Подземка.pdf

материальную точку, а следует изучать с позиции движения в пространстве твердого тела. Протекание процессов предполагает автоматизацию оперативного управления, для чего необходимы приборы измерения параметров движения.

Разные по содержанию задачи навигации и управления бурением взаимосвязаны, решаются одновременно и дополняют друг друга.

Технические средства, устройства и системы решения этих задач образуют единые навигационно-управляющие комплексы.»

Мы воспользовались «цитатой» из весьма серьезной современной работы

(В.Г. Пешехонов,Ю. А. Лукомский, Д. А. Скороходов «Навигация и управление движением судов»), посвященной морской навигации, в которой сделаны некоторые терминологические замены, отраженные в таблице 1.

Таблица 1

Итак, налицо трансформация сколь стремительная, столь и очевидная:

технологический процесс бурения традиционно воспринимаемый, как многодельный, но низкоинтеллектуальный – нечто среднее между намывом драгметалла из породы и грубой «обдиркой» деталей на токарном станке -

технологический процесс, научное обеспечение которого, будучи вне его,

11

ограничивалось априорными изысканиями и/или апостериорной интерпретацией результатов - обретает все признаки, являющиеся предметом анализа теории управления подвижными объектами (рис.4).

Д

СОИ

О

Рис. 4. Структура систем управления с обратными связями по измеряемым переменным

На рис. 1 приведены следующие обозначения:

ИО-исполнительные органы УО-управляемый объект ВУ-вычислительное устройство Д-датчики СОИ-средства отображения информации y- выходы датчиков

u- сигнал управления на ИО О-оператор ПУДпульт управления движением

xT = [ ,A, ,L]

T=[pi.., pj ., FB, FH, Mxp, V…] fT =[ , , …]

Естественно, что реализация новых технологий и видов бурения требует решения целого ряда проблем как управления движением колонны труб, так и ее подземной навигации и ориентации, при этом, если для термина

«ориентация» очень трудно подобрать отличное от общепринятого

12

толкование, то понятие «навигация в МПИ» потребует дальнейшей детализации. В частности, в соответствии с классификацией подземной навигации, принятой SPE (американским обществом инженеров-

нефтянников), существует три уровня подземной навигации.

Базовый – «пассивный» уровень, предусматривает измерение глубины и углов ориентации оси ствола уже пробуренных участков скважины, а также использование геофизических датчиков для корреляции и подтверждения геологического профиля на основе ранее полученных данных. На этом уровне отсутствует механизм принятия решений в реальном времени.

Следующий «активный» уровень подразумевает наличие механизма принятия решений в реальном времени по коррекции траектории скважины на основе инклинометрической и геофизической информации, полученной в процессе бурения.

Третий – «превентивный» уровень. На этом уровне осуществляется принятие решений по коррекции траектории скважины не только по пробуренному участку, но также и по участку, который только еще предстоит пробурить, что достигается применением дополнительной информации от геофизических датчиков с малой и большой глубиной проникновения, расположенных близко от долота.

Второй и третий уровень подземной навигации, таким образом,

позволяют обеспечить гибкое взаимодействие бурения и геологии, благодаря чему положение скважины контролируется в реальном времени, что и приводит в итоге к наиболее рациональной ее проводке.

Принимая во внимание вышесказанное, а также некоторые дополнительные соображения, становящиеся в этом контексте очевидными,

сформулируем основной предмет подземной навигации и ориентации как:

- определение местоположения компоновки низа буровой колонны

(КНБК) относительно географической или иной, связанной с Землей,

системы координат или описание профиля скважины или разреза в тех же координатах;

13

-определение контуров продуктивных пластов (рудных тел)

относительно КНБК, профиля скважины (разреза) или (с учетом

необходимости) системы координат, связанной с Землей;

-определение параметров ориентации скважинных приборов,

транспортируемых в составе КНБК или в качестве отдельных зондов,

сейсмоприемников и т.п., независимо от целей использования этих параметров.

Сфера приложения современных задач подземной навигации и ориентации постоянно расширяется. Сегодня, наряду с непосредственно определяемым в указанном контексте построением продуктивных горизонтов МПИ (с абсолютными отметками пластопересечений флюидов или рудных тел), исследованием скважин (непосредственно после бурения или пробуренных много лет назад) и сопровождением их проводки в процессе бурения (в том числе на удаленных шельфовых и водоплавающих месторождениях) к числу таких приложений следует отнести:

-отыскание аварийной скважины в целях ее подземного глушения;

-ориентирование клина-отклонителя при зарезке БС;

-обход соседних скважин при плотной сетке кустового разбуривания;

-информационное обеспечение решения правовых вопросов при бурении ГС на пограничных месторождениях;

-бестраншейную прокладку магистралей;

-подземное преодоление естественных и искусственных препятствий;

-измерение пространственного положения подземных коммуникаций, трубопроводов, магистралей и их элементов, в том числе, в процессе эксплуатации, а также некоторые другие

приложения.

