Мониторинг скважин

По данным аналитического журнала «Нефть и Капитал» около 20% всех скважин страны заброшены и не эксплуатируются. При этом, такие скважины хранят более 15 млрд тонн потенциально извлекаемых ресурсов.

Есть ряд причин, по которым нефтедобывающие компании не возобновляют работу на скважинах: и экономические, и налоговые, и технические. И если компетентно говорить о первых двух причинах могут эксперты в аналитике и экономике, то о технических причинах мы позволим себе порассуждать в этом материале.

Мы уже писали о том, что легко извлекаемых ресурсов в России практически не осталось. Поэтому крупные нефтедобывающие компании проявляют интерес к новым технологиям, позволяющим увеличить коэффициент извлечения нефти на существующих месторождениях. Некоторые из этих технологий вполне применимы для оценки потенциала и запуска в работу заброшенных скважин.

Что такое цикличные наблюдения в гидрогеологии?

Цикличные наблюдения – систематически повторяющиеся измерения с заданной периодичностью. Цикличность задается установленной программой наблюдений. В зависимости от типа объекта, геологических условий, интенсивности происходящих процессов назначают частоту производства наблюдений. Как правило измерения производят через равные промежутки времени, что позволяет провести необходимую интерполяцию значений во времени, оценить скорость и динамику изменений.

Цикличные наблюдения по пьезометру – это система регулярных наблюдений за тем, как изменяется ситуация с подземными водами под влиянием природных причин и деятельности человека. Полученные сведения дают возможность решать задачи, связанные с прогнозированием и воздействием на уровень подземных вод. С помощью анализа наблюдательной сети скважин оценивают параметры водоносных горизонтов и водовмещающих отложений, которые не поддаются изучению во время кратковременных опытов.

Мониторинг включает систематические наблюдения и фиксирование результатов в журналах, ведение отчётной документации.

При распределенном волоконно-оптическим методе измерения кабель является линейным датчиком, представляющим собой непрерывный распределенный чувствительный элемент на всем своем протяжении.

Для определения места изменения температуры или виброакустической активности в оптоволоконном кабеле применяется полупроводниковый лазер, модуль детектирования и два оптических принципа на эффектах Рамана и Рэлея.

При изменении температуры или наличия акустического воздействия, изменяется структура оптоволокна. Когда свет от лазера попадает в область изменения температуры, то он взаимодействует с измененной структурой оптоволокна и помимо прямого рассеяния света, появляется отраженный свет. Блок обработки измеряет скорость распространения и мощность как прямого, так и отраженного света и определяет место изменения температуры или проявления акустической активности.

Благодаря тому, что свойства оптического световода и оптического кабеля целиком можно варьировать в широких диапазонах, существует множество типов волокон, каждый из которых по своим свойствам удовлетворяет определенным требованиям, в зависимости от применения. Физические воздействия на кабель, например, температурное изменение и вибрация влияют на свойства световода в точке воздействия, — это позволяет, измерив изменение свойств волокна в данной точке, вычислить параметры окружающей среды.

В скважинах, для мониторинга динамических и статических процессов, связанных с геотермическим градиентом (физическая величина, описывающая прирост температуры протяжённом участке в толще земли), используются распределённые системы термометрии. На различных участках геотермический градиент непостоянен. Он определяется составом горных пород; физическим состоянием и теплопроводностью; плотностью теплового потока; наличием жидкостей и газов в слоях и их динамикой. Виброакустические системы используются как вспомогательные, с помощью них определяют место закачки.

Системы позволяют собирать информацию в режиме реального времени в течение длительных периодов с участков в несколько км. При первом спуске распределенной системы измеряется геотермический градиент, характеризующий естественное изменение температуры по профилю скважины. Температурные градиенты необходимо знать для корректировки некоторых каротажных данных, но главный интерес представляют отклонения от градиента. Сам процесс добычи нефтяных продуктов меняет температурный профиль скважины. Эти изменения отличаются в разных пластах и зависят от многих факторов. Постоянство или непостоянство температур в отдельных зонах позволяет дать оценку продуктивности скважины.

