Application of Fiber Optic Thermometry Monitoring in the Control the Formation of Cement Stone in the Well Annulus

Abstract


A promising method for monitoring the process of waiting for cement hardening in wells is the use of fiber optic well thermometry or distributed temperature sensing (DTS). The DTS method creates the opportunity to move from post-facto measurements to real-time monitoring with the identification of complicated areas and timely adoption of the necessary design decisions. As a result of the research, the technology for thermometric monitoring of the process of cement stone formation was developed. The purpose of the work was to determine the applicability of practical skills developed over more than 10 years in the field of production geophysical research using the DTS method to solve the applied problem of well construction. It was established that the data obtained from DTS, in addition to solving applied problems (determining the reaction temperature, data on the result of cementing, etc.), made it possible to solve the problems of monitoring the processes occurring in the annulus during the formation of cement stone and create a platform for the further development of technologies for rapid response to identified complicated areas. The results of the work performed can be widely used in monitoring the well construction process, and are also of interest from the point of view of further development, both from a technological point of view and methodologically.

Full Text

Введение В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений мониторинга работы нефтегазодобывающих скважин является применение оптоволоконных технологий. Основным преимуществом применения оптоволоконного мониторинга является возможность осуществлять непрерывный контроль по всей длине скважины, регистрируя события в реальном времени [1, 2]. Оптоволоконные технологии мониторинга скважин в последние годы все активнее применяются как за рубежом [3-5], так и в отечественной нефтегазовой промышленности [6-8]. При этом перспективным методом контроля за разработкой является мониторинг распределения температурного поля по стволу скважины [9, 10]. В модификации измерения температуры на скважинах применяется оптоволоконная термометрия скважин (distributed temperature sensing - DTS) [11, 12]. В Пермском крае в период 2012-2024 гг. имеются результаты успешного применения технологии DTS при контроле за разработкой в части определения зон негерметичности колонны и заколонных перетоков [13-15]; выделения аномалий, связанных с разделением фазового состава жидкости [16-18]; мониторинга работы технологического оборудования [19]. Одной из актуальных задач эксплуатации скважин является мониторинг технического состояния скважин, в том числе контроль процесса ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) [20-22]. На сегодняшний день исследования по определению качества цементирования обсадных колонн проводятся прямым замером параметров процесса закачки цемента [23], а также после завершения ОЗЦ стандартными методами акустической цементометрии (АКЦ) и гамма-гамма-цементометрии (ГГК-ц) [24-26]. В случае выявления интервалов отсутствия цемента, а также контакта цемента с породой или колонной проводятся дополнительные операции по дозаливке цемента через специально создаваемые технологические отверстия [25]. При этом необходимо отметить, что в последние годы с развитием систем обработки геофизического материала [27-29], а также внедрением сканирующих модификаций АКЦ [30, 31] значительно вырос качественный уровень проводимых замеров. Однако в целом выполнение описанных выше операций приводит к увеличению времени на строительство скважины и соответственно существенному ее удорожанию. Кроме этого, стандартные методы не позволяют детально описать типы дефектов цементного кольца. На взгляд авторов, данную проблему более эффективно и с меньшими затратами может решить применение оптоволоконной термометрии скважин. При этом замеры на основе технологии оптоволоконной термометрии (DTS) могут быть реализованы как в кондукторе, так и в технической колонне строящейся скважины. В