Введение к работе
Актуальность работы. Рост объемов кустового наклонно-направленного 'рения, обусловленного экономической эффективностью бурения скважин на іширньїх пространствах Западной Сибири в условиях заболоченной местности, іедрение технологии бурения горизонтальных скважин протяженностью до 1 км более и разветвленно - горизонтальных скважин из обсаженных скважин старо-' фонда потребовали повышения точности измерений траекторий, расширения імплекса измерительных датчиков, повышения надежности систем точнонаправ-інного управляемого бурения.
Применяемая в настоящее время технология направленного бурения преду-штривает использование скважинных геофизических информационно - изме-ггельных систем, встраиваемых в бурильный инструмент, обеспечивающих мерение траектории скважины в процессе бурения и передачу данных в ре-ьном масштабе времени по проводному, гидравлическому, акустическому, дроакустическому или электромагнитному каналу связи «забой - устье». Наи-ільшее применение в нашей стране нашли системы, реализованные в забойном іклинометре с электромагнитным каналом связи ЗИС-4 (А. А. Молчанов,
X. Сираев и др.) и системы с проводным каналом связи (СТЭ, СТТ, Ъризонталь-1» и др.).
Широко применяемые для направленного бурения скважин за рубежом и іедряемьіе в нашей стране телесистемы иностранных фирм (Sperry Sun, Anadrill hlumberger и др.) с гидравлическим каналом связи требуют для предотвращения износа управляющего потоком промывочной жидкости клапана телесистемы дательной очистки бурового раствора от абразивных частиц. Этим определяются раничения в применении гидравлического канала связи в условиях сурового имата России. Поэтому неслучайно работы по применению электромагнитного нала связи стали в настоящее время предметом исследований многих иностран-IX фирм и компаний.
Разработанная в 80-е годы аппаратура ЗИС-4 с электромагнитным каналом язи «забой - устье» для контроля траектории в процессе бурения по точности мерений и надежности организации канала связи уже не удовлетворяет требова-:ям бурения точнонаправленных и горизонтальных скважин в условиях чере-ющихся маломощных пропластков. Дальность действия канала связи «забой -тье» аппаратуры ЗИС-4 для низкоомных разрезов Западной Сибири и других фтегазовых регионов с месторождениями, находящимися над солевыми толща-[ на глубинах до 5 км, - недостаточна. Поэтому перед автором диссертации была ставлена задача обоснования принципов построения на современной элемент-й базе новых высокоточных первичных преобразователей, разработки новых новных узлов аппаратуры, позволивших создать телесистему нового поколения электромагнитным каналом связи «забой - устье», отвечающей требованиям
надежной проводки точнонаправленных скважин в условиях бурения скважи Западной Сибири.
Цель работы. Повышение эффективности проводки наклонно-напраї ленных и горизонтальных нефтегазовых скважин Западной Сибири за счет прі менения телесистем нового поколения с электромагнитным каналом связ «забой -устье» повышенной дальности действия, точности измерений и расші ренным комплексом измерений геофизических и технологических параметров процессе бурения.
Основные задачи исследований.
-
Проанализировать состояние отечественного и зарубежного опыта точш направленной проводки нефтегазовых скважин с помощью телесистем с разлш ными каналами связи с забоем.
-
Анализ геолого-технических условий работы телесистем в скважинах 3; ладной Сибири и разработка технических требований к телесистемам с различнь ми каналами связи с забоем.
-
Разработать основные принципы построения оптимальной системы инклі нометрических и технологических измерений в процессе бурения.
-
Исследовать комплекс первичных преобразователей геофизических и те: нологических параметров, выполненных на различных физико-технических эс фектах, выбрать или разработать преобразователи, удовлетворяющие заданны техническим требованиям.
-
Проанализировать состояние составляющих основных узлов различных т лесистей и при необходимости разработать (усовершенствовать) их.
-
Разработать принципы передачи и приема сигналов от измерительных пр< образователен, реализовать помехоустойчивую связь телесистем с электромагни ным каналом связи «забой -устье».
-
Разработать методику проведения скважинных измерений аппаратурой, а горитмы вычислений геофизических и технологических параметров и метролог; ческое обеспечение телесистем.
