Способ определения границ залегания многолетнемерзлых пород

Изобретение относится к газовой и нефтяной отраслям промышленности и может быть использовано, в частности, для выбора технологии строительства и конструкций скважин, а также при контроле их технического состояния в многолетнемерзлых породах (ММП), в криолитозоне. Техническим результатом изобретения является повышение точности в определении глубины залегания подошвы толщи ММП, выявление интервалов залегания талых, мерзлых пород внутри толщи ММП с учетом обводненности разрезов ММП и криолитозоны. Способ заключается в том, что бурят скважину, измеряют температуру по глубине скважины и определяют геотермический градиент. По результатам измерений определяют глубину нижней границы залегания подошвы ММП. При этом перед замерами температур по глубине скважины вдоль ее боковой стенки в скважину спускают обсадную колонну (ОК) и ее цементируют. После окончания цементирования ОК замеры температур в скважине проводят в процессе схватывания цемента во время восстановления температур. Результаты замеров температур используют для построения температурной кривой в скважине в зависимости от глубины скважины. При этом по температурной кривой по пониженному уровню температур в ней выделяют верхнюю зону залегания толщи ММП и под ней выделяют нижнюю зону - зону талых, охлажденных и/или обводненных пород с более высоким уровнем температур при среднем градиенте температур не выше 0,02-0,05°С/м. Между ними выделяют промежуточную, переходную зону-«ступеньку» с резким ростом температуры и высоким значением градиента температур (Г=0,06-0,45°С/м и более). По температурной кривой, по выявленной точке соединения «ступеньки» - промежуточной высокоградиентной температурной зоны с нижней талой, охлажденной и/или обводненной зоной определяют глубину залегания подошвы толщи ММП. Причем одновременно внутри толщи ММП выделяют отдельные локальные зоны талых пород с более высоким уровнем температур, мерзлые зоны с пониженным уровнем температур и промежуточные - высокоградиентные температурные зоны между ними. По точкам стыка промежуточных зон с талыми зонами определяют границы между талыми и мерзлыми зонами, располагаемыми внутри толщи ММП. При этом замеры температур в скважине производят с использованием высокочувствительного термометра с интервалом замера температур по глубине не более чем через 0,1-0,2 м. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к газовой и нефтяной отраслям промышленности и может быть использовано, в частности, для выбора технологии строительства и конструкций скважин, а также при контроле их технического состояния в многолетнемерзлых породах (ММП), в криолитозоне.

В процессе строительства и эксплуатации скважин в зонах ММП необходимо обеспечить повышение качества строительства и надежности их эксплуатации, что связано с учетом глубины залегания подошвы ММП, влияющей на выбор конструкции скважин (глубин спуска обсадных колонн - направления, кондуктора, теплоизоляции конструкции), на проведение контроля за их техническим состоянием в криолитозоне.

Существуют различные методы и способы определения границы залегания подошвы ММП с использованием данных стандартного каротажа (градиент-зонд, потенциал-зонд), термометрии, акустического метода при выявлении границ залегания мерзлых пород (см., например, Ермилов О.М., Дегтярев Б.В., Курчиков А.Р. Сооружение и эксплуатация газовых скважин в районах Крайнего севера: Теплофизические и геохимические аспекты. Новосибирск, 2003, СО РАН, 223 с. и Быков И.Ю., Дмитриев В.Д. Бурение скважин на воду в северных районах. Ленинград, Недра, 1981, 128 с.).

Однако эти методы не дают достаточной точности в определении границы залегания мерзлых и талых пород и подошвы ММП, что связано с условиями проведения замеров, с недостаточной точностью используемой аппаратуры, например, термометрического оборудования и с неотработанностью используемых методик по выделению в разрезе талых и мерзлых пород и подошвы ММП, в том числе геофизическими методами без специальной обработки данных термометрии и стандартного каротажа.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения границ залегания многолетнемерзлых пород, заключающийся в том, что бурят скважину, измеряют геотермический градиент и по результатам измерений определяют глубину нижней границы залегания ММП (см. патент RU №2125149, кл. Е21В 36/00, 20.01.1999).

Указанный способ определения границы залегания ММП предполагает, что измерение геотермического градиента в разрезе криолитозоны и нижезалегающих пород и проведение каротажа осуществляют в скважине с интервалом 25-50 м и наносят полученные данные температур в виде прямых на график в соответствии с геотермическими градиентами в мерзлой и немерзлой зонах, и по точкам их пересечения судят о глубине нижней границы залегания ММП. Однако существенным недостатком этого способа определения границы ММП является то, что в ходе измерений не учитывается ряд условий при проведении исследования, а именно присутствие в разрезе безградиентной (реликтовой) мерзлой зоны, интервал залегания реликтовых ММП и конкретные условия проведения замеров температур в скважине, а именно после длительной выстойки или после цементирования колонн и через какое-то время.

