка проблемы, разработка методики, участие в создании технологического процесса).
10. Теплухин В.К. Развитие теоретического обеспечения электромагнитной дефектоскопии колонн нефтяных и газовых скважин // Дефектоскопия. № 12. 2004. С.60-73.
11. Теплухин В.К., Миллер A.B., Сулейманов М.А., Ali Eisa Кагат, Ahmed Hassan. Опробование технологий контроля технического состояния нефтяных скважин на объектах ОАЭ // НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС. 2007. Вып. 4, С. 57-67. (Автору принадлежит получение и анализ материалов, формулирование выводов).
12. Теплухин В.К., Медведева И.А. Результаты технологического опробования электромагнитной дефектоскопии ЭМДС-ТМ на объектах Омана // НТВ «Каротажник». 2008. Вып. 178. С. 3-12. (Автору принадлежит получение и анализ материалов).
13. Теплухин В.К. Вопросы теоретического обеспечения электромагнитной дефектоскопии колонн нефтяных и газовых скважин // Геофизика. 2009. Вып.5. С. 45-50.
14. Теплухин В.К., Миллер A.B., Миллер A.A., Судничников A.B., Судничников В.Г., Степанов C.B. Опробование электромагнитной диагностики обсадных колонн и насосно-компрессорных труб аппаратурой ЭМДС-ТМ-42ТС на нефтяных объектах Китая // НТВ «Каротажник». Тверь: Изд АИС. 2010. Вьпх.4 (193). С. 13-23. (Автору принадлежит получение и детальный анализ материалов, формирование выводов).
Патенты и авторские свидетельства
15. Теплухин В.К., Миллер A.B., Миллер A.A., Павлов В.А. Скважинный электромагнитный дефектоскоп-толщиномер. Патент РФ № 2074314. Бюлл. изобр. № 6, 1997 г. (Автору принадлежит разработка проблем методики ЭМД).
16. Теплухин В.К., Теплухина З.Г. ДСП Авт. свид. СССР № 1 236 402, Бюлл. изобр. № 21, 1986 г. ДСП. (Автору принадлежит разработка способа, составление технической документации).
17. Теплухин BJC., Теплухина З.Г. ДСП Авт. свид. СССР № 1 376 765, ДСП. (Автору принадлежит разработка способа, составление технической документации).
18. Теплухин В.К., Кормильцев В.В., Теплухина З.Г. Д Авт. свид. СССР № 1 409 023, ДСП. (Автору принадлежит разработка способа, составление технической документации).
19. Теплухин В.К., Миллер А.А, Миллер A.B., Мурзаков Е.М., Степанов C.B., Судничников В.Г. Электромагнитный скважинный дефектоскоп. Полезная модель № 23 644. Бюлл. изобр. № 18, от 27.06.2002 г.
(Автору принадлежит разработка вопросов методики).
20. Теплухин В.К., Миллер A.B., Миллер A.A., Мурзаков Е.М., Степанов C.B., Судничников В.Г. ДСП Патент РФ № 2215143, Бюлл. изобр. № 30, от 27.10.2003 г. (Автору принадлежит разработка вопросов методики).
21. Миллер A.A., Теплухин В.К., Миллер A.B., Мурзаков Е.М., Степанов C.B., Судничников В.Г., Судничников A.B. Способ электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн в скважине и электромагнитный дефектоскоп для его реализации. Патент РФ № 2330276, Бюлл. изобр. № 21 от 27.07.2007 г. (Автору принадлежит разработка вопросов методики).
22. Теплухин В.К. ДСП Патент РФ № 2395823, Бюлл. изобр. № 21 от 27.07.2010 г.
Статьи n материалы в трудах научно-технических конференций
23. Сидоров В.А., Теплухин В.К., Яхин A.M. Электромагнитный комплекс для геоэкологических, гидрогеологических и инженерно-геологических исследований // Междунар. геофиз. конф. и выст., SEG-EAGO, Москва, 16-20 авг. 1993: Сб. реф. № 2. М.,1993. С. 25. (Автору принадлежит получение и детальный анализ материалов, разработка элементов методики и технологии комплекса).
24. Сидоров В.А., Теплухин В.К. Электромагнитная дефектоскопия // Междунар. геофиз. конф. и выст., SEG-EAGO, Москва, 16-20 авг. 1993: Сб. реф. № 2. М.,1993. С. 121. (Автору принадлежит разработка совместно с соавтором методики ЭМД).
