Диссертация Г. С. Абрамова. Г. С. Абрамов телеизмерительные системы с электромагнитным каналом связи для точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин западной сибири
 Скачать 0.67 Mb.
|
1. Состояние проблемы точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин.1.1 Точнонаправленное бурение нефтегазовых скважин в России и за рубежом.Успехи технического прогресса в различных отраслях народного хозяйства, внедрение новых технических средств и передовых технологий в бурении: износостойких долот, надежных забойных турбобуров, винтовых двигателей, бурового оборудования и средств механизации и автоматизации буровых работ позволили резко повысить скорости бурения, сократить сроки бурения эксплутационных нефтегазовых скважин. Необходимость дальнейшего повышения эффективности разведки и разработки месторождений углеводородов Западной и Восточной Сибири, районов с суровыми климатическими условиями (тундра, вечная мерзлота и т.д.), желание сократить ущерб от потравы сельскохозяйственных угодий в районах с развитым земледелием, разведка месторождений на море и на шельфе морей привели к массовому кустовому бурению скважин. Необходимость лучшей отработки месторождений нефти и газа (повышение дебитов и нефтегазоотдачи продуктивных пластов, эксплуатация залежей с меньшей энергией пласта, с ухудшенными коллекторскими свойствами привело к новой технологии разработки месторождений горизонтальными и разветвленно–горизонтальными скважинами (рис. 1). Независимо от выбранного способа бурения наклонно-направленной скважины с большим (2-4º на 30 м), средним (6-10º на 30 м) или малым (4-10º на 10 м) радиусом искривления скважины точность проводки ствола скважины по заданной траектории должна быть обеспечена [50]. Решение этой задачи без применения телесистем, обеспечивающих измерение с высокой точностью параметров траектории (зенитный угол, угол положения отклонителя и азимутального угла) пока не представляется возможным. Утверждение некоторых специалистов о том, что наземными измерениями они могут решать навигационные задачи с такой же точностью, как телесистемами с датчиками, расположенными в непосредственной близости к забою, являются пока несостоятельным [34]. Особенностями всех систем телеизмерений является передача в реальном масштабе времени результатов измерений забойными датчиками на дневную поверхность для оперативного управления процессом бурения. При необходимости изменения траектории ствола буровик изменяет режим бурения (стабилизация траектории, разворот отклонителя для изменения зенитного угла (вверх – вниз) или азимутального (влево – вправо). В качестве канала связи "забой–устье" применяются проводной, гидравлический и электромагнитный каналы связи [24]. Акустический, гидроакустический каналы находятся в стадии разработки и являются перспективными также, как и возможные их комбинации (комбинированный канал связи: проводной + электромагнитный; проводной + акустический или гидроакустический) [13, 52]. За рубежом, где роторное бурение является основным способом бурения нефтегазовых скважин, широко применяются системы с гидравлическим и проводным каналом связи. Телесистемы фирмы Anadrill Schlumberger, Sperry Sun и др., использующие гидравлический канал связи "забой–устье" в качестве управляющего потоком клапана применяют переключающие поток жидкости устройства в виде заслонок или сирен. Дальность действия гидравлического канала достаточна высока (до 5 км), но скорость передачи по нему сообщений ограничена из-за значительного уровня помех на буровой, обусловленных работой буровых насосов и другого оборудования [74‑77, 90‑93]. За рубежом в области каротажа в процессе бурения наиболее успешно работают фирмы Teleco, Schlumberger, Eastman Cristensen, Halliburton (США), Sperry-Sun (Великобритания), Baker Hughes, Geoservice (США). Эти фирмы в конце восьмидесятых годов разработали и используют, в основном, телесистемы MWD с гидравлическим каналом связи (за исключением телесистемы фирмы Geoservice с электромагнитным каналом связи), позволяющие осуществлять оперативный контроль за траекторией скважин путем измерения инклинометрических параметров, некоторых технологических и в ряде случаев ГК и КС. С расширением объемов горизонтального бурения за рубежом системы MWD из достаточно дорогого и "экзотического" вида ГИС превратились в одну из обычных и широко используемых технологий проводки и каротажа скважин, а также исследования горизонтальных скважин, интенсивно совершенствуемых усилиями целого ряда фирм. Фирма Schlumberger объединила каротаж и систему измерений в процессе бурения (MWD) и ввела новый термин LWD, который обозначает системы для каротажа в процессе бурения. Петрофизические данные, получаемые в процессе бурения, помогают получить характеристику пласта до того, как образовалась зона проникновения. В результате каротаж в процессе бурения представляет надежные данные о литологии пласта, величине порового давления и механических свойствах горных пород. Системы LWD находят применение преимущественно на этапе разведки месторождений и их оценки, а также при проводке сильно искривленных и горизонтальных скважин. Будущее развитие разведки и разработки нефтяных месторождений такими фирмами как Halliburton и Anadrill (отделение компании Schlumberger) связывается с увеличением объемов применения MWD и LWD, применение которых несмотря на удорожание проводки отдельной скважины может привести к сокращению количества пробуренных скважин. Фирма Anadrill выдвинулась на первый план в 90-х годах, введя свой Slim1 - первую полностью извлекаемую систему MWD для неглубоких горизонтальных скважин малого диаметра. Система включает в себя прибор ГК и инклинометр, монтируется