Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Развитие скважинной электромагнитной дефектоскопии нефтяных и газовых скважин

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Развитие скважинной электромагнитной дефектоскопии нефтяных и газовых скважин"

На правах рукописи

ТЕПЛУХИН ВЛАДИМИР КЛАВДИЕВИЧ

РАЗВИТИЕ СКВАЖИННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Специальность 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г. Екатеринбург - 2005

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте геофизических исследований геологоразведочных скважин (ОАО Ш 111 ВНИИГИС.

Научный консультант доктор технических наук Кнеллер Леонид Ефимович

Официальные оппоненты:

1. Доктор технических наук, профессор Молчанов Анатолий Александрович

2. Доктор технических наук, Иванов Нестор Святославович.

3. Доктор геолого-минералогических наук, профессор Сковородников Игорь Григорьевич.

Ведущая организация: Уральский государственный горный университет (УГГУ), г. Екатеринбург

Защита состоится 15 Ср.еЬр,аи.9и 2005 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д.003.31.01. по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте геофизики Уральского отделения РАН по адресу: г. Екатеринбург, ул. Амундсена д. 100.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института Геофизики Уральского отделения РАН-

Автореферат разослан

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.

Цель работы:

• разработка технологии и аппаратурно-методического обеспечения скважинных электромагнитных исследований локальных дефектов и точной количественной толщинометрии стальных обсадных колонн и насосно-компрессорных труб при контроле технического состояния нефтяных и газовых скважин;

• разработка научно обоснованной методической системы прогнозного анализа устойчивости комплекса колонна-скважина в конкретных условиях эксплуатации на основе комплекса ГИС.

Основные задачи:

• 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 с целью выявления перспективного направления развития технологии контроля;

• разработка теоретического обеспечения 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;

• разработка аппаратурно-методического обеспечения скважинной электромагнитной дефектоскопии стальных колонн нефтяных и газовых скважин для:

1. Проведения инспекционного обследования с помощью малогабаритной интегральной аппаратуры;

2. Для детального изучения состояния колонн с целью поисков и идентификации локальных нарушений при использовании технологий с системой сканирования.

• Разработка основных требований к методике проведения расчетов прогнозной устойчивости системы колонна-скважина в неустойчивых пластических породах и агрессивных средах с учетом характерных особенностей структуры металла колонны, а также с учетом детальной оценки степени влияния неравномерной нагрузки на колонну, а также - влияния степени и качества цементирования на устойчивость обсадных колонн в условиях неравномерной нагрузки.

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 ЭМДС-ТМ-42 скважинной электромагнитной дефектоскопии и толщинометрии является ведущим средством обследования технического состояния многоколонных конструкций через лубрикаторные устройства без остановки процесса эксплуатации.

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.

5. Теоретически и экспериментально обоснованы критерии и технология проведения расчетов прогнозной устойчивости скважины в условиях действия неравномерного давления и нарушения прочностных параметров колонны, обусловленных ее коррозионным и механическим износом на информационной базе, полученной по материалам скважинных исследований методами скважинной электромагнитной дефектоскопии.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных автором результатов определяется:

• Статистическим анализом материалов практического применения технологии скважинных исследований по контролю технического состояния нефтяных и газовых скважин с применением метода электромагнитной дефектоскопии более чем на 300 объектах нефтяных, газовых месторождений, подземных хранилищ газа и гидрогеологических скважин Башкирии, Татарии, Оренбуржья, Казахстана, Германии, Китая, Астрахани, Кольской СГ-3, Ханты-Мансийского АО и др;

• Решениями прямых и обратных задач по расчетам 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.

Основные защищаемые положения:

1. Разработанное аппаратурно-методическое и программно-математическое обеспечение скважинной электромагнитной дефектоскопии и толщинометрии на базе технологии ЭМДС-ТМ позволяет решать задачи количественного и качественного обследования обсадных колонн через насосно-компрессорные трубы без остановки процесса добычи.

К числу основных задач, решаемых разработанным аппаратурно-методическим комплексом ЭМДС-ТМ следует отнести следующие:

• Измерение интегральной толщины стенки обсадной колонны с точностью не менее 0,5 мм через 1-5 см по оси колонны в условиях одноколонной конструкции;

• Измерение толщины стенки обсадной колонны через НКТ с точностью не менее 1,5 мм;

• Точное определение местоположения интервала перфорации;

• Точное измерение температуры скважинного флюида и металла колонны;

• Измерение уровня естественной гамма-активности для контроля привязки нарушений.

2. Разработанные специализированные зондовые системы и программно-методические средства на базе ЭМДС-С позволяют решать задачи обнаружения и идентификации локальных

дефектов обсадных колонн в процессе скважинных исследований, в том числе - очагов развития коррозии и отверстий кумулятивной и сверлящей перфорации.

3. Полученные аналитические решения и методика позволяют

проводить временные расчеты и составить Заключение о прогнозной устойчивости системы колонна-скважина в условиях развития неравномерного давления и наличия агрессивных сред на основании информационной базы, в основе которой находится полученные материалы количественного анализа геометрических параметров обсадной колонны методами электромагнитной дефектоскопии - толщинометрии.

Научная и практическая значимость работы. Основная теоретическая значимость состоит в том, что в представленной работе дан комплексный анализ всех причин, снижающих устойчивость системы скважина - колонна и практические способы численного расчета параметра времени эксплуатации. Разработаны и представлены современные аппаратурно-методические комплексы скважинной электромагнитной дефектоскопии и толщинометрии обсадных колонн как средства контроля технического состояния скважин, предназначенные для решения поставленных задач и материалы практического применения на объектах добычи углеводородного сырья.

Реализация результатов. Работа подводит итог проводимых при непосредственном участии автора исследований, . направленных на разработку промышленной технологии скважинной электромагнитной дефектоскопии и количественной толщинометрии как ведущего средства контроля технического состояния колонн нефтяных и газовых скважин.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке методических и инструктивных документов по технологиям контроля технического состояния нефтегазовых скважин при поставках и внедрении в

производство методов скважинной электромагнитной дефектоскопии в АО «Башнефтегеофизика», АО «Татнефтегеофизика», АО «Газпромгеофизика», АО «Оренбурггеофизика», АО «Нижневартовскнефтегеофизика», и др.

Исходные материалы исследований В работе, выполненной в ОАО НПП ВНИИГИС (Всесоюзном научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте геофизических исследований

геологоразведочных скважин), использованы материалы исследований, полученные автором или при участии автора в процессе разработки методики контроля технического состояния стальных колонн нефтяных, газовых и гидрогеологических скважин для различных регионов добычи углеводородного сырья и различных конструкций скважин; материалы детального анализа влияния изменчивости различного рода электромагнитных и геометрических параметров обсадных колонн, оказывающих основное влияние на результаты измерений, обработки и интерпретации регистрируемых электромагнитных полей; материалы анализа степени влияния параметров разрушения стальных обсадных колонн в сложных геолого-технических условиях эксплуатации.

Личный вклад автора Автором работы поставлены основные задачи, решение которых изложено в данной работе, им осуществляется как непосредственное участие на всех этапах и направлениях исследований, так и научное руководство: организация и проведение работ, систематизация и интерпретация материалов скважинных электромагнитных исследований. Постановка и реализация решения проблемы учета влияния магнитной проницаемости металла колонн. В опубликованных в соавторстве статьях автору принадлежит кроме постановки проблемы часть аналитических материалов при систематизации геолого-технических данных, интерпретация и обсуждение результатов. В статьях по методике прогнозных расчетов устойчивости систем колонна - скважина в сложных условиях эксплуатации при неравномерном давлении на колонну и в условиях агрессивных сред -

постановка проблемы, конкретных задач и разработка направлений реализации в производстве.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались на республиканских, региональных геофизических конференциях и семинарах (г. Санкт-Петербург, 1995, 2000, г. Уфа, 1997, 1999, 2000 ; Москва, 1998, 2002 г.,). Международных научно-технических конференциях и симпозиумах (Уфа, 2000, 2003; Санкт-Петербург, 2000; Тюмень, 2003; Москва, 2002,2003 ).

В общей сложности автором опубликовано более 70 печатных научных работ, их них основные результаты диссертации изложены в 36 публикациях, в том числе в 14 статьях, 16 опубликованных докладах и тезисах к докладам, 3 А.С., 2 Патентах, 1 П. М.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит их введения, шести глав и заключения. Общий объем работы 252 страниц текста, включая 51 рисунок, 6 таблиц и список литературы из 208 наименований.

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность за поддержку, помощь и конструктивные предложения А.В. Миллеру, Е.С. Кучурину, А.П. Потапову, Л.Е Кнеллеру, А.А. Молчанову, В.А. Ленскому, О.М. Казаковой и многим другим. Особую благодарность за совместное обсуждение решений на ранней стадии исследований автор приносит Сидорову В. А.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении приводится общая характеристика работы: обоснована актуальность, сформулированы цель работы, основные задачи и защищаемые положения; кратко изложены научная новизна достоверность результатов, научная и практическая значимость работы, реализация результатов, исходные материалы исследований, степень личного участия автора по

получению основных научных результатов, апробация работы, ее публикации и структура.

1. Электромагнитная дефектоскопия и толщинометрия: состояние изученности проблемы.

Глава представляет обзор ранее проведенных разными авторами (Сидоров В.А., Нечаев Б.Л., Пятецкий Е.М. др.) и организациями (ОАО Ш 111 ВНИИГИС, АО «СевкавНИПИгаз», НПФ «Диалог», НПП «Луч», ЗАО «Дефектоскопы Сидорова», НТЦ «Кубаньгазпром», ОАО «Геотрон») исследований по рассматриваемой проблеме и формирование основных задач исследований.

Широкий спектр технологических задач при решении проблем контроля технического состояния нефтяных и газовых скважин требует использования целого ряда специализированной скважинной аппаратуры, ориентированной на поиск мест негерметичности колонн, идентификацию конструкции и формулирование перспектив дальнейшей эксплуатации.

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 ОАО НПП ВНИИГИС, АО «СевКавНИПИгаз», НПФ «Диалог», Институте геофизики СО РАН и НПП «Луч», НТЦ «Кубаньгазпром», ОАО «Геотрон» и др. организациями. Эти аппаратурные средства различаются по количеству и размерам зондов, временному диапазону регистрации сигнала и, соответственно, по своим разрешающим возможностям.

В начале 80-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: к примеру, неверный учет изменений магнитной проницаемости металла однозначно ставит любую технологию данного плана в лучшем случае в разряд индикаторов.

Механические измерители внутреннего диаметра не свободны от погрешностей, связанных с отложениями малорастворимых солей на стенках колонны и, соответственно 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.

Большой интерес представляют работы в данной области Б.Л. Нечаева и Е.М. Пятецкого (1981), исследовавших возможности разработки электромагнитных датчиков с целью изучения состояния обсадных труб при воздействии на них внешних нагрузок и впервые показавших исходную магнитную неоднородность труб.