25. Теплухин В.К., Миллер A.B., Яхин A.M. Электромагнитная дефектоскопия нефтяных и газовых скважин в условиях многоколонных конструкций // Использование геолого-геофизических методов при поисках, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых в Республике Башкортостан, Октябрьский, ВНИИГИС, 1994. С. 37 - 38. (Автору принадлежит получение материалов, их детальный анализ, составление выводов и разработка направления дальнейших работ).
26. Теплухин В.К., Миллер A.B., Яхин A.M. Проблемы контроля технического состояния колонн нефтяных и газовых скважин методами
скважинной электромагнитной толщинометрии и дефектоскопии // Междунар. геофиз. конф. «Санкт-Петербург-95 »: Санкт-Петербург, 1995. Том I, 5.010. (Автору принадлежит получение полевых данных, детальный анализ материалов, составление выводов и направления дальнейших работ).
27. Теплухин В.К., Яхин А.М., Рыскаль O.E. Изучение геоэкологических изменений при длительной разработке месторождений нефти комплексом ГИС и наземных электромагнитных зондирований // Междунар. геофиз. конф. «Санкт-Петербург-95»: Санкт-Петербург, 1995. Том. I, 17.06. (Автору принадлежит получение материалов, детальный анализ материалов, составление выводов и направления дальнейших работ).
28. Гуторов Ю.А., Калташев С.А., Теплухин В.К Современный эффективный малогабаритный комплекс «Контроль-2» для оценки технического состояния колонн малого диаметра, используемых при креплении наклонно-направленных и горизонтальных стволов, забуриваемых из старого фонда скважин // Новая геофизическая техника для исследования бурящихся и действующих вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин. Уфа: АО НПФ «Геофизика», 1997. С. 20. (Автору принадлежит детальный анализ применения технологии ЭМДС в составе комплекса «Контроль-2»).
29. Теплухин В.К., Сидоров В.А., Миллер A.B. Многозондовый электромагнитный дефектоскоп-толщиномер // Новая геофизическая техника для исследования бурящихся и действующих вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин. Уфа: АО НПФ «Геофизика», 1997. С. 29-30. (Автору принадлежит разработка положений методики ЭМД).
30. Теплухин В.К., Миллер A.B., Миллер A.A., Казакова О.М. Контроль технического состояния обсадных колонн методом электромагнитной дефектоскопии // SEG EAGO, Москва, 8 — 11 сент. 1998 г. М., 1998. С. 2.5. (Автору принадлежит разработка положений методики ЭМД).
31. Теплухин В.К., Миллер A.B., Миллер A.A., Казакова О.М. Контроль технического состояния обсадных колонн и НКТ методом электромагнитной дефектоскопии - эффективное средство диагностики скважин в период подземного и капитального ремонтов // Современные технологические процессы в нефтегазодобыче. Октябрьский: ОФ УГНТУ, 1998. С. 136-145. (Автору принадлежит получение материалов, их анализ, разработка методики интерпретации данных ЭМД).
32. Теплухин В.К., Миллер A.B., Казакова О.М., Миллер A.A. Вопросы скважинной электромагнитной толщинометрии при контроле технического состояния нефтегазовых скважин // Геофизические исследования в нефтегазовых скважинах. Уфа: Изд-во Башк. ун-та, 1998. С. 187—209. (Автору принадлежит разработка положений теории, получение материалов, их анализ, составление части текста).
33. Теплухин В.К., Миллер A.B., Миллер A.A., Казакова О.М. Изучение технического состояния обсадных, бурильных и насосно-компрессорных труб методом электромагнитной дефектоскопии // Состояние и перспективы использования геофизических методов для решения актуальных задач поисков, разведки и разработки месторождений полезных
ископаемых. Октябрьский, 1999. С. 258—265. (Автору принадлежит разработка основных вопросов технологии ЭМД).
34. Теплухин В.К., Миллер A.B., Миллер A.A., Казакова О.М. Контроль технического состояния колонн нефтегазовых скважин сканирующим и интегральным электромагнитным дефектоскопом // Новые высокие информационные технологии для нефтегазовой промышленности. Уфа: АО НПФ «Геофизика», 1999. С. 13-14. (Автору принадлежит анализ полученных материалов, разработка методических положений).
