Требования к техническим характеристикам геофизической аппаратуры, предназначенной для выделения и идентификации дефектов техсостояния

Как нами было установлено в предыдущем разделе, дефекты техсостояния могут классифицироваться по следующим признакам:

- протяженности, т.е. быть локальными или распределенными;

- активности, т.е. быть каналами, по которым имеется, либо отсутствует движение пластовых флюидов;

- сообщаемости, т.е. быть каналами, по которым имеется или отсутствует гидродинамическая связь между отдельными объектами (пластами или дневной поверхностью в скважине).

Все эти особенности дефектов могут быть установлены (идентифицированы) с помощью различных методов ГИС при условии если их технические характеристики будет соответствовать требованиям чувствительности, разрешающей способности и глубинности, которые необходимы при их обследовании (диагностике).

Известно [53], что чувствительность методов ГИС определяется соотношением уровня полезного сигнала, генерируемого дефектом того или иного типа, и уровнем помехи.

Разрешающая способность методов ГИС определяется в первую очередь соотношением геометрических размеров дефектов с величиной измерительного зонда геофизической аппаратуры [53], а во вторую – длиной волны упругого, либо электромагнитного поля [54], которая должна быть равной или меньше размеров искомого дефекта.

Необходимо отметить, что размер зонда и длина волны генерируемого физического поля (акустического, электромагнитного, теплового, радиоактивного) существенно влияют и на чувствительность геофизических исследований, поскольку от них зависит их глубинность, т.е. степень проникновения физического поля вглубь окружающей скважину геологической среды.

При этом, очевидно, что чем глубже проникает физическое поле, генерируемое зондом вглубь геологической среды, тем меньшее влияние на его параметры будет оказывать зона ближайшая к нему, тогда как влияние дальней зоны будет соответственно возрастать.

Отсюда со всей очевидностью следует, что рост глубинности зонда снижает его чувствительность к свойствами ближней зоны, формируемой, как правило, колонной и цементным кольцом и, наоборот, повышает его чувствительность к свойствам горной породы.

Учитывая вышеизложенное становится понятным, что для выделения и идентификации малопротяженных, т.е. локальных дефектов в ближней зоне нужны малые зонды (микрозонды), генерирующие физическое поле с сверхмалой длиной волны (высокочастотный диапазон).

Такие зонды в практике ГИС получили название дифференциальных.

Для выделения и идентификации протяженных (распределенных) дефектов уже нужны зонды с увеличенным разносом, генерирующие физическое поле средней или большой длиной волны (средне- и низкочастотный диапазон).

Такие зонды в практике ГИС получили название интегральных.

Однако, следующей задачей за обнаружением дефектов, является решение проблемы их идентификации по признаку активности, поскольку именно активные, т.е. переточные дефекты являются наиболее опасными для состояния изоляции заколонного пространства в обсаженной скважине.

Если обнаружение дефектов в ближней зоне (как локальных, так и протяженных) осуществляется как правило методами ГИС в активном режиме, т.е. путем их облучения одним из видов физических полей (акустическим, радиоктивным или электромагнитным), то обнаружение переточных дефектов осуществляется, как правило, в пассивном режиме, т.е. путем регистрации параметров физического поля генерируемого самим дефектом.

Наиболее распространенными в этом случае пассивными полями являются температурное и шумоакустическое.

Температурное поле, вернее его аномалия в районе дефекта, формируется за счет конвекционного массопереноса тепла потоком флюида движущегося через дефект.

Если поток флюида движется из области в более высокой температурой в сторону, области с меньшей температурой, то в районе дефекта формируется положительная температурная аномалия.

Если поток флюида движется через дефект, из области с более низкой температурой в сторону области с большей температурой, то в районе дефекта формируется отрицательная аномалия температуры.

При этом температурная аномалия, сформировавшаяся в районе дефекта, обладает большой инерционностью, за счет чего она формируется или рассасывается относительно уровня нормального значения геотермоградиента в течение 5-10 суток с момента начала или прекращения движения флюида через дефект [55].

Шумоакустическая аномалия имеет своей природой флюктуацию плотности флюида движущегося через дефект в турбулентном режиме. Частотный диапазон гидрошумов в обсаженных скважинах лежит, как правило, от 0,2 кГц до 15-20 кГц.

Исследованиями было установлено [56], что частотный диапазон генерируемых гидрошумов определяется характером среды, по которой происходит движение (фильтрация) потока пластового флюида. Если поток флюида движется по поровым каналам горной породы, то он генерирует гидрошумы в диапазоне 0,2-0,5 кГц. В случае движения пластового флюида по цементному кольцу в заколонном пространстве, диапазон гидрошумов лежит в пределах от 0,8 до 5 кГц. При движении потока флюида через негерметичность колонны частотный диапазон гидрошумов становится более высокочастотным и лежит в пределах от 10 до 20 кГц.

Особенностью гидрошумовой аномалии по сравнению с температурной является ее безинерционность: она мгновенно возникает и мгновенно исчезает одновременно с началом или прекращением движения пластового флюида через дефект.

Расчетами и практикой устанволено [57], что температурная аномалия достаточной для регистрации амплитуды формируется при больших расходах пластового флюида (от 50 м³/сутки и более), а шумоакустическая аномалия достигает приемлемого для регистрации уровня при расходах пластового флюида через дефект от 30 м³/сутки и менее.