В 1980-х г. в работах В.А. Сидорова была показана возможность преодоления проводящего экрана, в нашем случае - первой (внутренней) колонны импульсным полем, что позволило во много раз уменьшить размеры зондов (возможность использования совмещенной установки) и, тем самым, повысить разрешающую способность электромагнитного датчика.

Компания 8сЫ1ишЪе^ег уже к середине 70-х годов распространила рекламу аппаратуры МЕТТ для исследования, в том числе - и второй колонны, т.е. - преодоления электромагнитным полем проводящего магнитного экрана.

В АО Татнефть и ГАЗПРОМ прошла производственные испытания аппаратура электромагнитной скважинной дефектоскопии - толщинометрии МИД-К, созданная на. основе разработок ОАО НПП ВНИИГИС (В А Сидоров), совершенствование которой производится в настоящее время в ЗАО «ГИТАС» (г. Октябрьский). Аппаратура также позволяет раздельно

определять значения толщины колонн в скважинах с многоколонной конструкцией. И, кроме того, дает возможность производить не только интегральную, но и дифференциальную по двум азимутам оценку толщины колонны, что позволяет несколько увеличить точность определения местоположения локальных дефектов колонны и их размеры. Исследовательские работы по созданию средств контроля технического состояния колонны высокими темпами производятся в НТЦ ООО «Кубаньгазпром» (Климов В.В.), ОАО «Луч» (Эпов М.И., Антонов Ю.Н.), ОАО «Геотрон», АО «СевКавНИПИгаз»( Рубан НП, Даутов А.А.), 0 00 «Риалог» и других.

Ведущие зарубежные фирмы Western Atlas, Schlumberger, Hallburton и др. располагают рядом различных модификаций электромагнитных дефектомеров, из которых особо следует выделить VTL и MAG (Western Atlas) и ETT-D и МЕТТ (Schlumberger).

К примеру, технология VTL (Vertilog) - электромагнитная система для внутреннего обследования малых труб и трубопроводов. Успешно используется при исследовании обсадных труб в скважинах. При разработке аппаратуры удалось достигнуть высокой разрешающей способности: прибор позволяет фиксировать коррозионные раковины от 3/9 дюйма при условии проникновения в глубь металла не менее, чем на 25 - 30 %. Однако аппаратура характеризуется большим диаметром (от 114 до 219 мм), что снижает сферу ее применения.

ЕТТ - электромагнитный трубный толщиномер работает на принципе измерения разности фаз первичного и вторичного сигналов, пропорциональной толщине стенки колонны. Позволяет проводить оценку потерь металла в процессе коррозии. В данном случае катушка, центрированная на оси скважины, генерирует переменное гармоническое магнитное поле, которое взаимодействует с трубой. Приемная катушка, помещенная также на оси скважины, измерят величину фазового сдвига. Угол фазового сдвига зависит главным образом от четырех основных свойств

трубы: магнитной проницаемости, электропроводности, которая считается величиной постоянной, внутреннего диаметра трубы и толщины ее стенки.

Таким образом, самой актуальной проблемой развития технологии контроля технического состояния колонн стала разработка аппаратурно-методического обеспечения дефектоскопии и толщинометрии с применением принципа нестационарного возбуждения и регистрации электромагнитных полей в коаксиально-неоднородных средах с учетом неоднородности электромагнитных параметров среды.

Основным разработчиком аппаратуры для исследования геометрических характеристик колонны и фиксирования точного местоположения локальных дефектов электромагнитными методами является ОАО Ш 111 ВНИИГИС, где исследовательские работы были начаты В.А. Сидоровым еще в 1988 г. и продолжены под руководством автора с 1995 года.

Во ВНИИГИС был создан широкий спектр модификаций малогабаритных (48 мм и менее) дефектоскопов-толщиномеров ЭМДС, основанных на детальном изучении процесса спада нестационарного электромагнитного поля в цилиндрически-неоднородных средах. Основным характерным отличием аппаратуры ЭМДС от всех аналогичных разработок, созданных в России ранее, является возможность в процессе одной спуско-подъемной операции получить информацию о техническом состоянии, каждой из колонн нефтяных и газовых скважин с двухколонными конструкциями в отдельности.

Наиболее совершенная модификация скважинного электромагнитного дефектоскопа-толщиномера ЭМДС-ТМ-42 предназначена для дефектоскопии и дифференциального определения толщины стенок труб в скважинах с многоколонными конструкциями. ЭМДС-ТМ-42 дает возможность максимально полно исследовать конструкцию скважины, а именно:

определить местоположение всех муфтовых соединений в двух внутренних трубах;

определить точное местоположение основных конструктивных элементов (муфт, пакеров, центраторов и т.д.);

измерить толщину с заданной точностью раздельно для каждой стальной колонны, не извлекая НКТ и без остановки процесса эксплуатации скважины (через лубрикатор); определить точное местоположение дефектов типа трещин, порывов и разрывов колонн, интервалов интенсивной коррозии и механического истирания стенок, интервалов стреляющей перфорации и расположения фильтров и др.

ЭМДС-ТМ-42У включает высокочувствительный термометр для выявления притока или поглощения скважинного флюида, имеет качественный телеметрический канал передачи цифровой информации и позволяет работать с любыми каротажными станциями без дополнительного наземного пульта.

Основным недостатком технологии с применением всех малогабаритных электромагнитных дефектоскопов является возможность обнаружения только относительно крупных дефектов второй колонны.

Для детального изучения локальных дефектов колонн, в том числе и идентификации местоположения отверстий сверлящей перфорации разработана специализированная аппаратура с элементами сканирования ЭМДС-С. Для изучения параметров нестационарного электромагнитного поля в скважинном приборе установлены 11 датчиков различных размеров и конфигурации. Важной отличительной особенностью дефектоскопа ЭМДС является тот факт, что, часть датчиков размещена в четырех прижимных контейнерах, перемещающихся по внутренней стенке колонны по образующим. В каждом контейнере установлены датчик локальных дефектов и датчик толщины, которые обследуют сектор колонны 90° с небольшим перекрытием. Кроме того, в скважинном приборе размещены на оси три

интегральных зонда в трех ортогональных .направлениях. Абсолютная погрешность измерения толщины стенки колонны - 0,5 мм.

Особый интерес представляет возможность дефектоскопа ЭМДС-С фиксировать отверстия сверлящей перфорации, не выделяемые электромагнитными и магнитными приборами других типов.

В ОАО НПП ВНИИГИС с активным участием автора разработан численный алгоритм решения прямой задачи для метода становления поля в многоколонной конструкции скважины. Теоретическими исследованиями показано существенное влияние на результаты измерений не только геометрических характеристик (толщина, диаметр, овальность и т. п.) стенки стальной трубы, но и таких физических параметров как электрическая проводимость и магнитная проницаемость металла. Разработан алгоритм и сделана оценка возможности определения толщины труб при многоколонных конструкциях в скважинах с учетом вариаций значений их электропроводимости и магнитной проницаемости.

Проводя сопоставительный анализ развития методики и аппаратуры 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, следует отметить, что в основном работы ведутся в одном направлении. А разработанные во ВНИИГИС технологии, основанные на применении малогабаритной аппаратуры и сканирующих систем, по совокупности эксплуатационных характеристик опережают лучшие образцы отечественной и зарубежной техники аналогичного назначения. Наиболее интенсивная исследовательская работа ведется в настоящее время в направлении повышения термобаростойкости. Кроме того, известные виды аппаратурно-методических средств ориентированы только на изучение геометрических параметров обсадной (преимущественно) колонны без уточнения даже в прогнозном варианте ресурсов устойчивости скважины в данных конкретных условиях. По мнению автора 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, геологам, прежде всего, необходима не столько информация о реальной толщине стенки колонны в конкретном интервале, сколько прогноз устойчивости конкретной эксплуатационной или нагнетательной нефтегазовой скважины. Автором разработаны основные положения методики расчета напряженного состояния колонн в пластических горных породах и влияния качества цементирования на устойчивость эксплуатации скважины.

2. Анализ причин и параметров разрушения стальных обсадных колонн

Для формирования требований к технологии исследования технического состояния колонн нефтегазовых скважин в процессе эксплуатации методом скважинной электромагнитной дефектоскопии с целью составления детального представления о необходимом и достаточном объеме геофизической информации для проведения расчетов прогнозной устойчивости скважин автором был сделан анализ всех наиболее часто встречающихся причин разрушения (и его параметров) в скважинных условиях стальных труб, направляемых на изготовления обсадных колонн.

Выполнить подобного рода исследования возможно только при детальном изучении степени влияния неравномерной нагрузки, как основной причины разрушения, структуры металла и морфологии распределения напряжений в приствольной зоне.

Анализ большого объема промысловых данных по смятию обсадных колонн убеждает в том, что наиболее вероятной причиной разрушения обсадных колонн в интервалах пластических пород являются:

а. Неравномерная нагрузка на колонну. Причинами ее возникновения считаются асимметрия всех каверн в

пластических породах, несоосность осей трубы и скважины, цементный камень, не полностью заполнивший заколонное пространство, или большое разрушение цементного камня фильтрационными потоками до и после окончания времени схватывания тампонажного раствора;

b. Сильный износ обсадной колонны, обусловленный

коррозионными процессами, которые особенно сильно ускоряются в среде, насыщенной, к примеру, сероводородом (более 10 %) или кислородом (при закачке или добыче флюида, насыщенного высокоминерализованными пластовыми водами), а также односторонним износом колонны бурильным инструментом (желоба и т.п.);

c. Некачественное цементирование интервала, потенциально опасного при смятии.

Известно из курса элементарной физики, что наиболее опасна неравномерная двусторонняя нагрузка Поэтому

сопротивляемость смятию и разрыву обсадной колонны при воздействии пластических горных пород автором рассчитана на этот наиболее неблагоприятный случай нагружения. Сминающее давление обсадной трубы, резко меняясь при переходе от равномерной (гидростатической) к неравномерной нагрузке, становится малочувствительным к изменению характера неравномерности в пределах данного типа нагружения.

Сопротивляемость смятию преимущественно определяется только характеристиками металла самой трубы и параметрами ее конструкции (разностенность, овальность, сорт стали).

Для анализа и объяснения конструкционных параметров колонн, и в частности механических свойств, автором были исследованы свойства металла в экстремальных условиях. Металлы, из которых изготавливают обсадные колонны нефтяного сортамента (С. Д, К. Е. Л, М, Р), как и все реальные материалы, переходят из упругой стадии (нагрузка на колонну) к

разрушению, предварительно преодолевая различные неупругие деформации. У сталей, идущих на изготовление обсадных колонн, наибольшее упругое смещение имеет величину, не превышающую 1 %.