35. Теплухин В.К., Миллер A.B., Миллер A.A., Судничников В.Г., Степанов С.В., Мурзаков Е.М. Контроль технического состояния обсадных колонн методом электромагнитной дефектоскопии // Российско-Китайский симпозиум по промысловой геофизике. Уфа, 2000. Том. I. С. 195-197. (Автору принадлежит анализ полученных материалов, разработка методических положений).
36. Теплухин В.К., Поляков А.П., Сидорчук А.И. Состояние и перспективы развития геофизических методов и разработки аппаратуры для исследований скважин И Геологическая служба и горное дело Башкортостана на рубеже веков. Уфа: Изд. «Tay», 2000. С. 229-234. (Автору принадлежит получение и детальный анализ материалов, разработка основной методики ЭМД).
37. Теплухин В.К., Миллер A.B., Миллер A.A. Проблемы электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн и пути их решения // Инновационные технологии в области поисков, разведки и детального изучения месторождений нефти и газа. М.: ЕАГО, ОАО «ЦГЭ», 2002. С. 143145. (Автору принадлежит разработка положений методического обеспечения ЭМД).
38. Теплухин В.К., Шараев А.П., Миллер A.B., Еникеев В.Н., Ташбулатов В.Д., Закиров А.Ф., Халиуллин Ф.Ф., Минуллин P.M., Мусаев Г.Л. Совершенствование технологии обследования технического состояния нефтегазовых скважин // Технологии ТЭК. М.: ИД «Нефть и капитал», 2002. № 7. С. 49-53. (Автору принадлежит разработка положений методики применения ЭМДС).
39. Теплухин В.К., Шараев А.П., Миллер A.B., Еникеев В.Н., Ташбулатов В.Д., Закиров А.Ф., Минуллин P.M., Нуретдинов Я.К., Мусаев Г.Л. Совершенствование технологии обследования технического состояния нефтегазовых скважин // Междунар. геофиз. конф. и выст., SEG-EAGO, Москва, 1-4 сентября 2003 г. Сб. реф. № 2. М., 2003. С. 25. (Автору принадлежит разработка проблем методики применения ЭМД в составе комплекса с акустическими методами исследования).
40. Теплухин В.К. Скважинная электромагнитная дефектоскопия и прогноз устойчивости колонн // Материалы геофизической научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности применения геофизических исследований при поисках, разведке, разработке и эксплуатации месторождений нефти и газа в Западной Сибири». Тюмень, 2003. С.
40. Теплухин В.К., Шараев А.П., Миллер A.B., Еникеев В.Н., Закиров А.Ф., Минуллин P.M. Изучение коррозии обсадных колонн и контроль перфорации геофизическими методами // ОАО НИИ ВНИИГИС. Октябрьский, 2004. 11 с. Деп. в ВИНИТИ 17. 02.2004 г., № 272-В 2004.
(Автору принадлежит разработка положений методики применения ЭМДС-С с целью поиска отверстий перфорации).
41. Теплухин В.К., Миллер А.В., Казакова О.М., Епископосов К.С., Судничников В.Г. Развитие методики интерпретации сканирующей электромагнитной дефектоскопии // ОАО НПП ВНИИГИС. Октябрьский, 2004. 7 с. Деп. ВИНИТИ, № 456-В2004. (Автору принадлежит разработка части положений технологии по теории металла на основании измеренных данных ЭМД).
42. Теплухин В.К., Кудряшова В.Ф., Высотина Р.Т. Электромагнитная дефектоскопия: Состояние изученности проблемы // ОАО НПП ВНИИГИС. Октябрьский, 2004. 21 с. Деп. в ВИНИТИ 17. 02.2004, № 273- В 2004 г. (Автору принадлежит сбор, систематизация и детальный сравнительный анализ данных, разработка выводов).
43. Теплухин В.К. Анализ причин разрушения стальных обсадных колонн // ОАО НПП ВНИИГИС. Октябрьский, 2004. 14 с. Деп. в ВИНИТИ 17.02. 2004, №271-В2004.
44. Teplukhin V., Wang Xia Long. Well logging and evaluation of the model well with EMDS-TM-42TS magnaflux inspection tool // World well logging technology. Vol 21. № 5, Oct. 2006. (Автору принадлежит получение материалов, разработка выводов).
