Диссертация Г. С. Абрамова. Г. С. Абрамов телеизмерительные системы с электромагнитным каналом связи для точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин западной сибири

• Название: Г. С. Абрамов телеизмерительные системы с электромагнитным каналом связи для точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин западной сибири
• Анкор: Диссертация Г. С. Абрамова
• Дата: 28.08.2022
• Размер: 0.67 Mb.
• Имя файла: Диссертация Г. С. Абрамова.doc
• Тип: Диссертация; #654688
• страница: 1 из 14

Санкт – Петербургский государственный горный институт

имени Г.В. Плеханова (технический университет)

ОАО Инженерно – производственная фирма "Сибнефтеавтоматика"

Г.С. Абрамов

ТЕЛЕИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ КАНАЛОМ СВЯЗИ ДЛЯ ТОЧНОНАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН ЗАПАДНОЙ СИБИРИ.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук (специальность – 04.00.12 – геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых).

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР, заслуженный деятель науки и техники Башкирской АССР А.А. Молчанов

Санкт-Петербург

1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1. Состояние проблемы точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин. 12

1.1 Точнонаправленное бурение нефтегазовых скважин в России и за рубежом. 12

1.2. Отечественные телеизмерительные инклинометрические системы для точнонаправленного бурения скважин Западной Сибири. 20

2. Разработка технических требований к телеизмерительным инклинометрическим системам для точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин. 31

2.1. Геолого – технические условия бурения нефтегазовых скважин Западной Сибири. 31

2.2 Выбор комплекса измерений и разработка технических требований к телесистемам с электромагнитным каналом связи. 46

3. Исследование электромагнитного канала связи и разработка основных узлов телеметрических систем повышенной точности. 50

3.1. Исследование дальности действия электромагнитного канала связи для условий Западной Сибири. 50

3.1.1 Результаты расчетов затухания сигналов для конкретных геоэлектрических разрезов 58

3.2 Исследование и выбор первичных преобразователей 67

3.2.1. Инклинометрические преобразователи 67

3.2.2. Технологические датчики 77

3.3 Исследование и разработка устройств защиты скважинной аппаратуры от вибраций и ударов 81

3.3.1. Расчет устройств виброзащиты 89

3.2.1 Определение максимальной амплитуды вибраций амортизированного блока 89

3.2.2 Расчет коэффициента динамичности, частоты собственных колебаний амортизированного блока и жесткости амортизаторов 90

3.2.3. Расчет коэффициента динамичности, частоты собственных колебаний амортизационного блока и жесткости амортизаторов 91

3.2.4. Расчет амортизации, подверженной ударным воздействиям 92

3.3.2. Экспериментальное опробование амортизаторов различных конструкций 94

3.4. Разработка автономного источника питания повышенной мощности и надежности 97

3.5 Исследование и выбор устройств ввода сигнала забойного передатчика в канал связи. 100

3.6 Выбор и обоснование оптимальной функциональной схемы и способа передачи и приема сигналов по электромагнитному каналу связи 107

3.7 Метрологическое обеспечение инклинометрической аппаратуры 111

4. Результаты практического применения инклинометрических систем с электромагнитным каналом 115

4.1. Телесистемы типа ЗИС-4М и МАК-1 115

4.2 Методика работы телесистем на буровой и примеры проводки наклонно-направленных и горизонтальных нефтегазовых скважин на месторождениях Западной Сибири 121

Заключение 127

Список использованной литературы 131

Приложение 1 139

Приложение 2 147

Введение

Рост объемов кустового наклонно – направленного бурения, обусловленного экономической эффективностью бурения скважин на обширных пространствах Западной Сибири в условиях заболоченной местности, внедрения технологии бурения горизонтальных скважин протяженностью до 1 км и более и разветвленно–горизонтальных скважин из обсаженных скважин старого фонда потребовали повышения точности измерений, расширения комплекса измерительных датчиков, повышения надежности систем точнонаправленного управляемого бурения.