Выделяются основные типы разрушения стальных колонн:

• Кратковременное однократное статическое;

• Длительное однократное статическое и замедленное;

• Усталостное;

• Отрыв;

• Скол;

• Вызванное понижением поверхностной энергии металла (связанное прежде всего с питтинговой или «ручейковой» коррозией).

В целом задачи теории упругости статически неопределимы, поскольку напряженное состояние любого тела определяется шестью компонентами напряжений, связанных между собой только тремя уравнениями равновесия. Используя закон Гука, введем еще шесть неизвестных компонентов деформации в декартовой системе координат

В сплошном теле компоненты деформации не могут иметь произвольные значения, а подчинены шести уравнениям совместимости Сен-Венана. Учитывая, что деформация определяется тремя компонентами перемещения, получаем в итоге 15 уравнений для 15 неизвестных. Исключая из этой системы деформации и напряжения, можно свести потенциально решение задачи к трем уравнениям относительно компонентов перемещений - уравнениям Ламе. А если мы примем плоскую деформацию, когда перемещение вдоль одного из направлений отсутствует (допустим, при нагрузке по оси Y или X смещение по Z нет 7 или Ш = 0 ), задача становится двумерной. А задачи плоской теории упругости уже решаются эффективно с помощью теории функции комплексного переменного.

В реальных условиях рассматриваемый процесс носит еще более сложный характер из-за вероятных вертикальных перемещений горных

пород, слагающих околоскважинное пространство. Если вышерасположенные породы под действием силы тяжести будут проседать, то затекание пластических масс в скважину будет более длительным. Картину усложняют также вероятные вертикальные перемещения обсадных колонн, а также физико-химическое воздействие бурового раствора и контактирующей среды, к примеру, присутствие в скважинном флюиде сероводорода. Особенно активно это проявляется, если содержание сероводорода превышает 10%.

Условия достижения критического состояния разрушения металла труб точно в механике не сформулированы. Очевидно лишь, что они зависят от:

• свойств металла;

• статических закономерностей структуры;

• геометрических параметров;

• напряженного и деформированного состояния;

• способа и вида нагруженйя;

• температуры.

К примеру, влияние температуры на процесс достижения критического состояния стальной трубы ранее в геофизической прикладной литературе детально не исследовался. Справедливости ради отметим, что температурные процессы изучались особенно тщательно, но только с точки зрения определения наличия заколонных перетоков и степени негерметичности муфтовых соединений колонны. Подтверждено в процессе выполнения работы, что отношение температурного коэффициента модуля упругости ц к температурному коэффициенту линейного расширения а для металлов ( в том числе для сталей нефтяного сортамента =40,1 *10 *3) есть величина постоянная. Практическим следствием из описанного является возможность определения температурного коэффициента упругости по коэффициенту линейного расширения. При изменении температуры на 100°С (к примеру, при исследовании колонны, находящейся на глубине с температурой около 120°С) значение модуля упругости снижается на величину до 10 %.

Причины ослабления связей границ зерен металла колонны, к примеру, при повышении температуры с глубиной могут быть самого различного характера (выделение примесей по границам и др.). Эти процессы вызывают столь сильное понижение его сопротивления разрушению, что, несмотря на понижение при нагреве, пластичность и вязкость металла колонны падают, наступает тепловая хрупкость.

По результатам расчетов автора по выведенным зависимостям определены предел текучести и пластическая вязкость и в итоге получена основная аналитическая зависимость скорости сужения ствола скважины от вертикальной нагрузки.

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 параметры (электромагнитные, геометрические) 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). Таким образом, система измерений толщины стенки колонны в скважинных условиях должна позволять производить замеры с точностью не хуже 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 мм).

Таким образом, установлено,- что для проведения оценки прогнозного ресурса эксплуатации стальной обсадной колонны нефтяной скважины необходим следующий объем информации:

• Измерение толщины стенки обсадной колонны с точностью не хуже 0,5 мм через каждые 5 см (или 1 см) по оси колонны. Лучше всего, если информация будет получена по ряду образующих;

• Измерение температуры в стволе скважины (для уточнения значения величины электропроводности металла);

• Точные знания сорту стали и по конструкции многоколонной системы, мест расположения башмаков колонн, различного рода центраторов, пакеров, муфтовых соединений и т.д.

• Точные знания по наличию и местоположению локальных дефектов (зон коррозионного разрушения, желобов и.д.).

3. Развитие теоретического обеспечения электромагнитной дефектоскопии

Электромагнитная дефектоскопия-толщинометрия основана на изучении вихревого электромагнитного поля, возбуждаемого генераторной катушкой, которая помещена внутрь системы стальных магнитных обсадных или насосно-компрессорных труб.

Характеристики этого поля зависят от многих параметров в том числе: от толщины стенок труб, их диаметра, взаимного расположения и электромагнитных свойств труб, а также от устройства применяемого зонда. Теория электромагнитного поля в стальных трубах с конечной толщиной стенок, обладающих большими конечными значениями электропроводности и магнитной проницаемости, относительно сложна.

Одной из наиболее актуальных задач является проблема достижения высокой точности и надежности определения толщины стенок в двух - и многоколонных конструкциях. Кроме того, изменение толщины стенок в несквозных дефектах, возникших из-за коррозии или механического истирания, определяется интегрально, то есть в среднем по окружности и длине зонда, что затрудняет оценку степени коррозионного поражения

колонны. Самым существенным недостатком всех малогабаритных электромагнитных дефектоскопов является сравнительно слабая разрешающая способность. Они практически не обнаруживают малые дефекты колонны, протяженность которых менее 50-70 мм.

В 80-х-годах В.А. Сидоровым (ВНИИГИС) было предложено использование для дефектоскопии нестационарного режима измерений электромагнитного поля.

В 1994-95 гг.. впервые во ВНИИГИС 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.

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 А.А. 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 равна:

Я" О

где: Ьголи ( к| Ь )1 - поле в однородной среде;

L -длиназонда;

- радиус скважины;

|С| - коэффициент, зависящий от числа сред.

- независимая переменная.

На основании численного анализа уже на первом этапе теоретических исследований разработаны алгоритмы и программные средства для расчетов гармонических электромагнитных полей дипольных и соленоидных источников в одной и нескольких проводящих магнитных трубах. Это позволило 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.

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 ц на 30 % показания могут реально измениться в 1,5 раза. В первом приближении отмечается эквивалентность влияния (I И О, однако и ReB и ImB характеризуются существенно различными зависимостями от этих параметров, что открыло возможность учета их вариаций на измеряемое поле.

По представлению специалистов фирмы Schlumberger удельная электрическая проводимость сталей обсадных колонн практически не меняется (... phase shift is related to three casing properties: magnetic permeability, electrical conductivity and thickness. If the first two are known, the thickness can be derived. Conductivity is generally constant, but magnetic permeability varies with the type steel and will change as the casing ages..., Каталог Schlumbergev, 1999). Однако следует отметить, что она заметно изменяется при повышении температуры. Температурный коэффициент электропроводности металла, направляемого на изготовление обсадных труб, составляет в среднем 0,0062 1/град, т.е. при повышении температуры в скважине на 100°С электрическое сопротивление изменится на 62%.

Проведенные исследования указывают 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 режима.

Правильность полученного решения была подтверждена сравнением со всеми данными физических экспериментов. При сопоставлении выяснилась практически важная закономерность - зависимость постоянной времени спада электромагнитного поля от физических параметров трубы.

При изучении нестационарных процессов удобнее использовать функцию - постоянную времени спада, равную

где t - время измерения,

Е - ЭДС в измерительном контуре, £ (с точкой) - 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 расчетам было установлено, что в случае применения магнитных труб постоянная времени (г) стремится к значению, пропорциональному электропроводности магнитной проницаемости (р) и квадрату толщины стенки (Д), 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.

Это позволяет 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 теоретические расчеты гармонического поля в трубе на различных частотах от 9,25Гц до 78,1 Гц при фиксированных значениях// и а 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.

Метод основан на составлении приближенных аналитических зависимостей между толщиной (ф стенок, диаметром (Б), магнитной проницаемостью 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 (1Эфф =5(Н-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. Производная магнитной индукции во времени пропорциональна ЭДС приемной рамки:

Для электропроводящих магнитных цилиндрических труб нет особой необходимости решать волновое уравнение или его квазистационарное приближение - уравнение Гельмгольца или теплопроводности,

применительно к расчету электромагнитного поля во внутренней области колонны. Строгие граничные условия на внутренней и внешней поверхности обсадной трубы, ввиду естественного выполнения условия: 1,

где ё - толщина стенки трубы, Ш - ее внутренний радиус (на основе закона

полного тока - второе уравнение Максвелла в интегральной форме), а также

граничных условий равенства тангенциальных составляющих напряженности

магнитного поля Нт, уравнения связи вектор-потенциалов на внутренней (АфО и внешней стенке (Афг) цилиндрической оболочки радиуса Я,

представим в виде системы уравнений:

где - абсолютные значения

магнитной проницаемости материала трубы и среды)

- удельная электропроводность металла трубы. Вектор-потенциал Аф вне цилиндрической пленки удовлетворяет уравнению Лапласа. В случае регистрации радиальной составляющей (соосное возбуждение и регистрация) производной магнитной индукции по времени нормальное поле рассчитывается по формуле:

где:

Ь(0) = 2К12(0)-

С>(е)=1+

Р

а1к1(е)=»8к0(в)' Р

К,К0(9)10(9)в2' Т(0) - 21,(9)^(6)^^, ^(8)910 .

Я - радиус реального генераторного контура;

Z = Z/Rl; Z- длина зонда;

1о, I], Ко, К) - модифицированные функции Бесселя.

Аналитические оценки и численные расчеты показали, что при Ъ =0, регистрируемая ЭДС равна нулю. Таким образом, 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 5-120 те, при этом длина зонда не менее 0,10 м. Для расчета толщины наиболее применимы зонды длиной 0,2 - 0,24 м

Эти принципы расчета толщины использованы при создании программного обеспечения, поставляемого заказчикам совместно с

разработанной аппаратурой электромагнитной дефектоскопии толщинометрии ЭМДС-ТМ-42У (дефектоскоп-термометр) и ЭМДС-ТМ-42Е (дефектоскоп-термометр-радиометр).

Для разработки аппаратуры и технологий сканирующей дефектоскопии необходимо изучение характера распространения электромагнитного поля вблизи локальных неоднородностей трубы (труб). Задача о распределении переменного электромагнитного поля магнитного диполя и соленоида внутри магнитной хорошо проводящей трубы с локальными дефектами строгого решения практически не имеет и не может иметь.