45. Teplukhin V., Wang Xia Long. Characteristics and Application of New Generation EMDS-42 Electromagnetic Defect Detection Logging Tool. // World well logging technology. Vol 175. № 5, 2010. (Автору принадлежит получение материалов, разработка выводов).
Подписано в печать 5.04.2011 г. Формат 60x84 Ч]6, Бумага офсетная. Печать на ризографе. Печ. JI. 2,38. ГУП РБ ОГТ 2011 г. ИНН 0265000479. Зак. 985, тир. 150. 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15. Пермский государственный университет.
Содержание диссертации, доктора технических наук, Теплухин, Владимир Клавдиевич
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ:
СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ
1.1. Тенденции развития электромагнитной дефектоскопии.
1.2. Решение проблем контроля технического состояния стальных обсадных колонн на зарубежных предприятиях.
1.3. Выводы по главе 1.
Глава 2. АНАЛИЗ ПРИЧИН И ПАРАМЕТРОВ РАЗРУШЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ОБСАДНЫХ
КОЛОНН.
2.1. Смятие обсадных колонн в скважинных условиях.
2.2. Оценка влияния неравномерной нагрузки и структуры металла при эксплуатации обсадных колонн.
2.3. Распределение напряжений в приствольной зоне.
2.4. Анализ повреждений эксплуатационных колонн 61 в процессе эксплуатации.
2.5. Разработка и обоснование требований к толщинометрии на основании анализа технологии изготовления труб нефтяного сортамента.
Выводы по главе 2.
Глава 3. РАЗВИТИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ.
3.1. Общие положения.
3.2. Методика расчета толщины стенок труб.
3.3. Расчет радиальной составляющей нестационарного поля вертикального магнитного диполя в стальной трубе без дефектов с конечной толщиной стенки.
3.4. Особенности распределения электромагнитного поля вблизи локального дефекта.
3.4.1. Изучение локальных дефектов.
3.4.2. Дефекты типа трещин и щелей.
Выводы по главе 3.
Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ АППАРАТУРЫ СКВАЖИННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ
ДЕФЕКТОСКОПИИ.
4.1. Основные требования к техническим параметрам ЭМДС.
4.2. Разработка зондовых систем для изучения дефектов стальных колонн типа «трещина».
4.3. Разработка зондовых систем для изучения дефектов колонны типа «отверстие и раковина».
4.4. Малогабаритный дефектоскоп-толщиномер интегрального типа ЭМДС-ТМ-42У.
4.5. Методика регистрации данных ЭМДС.
4.6. Методика интерпретации данных ЭМДС.
4.7. Разработка технологии скважинной дефектоскопии с элементами системы сканирования ЭМДС-С
4.8. Проблемы метрологического обеспечения аппаратуры ряда
ЭМДС.
4.8.1. Определение диапазона измерений и основной относительной погрешности измерений толщины стенки труб, определенные по окружности.
4.8.2. Определение основной относительной погрешности измерения толщины стенки по каждому сектору ЭМДС-С.
4.8.3. Определение дополнительной погрешности измерений толщины стенки за счет изменения температуры среды.
4.8.4. Проверка дефектоскопа на минимальные размеры дефектов, доступных для обнаружения.
4.8.5. Опробование параметров технологического комплекса 200 ЭМДС-ТМ-42 на реальных метрологических объектах.
Выводы по главе 4.
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРОБОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ В СОСТАВЕ КОМПЛЕКСА КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН.
5.1. Применение электромагнитной дефектоскопии
ЭМДС для выделения трещинных нарушений в колонне.
5.2. Практическое применение ЭМДС для измерения толщины стенок колонны в условиях одноколонных и многоколонных конструкций.
5.2.1. Измерение толщины стенки в условиях одноколонной конструкции.
5.2.2. Измерение толщины стенки в условиях двухколонной конструкции.
5.2.3. Измерение толщины стенки в условиях локального дефекта.
5.3. Примеры применения ЭМДС для выделения зон коррозии в условиях одноколонных и многоколонных конструкций.
5.3.1. Выделение зон коррозии.
5.3.2. Выделение участка локальной коррозии.
5.3.3. Выделение участка интенсивной коррозии.