В начале добычи в скважине могут находиться закаченные в неё жидкости и газы с температурой, отличной от её собственной, что приведет к изменению температуры по профилю. Изменения могут быть связаны и с движением жидкостей. Это явление объясняется эффектом Джоуля–Томсона, напрямую связанным с уменьшением давления на жидкости, выходящих из пласта в скважину. Такие изменения происходят как при выходе жидкостей в скважину, где давление на них зачастую резко падает, так и при их подъёме по стволу скважины, где снижение давления обычно более плавное. Падение давления вызывает соответствующее изменение объёма жидкости или газа с сопутствующим изменением температуры. Поэтому температура потока нефти или воды, поступающей в скважину, увеличивается, а потока газа – понижается. Три замера за период в несколько часов позволяют сравнить температуры по нескольким интервалам работы. Технология распределённого измерения температуры используется для диагностики причины падения дебита скважин и для принятия мер по увеличению выработки.

Компания МОНСОЛ РУС выполняет все работы по оснащению скважин автоматизированными системами контроля физических параметров под ключ.

Решения МОНСОЛ РУС:

• Мониторинг температурного профиля скважин;
• Акустический анализ скважин.

По данным ежегодного доклада Минэнерго о состоянии окружающей среды в 2019 г., на предприятиях топливно-энергетического комплекса произошла 17 171 авария с разливами нефти, из них 10 478 — на нефтепроводах. Это в среднем 28 прорывов нефтепроводов в день.

Утечки нефти и газа наносят вред экологии, загрязняя воду и почву, и, конечно, могут быть опасными для человека.

В 1989 году случилась одна из крупнейших железнодорожных катастроф, причиной которой стала утечка газа. Тогда на перегоне Аша — Улу-Теляк взорвались 2 пассажирских состава. Общее число жертв, по разным данным, составило от 575 до 645 человек, в том числе 181 ребёнок. Расследование длилось 6 лет. Причиной аварии стала утечка природного газа с близлежащего трубопровода. Газ постепенно накапливался в долине, где проходила железнодорожная магистраль. Случайная искра из-под одного из локомотивов спровоцировала детонацию.

Современные технологии позволяют контролировать состояние трубопровода по всей длине и в режиме реального времени, своевременно передавая информацию о возможных утечках, процессах деформации или несанкционированных действиях.

Существует 2 основных подхода к мониторингу:

• базовый — с помощью точечных датчиков, установленных на определённом расстоянии друг от друга;
• современный — с помощью оптических кабелей, проложенных непосредственно на трубопроводе или рядом с ним.

Мониторинг на основе точечных датчиков в основном отслеживает перепады давления. В этом случае оператор видит снижение давления и примерную зону, где оно происходит. Однако данные предоставляются с большой погрешностью и много времени уходит на то, чтобы найти место утечки. Это повышает вероятность экологических бедствий и опасности для населения.

Современный подход к мониторингу газо- и нефтепроводов по оптическому волокну основан на принципе распределённости. Волокно, выступая в роли чувствительного элемента, отслеживает состояние трубопровода в каждой его точке. Поэтому определить место аварии можно с большей точностью. Вместе с тем с помощью оптического волокна можно контролировать процесс деформации, отслеживать возможные утечки и различные несанкционированные действия.

Если сравнивать затраты, необходимые для развертывания систем, то стоимость распределённого мониторинга по оптическому волокну значительно ниже, так как не требует дополнительных затрат на питание чувствительного элемента. К тому же, чтобы развернуть более-менее точную систему контроля за состоянием трубопровода понадобится большое количество точечных датчиков (зависит от протяжённости объекта), стоимость которых, в совокупности, намного выше стоимости кабеля.

Методы распределённого мониторинга и их особенности

Мониторинг температуры на основе DTS (Distributed Temperature Sensing)— это первые внедрённые системы. Кабель прокладывается в грунт рядом с трубопроводом в одном или в нескольких местах. Утечка локализуется по изменению температуры грунта.

Если необходима максимально точная локализация места утечки, вместе с мониторингом на основе DTS используют акустический мониторинг на основе DAS (Distributed Acoustic Sensing). Метод основан на улавливании вибрации волокна в следствии акустического воздействия и активно применяется в мире. С помощью этого типа мониторинга можно «услышать» прорыв содержимого трубы наружу, несанкционированные действия или работающую рядом с трубопроводом технику, которая может его повредить.

