наклонное бурение. 1. цели и задачи направленного бурения скважин

• Название: 1. цели и задачи направленного бурения скважин
• Дата: 04.03.2019
• Размер: 0.57 Mb.
• Имя файла: наклонное бурение.doc
• Тип: Документы; #69526
• страница: 4 из 5

Магнитное устройство для многократных измерений

Проект направленного бурения требует обстоятельного обследования скважины в определенные периоды времени, такие, например, как перед спуском обсадной колонны. Эти сервисные работы используют для по­строения всей траектории скважины по одиночным измерениям.

При этом применяют устройство, называемое магнитной установкой для многократных точечных измерений.

Принцип работы многоразового устройства такой же, как и одноразо­вого. Основное отличие состоит в том, что он снабжен встроенной пленко-протяжной камерой с таймером, который автоматически экспонирует и перемещает пленку в определенных интервалах. Результаты исследований анализируют и представляют в виде графических материалов.

Магнитный прибор многоразового действия может быть свободно сброшен или спущен при помощи гибкого троса внутрь немагнитной части бурильного инструмента. Но так как в немагнитной части бурильного ин­струмента должен устанавливаться магнитный компас, чтобы нормально функционировать, сервисные данные получают только тогда, когда прибор вместе с бурильной колонной поднимают на поверхность. Используя се­кундомер с остановом, специалист по сервису отмечает соответствующие времени глубины, на которых таймер включает фотографирование. Рас­сматриваются только те фотографии, которые сделаны на известных глу­бинах в период остановок бурильной колонны; их используют для построе­ния графика траектории скважины.

Гироскопический многоразовый аппарат. Обсадные колонны в сква­жинах, подобно обычному бурильному инструменту и трубам, намагничи­ваются и выводят из строя магнитный компас. Магнитные исследования становятся невозможными в обсаженных скважинах или в открытых ство­лах, вблизи которых находятся обсаженные скважины, например, скважи­ны, пробуренные с морских платформ. Гироскопический многоразовый прибор может быть использован для управляющих сервисных действий в обсаженных скважинах, вблизи обсаженных стволов или в спущенных в скважину бурильных трубах.

Гироскоп (рис. 10.16) представляет собой диск, установленный так, чтобы он мог быстро вращаться возле одной оси (АО), но свободно менять положение около одной или обоих из двух других взаимно перпендикуляр­ных осей (KGи ED). Инерция вращающегося диска имеет тенденцию удерживать свою ось в установленном направлении, независимо от того, как поворачиваются другие оси.

Гирокомпас в гироскопическом многоразовом приборе представляет собой катушку компаса, шарнирно подсоединенную к гироскопу. Собст­венно гироскоп — это массивный ротор электрического мотора, вращаю­щийся с частотой 40 000 об/мин. В отличие от магнитного компаса гиро­компас не подвержен влиянию магнитного поля Земли. Однако так как на гироскопы влияет вибрация и даже легкие удары, их надо опускать в бу­рильную колонну и извлекать из нее при помощи троса. Гироскоп должен также комплектоваться установкой времени, потому что гироскопы имеют тенденцию дрейфовать постепенно от начальной регулировки. Поэтому желательно проводить измерения при спуске внутрь скважины, а не при подъеме из нее.

Перед тем, как спустить гироскоп, направляющий визир устанавлива­ют на известное направление (обычно это истинный север). Ротор приво­дят во вращение с постоянной скоростью электрическим мотором, полу­чающим энергию от батарей или от поверхностного источника по кабелю.

Прибор спускают на тросе или кабеле в бурильный инструмент и ус­танавливают вблизи долота. Подобно магнитному многоразовому прибору этот прибор выполняет измерения в обозначенных интервалах. Крест накаждой фотографии — это изображение маятника, показывающее угол и направление искривления. Стрелка, установленная на гироскопе, показывает направление оси вращения.

Иногда при направленном бурении требуется выполнить единичные измерения в обсаженной скважине или в открытом стволе вблизи обса­женных скважин. В этом случае вместо магнитного одноразового прибора можно использовать одноразовый гироскопический.

