Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности

ЗАБОЙНЫЕ ТЕЛЕСИСТЕМЫ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Брантов А.А.

Научный руководитель: Гормаков А.Н., к.т.н., доцент

г. Томск, Россия

Содержание

• Введение
• 1. Условия работы ЗТС (факторы, влияющие на работу телесистем)
• 2. Актуальность создания новых забойных телеметрических систем с улучшенными характеристиками
• 3. Обзор существующих ЗТС (магнитометрических и гироскопических)
• 3.1 Магнитометрические ЗТС
• 3.1.1 Основные достоинства магнитометрических ЗТС
• 3.2 Гироскопические ЗТС
• 3.2.1 Инклинометры на основе ВОГ
• 3.2.2 Инклинометры на основе ТВГ
• Заключение
• Список литературы

Введение

Непрерывный рост темпов разведки и добычи нефти и газа, увеличение интенсивности уже найденных месторождений за счёт применения кустового бурения и горизонтальной проводки месторождений потребовало существенного повышения точности диагностики и активного контроля пространственного положения ствола скважины.

Инклинометр, как измерительная система, используется в важнейшем технологическом процессе - строительстве скважин. По его показаниям маркшейдер контролирует соответствие профиля и плана скважины проектному заданию и корректирует соответствующим образом процесс бурения. Поэтому точность производимых измерений и оперативность их представления во многом определяют и стоимость затрат на построение скважины в целом.

Разработкой таких систем занимается ряд специализированных отечественных и зарубежных фирм (Schlumberger, Sperry Sun- Halliburton, СИБНА-Тюмень, GyroLogic и др.). Однако, отечественные инклинометры уступают зарубежным по техническим характеристикам, а последние имеют очень высокую стоимость.

1. Условия работы ЗТС (факторы, влияющие на работу телесистем)

Для геометрического расчета положения ствола скважины необходимо знать зенитный угол и азимут для определенной глубины по стволу. Как только прибор оказался в скважине, кроме неточности калибровки инклинометра на измерения начинает воздействовать множество внешних факторов, которые не имеют эффекта на поверхности. Эти факторы представляют собой неоднородность магнитного поля, нарушения соосности между прибором и скважиной, температуру, колебания КНБК (Компоновка низа буровой колонны) во время снятия замера и т.д. Также появляются погрешности определения глубины по стволу для замера, вызванные растяжением инструмента под действием собственного веса и температуры.

Другим фактором, оказывающим наибольшее влияние на северных географических широтах, где находится значительная часть месторождений России, является наличие магнитных бурь, вызванных повышенной солнечной активностью.

Стандартные модели не могут учитывать резких изменений свойств магнитного поля, вызванных такими непредсказуемыми явлениями, как местные магнитные аномалии и магнитные бури.

Магнитные аномалии - области на поверхности Земли, в которых значение и направление вектора магнитного поля Земли существенно отличается от нормальных значений, определяемых моделью.

Под влиянием магнитных аномалий и геомагнитных бурь точность определения положения скважин существенно снижается, ошибки аккумулируется намного быстрее. Это ведет к таким проблемам, как повышенные риски пересечений скважин, геологические неопределенности, нарушение сетки разработки месторождений и выходы за границы лицензионных участков.

2. Актуальность создания новых забойных телеметрических систем с улучшенными характеристиками

Очевидно, что отсутствие непрерывной информации с забоя скважины приводит к увеличению сроков строительства скважины, повышению стоимости проходки, снижению безопасности проведения работ. Эти факторы и сложившиеся в последнее время условия бурения, повысившие ответственность в принятии решений при производстве буровых работ, обусловили поиск путей, средств, методов разработки и создания эффективных информационно-измерительных систем (ИИС) для промыслово-геофизических исследований.

Не подлежит сомнению, что любые косвенные измерения отличаются большой погрешностью, а иногда и значительной сложностью, поэтому наземные системы, не предназначенные для прямых измерений забойных параметров, не могут обеспечить крайне важной и достоверной информацией.

