наклонно-направленных и горизонтальных скважин с использованием забойных телеметрических систем

Квалификационная работа

Решетников П.М.

Уральский государственный горный университет

Екатеринбург 2005

Введение.

Потребности человечества в углеводородном сырье, отсутствие надежной альтернативы нефти и газу как топливу требуют совершенствования технологий по извлечению разведанных запасов.

Основным средством изучения горных пород, вскрытых скважинами, стали в настоящее время геофизические методы исследований – измерения различных физических параметров, позволяющие определять геологические характеристики пород и контролировать режим работы пластов в процессе бурения скважин.

Рост объемов наклонно-направленного бурения скважин с углами отклонения ствола скважин от вертикали более 50° обусловили ограничения по применению традиционных методов исследований с помощью аппаратуры, спускаемой в скважину на кабеле, и вызвали необходимость разработки специальных технологий доставки скважинных приборов в интервал исследований. Решение этой проблемы возможно с помощью бескабельных измерительных систем, доставляемых на забой с помощью бурового инструмента.

Накопленный фактический материал по естественному искривлению скважин позволил установить ряд общих закономерностей, учитывая которые буровики научились проходить скважины в строго заданном направлении. Такие скважины получили название наклонно- направленных и горизонтальных. Искусственное отклонение — это направление ствола скважины в процессе бурения по определенному плану доведением забоя до заданной точки. Искусственное отклонение скважин подразделяется на наклонное многозабойное (разветвленно-направленное) и кустовое (многоствольное) бурение.

Кустовое бурение. Под кустовым бурением понимается способ, при котором устья скважин группируются на общей площадке, а конечные забои находятся в точках, соответствующих проектам разработки месторождения. При кустовом бурении скважин значительно сокращаются строительно-монтажные работы в бурении, уменьшается объем строительства дорог, линий электропередачи, водопроводов и т.д. Наибольший эффект от кустового бурения обеспечивается в условиях моря и в болотистых местностях. Впервые в СССР кустовое бурение было осуществлено под руководством Н.С. Тимофеева на о-ве Артема в Азербайджане. В настоящее время в кустах бурят 8 — 24 скважины и более. Одна из основных особенностей проводки скважин кустами — необходимость соблюдения условий непересечения стволов скважин.

К недостаткам кустового наклонно направленного способа бурения следует отнести вынужденную консервацию пробуренных скважин до окончания некоторой скважины данного куста в целях противопожарной безопасности, увеличение опасности пересечения стволов скважин, трудности в проведении капитального и подземного ремонтов скважин, а также в ликвидации грифонов в условиях морского бурения.

Многозабойное бурение. Сущность этого способа бурения состоит в том, что из основного ствола скважины с некоторой глубины проводят один или несколько стволов, т.е. основной ствол используется многократно. Полезная же протяженность скважин в продуктивном пласте и, следовательно, зона дренирования (поверхность фильтрации) возрастают.

Первая многозабойная скважина была пробурена в 1953 г. на Карташевском рифовом месторождении Башкортостана. Первая горизонтальная скважина, проходящая 130 м непосредственно по пласту мощностью около 30 м, была проведена в 1957 г. на Яблоновском месторождении Куйбышевской (ныне Самарской) области. Несмотря на то, что скважина была пробурена на сильно дренированный пласт, ее суточный дебит составил 40 т, что многократно превышало дебиты вертикальных скважин.

Во ВНИИБТ в результате работ по многозабойному и горизонтальному бурению разработаны специальные укороченные турбобуры Т12М2К, в которых впервые была применена проточная пята, отработана технология безошибочного попадания в дополнительные стволы, разработана система доставки геофизических приборов в горизонтальные стволы. Разработаны технические средства и методы, позволяющие достаточно надежно проводить горизонтальные стволы в заданном направлении.

Бурение этих скважин ускоряет освоение новых нефтяных и газовых месторождений, разведку полезных ископаемых, снижает капиталовложения и уменьшает затраты дефицитных материалов.

В связи с все возрастающими объемами направленного бурения весьма актуальной становится проблема контроля за направлением ствола скважины в процессе ее бурения, проблема возможности управления этим процессом по намеченной программе. Комплекс измерительных датчиков контроля направления ствола скважины должен состоять из датчиков измерения угла наклона скважины и ее азимута. Для управления процессом направленного бурения измерительную систему оборудуют датчиком положения отклонителя. Описанные две группы датчиков объединены в одной телеизмерительной системе для оптимизации процесса бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Уже давно стало известно, что горизонтальные скважины являются более выгодными с точки зрения добычи нефти, дебит которой зависят от длины горизонтального участка скважины.

Появились идеи совмещения процесса бурения с геофизическими и технологическими измерениями с помощью датчиков, установленных в бурильной колонне вблизи долота.

Необходимость расширения геофизического комплекса методов на различной физической основе обусловила создание цифровой комплексной скважинной аппаратуры, когда измеряются большое количество различных геофизических параметров, передаваемых по беспроводным каналам связи к наземной обрабатывающей и регистрирующей аппаратуре.

Однако, как бы не были совершенны зарубежные и отечественные инклинометрические телесистемы, большой процент наклонно направленных и горизонтальных скважин проводится не по продуктивному пласту и, с точки зрения геофизики, вслепую. Причиной этого является отсутствие геофизической информации в процессе бурения.

Есть два подхода его решения:

1) При бурении проводить привязочные каротажи.

2) Использование системы, регистрирующие геофизические параметры и передающие их на поверхность в режиме реального времени (непосредственно при бурении), так называемые LWD-системы. Данный подход обладает преимуществом по сравнению с первым, так как возможна более оперативная корректировка траектории скважины и не затрачивается дополнительное время на привязочные каротажи.

