Для чего нужна телесистема в бурении
Телеметрическое сопровождение бурения наклонно-направленных скважин
Вы будете перенаправлены на Автор24
Классификация и состав телеметрических систем
Телеметрическая система бурения скважин— это совокупность оборудования, предназначенного для измерения параметров бурения скважин с целью контроля данного процесса.
Современные телеметрические системы, которые используются в процессе бурения наклонно-направленных скважин, во время своей работы могут предоставлять информацию о техническом состоянии оборудования, положении рабочих инструментов в пространстве, параметрах режима бурения, составе геологического разреза. Нынешние телеметрические системы классифицируют по:
Пример конструкции телеметрической системы изображен на рисунке.
Рисунок 1. Пример конструкции телеметрической системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
ПП — первичные преобразователи; СУ — система управления; СШ — системная шина.
Телеметрическое сопровождение бурения наклонно-направленных скважин
Наклонно-направленна скважина — это скважина, имеющая сложный профиль, который включает в себя верхний вертикальный интервал, за которым следуют участки с заданными отклонениями от вертикали.
Выбор телеметрической системы зависит от типа залежи, толщины пласта, кривизны, диаметра разрушающего инструмента, от поставленных задач. Основная задача телеметрической системы при бурении наклонно-направленных скважин заключается в постоянном контроле плановой траектории, а также сохранении долота внутри «коридора», который проходит в пределах вскрываемого пласта
Готовые работы на аналогичную тему
Телеметрические системы в процессе бурения наклонно-направленных скважин должны обеспечивать:
Телеметрическое сопровождение процесса бурения наклонно-направленных скважин представляет собой получение всей необходимой информации со всех участков, где производятся буровые работы. Все полученные данные поступают на специальный пункт, на котором они подвергаются сортировке, обработке и фиксации. Получение информации дает возможность оператору телеметрического оборудования анализировать получаемые данные и принимать необходимые меры, которые связаны с процессом бурения скважины и направлены на предупреждение возникновения аварийной ситуации. Телеметрическое сопровождение бурения наклонно-направленных скважин состоит из трех компонентов.
В настоящее время наиболее распространены три основных способа передачи данных в процессе бурения скважин. К ним относятся гидравлические, электроприводные и электромагнитные каналы связи. Самым надежным и эффективным из них является гидравлический, так как в этом случае проводником является столб бурового раствора, что исключает необходимость дополнительных затрат на обеспечение передачи сигнала. Современные разработки и материалы делают возможным передачу информации о параметрах бурения без существенных искажений. Телеметрические системы позволяют осуществлять процесс бурения наклонно-направленных скважин в любых климатических условиях и независимо от состава грунта
ЗАБОЙНЫЕ ТЕЛЕСИСТЕМЫ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
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.
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.
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.
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:
дополнительные блоки (забойный источник электрической энергии для телесистем с беспроводной линией связи, антенну и принадлежности к ней для электромагнитной линии связи и прочее).
Забойная часть телесистемы включает первичные преобразователи измеряемых параметров, таких как:
Первичные преобразователи (ПП) направления бурения (зенитного угла в точке измерения, азимута скважины, направления отклонителя);
ПП геофизических параметров (данных каротажа) (геофизические зонды, измеряющие кажущееся сопротивление горных пород, самопроизвольную поляризацию, гамма-каротаж, электромагнитный каротаж);
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).
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.
Рис.1. Структурная схема забойной телеметрической системы:
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.
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.
Основные достоинства магнитометрических ЗТС:
Измерение и запись информации в «память» при подъеме инструмента.
Возможно управление форматом измерения и передачи информации с поверхности, без подъема телесистемы из скважины.
Телесистемы могут работать при гидростатическом давлении до 100 МПа, температуре окружающей среды до 125 °С [6] в широком диапазоне расходов бурового раствора.
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
По-русски — телеметрия, по-английски — MWD
О.К. РОГАЧЕВ, к.т.н.,
ОАО НПО «Буровая техника» — ВНИИБТ
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 маркшейдерских 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.
Создание телеметрических систем контроля за положением отклоните-ля, забойными параметрами ствола скважины в процессе бурения (включая устройства управления режимами бурения) придало значительный импульс научно-техническому прогрессу в области бурения скважин на нефть и газ. В настоящее время телеметрические системы контроля в сочетании с методико-математичес-ким и программным обеспечением дали технологам небывалые возможности, в корне изменив методы их работы.
Азбука телеметрических систем
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 телесистемы включают следующие основные части:
Забойная часть телесистемы включает первичные преобразователи измеряемых параметров, таких как:
К первичным преобразователям направления бурения относятся:
Данные от первичных преобразователей через коммутатор поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), затем через кодирующее устройство (КУ), усилитель-передатчик поступают в канал связи. На поверхности закодированная различными способами информация расшифровывается в обратном порядке и поступает на системы отображения и обработки для принятия решений по технологическому режиму.