Генераторная катушка зонда, питаемая переменным током, возбуждает в металлической трубе вихревые токи. Хотя плотность этих токов заведомо непостоянна в пространстве, непроводящее препятствие на пути распространения вихревого поля и, соответственно, - вихревых токов в виде отверстия вызовет аномалию, примерно соответствующую аномалии от вторичного электрического диполя, направленного навстречу вихревым токам. Отметим, что характер пространственного распределения поля на удалении от отверстия не меняется со временем, несмотря на то, что при работе в нестационарном режиме плотность вихревых токов вблизи отверстия, и соответственно, и момент вторичного диполя и амплитуда аномального поля быстро затухают.

Амплитуда аномалии относительно быстро убывает с удалением зонда от стенки колонны, обратно пропорционально квадрату расстояния. Поскольку помехи, обусловленные более крупными, чем отверстие, неоднородностями электромагнитных свойств трубы, ослабевают заметно медленнее, качество измерений быстро ухудшается с удалением от стенки. Наилучшие результаты достигаются при использовании прижимных зондовых устройств.

Какой бы метод интерпретации не использовался, объем получаемой при каротаже информации оказывается недостаточным для корректного независимого вычисления толщины, магнитной проницаемости и

электропроводности нескольких колонн. Преодолеть эти препятствия можно, задаваясь постоянным значением электропроводности. Дополнительным средством повышения достоверности интерпретации является применение интерактивного режима, позволяющего учесть особенности данной скважины или группы скважин. Интерактивная коррекция проще реализуется в методе приближенных аналитических зависимостей. Расчет толщины с помощью приближенных аналитических зависимостей оказался более универсальным приемом, который можно применять и в случаях, когда строгое аналитическое решение задачи находится вне возможностей оперативного решения задачи в полевых и приближенных к ним условиях.

4. Технические особенности аппаратуры скважин ной электромагнитной дефектоскопии

В течение более чем 10 лет во ВНИИГИС проводится разработка аппаратурных средств для проведения скважинных средств по контролю технического состояния колонн нефтяных и газовых скважин методом скважинной электромагнитной дефектоскопии.

Основная сложность, несмотря на внешне очевидную простоту, заключается, прежде всего, в разработке зондовых устройств и алгоритмов программного обеспечения при обработке и последующей интерпретации данных скважинных исследований. В обоих случаях необходимо с максимальной степенью точности учесть влияние мешающих электромагнитных неоднородностей стальной колонны или системы колонн.

Дефекты стальной колонны типа продольных и близких к продольным трещин фиксируются относительно просто по интенсивным аномалиям осевого зонда, который преимущественно используется при толщинометрии. Для улучшения вертикальной характеристики этого 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.

Для разработки аппаратуры и методики сканирующей дефектоскопии проведено исследование характера распространения электромагнитного поля вблизи локальных неоднородностей. Задача о распределении переменного электромагнитного поля магнитного диполя внутри магнитной проводящей трубы с локальными дефектами строгого теоретического решения не имеет и не может иметь.

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 В. имеет двухполярную аномалию с переходом через ноль против отверстия. Соответственно, при использовании дифференциального зонда с двумя радиальными катушками кривая дает положительный экстремум против отверстия и два слабых отрицательных минимума. Амплитуда аномалии быстро убывает с

удалением зонда от стенки скважины (И) - практически как 1/Ь1. 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 с целью определения наиболее эффективных устройств для выявления 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 2500 опытов физического моделирования сделан вывод о том, что наилучшей для обнаружения локальный объектов является дифференциальная установка, измеряющая - градиент радиальной составляющей поля вертикального магнитного диполя (соленоида). Практически поле создается осевой катушкой, а измеряется ЭДС на зажимах двух поперечных катушек, соединенных встречно-последовательно.

В процессе проведения исследований в период 1992-96 гг. 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.

Из-за больших проблем, связанных, прежде всего, с полным учетом первичного поля основные усилия по разработке аппаратуры 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 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

На основании теоретических и модельных исследований созданы основные конструктивы зондовых систем для решения задач измерения толщины стенки колонны в условия одно- и двухколонных конструкций скважин (ряд ЭМДС-ТМ), а также - для решения задач поиска малых локальных дефектов (ряд ЭМДС-С).

Разработанная в итоге теоретических исследований и физического моделирования малогабаритная аппаратура предназначена преимущественно для проведения инспекционных обследований состояния скважин через НКТ с раздельным измерением толщины стенок колонны без остановки процесса эксплуатации через лубрикаторное устройство. Позволяет исследовать конструкцию скважины, в том числе: определить положение всех муфт в двух внутренних трубах и получить полную картину расположения всех секций труб по глубине, глубину размещения всех основных конструктивов: башмаков колонн, пакеров, клапанов различного назначения и т.д. Обнаруживает дефекты типа трещин, порывов, интервалы коррозии и механического истирания стенок, зоны взрывной перфорации и фильтры, а также рассоединения в муфтах. Содержит чувствительный термометр для выявления зон притока и поглощения флюида.

Данные электромагнитной толщинометрии по возможности рассматриваются совместно с данными других методов, отражающих толщину стенок колонны: гамма - толщинометрии с прибором СГДТ, нейтронного гамма - каротажа, профилеметрии с прибором ПТС-4, микрокаверномерии. С особой тщательностью изучаются интервалы, где предполагается негерметичность колонн по данным поинтервальной откачки*, термометрии, шумометрии.

По кривым толщины с учетом допустимой погрешности метода (0,5 мм в одиночных трубах и 1,5 мм в многоколонных) выделяются интервалы предполагаемых дефектов, проявляющихся как уменьшение толщины стенки. Определяется, к какой из двух труб относится выявленный дефект, оценивается степень проявления коррозии или износа. К слабо проявленным условно относятся дефекты с уменьшением толщины стенки на 1,2 -1,5 мм, к дефектам средней интенсивности - 1,5 - 2,5 мм, к сильным дефектам - более 2,5 мм.

Частной, но весьма актуальной задачей каротажных методов является контроль проведения перфорационных работ, то есть независимое определение интервала, а в идеале - контроль местоположения отверстий.

Разработаны несколько модификаций электромагнитных дефектоскопов. В настоящее время на геофизический рынок представлен трехзондовый дефектоскоп-толщиномер-термометр с микроконтроллерным управлением ЭМДС-ТМ-42У диаметром 42 мм, а также дефектоскоп-толщиномер-термометр-гамма-радиометр ЭМДС-ТМ-42Е.

Эти приборы позволяют выявлять, дефекты обсадных колонн (продольные и поперечные трещины, участки коррозии) как при капитальном ремонте скважин, так и в действующих скважинах при наличии в них НКТ.

Однако дефектоскопы интегрального типа все без исключения могут выделять только относительно крупные дефекты протяженностью 70 мм и более.

В связи с этим проведена разработка сканирующего электромагнитного дефектоскопа ЭМДС-С, обладающего существенно улучшенными характеристиками при выделении малых дефектов.

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/Я2), 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 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 интегральной 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.

Прибор скважинный содержит теоретически обоснованную группу электромагнитных зондов различных размеров, ориентировки и

конфигурации. Зонды включают в себя генераторные и измерительные катушки.

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 дефектов 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 менее 0,5 мм) и толщины стенок каждой из двух совмещенных труб (погрешность не менее 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.

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.

5. Экспериментальное опробование электромагнитной дефектоскопии в составе комплекса контроля технического состояния нефтяных и газовых скважин

В рамках экспериментального опробования представленных технологий контроля технического состояния стальных обсадных колонн в работе приведены примеры скважинных исследований, выбранные из основного объема полевых скважинных работ (более 300 скважин) и систематизированные по решению основных задач:

• Изучение трещинных нарушений колонны, выявленные как в условиях одноколонных, так и многоколонных конструкций;

• Раздельное измерение толщины стенок труб в условиях многоколонных конструкций;

• Выявление и детальное изучение зон развития коррозии в условиях многоколонных конструкций;

• Выделение локальных дефектов, в том числе, как интервалов, так и отдельных отверстий перфорации.

В работе по каждой группе задач (изучение толщины, выявление трещин, зон развития коррозии, локальных дефектов и др.) дана детальная характеристика факторов, оказывающих решающее влияние на измеряемое электромагнитное поле.

Широкое производственное опробование технологий ЭМДС, выполненное коллективом во главе с автором, а также материалы, полученные непосредственно производственными предприятиями в процессе внедрения и эксплуатации большого числа (более 60 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 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 актуальных технологических задач:

6. Основные положения методики проведения аналитических расчетов прогнозной устойчивости нефтяных и газовых скважин Создание информационной базы для определения прогнозного ресурса эксплуатации нефтегазовых скважин является основной проблемой,

вытекающей из комплексных исследований по оценке технического состояния.

Неудовлетворительность существующих современных методов расчета напряженного состояния обсадных колонн нефтяных и газовых скважин в условиях взаимодействия с пластическими породами, а также непрекращающиеся случаи порывов и смятия колонн в этих условиях сделали необходимым проведение дальнейших исследований для создания новых, более совершенных методов расчета устойчивости скважин, работающих в экстремальных условиях набазеГИС.

Основные требования к методике расчета устойчивости скважины в неустойчивых пластических породах сформулированы как:

1. Методика должна быть достаточно упрощенной, так как невозможно учесть в математической модели рассматриваемого процесса все его детали и кроме этого сложная методика трудно поддается реализации на производстве. Попытка построения сложной модели приведет либо к серьезным математическим трудностям, либо вообще к невозможности проведения расчетов из-за недостатка исходных данных.

2. Простота новой методики должна быть ограничена в отношении разрешающей способности промыслово-геофизических методов по смятию и разрыву колонн. 4. Методика должна строиться на промыслово- геофизических данных, а ее конкретные варианты - корректироваться геофизическими исследованиями.

Разработкой элементов методик расчета скорости сдавливания колонн занимались Д.В. Даныш, B.C. Войтенко, ЮА. Еремеев, Е.Г. Леонов, В.З. Лубан, Г.А. Стрелец, Б.С. Филатов, М.К. Сеид - Рза, М.М. Фаталиев, Т.Г. Фараджев, В.И. Антипов. Важнейшие результаты при расчете скорости сужения стенок в пластических породах были получены в работе Измайлова Л.Б.

В развитие от вышеперечисленных авторов с учетом современных мощностей компьютерной техники и разрешающих параметров современной аппаратуры в основу решения поставленной задачи положим следующую модель:

1. В невозмущенном массиве пластических пород распределение напряжений примем гидростатическим.

2. Некоторая часть напряжений после вскрытия массива пород не релаксирует в течение некоторого времени.

3. Деформация пород описывается законом Бингама.

4. Скважина - полый цилиндр, находящийся под воздействием горного давления и давления бурового раствора.

5. Деформацию считаем плоской. Условие текучести определяется теорией Губера-Мизеса-Глинки.

Так как компоненты скорости деформаций пропорциональны соответствующим компонентам девиатора напряжений, то можно записать выражение для расчета скорости деформации

л/3 а, , ч

— а = и =--ЧЯ-а)

АХ) 2 г) '

Учитывая, что при получаем следующее выражение для

скорости « смещения » ствола скважины:

Для оценки применимости последней формулы в практических расчетах ранее были проведены лабораторные и промысловые экспериментальные исследования. По результатам испытаний определены предел текучести

и пластическая вязкость и в итоге получена графическая зависимость скорости сужения ствола скважины от вертикальной нагрузки.

