К оглавлению

Опыт проведения геофизических работ в глубоких скважинах

С. Л. АБРАМЯН

Бурение и освоение нефтяных и газовых скважин глубиной 4-7 км - задача ближайшего будущего для многих нефтедобывающих районов страны. Геофизиками Азербайджана - родины глубокого бурения в СССР - уже накоплен немалый опыт промыслово-геофизических исследований на глубинах 4-5 км.

Объем буровых и, следовательно, промыслово-геофизических и прострелочных работ в глубоких скважинах, проводимых на разведочных и эксплуатационных площадях Азнефти, с каждым годом неуклонно растет. Так, число разведочных и эксплуатационных скважин глубиной более 3000 м возросло с 29 в 1957 г. до 70 в 1961 г. и за последние 5 лет составило 315. Растет также и средняя глубина этих скважин: в 1956 г. она составляла 3629 м, а в 1961 г. достигла 3872 м за счет увеличения числа скважин, пробуренных на глубины более 4000 м. Рост числа скважин с забоем более 4000 м за последние 7 лет приведен ниже.

Год	Количество скважин
1955	5
1956	8
1957	6
1958	11
1959	11
1960	12
1961	21

По глубинам эти скважины распределяются следующим образом

Глубины, м	Количество скважин
4000-4200	21
4200-4400	15
4400-4600	12
4600-4800	16
Свыше 4800	10

Как видно из приведенных данных много скважин пробурено на глубину более 4400 м. Максимальная глубина, достигнутая скв. 28 3ыря, составляет 5041 м.

Исследование скважин на больших глубинах связано с серьезными трудностями. Для бурения скважин на месторождениях Азербайджана характерны большие удельные веса буровых растворов и достаточно высокая температура. Во многих скважинах удельный вес раствора достигает 2,3 г/см³ при вязкости 60-70 сек, в связи с чем давление на забое превышает 1000 кг/см³, Температура в этих скважинах достигает 130-140° С.

Исследование скважин осложняется еще тем, что они бурятся малого диаметра, с отклонениями от устья и с отдельных морских оснований.

В таких сложных условиях геофизики Азербайджана проводят контроль проходки ствола скважины, расчленение разреза и взаимную корреляцию скважин, выделение продуктивных пластов, отбор грунтов и вскрытие пластов. К сожалению, в настоящее время еще не налажен серийный выпуск аппаратуры и оборудования, необходимых для проведения работ в глубоких скважинах. В результате тресту Азнефтегеофизика пришлось ряд задач решать самостоятельно - создавать новые или модернизировать существующие приборы и оборудование для исследования сверхглубоких скважин.

Серьезные осложнения возникают при проведении радиоактивного каротажа. Аппаратура НГГК-57, выпускаемая заводом «Нефтеприбор», не обеспечивает надежной работы при температуре выше 80° С и при длине кабеля более 3000 м. В связи с этим в тресте Азнефтегеофизика разработана двухканальная аппаратура РК, АРК-1, способная работать при температуре до 135° С и при длине кабеля 6000 м. Однако в связи с тем, что выпускаемые промышленностью разрядные счетчики имеют большой разброс параметров для проведения ГК и НТК в условиях высоких температур, необходимо тщательно отбраковывать их по термостойкости, виброустойчивости и т.д. Для проверки и отбраковки счетчиков создан специальный испытательный стенд.

Одножильные термометры, выпускаемые Уфимским заводом, непригодны для работы в условиях соленых растворов из-за больших помех.

Поэтому для измерения температуры в сверхглубоких скважинах разработан и применяется электронный одножильный термометр ЭТО-2, при помощи которого проводятся все термометрические работы в сверхглубоких скважинах. Этот термометр обеспечивает получение кривых, не искаженных помехами, при глубинах более 4000 м (рис. 1), что неосуществимо приборами других типов.