Применяемая в настоящее время технология направленного бурения предусматривает использование скважинных геофизических информационно–измерительных систем, встраиваемых в бурильный инструмент, обеспечивающих измерение траектории скважины в процессе бурения и передачу данных в реальном масштабе времени по проводному, гидравлическому, акустическому, гидроакустическому или электромагнитному каналу связи «забой – устье». Наибольшее применение в нашей стране нашли системы, реализованные в забойном инклинометре с электромагнитным каналом связи ЗИС – 4 ( А.А. Молчанов, АХ. Сираев и др.) и системы с проводным каналом связи: СТЭ, СТТ, «Горизонталь» (В.А. Рапин и др.).

Широко применяемые для направленного бурения скважин за рубежом и внедряемые в нашей стране телесистемы иностранных фирм (Sperry Sun, Anadrill Schlumberger и др.) с гидравлическим каналом связи требуют для предотвращения от износа управляющего потоком промывочной жидкости клапана телесистемы тщательной очистки бурового раствора от абразивных частиц. Этим определяются ограничения в применении гидравлического канала связи в условиях сурового климата России. Поэтому неслучайно работы по применению электромагнитного канала связи стали в настоящее время предметом исследований многих иностранных фирм и компаний.

Рост глубин, усложнение технологии проводки стволов по точнозаданной траектории для вскрытия протяженных горизонтальных участков потребовали расширения измерительных комплексов, повышения точности первичных преобразователей, увеличения дальности действия систем, повышения их надежности в эксплуатации.

Разработанная в 80-е годы аппаратура ЗИС-4 с электромагнитным каналом связи «забой – устье» для контроля траектории в процессе бурения, по точности измерений и надежности организации канала связи уже не удовлетворяет требованиям бурения точнонаправленных и горизонтальных скважин в условиях чередующихся маломощных пропластков. Дальность действия канала связи «забой – устье» аппаратуры ЗИС-4 для низкоомных разрезов Западной Сибири и других нефтегазовых регионов с месторождениями, находящимися над солевыми толщами на глубинах до 5 км – недостаточна. Поэтому перед автором диссертации была поставлена задача обоснования принципов построения на современной элементной базе новых высокоточных первичных преобразователей, разработки новых основных узлов аппаратуры, позволивших создавать телесистемы нового поколения с электромагнитным каналом связи «забой–устье», отвечающих требованиям надежной проводки точнонаправленных скважин в условиях бурения скважин Западной Сибири.

Целью работы является повышение эффективности проводки наклонно – направленных и горизонтальных нефтегазовых скважин Западной Сибири за счет применения телесистем нового поколения с электромагнитным каналом связи «забой – устье» повышенной дальности действия, точности измерений и расширенным комплексом измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения.

Основные задачи исследований:

1. 
   Проанализировать состояние отечественного и зарубежного опыта точнонаправленной проводки нефтегазовых скважин с помощью телесистем с различными каналами связи с забоем.
   
2. 
   Анализ геолого–технических условий работы телесистем в скважинах Западной Сибири и разработка технических требований к телесистемам с электромагнитным каналом связи с забоем.
   
3. 
   Разработать основные принципы построения оптимальной системы инклинометрических и технологических измерений в процессе бурения
   
4. 
   Исследовать комплекс первичных преобразователей геофизических и технологических параметров, выполненных на различных физико–технических эффектах и выбрать или разработать преобразователи, удовлетворяющие заданным техническим требованиям.
   
5. 
   Проанализировать состояние составляющих основных узлов различных телесистем и при необходимости разработать (усовершенствовать) их.
   
6. 
   Разработать принципы передачи и приема сигналов от измерительных преобразователей, реализацию помехоустойчивой связи телесистемы с электромагнитным каналом связи «забой–устье".
   
7. 
   Разработать методику проведения скважинных измерений аппаратурой, алгоритмы вычислений геофизических и технологических параметров и ее метрологического обеспечения измерений телесистемами.
   

Методика исследований. Решение поставленных задач потребовало проведения теоретических расчетов и экспериментальных исследований, разработки, изготовления, стендовых и скважинных испытаний отдельных узлов и конструкций, термобарических и вибрационных испытаний блоков, узлов и аппаратуры в целом, создание математических моделей сквозного канала измерений и электромагнитного канала связи «забой – устье», алгоритмов и программ вычислений и внесения поправок, повышающих точность измерений. По результатам этих исследований была разработана рабочая документация, изготовлены рабочие макеты и опытные образцы телесистем, показавшие правильность выбранных решений и подтвердивших в скважинах высокие точностные характеристики и надежности в работе.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Выполнен анализ состояния отечественного и зарубежного опыта точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин, на основании которого составлена классификация телесистем с различными каналами связи и выбрано обоснованное перспективное направление работ по электромагнитному каналу связи «забой – устье».