Полученные автором на основе описанной модели аналитические выражения позволили рассмотреть положения методики расчета напряженного состояния обсадных колонн в пластических горных породах и влияние качества цементирования на устойчивость обсадных колонн. Изучением подходов к системам расчетов напряженного состояния колонн занимались многие специалисты. Особо следует выделить среди них работы Т.Г. Фараджева, Ф.А. Шихалиева и Н.И. Ягубова, предложивших независимо друг от друга считать, что на больших глубинах горные породы ведут себя как типичный вязкоупругий материал, и потеря устойчивости происходит не мгновенно, а постепенно.

Для нахождения сроков долговечности (ресурса эксплуатации) колонны примем за основу расчета закон текучести Мизеса - Генки, основанный на теории сохранения энергии изменения системы, т.е.

Это выражение является основой для программного продукта, направленного на расчет ресурсов состояния любой конкретной скважины.

Из полученных результатов можно сделать вывод о том, что любая обсадная колонна работает устойчиво только в течение достаточно ограниченного начального периода времени.

Предложенную методику для расчета нагрузки на колонну следует считать приближенной, так как она не учитывает сложного взаимодействия колонны с неравномерным давлением затекающих в скважину пластических пород.

В работах В.А. Антипова (1992) сделано замечание, что несовершенства трубы (коррозионные очаги, проточенные желоба) снижают

ее сминающее давление,« но влияние этих причин значительно меньше, чем влияние сминающего неравномерного внешнего давления ».

С этим нельзя согласиться даже по той причине, что необходимые ресурсы трубы на сопротивление влиянию внешнего сминающего давления достаточно просто предугадать, зная параметры опасных интервалов пород, слагающих геологический разрез. Технологические возможности корродированной или нарушенной в процессе бурения колонны при условии прогрессирующего развития коррозии в агрессивной среде предугадать существенно сложнее, если не применить расчет колонны, основанный на анализе физики.

Прочностными параметрами, определяемыми по итогам расчетов, являются величины избыточного наружного и внутреннего давлений среды, при которых максимальные напряжения в поврежденных трубах становятся равными и затем превышают предел текучести металла колонны.

Параметры остаточной прочности стальных труб определяются как произведение критических наружного и внутреннего давлений, при которых максимальные напряжения в теле новых труб равны пределу текучести материала и коэффициентов снижения несущей способности.

Основной информацией для расчета коэффициентов снижения несущей способности трубы являются результаты геофизического обследования технического состояния колонны, выполненного на момент проведения расчетов, и данные о компоновке колонны (что можно с требуемой степенью точности получить по данным электромагнитной дефектоскопии) и номинальных прочностных характеристиках конкретного металла трубы (по паспорту колонны).

Целесообразно применять для подготовки расчетных параметров аппаратуру с относительной погрешностью не более 5%.

Расчет коэффициентов снижения несущей способности поврежденных труб и определение для них величин допустимых давлений позволяют

установить конкретный интервал колонны с ограниченной прочностью в данных конкретных условиях эксплуатации нефтяной или газовой скважины.

Проведение детальных исследований по характеру основных причин, снижающих прочностные параметры устойчивости системы колонна- цемент - скважина, позволили разработать главные принципы структуры проведения комплексной прогнозной оценки ресурсов скважины. Основные методические выводы сводятся к следующему:

Технологическая схема проведения расчета опирается на сравнительный анализ несущей способности трубы в конкретных условиях внешнего и внутреннего давления. В результате полученные зависимости позволят пользователю получить коэффициент снижения несущей способности поврежденной трубы. Этот коэффициент индивидуален для каждого интервала трубы любого диаметра.

Собственно алгоритм технологической схемы заключается в следующем:

• Создается информационная база технического состояния каждой колонны скважины на основании данных комплекса ГИС и, в частности, дефектоскопии ЭМДС. Скважность считывания и занесения в расчетную схему информации составляет 0,05 м с точностью не менее 0,5 мм. При этом составляется банк данных по каждой колонне и па каждому повреждению, включая зоны развития интенсивной и очаговой (питтинговой) коррозии, трещины любой ориентации и протяженности, выработанные бурильным инструментом желоба и порезы.

• Создается конечно-элементная модель каждого участка поврежденной трубы. Участок может быть определен согласно разработанным аналитическим зависимостям любого размера от 0,05 м до 100 м;

• Производится расчет ее напряженного состояния под реальной применяемой нагрузкой (давление), при этом анализируется

соотношение внутреннего и внешнего давления. Точный расчет требует создания расчетной схемы при каждом виде повреждения, учитывающей его геометрию или специфику влияния на несущую способность конструкции. При этом требуется для выполнения расчета применение теории, позволяющей рассчитывать повышенные напряжения, вызванные повреждением. Наиболее применима в данном случае моментальная теория оболочек (см. глава 2).

• Полученные данные проходят сопоставительную обработку с данными расчетов неповрежденного участка трубы, получаемых на основании номинальных значений колонны;

• Определяется коэффициент снижения несущей способности каждого участка трубы.

Определяется прогнозный остаточный ресурс работы эксплуатационной или нагнетательной скважины на основании полученных зависимостей.

Заключение

Актуальность работ по разработке технологий скважинной электромагнитной дефектоскопии-толщинометрии в составе комплекса ГИС для контроля технического состояния нефтегазовых скважин отмечается практически всеми исследователями.

Последовательно в процессе совершенствования аппаратурно-методических средств изучения технического состояния стальных труб и цементного камня происходит процесс повышения требований к технологиям от обнаружения крупных дефектов колонны к самой главной задаче - аналитическим расчетам прогнозной устойчивости системы скважины во времени.

Представленная работа является завершающим результатом исследований в области развития современных методических и аппаратурных средств изучения технического состояния колонны.

В процессе исследований решены многочисленные вопросы с учетом степени влияния мешающих факторов на результаты измерений комплекса электромагнитных полей. Основными и наименее поддающимися учету являются в данном случае электромагнитные параметры стальных колонн. Эти параметры могут в принципе решающее влияние на результаты измерений. В процессе выполнения работы проведены детальные исследования в области теоретического обоснования характера и степени влияния мешающих параметров, а также разработаны специализированные зондовые устройства, позволяющие решительно повысить соотношение сигнал/помеха 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: определить положение всех муфт в двух внутренних трубах и получить полную картину расположения всех труб по глубине, глубину размещения всех основных конструктивов: башмаков колонн, пакеров, клапанов различного назначения итд.

• обнаружение дефектов типа трещин, порывов, интервалов коррозии и механического истирания стенок, зон стреляющей перфорации и фильтров, а также рассоединения в муфтах.

• детальное обследование колонны по нескольким образующим, выявления дефектов, определение их формы и размеров;

• определение толщины стенки колонны по ряду образующих и - отдельно, в случае необходимости - осредненной по окружности;

• выявление и определение местоположения перфорационных отверстий сверлящей и кумулятивной перфорации.

Разработанные аппаратурно-методические средства ряда ЭМДС в составе комплекса прошли широкое опробование на нефтяных и газовых месторождениях в самых различных условиях эксплуатации и подтвердили свои технические эксплуатационные характеристики.

Автором представлен системный анализ разрушающих параметров, оказывающих решающее влияние на устойчивость системы колонна-цемент-скважина и разработаны основные требования к методике расчета прогнозной устойчивости с учетом современных аппаратурно-методических комплексов ГИС, и представлен алгоритм, наиболее полно учитывающий весь необходимый объем информации.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах Статьи, патенты

1. Теплухин В. К., Миллер А. В., Миллер А. А., Павлов В .А. Скважинный электромагнитный дефектоскоп-толщиномер. Патент РФ № 2074314. Бюлл. изобр. № 6,1997 г.

2. Теплухин В.К., Теплухина З.Г. Авт. свид. СССР № 1 236 402, Бюлл. изобр. № 21,1986 г. ДСП.

3. Теплухин В.К., Теплухина З.Г. Авт. свид. СССР № 1 376 765, ДСП.

4. Теплухин В.К., Кормильцев В.В., Теплухина З.Г. Авт. свид. СССР № 1 409 023, ДСП.

5. Теплухин В.К., Миллер А.В, Миллер А.А., и др. Электромагнитный скважинный дефектоскоп. Полезная модель № 23 644. Бюлл. изобр. №18, от 27.06.2002 г.

6. Теплухин В.К., Миллер А.В., Миллер А.А., Мурзаков Е.М., Степанов СВ., Судничников В.Г. Патент РФ № 2215143, Бюлл. изобр. № 30, от 27Л 0.2003 г.

7. Теплухин В.К., Миллер А.В., Сидоров В.А. Вопросы электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн и НКТ. НТВ АИС «Каротажник». -1997. - Вып.33,- С. 68-71.

8. Теплухин В.К., Миллер А.В., Казакова О.М., Миллер А.А. Вопросы скважинной электромагнитной толщинометрии при контроле технического состояния нефтегазовых скважин. В сб. «Геофизические исследования в нефтегазовых скважинах». Уфа: Изд-во Башк. ун-та, 1998.-е. 187 - 209.

9. Теплухин В.К., Гуторов ЮА. Калташев С.А Современный малогабаритный комплекс «Контроль-2» для эффективной оценки технического состояния колонн малого диаметра в наклонно-направленных скважинах, забуриваемых из скважин старого фонда. НТВ АИС «Каротажник». - 1998. - Вып. 52. - С. 54 - 60.

10. Теплухин В.К., Миллер А.В., Миллер А.А. и др. Изучение технического состояния обсадных, бурильных и насосно-компрессорных труб методом электромагнитной дефектоскопии. НТВ АИС «Каротажник». - 2000.-Вып. 68.-С. 35 - 40.

И. Теплухин В.К., Яруллин Р.К., Миллер А.В. и др. Сверлящая перфорация и геофизические методы контроля интервала вскрытия. НТВ АИС «Каротажник». - 2000. - Вып. 75. - С. 62-68.

12. Теплухин В.К., Миллер А.В., Миллер А.А. и др. Развитие электромагнитных методов исследования. НТВ АИС «Каротажник». - 2001.-Вып.82.С. 123-127.

13. Теплухин В.К., Миллер А.В., Миллер АА. и др. Проблемы электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн и пути их решения. НТВ АИС «Каротажник». - 2002 г. - Вып. 96. - С. 41 - 56.

14. Теплухин В.К., Шараев А.П., Миллер А.В. и др. Совершенствование технологии обследования технического состояния нефтегазовых скважин. Технологии ТЭК. - Москва: ИД «Нефть и капитал». -2002.-№7.-С. 49-53.

