Аппаратурно-методическое развитие скважинной электромагнитной дефектоскопии нефтяных и газовых скважин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, доктор технических наук Теплухин, Владимир Клавдиевич

• Теплухин, Владимир Клавдиевич
• доктор технических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор 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.

1.3. Выводы по главе 1.

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 эксплуатации обсадных колонн.

2.3. Распределение напряжений в приствольной зоне.

2.4. Анализ повреждений эксплуатационных колонн 61 в процессе эксплуатации.

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

Выводы по главе 2.

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.

3.4.1. Изучение локальных дефектов.

3.4.2. Дефекты типа трещин и щелей.

Выводы по главе 3.

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.

4.8.5. Опробование параметров технологического комплекса 200 ЭМДС-ТМ-42 на реальных метрологических объектах.

Выводы по главе 4.

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 255 ЭМДС-С.

5.4.4.Выделение отверстий сверлящей перфорации с ПС-112.

5.4.5. Выделение малого одиночного локального дефекта в колонне.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аппаратурно-методическое развитие скважинной электромагнитной дефектоскопии нефтяных и газовых скважин»

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 снижение1 затратности основного производства. Наиболее существенным» потенциалом в снижении затрат и ресурсосбережении обладает система надежности бурения, освоения и эксплуатации добывающих нефтяных и газовых и-водонагнетательных скважин. Наибольшая эффективность достигается при увеличении срока службы скважин.

При этом одной из наиболее актуальных проблем, возникающих при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, является системный контроль техническогосостояния 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 колонн нефтяных и нефтегазовых скважин широко применяется группа методов скважинных геофизических исследований: электромагнитная дефектоскопия, термометрия, шумометрия, расходометрия, скважинная, акустическая цементометрия. Относительно надежным методом выявления негерметичности, хотя и очень грубым, является поинтервальная опрессовка.

Однако эти технологии позволяют либо выявить только предполагаемый интервал негерметичности протяженностью от нескольких метров до-нескольких десятков метров;, либо дают детальную информацию об отдельных видах дефектов (к примеру, о разрывах колонн или иных-относительно крупных нарушениях). 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 процессе длительной эксплуатации 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 конструкция ми как составной неотъемлемой части комплекса ГИС;

• разработка составного звена технологии на базе комплекса ГИС оценки ' устойчивости- комплекса колонна-скважина в конкретных условиях эксплуатации.

Методы исследования: 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 колонт 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 аппаратуры скважинной электромагнитной дефектоскопии и толщинометрии! (ЭМДС-ТМ-42) является ведущим средством .обследования технического состояния многоколонных конструкций через лубрикаторные устройства.

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.

3 Основные защищаемые положения и результаты

1. Аппаратурное и программное обеспечение комплекса электромагнитной дефектоскопии и толщинометриии (ЭМДС-ТМ), основанное на анализе электромагнитного поля в нестационарном режиме, позволяет решать задачи качественного и количественного обследования обсадных колонн через насосно-компрессорные трубы эксплуатационных и нагнетательных скважин без остановки процесса добычи нефти.

2. Аппаратурное и программное обеспечение электромагнитной дефектоскопии с элементами сканирования (ЭМДС-С), основанное на анализе электромагнитных полей в нестационарном* и гармоническом режимах, позволяет решать задачи обнаружения и количественной оценки локальных дефектов колонн в процессе скважинных исследований, в том числе очагов развития коррозии и отверстий кумулятивной и сверлящей перфорации

3. Аппаратурно-методические комплексы ЭМДС, разработанные под руководством автора и поставляемые в производство ГИС, позволяют в комплексе с методами акустической, температурной и механической диагностики получать количественную информацию с необходимой степенью детальности о техническом состоянии обсадных колонн и насосно-компрессорных труб.

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 (г. Повх), Стрежевой, Северск-17,

Норильскгаз-геофизика (Норильск), Якутия, Сахалин, Камчатка, Нижне9 вартовскнефтегеофизика, Астраханьгазгеофизика, Оренбурггеофизика, Неоген-Н; Вуктылгазгеофизика и др. Также аппаратурно-программные комплексы ЭМДС работают в странах Ближнего (Казахстане, Украине, Белоруссии) и Дальнего Зарубежья - Германии- Китае, Султанате Оман, ОАЭ. ; ' \

Всего поставлено на производство и находятся в постоянной эксплуатации более 140 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.

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

10 для инспекционного контрольного анализа состояния обсадных колонн через насосно-компрессорные трубы, без остановки- процесса эксплуатации» скважин, через лубрикаторные системы. А таюке - аппаратуры с элементами, сканирования (системы азимутально-ориентированных датчиков) ЭМДС-С, предназначенной преимущественно» для исследованиям 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 приведень1 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.

Автором показан вклад различных факторов в уменьшении сминающего давления круглой равностенной трубы - овальность, пластичность, разностенность и положение овала трубы в скважине. Показано, 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 - 2009 гг. в ОАО НПП ВНИИГИС и ЗАО НПФ « ВНИИГИС-ТЗС».

Диссертация состоит из введения , 5 глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Теплухин, Владимир Клавдиевич

Выводы по главе 5:

1. Широкое производственное опробование технологий ЭМДС, выполненное коллективом во главе с автором, а также материалы, полученные: непосредственно производственными предприятиями в процессе внедрениям и» эксплуатации большого числа (более 100 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 колонн нефтяных и нефтегазовых скважин.

2. 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 самых актуальных технологических задач:

• Выделение трещинных нарушений любой ориентации.

• Раздельное измерение толщины стенок труб в условиях двухколонных конструкций.

• Выделение интервалов развития коррозии.

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

• Выделение малых локальных дефектов.

Таким образом, все основные часто встречающиеся, нарушения стальной, трубы, определяющие техническое состояние колонны нефтегазовой скважины, с достаточной степенью достоверности фиксируются аппаратурными средствами с соответствующим программным обеспечением ряда ЭМДС.

Отметим, что для полного решения проблемы поиска местоположения какого-либо дефекта обязательно комплексирование исследований ЭМДС с основными технологиями акустического видеокаротажа, цементометрии, шумометрии

Последняя выделенная проблема (пункт 2.6.) представляет особый интерес, так как актуальность задачи оценки прогнозных ресурсов действующего эксплуатационного фонда возрастает постоянно со временем.

Надо отметить, что с появлением качественной технологии измерения основных параметров колонны вопрос о принципиальной возможности расчета оценки прогнозных ресурсов и характеристик процесса эксплуатации действующих скважин сейчас получает положительное решение.