Обслуживание посредством забойной телеметрии. Преимущества фо­тографического обслуживания — его простота и низкая стоимость. Недос­татки: необходимость спуска и подъема прибора или все начинать сначала в случае, если предыдущая попытка оказалась неудачной. Чем дольше бу­рильный инструмент находится в скважине, тем больше опасность его при­хвата. Прибор, который может обеспечить в короткий срок расшифрован­ную информацию (показать, что происходит в момент измерения), несмот­ря на возможную дороговизну, в конечном счете может уменьшить из­держки производства.

Телеметрические приборы имеют измерительную глубинную сборку и монитор на поверхности, известный как считывающее устройство. Данные о направлении скважины должны быть преобразованы в электрические сигналы или в сигналы пульсаций и переданы из скважины на монитор. Одни приборы передают эти сигналы по кабелю, другие — посредством бурового промывочного раствора. На буровой площадке портативные ком­пьютеры или микропроцессоры преобразуют поступающие данные в чи­таемую форму и показывают их на шкале прибора или на дисплее, иног­да—в виде таблицы или графика. Круговая шкала дисплея показывает азимут от 0 до 360°.

Глубинная часть телеметрических приборов обычно включает или ги­роскоп, или магнитометр. Гироскопы чувствительны к вибрациям и легкоповреждаются при ударах. Поэтому гироскопы спускают в скважины толь­ко в периоды остановок буровых операций и извлекают перед их возоб­новлением. Магнитометры (электромагнитные приборы, которые ориенти­руются по магнитному полю Земли) могут перемещаться в бурильной ко­лонне при вращении долота и выполнять измерения непосредственно в процессе бурения.

Гироскопическая телеметрия. Так как гироскопы чувствительны к вибрациям и ударам, бурильный инструмент должен простаивать, пока лю­бой гироскопический прибор спускают или поднимают в скважине. Поэто­му гироскопические устройства используют во многом как гирофотогра-фические приборы. Отличие состоит в том, как получают результаты изме­рений. В фотографических устройствах данные о направлении скважины недоступны до тех пор, пока пленка не проявлена и не проанализирована, в то время как при гироскопической телеметрии данные высвечиваются на поверхностном мониторе буровой установки точно такие же, какими они извлекаются из автономного скважинного прибора.

Простейшая гироскопическая телеметрическая установка включает одноразовый гироскоп и акселерометр (устройство для определения изме­нения скорости движения) для измерения направления и искривления скважины. Так же, как в фотографическом приборе, гироскоп ориентиру­ется на поверхности и спускается в скважину в точку измерения. Однако в отличие от фотографического, телеметрический прибор читает направле­ние и угол наклона скважины посредством электроники и передает сигна­лы на поверхность по кабелю.

Один из недостатков гироскопов — их тенденция дрейфа от начальной установки. Трение и другие силы замедляют вращение, и он отклоняется от первоначальной установки. Чем длиннее путь движения гироскопа в сква­жине, тем больше вероятность ошибок. Используя космические техноло­гии, разрабатывают новые типы гироскопов, которые позволяют преодо­леть эти проблемы и увеличить точность и достоверность гироскопического сервиса: скоростные гироскопы и специальные платформы.

Совместно с акселерометрами, скоростной гироскоп чувствует разни­цу между направлением ствола скважины и осью вращения земли. Для это­го случая скоростной прибор иногда называют североуказывающим, а по­лученные с его помощью данные называют сервисом по установлению на­правления на истинный север.

Распространенные скоростные гироскопические приборы не удовле­творяют условиям бурения на дальнем Севере, потому что скорость враще­ния Земли на высоких широтах недостаточна для реагирования на нее ги­роскопа. Кроме того, скоростные гироскопы намного чувствительней к вибрациям, чем обычные, и поэтому их использование в морском бурении затруднено.

Многие измерительные системы с указанием истинного севера долж­ны простаивать, пока считывают результаты. Но устройства длительного действия, как это подразумевает их название, могут читать и передавать данные о направлении скважины в период движения вниз в скважину или вверх из нее.