В результате вся мерзлая зона в разрезе представляется безградиентной температурной зоной (с нулевым градиентом), а немерзлая зона - с более высоким по значению осредненным градиентом, без учета промежуточной зоны, фактически присутствующей между двумя отмеченными зонами при выстойке, например, после окончания цементирования колонн, что вносит существенную погрешность в интерпретацию результатов замера по указанному способу и неточность в определении глубины залегания подошвы ММП.

Этот способ не позволяет также выделять талые зоны, которые могут встречаться в толще ММП. Увеличенный интервал по глубине, через который проводятся замеры температур, и отсутствие указания на точность используемой термометрической аппаратуры вносят дополнительную погрешность при интерпретации результатов термометрии.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение точности в определении глубины залегания мерзлых и талых пород и подошвы ММП, в том числе с выделением границ залегания мерзлых и талых пород и подошвы ММП.

Техническим результатом, достигаемым от использования изобретения, является исключение или, как минимум, уменьшение погрешности при определении глубин залегания мерзлых и талых пород в разрезе.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ определения границ залегания многолетнемерзлых пород заключается в том, что бурят скважину, измеряют температуру по глубине скважины и определяют геотермический градиент, и по результатам измерений определяют глубину нижней границы залегания подошвы многолетнемерзлых пород (ММП), при этом перед замерами температур по глубине скважины вдоль ее боковой стенки в скважину спускают обсадную колонну и ее цементируют, после окончания цементирования обсадной колонны скважины замеры температур в скважине проводят в процессе схватывания цемента во время восстановления температур, и результаты замеров температур используют для построения температурной кривой в скважине в зависимости от глубины скважины, при этом по температурной кривой по пониженному уровню температур в ней выделяют верхнюю зону залегания толщи ММП и под ней выделяют нижнюю зону - зону талых, охлажденных и/или обводненных пород с более высоким уровнем температур при среднем градиенте температур не выше 0,02-0,05°С/м и между ними выделяют промежуточную, переходную зону - «ступеньку» с резким ростом температуры и высоким значением градиента температур (Г=0,06-0,45°С/м и более), по температурной кривой, по выявленной точке соединения «ступеньки» - промежуточной высокоградиентной температурной зоны с нижней талой, охлажденной и/или обводненной зоной, определяют глубину залегания подошвы толщи ММП, причем одновременно внутри толщи ММП выделяют отдельные (локальные) зоны талых пород с более высоким уровнем температур, мерзлые зоны с пониженным уровнем температур и промежуточные - высокоградиентные температурные зоны между ними, а по точкам стыка промежуточных зон с талыми зонами определяют границы между талыми и мерзлыми зонами, располагаемыми внутри толщи ММП, при этом замеры температур в скважине производят с использованием высокочувствительного термометра (ВЧТ) с интервалом замера температур по глубине не более чем через 0,1-0,2 м.

Замеры температур с определением глубины залегания подошвы ММП в процессе затвердевания цемента за обсадной колонной предпочтительно проводят не ранее чем через 15-30 часов после завершения цементирования обсадной колонны, причем при закачке цемента за обсадную колонну последним полностью перекрывают толщу ММП.

Анализ работ при проведении замеров в соответствии с описанной выше последовательностью действий показывает, что учитываются особенности восстановления теплового поля после прекращения теплового воздействия при проведении замеров температур после цементирования, а точнее после завершения закачки цемента за обсадную колонну, перекрывающую ММП в процессе схватывания цемента, когда происходит восстановление температур. При этом при анализе замеров выделяют помимо мерзлой и немерзлой - талой зон промежуточную высокоградиентную температурную зону, что при интерпретации температурных замеров после завершения цементирования колонн позволяет повысить точность в определении глубины залегания подошвы толщи ММП. При этом было установлено, что в промежуточной зоне на «ступеньке» отмечается резкое увеличение температуры и градиента температуры до Г=0,06-0,45°С/м и более, а также теплового потока в результате протаивания ММП на подошве ММП за счет повышения температуры вызванного поступлением тепла гидратации цемента при его схватывании. По выявленной точке соединения «ступеньки» - промежуточной (переходной) высокоградиентной (Г=0,06-0,45°С/м и более) температурной зоны с нижней талой зоной с повышенными температурами по сравнению с мерзлой зоной и с более низким градиентом (не более Г=0,02-0,05°С/м) температур по сравнению с промежуточной зоной, определяют глубину залегания подошвы толщи ММП. При наличии в толще ММП талых пород в ней выделяются участки по глубине с повышенными температурами в талых, с пониженными температурами в мерзлых породах и промежуточные зоны между ними с высокими градиентами температур и по точкам стыка промежуточных зон с талыми зонами определяют границы между талыми и мерзлыми зонами, располагаемыми внутри толщи ММП.