Успех проводимых в сверхглубоких скважинах исследований в большой степени определяется способностью приборов противостоять высокому давлению. С этой целью стаканы приборов РК, ОКС и ЭТО-2 изготавливаются из толстостенных труб, выполненных из легированной стали.

Обычные инклинометры ИШ-3, ИШ-4, работающие на одножильном кабеле, не могут быть использованы в сверхглубоких скважинах из-за недостаточной прочности корпуса. В связи с этим применен корпус инклинометра, заполненный маслом, давление которого регулируется гофром. Такие инклинометры с противодавлением обеспечивают работу при давлениях до 1000 кг/см³.

В приборах ОКС и других, предназначенных для работы в сверхглубоких скважинах, вводы уплотнены при помощи сальников, разработанных трестом Азнефтегеофизика. Такие вводы, как показал опыт, выдерживают давление более 1000 кг/см².

В тресте Азнефтегеофизика штуцерный ввод электровоспламенителя в перфораторах ТПК-22, рассчитанный на давление порядка 400 кг/см³, был заменен на бесштуцерный, что позволило использовать эти перфораторы в глубоких скважинах.

Следует отметить, что существенные трудности при проведении исследований в сверхглубоких скважинах связаны с кабелем, сопротивление которого (КОБД-4) достигает в отдельных партиях 35 ом/км. При этом кабель длиной 5000 м имеет сопротивление 160-175 ом, которое становится выше 200 ом из-за нагрева кабеля при спуске в скважину. При таких условиях мощность генератора в станции ОКС оказывается недостаточной и в ряде случаев необходимо ее увеличивать.

С 1955 г. проведен газовый каротаж более чем в 100 скважинах с глубинами от 3000 до 5000 м. Трудности в обслуживании газовым каротажем глубоких скважин в основном возникали из-за наличия в них глинистых растворов с тяжелым удельным весом (до 2,3) и вязкостью, достигающей 70 сек, что сильно затрудняет дегазацию.

Для повышения степени дегазации тяжелых и вязких глинистых растворов в тресте разработан вибрационный поплавковый дегазатор со степенью дегазации, превышающей в 3-6 раз и более степень дегазации обычных поплавковых дегазаторов.

Для предотвращения наблюдающегося при турбинном бурении измельчения целлофана, применяемого в качестве индикатора отставания раствора, было предложено закладывать целлофан в долото при спуске инструмента в скважину и определять отставание раствора от начала циркуляции после спуска инструмента на забой. В результате повысилась точность определения отставания раствора.

При перфорации первых же глубоких скважин выявилась непригодность существующих перфораторов с ввинчивающимися стволами. Под действием гидростатического давления железные прокладки в этих перфораторах прогибались, в результате чего нарушалась цепь электровоспламенителя. Из-за вывинчивания стволов в процессе подъема перфоратора часто происходили прихваты перфоратора в колонне.

Необходимость безотказного проведения работ в глубоких скважинах заставила ускорить разработку и внедрение новых перфораторов без ввинчивающихся стволов, обеспечивающих перфорацию в условиях высоких гидростатических давлений.

 В 1951 г. в тресте Азнефтегеофизика стали внедряться перфораторы типа АПХ со значительно более высокой пробивной способностью, чем у применявшихся ранее перфораторов. В АПХ отсутствует ввинчивающийся ствол и имеется самоуплотняющаяся герметизация дульной части ствола и запальной каморы. Перфораторы АПХ выпускаются двух диаметров - 84 мм (АПХ-84) и 98 мм (АПХ-98), они пробивают 5" и 6" колонны из легированных сталей марок 36Г2С, 38ХН, 35ХГ2СВ с толщиной стенок 12-14 мм, которыми обычно обсаживаются глубокие скважины. До 1960 г. почти весь объем работ по перфорации глубоких скважин выполнялся этими перфораторами.