5.3.4. Выделение системы участков коррозии.
5.3.5. Выделение участка интенсивной коррозии через НКТ.
5.4. Выделение локальных дефектов.
5.4.1. Выделение интервала перфорации, полученной с перфоратором ПК-105.
5.4.2. Выделение отверстий кумулятивной перфорации при плотности отверстий 10 отв./м.
5.4.3. Выделение зон сквозного нарушения колонны с 255 ЭМДС-С.
5.4.4.Выделение отверстий сверлящей перфорации с ПС-112.
5.4.5. Выделение малого одиночного локального дефекта в колонне.
Выводы по главе 5.
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Аппаратурно-методическое развитие скважинной электромагнитной дефектоскопии нефтяных и газовых скважин"
Важнейшим направлением.' технологического." развития' российских нефтяных компаний в области добычи» углеводородов в настоящее время, является-не столько увеличение дополнительной добычи нефти и не.столько повышение нефтеотдачи пластов, сколько радикальное снижение1 затратности основного производства. Наиболее существенным» потенциалом в снижении затрат и ресурсосбережении обладает система надежности бурения, освоения и эксплуатации добывающих нефтяных и газовых и-водонагнетательных скважин. Наибольшая эффективность достигается при увеличении срока службы скважин.
При этом одной из наиболее актуальных проблем, возникающих при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, является системный контроль техническогосостояния стальных эксплуатационных и технических, колонн, насосно-компрессорных труб, цементного кольца, качества, сцепления цемента с породой и колонной.
Отсутствие системы надежного систематического контроля* приводит, как правило, к серьезным нарушениям экологического равновесия среды, неконтролируемым потерям сырья и изменению его параметров,, а также к крупным материальным затратам, связанным с ликвидациями аварий, неопределенности со сроками надежной эксплуатации скважин.
Для обнаружения факта и мест негерметичности колонн нефтяных и нефтегазовых скважин широко применяется группа методов скважинных геофизических исследований: электромагнитная дефектоскопия, термометрия, шумометрия, расходометрия, скважинная, акустическая цементометрия. Относительно надежным методом выявления негерметичности, хотя и очень грубым, является поинтервальная опрессовка.
Однако эти технологии позволяют либо выявить только предполагаемый интервал негерметичности протяженностью от нескольких метров до-нескольких десятков метров;, либо дают детальную информацию об отдельных видах дефектов (к примеру, о разрывах колонн или иных-относительно крупных нарушениях). Для правильного^ планирования капитального ремонта скважин необходима- как детальная и точная характеристика дефектов, так и обоснованное заключение о возможности продолжения эксплуатации скважины в конкретных геолого-технических условиях при наличии того или иного дефекта колонн или цементного кольца.
Особые условия эксплуатации обсадных колонн нефтяных и газовых скважин создают нагрузки и повреждения, при которых несущая способность труб в процессе длительной эксплуатации в значительной степени снижается.
В последние годы в связи с разработкой и внедрением новых технологий ремонта скважин только информации о наличии мест негерметичности недостаточно; появилась необходимость в получении-количественных характеристик дефектов и прогнозной оценки устойчивости конструкции скважины при конкретных условиях эксплуатации.
Цель работы состоит в следующем:
• Разработка и внедрение в практику производственных работ теоретического, методического и аппаратурного обеспечения скважинной электромагнитной дефектоскопии стальных обсадных колонн и насосно-компрессорных труб нефтяных и газовых скважин с многоколонными конструкция ми как составной неотъемлемой части комплекса ГИС;
• разработка составного звена технологии на базе комплекса ГИС оценки ' устойчивости- комплекса колонна-скважина в конкретных условиях эксплуатации.
Методы исследования: Теоретические,' лабораторные,-, экспериментальные и полевые исследования; , математические расчеты; анализ публикаций отечественных и зарубежных специалистов, обобщение и детальный^ анализ; результатов опытно-методических и: производственных работ!на скважинах, лабораторных экспериментов и скважинных материалов
Научная новизна работы
1. Выполнен анализ характера; изменения технологических параметров; разрушения стальных обсадных колонт нефтяного сортамента в процессе промышленной эксплуатации нефтяных и нефтегазовых скважин применительно к решению задач контроля технического состояния методами! электромагнитной дефектоскопии и толщинометрии.