Научно-производственное предприятие ВНИИГИС предлагает комплексную технологию управления траекторией бурящих боковых стволов и горизонтальных скважин телеметрическими системами с беспроводным электромагнитным каналом связи.

Отработана технология выхода на горизонтальное направление и проводки горизонтального ствола длиной 150 — 200 м с отклонением от вертикальной отметки в пределах 4 м. Это достигается за счет высокой степени совпадения расчетной и фактической интенсивности искривления ствола.

Прием и обработка информации на поверхности при работе с телесистемами осуществляется с помощью IBM PC, что гарантирует качество и надежность приема и обработки скважинной информации. Основное преимущество систем с дистанционной передачей заключается в возможности немедленного поступления глубинной информации к оператору.

В основу данной работы легли отчеты и материалы ООО ВНИИГИС отдела №15 по разработке, в разработке и испытаниях которых автор принимал участие.

1. История развития бескабельных систем для исследований скважин.

В настоящее время бескабельные телесистемы и автономные приборы широко применяются для решения различных геологических, технологических и технических задач в процессе бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин, изучения параметров геологического разреза, их освоения в сложных геолого-технических условиях и эксплуатации нефтегазовых, угольных, рудных и специальных скважин месторождений различных полезных ископаемых.

Для геофизических исследований скважин применяют около двадцати различных методов каротажа. Как правило, измерения свойств горных пород, проходимых скважиной, производят часто много времени спустя после их вскрытия. За это время проникновение фильтрата бурового раствора оказывается настолько значительным, что порой полностью маскирует истинный характер пласта. Ухудшается и отбивка границ пластов. Желательно проводить каротаж в момент вскрытия пласта или вскоре после окончания бурения, когда бурильные трубы еще не извлечены из скважины.

Измерения в процессе бурения были впервые осуществлены введением в практику работ метода газового каротажа. Однако недостатком этого метода было то, что выбуренные породы разбуриваемого пласта с потоком промывочной жидкости достигают поверхности через 30 и более минут после вскрытия пласта, и в районах с высокой скоростью бурения приходилось иногда останавливать процесс бурения для оценки характера вскрытых скважиной пластов. Кроме того, применение этого метода не исключало необходимости проведения электрического каротажа после бурения аппаратурой на кабеле.

Были проведены значительные поисковые работы по разработке метода и аппаратуры для непрерывного в реальном масштабе времени получения оператором информации о различных свойствах проходимых скважиной пород в процессе ее бурения. При этом основной упор был сделан на разработку метода электрического каротажа и канала связи забоя скважины с поверхностью.

50-е гг. характеризуются появлением нового направления — разработкой автономно действующих скважинных приборов со встроенным в них регистратором для записи измеряемых величин. Предложения, связанные с устройствами, использующими канал связи, сводятся к выбору типа канала, соответствующих источников питания, передающей и приемной аппаратуры, зондовых устройств и др. При этом предусматривается проведение электрического, радиоактивного и иногда других методов каротажа. В качестве источников питания предполагается использование химических источников тока или турбогенераторов.

Сложность изготовления специальных бурильных труб со встроенными в них отрезками кабеля, сложность их стыковки на буровой, высокая стоимость эксплуатации такого канала связи, потребность в специальном оборудовании и низкая надежность его работы привели к необходимости поиска других каналов связи. Одним из этих поисков является использование колонны бурильных труб в качестве электрического канала связи. Передача электрических сигналов — электромагнитных колебаний по трубам в принципе обладает рядом существенных преимуществ перед другими способами передачи информации. В первую очередь, это простое преобразование измеряемой величины в электрический сигнал.

В одном из первых предложений по проведению каротажа в процессе бурения с применением беспроводного электрического канала связи предполагалось проводить одновременное измерение и передачу нескольких величин путем изменения длительности передаваемого импульса, паузы и частоты следования импульсов.

Устройство для каротажа в процессе бурения состояло из скважинной аппаратуры и наземного приемного и регистрирующего блока. Скважинный прибор находился в специальном буровом переводнике, а долото и колонна труб использованы как измерительные электроды, измерялась разность потенциалов (КС и ПС) между долотом и колонной труб. Электрическое соединение измерительной и передающей аппаратуры, находящейся в скважинном приборе, осуществлялось с помощью щеточных контактов, изолированных от окружающих проводящих материалов. В измерительной аппаратуре разность потенциалов преобразовывалась в пропорциональные длительности электрических импульсов и пауз между ними. В наземном приемном блоке производилось декодирование измеряемых величин и их запись. Недостатком предложенного беспроводного канала связи было сильное затухание сигнала с ростом глубины скважины, особенно в низкоомных разрезах.

2. Цели и задачи направленного бурения скважин.

Вскрытие продуктивной толщи направленными, в том числе горизонтальными и разветвленно-горизонтальными скважинами, позволяет следующее:

повысить продуктивность скважины за счет увеличения площади фильтрации;

продлить период безводной эксплуатации скважин;

увеличить степень извлечения углеводородов на месторождениях, находящихся на поздней стадии разработки;

повысить эффективность закачки агентов в пласты;

вовлечь в разработку пласты с низкими коллекторскими свойствами и с высоковязкой нефтью;

освоить труднодоступные нефтегазовые месторождения, в том числе морские;

улучшить технологию подземных хранилищ газа.