При перфорации глубоких скважин большую роль играет производительность работ. Применяющиеся перфораторы, в том числе и АПХ, позволяют за один спуск в скважину делать максимум 10 отверстий. Вместе с тем, при работе в глубоких скважинах наибольшая часть времени затрачивается на спуско-подъемные операции. Это приводит к тому, что на вскрытие интервала в 20 м на глубине порядка 4000 м при удельном весе раствора 2,0 г/см³ затрачивается 35-40 ч.

В связи с этим были разработаны многоканальные перфораторы, позволяющие за один спуск в скважину произвести перфорацию в нескольких интервалах, причем количество одновременно спускаемых стволов зависит практически от объема работ в данной скважине.

Характеристика двухканального перфоратора ПБ-2 (рис. 2) следующая: в трех секциях 1, 2, 3 имеется 42 ствола 4; каждым каналом 5 соединяется 21 ствол. Расстояние между крайними стволами трех секций 1300 мм. Секции свинчиваются муфтами 6, а каналы соединяются трубками 7. Переключающее устройство подсоединяется к перфоратору через муфту-переводник 8.

Эти перфораторы были испытаны на давление 1000 кг/см², и ими уже перфорировались скважины глубиной 5041 м (скв. 28, Зыря) и с гидростатическим давлением до 858 кг/см² (скв. 147, Карадаг).

При глубинах порядка 4000 м вскрытие интервала в 20 м двухканальными перфораторами занимает всего 9-10 ч.

С 1960 г. двухканальные перфораторы стали внедряться в производство, и в настоящее время объем работ по пулевой перфорации выполняется, в основном, двухканальными перфораторами. Ниже приведены данные по объему работ по перфорации скважин глубиной свыше 3000 м.

Год	Количество скважин	Средняя глубина, м	Количество отверстий
			АПХ	ПБ2	ППМ	ПК	ТПК
1956	30	3626	3540				28
1957	40	3586	6633	-	-	370	40
1958	48	3360	6950	-	-	483	76
1959	46	3760	7790	64	8	1150	86
1960	66	3983	8286	1120	112	1290	90
1961	103	3872	1390	8643	42	1090	65

Как видно из таблицы, за последние 3 года объем работ, выполненных двухканальными перфораторами в глубоких скважинах, возрос с 0,7% в 1959 г. до 77% в 1961 г.

С целью дальнейшего увеличения производительности при перфораторных работах в тресте Азнефтегеофизика разработаны и проходят промышленные испытания трех- и четырехканальные перфораторы.

Применение таких перфораторов позволяет устанавливать требуемую плотность прострела и перфорировать за один спуск в скважину до четырех различных интервалов. Ряд усовершенствований внесен и в стреляющие аппараты других типов.

Торпедные перфораторы ТПК-22 рассчитаны для работы в скважинах с колонной диаметром не менее 6”, поэтому в тресте Азнефтегеофизика был создан малогабаритный вариант снарядного перфоратора ТПМ-86, предназначенный для работ в колонне диаметром 5" (и в ряде случаев 4").

Применение кумулятивных перфораторов в глубоких скважинах ограничивается тем, что обычные корпуса рассчитаны на давление до 500 кг/см², а усиленных корпусов выпускается еще недостаточно.

Следует отметить, что если перфораторы беспрерывно совершенствуются, создаются новые конструкции их для работы в более тяжелых условиях, то грунтоносы в течение многих лет оставались без изменений. Несмотря на то, что за последние 2-3 года в Советском Союзе разработано и внедряется несколько новых конструкций грунтоносов, качество отбора грунтов из скважин отстает от предъявляемых требований. Все существующие грунтоносы имеют очень низкую производительность и позволяют отбирать из скважин керны небольшого объема, которые не могут дать геологической службе исчерпывающих данных о характере пород, пройденных скважиной. Это обстоятельство усугубляется тем, что из-за отсутствия колонковых долот отбор керна недостаточен для изучения особенностей месторождения.