Вышеперечисленные проблемы можно решить с помощью забойных телеметрических систем. Поэтому развитие и улучшение технических характеристик для данных систем крайне необходимо в современных условиях добычи нефти и газа.

В бурении телеметрическими системами принято называть группу инклинометрических приборов и систем, не требующих для получения информации остановки бурения.

В наклонно-направленном и горизонтальном бурении возникает необходимость обеспечения эффективного контроля пространственного положения ствола скважины с целью точного попадания забоя скважин в заданную точку и соблюдению проектного профиля скважины.

В общем случае телеметрические системы осуществляют измерение первичной скважинной информации, ее передачу по каналу связи забой - устье, прием наземным устройством, обработку и представление оператору результатов обработки.

Существующие ЗТС (рис. 1) включают следующие основные части:

1) забойную аппаратуру;

2) наземную аппаратуру;

3) канал связи;

4) дополнительные блоки (забойный источник электрической энергии для телесистем с беспроводной линией связи, антенну и принадлежности к ней для электромагнитной линии связи и прочее).

Рис.1. Структурная схема забойной телеметрической системы: ПП - первичные преобразователи, СУ - система управления, СШ - системная шина

Забойная часть телесистемы включает первичные преобразователи измеряемых параметров, таких как:

1. Первичные преобразователи (ПП) направления бурения (зенитного угла в точке измерения, азимута скважины, направления отклонителя);

2. ПП геофизических параметров (данных каротажа) (геофизические зонды, измеряющие кажущееся сопротивление горных пород, самопроизвольную поляризацию, гамма-каротаж, электромагнитный каротаж);

3. ПП технологических параметров бурения (датчики, измеряющие параметры процесса бурения, такие как осевая нагрузка на долото, момент реактивный или активный, частота вращения долота, давление внутри и снаружи бурильной колонны).

3. Обзор существующих ЗТС (магнитометрических и гироскопических)

Наклонно-направленное бурение давно стало основным видом бурения как на суше, так и на море при бурении скважин с платформ различных типов. Одновременно с развитием наклонно-направленного бурения существует тенденция повышения требований к точности попадания забоя скважин в заданную точку и к соблюдению проектного профиля скважины. В связи с этим возникает необходимость обеспечения эффективного контроля пространственного положения ствола скважины. При бурении наклонно-направленных скважин применяется комплекс работ, включающий специальное оборудование, инструмент, приборы, особые технологические приемы, и связанный как с заданием направления ствола скважины, так и с постоянным контролем за положением оси ствола скважины в пространстве. Последнее является задачей инклинометрии.

В настоящее время телеметрические системы контроля в сочетании с методико-математическим и программным обеспечением дали технологам небывалые возможности, в корне изменив методы их работы.

В горном деле инклинометры определяют, кроме величины отклонения от вертикали (зенитного угла) ещё и направление этого отклонения (азимут плоскости отклонения). В некоторых случаях инклинометры определяют и третий угол (апсидальный), характеризующий положение скважинного прибора по отношению к апсидальной плоскости.

3.1 Магнитометрические ЗТС

Инклинометр с магнитными датчиками определяет свою ориентацию в пространстве путем измерения вектора напряженности магнитного поля Земли. Для навигации используется известное свойство магнитного поля Земли: его горизонтальная компонента всегда направлена на магнитный северный полюс, то есть инклинометр работает по принципу компаса, только в скважинных условиях.

Основным недостатком данных забойных телесистем является погрешность измерений, связанная с непостоянством геомагнитного поля.

Основное магнитное поле по своей природе непостоянно и изменяет свойства с течением времени. Поэтому, чтобы избежать "блуждающего" ориентира, при бурении применяется поправка на постоянный географический север, представляющая собой разницу между направлениями на географический и магнитный северный полюс для определенного местоположения скважины и определенного времени. Эта разница называется магнитным склонением [1]. Для определения магнитного склонения и остальных свойств геомагнитного поля в индустрии используются геомагнитные модели, которые создаются на основе измерений, полученных со спутника [1], оснащенного магнитными датчиками.