целом это создает возможность перейти от замеров постфактум к мониторингу в режиме реального времени [32-34] с выявлением осложненных участков и своевременному принятию необходимых проектных решений. В том числе применение мониторинга на основе DTS дает возможность завершать процесс ОЗЦ не по усредненному временному интервалу, заложенному в план строительства скважины, а именно при фактическом завершении процесса схватывания цемента, что снижает риски строительства и последующей эксплуатации скважины. Технические характеристики измерительного комплекса термометрии Silixa Ultima-S Параметр Silixa Ultima-S Шаг дискретизации, см 12,5 Пространственное разрешение, см 25 Разрешение по температуре, °С 0,01 Время измерений, с от 1 Чувствительность, °С 0,05 Длина кабеля, км до 5 Разрешение по длине, см 12 Время накопления, мин 12 Постановка задачи. Материалы и методы Современные регистрирующие комплексы DTS позволяют проводить одновременный замер на пяти оптиковолоконных линиях. При реализации метода использовался регистратор Silixa Ultima-S, представляющий из себя малогабаритный измерительный комплекс, позволяющий проводить замеры должного уровня качества для решения задач термометрии [9], технические характеристики приведены в таблице, что обеспечивает возможность измерения температуры по длине оптоволоконного кабеля с шагом 25 см и точностью до 0,05 градуса. В качестве датчика применяется специализированный кабель в армированной оболочке, исключающей повреждение волокна в процессе производства спускоподъемных операций, а также позволяющий эксплуатировать кабель на стандартном геофизическом каротажном самоходном подъемнике. При этом вместо стандартной конструкции кабеля - токопроводящих жил и полимерной изоляции - применяются четыре волоконных нити, являющиеся непосредственно датчиками температуры, помещенные в геленаполненную стальную трубку. В конструкции применено два повива брони кабеля, что обеспечило предельную нагрузку на разрыв в 55 кН. Для контроля регистрируемых абсолютных значений, применялся комплексный геофизический прибор «Сова-5», позволяющий проводить одновременное измерение температуры, давления, а также мощности экспозиционной дозы гамма-излучения горных пород (ГК) для привязки к разрезу скважины. Прибор имеет действующий сертификат калибровки, в процессе замеров он был размещен в нижней точке геофизического кабеля на глубине 971 м. Для проведения опытно-промышленных работ по контролю затвердевания цементного камня была выбрана скважина, эксплуатирующая объект на одном из месторождений в границах Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС). Совместная разработка запасов нефти и калийных солей существенно повышает требования к осуществлению мониторинга качества крепления скважин [35-37], что делает поставленную задачу для данной территории еще более актуальной. Результаты Исследования по контролю затвердевания цементного камня с помощью оптоволоконной термометрии в рамках опытных работ проведены на одной из скважин ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ». а б Рис. 1. Контроль ОЗЦ технической колонны с помощью оптоволоконной термометрии (а); контроль ОЗЦ технической колонны с помощью оптоволоконной термометрии (развертка) (б) При выполнении работ ставились следующие задачи: - определить возможность контроля процесса схватывания цемента с помощью оптоволоконного кабеля; - определить время, необходимое для полного застывания цементного камня для последующего контроля качества крепи. В процессе исследований оптоволоконный кабель был спущен в скважину после окончания цементирования технической колонны (d = 245 мм), первая запись проведена через 4 ч после завершения прокачки цемента. Записи длились 44 ч с шагом 12 мин (время накопления). Предварительно, с целью повышения достоверности данных и исключения неоднозначностей при интерпретации, в процессе строительства скважины (в открытом стволе) проведен комплекс каротажа с целью литологического расчленения разреза, данные нанесены на планшеты (рис. 1, 2). После завершения мониторинга была проведена запись методами акустического (АКЦ) и гамма-гамма-каротажа (ГГК-ц), результат нанесен на планшеты (см. рис. 1, 2). Одним из возможных путей совершенствования технологии может служить применение испытаний пластов на приток [38-40], что позволит получить наиболее достоверные сведения о насыщении ород в целевом интервале. В данном случае эти методы не применялись в связи с технологическими особенностями режима эксплуатации скважины. Во время исследований проведены следующие записи: фоновый замер комплексным геофизическим прибором «Сова-5» и замеры термометрии во время ОЗЦ технической колонны. В результате интерпретации комплекса исследований оптоволоконной термометрии получены следующие практические выводы: - положение текущего забоя после цементирования определено на глубине 984,2 м (см. рис. 1, а); - установлен подъем цемента до устья скважины (см. рис. 1, б); - после цементажа отмечаются термодинамические процессы по всему стволу скважины. Наиболее сильный разогрев отмечен в интервале карналитовой толщи иренского горизонта, максимальная температура разогрева составила 50,6 °С (см. рис. 1). При этом анализ динамики изменения температуры показывает, что на глубине 971 м температура увеличилась с 24,7 до 29,5 °С, затем постепенно снижалась и в конце замера составляла 22,0 °С. Давление не изменялось и составило около 125,6 атм (рис. 2). В первые сутки идет интенсивная реакция с выделением тепла, при этом функция имеет экспоненциальный характер, в том числе за счет теплопередачи в окружающую среду. Через сутки потенциал экзотермической реакции падает, реакция замедляется - температура снижается по линейному закону за счет теплопередачи в окружающую среду. Установлено, что в интервале двухколонной конструкции процесс идет более медленно, чем за одной колонной. Вероятно, это связано с процессами теплопередачи и (или) процесса гидратации цемента. Ожидается, что когда реакция прекратится, процесс выравнивания температуры с окружающей средой примет форму гиперболы. В таком случае можно говорить об окончании процесса застывания цементного камня. Ввиду ограниченности времени записи вывод температуры на асимптоту при проведении работ не был зафиксирован. Так как оптоволоконный кабель является непосредственно датчиком температуры, на каждой точке ствола скважины с шагом дискретизации (см. таблицу) имеется возможность построения графика распределения температуры во времени. В данном случае, в отличие от стандартного геофизического прибора с датчиком температуры (рис. 2), нет необходимости движения кабеля в скважине. Это позволяет изучать динамику быстро меняющихся скважинных событий без риска потери данных. Заключение В результате проведенных исследований по технологии DTS отработана технология и проведен мониторинг процесса формирования цементного камня. Полученные результаты позволяют провести регистрацию температуры в режиме онлайн, в отличие Рис. 2. Распределение температуры и давления во времени на забое по прибору «Сова-5» от стандартных методик производства замеров АКЦ и ГГК-ц. В результате установлено, что плановое заявленное время застывания цемента недостаточно для полного завершения реакции, что говорит о неполном формировании цементного камня на момент проведения замеров АКЦ и ГГК-ц. Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что имеется высокий потенциал для дальнейшего развития предложенной технологии, в том числе в части ее методологического развития, а также путем автоматизации технологических процессов. Важным преимуществом метода DTS является возможность в перспективе разместить оптоволоконный кабель за колонной непосредственно в цементе, что дает возможность организовать систему длительного мониторинга как в процессе, так и после завершения строительства скважины. Перспективным направлением для решения поставленных задач представляется комплексирование DTS c технологией распределенных акустических датчиков (distributed acoustic sensing - DAS) [41-43], что позволит более достоверно говорить о природе выделенных температурных аномалий. Мониторинг работы скважины методами DTS и DAS целесообразно проводить одновременно с единой системой регистрации, позволяющей синхронизировать их результаты.