До последнего времени почти во всех районах Советского Союза применялся бакинский грунтонос ГрБС-2. При высоких давлениях в скважине этот грунтонос часто дает осечки, по тем же причинам, что и ствольные перфораторы, поэтому с началом бурения глубоких скважин началась разработка новых конструкций грунтоносов.

Созданные во ВНИИгеофизике грунтоносы типа МСГ, к сожалению, тоже не отвечают поставленным требованиям, так как они рассчитаны на работу при максимальном гидростатическом давлении (Григорян Н. Г. и др. Прострелочные и взрывные работы в скважинах. Гостоптехиздат, 1959.) не свыше 500 кг/см². Кроме того объем отбираемого керна по сравнению с грунтоносом ГрБС-2 увеличился только в 2 раза.

Разработанный там же малогабаритный грунтонос типа ГМК-50, рассчитанный на гидростатическое давление до 200 кг/см², не может быть вообще использован для отбора грунтов из скважин, так как в нем выстрел из нескольких стволов происходит одновременно. Объем керна, отбираемый ГМК-50, составляет всего 7 см³.

В 1959 г. в тресте Азнефтегеофизика разработан новый боковой грунтонос ГТА-115 (рис. 3), который испытывался в стендовых условиях на давление до 1000 кг/см². Грунтонос состоит из корпуса 1, в котором размещены пороховые каморы 2 и бойки 3. Переключающее устройство подсоединяется к. грунтоносу с помощью накидной гайки 4.

В настоящее время этот грунтонос внедрен в производство. При помощи его отбирались пробы в глубоких скважинах с высоким гидростатическим давлением (например: скв. 5, Падар, глубина 4548 м, давление 700 кг/см³; скв. 62, о. Песчаный, глубина 3482 м, давление 690 кг/см² и др.). Объем керна, отбираемый этим грунтоносом, почти в 4 раза превышает объем керна, отбираемого грунтоносами ГрБС-2, и составляет 45 см³.

Следует отметить, что производительность новых конструкций грунтоносов пока еще недостаточно высока, так как за один спуск в скважину можно отобрать не более 12 образцов.

В тресте Азнефтегеофизика разработан также малогабаритный грунтонос диаметром 60 мм, предназначенный для работы в глубоких скважинах. Он уже прошел стендовые испытания при давлениях до 1000 кг/см². Для этого грунтоноса разработан и специальный малогабаритный переключатель.

В настоящее время разрабатывается ряд грунтоносов, способных обеспечить отбор кернов при высоких давлениях в скважинах различного диаметра. Проходит стендовые испытания пластовый пробоотборник, предназначенный для отбора флюидов из пластов.

Серьезные осложнения при каротаже и перфорации возникают из-за отсутствия соответствующего оборудования. Подъемники, выпущенные Мытищинским заводом, непригодны для работ в глубоких скважинах и часто выходят из строя на глубинах свыше 4000 м. При больших натяжениях происходит разрыв стяжных болтов. При сравнительно небольших количествах кабеля на лебедке наблюдается сильное влияние намагниченности лебедки на кривую ПС. В связи с этим лебедки, предназначенные для работ в условиях больших глубин, в тресте Азнефтегеофизика переделываются - бочка лебедки изготавливается из немагнитной стали, щеки и стяжные болты усиливаются. Модернизированными лебедками уже оснащено более 30 подъемников. При помощи таких лебедок удается проводить измерения при глубинах скважин до 5000 м.

Необходимость исследования скважин и вскрытия пластов при больших глубинах накладывает отпечаток на методику проведения работ в скважинах. Серьезной задачей при этом является определение глубин при перфорации и отборе грунтов. В ряде скважин для уточнения глубин устанавливались радиоактивные репера при помощи аппаратуры, разработанной в тресте Азнефтегеофизика. В процессе последнего каротажа перед спуском колонны на нескольких глубинах вблизи продуктивных объектов при помощи специального прибора производятся выстрелы пулями, содержащими радиоактивное вещество. Момент выстрела отмечается на каротажной диаграмме (рис. 4) в виде разрыва кривых КС 1 и ПС 2, а глубина залегания репера находится ниже точек разрыва, на расстоянии, равном расстоянию между выстрелившим стволом и соответствующими электродами.