Направленной будем называть такую скважину, которую пробурили вдоль запроектированной пространственной трассы и попали в заданную цель, а ее забой и фильтровая зона не только располагаются в заданной области горных пород, но и ориентированы в соответствии с проектом относительно простирания пласта.

Кроме совершенствования технологии разработки нефтяных и газовых месторождений направленные скважины эффективны во многих других случаях:

при бурении в обход осложненных зон горных пород;

при бурении под недоступные или занятые различными объектами участки земной поверхности;

при глушении открытых фонтанов;

при вскрытии крутопадающих пластов и т.д.

Частными случаями направленной скважины являются вертикальная и горизонтальная.

Горизонтальная скважина — это скважина, которая имеет достаточно протяженную фильтровую зону, соизмеримую по длине с вертикальной частью ствола, пробуренную преимущественно вдоль напластования между кровлей и подошвой нефтяной или газовой залежи в определенном азимутальном направлении. Основное преимущество горизонтальных скважин по сравнению с вертикальными состоит в увеличении дебита в 2— 10 раз за счет расширения области дренирования и увеличения фильтрационной поверхности.

Первоочередными объектами использования направленных скважин являются:

морские месторождения углеводородов;

месторождения на территории с ограниченной возможностью ведения буровых работ;

залежи высоковязких нефтей при естественном режиме фильтрации;

низкопроницаемые, неоднородные пласты-коллекторы малой мощности;

карбонатные коллекторы с вертикальной трещиноватостью;

переслаивающиеся залежи нефти и газа;

залежи на поздней стадии разработки.

Основной недостаток направленных скважин — их сравнительно высокая стоимость. В начале 1980-х годов стоимость горизонтальной скважины превышала стоимость вертикальной скважины в 6 — 8 раз. В конце 1980-х годов это соотношение понизилось до 2 — 3 раз. По мере накопления опыта бурения в конкретном районе стоимость направленных скважин уменьшается и может приблизиться к стоимости вертикальных скважин. С позиций добычи нефти и газа экономически целесообразно, если извлекаемые запасы из направленной скважины во столько раз больше, во сколько раз дороже направленная скважина по сравнению с вертикальной, причем это количество нефти должно быть добыто в более короткие сроки.

При кустовом бурении профиль направленных скважин должен обеспечить заданную сетку разработки месторождения и экономически рациональное число скважин в кусте. Проектирование конфигурации направленной скважины заключается в выборе типа и вида профиля, в определении необходимых параметров:

- глубины и отклонения ствола скважины от вертикали;

- длины вертикального участка;

- значений предельных радиусов кривизны и зенитных углов ствола скважины в интервале установки и работы внутрискважинного оборудования и на проектной глубине.

Конфигурацию направленной скважины выбирают с учетом:

назначения скважины;

геологических и технологических особенностей проводки ствола;

установленных ограничений на зенитный угол ствола скважины в интервале установки и работы внутрискважинного оборудования, связанных с его конструктивными особенностями и условиями работы;

установленных ограничений на угол наклона ствола скважины на проектной глубине.

Профили направленных скважин, как правило, подразделяют на три основных типа (рис.2.1):

- тангенциальные скважины;

- S-образные скважины;

- J-образные скважины.

Скважины типа 1 отклоняют вблизи поверхности до угла, соответствующего техническим условиям, затем продолжают проходку до проектной глубины, сохраняя неизменным угол наклона. Такой тип часто применяют для скважин умеренной глубины в простых геологических условиях, когда не используют промежуточные колонны. В более глубокой скважине, когда требуется большое смещение, промежуточная обсадная колонна может быть установлена внутри интервала искривления или за ним, а необсаженный ствол бурят под неизменным углом наклона до проектной глубины. Тангенциальный профиль обеспечивает максимальное отклонение ствола скважины от вертикали при минимальном зенитном угле, поэтому его предпочитают применять в случае кустового бурения.

Тип 2 скважин предусматривает после бурения вертикального участка ствола отклонение забоя до некоторого зенитного угла, по достижении которого скважину бурят при постоянном угле наклона, а затем отклонение уменьшают до полного восстановления вертикального положения ствола. Промежуточная колонна может быть установлена в интервале второго отклонения, после чего скважину добуривают вертикальным стволом; S-образный профиль используют там, где наличие газовых зон, соленой воды и другие геологические факторы требуют использования промежуточных обсадных колонн. Этот тип иногда используют для бурения направленной скважины в целях глушения другой, фонтанирующей, скважины. Он также рационален, когда необходимо развести забои скважин при бурении их с одной платформы (например, при бурении в открытом море).

Тип 3 скважин предполагает отклонение забоя от вертикали на значительно больших глубинах, чем типы 1 и 2. Угол наклона ствола постоянно растет, пока не достигнута проектная глубина или продуктивный пласт. Как правило, этот тип скважин используют для бурения на пласты, расположенные под солевыми куполами, для кустового бурения, а также вскрытия глубоко залегающих объектов. К J-образным можно отнести также горизонтальные скважины.

Особые проблемы в направленном бурении. Направленные скважины бурить труднее, чем вертикальные. Почти все обычные операции при бурении усложняются, когда скважины бурят под углом. При подъеме и спуске бурильной колонны требуется большая мощность, необходимо большее усилие на роторе для преодоления силы трения; буровой раствор и гидравлическая система требуют более внимательного отношения; прихваты труб и поломки оборудования становятся более типичными, обсадные колонны труднее спускать и цементировать. Хотя все эти трудности окупаются в будущем.