Методика исследований. Решение поставленных задач потребовало провед ния теоретических расчетов и экспериментальных исследований, разработки, изг товления, стендовых и скважинных испытаний отдельных узлов и конструкци термобарических и вибрационных испытаний блоков, узлов и аппаратуры в цело создание математических моделей сквозного канала измерений и электромагнитно] канала связи «забой - устье», алгоритмов и программ вычислений и внесения попр вок, повышающих точность измерений. По результатам этих исследований бы. разработана рабочая документация, изготовлены рабочие макеты и опытные обра цы телесистем, показавшие правильность выбранных решений и подтвердивших скважинах высокие точностные характеристики и надежность в работе телесистем.
Іаучная новизна работы состоит в следующем:
-
Выполнен анализ состояния отечественного и зарубежного опыта точнона-іравленного бурения нефтегазовых скважин, на основании которого составлена лассификация телесистем с различными каналами связи и выбрано обоснованное іерспективное направление работ по электромагнитному каналу связи «забой -'стье».
-
Изучены геолого-технические условия бурения нефтегазовых скважин За-іадной Сибири, условия работы телесистем, на основании которых были разрабо-аны обоснованные требования к создаваемым телесистемам нового поколения.
-
Разработаны оптимальные схемы построения скважинной и наземной ап-тратуры телесистем с электромагнитным каналом связи «забой - устье», вклю-іающие в скважинном приборе комплекс первичных преобразователей, коммута-ор каналов и аналого-цифровой преобразователь, опрашиваемые по программе, аданной скважинным микропроцессором, выполняющим также преобразование игналов в цифровой код. Передаваемый в электромагнитный канал сигнал состо-[т из последовательности синхроимпульсов, кода Баркера и информационных эайлов, представляющих собой двухполярные радиоимпульсы длительностью 1,25 и 0,08 с (код Манчестер-2). Наземная аппаратура содержит высокочувстви-ельный приемник с полосой прозрачности 0,1—30 Гц и регулировкой верхней іастотьі среза в зависимости от помеховой обстановки. Обработка, дешифровка игналов и вычисление измеренных параметров осуществляется ПЭВМ по соот-;етствующим программам в реальном масштабе времени.
-
Исследованы различные первичные преобразователи угловых переме-цений (на основе маятников, датчиков гравитационного и магнитного полей, ги-юскопические: на магнитной, гидравлической и пневматической подвеске) и вы-іраньї жесткозакрепленные, ортогонально размещенные акселерометры и ферро-онды. В качестве технологических датчиков (измерения оборотов долота, іуримости горных пород) выбраны акселерометр фирмы Analog Device, для изме-юний температуры - термодатчик той же фирмы. Комплекс измерений включает еофизические преобразователи - для литологического расчленения разреза и лектрического токового каротажа.
-
Были исследованы вибрационные и ударные перегрузки работы скважин-юй аппаратуры в процессе бурения, допустимые перегрузки для отдельных эле-іентов и комплектующих, в результате опробований различных металлорезино-;ых и металлических амортизаторов предложены оригинальные конструкции в :иде тороидальных амортизаторов, прессованных из путанки, обеспечивающих іиброзащиту от продольных колебаний в диапазоне 2 — 200 Гц и облегчающих іежим работы скважинных устройств в 3 — 5 раз.
-
На основании анализа различных конструкций устройств ввода сигнала в :анал связи определены оптимальные размеры электрического разделителя, реко-«ендована конструкция с защемленным электроизоляционным стеклопластиком,
покрытием из стеклопластиковых и полиэфирных материалов, технология его заводского изготовления.
В качестве автономного турбогенератора повышенной мощности и надежности разработана конструкция турбинного генератора на постоянных сверхмощных магнитах (Hg, Fe, В) мощностью около 600 Вт с магнитной муфтой и мягкой характеристикой привода. Усовершенствована конструкция герметичного электрического соединителя генератора с аппаратурным контейнером. Предусмотрена схема электронной защиты передатчика от короткого замыкания при работе в обсадной колонне.
6. Разработан метод оперативного компьютерного расчета электромагнит
ного канала связи «забой - устье» для конкретных конструкций аппаратуры \
многослойных различных сред геоэлектрического разреза, позволивший про
гнозировать полезный сигнал с забоя в любых геоэлектрических средах нефте
газовых скважин. Выполнены расчеты для различных нефтегазовых месторож
дений Западной Сибири.
Предложена система кодирования электромагнитного сигнала при передаче б канал связи, обеспечивающая прием и надежное помехоустойчивое декодирование сигнала с глубин до 5 км.