При отборе грунтов или перфорации при помощи прибора радиоактивного каротажа сначала отмечается положение пули в виде узкой локальной пики 3, от этой пики отсчитывается расстояние (обычно 20-80 м) до интересующего объекта. Таким образом перфорировалось большое число скважин.

В последнее время в тех случаях, когда продуктивная часть разреза представлена пластами достаточно большой мощности, уточнение глубин при перфорации и отборе грунтов производится по кривой ГК (рис. 5), сопоставленной с кривыми КС и ПС, и кривой ГК, снятой до спуска колонны. При этом перед перфорацией в интервале прострела производят гамма-каротаж на весьма малой скорости при частой расстановке меток. Кривая ГК сопоставляется с кривой, снятой до спуска колонны, и с кривыми ПС и КС, в результате чего определяется цена установленных на кабеле меток.

В ряде случаев ствол сверхглубоких скважин сильно искривлен (рис. 6). Серьезное осложнение при этом возникает при проведении каротажа и отбора грунтов из-за очень больших натяжений. Замечено, что натяжение кабеля при прочих равных условиях возрастает после каждой новой спуско-подъемной операции, что, по-видимому, объясняется врезанием кабеля в стенки скважины. Поэтому иногда приходится ограничивать процесс измерения двумя-тремя спуско-подъемными операциями, после чего производится проработка ствола скважины.

Во избежание превышения допустимой нагрузки на лебедку каротаж иногда проводят с комбинированным кабелем, составленным из кусков двух типов - КОБД-6 и КОБД-4, что создает большие неудобства и определенный риск.

Поскольку стандартная аппаратура, приспособленная для работы в условиях больших глубин и температур, работает на пределе, приходится регулярно испытывать приборы на давление и температуру перед выездом на скважину. В связи с этим в тресте Азнефтегеофизика оборудована гидрокамера на давление 1000 кг/см³ с подогревом до 150° С. В настоящее время оборудуется камера на давление 2500 кг/см² с подогревом до 200° С.

Кроме того, проведены работы, предусматривающие определение поглощающих пластов, места слома колонны и места прихвата бурильных труб в глубоких скважинах.

Описанные мероприятия не являются кардинальным решением вопроса исследования сверхглубоких скважин. Поэтому в тресте ведутся научно-исследовательские работы по созданию специальной термостойкой аппаратуры для основных видов исследований в скважинах. Начаты работы и по созданию многоканальной аппаратуры на одножильном кабеле, способной одновременно записывать несколько кривых.

Одной из проблем современного геофизического приборостроения является разработка метода и аппаратуры для каротажа скважин в процессе бурения. В этом направлении в тресте Азнефтегеофизика также ведутся исследования, предусматривающие использование колонны труб в качестве канала связи.

Трест Азнефтегеофизика

Рис. 1. Отбивка высоты подъема цемента по термограмме, снятой электронным термометром ЭТО-2 в скв. 16, Зыря.

Рис. 2. Общий вид двухканального перфоратора ПБ-2 без переключающего устройства.

Рис. 3. Общий вид бокового грунтоноса ГТА-115.

Рис. 4. Определение глубин по искусственному радиоактивному реперу в скв. 1560 треста Орджоникидзенефть.

1, 2 -кривые КС и ПС; 3 - пики радиоактивного репера.

Рис. 5. Определение глубин по кривой ГК в скв. 10, Зыря.

1, 2, 3-кривые КС, ПС, снятые до спуска колонны; 4-кривая ГК, снятая перед перфорацией.

Рис. 6. Сводная инклинограмма по скв. 61, о. Песчаный.