2.1. Задачи скважинных измерений телесистемами

Задачи скважинных измерений системами, использующими каналы связи забой - устье, можно разбить на три основные группы:

оперативный технологический контроль за режимом бурения скважин с целью его оптимизации;

2) контроль направления бурения скважин с целью управления процессом направленного бурения по заданной траектории;

3) литологическое расчленение геологического разреза скважины, исследование параметров пластов, не искаженных проникновением фильтрата промывочной жидкости в пласт, выделение пластов-коллекторов, прогнозирование зон аномальных пластовых давлений.

Имея с забоя данные о частоте вращения долота и истинной осевой нагрузке на долото, можно поддерживать режим таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная механическая скорость проходки, следить за износом долота, не допуская критических режимов его работы.

В связи с все возрастающими объемами кустового, направленного и горизонтального бурения (в том числе для охраны окружающей среды), весьма актуальной становится проблема контроля за направлением ствола скважины в процессе ее бурения, проблема возможности управления этим процессом по намеченной программе. Комплекс измерительных датчиков контроля направления ствола скважины должен состоять из датчиков измерения угла наклона скважины, ее азимута. Для управления процессом направленного бурения измерительную систему оборудуют также датчиком положения отклонителя. Описанные две группы датчиков могут быть объединены в одной телеизмерительной системе для оптимизации процесса бурения скважин наклонно-направленного и горизонтального бурения.

В ряде случаев целесообразно в качестве дополнительной информации с забоя иметь данные о расходе промывочной жидкости с целью определения герметичности замковых соединений бурильного инструмента, изучения режима очистки забоя от шлама; целесообразно также измерять температуру на забое с целью изучения теплового режима бурения скважины.

Очень информативным параметром бурения является вибрация бурильного инструмента. Она характеризует как процесс разрушения горных пород, так и свойства разбуриваемых пластов (упругие характеристики, литологический состав и др.).

Измерение геофизических параметров в процессе бурения скважин позволяет получить сведения о литологическом составе и удельных электрических сопротивлениях пластов, не затронутых проникновением фильтрата промывочной жидкости в пласт, что дает возможность надежно выделять продуктивные горизонты, исключая их пропуск, а по изменению характеристик пластов — прогнозировать приближение зон аномально высокого или аномально низкого пластовых давлений, границ продуктивного пласта. Кроме того, наличие в измерительном комплексе геофизических зондов различной глубинности обеспечивает возможность измерений параметров пластов с целью изучения динамики образования зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости в призабойной зоне.

Измерение естественной радиоактивности горных пород, окружающих скважину, как правило, дает возможность провести литологическое расчленение разреза и в комплексе с электрическими характеристиками пласта – выделять границы пласта, расчленять разрез на отдельные пропластки. Как правило, контроль режима бурения осуществляется станцией геолого-технологических исследований по показаниям наземных датчиков. К ним относятся: измерение механической скорости бурения, веса на крюке, расхода промывочной жидкости и давления на стояке, газовый и люминесцентный и др. каротаж.

Данные геофизических исследований, полученные в процессе бурения могут служить в большинстве скважин надежным критерием интерпретации результатов с целью дальнейшего планирования работ на скважине (опробования объектов, отбора керна и др.). В этих случаях комплекс ГИС, проводимый аппаратурой на кабеле, может быть сокращен, соответственно уменьшено время на задалживание скважин для проведения ГИС.

Объединение перечисленных комплексов в единую телеизмерительную систему требует передачи большого объема информации и может быть реализовано только с каналом, обладающим высокой пропускной способностью.

Характерной особенностью телеизмерительных систем в процессе бурения является то, что выход из строя любого блока скважинной аппаратуры приводит к потере информации до конца рейса и требует извлечения глубинного прибора на земную поверхность для восстановления его работоспособности.

Повышенные вибрации, воздействие агрессивной и абразивной среды, удары, механические нагрузки на сжатие и растяжение, кручение, повышенные давление и температура – требуют разработки специальных мер защиты, применения износостойких высокопрочных материалов, прочных покрытий.

Учет специфических требований к скважинным информационно-измерительным системам различного назначения позволяет обеспечить необходимую надежность систем, продлить срок их эксплуатации в скважинных условиях. Особое значение имеет надежная работа при значительных вибрациях и механических нагрузках.

Таким образом, комплекс скважинных измерений в процессе бурения: скорости вращения режущего инструмента — долота, осевой нагрузки и крутящего момента, вибрации долота, расхода и температуры промывочной жидкости, угловых параметров траектории определяет технологический режим бурения, его оптимальность.

Регистрация естественной радиоактивности горных пород, измерение акустических и электрических свойств окружающих скважину горных пород в процессе бурения обеспечивают литологическое расчленение геологического разреза, определение насыщенности пласта, выделение зон аномальных пластовых давлений, пеленгации границ продуктивного пласта на наклонных пологих и горизонтальных участках бурения нефтегазовых скважин.

2.2 Обзор современных видов телесистем, применяемых при проводке горизонтальных и наклонно-направленных скважин.

2.2.1 Обзор отечественных и зарубежных забойных телесистем.

Проблемой создания телеметрических систем для контроля забойных параметров начали заниматься в мире в середине 1940-х гг. В основном эти работы проводились в США на уровне выполнения поисковых работ. Уже в начале 1950-х гг. были созданы опытные образцы телесистем с гидравлическим каналом связи забой - устье для измерения кажущегося удельного сопротивления проходимых горных пород. В дальнейшем проводились поисковые работы по разработке телесистем с проводным и электромагнитным (беспроводным) каналами связи, однако наибольшее распространение за рубежом в практике бурения получили телесистемы с гидравлическим каналом связи, хотя они имеют существенные недостатки по отношению к качеству бурового раствора, а так же к работе бурового насоса и бурового оборудования. В отечественной практике бурения получили телесистемы с электромагнитным каналом связи, хотя и телесистемы с электромагнитным каналом имеют свои недостатки, на передачу сигнала сильно влияют и высокоомные, и низкоомные пласты.