Распределённый мониторинг деформации на основе DSS (Distributed Strain Sensing) — это новейший метод контроля и диагностики протяжённых объектов. В этом случае кабель крепится непосредственно к инфраструктуре, то есть к трубопроводу. Кабель должен быть надёжно закреплён, так как на него передаётся любое удлинение или сжатие поверхности трубопровода. Этим воздействиям подвергается и оптическое волокно внутри кабеля, что фиксирует аппаратура и сообщает о несанкционированных действиях на объекте.

Метод достаточно сложный в реализации и лучше всего подходит для установки на новых трубопроводах, так как требует плотного контакта с поверхностью объекта.

Пример системы мониторинга трубопровода на основе кабелей-датчиков:

Сердце системы — это индивидуально разработанный оптический кабель-датчик, который фиксирует изменения внешней среды: температура, деформация, вибрация. Он размещается прямо на трубопроводе, либо не далее, чем 1 м от него.

Сигналы от кабеля-датчика передаются на блок контроля, который их анализирует и интерпретирует. Именно в блоке контроля установлены определенные типы анализаторов, зависящие от вида отслеживаемых параметров: DTS (Distributed Temperature Sensing), DAS (Distributed Acoustic Sensing) или DSS (Distributed Strain Sensing).

Информация с блока контроля поступает в серверную, установленную на месторождении. В серверной размещаются:

• БСД (блок сбора данных) — сервер, аккумулирующий информацию о состоянии объекта мониторинга и всех блоков контроля.
• Сервер АСУТП.

Оператор на своём рабочем компьютере с помощью SCADA-программ обрабатывает данные и принимает решения на их основании.

Результатом работы системы является обнаружение утечек и контроль активности на магистральном трубопроводе.

Система мониторинга и диагностики трубопровода на основе оптических кабелей-датчиков позволяет:

• сократить затраты на обслуживание системы,
• предотвратить повреждения трубопровода за счет раннего обнаружения деформации,
• минимизировать время вынужденного простоя объектов,
• сократить время реакции аварийных служб,
• уменьшить экологический ущерб при утечках на трубопроводах.

Типы мониторинга скважин

Основные типы мониторинга описаны в таблице.

Мониторинг наблюдательных скважин состоит из системы наблюдений, которые проводятся регулярно. Информация собирается обрабатывается, накапливается и анализируется. Затем проводится оценка состояний среды, на основании которой строится прогноз изменений под воздействием возможных природных факторов и хозяйственной деятельности человека.

Мониторинг выполняет следующие задачи:

• Собирает, обрабатывает и анализирует информацию о реальном состоянии подземных вод.
• Оценивает обстановку и прогнозирует изменения
• Выявляет и прогнозирует возникновение природных и техногенных процессов, которые влияют на подземные воды.

Цель мониторинга диктует конструкцию и количество наблюдательных скважин. Например, для изучения загрязнения подземных вод вокруг источника загрязнения бурят несколько десятков наблюдательных скважин.

Чтобы исследовать водоносные горизонты для водоснабжения, бурят кусты скважин на несколько водоносных горизонтов и наблюдают за уровнем вод, изучают их химический состав.

Для мониторинга пробы берут из существующих водозаборных скважин или из контрольно-наблюдательных скважин, которые бурят специально. Поэтому наблюдательная сеть представлена сетью скважин различного характера и возраста.

Объектный мониторинг отслеживает на действующих водозаборах качество воды, водоотбор и динамический уровень. На основании данных уточняются сведения, которые помогают выявить или предотвратить истощение подземных вод, загрязнения и другие негативные последствия изменений водоносных горизонтов.

Преимущества специалистов Лаборатории Экспертиз

Для проведения полноценного мониторинга подземных вод необходимо иметь специальное оборудование, датчики, иметь опыт работы с оборудованием, в том числе химикатами.

Лаборатория Экспертиз за годы работы собрала штат опытных специалистов, которые справляются со многими нестандартными задачами заказчиков. Это возможно и благодаря современному оборудованию и приборам, которые регулярно проходят поверку в контрольных органах.

После заключения договора составляется программа мониторинга, которая проходит согласование в государственных структурах.

Лаборатория Экспертиз проводит комплексные геологические работы и исследования на строительных объектах и при сооружении водозаборов.

Наблюдательные скважины и гидрогеология предполагают решение инженерно-геодезических задач.

