технология бурения 3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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.

Гидравлический канал связи. Забойный блок телесистемы c гидравлическим каналом связи (ГКС) создает в жидкости положительные или

77

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

отрицательные импульсы давления, кодирующие измеряемые параметры. Приемное устройство, устанавливаемое на вертлюге и на устье в кольцевом пространстве, улавливает эти сигналы и производит их раскодирование. Для питания забойного блока обычно используют аккумуляторы, блоки батарей или встроенный генератор с приводом от гидравлической турбины. Телесистемы с ГКС предъявляют повышенные требования к качеству промывочной жидкости: низкое содержание твердой фазы, особенно песка, отсутствие пузырьков газа, низкий уровень помех от работы насоса и других механизмов.

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

-он 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;

-канал обладает большой дальностью действия.

Электромагнитный (беспроводный) канал связи. В телесистемах с

электромагнитным каналом связи (ЭМКС) информация с забоя с помощью электромагнитных волн передается по горной породе на дневную поверхность. Питание скважинных приборов осуществляется при помощи турбогенератора, приводимого в действие потоком промывочной жидкости. Препятствием для применения ЭМКС служит наличие в разрезе солей или горизонтов с солеными пластовыми водами, являющимися экраном для прохождения электромагнитных волн, или применение растворов с низким удельным сопротивлением. В бурильную колонну должна быть установлена прочная изолирующая вставка для разделения «антенны» и «земли» системы.

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 за- бой–устье при турбинном и роторном бурении скважин.

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 ЭМКС обладают и существенными преимуществами:

78

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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.

Проводной канал связи. Проводной канал связи имеет следующие преимущества перед другими 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.

Комбинированный канал связи. Комбинированный канал связи –

это сочетание различных по своей физической сущности каналов связи скважинного прибора с наземной регистрирующей и обрабатывающей аппаратурой.

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

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

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 использованиеприбурениискважиннааэрированныхрастворах.

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

79

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

15.4. Телеметрические системы контроля и управления траекторией ствола скважины

Одна из первых телесистем была разработана в 40-х гг. прошлого века. В ней каналом связи служил силовой кабель электробура, секции которого закреплялись внутри бурильных труб. При спуско-подъемных операциях происходило соединение и разъединение секций кабеля. Такая конструкция канала связи не препятствовала СПО, но в случае аварий (прихватов) не позволяла спускать внутрь бурильной колонны устройства для ликвидации аварий.

В1963 г. в СССР была разработана система автоконтроля комплекса глубинных параметров САКГП-63 для электробурения с передачей на поверхность информации о зенитном угле, угле установки отклонителя, давлении и температуре на забое, напряжении на зажимах электробура во время бурения. Постоянные усовершенствования этой системы привели в конце 60-х годов к разработке Харьковским СКТБ ПЭ «Потенциал» и Институтом электромеханики при участии ВНИИБТ телеметрической системы СТЭ, регистрирующей следующие параметры: зенитный угол, азимут, положение отклонителя, нагрузка на долото, частота вращения вала электробура, крутящий момент.

ВСША в эти же годы были исследованы возможности гидравлического канала связи, а в 1972 г. фирмой «Мобил Ойл» начата разработка конструкции телеметрической системы. Несколько позже к заработке подключились специалисты фирмы «Шлюмберже». Общими усилиями в 1974 г. система для измерения семи забойных параметров (азимут, зенитный угол, положение отклонителя, температура, частота вращения, нагрузка на долото, крутящий момент) была испытана при проводке наклонно направленных скважин.

К1976 г. в разработках MWD-систем участвовало более 20 фирм. Отечественная геонавигационная технология впервые апробирована в 1996 г. при строительстве самого крупного в России куста № 2042 из 12 горизонтальных скважин опытного участка пласта АВ11+2 («рябчик») на Самотлорском месторождении.

Геонавигационная технология объединяла в единый комплекс три информационные системы:

- компьютеризированную станцию геолого-технологических исследований (ГТИ); - забойную телеметрическую систему;

- автономный аппаратурно-методический комплекс для геофизических исследований на бурильных трубах.

Ниже рассматриваются телесистемы, разработанные в бывшем

СССР, России, а также зарубежные системы, используемые и рекламируемые в России.

80

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Прибор MWD фирмы Halliburton Strata Tracher (ТМ). Этот при-

бор – первый в промышленности малогабаритный прибор, измеряющий гамма-излучение с азимутальным сканированием и отклонение на долоте, динамическую и статическую инклинометрию и изменение 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.

Система телеметрическая для электробурения СТЭ (ОАО завод

«Потенциал», г. Харьков). Система предназначена для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин. Серийно выпускается с начала 70-х годов для передачи информации, используется силовой кабель, по которому обеспечивается питание электробура. Глубинное измерительное устройство (УГИ) устанавливается над электробуром в корпусе из немагнитного материала и содержит датчик азимута (ДА), датчик зенитного угла (ДМ) и датчик положения отклонителя (ДПО). Датчики питаются переменным током частотой 50 Гц. В зависимости от значений углов, измеряемых датчиками, меняется фаза выходного сигнала.

Передающий блок УГИ осуществляет последовательный опрос датчиков, формирует широтно-импульсный сигнал и передает его в токоподвод электробура. Телеметрическая система СТЭ позволяет определять азимут, зенитный угол скважины и положение отклонителя как при бурении, так и при остановках бурения, производить ориентирование отклонителя в вертикальном и наклонном стволах.

Телесистема доставляется на забой буровым инструментом. Система изготавливается четырех типоразмеров с диаметром корпуса: 127, 164, 185 и 215 мм.

Применяется в регионах, где распространено электробурение: Башкирии, Украине, Туркмении, Азербайджане. Большинство телесистем имеет ресурс 600–800 ч и межремонтный период до 100 ч.

С помощью телесистем СТЭ пробурены первые горизонтальные скважины в Башкирии (1979 г.) на Узыбашевском месторождении; Западной Сибири (1985 г.) глубиной 3300 м (скв. 578 -Салымская), Туркмении (1990 г.) глубиной 3653 м (скв. 1630-Котур-Тепе).

В конце 80-х годов в рамках общесоюзной программы «Горизонт» Харьковским СКТБ ПЭ телесистема СТЭ была существенно усовершенствована и выпущена под шифром 2СТЭ. В новой телесистеме повысились точность измерения зенитного угла до ±0,5°, азимута и положения отклонителя до 4°, увеличился срок межремонтного периода до 125 ч и ресурс до 1500 ч. Обновление измеряемых параметров в 2СТЭ происходит через каждые 5,6 с.

81

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Система телеметрическая для турбинного бурения СТТ (ОАО завод

«Потенциал», г. Харьков). Система на 90 % унифицирована с телесистемами типа СТЭ. В состав СТТ входит устройство забойное измерительное (УЗИ) и наземный пульт управления и регистрации (ПУ). УЗИ состоит из блока датчиков, блока электронного, блока питания, герметичного контейнера, герметичного кабельного ввода и корпуса из немагнитного материала. УЗИ устанавливается над забойным гидравлическим двигателем. ПУ включает блок питания УЗИ, информационное табло и переключатели режимов.

Информация с забоя передается по кабелю, вводимому в бурильную колонну через переводник или герметизирующее устройство вертлюга, или по секционированному кабелю при использовании бурильных труб для электробурения.

Система изготавливается пяти типоразмеров с диаметром корпуса: 108, 127, 172, 190 и 215 мм. Широко используется во всех регионах бывшего СССР, во Вьетнаме при бурении горизонтальных скважин и дополнительных боковых стволов.

ОАО завод «Потенциал» с 2000 г. перешел на выпуск геофизических устройств серии ГУОБИТ и ГУОБИЭ взамен телесистем типа СТТ и СТЭ. Отличительной особенностью геофизических устройств является изготовление глубинного контейнера полностью из титанового сплава, изменение подвески блока датчиков, изменение системы передачи сигнала на дневную поверхность, введение компьютерной обработки данных, что значительно увеличило надежность, информативность и срок службы телесистемы. Погрешность измерения зенитного угла составляет ±1,0°, а угла установки отклонителя и азимута ±5,0°.