2.2.2 Акустический канал связи

Системы с акустическим каналом связи используют звуковые колебания, распространяющиеся в скважине по промывочной жидкости, колонне бурильных труб или окружающей породе. Соответственно этому они подразделяются на три вида: гидроакустические, акустомеханические и сейсмические.

Из трех видов ЗТС с акустическим каналом связи сейсмические системы применяются пока только для пассивного контроля координат забоя. Из-за недостаточной точности определения положения забоя (десятки метров) они еще находятся на стадии научных и экспериментальных исследований.

Сложность и многообразие свойств гидроакустического канала в скважине обусловили его слабую изученность. До настоящего времени ЗТС с гидроакустическим каналом связи на практике не использовались. Одной из центральных проблем в создании гидроакустического канала является разработка низкочастотного (до 100…200 Гц) излучателя, способного эффективно возбуждать колебания внутри колонны бурильных труб в скважине.

В 1993 гг. в Акустическом институте им. акад. Н. Н. Андреева по заданию ЗАО НПК "Геоэлектроника сервис" в рамках НИР "Скважина-ЗТС" и НИР "Горизонталь" была разработана экспериментальная аппаратура передачи информации (АПИ) по гидроакустическому каналу в скважине для забойной телеметрической системы ЗТС - ГАК (Научный руководитель - Д. П. Фролов). Система ЗТС - ГАК предназначалась для нахождения параметров ориентации ствола наклонно направленной или горизонтальной скважины, а также сервисных параметров, отражающих условия ее работы непосредственно в процессе бурения.

В 1998 г. по предложению НПК «Геоэлектроника сервис» экспериментальный образец аппаратуры для передачи информации по гидроакустическому каналу связи АПИ был модернизирован. Проведены скважинные испытания АПИ совместно с филиалом «Оренбурггаз» на одной из бурящихся скважин Оренбургского месторождения. Акустические сигналы принимались без прокачки раствора с глубины 1000 м, с прокачкой – с глубины 200 м. Предварительно установлено, что каналом передачи информации, помимо промывочной жидкости, могла быть и сама бурильная колонна. В целом результаты разработки и испытаний экспериментального образца аппаратуры АПИ показали, что гидроакустический канал может быть использован как высоконадежное и недорогое средство связи, в частности, в ЗТС с комбинированным каналом.

Среди зарубежных телесистем практически не встречаются телесистемы с акустическим каналом связи, однако в настоящее время фирма Schlumberger предложила передачу акустических сигналов в процессе бурения скважин (заявка Великобритании № 2357527). Характерной особенностью предлагаемой телесистемы является ее независимость от параметров бурового раствора, так как акустический сигнал распространяется по трубам и только на дневной поверхности он трансформируется в электромагнитные колебания. Устройство включает в себя полую штангу, на которой располагаются датчики, помещенную в буровую трубу и связанную с ней с помощью механических и электрических контактов.

2.2.3 Телесистемы с гидравлическим каналом связи

Широкое распространение гидравлического канала связи для передачи информации вызвано следующими его преимуществами:

- гидравлический канал связи является естественным каналом связи, так как в нем в качестве канала связи используется столб бурового раствора в бурильной колонне, а следовательно, не требуется дополнительных затрат на организацию канала связи;

- гидравлический канал связи обладает большой дальностью действия.

Первые телеметрические системы, разработанные в начале 1960-х гг. во ВНИИБТ, представляли собой механические устройства, привод которых был конструктивно связан с валом турбобура. К таким телеметрическим системам относятся гидротурботахометры ГТН-2, ГТН-3, ГТН-4, ГТН-ПН, ИЧТ, которые в то время являлись единственными телеметрическими приборами, обеспечивающими непрерывный телеконтроль режима работы турбобура. Гидротурботахометры успешно использовались как при бурении опорно-технологических скважин и обычных скважин, так и при бурении сверхглубоких скважин (Кольская сверхглубокая СГ-3 и Саатлинская СГ-1).

Первая в нашей стране более совершенная телеметрическая система с гидравлическим каналом связи для наклонно направленного бурения под названием СНБ (сигнализатор направления бурения), а затем ГИТ (гидравлическая инклинометрическая телесистема), позволяла осуществлять контроль за азимутом, зенитным углом и направлением действия отклонителя.

С 1982 г. началось широкое внедрение усовершенствованного варианта телесистемы под шифром «Индикатор частоты вращения вала турбобура ИЧТ» в производственных объединениях Белоруснефть, Ноябрьскнефтегаз, Укрнефть Сургутнефтегаз, Каспморнефтегазпром. При применении «Телесистемы ИЧТ» были получены высокие показатели бурения: достигнуто увеличение механической скорости и проходки на долото по Западной Сибири.

В настоящее время разработкой телесистем с передачей информации по гидравлическому каналу связи занимается НИИ ТС «Пилот» (г. Уфа), которому удалось создать экспериментальный образец телесистемы, осуществляющей контроль процесса бурения.