15. Изучение коррозии обсадных колонн и контроль перфорации геофизическими методами./ Теплухин В.К., Шараев А.П., Миллер А.В., Еникеев В.Н., Закиров А.Ф., Минуллин Р.М. Открытое акционерное общество. Научно-производственное предприятие. Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт геофизических исследований геологоразведочных скважин (ОАО НПП ВНИИГИС).-Октябрьский, 2004. - 11 с; 7 илл. - Библиогр.: 1 назв. - Деп в ВИНИТИ 17.02.2004 г.№ 272-В 2004.

16. Теплухин В.К., Кудряшова В.Ф., Высотина Р.Т. Электромагнитная дефектоскопия: Состояние изученности проблемы. - Открытое акционерное общество. Научно-производственное предприятие. Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт геофизических исследований геологоразведочных скважин (ОАО НПП ВНИИГИС).- Октябрьский, 2004 г. - 21 с; 2 табл.- Билиогр.: 25 назв. - Деп. в ВИНИТИ 17.02.2004, № 273- В 2004 г.

17. Теплухин В.К. Анализ причин разрушения стальных обсадных колонн. - Открытое акционерное общество. Научно-производственное предприятие. Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт геофизических исследований геологоразведочных скважин (ОАО НПП ВНИИГИС).-Октябрьский, 2004,- 14 с; 2 ил. - Библиогр. 8 назв. - Деп. в ВИНИТИ 17.02.2004, № 271-В2004.

18. Теплухин В.К. К методике расчета устойчивости обсадных колонн по данным ГИС. // Геология и разведка. Изв. ВУЗов.- №1.-2004.

19. Теплухин В.К. К вопросу о технологии прогнозной оценки устойчивости нефтегазовых скважин.// Геофизический Вестник. -№ 2004 г.-С.

20. Теплухин В.К. Развитие теоретического обеспечения электромагнитной дефектоскопии колонн нефтяных и газовых скважин. // Дефектоскопия.- №2- 200 5 - С.

Материалы конференций, симпозиумов, съездов, Тезисы докладов

21. Сидоров ВА, 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.

22. Сидоров ВА., Теплухин В.К. Электромагнитная дефектоскопия. -Междунар. геофиз. конф. и выст., SEG-EAGO, Москва, 16-20 авг. 1993:Сб.реф.№2.-М.,1993. -С. 121.

23. Теплухин В.К., Миллер А.В., Яхин А.М. 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: Тез. докл. Первая Республиканская научно-практ. конф., Октябрьский, 24 - 26 окт. 1994 г., Октябрьский: ВНИИГИС, 1994. -С. 37-38.

24. Теплухин В.К., Миллер А.В., Яхин A.M. Проблемы контроля технического состояния колонн нефтяных и газовых скважин методами скважинной электромагнитной толщинометрии и дефектоскопии. Междунар. геофиз. конф. «Санкт-Петербург-95»:

тез. докл. 10 - 13 июля 1995 г. - Санкт-Петербург, 1995. - Том. I, 5.010.

25. Теплухин В.К., Яхин A.M., Рыскаль О.Е. Изучение геоэкологических изменений при длительной разработке месторождений нефти комплексом .ГИС и наземных электромагнитных зондирований. Междунар. геофиз. конф. «Санкт-Петербург-95»: тез. докл. 10 - 13 июля 1995 г. - Санкт-Петербург, 1995.-Том. 1,17.06.

26. Теплухин В.К., Гуторов Ю.А., Калташев СА. 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»: Тезисы докл. Междунар. симпозиума, Уфа, 23 - 24 апр. 1997 г.- Уфа: АО НПФ «Геофизика», 1997.-С. 20.

27. Теплухин В.К., Сидоров В.А., Миллер А.В. Многозондовый электромагнитный дефектоскоп-толщиномер. «Новая геофизическая техника для исследования бурящихся и действующих вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин»: Тезисы докл. Междунар. симпозиума, Уфа, 23 - 24 апр. 1997 г.- Уфа: АО НПФ «Геофизика», 1997. - С. 29 - 30.

28. Теплухин В.К., Миллер А.В., Миллер А.А., Казакова О.М. Контроль технического состояния обсадных колонн методом электромагнитной дефектоскопии. Тезисы докл. Междунар. геофизической конф. и выст., SEG EAGO, Москва, 8-11 сент. 1998 г.-М, 1998.-С.К2.5.

29. Теплухин В.К., Миллер А.В., Миллер А.А., 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: Сб. докл. 1-го Регионального научно-практического семинара.- Октябрьский: ОФ УГНТУ, 1998 г.- С. 136 -145.

30. Теплухин В.К., Миллер А.В., Миллер А.А. и др. 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»: Материалы Респ. научно-практ. конференции. Октябрьский, 23 - 27 авг. 1999 г. -Октябрьский, 1999Л - С. 258 - 265.

31. Теплухин В.К., Миллер А.В., Миллер А.А., Казакова О.М. Контроль технического состояния колонн нефтегазовых скважин сканирующим и интегральным электромагнитным дефектоскопом. «Новые высокие информационные технологии для нефтегазовой промышленности»: Тезисы докл. Междунар. симп., Уфа, 8-11 июня 1999 г. -Уфа: АО НПФ «Геофизика», 1999. - С. 13 - 14.

32. Теплухин В.К.. Миллер А.В.,, Миллер А.А., и др. Контроль технического состояния обсадных колонн методом электромагнитной дефектоскопии. Российско-китайский симпозиум по промысловой геофизике « Уфа- 2000»: Сб. докладов, Уфа, 23 -25 августа 2000 г. - Уфа, 2000. • Том. I. - С. 195 - 197.

33. Теплухин В.К., Поляков А.П., Сидорчук А.И. Состояние и перспективы развития геофизических методов и разработки аппаратуры для исследований скважин. «Геологическая служба и горное дело Башкортостана на рубеже веков»: Материалы Респ.

научно-практ. конференции, Уфа, 13-14 окт. 2000 г., Уфа: Изд. «Тау»,2000 -С. 229-234.

34. Теплухин В.К., Миллер А.В., Миллер АА. Проблемы электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн и пути их решения. «Инновационные технологии в области поисков, разведки и детального изучения месторождений нефти и газа»: Материалы научно-практической конференции. Москва, 20 - 22 мая 2002 г. -М.: ЕАГО, ОАО «ЦГЭ», 2002. - С. 143 -145.

35. Теплухин В.К., Шараев А.П., Миллер А.В., В.Н. 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.

36. 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, 16-18 сент. 2003 г. Сб. материалов, Тюмень, 2003.

25~,00

Подписано в печать 01.11.2004 г. Бумага писчая. Формат бумаги 60x84 1/16 Печ.л 3,4. Тираж 150 экз. Заказ №^5

Издательство УГГУ 620144, Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30. Уральский государственный горный университет Лаборатория множительной техники

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.

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 анализе прогнозной устойчивости обсадных колонн.

2.3. Распределение напряжений в приствольной зоне.

2.4. Разработка и обоснование требований к толщинометрии на основании анализа технологии изготовления труб нефтяного сортамента.

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.

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.

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

ЭМДС-С.

5.4.4. Выделение отверстий сверлящей перфорации с ПС-112.

5.4.5. Выделение малого одиночного локального дефекта в колонне

Глава 6. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ АНАЛИТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ПРОГНОЗНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН.

6.1. Основные требования к методике расчета устойчивости скважины в неустойчивых пластических породах.

6.2. Оценка влияния степени качества цементирования на устойчивость обсадных колонн.

6.3. Основные требования к цементному камню в условиях проявления горного давления.

6.4. Методика оценки прогнозного ресурса стальной колонны эксплуатационной скважины.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Развитие скважинной электромагнитной дефектоскопии нефтяных и газовых скважин"

Актуальность темы исследований. 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.

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 скважины широко применяется группа методов скважинных геофизических исследований: электромагнитная дефектоскопия, термометрия, шумометрия, расходометрия, скважинная акустическая цементометрия. Надежным методом выявления негерметичности является поинтервальная опрессовка.

Однако эти технологии позволяют либо выявить только предполагаемый интервал негерметичности протяженностью от нескольких 6 метров до нескольких десятков метров, либо дают детальную информацию об отдельных дефектах. 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 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 конструкциями;

• разработка методики системного прогнозного анализа устойчивости комплекса колонна-скважина в конкретных условиях эксплуатации.

Методыисследования. 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 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 ЭМДС-ТМ-42 скважинной электромагнитной дефектоскопии и толщинометрии является ведущим средством обследования технического состояния многоколонных конструкций через лубрикаторные устройства без остановки процесса эксплуатации.

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.

5. Теоретически и экспериментально обоснованы критерии и технология проведения расчетов прогнозной устойчивости скважины в условиях действия неравномерного давления и нарушения прочностных параметров колонны, обусловленных ее коррозионным и механическим износом на информационной базе, полученной по материалам скважинных исследований методами скважинной электромагнитной дефектоскопии.

Основные защищаемые положения и результаты

1. Разработанное аппаратурно-методическое и программно-математическое обеспечение скважинной электромагнитной дефектоскопии и толщинометрии на базе технологии ЭМДС-ТМ позволяет решать задачи количественного и качественного обследования обсадных колонн через насосно-компрессорные трубы без остановки процесса добычи.

К числу основных задач, решаемых разработанным аппаратурно-методическим комплексом ЭМДС-ТМ следует отнести следующие:

• Измерение интегральной толщины стенки обсадной колонны с точностью не менее 0,5 мм через 1-5 см по оси колонны в условиях одноколонной конструкции;

• Измерение толщины стенки обсадной колонны через НКТ с точностью не менее 1,5 мм;

• Точное определение местоположения интервала перфорации;

• Точное измерение температуры скважинного флюида и металла колонны;

• Измерение уровня естественной гамма-активности для контроля привязки нарушений.

2. Разработанные специализированные зондовые системы и программно-методические средства на базе ЭМДС-С позволяют решать задачи обнаружения и идентификации локальных дефектов обсадных колонн в процессе скважинных исследований, в том числе — очагов развития коррозии и отверстий кумулятивной и сверлящей перфорации.

3. Полученные аналитические решения и методика позволяют проводить временные расчеты и составить Заключение о прогнозной устойчивости системы колонна-скважина в условиях развития неравномерного давления и наличия агрессивных сред на основании информационной базы, в основе которой находится полученные материалы количественного анализа геометрических параметров обсадной колонны методами электромагнитной дефектоскопии — толщинометрии.

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 (Повх), Стрежевой, Северск-17, Норильскгазгеофизика (Норильск), Якутия, Сахалин, Камчатка, Нижне-вартовскнефтегеофизика, Астраханьгазгеофизика, Оренбурггеофизика, Неоген-Н, Вуктылгазгеофизика и др. Также аппаратурно-программные комплексы ЭМДС работают в странах ближнего и дальнего зарубежья: Казахстане, Украине, Белоруссии, Германии, Китае.