About the authors

E. O. Shiryaev

LLC "Perm Engineering and Technical Center "Geophysics"

S. F. Anisimova

LLC "Perm Engineering and Technical Center "Geophysics"

S. V. Galkin

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Кислов, К.В. Распределенное акустическое зондирование: новый инструмент или новая парадигма / К.В. Кислов, В.В. Гравиров // Сейсмические приборы. - 2022. - Т. 58, № 2. - С. 5-38. doi: 10.21455/si2022.2-1
  2. Fibre Optic Monitoring of Groundwater Flow in a Drinking Water Extraction Well Field: Conference Proceedings, First EAGE Workshop on Fibre Optic Sensing. Amsterdam, 9-11 March 2020 / P. Kruiver, E. Obando-Hernández, M. Pefkos, M. Karaoulis, W. Bakx, P. Doornenbal, F. Ciocca, A. Chalari, M. Mondanos. - Amsterdam, 2020. doi: 10.3997/2214-4609.202030010
  3. Measurement, monitoring, verification and modelling at the Aquistore CO2 storage site / Zeinab Movahedzadeh, Alireza Rangriz Shokri, Rick Chalaturnyk, Erik Nickel, Norm Sacuta // FIRST BRAKE. - 2021. - Vol. 39. - P. 69-75. doi: 10.3997/1365-2397.fb2021013
  4. Distributed electric field sensing using fibre optics in borehole environments / David L. Alumbaugh, Evan Schankee Um, G. Michael Hoversten, Kerry Key // Geophysical Prospecting. - 2022. - Vol. 70. - P. 210-221. doi: 10.1111/1365-2478.13150
  5. Peyman, Moradi. Fibre-optic sensing and microseismic monitoring evaluate and enhance hydraulic fracturing via real-time and post-treatment analysis / Peyman Moradi, Suresh Dande, Doug Angus // FIRST BRAKE. - 2020. - Vol. 38. - P. 65-72. doi: 10.3997/1365-2397.fb2020067
  6. Kuvshinov, B.N.Interaction of helically wound fibre-optic cables with plane seismic waves / B.N. Kuvshinov // Geophysical Prospecting. - 2016. - Vol. 64, no. 3. - P. 671-688. doi: 10.1111/1365-2478.12303
  7. Оценка возможностей применения технологии виброакустического воздействия (DAS) при мониторинге работы нефтяных и газовых скважин / И.Ю. Колычев, А.М. Денисов, С.В. Белов [и др.] // Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых. - 2022. - Т. 1. - C. 250-255.
  8. Чугаев, А.В. Амплитудно-частотный отклик распределенного акустического сенсора DAS со спиральной намоткой волокна / А.В. Чугаев, М.В. Тарантин // Горные науки и технологии. - 2023. - Т. 8, № 1. - С. 13-21. doi: 10.17073/2500-0632-2022-06-10
  9. Чекалюк Э.Б. Термодинамика нефтяного пласта / Э.Б. Чекалюк. - М.: Недра, 1965.
  10. Мониторинг температурного поля с помощью оптоволоконных технологий при площадных исследованиях / Е.С. Найданова, В.Ф. Рыбка, А.И. Губина, П.Ю. Чудинов // Каротажник. - 2020. - № 6 (306). - С. 82-91.
  11. Distributed Temperature Sensing Monitoring of Well Completion Processes in a CO2 Geological Storage Demonstration Site / D. Lee, K.G. Park, C.-N. Lee, S.-J. Choi // Sensors, Basel. - 2018. - Vol. 18. - P. 4239. doi: 10.3390/s18124239
  12. Lauber, T. Enhanced Temperature Measurement Performance: Fusing DTS and das Results / T. Lauber, G. Lees // IEEE Sensors Journal. - 2021. - Vol. 21, no 6. - P. 7948-7953. doi: 10.1109/JSEN.2020.3046339
  13. Найданова, Е.С. Опыт использования оптоволоконных технологий при геофизических исследованиях скважин / Е.С. Найданова, В.Ф. Рыбка, П.Ю. Чудинов // Каротажник. - 2019. - № 5 (299). - С. 62-72.
  14. Ширяев, Е.О. Опыт применения оптоволоконных систем термометрии для исследования скважин / Е.О. Ширяев // Каротажник. - 2023. - № 6 (326). - С. 76-86.
  15. Чудинов, П.Ю. Определение дебита скважин и учет добычи с использованием оптоволоконных технологий / П.Ю. Чудинов // Каротажник. - 2023. - № 6 (326). - С. 87-96.