За рубежом в области каротажа в процессе бурения наиболее успешно работают фирмы Schlumberger, Halliburton (США), Sperry-Sun (Великобритания), Baker Hughes, Teleco, Eastman Cristensen (США), Эти фирмы в конце восьмидесятых годов разработали и используют телесистемы MWD с гидравлическим каналом связи, позволяющие осуществлять оперативный контроль за траекторией скважин путем измерения инклинометрических параметров, некоторых технологических и в ряде случаев ГК и КС

В настоящее время зарубежные фирмы разрабатывают и предлагают системы LWD с гидравлическим каналом связи с набором методов, не уступающим системам каротажа на кабеле. Как правило, эти системы состоят из отдельных модулей, каждый из которых имеет ЗУ в скважинном приборе, позволяющее запоминать скважинные данные во время работы прибора. Кроме того, информация о пластах передается в реальном времени по каналу связи на поверхность. В настоящее время разработаны и широко используются системы с так называемыми «положительными» и «отрицательными» импульсами. Их отличиями является то, что при «положительных» импульсах (рис.2.2) происходит перекрытие внутритрубного пространства клапаном, что приводит к повышению внутритрубного давления, этот всплеск (на 0,7сек) давления и является импульсом основного сигнала, который фиксируется датчиком давления, установленным в манифольд, а далее наземной аппаратурой входящей в комплект телесистемы. В случае с «отрицательными» импульсами (рис.2.3), клапан открывается и выпускает буровой раствор в затрубное пространство, и при этом происходит падение (на 0,7сек) давления. Регистрация импульса происходит таким же образом.

Актуальным и перспективным направлением деятельности зарубежных фирм стала разработка систем «геонаправления», при которых выбор и корректировка траектории скважины производится на основе геологических данных о пласте, полученных в реальном времени. В таких системах измерительные датчики располагаются вблизи от долота, в отличие от систем предшествующего поколения, где датчики отстоят от долота на 9…30 м.

Примером таких телесистем является новый прибор MWD фирмы Halliburton Strata Tracher (ТМ), первый в промышленности малогабаритный прибор, измеряющий гамма-излучение с азимутальным сканированием и отклонение на долоте, динамическую и статическую инклинометрию и измерение скорости вращения долота. Измерения датчика обрабатываются до передачи через “короткую линию” на отдельный модуль, расположенный в КНБК над двигателем. Передача производится по электромагнитному каналу связи. Верхний модуль соединяется с высокоскоростным инклинометром PathFinder™ для передачи данных на поверхность в реальном масштабе времени по гидравлическому каналу связи.

Фирма Baker Hughes INTEQ также обладает более чем пятнадцатилетним опытом в проведении MWD в любых буровых условиях на месторождениях по всему земному шару, имеет в своем распоряжении полную серию систем MWD как для контроля направления, так и для оценки пласта, рассчитанных на температуру 125…150°С и давление 140 МПа: навигационные приборы MWD малого диаметра Teleco Navigamma и Teleco Navitrac, навигационные приборы MWD большого диаметра - Navigator, Teleco DDG и DG, приборы для проведения каротажа в процессе бурения Teleco MDL, MNP и DPR, образующие комбинированный прибор Triple Combo, а также прибор, сочетающий навигационную систему Navitrac с измерением сопротивления - NaviMPR и прибор Teleco RGDä для измерения удельного электрического сопротивления в комбинации с измерением инклинометрических параметров и ГК.

Фирма Schlumberger также рекламирует новый прибор Slim Access, транспортируемый на трубах в повторно разбуриваемую скважину диаметром 95 мм с резкими изменениями направления ствола величиной 40 град. 30 м. применение этого прибора сэкономило фирме Albert Energy Co. суточное время при каротаже трудного участка скважины ниже колонны бурильных труб с открытыми концами.

Одним из примеров технических решений по совершенствованию гидравлического канала связи является заявленный фирмой Schlumberger помехоустойчивый генератор интенсивных импульсов давления для системы MWD. В системе обеспечивается максимизация интенсивности сигналов при минимальной вероятности искажений сигналов, обусловленных частицами, взвешенными в буровом растворе. В системе используется модулятор, содержащий статор с отверстиями, через которые протекает буровой раствор, и ротор, вращающийся относительно статора. В результате генерируются импульсы давления (патент США 6219301).

2.1.4 Электромагнитный (беспроводный) канал связи

Работами С. Я. Литвинова, И. К. Саркисова (1959 г.), Е. А. Полякова (1962 г.), О. П. Шишкина (1962 г.) была установлена возможность использования колонны бурильных труб в качестве электрического канала для передачи информации с забоя на земную поверхность.

Беспроводной электромагнитный канал связи использует колонну бурильных труб в качестве одного из проводов линии передачи, по простоте конструкции глубинных и наземных устройств, пропускной способности является наиболее перспективным при организации устойчивой связи забой-устье при турбинном и роторном бурении скважин (рис. 2.4).

По сравнению с гидравлическим каналом электромагнитный канал связи обладает следующими преимуществами:

- повышенная надежность деталей забойных устройств, контактирующих с абразивным потоком бурового раствора;

- простота в управлении, возможность обратной связи.

Дальность действия электромагнитного канала связи сильно зависит от удельного электрического сопротивления окружающих пород: в низкоомных разрезах (Западная Сибирь) сигнал сильно шунтируется и затухает, в высокоомных (мощные пласты соли в Оренбурге, Перми) передающий диполь телесистемы электрически изолирован пластами и сигнал проходит плохо. Но они обладают и существенными преимуществами: они на порядок дешевле, менее требовательны к качеству бурового раствора и могут использоваться в условиях, где гидроканал не работает.

Вместе с тем электромагнитный канал связи обладает и некоторыми недостатками, такими как ограничение дальности действия свойствами геологического разреза, ее зависимость от материала бурильных труб, а также отсутствие возможностей исследования в море и в соленосных отложениях, достаточно высокая сложность электронного управляющего блока.