В результате заказчик получает:

• итоги мониторинга в установленной форме,
• акт с указанием реального состояния обсадной колонны, скважины, насосов, установленная глубина скважины, какие ремонтные и профилактические работы проведены
• сведения по химическому и микробиологическому составу подземных вод.

Лаборатория Экспертиз нацелена на повышение качества выполнения работ. Применяем современное оборудование, успешный опыт решения задач и оптимизируем бизнес-процессы.

Мониторинг за температурой воды в скважине

Данные наблюдения проводятся в условиях города, где возможны тепловые загрязнения подземных вод. В мониторинге используют автоматические системы, электронные температурные регистраторы, водяные термометры.

Замеры делают 2 раза подряд в течение нескольких минут. Результаты записывают в журнале с точностью до десятых долей градуса.

Конструкции для мониторинга протяжённых объектов

Кабель, специально созданный для мониторинга магистральных трубопроводов и других протяжённых объектов. Подходит для прокладки непосредственно в грунт.

Главная особенность кабеля — одновременное измерение различных параметров. То есть кабель может одновременно собирать данные по всем видам распределённого мониторинга (DTS, DAS, DSS). Обладает особенной чувствительностью к деформации и акустическим воздействиям.

Конструкция разрабатывается индивидуально — в зависимости от условий эксплуатации и способа крепления, может быть полностью диэлектрической (для прокладки на поверхности трубопровода) или металлической (для сложных условий эксплуатации).

В случаях, когда мониторинг деформации не нужен, либо условия прокладки непростые (например, сложный тип грунта) хорошим решением для построения системы мониторинга будет кабель UniSense.

Конструкция может одновременно собирать данные о температуре (DTS) и акустических воздействиях (DAS).

Кабели-датчики для прокладки в грунт производства Инкаб прошли совместные испытания с нашим партнёром — компанией Т8 СЕНСОР, — российским лидером по производству систем DAS. Читайте подробнее об испытании чувствительности кабелей Инкаб к виброакустическим воздействиям.

Применение распределённого мониторинга для контроля состояния трубопроводов только начинает развиваться в России, поэтому кейсов применения кабеля в реальных условиях не так много. Однако в прошлом году Инкаб поставил 50 км бронированного кабеля-датчика для работы на газопроводах в Ханты-Мансийском автономном округе.

Наблюдения за химическим составом воды в скважине

Пользователи скважин, согласно законодательству, обязательно регулярно исследуют воду на бактерицидный и химический состав и радиологию. Это позволяет установить качество подземных вод.

Для анализа берутся пробы воды из наблюдательных скважин после проведения откачки. Частота забора проб и нормы показателей установлены в правилах и в требованиях по недропользованию.

Проведение отбора проб воды кроме знаний и навыков требует соблюдения мер безопасности, поэтому целесообразно доверить эти операции специалистам по гидромониторингу, лаборатории, которая занимается анализами или органам Госсанэпиднадзора.

На основании журналов наблюдений составляются отчёты, рекомендации и получать заключения о допустимости использования вод для питьевого водоснабжения.

Зачем применять оптоволоконные кабели-датчики?

Преимущества оптоволоконного мониторинга при помощи DAS и DTS в случае многоразового спускаемого кабеля заключаются в сокращении времени проведения исследования, так как распределённый мониторинг обеспечивает одновременное измерение параметров температуры и вибрации вдоль всего ствола скважины и горизонтального участка. Помимо этого, распределенные оптоволоконные датчики позволяют измерить характеристики вибраций и температурного градиента одновременно вдоль всего ствола скважины, что критически важно для изучения динамики быстропротекающих процессов с изменением уровня обводнённости скважины без внесения искажений за счет дискретного и последовательного перемещения точечных датчиков в течение длительного времени исследования.

Преимущества оптоволоконного мониторинга с использованием гибридного кабеля заключаются в одновременной комбинации данных с точечных датчиков с получением информации о температуре и вибрациях во всех точках между ними. Это позволяет использовать меньшее количество точечных датчиков в «косе» и обеспечивать мониторинг скважин со сложной конструкцией. Помимо этого, гибридный кабель обеспечивает возможность подключения к нему аппаратуры различного типа, необходимого на всех этапах её жизненного цикла от оптимизации режима добычи до сервисных работ и периодического мониторинга качества консервации скважины (в случае перманентной установки кабеля-датчика). Таким образом, установка гибридного кабеля (с медными жилами и оптическими модулями) обеспечивает легкость масштабирования систем мониторинга на любом из этапов жизненного цикла без увеличения эксплуатационных затрат.

