Современные направления развития технологии магнитоимпульсной дефектоскопии-толщинометрии в многоколонных скважинах

Передовые технологии геофизических исследований в скважинах (ГИС), представленные на 65-м ежегодном симпозиуме SPWLA, не остались незамеченными в Российской Федерации (РФ), а некоторые из них были кратко описаны российскими специалистами-каротажниками в качестве тематических обзоров в научно-технической периодике. Например, современным тенденциям развития акустических методов исследований в скважинах был посвящен очерк в НТВ «Каротажник» (Карякин и др., 2024). В том же издании сделан обзор о проблемах и современных методах геофизического мониторинга технического состояния обсаженных скважин (Искандиров и др., 2024).

Получение информации о техническом состоянии крепи с помощью электромагнитных методов также является важнейшим результатом проведения ГИС. Инновации в этой сфере чрезвычайно актуальны для нефтегазового дела не только в РФ, но и во всем мире. Внимательное изучение тенден- ций развития электромагнитных и, в частности, магнитоимпульсных технологий позволяет своевременно внедрять передовые методы в практику ГИС, что способствует повышению эффективности работ в целом. Это особенно важно в условиях растущего спроса на энергоресурсы и необходимости соблюдения эколого-сберегающих требований законодательств к деятельности горнодобывающих отраслей промышленности подавляющего числа стран мира.

Society of Petrophysicists and Well Log Analysts (SPWLA) является некоммерческой ассоциацией петрофизиков и аналитиков каротажных данных, занимающейся развитием науки в области ГИС, а также применением новых достижений при поисках, разведке и разработке месторождений газа, нефти и других полезных ископаемых. Основанная в 1959 г. ассоциация SPWLA предоставляет информационные услуги ученым и практикам, занятым в нефтяной и горнодобывающей промышленности, выступает выразителем общих интересов в профессии, играет важную роль в укреплении геофизического

Работа лицензирована в соответствии с CC BY 4.0. Чтобы просмотреть копию

этой лицензии, посетите

образования и стремится повысить осведомленность будущих специалистов о той роли, которую играет промысловая геофизика в нефтегазовой отрасли. SPWLA – крупнейшее международное профессиональное сообщество геофизиков-каротажников, насчитывающее более 2100 членов, представляющих около 60 стран мира.

Очередной ежегодный симпозиум, проходивший с 18 по 22 мая 2024 г. в Рио-де-Жанейро, организовало Бразильское отделение SPWLA (Brazil chapter of SPWLA). В нем приняли участие более 600 человек из 30 стран. На симпозиуме работало 16 секций, охватывающих актуальные направления петрофизики и ГИС.

Доклады выступающих, описывающие современные тенденции развития электромагнитных технологий ГИС, были посвящены, в частности, следующим темам: оценке коррозии скважинных труб различных диаметров для комплексного анализа их целостности при заканчивании скважин сложных конструкций; измерению толщины обсадной колонны через насосно-компрессорные трубы (НКТ) приборами с азимутальной чувствительностью для прогнозной оценки развития коррозии в нескольких обсадных колоннах; новые приборы и методики интерпретации данных магнитоимпульсной де-фектоскопии-толщинометрии многоколонных скважин с использованием искусственного интеллекта.

Впервые проведенная оценка коррозионных изменений толщины семи труб при сложном многоколонном заканчивании скважин

Заканчивание скважин обычно включает в себя ряд регламентированных технических процедур (перфорация колонн, стимулирующее воздействие и освоение целевого продуктивного пласта) в различных элементах крепи, которые имеют решающее значение как для поддержки производственной деятельности, так и для защиты водоносных горизонтов от загрязнений. Мониторинг целостности элементов многоколонной крепи крайне важен для обеспечения надежности добычи нефти и газа при одновременной защите окружающей среды.

Новый метод оценки коррозии семиколонной конструкции для комплексного анализа целостности труб при сложном заканчивании скважин представила группа авторов из компании HALLIBURTON (Fouda, Dai, Sheng и др., 2024).

В сценариях, связанных с различными градиентами давления, геологическими сложностями или агрессивными средами, количество телескопически установленных колонн для улучшения защиты целевого горизонта от нежелательных воздействий может превышать пять штук, что затрудняет оценку целостности труб в подобных скважинах. Даже если извлечение НКТ осуществимо, наличие нескольких постоянных металлических барьеров усложняет задачу современных методологий неразрушающего контроля для точной оценки потерь металла внутри каждого слоя. В своей работе авторы всесторонне продемонстрировали использование комплексного калибровочного устройства, в котором проверяется работа многочастотного электромагнитного прибора с несколькими группами передатчиков и приемников для оценки толщины отдельных стенок труб в многоколонной конструкции. Устройство состоит из семи труб с внешним диаметром от 2,875 до 24 дюймов с неравномерными механическими дефектами, имитирующими реальные профили потерь металла, которые вызваны коррозией.