Лидером в разработке бескабельных систем является ОАО НПП «ВНИИГИС». В 1969 г. на основе технических решений аппаратуры БЭТА-1 разработана аппаратура КУБ-1, предназначенная для проведения электрического каротажа в процессе турбинного бурения. В последующее десятилетие во ВНИИГИС разработана телеметрическая система ЗИС-1 для автоматического контроля за направлением скважин в процессе бурения и телеизмерительная система «Забой» для измерения в процессе бурения нефтяных и газовых скважин геофизических и технологических параметров.

Рис.2.4.

С 1991 года разработанные во ВНИИГИС забойные телесистем с беспроводным электромагнитным каналом связи типа ЗИС-4 используются в производственном режиме для проводки горизонтальных скважин. В последующий период во ВНИИГИС продолжаются работы по совершенствованию телесистемы ЗИС-4 и разрабатываются новые малогабаритные телесистемы с беспроводным электромагнитным каналом связи. С января 1999 года началась эксплуатация первой промышленной партии малогабаритной телесистемы ЗТС54-ЭМ при проводке горизонтальных и наклонно-направленных боковых стволов малого диаметра в Туймазинском УБР АНК «Башнефть». С этого времени проведено более 130 боковых стволов, в том числе 10 горизонтальных, максимальная протяженность которых составляет 250 м.

Параллельно с выпуском телесистем ЗТС54-ЭМ во ВНИИГИС разработана более совершенная телесистема ЗТС-42ЭМ с диаметром модулей 42 мм. Эта телесистема, также как и первая, может оснащаться дополнительным модулем и надолотным модулем.

2.1.5 Проводной канал связи

Проводной канал связи имеет следующие преимущества перед всеми известными каналами связи:

- максимально возможная информативность: быстродействие, многоканальность, помехоустойчивость, надежность связи;

- отсутствие забойного источника электрической энергии и мощного передатчика;

- возможность двухсторонней связи;

- возможность подачи значительной электрической мощности для привода забойных механизмов (управляемого отклонителя, нагружателя и др.);

- возможность использования при работе с продувкой воздухом и с использованием аэрированного бурового раствора;

- отсутствие зависимости от удельного сопротивления горных пород.

Работы по созданию ЗТС с проводным каналом связи были обусловлены применением с начала 60-х годов в бывшем СССР электробурения. Наиболее широкое распространение получила телеметрическая система типа СТЭ, разработанная Харьковским СКТБ «Потенциал» и институтом электромеханики при участии ВНИИБТ, использовавшая в качестве линии связи силовой кабель электробура. Система СТЭ позволяла производить измерения следующих параметров (зенитный угол, азимут, положение отклонителя, нагрузка на долото, число оборотов, крутящий момент), большинство телесистем этого типа имели ресурс до 600…800 часов и межремонтный период до 100 ч.

В настоящее время ВНИИБТ продолжает разработки телеметрических систем. Разработчики ВНИИБТ направили свои усилия на разработку ряда унифицированных телеметрических систем типа ЭТО (электропроводная телесистема для ориентирования) в модульном исполнении. Конструкция телесистемы ЭТО позволяет увеличивать число измеряемых параметров путем пристыковки дополнительных модулей к базовому модулю. Базовый модуль ЭТО-1 осуществляет передачу информации о направлении отклонителя по одножильному геофизическому кабелю. ЭТО-2 и ее модификации контролируют зенитный угол и положение отклонителя как по трехжильному, так и по одножильному кабелю. ЭТО-3 контролирует три основных траекторных параметра - зенитный угол, азимут, положение отклонителя по одножильному каротажному кабелю. ЭТО-4 включает кроме пространственных параметров траектории бурения модуль гамма- каротажа.

Телесистема ЭТО-4Т, находящаяся в разработке, состоит из спускаемого на электрическом кабеле забойного модуля, наземной аппаратуры для регистрации и отображения забойной информации, а также технологической оснастки для фиксации забойного модуля и проложения кабельной линии связи.

С середины 90-ых годов лидером в разработке кабельных систем является ОАО НПФ «Геофизика».

В ОАО НПФ «Геофизика» разрабатываются и производятся: инклинометрическая забойная система с кабельным каналом связи КТС-1 с магнитометрическим многоточечным инклинометром «Оникс» (см. рисунок 2); технологии и технические средства для ГИС в ГС «Горизонталь-1» с использованием геофизического кабеля, «Горизонталь-2» с использованием кабеля электробура, «Горизонталь-3» и «Горизонталь-4» на кабеле с доставкой на забой потоком промывочной жидкости или колонной специальных труб. Для промыслово-геофизических исследований в действующих ГС АО НПФ «Геофизика» предлагает технологию и технологические средства «Горизонталь-5». «Горизонталь-5» обеспечивает проведение ПГИ с помощью стандартной аппаратуры применяемой для исследования вертикальных скважин.

Для решения одной из актуальных задач по проводке боковых стволов в ОАО НПФ «Геофизика» разрабатывается компьютеризованная информационно-навигационная система (КИНС), состоящая из ориентатора ОРБИ-36, который позволяет производить измерения положения отклонителя относительно апсидальной плоскости скважины в процессе бурения с использованием в качестве канала связи геофизического кабеля.

Для контроля траектории скважин в состав КИНС должен входить компьютеризованный инклинометр ИММН36-100/40, предназначенный для измерения азимута, зенитного угла и положения отклонителя относительно магнитного меридиана и апсидальной плоскости. Замеры инклинометром должны выполняться во время остановки процесса бурения при наращивании бурового инструмента. Кроме того, инклинометр измеряет глубину по кабелю и производит ее коррекцию по магнитным меткам. Инклинометр состоит из скважинного и наземного приборов и ПЭВМ типа IBM (Notebook).

