Телеизмерительные системы с электромагнитным каналом связи для точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин Западной Сибири

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 (A.A. 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 (Speny 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 наклоннонаправленных 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 скважин ных 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 reo лого-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 стеклоплаетиковых и полиэфирных материалов.

В качестве автономного турбогенератора повышенной мощности и надежности разработана конструкция турбинного генератора на постоянных сверхмощных магнитах (Hg, Fe, В) 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 0−180°, угла разворота 0−360°, и азимутального угла 0−360° 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 скважииными 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 научнотехнического 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, A.B. 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 A.A. Молчанову, который настоял на оформлении проведенных мною исследовательских и конструкторских работ в виде диссертации, за постоянный интерес и содействие в работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненных исследований автором получены следующие результаты.

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».

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

Разработана оптимальная система схема построения скважинной и наземной аппаратуры телесистем с электромагнитным каналом связи «забой-устье», включающая в скважинном приборе комплекс первичных преобразователей, коммутатора каналов и аналогоцифрового преобразователя, опрашиваемых по заданной программе скважинным микропроцессором, выполняющим преобразование сигналов в цифровой код, состоящий из последовательности синхроимпульсов, кода Баркера и информационных файлов, передаваемых фазоманипулируемыми двухполярными импульсами длительностями 0,25 с и 0,08 с (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 и дешифровка сигналов и вычисление измеренных параметров осуществляется ПЭВМ по соответствующим программам.

Исследованы различные первичные преобразователи угловых перемещений (на основе маятников, датчиков гравитационного и магнитного полей, гироскопические — на магнитной, гидравлической и пневматической подвеске) 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 — виброкаротаж для литологического расчленения разреза и электрического токового каротажа.

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

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 стеклопластиковым покрытием из стеклопластиковых и полиэфирных материалов.

В качестве автономного турбогенератора повышенной мощности и надежности разработана конструкция турбинного генератора на постоянных сверхмощных магнитах (Hg, Fe, В) с мощностью около 600 Вт и магнитной муфтой с мягкой характеристикой привода для бурильной колонны диаметром 170 мм и мощностью 250 Вт — для бурильной колонны диаметром 108 мм. Усовершенствована конструкция герметичного электрического соединителя генератора с аппаратурным контейнером. Пересмотрена схема электронной защиты передатчика от короткого замыкания при работе в обсадной колонне.

Разработан метод оперативного компьютерного расчета электромагнитного канала связи «забой — устье» для конкретных конструкций и многослойных сред геоэлектрического разреза, позволивший прогнозировать полезный сигнал с забоя в любых геоэлектрических средах нефтегазовых скважин различных разрезов. 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 в бурящихся скважинах Западной Сибири.

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

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).

Разработана конструкторская документация, изготовлены и испытаны в стендовых и скважинных условиях Западной Сибири несколько видов телесистем различного диаметра с электромагнитным каналом связи для проводки наклонно — направленных, горизонтальных и разветвленногоризонтальных скважин. Налажен их промышленный выпуск в ОАО ИПФ «Сибнефтеавтоматика» г. Тюмень.

Дальнейшим развитием телесистем с электромагнитным каналом связи является расширение комплекса измерений инклинометрических, технологических и геофизических параметров, введение обратного канала «устье — забой» для управления забойным скважинным прибором, что позволит изменять программу опроса датчиков исходя из их приоритетности на различных участках траектории скважины. Не исчерпаны возможности электромагнитного канала по дальности действия пространственными измерениями, измерения магнитной составляющей электромагнитного поля, применение корректирующих кодов с обнаружением и исправлением ошибок при приеме слабых сигналов в условиях сильных помех. При размещении приемных антенн на дне моря электромагнитный канал перспективен при бурении скважин на море и на шельфе морей, для этого приемную антенну с предварительным и аналого-цифровым преобразователем усилителем размещать в герметичном контейнере на дне моря и по проводной линии связи передать сигнал к приемной аппаратуре, находящейся на поверхности.