Каналы связи
На протяжении многих лет основным препятствием для практического использования измерений в процессе бурения был канал связи. Он является основным и решающим фактором, так как именно от него зависит конструкция телесистем, компоновка, информативность, надежность, удобство работы, а также условия прохождения сигналов.
Диапазон существующих в настоящее время каналов весьма широк, и представлен гидравлическим, электромагнитным, акустическим, электропроводным и многими другими типами каналов связи (РИС. 1).
В результате многолетних исследований и практического использования в реальных условиях бурения широкое применение нашли три канала связи:
У каждого из этих каналов связи имеются свои преимущества и недостатки. Разнообразие условий бурения, а также экономическая целесообразность определяют каждому каналу связи свою область применения. Остановимся подробнее на преимуществах и недостатках каждого из рассматриваемых каналов связи.
Электропроводной канал связи (ЭКС)
ЭКС в России в силу многих причин нашел значительное, но недостаточное применение. Этот канал обладает преимуществом перед всеми известными каналами связи — это максимально возможная информативность, быстродействие, многоканальность, помехоустойчивость, надежность связи; отсутствие забойного источника электрической энергии и мощного передатчика; возможность двусторонней связи; не требует затрат гидравлической энергии; может быть использован при работе с продувкой воздухом и с использованием аэрированной промывочной жидкости. К недостаткам электропроводного канала связи относятся наличие кабеля в бурильной колонне и за ней, что создает трудности при бурении; затраты времени на его прокладку; необходимость защиты кабеля от механических повреждений; невозможность вращения колонны (неактуально при применении токосъемника, устанавливаемого под вертлюгом); невозможность закрытия превентора при нахождении кабеля за колонной бурильных труб; необходимость доставки (продавки) забойного модуля или контактной муфты до места стыковки (посадки) при зенитных углах более 60° с помощью прода-вочного устройства (имеются варианты проложения кабеля внутри труб через вертлюг).
Гидравлический канал связи (ГКС)
Телесистемы с ГКС отличаются от других наличием в них устройства, создающего в потоке бурового раствора импульсы давления. Для генерирования импульсов давления в буровом растворе используются несколько различных по типу устройств. Сигнал, создаваемый ими, подразделяется на три вида: положительный импульс, отрицательный импульс или непрерывная волна (РИС. 2).
Положительные импульсы генерируются путем создания кратковременного частичного перекрытия нисходящего потока бурового раствора. Отрицательные — путем кратковременных перепусков части жидкости в затрубное пространство через боковой клапан. Гидравлические сигналы, близкие к гармоническим, создаются с помощью электродвигателя, который вращает клапан пульсатора. Гидравлические импульсы со скоростью около 1250 м/с поступают по столбу бурового раствора на поверхность, где закодированная различными способами информация декодируется и отображается в виде, приемлемом для восприятия оператором.
Предпочтение в применении телесистем с ГКС базируется как на относительной простоте осуществления связи по сравнению с другими каналами связи, так и на том, что этот канал не нарушает (по сравнению с ЭКС) технологические операции при бурении и не зависит от геологического разреза (по сравнению с ЭМКС). Недостатки данного канала связи — низкая информативность из-за относительно низкой скорости передачи, низкая помехоустойчивость, последовательность в передаче информации, необходимость в источнике электрической энергии (батарея, турбогенератор), отбор гидравлической энергии для работы передатчика и турбогенератора, невозможность работы с продувкой воздухом и аэрированными жидкостями.
Электромагнитный канал связи (ЭМКС)
Системы с ЭМКС используют электромагнитные волны (токи растекания) между изолированным участком колонны бурильных труб и породой. На поверхности земли сигнал принимается как разность потенциалов от растекания тока по горной породе между бурильной колонной и приемной антенной, устанавливаемой в грунт на определенном расстоянии от буровой установки (РИС. 3).
К преимуществам ЭМКС относится несколько более высокая информативность по сравнению с гидравлическим каналом связи. К недостаткам — дальность связи, зависящая от проводимости и перемежаемости горных пород, слабая помехоустойчивость, сложность установки антенны в труднодоступных местах.
В ТАБЛ. 1 приводятся сравнительные характеристики телеметрических систем российских и зарубежных производителей с каналами связи различных типов.
Учитывая недостатки применяемых каналов связи, необходимо их совершенствовать, а также разрабатывать новые каналы, так как разнообразные горно-геологические условия, различные технико-технологические аспекты проводки скважин и экономические факторы предъявляют более высокие требования к информативности процесса бурения.
Представляет интерес возможность использования комбинированного канала связи. Суть этого вида связи заключается в использовании нескольких каналов связи одновременно — как вариант, это могут быть гидравлический, электромагнитный, механический и частично электропроводный, например, как ретранслятор. Для реализации этого вида связи в телеметрической системе устанавливаются гидравлический пульсатор и электромагнитный передатчик. Информация принимается на поверхности обычным способом для этих каналов связи. По механическому каналу связи принимается информация по вибрации долота. Электропроводной канал может быть использован для частичного погружения в колонну бурильных труб или за трубами для приема и ретрансляции ослабленных информационных сигналов от телеметрической системы при больших глубинах. Применение комбинированного канала связи позволит частично решить многолетние споры о перспективности дальнейшего использования того или иного канала связи забой — устье.