Что касается вопроса обеспечения точности регистрации параметров активного или пассивного физических полей того или иного типа взаимодействующих с тем или иным дефектом техсостояния обсаженной скважины, то он решается с одной стороны главным образом путем обеспечения стабильности во времени метрологических характеристик приемоизлучающих преобразователей геофизического зонда (снижение систематических ошибок измерений), а с другой стороны – за счет приемов жесткой стабилизации положения зонда относительно оси скважины (снижение случайных ошибок измерений) [58].

Учитывая вышеизложенное, можно классифицировать основные методы ГИС, к которым в первую очередь относится радиоактивные, акустические и электромагнитные, по признакам глубинности и разрешающей способности присваивая высокоразрешающим методам индекс Д (дифференциальный), а усредняющим методом индекс И (интегральный).

Результаты такой классификации основных методов ГИС, предназначенных для оценки техсостояния обсаженных скважин, приведены в таблице 4.

Из данных приведенных в таблице 4 видно, что различные методы ГИС с одной стороны отличаются друг от друга способностью регистрировать те или иные характеристики техсостояния, что характеризует их информативность, а с другой стороны – часть из них дублируют показания других методов (т.е. обладают дублирующими свойствами).

Учитывая вышесказанное, введем два ключевых понятия информативность и достоверность, которые можно использовать в качестве основных критериев обоснования оптимального геофизического комплекса для оценки величины максимального количества информативных параметров с необходимой для прак­тики достоверностью.

Из сказанного следует, что:

- информативность любого комплекса ГИС применительно к на­шему случаю определяется максимально возможным числом измеряемых с его помощью диагностических параметров, ха­рактеризующих техническое состояние обсаженной скважины;

- достоверность измерений комплексом ГИС в нашем случае оценивается по количеству дублирующих оценок основных ди­агностических параметров, выполненных различными мето­дами, входящими в комплекс ГИС.

Необходимая информативность и достоверность измерений до­стигаются за счет комплексирования геофизических методов с разной глубинностью и чувствительностью к основным элемен­там конструкции обсаженной скважины: колонне, цементному кольцу и заколонному пространству. При этом комплексироваться должны методы, обеспечивающие в первую очередь максималь­ную информативность, а уже во вторую - максимальную досто­верность.

Информативность методов ГИС по видам исследований тех­нического состояния обсаженных скважин может быть оценена по типу и количеству (индекс информативности) регистрируе­мых с их помощью диагностических параметров.

Оценим индекс информативности (ИИ) различных геофизи­ческих методов в соответствии с приведенным выше перечнем:

1. Электромагнитный каротаж в интегральном исполнении (ЭКИ) может быть использован для определения: , , , , , , , , , , , , , .

ИИ = 15

2. Электромагнитный каротаж в дифференциальном исполнении (ЭКД) может быть использован для определения: , , , , , , , , , .

ИИ = 10

3. Радиоактивный каротаж в интегральном исполнении (РКИ)
может быть использован для определения: , , , , , , , , , , , , , ,

ИИ = 15

4. Радиоактивный каротаж в дифференциальном исполнении (РКД) может быть использован для определения: , , , , , , , , , , , ,

ИИ = 14

5. Акустический каротаж в интегральном исполнении (АКИ)
может быть использован для определения: , , , , , , , , , , , , , , ,

ИИ = 16

6. Акустический каротаж в дифференциальном исполнении
(АКД) может быть использован для определения: , , , , , , , , , ,

ИИ = 11

7. Температурный каротаж (ТК) может быть использован для определения: ,

ИИ = 2

8. Шумоакустический каротаж (АШ) может быть исполь­зован для определения: , , , , , , ,

ИИ = 8

Полученные данные по информативности восьми методов каротажа могут служить для формирования оптимального геофи­зического комплекса по критериям максимальной информатив­ности (И) и достоверности (Д).

Определим оптимальный состав геофизических комплексов, пользуясь названными критериями:

Комплекс 1:ЭКИ + РКИ + АКИ + ТК + АШ - И(Д) = 76 % (46 %)

Комплекс 2: ЭКИ +АКД + РКИ + АКИ+ ТК + АШ = ИШ = 98%(70%)

Комплекс З.ЭКИ + ЭКД + РКИ + АКИ + ТК + АШ - 93 % (72 %)

Комплекс 4: РКИ + АКИ + АКД + ТК + АШ - 93 % (40 %)

Комплекс 5: РКИ + ЭКД + АКД + ТК + АШ = 100 % (16 %).

Полученные данные позволяют сделать следующие выводы:

- оптимальными геофизическими комплексами для контроля технического состояния обсаженных скважин, сформирован­ными на основе использования критериев информативности (И) и достоверности (Д), являются комплексы 2 и 3, где базо­вым является электромагнитный метод в интегральном ис­полнении, а в качестве дифференциальных выступают либо акустический (АКД), либо электромагнитный (ЭКД) методы;

Состав геофизических комплексов, формируемых на основа­нии предлагаемого способа, может варьироваться в широких пределах в зависимости от того, какому критерию будет от­даваться предпочтение в каждом конкретном случае - инфор­мативности или достоверности.

Таблица 4 – Таблица оценки сравнительной информативности геофизических методов контроля