Применение модулей геофизических исследований скважин и методика обработки данных в процессе бурения
В ряде случаев целесообразно в качестве дополнительной информации с забоя иметь данные о расходе промывочной жидкости с целью определения герметичности замковых соединений бурильного инструмента, изучения режима очистки забоя от шлама; целесообразно также измерять температуру на забое с целью изучения теплового режима бурения скважины.
Очень информативным параметром бурения является вибрация бурильного инструмента. Она характеризует как процесс разрушения горных пород, так и свойства разбуриваемых пластов (упругие характеристики, литологический состав и др.).
Измерение геофизических параметров в процессе бурения скважин позволяет получить сведения о литологическом составе и удельных электрических сопротивлениях пластов, не затронутых проникновением фильтрата промывочной жидкости в пласт, что дает возможность надежно выделять продуктивные горизонты, исключая их пропуск, а по изменению характеристик пластов — прогнозировать приближение зон аномально высокого или аномально низкого пластовых давлений, границ продуктивного пласта. Кроме того, наличие в измерительном комплексе геофизических зондов различной глубинности обеспечивает возможность измерений параметров пластов с целью изучения динамики образования зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости в призабойной зоне.
Измерение естественной радиоактивности горных пород, окружающих скважину, как правило, дает возможность провести литологическое расчленение разреза и в комплексе с электрическими характеристиками пласта – выделять границы пласта, расчленять разрез на отдельные пропластки. Как правило, контроль режима бурения осуществляется станцией геолого-технологических исследований по показаниям наземных датчиков. К ним относятся: измерение механической скорости бурения, веса на крюке, расхода промывочной жидкости и давления на стояке, газовый и люминесцентный и др. каротаж.
Данные геофизических исследований, полученные в процессе бурения могут служить в большинстве скважин надежным критерием интерпретации результатов с целью дальнейшего планирования работ на скважине (опробования объектов, отбора керна и др.). В этих случаях комплекс ГИС, проводимый аппаратурой на кабеле, может быть сокращен, соответственно уменьшено время на задалживание скважин для проведения ГИС.
Объединение перечисленных комплексов в единую телеизмерительную систему требует передачи большого объема информации и может быть реализовано только с каналом, обладающим высокой пропускной способностью.
Характерной особенностью телеизмерительных систем в процессе бурения является то, что выход из строя любого блока скважинной аппаратуры приводит к потере информации до конца рейса и требует извлечения глубинного прибора на земную поверхность для восстановления его работоспособности.
Повышенные вибрации, воздействие агрессивной и абразивной среды, удары, механические нагрузки на сжатие и растяжение, кручение, повышенные давление и температура – требуют разработки специальных мер защиты, применения износостойких высокопрочных материалов, прочных покрытий.
Учет специфических требований к скважинным информационно-измерительным системам различного назначения позволяет обеспечить необходимую надежность систем, продлить срок их эксплуатации в скважинных условиях. Особое значение имеет надежная работа при значительных вибрациях и механических нагрузках.
Таким образом, комплекс скважинных измерений в процессе бурения: скорости вращения режущего инструмента — долота, осевой нагрузки и крутящего момента, вибрации долота, расхода и температуры промывочной жидкости, угловых параметров траектории определяет технологический режим бурения, его оптимальность.
Регистрация естественной радиоактивности горных пород, измерение акустических и электрических свойств окружающих скважину горных пород в процессе бурения обеспечивают литологическое расчленение геологического разреза, определение насыщенности пласта, выделение зон аномальных пластовых давлений, пеленгации границ продуктивного пласта на наклонных пологих и горизонтальных участках бурения нефтегазовых скважин.
2.2 Обзор современных видов телесистем, применяемых при проводке горизонтальных и наклонно-направленных скважин.
2.2.1 Обзор отечественных и зарубежных забойных телесистем.
Проблемой создания телеметрических систем для контроля забойных параметров начали заниматься в мире в середине 1940-х гг. В основном эти работы проводились в США на уровне выполнения поисковых работ. Уже в начале 1950-х гг. были созданы опытные образцы телесистем с гидравлическим каналом связи забой - устье для измерения кажущегося удельного сопротивления проходимых горных пород. В дальнейшем проводились поисковые работы по разработке телесистем с проводным и электромагнитным (беспроводным) каналами связи, однако наибольшее распространение за рубежом в практике бурения получили телесистемы с гидравлическим каналом связи, хотя они имеют существенные недостатки по отношению к качеству бурового раствора, а так же к работе бурового насоса и бурового оборудования. В отечественной практике бурения получили телесистемы с электромагнитным каналом связи, хотя и телесистемы с электромагнитным каналом имеют свои недостатки, на передачу сигнала сильно влияют и высокоомные, и низкоомные пласты.
2.2.2 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.
Из трех видов ЗТС с акустическим каналом связи сейсмические системы применяются пока только для пассивного контроля координат забоя. Из-за недостаточной точности определения положения забоя (десятки метров) они еще находятся на стадии научных и экспериментальных исследований.