Указанная совокупность задач обеспечивает достижение основных целей подземной навигации:

построение геологических моделей и схем разработки МПИ;

14

оптимальная проводка ствола скважин, обеспечивающая максимальное извлечение продуктивных залежей при минимальных издержках;

- управление положением бурового инструмента с целью изменения интенсивности искривления, проводки ствола скважины в заданном направлении, либо удержания направления в конусе допустимых угловых отклонений;

- оптимальная прокладка магистралей, трубопроводов, тоннелей, линий коммуникаций (проводка технологических и боковых стволов),

обеспечивающая преодоление (отыскание) естественных и искусственных препятствий с минимальными издержками;

- контроль изменения высотно-плановых координат эксплуатирующихся линий коммуникаций, трубопроводов, магистралей и их элементов.

Сегодня в мире, в том числе и в России все чаще проектируются и строятся скважины со все более сложной траекторией, быстрыми темпами развивается разработка глубоководных месторождений, меняется архитектура скважин. Это обуславливает усложнение задач подземной навигации и ориентации, необходимость решения которых приводит к развитию существующей и созданию новой измерительной техники,

применению современного подхода к проектированию и строительству скважин, использованию новых методов и технологий буровых работ,

программного инструментария.

Лекция №2.

Позиционные методы подземной навигации. Понятия о методах

геофизических исследованиях в скважинах (ГИС).

15

Позиционные методы подземной навигации К позиционным методам навигации относятся методы, определения

местоположение объекта при помощи внешних ориентиров или приемников информации.

Геофизические методы Геофизические исследования являются неотъемлемой составляющей

геологоразведочного процесса на всех стадиях поиска, разведки и разработки МПИ. Без точного определения размеров залежей, в частности, нельзя оценить промышленные запасы и рентабельность разработки месторождения. В свою очередь, точное определение размеров МПИ требует,

и еще долгие десятилетия будет требовать бурения скважин, и оттого,

насколько достоверна не только траектория скважин, но и расположение этих скважин по месторождению, т. е. от точности навигации в пласте (рудном теле и т. д.) зависит успех предприятия в целом.

Если информация о технологических параметрах бурения - расходе и давлении промывочной жидкости, крутящем моменте (осевом усилии) на долоте необходима для адекватного воздействия на исполнительные органы,

то данные каротажа - физико-химический состав, коллекторские свойства,

буримость пород, а также положение траектории относительно границ различных геологических формаций - продуктивных пластов, газовых оторочек, водонасыщенных областей и т.д.- позволяют корректировать в процессе бурения заданную траекторию (своеобразное «полетное задание»),

приводя его в соответствие с фактической обстановкой в области нахождения КНБК.

Если еще совсем недавно набор этих характеристик был достаточно примитивен: измерение параметров бурового раствора в устье скважины, а

также удельного электрического сопротивления породы в непосредственной близости от КНБК, - то сейчас это настоящий каротажный арсенал – электромагнитный, сканирующий, нейтронный вибрационный и др. виды каротажа.

16

Геофизические задачи подразумевают использование совокупности методов каротажа.

В проекте бурения ГС и БС профиль траектории выбирается с учетом структурного залегания продуктивного пласта, его толщины, коллекторских свойств и других факторов. К сожалению, часто фактическое положение пластов и их толщины отличаются от проектных данных. В результате даже при бурении по заданному профилю встреча с кровлей продуктивного пласта может произойти с отклонениями от проекта. Поэтому для уточнения геологической обстановки и принятия управляющих решений по мере необходимости проводятся привязочные, промежуточные и окончательные каротажи.

К методам каротажа в процессе бурения скважин, относится, прежде всего, метод кажущихся сопротивлений, радиоактивный каротаж, а также вибрационный каротаж.

Скважинные исследования методом кажущихся сопротивлений

основаны на расчленении пород, окружающих скважину, по их удельному электрическому сопротивлению. При исследовании этим методом используются обычно трех - (иногда 5-7) электродные зонды. Три электрода располагаются в скважине (четвертый - заземляется на дневной поверхности). Разность потенциалов, снимаемая с измерительных электродов

(питаемых от генератора частоты 300-400 Гц.), пропорциональна удельному электрическому сопротивлению окружающих зонд горных пород,

зависящему от их пористости и флюида (вода, нефть, газ), насыщающего пласт.

Боковой каротаж (БК) основан на регистрации кажущегося электрического сопротивления горных пород трехэлектродным фокусированным зондом с фокусировкой тока в радиальном направлении с помощью экранных электродов. Наиболее эффективен БК для изучения разрезов с частым чередованием пластов и при высоких отношениях удельных сопротивлений горных пород и промывочной жидкости. В

17

необсаженных скважинах с пресным типом раствора набором зондов различной длины производится регистрация кажущегося электрического сопротивления – так называемый, метод бокового каротажного зондирования

(БКЗ).