Инерциальные системы измерения. Многоразовый гироскоп для кос­мической навигации назвали инерциальной платформой, измеряющей па­раметры направления в инерциальных измерительных системах. Инерци-альная платформа представляет собой группу из трех гироскопов и трех акселерометров, которая может вращаться в любом направлении. Гироско­пы держат инерциальную платформу ориентированной вертикально вдоль меридиана в точке расположения скважины. Акселерометры измеряют общее движение во всех трех измерениях. Процессоры и компьютер на поверхности преобразуют эти данные в виде данных в трехмерных коор­динатах для каждой точки измерения. Так как диаметр прибора более 254 мм, он не может быть спущен внутрь бурильной колонны подобно дру­гим гироскопическим приборам, но должен спускаться на кабеле или на бурильных трубах в открытый или обсаженный ствол. Дрейф гироскопа измеряется каждый раз, когда инструмент останавливают. Компьютер учи­тывает величину дрейфа и вносит поправку в данные измерений без руч­ной перекалибровки прибора.

Гироскопы не могут быть приспособлены к вибрациям и ударам, по­этому бурение необходимо остановить на несколько часов, чтобы спустить в скважину и извлечь из нее прибор. Однако существуют две негироско­пические телеметрические системы, которые могут быть спущены в сква­жину, чтобы выполнять измерения в процессе бурения (MWD) — это сис­темы измерения в процессе бурения. Одни MWD-системы передают ин­формацию на поверхность по кабелю, другие — посредством промывочной буровой жидкости.

Кабельная телеметрическая система. Управляющий инструмент — это кабельный телеметрический прибор, который измеряет искривление и на­правление скважины в процессе ее углубления. Так как в нем используется кабель, управляющий инструмент можно применять только с забойным двигателем, который приводит в действие долото, когда бурильная колонна не вращается (зафиксирована).

Управляющий инструмент включает магнитометры, которые продол­жительно измеряют направление скважины и ее искривление, и устройст­ва поверхностной ориентации. Сигналы от магнитометров передаются по кабелю из скважины на поверхность в компьютер, который конвертирует сигналы и дает возможность считывать данные с дисплея. Этот инструмент позволяет как выполнить измерения, так и сориентировать забойный дви­гатель с отклоняющим устройством для проходки скважины по плану.

Искривляющий инструмент изменяет курс скважины отводом долота в одну из сторон. Эта сторона инструмента называется «лицом». «Лицо» ис­кривляющего инструмента поворачивают, его ориентируют по направле­нию курса скважины.

Телеметрия посредством пульсаций бурового раствора. Другой тип телеметрической системы передает сигналы из скважины посредством бу­рового раствора, позволяя бурильщику получать во временной шкале на­правление и другие параметры скважины без кабеля, и, следовательно, в периоды работ в скважине, связанные с вращением бурильной колонны. Как и другие телеметрические системы, система пульсации бурового рас­твора имеет два основных блока: забойную сборку, определяющую направ­ление и искривление, и поверхностную сборку, дисплей которой показыва­ет эти данные. Микропроцессор и передатчики в забойной сборке конвер­тируют измеренные величины в серию пульсаций давлений. Положитель­ные импульсы бурового раствора — серия увеличения давления; отрица­тельные — уменьшения давления. Сигналы могут быть переданы на несу­щей волне подобно радиосигналам. Компьютер на поверхности расшифро­вывает сигналы и передает их для считывания. Термин «измерения при бурении» часто используют как синоним для пульсационной телеметрии. Однако MWD применяют в более общем смыс­ле, чтобы обозначить любые системы измерения забойных условий во вре­мя стандартных буровых операций. Положительные пульсационные систе­мы в общем случае используют для совместного измерения искривления и направления, а также для передачи информации на поверхность, закодиро­ванной в двоичные сигналы. Забойная сборка расположена в немагнитной части бурильного инструмента и включает магнитометр и акселерометр для измерения искривления и направления. Циркулирующий буровой раствор вращает турбину для обеспечения энергией передатчик.

Эта система может использоваться во вращающейся и в невращаю-щейся бурильной колонне. При роторном бурении она включает в себя де­тектор вращения и сборку устройства для измерения угла при остановке вращения бурильной колонны. Циркуляцию используют для привода пере­датчика. Когда используют забойные двигатели, бурение не может быть выключено; направление, искривление и положение «лица» ориентирую­щего инструмента могут измерять непрерывно и передавать на поверх­ность в продолжении циркуляции. Другая турбинно-приводная система включает три акселерометра и три магнитометра и передает отрицательные пульсации, которые могут содержать больше данных в секунду, чем поло­жительные пульсации. Измерения выполняют тогда, когда вращение оста­новлено. Данные показываются на компасе и считывающем устройстве, а также копируются на печатающем устройстве для дальнейшего анализа. Другие отрицательно-пульсирующие системы приводятся в действие при помощи батарей.