Всего поставлено на производство и находятся в постоянной эксплуатации около 70 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.

Разработан физико-математический аппарат для проведения численных расчетов прогнозной устойчивости системы колонна — скважина. Определены пути и средства создания информационных баз и программных комплексов для осуществления аналитических расчетов ресурса нефтегазовых скважин эксплуатационного фонда на основании данных комплексных геофизических исследований.

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 для инспекционного контрольного анализа состояния обсадных колонн через насосно-компрессорные трубы без остановки процесса эксплуатации скважин через лубрикаторные системы. А также - аппаратуры с элементами сканирования (системы азимутально-ориентированных датчиков) ЭМДС-С, предназначенной преимущественно для исследования 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 приведены 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.

Разработаны основные требования к методике проведения расчетов прогнозной устойчивости системы колонна-скважина в неустойчивых пластических породах с позиции учета характерных особенностей структуры металла колонны. Сделана оценка степени влияния неравномерной нагрузки и структуры металла при расчете прогнозной устойчивости обсадных колонн, а также - влияние степени и качества цементирования на устойчивость обсадных колонн в условиях неравномерной нагрузки. Главная задача представленного материала - разработка практичной технологии расчета прогнозной устойчивости системы скважина - колонна при эксплуатации в реальных конкретных условиях применительно к региону и, в конечном итоге — на каждом конкретном месторождении углеводородов.

Автором показан вклад различных факторов в уменьшении сминающего давления круглой равностенной трубы - овальность, пластичность, разностенность и положение овала трубы в скважине. Установлено, 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 - 2004 гг. в ОАО НИИ ВНИИГИС.

Диссертация состоит из введения , 6 глав и заключения.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Теплухин, Владимир Клавдиевич

Выводы по главе 6

1. Для проведения прогнозной оценки ресурса колонны при боковом смятии в зоне залегания пластических пород в неагрессивных средах достаточно количественно оценить взаимодействие обсадной трубы с неравномерной нагрузкой. Представленные аналитические зависимости характеризуют модель расчета параметра времени — фактически ресурсов устойчивости скважины.

Полученные аналитические зависимости в полной мере отражают возможность использования количественных характеристик колонны в процессе непрерывной записи методом электромагнитной дефектоскопии с аппаратурой ряда ЭМДС или ее прототипами для проведения прогнозной оценки устойчивости системы колонн при конкретных условиях эксплуатации.

2. Для проведения прогнозной оценки ресурсов колонны в условиях с агрессивными средами необходим и достаточен количественный анализ геометрических параметров обсадной трубы (электромагнитная дефектоскопия), качества цементирования (акустическая цементометрия) и наличие заколонных перетоков (шумометрия и скважинная термометрия) в интервале расположения пластичных пород. Полученные аналитические зависимости позволяют отобразить модель расчета параметра времени — ресурсов устойчивости скважины в условиях агрессивной среды.

3. Разработанные методические принципы должны быть положены в основу методики системного анализа ресурсов эксплуатационной нефтегазовой скважины для восполнения «пробела» в РД 153-39.0109-01 в части регулярного мониторинга технического состояния эксплуатационного фонда комплексом ГИС.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Теплухин, Владимир Клавдиевич, Екатеринбург

1. Бровин Б.З., Парфенов А.И., Гуфранов М.Г. Некоторыерезультаты исследования технического состояния скважин в объединении "Сур1утнефтегаз'7/БашНИПИнефть.-1983 .№13.-0 115-122.

2. Буевич А.С. Компьютеризованный аппаратурно-методическийкомплекс для геофизических исследований действующих скважин. Диссертация на соискание ученой степени доктора техн. наук. Тверь: ВНИГИК.-1998.- 225

3. Буевич А.С. Технологический комплекс для геофизическихисследований обсаженных скважин/ НТВ Каротажник,.- Тверь: ГЕРС- 1998.- Вып. 43.-С. 31-40.

4. Валиуллин Р.А., Дорофеев B.C., Самарцева В.П. Исследованиетехнического состояния обсадной колонны методом высокочувствительной термометрии// Нефтяное хозяйство.1979.-№9.-С.54-56.

5. Валиуллин Р.А., Лежанкин СИ., Антонов К.В. Изучениетехнического состояния обсадной колонны при опробовании скважин.// Нефтяное хазяйство.-1987.- № 10.- 22 - 24.

6. Валиуллин Р.А., Пацков Л.Л., Ершов A.M., Осипов A.M.применение высокочувствительной термометрии для решения задач капитального ремонта скважин// Нефтепромысловое дело.- 1982.- № 2.-С 15-19.

7. Валиуллин Р.А., Рамазанов А.Ш., Ремеев И.С. Обавтоматизации интерпретации результатов методов геофизических исследований технического состояния скважин// Университеты России: тезисы докл. научн. конф. — Уфа: БашГУ.- 1995 .- 142 - 145.

8. Валиуллин Р.А., Рамазанов А.Ш., Яруллин Р.К., Назаров В.Ф.,Федотов В.Я. Методические рекомендации по диагностике технического состояния нефтяных пластов и скважин геофизическими методами. - ПОВХ. - 1998. - 228С.

9. Дарков А.В., Шапиро Г.С. Сопротивление материалов. Изд.3-е.М. "Высшая школа", 1969г., 734 с.

10. Дементьев А.И. Напряженное состояние и прочность обсаднойколонны и цементного камня при действии внутри трубы давления и источника тепла постоянной интенсивности. — "Нефтяное хозяйство", 1967, № 12.

11. Джонсон У., П.Б. Меллор. Теория пластичности дляинженеров. Изд. "Машиностроение", Москва. 567 с. 1979 г.

12. Киселев В.В. Опыт применения аппаратуры магнитоимпульсной дефектоскопии МИД-К. Газовая промышленность. 2002, № Ю , с. 52-57.

13. Кирпиченко Б.И. Возможность определения движенияжидкости в затрубном пространстве акустическим методом// Нефтяное хозяйство.-1973.- № 4

14. Кирпиченко Б.И. Технология управления качеством изоляциипластов в обсаженных скважинах на основе шумоакустических методов/Автореферат на соиск. уч. степ, д.т.н. — Тверь: 1994 г.

15. Кирпиченко Б.И., Сержантов А.А., Кунавин А.Г. Оперативныйспособ определения интервалов негерметичности колонн // Региональная разведочная и промысловая геофизика.- 1978.-№ 4.-С. 3 4 - 3 7 .

16. Кирпиченко Б.И. Применение современных методов контроляза качеством цементирования обсадных колонн в районах Башкирии.// Нефтяное хозяйство.- 1971 .- № 2.-С. 12-16.

17. Климов В.В. Техническое состояние крепи скважин наместорождениях и ПХГ. М.: ИРЦ Газпром. 2001 г. 102 с. (Обз. инф. серии "Бурение газовых и газоконденсатных скважин" ОАО "Газпром".).

18. Конолли Э.Т. Справочник по каротажу эксплуатационныхскважин./Под ред. Н.А. Перькова.- М.-Недра.- 1969.-103 с.

19. Кононов В.И., Облеков Г.И., Березняков А.И., Гордеев В.Н.,Архипов Ю.А., Харитонов А.Н. Поляков В.Б., Забелина Л.С. Способ диагностики технического состояния газовых скважин. Бюлл. изобр. № 11 ч. II 2003 г. от 20.04.03.

20. Контроль технического состояния обсадных колоннприборами КСП-Т / А-Г.Г. Керимов, А.А.Даутов, А.Н.Харламов // НТВ АИС "Каротажник". - 2001. - Вып.86. 22-30.

21. Контроль технического состояния скважины (Прибор СГДТ)(Сервисный каталог по каротажным работам) каталог-книга/ Тюменьпромгеофизика). 2002. - 21. (085.5) 550832.5+622.245.4.

22. Контроль технического состояния скважины (Приборыпрофилеметрии СГПД-3, КП-М) (Сервисный каталог по каротажным работам) каталог-книга/ Тюменьпромгеофизика). 2002. - 19. (085.5) 550.832/С - 32.

23. Марков А.И. Распределение температуры по стволудействующей скважины/ В сб.: Вопросы экспериментальной геотермологии.- Казань: КГУ.- 1973.

24. Марков В.А. Разработка технологии геофизическихисследований технического состояния скважин на месторождениях и подземных хранилищах газа Оренбуржья. Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Уфа, 2002 г.

25. Назаров В.Ф., Таюпов М.К. Изучение влияния обсаднойколонны на распределение температуры при установившемся режиме конечно-разностным методом//Физико-химическая гидродинамика. Межвузовский сборник. Уфа: Изд. БашГУ.1983.-С. 117-122.

26. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. Пер. с англ.Под ред. Г.С. Шапиро. Т. 1, М., Изд. иностр лит., 1954, 647 с.

27. Назаров В.Ф., Федотов В.Я. Применение термометрии дляопределения места нарушения герметичности эксплуатационной колонны способом продавки жидкости // НТВ "Каротажник".- Тверь: Изд. ГЕРС- 2000. Вып. 67.- 74 79.

28. Намиот А.О. К вопросу об изменении температуры постволунефтяной и газовой скважины// Тр. ВНИИНефть.- 1956.- вып. 8.- 347-360.

29. Низамов Р.Х., Хисметов Р.Г. Усовершенствование технологииисследования нагнетательных скважин// Нефтяное хозяйство.1987.-№4.-71с.

30. Орлинский Б.М. Контроль за разработкой залежей нефтигеофизическими методами.- М. -Недра.- 1977.- 239 с.

31. Орлинский Б.М., Валиуллин Р.А. Геофизические методыконтроля за разработкой нефтяных месторождений// НТВ "Каротажник". Вестник АИС- Тверь:- 1996 .- 44 - 60.

32. Опыт электромагнитной дефектоскопии нефтяных скважин смногоколонной конструкцией в Пермской области.// А.В. Шумилов, А. Калташев, В.А. Мельник, Г.М. Толкачев, Л.Л. Петухова. //НТВ "Каротажник".-2000.-вып. 67.- С28-35.

33. Паршин Ю.А., Куравин Ф.М., Рябов Б.М. Оценкагерметичности обсадных колонн при капитальном ремонте в скважинах месторождения Узень// Тр. ВНИИНПГ.- 1981.- № П.-С. 7 4 - 7 9 .

34. Песляк Ю.А. Прочность обсадной колонны, имеющейотклонения размеров от номинальных. - "Труды ВНИИ". М. "Недра", 1964, вып. 41.,

35. Песляк Ю.А. Упругое взаимодействие горного массива собсадными трубами. - "Известия АН СССР, ОТН, Металлургия и топливо", 1960, № 1.

36. Песляк Ю.А. Устойчивость эксцентрической трубы."Известия АН СССР, Механика и машиностроение". 1963, №6.