Телесистема Пилот-П (ГПНН «Пилот, г. Уфа). Создана в 1988 г. для контроля инклинометрических параметров и управления траекторией скважины в процессе ее бурения. В качестве канала связи в телесистеме используются бурильные трубы для электробурения со встроенным силовым кабелем или геофизический кабель с переводником кабеля.

Телесистема обеспечивает постоянный контроль углов азимута, зенита, установки отклонителя и температуры забойной части в процессе бурения в реальном масштабе времени. Наземная часть системы, реализованная на базе специализированной ЭВМ, решает ряд расчетнотехнологических задач.

Инклинометр системы выполняется в двух вариантах в виде поплавковой конструкции с тремя степенями свободы и с неподвижными и ортогонально установленными в корпусе тремя феррозондами и акселерометрами, выпускаемыми серийно авиационной промышленностью. Это одна из высокоточных телесистем, не требующая последующего контроля траектории инклинометром. Погрешность измерения азимута и угла установки отклонителя в диапазоне 0–360° не более 1,5°, по зенитному углу в диапазоне 0–180° не более 0,15°.

82

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Телесистема применялась при строительстве уникальных горизонтальных скважин на Лемезинском месторождении в Башкирии и используется при бурении скважин на месторождениях Сахалина.

Телеметрическая система КУРС-4М (АО «ННТ-КУРС», г. Москва).

Применяется при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин турбинным способом. Обеспечивает постоянную информацию в реальном масштабе времени о зенитном угле, азимуте и угле установки отклонителя. Общая длина забойного модуля сведена к минимуму, что обеспечивает совместимость с любыми КНБК.

Информация с забоя передается по кабельному каналу связи. Контейнер забойных датчиков спускается на кабеле в немагнитную трубу до посадки в установочный переводник. На поверхность кабель выводится в затрубье через специальный переводник.

Ориентатор бурильного инструмента ОРБИ-36 (АО НПФ «Геофи-

зика», г. Уфа). Предназначен для проводки наклонно направленных скважин малого диаметра и дополнительных стволов из бездействующих и нерентабельных скважин.

Скважинный прибор спускается на кабеле в контейнер. Кабель выводится из бурильной колонны через кабельный переводник. Кабель трехжильный. По одной жиле осуществляется питание скважинного прибора переменным током частотой 100 Гц. По двум другим жилам забойная информация передается на поверхность.

Использование трехжильного кабеля позволило максимально упростить скважинный прибор и повысить его надежность. Однако эксплуатация ОРБИ-36 в Башкирии и Татарии при бурении дополнительных стволов показала неэффективность использования трехжильного каротажного кабеля для передачи информации с забоя. При нахождении кабеля в затрубье часто пропадает связь с телесистемой из-за утечек в жилах кабеля при малейших повреждениях. Поэтому ОАО НПФ «Геофизика» выпустила модифицированный ОРБИ-36, работающий на одножильном кабеле.

Телесистема инклинометрическая малогабаритная ОРБИ-3 (ОАО НПФ «Геофизика», г. Уфа). Предназначена для измерения азимута, зенитного угла и положения отклонителя при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин диаметром 120,6 и 144 мм.

Вкачестве канала связи используется кабельная линия связи КЛС-2М.

Впроцессе бурения измеряется положение отклонителя, а при остановке бурения – азимут и зенитный угол. Блок датчиков не имеет подвижных частей и состоит из трех жестко закрепленных акселерометров и трех магнитометров. Наземная часть телесистемы включает прибор массой 16 кг и ноутбук.