Не все пульсационные системы требуют питания электрической энер­гией. Полностью механическое устройство использует пружинный привод­ной механизм для измерения отклонения. Сброшенное в циркулирующий поток механическое устройство падает и устанавливается в посадочное гнездо. Восстанавливают циркуляцию буровым насосом, чтобы послать се­рию пульсаций давлений на поверхность при помощи бурового раствора, находящегося внутри бурильного инструмента. На поверхности эти пульса­ции записываются на ленточном самописце. Число пульсаций прямо про­порционально углу наклона: амплитуда замера может быть изменена. Этот инклинометр можно использовать во вращающейся и невращающейся системах. Отдельный измеритель направления, включающий в себя маг­нитный компас и немагнитный корпус, используют только с забойным дви­гателем.

В отечественной практике бурения наклонно направленных скважин чаще всего применяют телеметрические системы типа СТ. Использование телеметрической системы СТЭ при электробурении позволяет непрерывно управлять траекторией скважины в пространстве. Глубинные датчики этой системы размещают в корпусах диаметрами 164 и 215 мм (СТЭ 164 и СТЭ 215).

Комплект телеметрической системы включает следующие узлы: глу­бинный блок телеметрической системы (БГТС), глубинное измерительное устройство (УТИ), наземный пульт телеметрической системы (ПНТС), на­земное измерительное устройство (УНИ), присоединительный фильтр (ФП).

Герметичный контейнер с глубинной аппаратурой устанавливают над электробуром. В контейнере размещают датчики и электронные преобра­зователи. Информацию передают по проводному каналу связи на дневнуюповерхность. В приемном устройстве сигналы, полученные с забоя, преоб­разуются и поступают на приборы, шкалы которых градуируют в значени­ях измеряемых величин.

Телеметрическая система СТЭ рассчитана на работу при гидростати­ческом давлении до 80 МПа и температуре окружающей среды до 100 °С. Пределы измерений параметров забойных данных: угол наклона 0—110°, азимут 0 — 360°.


Датчики измерения глубинных параметров скважины размещены в контейнере, который закреплен в корпусе. В контейнере размещены датчики для измерения азимута, угла установки отклонителя и зенитного угла (рис. 10.17). Принцип действия датчика азимута ДА основан на применении магнитного чувствительного элемента в виде стержня, устанавливающегося



по направлению магнитного меридиана. Чувствительный элемент связан с ротором синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ), ра­ботающего в режиме фазовращателя. Компас датчика азимута имеет груз 1 для приведения прибора в горизонтальное положение.

Принцип действия датчика наклона ДН основан на применении экс­центричного груза 3, центр тяжести которого всегда находится на вертика­ли, проходящей через ось груза. С осью груза 3 связан ротор СКВТ, преоб­разующий угол поворота в фазу выходного сигнала, пропорционального зенитному углу скважины. Одному механическому градусу поворота рото­ра соответствует изменение фазы выходного сигнала на 6°.

Принцип действия датчика положения отклонителя ДПО основан на повороте рамки с эксцентричным грузом 2 и укрепленными на ней датчи­ками ДА и ДН. Груз 2 стабилизирует рамку в апсидальной плоскости. Ста­тор ДПО жестко связан с электронным блоком и немагнитным корпусом телеметрической системы. Угол поворота рамки преобразуется трансфор­матором в фазу выходного сигнала. Одному механическому градусу соот­ветствует изменение фазы выходного сигнала на 1°.

Пятидесятипериодные сигналы, передаваемые датчиками ДН, ДПО и ДА, имеют различную фазу (от 0 до 360°) и в зависимости от изменений измеряемого параметра поступают в глубинный передающий блок. Послед­ний осуществляет последовательный опрос во времени глубинных датчи­ков, формирует суммарный широтно-импульсный модулированный сигнал и передает его в токоподвод электробура.