По пути усложнения
Одним из важных достижений в области совершенствования телеметрических систем являются модульные системы. Рассчитанные на максимальную эффективность и гибкость, эти системы более дешевы и экономичны по сравнению с любыми другими. Все оборудование такой системы имеет модульную конструкцию с полной совместимостью модулей, что дает возможность приобретать его в любом наборе, в виде отдельных секций или полным комплектом. Использование подобных систем помимо контроля навигационных и технологических параметров позволяет частично проводить комплекс геофизических исследований без остановки процесса бурения (технология logging while drilling (LWD) — геофизические исследования в процессе бурения). В частности, с помощью систем подобного типа можно осуществлять контроль за следующими параметрами:
Однако при современном уровне развития техники и технологий бурения информация о характеристиках пласта, получаемая в процессе бурения, является недостаточной. Необходимо иметь данные о кровле и подошве пласта, информацию о разрезе впереди долота, а также информацию о приближении к соседним скважинам, что особенно важно при разбу-ривании морских месторождений, где количество скважин, построенных относительно близко друг от друга, достигает нескольких десятков.
Усложнение процесса бурения стимулирует дальнейшее развитие разработок телеметрических систем. Основными направлениями совершенствования являются: увеличение количества измеряемых и передаваемых на поверхность параметров бурения, скорости передачи информации; создание в забойных устройствах автоматов, самостоятельно управляющих процессом проводки скважин (управляемый отклонитель, прибор корректирования нагрузки на долото и др. механизмы); использование двухсторонней связи забой — устье. Существенное повышение точности и качества проводки высокотехнологичных скважин невозможно без совершенствования наземного бурового комплекса, способного автономно или при минимальном вмешательстве оператора осуществлять бурение в продуктивном пласте с учетом особенностей его фактического строения. Создание интеллектуально-автоматизированной буровой установки, которая будет контролировать и корректировать работу бурильщика, а в некоторых случаях — осуществлять бурение скважины или выполнение определенных операций в автоматическом режиме, является одним из приоритетных направлений зарубежных и отечественных производителей бурового оборудования.
Принципиальная блок-схема комплекса автоматического управления бурением скважины представлена на РИС. 4.
Система включает два комплекса параметров: забойные (телеметрическая система) и наземные (система контроля наземных параметров бурения). Возможности забойной части системы по сбору и первичному преобразованию данных подробно описаны выше. Система наземного контроля может быть представлена станцией геолого-технического контроля.
Основными задачами системы автоматизированного управления проводкой скважины являются:
Система автоматизированного управления проводкой наклонных и горизонтальных скважин позволит повысить качество строительства скважин, точность выполнения проектов, исключить субъективные ошибки персонала буровой установки даже при среднем уровне его квалификации, что даст существенную экономию при строительстве скважин.
Телеметрические системы для бурения
Телеметрические системы для бурения скважин представляют собой комплекс датчиков, фиксирующих и передающих информацию о состоянии оборудования и показателях его работы на специальный пульт, где она обрабатывается и анализируется. Это позволяет оператору эффективно контролировать ход работ и предотвращать возникновение аварийных ситуаций.
Принципиальной особенностью систем телеметрии в бурении скважин является передача значений на значительные расстояния. Важным требованием к системам телеметрии является выбор такого типа сигнала, который в процессе передачи от забоя до устья скважины будет минимально искажаться.
В общем случае в состав телеметрических систем для бурения скважин входит аппаратура на поверхности и в зоне забоя и канал передачи данных. В частных случаях среди компонентов телеметрической системы для бурения может присутствовать забойный источник электроэнергии (относится к системам с беспроводной передачей данных), технологическую оснастку (используется при организации проводного канала связи), немагнитные утяжеленные бурильные трубы (при использовании систем, использующих магнитометры для первичных преобразователей азимута) и другие элементы.
Забойная аппаратура, входящая в состав телеметрических систем для бурения, включает перечень первичных преобразователей, которые воспринимают и подготавливают для передачи параметры работы: направления бурения, геофизические и технологические параметры буровых работ. После преобразования эти данные по каналу связи передаются на наземную аппаратуру, где расшифровываются и предоставляются оператору в качестве основания для принятия решений по технологическому процессу.
С момента появления первых телеметрических систем основной проблемой оставалась реализация канала связи. Он должен обеспечивать не только надежность работы, но и точность передачи данных. От способа организации канала связи телеметрической системы зависит ее компоновка, а как следствие – удобство работы, надежность и эффективность. На сегодняшний день наибольшее распространение получили три основных типа канала – электроприводный, электромагнитный и гидравлический.
Развитие современных телеметрических систем для бурения направлено на повышение точности передачи сигнала, увеличения количества измеряемых параметров, увеличение скорости передачи данных и их обработки, реализация двусторонних систем связи и автоматических систем управления.
Чтобы задать вопрос или сделать заявку,
нажмите на кнопку ниже: