Скважина является сложной промышленной «водопроводной системой», предназначенной для безопасного, продуктивного и эффективного перекачивания флюидов из подземных пластов на поверхность. Водонагнетательные скважины закачивают жидкости, а эксплуатационные скважины выкачивают более ценные жидкости.

До проникновения этой грандиозной «водопроводной системы» в геосреду целевой пласт и флюиды, содержащиеся в нем, в течение тысячелетий находились в состоянии относительного равновесия. Однако после того, как трубы, цементные кольца и другие компоненты скважинной конструкции были «интегрированы» в недра земли, такое статическое равновесие резко трансформировалось в сложное и турбулентное динамическое состояние.

Такое слияние искусственных материалов скважинной системы и природных материалов геосреды, а также динамическое взаимодействие между ними, компания TGT Oilfield Services обозначает термином «скважинная система».

Скважинная система — это объем земли за стволом скважины на внешней периферии скважинной конструкции и окружающее ее цементное кольцо, так называемое «заколонное пространство».
Понимание свойств флюидов, а особенно «потока» флюидов, имеет решающее значение для понимания динамики всей скважинной системы. Это стало одной из причин разработки компанией TGT Oilfield Services системы «Диагностика сквозь барьеры», которая выявляет динамику потока по всей скважинной системе: от ствола скважины по всей ее конструкции и до интервала ее соединения с пластом.

В идеальном мире динамика скважинной системы соответствует расчетным параметрам и обеспечивает перекачивание надлежащих флюидов до поверхности и обратно. Более того, в том же идеальном мире пласт отдает или получает надлежащие флюиды и вся скважинная система безопасно, продуктивно и эффективно перекачивает ценные флюиды в соответствии с планом.

Однако «несовершенства» портят эти идеальные отношения. Несовершенные цементные уплотнения, ухудшение свойств пакеров, изношенные клапаны, проржавевшие трубы, трещины вблизи ствола скважины и другие дефекты барьеров могут служить причиной нежелательных потоков по всей скважинной системе. В результате возникает отвод основных флюидов, появляется избыточное давление в межколонном пространстве, и, в конечном счете, динамика водонагнетательных или эксплуатационных скважин меняется, тем самым снижается их эффективность.

Классический пример из эксплуатации водонагнетательных скважин. Инженеры-нефтяники и специалисты по разработке месторождений предполагают, что если закачивать воду под определенным давлением, то целевые интервалы под землей получат определенный объем воды с течением времени. Если прогноз не оправдывается, то либо существует ошибка в расчетах, либо что-то не так с самой скважинной системой, либо происходит и то, и другое. Ситуация может быть еще хуже, когда прогнозируемый расход находится в пределах допустимого, но вода может не достичь целевого интервала. Последний сценарий особенно опасен, потому что это может выясниться спустя недели, месяцы или даже годы.

Компания TGT провела диагностику тысячи водонагнетательных скважин и в большинстве случаев обнаружила нежелательные потоки за эксплуатационной колонной, интервалы с низкой и сверхвысокой эффективностью, а также «интервалы поглощения», которые не дают воде достичь целевого интервала.

Рассмотрим пример с водонагнетательной скважиной на рисунке 1. По результатам традиционной диагностики потока в скважине с использованием стандартных промысловых исследований (PLTs) недропользователь узнает, что большая часть закачиваемой воды достигает верхней половины целевого пласта (A3), а остальная часть поступает в нижнюю половину (крайняя правая линия с надписью «профиль потока в скважине»).

Спектральная диагностика сквозь барьеры компании TGT позволила выявить истинную картину происходящего в скважинной системе. На самом деле только 25% закачиваемой воды поступало в пласт-коллектор. Остальная часть направлялась вверх к более мелкому пласту (А2) на глубине от 210,3 м (690 футов) до 158,5 м (520 футов). Вероятной причиной этого процесса являлись дефекты цементного кольца в заколонном пространстве. Также небольшое количество воды направлялось вниз.

Это является серьезной проблемой как с точки зрения управления скважиной, так и с точки зрения управления пластом. Целевой пласт не получает достаточного количества воды для достижения необходимого давления и 75% закачиваемой воды тратится впустую и потенциально вызывает проблемы прорыва воды на других скважинах, тем самым усугубляя потери. Эта важная информация напрямую влияет на производительность скважин и на принятие решений относительно всего месторождения.

Спектральная диагностика компании TGT использует акустические и тепловые измерения для определения геометрии и проведения количественной оценки потоков флюидов за барьерами скважины, обеспечивая тем самым полную динамикую картину потока во всей скважинной системе. Высокоточные технологии записи и обработки звуковых сигналов в скважине, определяют активность потока путем регистрации и анализа характеристик звуковой энергии, генерируемой находящейся под давлением жидкостью, проходящей через интервалы сужения скважинной системы, такие как цементные каналы и места входа в пласт.

Положение и относительная интенсивность спектральной сигнатуры точно указывают на интервалы потока (см. среднюю линию на рисунке 1 с надписью «спектральная закачка»). Эта информация затем используется вместе с другими данными скважинной системы для преобразования тепловых профилей в данные о потоке с помощью технологий моделирования. В результате создается профиль заколонного потока по пласту, который в сочетании с профилем потока скважины используется для принятия обоснованных, целевых решений по управлению скважинами и пластами (см. правую линию с надписью «Профиль потока по пласту»).

Дефекты барьеров могут присутствовать во всех типах скважин, поэтому аналогичные сценарии «нежелательного потока» могут появиться и в эксплуатационных скважинах.

На Рис.2 показан пример нефтедобывающей скважины, работающей с отклонениями, с высоким уровнем обводнения (более 90%). Выявление источника высокого уровня обводнения является одной из главных задач для инженеров-нефтяников и специалистов по разработке месторождений.

В то время, как профиль потока скважины, полученный с помощью PLT, может измерять поток, поступающий в ствол скважины только через перфорированный интервал (А2), спектрограмма указывает на значительную активность потока в межколонном пространстве в нескольких других нефтеносных интервалах, а именно в А3, А4 и А5, и в меньшей степени в А1. Учитывая, что такие интервалы, как известно, заполнены водой, недропользователь может с уверенностью заключить, что более 60% добываемой воды поступает из этих зон. Имея точную информацию о местоположении источника обводнения, недропользователь может принимать обоснованные решения для устранения нежелательных потоков.

По результатам данного исследования недропользователь пришел к выводу, что вода из этих зон поступает через интервалы негерметичности цементного кольца. Несмотря на то, что карта цементного кольца в азимутальной проекции и результат каротажа качества цементации скважины показывали, что цементное кольцо обладает хорошим механическим покрытием и хорошей связью с колонной, оно не обеспечивало надежного гидравлического уплотнения. Этот пример еще раз подчеркивает важность проведения контроля как состояния барьера, так и эффективности барьерного уплотнения при расшифровке динамики потока скважинной системы и устранении нежелательного потока.

Традиционные технологии, такие как стандартные промысловые геофизические исследования, помогают недропользователям определять динамику потока в стволе скважины. Однако эта информация не всегда указывает на процессы, происходящие за пределами ствола скважины—в межколонном пространстве и цементном кольце. Оценка скважинной системы с помощью диагностики сквозь барьеры — это единственный способ определения всех процессов во всей скважинной системе. Только обладая полной картиной, недропользователь может принимать обоснованные решения для обеспечения безопасной, продуктивной и экономичной добыче надлежащих флюидов на протяжении всего жизненного цикла скважины.