Назначение наблюдательной скважины

Мониторинговая скважина – это основа для системы сбора сведений во время мониторинга. Чем полнее и достовернее полученные данные, тем точнее и эффективнее прогноз.

С её помощью изучают поведение подземных вод, изучают, как изменяется их уровень, температура и химический состав.

Наблюдательная скважина может называться мониторинговой и режимной, так как исследует режим подземных вод.

Глубина гидрогеологической наблюдательной скважины колеблется от нескольких метров до сотен метров в зависимости от цели и содержания.

Также с помощью наблюдательной скважины производят анализ на содержание взвешенных веществ и нефтепродуктов грунтовых вод.

Наблюдательная скважина грунтовых вод помогает разобраться в реальном положении дел. Например, понять, куда направлен поток подземных вод, есть ли в нём вредные примеси и куда их понесёт, если они появятся. Наблюдательная скважина даёт реальную картину, является ли процесс или объект возможным источником загрязнения и как он влияет на соседние водозаборы.

Сведения, полученные с помощью наблюдательной скважины, помогают обосновать возможность добычи подземных вод.

Наблюдательная (мониторинговая) скважина. Пьезометр.

Статья рассказывает о цикличных наблюдениях. Подробно описывается мониторинговая скважина. Как она устроена, где и зачем используется, кто занимается их устройством.

Мониторинг за уровнем воды в скважине

С помощью уровнемера наблюдают за высотой подземных вод в наблюдательных скважинах для мониторинга грунтовых вод. Это позволяет корректировать глубину, на который погружают насос, чтобы предотвратить его поломку.

Наблюдение за отметкой воды помогает оценить, как влияет водоотбор на состояние вод под землёй отдельно взятого водозабора и управлять режимом работы водозаборных сооружений.

Лаборатория Экспертиз использует несколько видов оборудования для мониторинга уровня воды.

• Это портативные устройства для сбора данных сразу из нескольких скважин.
• Переносные устройства для непрерывного наблюдения в отдельно взятой скважине.
• Промышленные уровнемеры для стационарного использования в нефтегазовых скважинах.

Перечисленное оборудование позволяет избежать риска загрязнения воды, потери датчика из-за коррозии и помех внутри скважины.

Срок использования наблюдательной скважины и наблюдений за уровнем воды может составлять 50-100 лет.

Состав пьезометрической скважины

Для исследований используют самую глубокую скважину из имеющихся разведочных. Конструкция наблюдательной скважины подземных вод выбирается в зависимости от характеристик, которые нужно получить в ходе мониторинга.

После бурения скважина промывается от шлама и приводится в рабочее состояние.

Пьезометрическая скважина используется для мониторинга давления внутри пласта и контроля данных. Диаметр  скважины должен быть таким, чтобы обеспечить использование оборудования и проводить работы по откачке и очистке в случае заиливания. Он колеблется в размерах от 89 до 127 мм.

Пьезометрическая скважина состоит из 3 частей:

• верхнего отверстия – устья со специальной высотной отметкой, которая контролируется каждые 10 лет. Верхнюю часть обсадной трубы выводят на 1 м от поверхности земли для удобства измерений.
• Стенки – боковых сторон, которые исключают загрязнение водоносного горизонта и изолируют от водоносных слоёв сверху и снизу. В затрубное пространство насыпают крупный песок.
• Дна – забоя с фильтром в виде вертикально-щелевой перфорации с нержавеющей сеткой.

После установки трубы верхняя часть затрубного промежутка тампонируется глиной и фиксируется цементным замком. Когда скважина используется для мониторинга глубинных водоносных горизонтов, то в конструкции предусматривают затрубное цементирование с изоляцией обсадными колоннами.

Верх скважины закрывается съёмной крышкой, которая защищает от попадания внутрь атмосферных осадков.

Для скважины наблюдательной срок полезного использования зависит от частоты эксплуатации, материала и конструкции обсадной колонны.

Пьезометрическая скважина исследуется экспресс-методами и используется как реагирующая при гидропросушивании.