37. Пивоваров Н.Ф. и др. Справочное руководство понефтепромысловым трубам. М., "Недра", 1967.

38. Полная акустическая визуализация за счет повышенияразрешающей способности, получение точных данных в цифровом виде и одновременного выполнения измерений CAST-V™: каталог / фирма Halliburton Energy Services, Inc. 1995.

39. Потапов А.П. Влияние магнитной проницаемости иэлектропроводности металла обсадных колонн на результаты скважинной импульсной электромагнитной дефектоскопии. НТВ "Каротажник". Тверь. Изд. АИС. 1999 г. Вып. 75. с. 109112.

40. Потапов А.П., Кнеллер Л.Е. "Интерпретация импульснойэлектромагнитной толщинометрии на основе решения прямой и обратной задач" // НТВ "Каротажник". Тверь: Изд. АИС 1999. Вып. 64. 85-91.

41. Каротажник".-2001.-Вып. 82.-С 123-127.

42. Потапов А.П., Кнеллер Л.Е. Оценка погрешностейопределения толщины стенки труб при исследовании многоколонных скважин методом импульсной электромагнитной дефектоскопии. НТВ "Каротажник". Тверь. Изд. АИС. 2000 г., Вып. 96, 99 -112.

43. Потапов А.П., Кнеллер Л.Е. Численное решение задачистановления поля магнитного диполя в скважинах многоколонной конструкции.//НТВ АИС "Каротажник".-1998.Вып. 52.-С.76-81.

44. Потапов А.П., Кнеллер Л.Е. Численное решение прямой иобратной задач импульсной электромагнитной толщинометрии обсадных колонн в скважинах. // Геология и Геофизика. - 2001 г. - Том 42, № 8 1279-1284.

45. Потапов А.П. Учет влияния магнитной проницаемости ипроводимости металла при определении толщины обсадных колонн по данным электромагнитной дефектоскопии.// Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений.М.: ВНИИОЭНГ, 2000.-С.255-275.

46. Правила геофизических исследований и работ в нефтяных игазовых скважинах. М.: Минтопэнерго РФ, 1999, 67 с.

47. Правила создания и эксплуатации подземных хранилищ газа впористых пластах. М., 1984.

48. Прогнозирование износа обсадных колонн в сверхглубокихскважинах. / Курбанов Я.М., Дмитриев В.Л., Файн Г.М., Писарницкий А.Д., Басович B.C. // Разведка и охрана недр. 2000.-№7-8.-С. 7-8.

49. РД 39-4-699-82. Руководство по применению комплексагеолого-геофизических, гидродинамических и физикохимических методов для контроля разработки нефтяных месторождений//Миннефтегазпром. ВНИ. М., 1982.-86 с.

50. РД-39-100-91. Методическое руководство по гидродинамическим, промыслово-геофизическим и физико-химическим методам контроля разработки нефтяных месторождений / Миннефтегазпром. ВНИ. М., 1991. 540 с.

51. РД 51.-1-93 Типовые и обязательные комплексыгеофизических исследований скважин./Минтоэнерго. 1993.

52. РД 153-39.0-109-01. Методические указания по"Комплексированию и этапности выполнения геофизических, гидродинамических и геохимических исследований нефтяных и нефтегазовых месторождений" Минтопэнерго. 2002. 74 с.

53. Рябов Б.М., Шнейдер Б.А. Промыслово-геофизические методыисследования нагнетательных скважин / Тр. БашНИПИнефть.Уфа.- 1988 .- № 18.- 33-43.

54. Саркисов Г.М. Некоторые вопросы расчета обсадных труб.Баку, Азнефтехиздат, 1955.

55. Саркисов Г.М. Расчеты обсадных труб и колонн. М.Гостоптехиздат, 1961. 244 с.

56. Сверлящая перфорация и геофизические методы контроляинтервалов вскрытия./ Яруллин Р.К., Теплухин В.К., Миллер A.B., Мамлеев Т.С., Николаев Ю.В., Ташбулатов В.Д.// НТВ АИС "Каротажник". - 2000. - Вып.75. - 62 - 68.

57. Сеид - Заде М.К. О некоторых проблемах добычи нефти игаза. Азербайджанское нефтяное хозяйство. . 993 г. № 1 - 2 , с. 3-5.

58. Сервисный каталог по каротажным работам: каталог / фирмаAtlas Wireline Services. - 1994. - 35-38.

59. Сервисный каталог по каротажным работам: каталог / фирмаSchlumberger. - 1996. - 79-82.

60. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология. -М.: Логос, 2001г.

61. Сидоров В.А., Губатенко В.П., Глечиков В.А. Становлениеэлектромагнитного поля в неоднородных средах применительно к геофизическим исследованиям. Саратов: Изд. СГУ.1977. 224.

62. Сидоров В.А., Степанов СВ., Дахнов М.Г. и др. Автономныескважинные дефектоскопы //НТВ АИС "Каротажник". - 1997. Вып.34.- 74-78.

63. Сидоров В.А. Магнитоимпульсная дефектоскопия итолщинометрия колонн.//Нефтяное хозяйство.-1996.-№ 10.С.12-14.

64. Сидоров В.А., Теплухин В.К., Миллер А.В. Многозондовыйцифровой электромагнитный дефектоскоп-толщиномер. Международный симпозиум по новым геофизическим технологиям., Уфа, 1997 г. С-20.

65. Система обработки данных акустических и радиометрическихметодов контроля качества цементирования скважин: каталог / АО НПФ "Геофизика" (РФ), 1999.

66. Теплухин В.К, Миллер А.В., Миллер А.А. и др. Изучениетехнического состояния обсадных, бурильных и насоснокомпрессорных труб методом электромагнитной дефектоскопии., Материалы респ. Научно-техн. конференции. Октябрьский, 1999. - 258-265

67. Теплухин В.К., Миллер А.В., Миллер А.А. и др. Сканирующийэлектромагнитный дефектоскоп для обследования обсадных колонн. Материалы Международной научно-пр. конференции, Октябрьский, 2001 г. - 324 - 331.

68. Теплухин В.К., Сидоров В.А. Электромагнитнаядефектоскопия обсадных колонн. Международная геофизическая конференция SEG-EAGO, Москва, 1993.- с. 121.

69. Толстолыткин И.П., Карпов В.М., Саунин В.И., КурьяновЮ.А. Контроль за состоянием скважин в Западной Сибири в процессе их строительства.- М.: ВНИИОЭНГ.- 1982.- 48 с.

70. Трубный профилемер (Прибор ПТС) (Сервисный каталог покаротажным работам) каталог-книга. / Тюменьпромгеофизика (РФ, Мегион), 2002 .- СЗО, (085.5) 550.832/С-32.

71. Уметбаев В.Г., Паркачев В.В., Стрижнев В.А., НазметдиновP.M., Захаров В.К. Опытные ремонтно-изоляционные работы в скважинах Талинского месторождения. /В сб.: Труды БашНИПИнефть, вып.94.- Уфа.- 1998 г.

72. Устройство для определения негерметичности колонны труб.Шаманов А., Яковенко А.А., Макаренко Б.П. (Кубаньгазпром) Авт. свид. 96117887/03, Бюлл. изобр. № 35 от 2012.98 г.

73. Филиппов А.И., Парфенов А.И. Использование переходныхпроцессов при выявлении нарушений обсадных колонн и цементного кольца//Нефтяное хозяйство.- 1987.- №1.- 15 — 17.

74. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов Изд.Машиностроение М., 1974 г.

75. Харламов А.Н., Даутов А.А. Нифантов В.И. Индукционныйзонд для определения дефектов обсадной колонны. Авт. свид. № 2220414., Изобретения. Полезные модели № 12 ч. I, 2003 г. от 27.04.03 г.

76. Цифровой магнито-импульсный дефектоскоп МИД-К: каталог/ Татнефтегеофизика (Татарстан), 2000, № 37„ п-ка "Татарстан"

77. Чемоданов В.Е. К интерпретации результатов исследованияскважин в нестационарном режиме/ В сб.: Нефть и газ.- М. — 1974.- 26-27.

78. Шумилов А.В. Дефектоскопия скважин и контроль щелевойгидропескоструйной перфорации методами ГИС. //НТВ АИС «Каротажник». - 2001. - Вып.79. - 59-66.

79. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М., 1977.

80. Яхин P.M., Овчинников П.А. Создание и организация системытехнической диагностики на объектах ООО "Оренбурггазпром". Наука и техн. в газ. пром-ти. 2002 ,1 3, 40-44,52,53.

81. Brenner S.S. Strength of wiskers in tension. J. Appl. Phys., 1956, v.27, N12, p. 1484-1492.

82. Cased Holt Services. Multi-Sensor Inspection Caliper (MSC)Computalog (Canada), 2002.-6 p, N 180.

83. Casing Evalution Survey Tool ( CES): Computalog (Canada),2002.-4 p, N 187.

84. Epstein В. Statistical aspects of fracture. J. Appl. Phys., 1948,v. 19, p. 40-148.

85. Joung F.W., Sherrill F.A. X-Ray topographic Study of tensiledeformation in near perfect copper crystal J. Appl. Phys., 1971, v. 42, N 1 , p. 230-234.

86. Ludwik P. Elemente der Technologischen Mechanik. Berlin,Verlag von J. Springer, 1909, 57 p.

87. Magnrabi H. Investigations of plastically deformed copper singlecrystals. Phys. Stat. Stat. 1970, vol. 39, N 1, 317 - 326.

88. Menter S. The direct study of crystal lattices and theirimperfections by electron microscopy. Proc. Roy. Soc. Ser. A., 1956, vol. 236, N 1204, p. 119-124.

89. Nabarro F.R.N. Theory of crystal dislocation, L, 1967, 850 p.

90. Pipelibe Inspecion. Catalog Baker Atlas (USA), 2002,- 3 p.N 1609.

91. Software tool evaluates strength of corroded pipe. TechnicalToolboxes Inc. ( Houston). // Oil and Gas Journal.- July 19, 1999.—Vol. 97, N 29.- P.76.

92. The Magnelog Survey, Magnelog Instrument Specifcations.Сервисный каталог /фирма Atlas Wireline Services. 1999 N 1506.

93. Ultrasonic In-Line Inspection Tools for the Metal Loss and Crac1.spection of Pipelines.// Oil Gas European Magazine. - 2003.Vol. 29, N2.-p . 8 8 - 8 9 .

94. Vieth P.H., Moghissi О., Beavers J.A. Integriti-verificationmethods support US efforts in pipeline safety. // Oil and Gas Journal.- December 16, 2002.—Vol. 100, N 51.- P.52-59.

95. Weibull W. A statistical theory of strength of materials. Ing/Vetenskamps akad. Handl., 1939, N 151, 58 p.

96. Zener C , Hollomon J.H. Effect of strain upon plastic flow of steel.«Journal of applied physics», 1944, v. 15, N 1, p 22 - 32.