2. Изучены геолого-технические условия бурения нефтегазовых скважин Западной Сибири, условия работы телесистем, на основании которых были разработаны обоснованные требования к создаваемым телесистемам нового поколения.

3. Разработана оптимальная схема построения скважинной и наземной аппаратуры телесистем с электромагнитным каналом связи «забой–устье», реализующая в скважинном приборе комплекс первичных преобразователей, коммутатор каналов и аналого-цифровой преобразователь, опрашиваемых по заданной программе скважинным микропроцессором, выполняющим также преобразование сигналов в цифровой код, состоящий из последовательности синхроимпульсов, кода Баркера и информационных файлов, передаваемых двухполярными импульсами различной длительности (код Манчестер-2). Наземная аппаратура содержит высокочувствительный приемник с полосой пропускания 0,1 – 30 Гц с регулировкой верхней частоты среза в зависимости от помеховой обстановки. Обработка, дешифровка сигналов и вычисление измеренных параметров осуществляется ПЭВМ по соответствующим программам.

4. Исследованы различные первичные преобразователи угловых перемещений (на основе маятников, датчиков гравитационного и магнитного полей, гироскопические на магнитной, гидравлической и пневматической подвеске и др.) и выбраны жесткозакрепленные ортогонально размещенные акселерометры и феррозонды. В качестве технологических датчиков (измерения оборотов долота, буримости горных пород) выбраны акселерометр фирмы Analog Device, для измерений температуры – термодатчик той же фирмы. Комплекс измерений включает геофизические преобразователи – для литологического расчленения разреза — вибрационный каротаж и электрический токовый каротаж.

5. Были исследованы вибрационные и ударные перегрузки работы скважинной аппаратуры в процессе бурения, допустимые перегрузки для отдельных элементов и узлов, в результате опробований различных металлорезиновых и металлических амортизаторов с целью защиты от вибраций предложены оригинальные конструкции в виде тороидальных амортизаторов, прессованных из путанки, обеспечивающих виброзащиту от продольных колебаний в диапазоне 2-200 Гц и облегчающих режим работы скважинных устройств в 3-5 раз.

6. На основании анализа различных конструкций устройств ввода сигнала в канал связи определены оптимальные размеры, рекомендована конструкция и технология заводского изготовления электрического разделителя с защемленным электроизоляционным стеклопластиком и покрытием из стеклопластиковых и полиэфирных материалов.

В качестве автономного турбогенератора повышенной мощности и надежности разработана конструкция турбинного генератора на постоянных сверхмощных магнитах (Hg, Fe, B) мощностью около 600 Вт и магнитной муфтой с мягкой характеристикой привода. Усовершенствована конструкция герметичного электрического соединителя генератора с аппаратурным контейнером. Пересмотрена схема электронной защиты передатчика от короткого замыкания при работе в обсадной колонне.

7. Разработан метод оперативного компьютерного расчета электромагнитного канала связи «забой–устье» для различных конструкций телесистем и многослойных сред геоэлектрического разреза, позволивший прогнозировать уровень полезного сигнала с забоя в любых геоэлектрических разрезах нефтегазовых скважин. Выполнены расчеты для различных нефтегазовых месторождений Западной Сибири.

Предложена система кодирования электромагнитного сигнала при передаче в канал связи, обеспечивающая прием и надежное помехоустойчивое декодирование сигнала с глубин до 5 км.

7. Разработана впервые компьютеризированная полуавтоматическая поверочная установка для угловых измерений зенитного угла 0-180º, угла разворота 0-360º, и азимутального угла 0-360º с погрешностью, не превышающей ±2´ и программное обеспечение для автоматического ввода поправок в поверяемую аппаратуру.