В ОАО НПФ «Геофизика» выполнена опытно-конструкторская разработка малогабаритной трехпараметровой инклинометрической телесистемы, обеспечивающей измерение азимута, зенитного угла скважины и угла положения отклонения с использованием современной компьютеризированной наземной регистрирующей системы и одножильного геофизического кабеля. В настоящее время рекламирует эту систему как телесистему инклинометрическую малогабаритную ОРБИ-3. Система проводит измерения со скоростью 1500 м/ч, осуществляет контроль глубины по каротажному кабелю с помощью сельсин датчика.

Кабельные ЗТС (типа СТТ, КТС-1) применяются в основном в южных нефтегазодобывающих районах (Краснодар, Саратов и др.), имеют относительно небольшое распространение.

НПК «ТОБУС» разработала оригинальный метод бурения горизонтальных скважин, включающий специальные отклонители и компоновки, изготовленные на базе винтовых забойных двигателей российского производства, инклинометрическую систему типа СТТ с кабельным каналом связи и комплект технических приспособлений. Метод бурения горизонтальных скважин по технологии «ТОБУС» основан на использовании в КНБК центраторов и децентраторов с упругими опорными планками, что позволяет осуществлять проводку стволов горизонтальных скважин по расчетным траекториям в различных горно-геологических условиях. В комплекс горизонтального бурения также входит муфта шарнирная, соединяющая направляющую штангу компоновки или отклонитель с бурильной колонной. Данный метод не требует постоянного вращения бурильной колонны для проводки прямолинейных участков ствола, что существенно упрощает способ бурения горизонтальных скважин по сравнению с западными методами и позволяет применять, без снижения надежности, отечественный бурильный инструмент.

2.1.6. Комбинированный канал связи

Комбинированный канал связи это сочетание различных по своей физической сущности каналов связи скважинного прибора с наземной регистрирующей и обрабатывающей аппаратурой. Структурная схема комбинированного канала связи показана на рисунке (рис.2.5).

Его использование, несмотря на определенные дополнительные затраты, позволяет избежать недостатков, присущих проводному, с его сложностью монтажа, но обладающего значительной пропускной способностью, и электромагнитному с его простотой в эксплуатации, но ограниченного в дальности действия в условиях низкоомных разрезов.

Следует заметить, что использование того или другого вида канала связи определяется геолого-техническими условиями проводки скважин.

Так, например, требование к надежности работы гидравлического канала диктует необходимость тщательной очистки бурового раствора от абразивного материала (не более 1-2 % песка), что вызывает определенные трудности в очистке промывочной жидкости при проводке скважины в суровых климатических условиях. В то же время ограничено применение гидравлического канала при наличии в буровом растворе газа (воздуха и др.), что исключает его использование при бурении скважин на аэрированных растворах.

Сочетание гидравлического и электромагнитного канала, гидроакустического и проводного, электромагнитного и проводного могут быть реализованы в различных телеметрических системах и расширяют область решаемых геологических и технических задач телеизмерительными системами при проводке и эксплуатации горизонтальных скважин.

Способы расчета комбинированного канала связи используют описанные ранее приемы и программы для отдельных видов каналов связи, и, в каждом конкретном случае, можно выбрать оптимальный вариант системы (табл. 1).

Таблица 1.

Варианты комбинирования каналов связи с забоем

Цель комбинации	Комбинация каналов	Результат комбинации
Увеличение дальности канала и пропускная способность канала	кабель + электромагнитный канал	увеличивается дальность и пропускная способность, усложняется система
Увеличение пропускной способности канала	кабель + акустический канал	усложняется система, работает при остановке бурения
---//---	кабель + гидроакустический канал	увеличивается дальность и пропускная способность
Увеличение дальности действия электромагнитного канала	применение ретрансляторов	увеличивается дальность и пропускная способность электромагнитного канала, усложняется система

Список литературы

1. А.А. Молчанов, Г.С. Абрамов. Бескабельные системы для исследований нефтегазовых скважин (теория и практика). /Под общей редакцией А.А. Молчанова– Москва: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2003.—450 с.

2.Молчанов А. А., Абрамов Г. С., Терехов Г. В. Электромагнитный канал связи «забой-устье», Наука в СПГГИ (ТУ), № 2, 1999, Санкт-Петербург.

3.Молчанов А. А., Абрамов Г. С., Сараев А. А. Телеизмерительные системы с электромагнитным каналом связи для проводки и геофизических исследований наклонно-направленных и горизонтальных скважин Западной Сибири (опыт применения и перспективы). НТВ АИС «Каротажник», №59,1999.—С.85-91.

4.Абрамов Г. С., Барычев А. В., Камнев Ю. М., Молчанов А. А., Сараев А. А., Сараев А.Н.Опыт эксплуатации и перспективы развития забойных инклинометрических систем с электромагнитным каналом связи. НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», №1-2, 2001г., с.23-26.

5.Харкевич А. А. Борьба с помехами.—М.: Наука, 1965.—212 с. с ил.

6.Чупров В. П., Епишев О. Е., Якимов В. А., Камоцкий В. А., Григорьев В. М. Телесистема ЗИС-4 с беспроводным электромагнитным каналом связи. Десять лет эксплуатации.— В кн.: Состояние и перспективы использования геофизических методов для решения актуальных задач поисков, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых».—Октябрьский, 1999.—С. 362-366.