Прибор работает по принципу электромагнитных вихревых токов, используя конфигурацию нескольких передающих и приемных катушечных антенн, расположенных на переменных расстояниях. Он работает в непрерывном гармоническом режиме, охватывая весь диапазон частот. Чтобы повысить чувствительность к внешним трубам, катушки приемника стратегически расположены на увеличенном оптимизированном расстоянии от передатчика, используя низкочастотное возбуждение. Предварительный анализ результатов работы установки показывает способность прибора распознавать измерения с чувствительностью, выходящей за пределы пятой внешней трубы. Авторами реализован сложный рабочий процесс обработки данных, включающий многозонную калибровку и инверсию на основании моделирования. Этот процесс облегчает оценку критических параметров, таких как электропроводность, магнитная проницаемость труб, толщина стенок и эксцентриситет. В процессе инверсии в результирующую функцию вводится слагаемое регуляризации, чтобы отдать предпочтение реалистичным решениям, основанным на направлении развития коррозии труб. Кроме того, влияние некольцевого профиля коррозии также анализируется численно и экспериментально.

Эффективность инструмента в сценариях с участием семи труб демонстрируется путем использования результатов заводских испытаний и данных, полученных на реальных скважинах. Испытания предоставляют эмпирические доказательства, подтверждающие измерительную точность прибора при корректном определении степени и положения коррозии внутри каждого отдельного металлического слоя, вплоть до семи вложенных друг в друга труб.

Это исследование является важной вехой в развитии метода, поскольку впервые демонстрирует способность приборов для контроля труб точно измерять индивидуальную толщину металлической части крепи скважин, состоящей из более чем пяти труб. Усовершенствование устраняет необходимость физического извлечения НКТ, обеспечивая комплексную оценку целостности обсадных труб в скважинах. Данные, полученные с помощью приборов и калибровочного устройства, дают ценную информацию для понимания причин потери металла при заканчивании скважин и облегчают упреждающее планирование корректирующих действий.

Новаторское измерение через НКТ с азимутальной чувствительностью для превентивного определения коррозии в нескольких обсадных колоннах

Мониторинг коррозии многоколонных систем является неотъемлемой частью управления целостностью скважин, поскольку может предоставить операторам своевременную информацию для проведения вмешательств в скважину и капитального ремонта. Традиционные измерения коррозии в многоколонных конструкциях нефтегазовых скважин исследуют более трех концентриче- ских труб, но дают только средние измерения неазимутальной толщины стенки каждой трубы. Это приводит к неоднозначной интерпретации коррозии, при которой катастрофический дефект в небольшой азимутальной области трубы может быть неотличим от незначительной потери металла, которая распространяется по окружности. Следовательно, традиционные измерения коррозии в многоколонных скважинах иногда могут быть ограничены использованием в качестве предварительной оценки с извлечением НКТ и повторной оценки обсадной колонны посредством рассмотрения одного барьера. Группой авторов из компании BAKER HUGHES (Gavin, Smith, Ramirez и др., 2024) представлен новый электромагнитный датчик переходных процессов, который обеспечивает азимутальные измерения обсадной колонны через НКТ и, следовательно, может помочь в более точном определении традиционных измерений коррозии в многоколонных конструкциях.

Новый датчик основан на принципе диффузии импульсных вихревых токов, индуцирующих затухающие во времени вихревые токи в нескольких концентрических трубах, и измерении соответствующих затухающих во времени напряжений, генерируемых вихревыми токами, распространяющимися в наружном пространстве. Конструкция датчика развивалась в ходе нескольких итераций, включая моделирование, симуляцию, быстрое прототипирование и лабораторные испытания. В некоторых случаях результаты лабораторных испытаний использовались для проверки результатов моделирования. В других случаях моделирование применялось как инструмент для понимания и объяснения интересных или неожиданных моделей поведения и результатов, наблюдаемых в ходе лабораторных испытаний. Также было проведено множество тестов для разделения двух или более факторов, влияющих на измерение. Основные рабочие процессы интерпретации были созданы как средство контроля качества данных испытаний, а также для визуализации и оценки характеристик обсадной колонны, измеренных через НКТ.

Датчик состоит из нескольких катушек, ориентированных и работающих иначе, чем обычные приборы, созданные для многоко- лонных конструкций. Для описания характеристик датчика с точки зрения чувствительности к дефектам канала, вертикального разрешения, глубины зондирования и азимутального разрешения авторами представлены исследования моделирования и экспериментальные результаты. Эти измерения также могут в некоторых случаях дополнять информацию о цементе за обсадной трубой, обеспечивая независимую оценку характеристик металла, в то время как другие измерения могут обеспечить чувствительность как к характеристикам цемента, так и к характеристикам обсадной колонны. Новая конструкция датчика потенциально может заполнить критический пробел в традиционных измерениях целостности колонн во время ремонта, изоляции или ликвидации, которые в настоящее время обеспечиваются только неазимутальными измерениями коррозии, толщины и потери металла в многоколонных скважинах.

Новая технология магнитоимпульсной дефектоскопии-толщинометрии многоколонных скважин

В последние годы нефтегазовые компании проявляют большой интерес к технологиям, позволяющим проводить обследования третьей, четвертой и пятой обсадных колонн, включая приустьевой интервал.

Эффективным средством контроля технического состояния многоколонных скважин являются электромагнитные методы на основе регистрации переходных процессов вихревых токов, наведенных в колоннах (магнитоимпульсная дефектоскопия-толщи-нометрия).

В совместном докладе авторов из ОАО НПП «ВНИИГИС» и Пермского государственного национального исследовательского университета была представлена новая технология контроля технического состояния многоколонных скважин, дано краткое описание аппаратуры, методики интерпретации с использованием базы знаний, приведены примеры скважинных исследований и показана эффективность магнитоимпульсной дефектоскопии при контроле безопасной эксплуатации нефтегазовых скважин (Golovatskaya, Potapov, Shumilov и др., 2024).

В данной разработке через генераторную катушку предложено пропускать импульсы разной длительности. Короткие импульсы создают электромагнитное поле в ближней зоне, с увеличением длительности импульса поле распространяется в более дальние от оси скважины колонны. Такой принцип возбуждения электромагнитного поля в многоколонных скважинах позволил повысить качество интерпретации за счет более надежного разделения сигналов от разных колонн. Проведена оценка возможностей метода реализации технологии, позволяющей проводить дефектоскопию-толщинометрию трех, четырех и пятиколонных скважин, незаглу-шенных и заглушенных после подъема НКТ. Необходимо отметить, что ОАО НПП «ВНИИГИС» запатентовал способ электромагнитной дефектоскопии-толщинометрии, который реализуется с помощью устройства, содержащего осевые и поперечные зонды.

Интерпретация данных основана на инверсии кривых спада переходных процессов, зарегистрированных в скважине. Поиск решения основан на минимизации невязок синтетических и фактических кривых спада для заданной модели скважины. Синтетические кривые выбираются из базы данных (БД), в которой хранится более 30 000 кривых. Входом в БД для выбора кривых является схема скважины. В процессе скважинных исследований накапливается и формируется база знаний (БЗ), которая включает измеренные на скважинах кривые спада (КС) для различных моделей и интервалов с потерей металла, кривые профилирования и изображения дефектограммы для подтвержденных дефектов и элементов конструкции, которая используется при последующей интерпретации скважинных данных магнитоимпульсной дефектоскопии.

В специально разработанном программном обеспечении применен подход, основанный на поэтапной обработке и интерпретации. После загрузки кривых выполняется предварительная обработка: оценка исходного материала, сглаживание, увязка по глубине, учет эксцентриситета, уточнение конструкции, учет магнитного шума, определение положения муфт. С помощью дефекто-грамм определяются характерные дефекты колонн и задается конструкция скважины.

Затем вводятся параметры расчета толщины скважины. После этого выполняется расчет толщины стенок труб.

Критерием оптимального решения является минимальное расхождение смоделированных и фактических КС. Для оценки дефектов колонн и их классификации используются элементы искусственного интеллекта, которые представляют результаты интерпретации предыдущих скважин в виде цифровых и визуальных «образов» дефектов, зарегистрированных в скважинах и подтвержденных дополнительными исследованиями.

Таким образом, разработчиками нового метода созданы:

• -    база данных синтетических кривых спада для различных моделей скважин, которые построены по измерениям на физических моделях скважин;

• -    база знаний по результатам исследований и физического моделирования, включающая измеренные кривые спада для различных конструкций скважин и характерных дефектов;

• -    цифровые и визуальные образы дефектов и элементов конструкций скважин.

Использование нейросетевых алгоритмов для созданной базы знаний и поиска решений позволяет повысить эффективность технологии оценки безопасной эксплуатации скважин.

Необходимо отметить, что актуальная тематика развития электромагнитной дефек-тоскопии-толщинометрии обсуждалась и на более ранних ежегодных симпозиумах SPWLA (Dutta, Olaiy, 2020).

В настоящее время актуальной задачей, стоящей перед геофизиками-каротажниками Пермского края, становится переосмысление и переработка с учетом современного уровня развития технологий ГИС ряда документов, регламентирующих деятельность недропользователей и подрядных организаций, в первую очередь «Состава обязательного комплекса и порядка проведения промыслово-геофизических исследований в глубоких скважинах на территории Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС)». В документе, в зависимости от решаемых задач и условий проведения измерений, даны рекомендации по применению конкретных типов геофизической аппаратуры и режимам производства измерений.

Заключение

Представленные на 65-м ежегодном симпозиуме SPWLA доклады показали большой интерес научного сообщества к совершенствованию методов обработки и интерпретации акустического каротажа.

Внимательное изучение тенденций развития магнитоимпульсных технологий позволит своевременно внедрить передовые методы в практику ГИС, что будет способствовать, в частности, повышению эффективности и информативности промысловогеофизических работ в многоколонных скважинах на территории ВКМКС.