8. Разработана методика юстировки датчиков, обеспечивающих высокую точность измерений в процессе проводки скважин на вертикальном, пологом и горизонтальном участках, включая контроль результатов измерений траектории в режиме разгрузки бурильной колонны, в статическом режиме (без прокачки бурового раствора).

Достоверность основных научных положений, выводов, технических решений и рекомендаций обоснована результатами математического моделирования, экспериментальными исследованиями, стендовыми и скважинными испытаниями разработанных телесистем ЗИС-4М1 и МАК-1.

Основные защищаемые положения.

1. Анализ геолого-технических условий эксплуатации телесистем в условиях точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин Западной Сибири позволил выработать технические требования к основным узлам скважинной и наземной аппаратуры, выбрать и обосновать комплекс датчиков, оптимизировать конструкцию и обеспечить надежную работу систем в условиях длительных механических, вибрационных и ударных перегрузок, воздействия температуры, давления, абразивного износа.

2. Программно – управляемая инклинометрическая телесистема повышенной надежности с расширенным комплексом измерительных геофизических (инклинометрических) и технологических преобразователей с электромагнитным каналом связи «забой – устье» на сверхнизких частотах, обеспечивающая устойчивую связь в низкоомных чередующихся разрезах Западной Сибири.

3. Методика проводки точнонаправленных нефтегазовых скважин Западной Сибири и метрологическое обеспечение на основе компьютеризованной технологии калибровки первичных неподвижно закрепленных трехкомпонентных ортогональных преобразователей гравитационного и магнитного полей.

Практическая ценность работы. По результатам исследований повышена надежность серийно выпускаемых телесистем ЗИС-4М, обоснован и разработан комплекс первичных преобразователей для измерений геофизических и технологических параметров телесистем с электромагнитным каналом связи «забой–устье», разработаны телесистема с расширенным комплексом измерений повышенной точности типа ЗИС-4М1 и МАК-1 для проводки наклоннонаправленных и горизонтальных нефтегазовых скважин Западной Сибири.

Реализация и внедрение результатов работы. При непосредственном участии автора и под его научным руководством аппаратурные, методические и программные продукты были реализованы в выпускаемом серийно ОАО ИПФ «Сибнефтеавтоматика» в телеизмерительных системах ЗИС-4М, ЗИС-4М1, успешно работающих в производственных предприятиях Западной Сибири (Спец. УБР, г. Нижневартовск – 40 комплектов, АО «Геофит» – 10 комплектов).

Результаты теоретических, экспериментальных исследований и конструкторские проработки используются с различной степенью полноты в создаваемой аппаратуре нового поколения МАК-170, МАК-108 и др.

Метод компьютерного расчета принимаемого с забоя полезного сигнала в условиях реальных многослойных геологических сред рекомендован для используемых на производстве всех систем с электромагнитным каналом связи «забой – устье».

Поверочная установка для калибровки с высокой точностью первичных преобразователей угловых измерений используется для аттестации всех выпускаемых серийно ОАО ИПФ «Сибнефтеавтоматика» телеизмерительных систем с электромагнитным и проводным каналами связи.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на различных конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе на Международной геофизической конференции (г. Москва, сентябрь 1997 г.), Научно – техническом совете Минтопэнерго по горизонтальному бурению (г. Москва, май 1997 г.), Научно – техническом совете Минтопэнерго по программе «Горизонталь» (г. Москва, 1995 г.), Международной геофизической конференции (г. Санкт – Петербург, 1995 г.), выездной сессии научно – технического совета РАО «Газпром» (г. Тверь, март 1998 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в т.ч. 5 авторских свидетельств на изобретения.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность коллегам по работе совместно с которыми были реализованы многие задумки, налажен серийный выпуск телесистем с электромагнитным каналом связи «забой – устье» и прежде всего М.И. Зимину, Н.Г. Кузнецову, А.В. Барычеву и многим другим.

Постоянный интерес в практической реализации на производстве проявляли Ю.М. Камнев, Е.И. Гаврилов, А.Н. Сараев, А.К. Хорьков.

Особую благодарность приношу своему научному руководителю доктору технических наук, профессору А.А. Молчанову, который настоял на оформлении проведенных мною исследовательских и конструкторских работ в виде диссертации, за постоянный интерес и содействие в работе.