В ходе проведенного исследования было установлено, что замеры температур в скважине необходимо проводить с использованием высокочувствительной термометрии (ВЧТ), т.е. с точностью замера температур в градусах до второго, третьего знака после запятой и с интервалом замера температур по глубине не более чем через 0,1-0,2 м.

На фиг.1 приведены результаты замеров температур ВЧТ-ОЦК (оценка качества цементирования колонны) на скважине №1 газового месторождения.

На фиг.2 приведен градиент температур по результатам замеров температур на скважине №1 газового месторождения.

Способ реализуется следующим образом.

В предварительно пробуренной скважине с интервалом 0,1-0,2 м проводились измерения температур и определение геотермического градиента. Полученные значения обрабатывались и наносились на график (см. фиг.1 и 2).

Замеры температур по скважине №1 газового месторождения в зоне ММП, представленные на фиг.1, проводились через 24 часа после окончания цементирования эксплуатационной колонны диаметром 168 мм. Верхняя зона (позиция 1) с ММП выделяется по пониженным температурам и высоким амплитудам их изменений в мерзлой зоне, а также резким изменениям градиентов температур (см. фиг.2) с высокими абсолютными значениями градиентов до глубины 450 м. С глубины 430 м и до глубины 450 м отмечается резкий рост температуры (позиция 2 на фиг.1) и высокий температурный градиент (см. фиг.2). Эта зона (позиция 2 на фиг.1 и 2) отмечается как промежуточная, а верхняя ее точка (позиция 4) на глубине 450 м определяет глубину Н_пм залегания подошвы ММП, ниже которой залегают талые, охлажденные, низкотемпературные породы (нижняя зона - позиция 3). На скважине №1 (см. фиг.2) отмечается в интервале глубин 430-450 м в промежуточной зоне резкий рост и большие значения градиента «Г» температур (0,06-0,45°С/м), а глубже, ниже подошвы ММП, отмечается снижение градиента «Г» до 0,02-0,05°С/м и его стабилизация в пределах этих величин с приближением к стационарным значениям глубинного температурного градиента при стабилизации теплового поля. В верхней мерзлой зоне в случае реликтовых ММП, прилегающих к промежуточной зоне, градиенты температур нулевые или близкие к нулю. При проведении замеров использовалась высокочувствительная термометрия (ВЧТ) с интервалом замера температур 0,1 м, что позволяет более точно выделять глубину залегания подошвы ММП. Внутри толщи ММП по предлагаемому способу также выделяются талые породы и границы интервалов глубин (см. фиг.1, 2 позиция 6), залегания талых пород при выделении соответствующих промежуточных зон (см. фиг.1 позиция 7) и точек (позиция 8) их стыка с талыми зонами (позиция 6).

В ходе проведенных исследований было установлено, что в зависимости от типа используемого тампонажного материала и особенностей его гидратации, а также в зависимости от термобарических условий в заколонном пространстве на скважине время проведения замеров температур может быть не меньше 15-30 часов. Глубинные замеры температур по описываемому способу могут проводиться как внутри скважины, в цементируемой обсадной колонне, так и в заколонном пространстве при спуске за наружными колоннами (направление, кондуктор) термометрических трубок (ТТ) до глубин 50-100 м и более. При этом ТТ могут спускаться и устанавливаться, как за наружной колонной - за направлением или кондуктором, так и в межколонном пространстве, например, между направлением и кондуктором. При этом используются ТТ как с большим внутренним диаметром (20-41 мм), так и тонкие трубки с диаметром менее 20 мм. Термометрические трубки заполняются незамерзающими жидкостями, что дает возможность проведения замеров температур и при восстановлении отрицательных температур в криолитозоне.

Глубинные замеры температур ВЧТ-ОЦК в скважинах могут проводиться как однократно, так и несколько раз внутри цементируемой колонны, например, через 15, 24, 36 часов после окончания закачки цемента, а в ТТ в любое необходимое время для контроля изменения температурных (тепловых) условий на скважине, что позволяет при многократных температурных замерах для различных используемых тампонажных материалов и термобарических условий на скважинах определять оптимальные сроки проведения термометрии по способу для выявления границ, глубин залегания мерзлых и талых пород и подошвы ММП в криолитозоне.