Кабели-датчики для изучения технического состояния скважины

Для решения этой проблемы Инкаб разработал линейку гибридных внутрискважинных и геофизических кабелей, совмещающих в себе сразу несколько функций:

• грузонесущая функция и силовое электропитание для спуска и подвеса насосов и точечных датчиков;
• функция передачи сигналов от погружных датчиков по медным жилам;
• функция непрерывного распределённого мониторинга вдоль всего ствола скважины и её горизонтальных участков;
• подача реагента и/или обеспечение линии гидравлического управления погружного оборудования.

Конструкции производятся из доступных на российском рынке материалов для температурных рейтингов скважины до 180 °C и выше.

Инкаб производит кабели-датчики как для перманентной установки, так и для многократных спусков и подъемов для проведения кратковременных исследовательских и сервисных работ для любого из следующих способов установки кабеля в скважине:

• закрепление на насосно-компрессорной трубе (преимущественно конструкции с прямоугольным сечением);
• грузонесущее исполнение с дополнительным бронированием для защиты от внешних механических воздействий при свободном спуске кабеля-датчика;
• спуск по технологии Coiled Tubing;
• перманентная установка за колонной и бетонирование.

Для чего нужно изучать техническое состояние скважины?

Чтобы исключить аварии и полностью контролировать технологические процессы в скважине.

Задачами нефтесервисных и геофизических работ является обнаружение, измерение и классификация виброакустических и температурных воздействий рядом с конструктивными элементами скважины и непрерывно вдоль протяженных участков скважины. Традиционно для решения таких задач используются точечные датчики. Однако в последние годы свою эффективность показало применений оптического волокна для распределенного мониторинга вибраций (DAS) температуры (DTS).

С помощью волоконно-оптического кабеля и подключаемых к нему приборов на этапах эксплуатационного планирования вводимых в работу скважин, проведения ремонта существующих скважин и регулярных обследований фонда законсервированных скважин можно провести:

• анализ перетоков, интенсивности использования каждого из пластов, определение фазного состава продукта и его расхода на горизонтальных участках;
• выявление фонтанирования за обсадной колонной и утечек в ней, разгерметизации насосно-компрессорной трубы, определение перекрестного тока;
• температурный и вибрационный анализ погружного оборудования и клапанов (для предиктивной аналитики ремонтов);
• оптимизацию и управление работой газлифтных скважин, а также управлять процессом парогравитационного дренажа для обеспечения максимальной эффективности работы скважины.

Установка отдельных кабелей для питания насоса, сбора информации с точечных датчиков и обеспечения распределённого оптоволоконного мониторинга является технически сложной задачей, ограниченной конструкцией скважины и различиями в механических характеристиках каждого из указанных кабелей.

Где используется распределенный мониторинг

С применением систем термометрии:

• Нефтегазовые скважины (мониторинг, направленный на оптимизацию добычи и оценки дебета);
• Нефтегазопроводы (мониторинг утечек);
• Крупные искусственные бассейны и резервуары, насыпные дамбы и плотины (мониторинг утечек);
• Силовые кабельные линии (контроль перегрева);
• Шахты, тоннели, коллекторы (пожарное извещение);
• ЛЭП (контроль перегрева грозотроса и фазного кабеля с оптическим модулем).

С применением виброакустических систем контроля активности:

• Нефтегазовые скважины (мониторинг, направленный на оптимизацию добычи и оценки дебета);
• Нефтегазопроводы (мониторинг утечек + контроль несанкционированного доступа);
• Периметры охраняемых территорий и объектов (контроль несанкционированного доступа).

Преимущества распределенных волоконно-оптических датчиков в сравнении с классическими аналогами

• Небольшие размеры;
• Очень высокая чувствительность к изменению параметров среды;
• Небольшой вес;
• Возможность регистрации одним кабель-датчиком нескольких параметров;
• Надежность;
• Широкий температурный диапазон;
• Низкая цена за единицу длины измерительной линии;
• Большое время эксплуатации;
• Высокое пространственное разрешение;
• Устойчивость к агрессивным средам и сложным погодным условиям эксплуатации;
• Отсутствие восприимчивости к электромагнитному возмущению;
• Чувствительный элемент, кабель-датчик, не требует какого-либо подключения к линиям электропитания или дополнительным средствам связи и коммутации.