На базе телеметрической системы СТЭ разработаны телеметрические системы типа СТТ, предназначенные для использования при бурении с гидравлическими забойными двигателями (турбобурами и винтовыми за­бойными двигателями). Телеметрические системы типа СТТ выпускаются диаметрами 172, 190 и 215 мм. Разрабатываются телеметрические системы меньших диаметров, что существенно расширит возможности применения указанных систем в горизонтальном и многозабойном бурении. Связь глу­бинной аппаратуры с наземной осуществляется по проводному каналу свя­зи сбросового типа, выполненному в виде стандартного каротажного кабе­ля, снабженного контактными разъемами. Возможны два варианта спуска линии связи: через уплотнение вертлюга с использованием узла ввода ка­беля в вертлюг и через специальное устройство для ввода кабеля (УВК) в составе бурильной колонны.

Глубинное измерительное устройство размещают непосредственно над отклонителем или над отрезком УБТ, устанавливаемым для регулирования интенсивности изменения пространственного положения скважины. Внут­ри измерительного устройства в герметичном контейнере размещены дат­чики для измерения азимута, зенитного угла и угла установки отклонителя, а также электронные преобразователи для частотного модулирования полу­ченных сигналов и передачи их на поверхность в виде времяимпульсной информации. Информация передается на поверхность по кабельному кана­лу связи, сбрасываемому через герметизирующее устройство вертлюга. В ходе наращивания инструмента контактный стержень извлекают на по­верхность и при дальнейшем бурении ориентирование инструмента повто­ряют заново.

Наземное оборудование телеметрической системы СТТ включает при-емно-регистрирующее устройство, где сигналы дешифруют и регистрируют с помощью записывающей аппаратуры. Предварительно в глубинном кон-тейнере усиливают сигнал информации и через глубинный фильтр верхних частот и наземный присоединительный фильтр вводят в наземный пульт телеметрической системы.

Принцип действия скважинных датчиков и наземной аппаратуры ана­логичен в телеметрических системах для турбинного бурения и бурения с применением электробуров.

В процессе бурения скважины телеметрические системы обеспечи­вают:

ориентирование отклоняющих устройств в заданном азимуте с учетом угла закручивания бурильной колонны при забуривании наклонного или горизонтального ствола скважины;

определение угла закручивания бурильной колонны от реактивного момента забойного двигателя;

постоянный (периодический) визуальный контроль зенитного угла, азимута и положения отклонителя по приборам наземного пульта, а также запись указанных параметров в процессе бурения.

Контроль траектории ствола скважины осуществляется путем непре­рывного измерения азимута, зенитного угла и положения отклонителя. При этом в процессе бурения наклонно направленных скважин обеспечивается измерение зенитного угла в диапазоне 0 — 55°, а при горизонтальном буре­нии угол наклона к плоскости горизонта изменяется в пределах от —30 до + 30°. Глубинная информация передается по кабелю в наземное измери­тельное устройство УНИ.

Графическое представление результатов измерений. Данные о поло­жении места измерения в скважине дают в трехмерных координатах: ука­зывается истинная вертикальная глубина, расстояние от места заложения скважины на север или на юг и расстояние от места заложения скважины на восток или запад.

Для этого необходимо знать четыре величины:

1) угол наклона;

2) направление;

3) длину хода по курсу от последней точки измерения;

4) координаты последней точки измерения.

Каждая точка вычерчивается относительно предыдущей.

Ошибка в любой точке переместит все наносимые точки на величину этой ошибки. Ошибка накапливается — отсюда термин «накопительная ошибка». Чтобы сделать проверку по накопительной ошибке, когда исполь­зуют гироскоп многоразового действия, сервисные данные нескольких то­чек измерения анализируют после его извлечения из скважины. Результа­ты сервиса будут приняты, когда координаты последней точки (на поверх­ности) будут очень близки к координатам начальной точки.

Исследования, проводимые непрерывно, или инерциальные системы измерения, дают координаты точек измерения относительно начальной точки, расположенной у поверхности, и поэтому исключают накопитель­ную ошибку, что особенно важно для скважин, требующих большой точно­сти измерений (например, скважины на морских платформах).