на удлинителе УБТ с внутренним диаметром 55,6 мм, а также применяется при бурении трубами из гибкого материала. Прибор передает информацию по гидравлическому каналу связи. Для понижения затрат на потерю прибора в скважине и сокращение времени в случае отказа прибора он сконструирован заменяемым (с использованием троса и головки овершота). Спуск в скважину осуществляется на трубах или на тросе. Кроме того, фирма Anadrill разработала новые модификации систем MWD - М3 и М10, отличающиеся более надежной системой передачи, вдвое повышенной скоростью передачи информации по гидравлическому каналу связи. Более того, на 30% увеличена мощность передачи, что обеспечивает качественную оценку пласта в реальном масштабе времени. Одним из новшеств в области измерений в процессе бурения наклонных и горизонтальных скважин является "геонаправление", при котором решения относительно дальнейшей траектории скважины принимаются на основе геологических и коллекторских данных, полученных в реальном времени. Однако в существующих системах MWD и LWD геофизические зонды, как правило, отстоят от долота на 9-30 м. Такое расположение в жестких условиях означает, что можно не получить новой информации о пласте, пока не будет выполнен значительный объем бурения, возможно, в менее чем оптимальном направлении. Система IDEAL (интегрированная система оценки и каротажа бурения) фирмы Anadrill, введенная в 1993 году, первая приступила к преодолению этих трудностей. В состав глубинной аппаратуры этой системы входят элементы, предназначенные для бурения роторным или комбинированным способами: - забойный двигатель-отклонитель, в шпиндельную секцию которого встроены приборы для замера электросопротивлений пород, естественного гамма-излучения пород и зенитного угла скважины: Geo Steering tool (управление направлением бурения) и RAB-tool (удельное сопротивление на долоте), а также генераторы электромагнитных волн для передачи замеренных данных; - специальный стабилизатор с встроенной аппаратурой аналогичного назначения (стабилизатор устанавливается непосредственно над долотом при роторном способе бурения или над забойным двигателем при комбинированном способе бурения); - устройство для приема идущих снизу электромагнитных сигналов и преобразования их в гидравлические сигналы, передаваемые на поверхность; - телеметрическая система типа М3 с гидравлическим каналом связи, совместимая практически со всеми забойными приборами, выпускаемыми компанией Anadrill Schlumberger (осевая нагрузка и крутящий момент в КНБК, компенсированный прибор замера электросопротивлений, компенсированный нейтронный плотномер и др.). При бурении забойными двигателями по отечественной технологии, требующей повышенного расхода промывочной жидкости, наличие в растворе абразивных частиц (песка), порой достигающего 10-15% , приводит к быстрому износу управляющего клапана. Необходимая в таких случаях очистка раствора до уровня 1% песка в условиях сурового климата большинства нефтегазодобывающих районов России встречает трудности, что ограничивает телесистем с гидравлическим каналом связи. Другим недостатком систем с гидравлическим каналом связи является его неработоспособность в условиях наличия газа в буровом растворе (например, при бурении на аэрированных растворах, при газопроявлениях). Телесистемы с проводным каналом связи требуют встроенной в бурильные трубы проводной линии связи, хотя и обладают способностью передать электропитание от наземного источника к забойным датчикам, принять поток информации со скоростью до 5-8 Кбит/сек. – громоздок в монтаже, ненадежен в работе и неудобен в эксплуатации. Поэтому в настоящее время все чаще буровики – нефтяники обращаются к телесистемам с электромагнитным каналом связи. Ряд иностранных фирм Teledrill, Halliburton (USA), Geoservice (Franсe) и др. наряду с работающими телесистемами с гидравлическим каналом связи, усиленно работают над системами с электромагнитным каналом связи. Так, фирма Teledrill (США) сообщила о том, что она успешно опробовала электромагнитный канал на глубине 12700 футов. Скважинная аппаратура этой телесистемы состоит из комплекса 24 аналоговых датчиков, передатчика кодированных биполярных импульсов, источника питания в виде батареи никель–кадмиевых химических источников (подзаряжаемых), обеспечивающих без перезарядки 100 часов непрерывной работы. Передающая коаксиальная антенна длиной 400-600 футов длины использует тороидальные ферромагнитные (пермаллоевые) трансформаторы. Частоты передаваемых сигналов – 2,5-5,0 Гц. Скорость передачи сообщений 2÷45 бит/сек. Сигналы передаются массивами, занимающими время 1 мин., через каждые 5 минут. Другая система Teledrill, снабженная автономным турбоагрегатом (источником питания) использует для передачи электромагнитные сигналы в диапазоне частот 5-25 Гц. Измеряются технологические параметры (обороты долота, осевая нагрузка на забой), траектория бурящейся скважины, геофизические параметры ГК, КС, температура и давление внутри и снаружи бурильных труб. Длина скважинной системы такова, что она размещается в бурильной секции длиной 30 футов. Рабочая температура систем - 400º F. В системах фирм Халлибартон, США и Геосервис, Франция, также использующих электромагнитный канал связи "забой–устье", предусмотрен обратный канал связи для управления глубинным блоком с поверхности. Эти системы измеряют положение бурового инструмента (угол наклона и азимут) с точностью соответственно 0,10-0,15º и 0,1-0,5º. Технические характеристики зарубежных телеизмерительных систем с различными каналами связи "забой–устье" для проводки и геофизических исследований наклонно – направленных и горизонтальных нефтегазовых скважин приведены в таблице 1. |