Забойная телеметрическая система с кабельным каналом связи «НАДИР» (ОАО НПФ «Геофизика», г. Уфа). Разработана по заказу АНК

83

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

«Башнефть» для бурения при отрицательном перепаде давления с колтюбинговой установки М4001. Телесистема «НАДИР» предназначена для измерения инклинометрических параметров: азимута и зенитного угла, положения корпуса телесистемы, естественной гамма-активности пород и давления промывочной жидкости над винтовым двигателем, а также измерения осевой нагрузки и затрубного давления при бурении с использованием непрерывных труб с кабелем.

В ее состав входят:

-модуль инклинометрии МИ: измерение азимута и зенитного угла, а также положения корпуса телесистемы;

-модуль ГК и манометр внутреннего давления ГКМ: измерение естественной гамма-активности и давления промывочной жидкости над винтовым двигателем;

-модуль осевой нагрузки и затрубный манометр МОН: измерение осевой нагрузки и затрубного давления;

-наземный приемно-обрабатывающий комплекс: обеспечение питанием телесистемы, прием данных со скважинного прибора, обработка и визуализация информации, регистрация полученных данных.

Телеметрическая система «РАДИУС» (фирма «Радиус», США).

Предназначена для бурения наклонных и горизонтальных скважин. Забойные датчики измеряют зенитный угол и азимут скважины, положение отклонителя относительно магнитного меридиана (при зенитном угле а < 5°), и апсидальной плоскости (при а > 5°), a также показания гаммакаротажа. Бросовый одножильный кабель смешанного соединения вводится через уплотнение корпуса вертлюга. Верхний разъем кабеля устанавливается в так называемом переводнике мокрого соединения. На участке от переводника мокрого соединения до контейнера со скважинным зондом внутри бурильного инструмента находится кабельная вставка постоянной длины (длина определяется в зависимости от глубины начала работ с отклонителем).

Телесистема комплектуется забойным оборудованием, скоростной стационарной лебедкой с кабелем, специальным вертлюгом с устройством для ввода кабеля, монитором на буровой площадке, дисплеем и компьютером.

Пять комплектов телесистем приобретены АО «Удмуртнефть» и используются при бурении горизонтальных скважин во многих регионах России. Датчик показаний гамма-каротажа не применяется.

Телеметрическая малогабаритная система МСТ-45 («Техинформ-

сервис», г. Ижевск). Предназначена для непрерывного отображения в процессе бурения азимута, зенитного угла скважины и положения отклонителя относительно вертикальной плоскости скважины.

Блок датчика телесистемы не имеет подвижных узлов, состоит из трех жестко закрепленных магнитометров и акселерометров. Погружная часть

84

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

телесистемы через каротажный кабель соединена с интерфейсным блоком и через последовательный порт – с персональным компьютером. Вся измеренная информация дополнительно выводится и на пульт бурильщика.

Область применения телесистемы – бурение наклонных и горизонтальных скважин , бурящихся на нефть и газ глубиной до 3000 м, а также бурение боковых и горизонтальных стволов из скважин старого фонда.

Втелесистеме используется одножильный каротажный кабель, вводимый через вертлюг по аналогии с ТС «РАДИУС», поэтому при бурении возможно вращение бурильного инструмента без подъема телесистемы.

Забойная инклинометрическая система ЗИС-4МЭ (ОАО НПП ВНИИГИС, г. Октябрьский). Предназначена для оперативного управления проводкой наклонно направленных и горизонтальных скважин при турбинном бурении. Скважинный прибор рассчитан на работу в составе бурильной колонны. Связь с наземным устройством для приема и выделения полезного сигнала с последующим его преобразованием и регистрацией осуществляется с помощью электромагнитного канала связи по породе и колонне бурильных труб. Питание скважинного прибора осуществляется при помощи турбогенератора, приводимого в действие потоком промывочной жидкости.

ЗИС-4 серийно выпускается с 1980 г . и широко применяется в России при бурении горизонтальных скважин, особенно в Татарии, Западной Сибири, Башкирии, Оренбургской области. Работы в основном проводятся сервисными фирмами: ОАО НПП ВНИИГИС, ОАО «Спец. УБР» (г. Нижневартовск), Томским СКТБ, НПО «ГОРИЗОНТ-СЕРВИС» (г. Нижневартовск), АО НПНК «ЭХО» (г. Октябрьский). Фирмы произвели модернизацию базового варианта ЗИС-4 и самостоятельно выпускают телесистемы под новыми наименованиями, например: ЗИС-4М, ЗТС-172, ЭХО-АТЗ.