Сложность и многообразие свойств гидроакустического канала в скважине обусловили его слабую изученность. До настоящего времени ЗТС с гидроакустическим каналом связи на практике не использовались. Одной из центральных проблем в создании гидроакустического канала является разработка низкочастотного (до 100…200 Гц) излучателя, способного эффективно возбуждать колебания внутри колонны бурильных труб в скважине.
В 1993 гг. в Акустическом институте им. акад. Н. Н. Андреева по заданию ЗАО НПК "Геоэлектроника сервис" в рамках НИР "Скважина-ЗТС" и НИР "Горизонталь" была разработана экспериментальная аппаратура передачи информации (АПИ) по гидроакустическому каналу в скважине для забойной телеметрической системы ЗТС - ГАК (Научный руководитель - Д. П. Фролов). Система ЗТС - ГАК предназначалась для нахождения параметров ориентации ствола наклонно направленной или горизонтальной скважины, а также сервисных параметров, отражающих условия ее работы непосредственно в процессе бурения.
В 1998 г. по предложению НПК «Геоэлектроника сервис» экспериментальный образец аппаратуры для передачи информации по гидроакустическому каналу связи АПИ был модернизирован. Проведены скважинные испытания АПИ совместно с филиалом «Оренбурггаз» на одной из бурящихся скважин Оренбургского месторождения. Акустические сигналы принимались без прокачки раствора с глубины 1000 м, с прокачкой – с глубины 200 м. Предварительно установлено, что каналом передачи информации, помимо промывочной жидкости, могла быть и сама бурильная колонна. В целом результаты разработки и испытаний экспериментального образца аппаратуры АПИ показали, что гидроакустический канал может быть использован как высоконадежное и недорогое средство связи, в частности, в ЗТС с комбинированным каналом.
Среди зарубежных телесистем практически не встречаются телесистемы с акустическим каналом связи, однако в настоящее время фирма Schlumberger предложила передачу акустических сигналов в процессе бурения скважин (заявка Великобритании № 2357527). Характерной особенностью предлагаемой телесистемы является ее независимость от параметров бурового раствора, так как акустический сигнал распространяется по трубам и только на дневной поверхности он трансформируется в электромагнитные колебания. Устройство включает в себя полую штангу, на которой располагаются датчики, помещенную в буровую трубу и связанную с ней с помощью механических и электрических контактов.
2.2.3 Телесистемы с гидравлическим каналом связи
Широкое распространение гидравлического канала связи для передачи информации вызвано следующими его преимуществами:
- гидравлический канал связи 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;
- гидравлический канал связи обладает большой дальностью действия.
Первые телеметрические системы, разработанные в начале 1960-х гг. во ВНИИБТ, представляли собой механические устройства, привод которых был конструктивно связан с валом турбобура. К таким телеметрическим системам относятся гидротурботахометры ГТН-2, ГТН-3, ГТН-4, ГТН-ПН, ИЧТ, которые в то время являлись единственными телеметрическими приборами, обеспечивающими непрерывный телеконтроль режима работы турбобура. Гидротурботахометры успешно использовались как при бурении опорно-технологических скважин и обычных скважин, так и при бурении сверхглубоких скважин (Кольская сверхглубокая СГ-3 и Саатлинская СГ-1).
Первая в нашей стране более совершенная телеметрическая система с гидравлическим каналом связи для наклонно направленного бурения под названием СНБ (сигнализатор направления бурения), а затем ГИТ (гидравлическая инклинометрическая телесистема), позволяла осуществлять контроль за азимутом, зенитным углом и направлением действия отклонителя.
С 1982 г. началось широкое внедрение усовершенствованного варианта телесистемы под шифром «Индикатор частоты вращения вала турбобура ИЧТ» в производственных объединениях Белоруснефть, Ноябрьскнефтегаз, Укрнефть Сургутнефтегаз, Каспморнефтегазпром. При применении «Телесистемы ИЧТ» были получены высокие показатели бурения: достигнуто увеличение механической скорости и проходки на долото по Западной Сибири.
В настоящее время разработкой телесистем с передачей информации по гидравлическому каналу связи занимается НИИ ТС «Пилот» (г. Уфа), которому удалось создать экспериментальный образец телесистемы, осуществляющей контроль процесса бурения.