2. Показано, что- разработанное и внедренное в практику производственных работ аппаратурное и методическое обеспечение на базе аппаратуры скважинной электромагнитной дефектоскопии и толщинометрии! (ЭМДС-ТМ-42) является ведущим средством .обследования технического состояния многоколонных конструкций через лубрикаторные устройства.
3. Впервые детально исследованы характеристики электромагнитных полей в условиях коаксиально-неоднородных сред в присутствии локальных высокоомных неоднородностей применительно к задачам скважинной электромагнитной дефектоскопии.
4. Показано; что разработанные и предложенные для производственного применения специализированные зондовые системы и программно-методические средства на базе ЭМДС-С являются эффективным средством для обнаружения и идентификации локальных дефектов колонн, в том числе малых очагов развития питтинговой коррозии и отверстий перфорации.
3 Основные защищаемые положения и результаты
1. Аппаратурное и программное обеспечение комплекса электромагнитной дефектоскопии и толщинометриии (ЭМДС-ТМ), основанное на анализе электромагнитного поля в нестационарном режиме, позволяет решать задачи качественного и количественного обследования обсадных колонн через насосно-компрессорные трубы эксплуатационных и нагнетательных скважин без остановки процесса добычи нефти.
2. Аппаратурное и программное обеспечение электромагнитной дефектоскопии с элементами сканирования (ЭМДС-С), основанное на анализе электромагнитных полей в нестационарном* и гармоническом режимах, позволяет решать задачи обнаружения и количественной оценки локальных дефектов колонн в процессе скважинных исследований, в том числе очагов развития коррозии и отверстий кумулятивной и сверлящей перфорации
3. Аппаратурно-методические комплексы ЭМДС, разработанные под руководством автора и поставляемые в производство ГИС, позволяют в комплексе с методами акустической, температурной и механической диагностики получать количественную информацию с необходимой степенью детальности о техническом состоянии обсадных колонн и насосно-компрессорных труб.
Практическая реализация результатов работы
Разработанные в процессе выполнения исследований технологии, включающие теоретическое, методическое и программное обеспечение средств контроля технического состояния многоколонных конструкций нефтегазовых скважин нашли применение в регионах России: Башкортостан,
Татарстан, Западная» и Восточная Сибирь: Когалымнефтегеофизика (г.
Когалым), Красноярнефтегеофизика (г. Повх), Стрежевой, Северск-17,
Норильскгаз-геофизика (Норильск), Якутия, Сахалин, Камчатка, Нижне9 вартовскнефтегеофизика, Астраханьгазгеофизика, Оренбурггеофизика, Неоген-Н; Вуктылгазгеофизика и др. Также аппаратурно-программные комплексы ЭМДС работают в странах Ближнего (Казахстане, Украине, Белоруссии) и Дальнего Зарубежья - Германии- Китае, Султанате Оман, ОАЭ. ; ' \
Всего поставлено на производство и находятся в постоянной эксплуатации более 140 комплексов ЭМДС-ТМ в различной конфигурации и ЭМДС-С.
Прикладная ценность
Разработаны и внедрены на производстве современные аппаратурно-методические комплексы скважинной электромагнитной дефектоскопии и толщинометрии обсадных колонн, как средства контроля технического состояния скважин с многоколонной конструкцией, предназначенные для решения задач контроля на объектах добычи углеводородного сырья.
В работе рассмотрены, вопросы развития теоретических основ применения методов электромагнитной дефектоскопии в комплексе; с другими методами контроля технического состояния стальных колонн обсадных труб, показаны способы учета степени влияния осложняющих факторов - различного рода магнитных и иных неоднородностей металла на результаты измерений параметров электромагнитных полей в процессе регистрации и обработки данных. Даны способы аналитических расчетов электромагнитных полей в коаксиально-неоднородных средах, в том числе и в присутствии локальных непроводящих неоднородностей. Представлены результаты аналитических расчетов при разработке зондовых систем, направленных на детальное изучение параметра толщины стенки колонны, и комплекса зондовых систем для идентификации отверстий сверлящей и кумулятивной перфорации, а также коррозионных раковин.