Результаты исследований, проведенных на нефтяных месторождениях, показали также возможность определения границ залегания ММП в нефтяных скважинах. Подошва ММП также выделяется по термограммам ВЧТ-ОЦК обсадных колонн, в том числе кондуктора. Проведенные исследования на нефтяном месторожении в зоне ММП позволили выделить «ступеньки - промежуточные зоны» на термограммах для кондуктора по 15 скважинам и определить по точкам пересечения этих зон, с выявленными талыми зонами согласно способу, глубины залегания подошв ММП. При этом данные по способу, по термограммам, сравнивались с данными выделения подошвы ММП по данным обработки стандартного каротажа (СК), метод «MOCK» (см., например, ВРД 39-1.9-015-2000. Руководство по термометрическим методам контроля качества строительства, крепления скважин в многолетнемерзлых и низкотемпературных породах. Москва, 2001, ОАО «Газпром», ООО «ВНИИГАЗ», ООО «ИРЦ Газпром», 63 с.), что показало, что глубины залегания подошвы ММП, определенные по разным кустам, по описываемому способу (термограммам ВЧТ-ОЦК) изменялись в пределах от 260 до 330 м, а по данным СК - от 272 до 318 м.

Таким образом, определенные глубины залегания подошв ММП на скважинах более простым описываемым термометрическим методом и по данным СК различаются на 4-12 метров по приведенным примерам.

Глубина залегания подошвы толщи ММП - нижней границы, до которой отмечается льдистость пород 3 кг/м³ и более по скважине №1 выявлена по данным СК - 454 м и по данным термометрического метода ВЧТ-ОЦК - 450 м (см. фиг.1, 2) и расхождение в определении глубины составило 4 м. В то же время подошва криолитозоны по данным СК может определяться только в случае отсутствия обводненности разреза ниже выявленной подошвы толщи ММП.

В целом эффективность описанного способа заключается в том, что исследование геокриологических условий проводится непосредственно на разведочных и эксплуатационных скважинах на основе геофизических методов исследования, термометрии без бурения специальных мерзлотных скважин, без отбора и исследования керна, что позволяет получить значительную экономию средств и времени, а также исследовать эти условия на всех скважинах месторождения с построением картосхем мерзлотных условий (глубин залегания подошв ММП, обводненности и др.), изменяющихся по площади месторождений.

Предлагаемый способ может быть использован в нефтедобывающей и газодобывающей отраслях промышленности и позволяет определять нижнюю границу залегания подошвы многолетнемерзлых пород на основе полученных термометрических данных.

1. Способ определения границ залегания многолетнемерзлых пород, заключающийся в том, что бурят скважину, измеряют температуру по глубине скважины и определяют геотермический градиент, и по результатам измерений определяют глубину нижней границы залегания подошвы многолетнемерзлых пород (ММП), отличающийся тем, что перед замерами температур по глубине скважины вдоль ее боковой стенки в скважину спускают обсадную колонну и ее цементируют, после окончания цементирования обсадной колонны скважины замеры температур в скважине проводят в процессе схватывания цемента во время восстановления температур и результаты замеров температур используют для построения температурной кривой в скважине в зависимости от глубины скважины, при этом по температурной кривой по пониженному уровню температур в ней выделяют верхнюю зону залегания толщи ММП и под ней выделяют нижнюю зону - зону талых, охлажденных и/или обводненных пород с более высоким уровнем температур при среднем градиенте температур не выше 0,02-0,05°С/м и между ними выделяют промежуточную, переходную зону - «ступеньку» с резким ростом температуры и высоким значением градиента температур (Г=0,06-0,45°С/м и более), по температурной кривой, по выявленной точке соединения «ступеньки» - промежуточной высокоградиентной температурной зоны с нижней талой, охлажденной и/или обводненной зоной определяют глубину залегания подошвы толщи ММП, причем одновременно внутри толщи ММП выделяют отдельные локальные зоны талых пород с более высоким уровнем температур, мерзлые зоны с пониженным уровнем температур и промежуточные - высокоградиентные температурные зоны между ними, а по точкам стыка промежуточных зон с талыми зонами определяют границы между талыми и мерзлыми зонами, располагаемыми внутри толщи ММП, при этом замеры температур в скважине производят с использованием высокочувствительного термометра с интервалом замера температур по глубине не более чем через 0,1-0,2 м.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что замеры температур с определением глубины залегания подошвы ММП в процессе затвердевания цемента за обсадной колонной проводят не ранее чем через 15-30 ч после завершения цементирования обсадной колонны, причем при закачке цемента за обсадную колонну последним полностью перекрывают толщу ММП.