Индукционный каротаж (ИК) основанный на регистрации удельной проводимости горных пород в переменном электромагнитном поле создаваемом генераторными катушками скважинного прибора, также обеспечивает расчленение разрезов скважин, определение удельного электрического сопротивления пласта, определение характера насыщения пластов.

Распространенным методом, который по аналогии с практикой подвижных объектов может быть отнесен к ближней навигации в пласте,

является радиоактивный каротаж - метод имеющий малую глубинность, но позволяющий надежно выявить момент вхождения зонда в соседний пласт,

отличающийся по естественной радиоактивности пород.

Радиоактивный каротаж (РК) - совокупность геофизических методов исследования скважин, основанных на измерении интенсивности естественной и искусственно созданной радиоактивности горных пород.

Основные виды РК, применяемые в промысловой геофизике:

-гамма-каротаж (ГК), гамма-гамма каротаж (ГГК), каротаж нейтронный

(НК).

При проведении наиболее распространенного - ГК с помощью скважинных радиометров записывается непрерывная кривая, или диаграмма,

интенсивности гамма-излучения. Так как гамма - лучи почти полностью поглощаются слоем породы толщиной 1 - 2 м, а до 30 % ядерной энергии не пропускается обсадными трубами, то скважинный радиометр может фиксировать гамма-излучение пород, расположенных в радиусе, не превышающем (0.3-0.5)м от оси скважины. Существующая связь между радиоактивностью пород и их литологией, между интенсивностью гамма-

излучения и степенью заглинизированности пород позволяет по кривым ГК

18

выделять в разрезе скважины глинистые интервалы, количественно оценивать содержание в породе глинистого материала, а в комплексе с другими методами каротажа литологически расчленять разрез.

Выделение в процессе ГК характерных горизонтов позволяет гарантировать точность траектории скважины не только геометрически, но и геологически.

Реализация методов акустического каротажа (АК) требует наличия источника упругих колебаний и приемника (группы приемников),

реагирующего на параметры сигнала (амплитуда, фаза) в исследуемой среде,

т.к. даже незначительное изменение состава разбуриваемой породы приводит к изменению в спектре частот.

Излучение и прием сигналов в определенном направлении позволяет обеспечить так называемые «азимутальные» измерения (этот термин – атавизм эпохи вертикального бурения, точнее было бы определение

«радиальные»). Изменяя положение датчиков сфокусированного электромагнитного поля или датчиков измерений естественной радиоактивности окружающих скважину горных пород, например,

поворотом скважинного снаряда телесистемы на 90 , можно получить информацию о свойствах пласта сверху, слева, справа и снизу. Если показания слева и справа – одинаковы, а показания сверху и снизу отличаются от них – прибор находится вблизи кровли или подошвы пласта.

Частотный и амплитудный спектр измеряемых при вибрационном каротаже (ВК) колебаний характеризует упругие свойства горных пород и, в

свою очередь, несет информацию о литологическом составе разбуриваемого пласта. Регистрация и исследование спектра продольной вибрации позволяет надежно дифференцировать разрез по буримости. Кроме того, сильная вибрация во время бурения может служить указанием на износ долота или же другие нежелательные эффекты, например проскальзывание, прихватывание или проворачивание долота. Трехосные акселерометры, расположенные вблизи долота позволяют измерить боковую, скручивающую и продольную

19

вибрацию с записью средних пиковых и мгновенных ускорений. Результаты анализа различных видов вибрации можно использовать для выявления возможных причин тех или иных дефектов и принятия соответствующих мер.

Локация.

Это определение местоположения объектов с помощью сигналов,

которые образуются в результате отражения (либо ретрансляции) ими волн,

излучаемых с дневной поверхности (это могут быть акустические,

сейсмические, радио- и другие волны), либо в результате регистрации собственного излучения объекта (устройств, находящихся на объекте).

В качестве примера можно привести метод сейсмической локации обсаженных и необсаженных скважин, разработанный отечественными специалистами и заключающийся в следующем. В забое измеряемой скважины устанавливается сейсмический зонд, соединенный с обрабатывающим информацию комплексом. В выбранных определенным образом точках на дневной поверхности производятся сейсмические воздействия. Координаты этих точек измеряются приемником спутниковой навигации и передаются на обрабатывающий комплекс. Обрабатывающий комплекс осуществляет регистрацию сейсмических сигналов и вычисление времен их распространения от соответствующих точек на дневной поверхности до забоя скважины. Далее, с учетом строения среды,

производится аппроксимация результатов измерений функцией второго порядка и вычисление экстремума этой функции, значение которого соответствует координатам забоя скважины (рис 1.).

20