В работе представлены технологические характеристики аппаратуры ряда ЭМДС — малогабаритных приборов ряда ЭМДС-ТМ, предназначенных
10 для инспекционного контрольного анализа состояния обсадных колонн через насосно-компрессорные трубы, без остановки- процесса эксплуатации» скважин, через лубрикаторные системы. А таюке - аппаратуры с элементами, сканирования (системы азимутально-ориентированных датчиков) ЭМДС-С, предназначенной преимущественно» для исследованиям локальных дефектов обсадных колонн: объектов обширной- и очаговой питтинговой коррозии, в том числе и сквозных, с представлением численных данных о потерях металла; желобах, проточенных в колонне буровым инструментом; интервалов кумулятивной и сверлящей перфорации с максимально возможным фиксированием на каротажной диаграмме каждого отверстия.
В работе приведень1 полевые результаты экспериментальных и производственных скважинных исследований в качестве примеров, систематизированных по основным решаемым задачам, подтверждающих технологические характеристики разработанных видов аппаратуры и эффективности методических исследований.
Автором показан вклад различных факторов в уменьшении сминающего давления круглой равностенной трубы - овальность, пластичность, разностенность и положение овала трубы в скважине. Показано, что при наличии агрессивной среды, способствующей активной коррозии металла колонны, соотношение весовых коэффициентов воздействия перечисленных параметров изменится коренным образом в« пользу факторов колонны и тем самым, контроль технического состояния становится основной проблемой успешной эксплуатации.
Исследования выполнены автором в период 1992 - 2009 гг. в ОАО НПП ВНИИГИС и ЗАО НПФ « ВНИИГИС-ТЗС».
Диссертация состоит из введения , 5 глав и заключения.
Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Теплухин, Владимир Клавдиевич
Выводы по главе 5:
1. Широкое производственное опробование технологий ЭМДС, выполненное коллективом во главе с автором, а также материалы, полученные: непосредственно производственными предприятиями в процессе внедрениям и» эксплуатации большого числа (более 100 комплексов ЭМДС различных модификаций), показали, что разработанные и представленные технологии; включающие теоретическое, аппаратурное и программное обеспечение скважинной электромагнитной дефектоскопии ряда ЭМДС отвечают, самым; современным представлениям о контроле технического? состояния колонн нефтяных и нефтегазовых скважин.
2. Экспериментальное опробование технологических схем* применения скважинной электромагнитной* дефектоскопии при контроле технического состояния нефтегазовых скважин?показало высокие технические возможности разработанного- аппаратурно-методического обеспечения» ряда ЭМДС при решении самых актуальных технологических задач:
• Выделение трещинных нарушений любой ориентации.
• Раздельное измерение толщины стенок труб в условиях двухколонных конструкций.
• Выделение интервалов развития коррозии.
• Выделение, как интервалов, так и отдельных отверстий перфорации, в том числе и сверлящей.
• Выделение малых локальных дефектов.
Таким образом, все основные часто встречающиеся, нарушения стальной, трубы, определяющие техническое состояние колонны нефтегазовой скважины, с достаточной степенью достоверности фиксируются аппаратурными средствами с соответствующим программным обеспечением ряда ЭМДС.
Отметим, что для полного решения проблемы поиска местоположения какого-либо дефекта обязательно комплексирование исследований ЭМДС с основными технологиями акустического видеокаротажа, цементометрии, шумометрии
Последняя выделенная проблема (пункт 2.6.) представляет особый интерес, так как актуальность задачи оценки прогнозных ресурсов действующего эксплуатационного фонда возрастает постоянно со временем.
Надо отметить, что с появлением качественной технологии измерения основных параметров колонны вопрос о принципиальной возможности расчета оценки прогнозных ресурсов и характеристик процесса эксплуатации действующих скважин сейчас получает положительное решение.
-
Теплухин, Владимир Клавдиевич
-
доктора технических наук
-
Дубна, 2011
-
ВАК 25.00.10
- Совершенствование контроля технического состояния колонн нефтегазовых скважин методом электромагнитной дефектоскопии
- Разработка аппаратуры и методики применения электромагнитной дефектоскопии нефтяных и газовых скважин
- Технология магнитоимпульсной дефектоскопии-толщинометрии колонн нефтяных и газовых скважин
- Развитие скважинной электромагнитной дефектоскопии нефтяных и газовых скважин
- Разработка технологии геофизических исследований технического состояния скважин на месторождениях и подземных хранилищах газа Оренбуржья