Забойная телеметрическая система ЗТС-54ЭМ (ОАО НПП ВНИИ-

ГИС, г. Октябрьский). Предназначена для контроля и оперативного управления траекторией ствола наклонно направленных и горизонтальных скважин малого диаметра в процессе бурения. В телесистеме предусмотрена возможность установки датчиков для геофизических измерений

впроцессе бурения. Конструкция корпуса позволяет пропускать телесистему через участки скважин с интенсивностью изменения угла до 4,871 град./м (радиус 12 м).

Всостав скважинного оборудования входят турбогенератор, модуль управления и связи с передающим устройством, модуль инклинометрических преобразований, электрический проводной разделитель, электрический корпусной разделитель, соединительные штанги. В состав наземного приемно-обрабатывающего комплекса входят ноутбук, устройство сопряжения с объектом линии связи.

На поверхности земли сигнал принимается как разность потенциалов, возникающая вследствие растекания тока по горной породе вокруг кор-

85

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

пусного электрического разделителя между бурильной колонной и приемной антенной.

На базе этой телесистемы созданы модификации для электробурения – ЗТС-54ЭБ, геонавигации LWD ЗТС-54ЭМ и разработаны новые поколения ЗТС-42ЭМ и безгенераторная модификация ЗТС-42ЭМ-БГ, которые успешно начинают использоваться при бурении направленных скважин. Дальность приема зависит от удельного сопротивления окружающих пород.

Телесистемы малого диаметра нашли широкое применение в Башкирии, Западной Сибири и других регионах, в основном при строительстве дополнительных стволов.

Системы 650MWD, Slimhole и SuperSlim («Сперри-Сан», США).

Система модульного исполнения, получающая питание от скважинного генератора-пульсатора с положительными импульсами, имеет гидравлический канал связи.

Благодаря модульной конструкции датчики могут размещаться в забойной компоновке в любой необходимой последовательности. В зависимости от поставленной задачи датчики работают в постоянном или заданном режиме передачи информации.

Датчики и генераторы-пульсаторы однотипны и устанавливаются в диамагнитные УБТ диаметром от 88,9 до 241,3 мм. Система 650 MWD размещается в УБТ диаметром 165,1–241,5 мм, Slimhol – 120,7 мм и

Super-Slim – 88,9 мм.

Системы могут комплектоваться следующими типами датчиков: азимута, угла наклона, угла установки отклонителя, гамма-каротажа, объемной плотности, удельного сопротивления, плотности по данным нейтронного каротажа, давления, температуры, вибрации и угла наклона над долотом.

Первыми пятью типами датчиков могут комплектоваться системы всех диаметров, полным комплектом датчиков – только системы в УБТ диаметром 171,5 и 203,2 мм. С 1993 г. часть телесистем укомплектовывается фирменным датчиком ABI для определения угла наклона непосредственно за долотом. Это наиболее распространенная ТС в России и эксплуатируется в основном в Западной Сибири (города Сургут, Нижневартовск, Мегион).

Система MWD 55- 1 («БекФилд», США). Производит измерение и передачу на поверхность шести параметров по гидравлическому каналу связи с помощью высокоскоростного пульсатора положительных импульсов.

Глубинная аппаратура извлекается и устанавливается в диамагнитной УБТ в забойной компоновке. Это позволяет в случае прихвата бурильного инструмента извлечь из скважины дорогостоящую аппаратуру. Питание забойной аппаратуры осуществляется с помощью литиевых батарей.

Два комплекта телесистем приобретены АО «Удмуртнефть» и использовались при бурении горизонтальных скважин в Удмуртии.

Система «Orientir» («Геолинк», Шотландия). Отличается простотой формы, конструкции и обслуживания, высокой надежностью и точностью.

86