3.1.1 Основные достоинства магнитометрических ЗТС

1. Измерение и запись информации в "память" при подъеме инструмента.

2. Возможно управление форматом измерения и передачи информации с поверхности, без подъема телесистемы из скважины.

3. Телесистемы могут работать при гидростатическом давлении до 100 МПа, температуре окружающей среды до 125 °С [6] в широком диапазоне расходов бурового раствора.

4. Измерение навигационных и геофизических параметров возможно как в процессе бурения, так и в "статике" без циркуляции бурового раствора.

Технические характеристики отечественных и зарубежных магнитометрических забойных телесистем приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнение показателей инклинометров забойных систем

Показатели	ЗИС-4М (СИБНА-Тюмень) [7]	ЗИС (ГЕОФИТ-Томск) [8]	МАК-01 (СИБНА-Тюмень) [7]	СТТ [9]	NL Sperry Sun [9]	Goodata MWD (Halliburton) [9]	Anadrill (Schlumberger) [10]
Диаметр прибора, мм	170	170	114	108-170	170	100 (170,203)	165 (178,203)
Длина прибора, м	6	6	8	5.5-9	2.7 (7.3)	5.3	9.1 (12.2)
Максимальная рабочая температура, град.	100	110	100	100	125	150	150
Расчетное давление, МПа	60	60	60	100	105	140	140
Диапазон глубин, м	5000	3000	до 5000	5000	5000	3000	3000
Источник питания	автономный турбогенератор	автономный турбогенератор	автономный турбогенератор	наземный по кабелю	литиевые батареи	литиевые батареи	автономный турбогенератор
Диапазон измерения: Зенитный угол, град	0-90	0-120	0-180	0-100	0-90	0-90	0-90
Азимут, град	0-360	0-360	0-360	0-360	0-360	0-360	0-360
Угол установки отклонителя, град	0-360	0-360	0-360	0-360	0-360	0-360	0-360
Частота вращения долота, об/мин	10-1500	10-1500	10-1500		10-1500	10-1500	10-1500
Погрешность: Зенитный угол, мин	+/- 40 мин	+/- 6 мин	+/- 15мин	+/ 1град	+/- 6 мин	+/- 36 мин	+/- 30 мин
Азимут, град	+/- 4	+/- 3	+/- 15мин	+/- 6	+/- 1	+/- 1.5	+/- 0.9
Угол установки отклонителя, град	+/- 4	+/- 3	+/- 15мин	+/- 6	+/- 6 мин	+/- 1	+/- 0.6
Частота вращения долота, об/мин	+/- 10	+/- 10	+/- 10	+/- 6	+/- 1.5	+/- 2.5	+/- 2.5
Наземное оборудование	IBM PC	IBM PC	IBM PC	IBM PC	IBM PC	IBM PC	IBM PC
Канал связи	Беспроводный электромагнитный	Беспроводный электромагнитный	Беспроводный электромагнитный	кабель	Акустический	Гидроакустический	Гидравлический
Количество измеряемых параметров	5	5	6	3	6	12 (включая каротаж)	7

3.2 Гироскопические ЗТС

В качестве чувствительных элементов в данных телеметрических системах используются волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) [2] и твердотельные волновые гироскопы (ТВГ) [3].

3.2.1 Инклинометры на основе ВОГ

Достоинства данных приборов заключаются в следующем:

1. Широкий диапазон измеряемых параметров

2. Возможность работы в условиях больших перегрузок

3. Высокая точность

4. Малые габаритно-массовые характеристики

Исследованием и разработкой телесистем на основе ВОГ занимаются специалисты многих стран, в том числе и России. Суть эффекта, который положен в основу работы ВОГ [2]. состоит в том, что время прохождения потока квантов по замкнутому контуру во вращающейся системе координат отличается от времени прохождения потока квантов по такому же контуру в неподвижной системе координат.