  16. Рыбка, В.Ф. Результат применения оптоволоконных технологий распределенной термометрии при освоении скважины с помощью ЭЦН / В.Ф. Рыбка // Экспозиция нефть газ. - 2013. - № 7 (32). - С. 13-16.
  17. Рыбка, В.Ф. Волоконно-оптическая термометрия скважин. Мониторинг формирования газогидратной пробки /В.Ф. Рыбка, С.И. Васютинская // Научный журнал Российского газового общества. - 2018. - № 1. - С. 43-46.
  18. Оптоволоконные технологии контроля технического состояния добывающих скважин / Р.К. Яруллин, Р.А. Валиуллин [и др.] // Каротажник. - 2014. - № 9 (243). - С. 47-55.
  19. Найданова, Е.С. Дополнительные возможности оптоволоконных технологий при поиске негерметичности и горячей промывке скважины / Е.С. Найданова, В.Ф. Рыбка, П.Ю. Чудинов // Каротажник. - 2018. - № 10 (292). - С. 39-47.
  20. Самсоненко, А.В. Механизмы возникновения и технологии устранения осложнений процесса цементирования обсадных колонн / А.В. Самсоненко, Н.В. Самсоненко, С.Л. Симонянц // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2016. - № 11. - С. 35-42.
  21. Храбров, В.А. Обзор и анализ математических моделей снижения порового давления столба цементного раствора в период ОЗЦ / В.А. Храбров, К.Ф. Шуть // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2023. - № 1 (361). - С. 35-39. doi: 10.33285/0130-3872-2023-1(361)-35-39
  22. Курбанов, Я.М. Анализ технических решений по предотвращению поступления пластовых флюидов в заколонное пространство скважины в период ожидания затвердевания цемента / Я.М. Курбанов, Н.А. Черемисина // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2019. - № 5 (137). - С. 64-71. doi: 10.31660/0445-0108-2019-5-64-71
  23. Шумилов, А.В. Опыт использования станций контроля цементирования на площадях Пермского Прикамья / А.В. Шумилов // Тезисы докладов научного симпозиума "Новые технологии в геофизике". - Уфа: Изд. ОАО НПФ "Геофизика". - 2001. - С. 86-87.
  24. Косков, В.Н. Геофизические исследования скважин и интерпретация данных ГИС: учеб. пособие / В.Н. Косков, Б.В. Косков. - Пермь: ПГТУ, 2007. - 317 с.
  25. Техническая инструкция по проведению геофизических исследований и работ приборами на кабеле в нефтяных и газовых скважинах: РД 153-39.0-072-01. Введ. с 01.07.2001. - М., 2001. - 135 с.
  26. Белов, С.В. Повышение достоверности определения качества цементирования обсаженных скважин по данным акустической цементометрии / С.В. Белов, А.В. Шумилов // Тезисы докладов научного симпозиума "Высокие технологии в промысловой геофизике". - Уфа: Изд. ОАО НПФ "Геофизика", 2004. - С. 31-33.
  27. Учет влияния скважинного прибора при акустической цементометрии / С.В. Белов, А.В. Шумилов, И.В. Ташкинов, Е.В. Заичкин // Доклады III Российско-Китайского симпозиума "Новые технологии в геологии и геофизике". - Уфа: Изд. ОАО НПФ "Геофизика", 2004. - С. 90-96.
  28. Совершенствование технологии обработки данных ГИС с помощью нового программного комплекса / С.В. Белов, Е.В. Заичкин, О.В. Наугольных, И.В. Ташкинов, А.А. Шилов, А.В. Шумилов // Тезисы докладов научно-практической конференции "Геофизические исследования скважин", посвященной 100-летию промысловой геофизики. - М., Изд. РГУНГ им. И.М. Губкина, 2006. - С. 65-66.
  29. Совершенствование технологии обработки данных ГИС в программном комплексе "Соната" / И.В. Ташкинов, А.В. Шумилов, С.В. Белов, Е.В. Заичкин, О.В. Наугольных, А.А. Шилов // Доклады IV Китайско-Российского симпозиума "Новейшие достижения в области геофизических исследований скважин". - Уфа: Изд. ОАО НПФ "Геофизика", 2006. - С. 206-215.
  30. Производственный опыт применения комплекса методов АКЦ и АКЦ-С в ООО "ПИТЦ "Геофизика" / П.Н. Гуляев, С.В. Белов, О.В. Наугольных, А.В. Шумилов // Тезисы докладов научно-практической конференции "Новые достижения в технике и технологии ГИС". - Уфа: Изд. ОАО НПФ "Геофизика", 2009. - С. 74-76.