За рубежом в области каротажа в процессе бурения наиболее успешно работают фирмы Schlumberger, Halliburton (США), Sperry-Sun (Великобритания), Baker Hughes, Teleco, Eastman Cristensen (США), Эти фирмы в конце восьмидесятых годов разработали и используют телесистемы MWD с гидравлическим каналом связи, позволяющие осуществлять оперативный контроль за траекторией скважин путем измерения инклинометрических параметров, некоторых технологических и в ряде случаев ГК и КС
В настоящее время зарубежные фирмы разрабатывают и предлагают системы LWD с гидравлическим каналом связи с набором методов, не уступающим системам каротажа на кабеле. Как правило, эти системы состоят из отдельных модулей, каждый из которых имеет ЗУ в скважинном приборе, позволяющее запоминать скважинные данные во время работы прибора. Кроме того, информация о пластах передается в реальном времени по каналу связи на поверхность. В настоящее время разработаны и широко используются системы с так называемыми «положительными» и «отрицательными» импульсами. Их отличиями является то, что при «положительных» импульсах (рис.2.2) происходит перекрытие внутритрубного пространства клапаном, что приводит к повышению внутритрубного давления, этот всплеск (на 0,7сек) давления и является импульсом основного сигнала, который фиксируется датчиком давления, установленным в манифольд, а далее наземной аппаратурой входящей в комплект телесистемы. В случае с «отрицательными» импульсами (рис.2.3), клапан открывается и выпускает буровой раствор в затрубное пространство, и при этом происходит падение (на 0,7сек) давления. Регистрация импульса происходит таким же образом.
Актуальным и перспективным направлением деятельности зарубежных фирм стала разработка систем «геонаправления», при которых выбор и корректировка траектории скважины производится на основе геологических данных о пласте, полученных в реальном времени. В таких системах измерительные датчики располагаются вблизи от долота, в отличие от систем предшествующего поколения, где датчики отстоят от долота на 9…30 м.
Примером таких телесистем является новый прибор MWD фирмы Halliburton Strata Tracher (ТМ), первый в промышленности малогабаритный прибор, измеряющий гамма-излучение с азимутальным сканированием и отклонение на долоте, динамическую и статическую инклинометрию и измерение 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.
Фирма Baker Hughes INTEQ также обладает более чем пятнадцатилетним опытом в проведении MWD в любых буровых условиях на месторождениях по всему земному шару, имеет в своем распоряжении полную серию систем MWD как для контроля направления, так и для оценки пласта, рассчитанных на температуру 125…150°С и давление 140 МПа: навигационные приборы MWD малого диаметра Teleco Navigamma и Teleco Navitrac, навигационные приборы MWD большого диаметра - Navigator, Teleco DDG и DG, приборы для проведения каротажа в процессе бурения Teleco MDL, MNP и DPR, образующие комбинированный прибор Triple Combo, а также прибор, сочетающий навигационную систему Navitrac с измерением сопротивления - NaviMPR и прибор Teleco RGDä для измерения удельного электрического сопротивления в комбинации с измерением инклинометрических параметров и ГК.
Фирма Schlumberger также рекламирует новый прибор Slim Access, транспортируемый на трубах в повторно разбуриваемую скважину диаметром 95 мм с резкими изменениями направления ствола величиной 40 град. 30 м. применение этого прибора сэкономило фирме Albert Energy Co. суточное время при каротаже трудного участка скважины ниже колонны бурильных труб с открытыми концами.
Одним из примеров технических решений по совершенствованию гидравлического канала связи является заявленный фирмой Schlumberger помехоустойчивый генератор интенсивных импульсов давления для системы MWD. В системе обеспечивается максимизация интенсивности сигналов при минимальной вероятности искажений сигналов, обусловленных частицами, взвешенными в буровом растворе. В системе используется модулятор, содержащий статор с отверстиями, через которые протекает буровой раствор, и ротор, вращающийся относительно статора. В результате генерируются импульсы давления (патент США 6219301).
2.1.4 Электромагнитный (беспроводный) канал связи
Работами С. Я. Литвинова, И. К. Саркисова (1959 г.), Е. А. Полякова (1962 г.), О. П. Шишкина (1962 г.) была установлена возможность использования колонны бурильных труб в качестве электрического канала для передачи информации с забоя на земную поверхность.
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 забой-устье при турбинном и роторном бурении скважин (рис. 2.4).
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 они обладают и существенными преимуществами: 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.
Лидером в разработке бескабельных систем является ОАО НПП «ВНИИГИС». В 1969 г. на основе технических решений аппаратуры БЭТА-1 разработана аппаратура КУБ-1, предназначенная для проведения электрического каротажа в процессе турбинного бурения. В последующее десятилетие во ВНИИГИС разработана телеметрическая система ЗИС-1 для автоматического контроля за направлением скважин в процессе бурения и телеизмерительная система «Забой» для измерения в процессе бурения нефтяных и газовых скважин геофизических и технологических параметров.
Рис.2.4.
С 1991 года разработанные во ВНИИГИС забойные телесистем с беспроводным электромагнитным каналом связи типа ЗИС-4 используются в производственном режиме для проводки горизонтальных скважин. В последующий период во ВНИИГИС продолжаются работы по совершенствованию телесистемы ЗИС-4 и разрабатываются новые малогабаритные телесистемы с беспроводным электромагнитным каналом связи. С января 1999 года началась эксплуатация первой промышленной партии малогабаритной телесистемы ЗТС54-ЭМ при проводке горизонтальных и наклонно-направленных боковых стволов малого диаметра в Туймазинском УБР АНК «Башнефть». С этого времени проведено более 130 боковых стволов, в том числе 10 горизонтальных, максимальная протяженность которых составляет 250 м.