Оптический контур гироскопа состоит из сверхтонкого оптоволокна, намотанного на катушку. Излучение от источника подается на светоделитель и разделяется на два потока лучей. Эти лучи, обходя замкнутый оптоволоконный контур, подаются на фотодетектор, на выходе которого образуется электрический сигнал. После обработки сигнала с помощью электроники, можно получить информацию о скорости поворота волоконнооптического контура вокруг измерительной оси прибора.

В настоящее время производством инклинометров данного типа занимается шведская компания "GyroLogic" [4]. Ниже представлены технические характеристики прибора.

Технические характеристики GyroTracer Directional

• Диапазон измерения азимута, град. 0-360°.

• Погрешность измерения азимута: при w < 60° (w - широта места), град. ± (1,2°-1,8°) при w > 60°, град. ± (0,6-0,9) secw.

• Погрешность определения координат в непрерывном режиме: 0,2% от пройденного пути.

• Диапазон измерения зенитного угла, град. 0-180°.

• Погрешность измерения зенитного угла, град. ± 0,05°.

• Диапазон измерения угла установки отклонителя, град. 0-360°.

• Погрешность измерения угла установки отклонителя, град. ±1,0°.

• Диапазон рабочих температур -30°C до +100°C.

• Диапазон рабочих температур в батарейном режиме работы - 30 °C до +85 °C.

• Максимальное рабочее давление скважинного прибора 70 Мпа.

• Скорость съемки до 150 м/мин.

Особенности и преимущества:

• Обеспечивает высокоточную и надежную инклинометрию скважин.

• Не подвержен влиянию магнитного поля Земли.

• Не требует предварительной калибровки и ориентации в устье перед началом замера.

• Непрерывный режим съемки.

• Высокая скорость движения скважинного прибора по стволу скважины до 150м/мин.

• Не требует дополнительных приспособлений.

• Измерение азимута относительно "истинного Севера".

• Экспорт измеренных данных в Exсel и другие стандартные форматы.

• Оптимальные массогабаритные характеристики прибора, компактность, мобильность.

Габаритные размеры:

• Диаметр скважинного прибора 42 мм.

• Длина сенсорного модуля 950 мм.

• Длина модуля телеметрии 400 мм.

• Длина батарейного модуля 700 мм.

• Вес 8 кг.

• Габариты наземной панели 165 мм х 220 мм х 85 мм.

• Вес наземной панели 2 кг.

3.2.2 Инклинометры на основе ТВГ

Твердотельный волновой гироскоп [3] включает в себя (рис. 2, рис 3): цилиндрический резонатор, смонтированный в корпусе, и расположенные на нижней пластине восемь пьезоэлементов, закрепленных с помощью клея. При этом, нижняя пластина выполнена сплошной и соединена с резонатором через буртик. Технический результат - повышение точности при несущественном изменении частоты резонатора.

Рис.2. Твердотельный волновой гироскоп



Рис.3. Твердотельный волновой гироскоп

Рис. 3 поясняет принцип работы гироскопа. Пьезоэлементы действуют как для создания вибрации резонатора, так и как приемники вибрации, когда после механического воздействия на них с выхода идет электрический сигнал.

Гироскоп работает следующим образом. На пьезоэлементы 1-2 подается переменный сигнал с генератора порядка 6,0 кГц (резонанс гироскопа) напряжением от 1 до 5 В. Пьезоэлементы 3-4 снимают выходной сигнал, идущий на коррекцию генератора по амплитуде и фазе. Пьезоэлементы 5-6 используются как датчик угла, а пьезоэлементы 7-8 как датчик момента. То есть налицо датчик угловой скорости (ДУС), когда сигнал с датчика угла (ДУ) идет через усилитель на датчик момента (ДМ) (пластины 7-8 пьезоэлементов). Ток, текущий через усилитель и пьезоэлементы 7-8, является мерилом угловой скорости. Ось чувствительности такого ДУСа направлена перпендикулярно плоскости восьми пьезоэлементов.

Производством ТВГ для забойных телеметрических систем занимается фирма "Медикон" [5]. Малогабаритный резонатор фирмы "Медикон" (рис.4).



Рис. 4. Малогабаритный резонатор фирмы "Медикон"

Параметры беззубцового резонатора, определяющего точностные характеристики ТВГ:

1. Рабочая частота 8кГц

2. Диаметр 30мм

3. Высота 32мм

4. Добротность 1,5 * 10^7

5. Разночастотность <0,005Гц

6. Остаточный дисбаланс по всем формам <30мкг

Достоинства ТВГ:

1. Малые габаритные размеры d=40 мм.

2. Малая потребляемая мощность 1,2 Вт.

3. Большой ресурс работы 15 лет.

4. Отсутствие влияния электромагнитных и радиационных помех.

5. Высокая виброударопрочность механической части.

Рис.5. ДУС на основе ТВГ

Характеристики датчика угловой скорости на основе ТВГ [5] (рис. 5).

1. Случайная составляющая дрейфа 0,1 град/час.

2. Максимальная измеряемая скорость 300 град/с.

3. Потребляемая мощность 1,5 Вт.

4. Вес механической части датчика 160 г.

Заключение

бурение скважина гироскоп инклинометрия

В настоящее время наиболее широкое применение благодаря сравнительно невысокой стоимости получили магнитометрические забойные телесистемы.

Основным фактором, снижающим достоверность результатов измерения магнитометрическими инклинометрами, является неоднородность и нестабильность магнитного поля Земли по глубине ствола скважины.

В связи с эти в последние годы ведущие фирмы осуществляют разработку забойных телесистем на основе гироскопических приборов.

Основным недостатком забойных телеметрических систем на основе гироскопов является очень высокая стоимость их производства. Однако, работы по повышению надежности и снижению стоимости гироскопических чувствительных элементов позволят в ближайшие годы создать конкурентоспособные системы.

Список литературы

1. Журнал "Бурение и Нефть" [Электронный ресурс] URL: burneft.ru/archive/issues/2015-06/43 (дата обращения: 05.01.2018)

2. В.Г. Терешин, Г.А. Иванова Перспективы использования волоконно-оптических гироскопов в инклинометрии [Электронный ресурс] URL: https://cyberleninka.ru/article/v/perspektivy-ispolzovaniya-volokonnoopticheskih-giroskopov-v-inklinometricheskoy-tehnike (дата обращения:05.01.2018)

3. В.К. Струк, А.Г. Максимов, Ермаков В.С. Твердотельный волновой гироскоп [Электронный ресурс] URL: www.findpatent.ru/patent/254/2544870.html (дата обращения: 05.01.2018)

4. Инклинометр GyroLogic [Электронный ресурс] URL: www.stockholmprecisiontools.com/res/uploads/20160829145951-gyrologicbrochure.pdf (дата обращения: 05.01.2018)

5. Измерение траектории скважин [Электронный ресурс] URL: http://www.medicon-miass.ru/publication (дата обращения: 05.01.2018)

6. Телеметрические системы в процессе бурения [Электронный ресурс] URL: http://site-to-you.ru/web/ref-11590.php (дата обращения: 05.01.2018)

7. Магнитометрические инклинометры [Электронный ресурс] URL: http://sibna.ru/ (дата обращения: 05.01.2018)

8. Геофит, г. Томск [Электронный ресурс] URL: http://geofit.ru/ (дата обращения: 05.01.2018)

9. Halliburton [Электронный ресурс] URL: http://www.halliburton.com (дата обращения: 05.01.2018)

10. Schlumberger [Электронный ресурс] URL: http://www.slb.com/ (дата обращения: 05.01.2018)

Размещено на Allbest.ru

...