-
Разработана впервые компьютеризированная полуавтоматическая поверочная установка для угловых измерений зенитного угла 0— 180, угла разворо та 0 — 360, и азимутального угла 0 — 360 с погрешностью, не превышающее ±2' и программное обеспечение для автоматического ввода поправок в поверяемую аппаратуру.
-
Разработана методика работ на буровой, обеспечивающая высокую точность измерений в процессе проводки скважин на вертикальном участке, участка набора кривизны и на пологом или горизонтальном участках, включая контролі результатов измерений траектории в режиме разгрузки бурильной колонны, в ста тическом режиме (без прокачки бурового раствора).
Достоверность основных научных положений, выводов, технических решений и рекомендаций обоснована результатами математического моделирования экспериментальными исследованиями, стендовыми и скважинными Hcm>iTaH^MJ разработанных телесистем ЗИС-4М1 иМАК-1.
Основные защищаемые положения.
1. Анализ геолого-технических условий эксплуатации телесистем в условия: точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин Западной Сибири позволш выработать технические требования к основным узлам скважинной и наземної аппаратуры, выбрать и обосновать комплекс датчиков, оптимизировать конструк цию и обеспечить надежную работу систем в условиях длительных механических вибрационных и ударных перегрузок, воздействия температуры, давления, абра зивного износа.
-
Программно-управляемая инклинометрическая телесистема с электромаг-штным каналом связи «забой - устье» на сверхнизких частотах, обеспечи-тющая устойчивую связь в низкоомных чередующихся разрезах Западной Пибири, повышенной надежности и расширенным комплексом измеритель-шх геофизических, в т. ч. инклинометрических и технологических преобра-ювателей.
-
Методика проводки точнонаправленных нефтегазовых скважин Западной Гибири и метрологическое обеспечения на основе компьютеризованной техноло-ии калибровки первичных преобразователей.
Практическая ценность работы. По результатам исследований повышена шдежность серийно выпускаемых телесистем ЗИС-4М, обоснован и разработан юмплекс первичных преобразователей для измерений геофизических и техноло-ических параметров телесистем с электромагнитным каналом связи «забой -'стье», разработана телесистема с расширенным комплексом измерений повы-иенной точности типа МАК для проводки наклонно-направленных и горизон-альных нефтегазовых скважин Западной Сибири.
Реализация и внедрение результатов работы. При непосредственном уча-тии автора и под его научным руководством были реализованы аппаратурные, гетодические и программные продукты в выпускаемом серийно ОАО ИПФ Сибнефтеавтоматика» в телеизмерительных системах ЗИС-4М, ЗИС-4М1, МАК-1, спешно работающих в производственных предприятиях Западной Сибири (Спец. ^БР, г. Нижневартовск - 40 комплектов, АО «Геофит» - 10 комплектов, ООО РекомГео» - 7 комплектов).
Результаты теоретических, экспериментальных исследований и конструктор-кие проработки используются с различной степенью полноты в создаваемой ап-аратуре нового поколения МАК-170, МАК-108 и др.
Метод компьютерного расчета принимаемого с забоя полезного сигнала в усло-иях реальных многослойных геоэлектрических сред рекомендован для используемых а производстве всех систем с электромагнитным каналом связи «забой - устье».
Поверочная установка для калибровки с высокой точностью первичных пре-бразователей угловых измерений используется для аттестации всех выпускаемых грийно ОАО ИПФ «Сибнефтеавтоматика» телеизмерительных систем с электро-агнитным каналом связи и рекомендуется для калибровки других систем и приоров для инклинометрических измерений, в т.ч. проводным каналом связи.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на различ-ых конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе на Международной геофи-іческой конференции (г. Москва, сентябрь 1997 г.), Научно-техническом совете Іинтопзнерго РФ по горизонтальному бурению (г. Москва, май 1997 г.), Научно-;хническом совете Минтопэнерго по программе «Горизонт» (г. Москва, 1995 г.), Іеждународной геофизической конференции (г. Санкт-Петербург, 1995 г.), выезд-эй сессии научно-технического совета РАО «Газпром» (г. Тверь, март 1998 г.).
Аппаратура демонстрировалась на международных выставках: «Нефть и газ». Тюмень, сентябрь 1996 г., «Нефть и газ», Москва, 1997 г., «Нефть и газ», Москва, июнь 1998 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в т. ч. 5 авторских свидетельств на изобретения.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Она изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 93 наименований.