  31. Крючатов, Д.Н. Сканирующая цементометрия - эффективный способ повышения информативности ГИС в Западно-Сибирском регионе / Д.Н. Крючатов, А.С. Чухлов, А.В. Шумилов // Тезисы докладов научно-практической конференции "Новая техника и технологии для геофизических исследований скважин". - Уфа: Изд. НПФ "Геофизика", 2010. - С. 162-164.
  32. Thermal submesoscale motions in the nocturnal stable boundary layer. Part 1: detection and mean statistics / L. Pfister, K. Lapo, L. Mahrt, Ch.K. Thomas // Boundary-Layer Meteorology. - 2021. - Vol. 180, № 2. - P. 187-202. doi: 10.1007/s10546-021-00619-z
  33. Халилов, Д.Г. Волоконно-оптическая система активной термометрии / Д.Г. Халилов // Каротажник. - 2021. - № 3 (309). - С. 139-151.
  34. Применение оптоволоконных систем при реализации комплексных технологий заканчивания и долговременного мониторинга работы скважин / А.П. Лаптев, А.Д. Савич, В.И. Костицын, А.В. Шумилов, О.Л. Сальникова, Д.Г. Халилов // Нефтяное хозяйство. - 2022. - № 8. - С. 94-99. doi: 10.24887/0028-2448-2022-8-94-99
  35. Филатов, В.В. О тектоническом плане Верхнекамского месторождения калийных солей по результатам физического моделирования и по геолого-геофизическим данным / В.В. Филатов, Л.А. Болотнова // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - 2020. - № 5. - С. 38-46. doi: 10.21440/0536-1028-2020-5-38-46
  36. Моделирование напряженно-деформированного состояния необсаженной скважины / С.Г. Ашихмин, А.Э. Кухтинский // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. - 2014. - Т. 13, № 11. - С. 99-104.
  37. Лебедева, О.О. Анализ и подготовка исходных данных для построения геолого-геомеханической модели участка Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей / О.О. Лебедева // Недропользование. - 2022. - Т. 22, № 3. - С. 139-143. doi: 10.15593/2712-8008/2022.3.5
  38. Шакиров, А.А. Современное состояние аппаратуры и методики испытания пластов и отбора приборами на кабеле / А.А. Шакиров, В.Н. Даниленко // Нефть. Газ. Новации. - 2018. - № 2. - С. 46-49.
  39. Тюрина, Г.В. Применение модульного динамического испытателя пластов на каротажном кабеле для уточнения фильтрационных характеристик продуктивных пластов Маговского нефтегазоконденсатного месторождения / Г.В. Тюрина // Недропользование. - 2023. - Т. 23, № 1. - С. 25-31. doi: 10.15593/2712-8008/2023.1.4
  40. Опыт использования модульного пластоиспытателя для решения различных геологических задач / И.Т. Дилявиров, М.Р. Абунагимов, Р.У. Исянгулов, А.М. Мустафин, В.А. Змановский, Н.Н. Лукьянов // Каротажник. - 2020. - № 2 (302). - С. 63-77.
  41. Gabai, H. On the sensitivity of distributed acoustic sensing / H. Gabai, A. Eyal // Optics Letters. - 2016. - Vol. 41 (24). - P. 5648-5651. doi: 10.1364/OL.41.005648
  42. Field testing of fiber-optic distributed acoustic sensing (DAS) for subsurface seismic monitoring / T.M. Daley [et al.] // The Leading Edge. - 2013. - Vol. 32(6). - P. 593-724. doi: 10.1190/TLE32060699.1
  43. Dean, T. The effect of gauge length on axially incident P-waves measured using fibre optic distributed vibration sensing: Gauge length effect on incident P-waves / T. Dean, T. Cuny, A.H. Hartog // Geophysical Prospecting. - 2017. - Vol. 65(1). - P. 184-193. doi: 10.1111/1365-2478.12419

Statistics

Views

Abstract - 39

PDF (Russian) - 31

PDF (English) - 19

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2024 Shiryaev E.O., Anisimova S.F., Galkin S.V.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies