Объект исследования — аппаратурное обеспечение высокочастотного электромагнитного каротажа нефтегазовых скважин непосредственно в процессе бурения, включая разработку конструкции электронных узлов и силового радиопрозрачного корпуса прибора электромагнитного каротажа применительно к условиям высоких механических нагрузок, сопровождающих процесс бурения.
Повсеместное увеличение объёма бурения горизонтальных скважин * (ГС) потребовало создания новых типов геофизической аппаратуры — систем каротажа в процессе бурения и автономных комплексов, доставка которых к забою осуществляется на бурильных трубах. Исследования ГС автономными комплексами сопряжено со значительными затратами времени на спускоподъёмные операции бурового инструмента. Существенную экономию времени можно получить, осуществляя каротаж непосредственно в процессе бурения. Жесткие требования по механической прочности, виброи ударостойкости, пониженному энергопотреблению, предъявляемые к аппаратуре каротажа в процессе бурения, приводят к компромиссным реше-щ ниям, которые, как правило, ухудшают метрологические свойства такой аппаратуры в пользу её механической прочности.
Приборы электромагнитного каротажа в процессе бурения, выпускаемые несколькими зарубежными фирмами и внедряемые в нашей стране (Sperry Sun, Anadrill Schlumberger и др.), монтируются в металлических корпусах. Это приводит к трудностям при количественной интерпретации диаграмм: не в полной мере решена задача учёта влияния металлического корпуса прибора на результаты измерений. Металлические детали силового корпуса прибора, расположенные вблизи генераторных и приёмных катуЩ шек, приводят к сильному искажению электромагнитного поля и, как следствие, к существенным систематическим погрешностям измерения. Это не отвечает возросшим требованиям к качеству каротажного материала и необходимы новые подходы к разработке силового корпуса аппаратуры с учётом современных достижений в производстве радиопрозрачных композиционных материалов.
Поэтому весьма актуальной является разработка аппаратуры высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения, выполненной в стеклопластиковом корпусе, не уступающей по метрологическим характеристикам кабельным или автономным модификациям.
Цель исследований — повышение достоверности результатов электромагнитных зондирований в процессе бурения нефтегазовых скважин путём разработки аппаратуры высокочастотного электромагнитного каротажа для исследования скважин непосредственно в процессе бурения в корпусе из полимерного композиционного материала, исключающего возникновение систематических погрешностей, связанных с влиянием металлических элементов конструкции корпуса, расположенных вблизи катушек. Решаемые научные задачи.
1. Разработать структурную и принципиальные схемы электронных узлов прибора и телеметрической системы, работоспособных в условиях воздействия нагрузок, связанных с процессом бурения (повышенная температура, вибрация, удары, пониженное энергопотребление).
2. Разработать аппаратуру высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения в непроводящем силовом корпусе из полимерного композиционного материала.
3. Получить диаграммы высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения.
Фактический материал, методы исследования, аппаратура.
Автор в значительной мере опирался на результаты теоретических исследований по созданию метода и аппаратуры высокочастотного электромагнитного каротажа — ВИКИЗ, полученные в Институте геофизики СО РАН (Антонов Ю.Н., Даев Д. С., Табаровский JI.A., Эпов М.И.). Кроме того, при выполнении инженерных расчётов по разработке силовых узлов радиопрозрачного корпуса автор использовал теорию сопротивления материалов в применении к анизотропным композиционным материалам.
Основной метод исследований — стендовые и полевые эксперименты, а также аналитические оценки, инженерные расчёты, компьютерное моделирование функционирования электронных узлов, физическое моделирование.
Исследования искажающего влияния металлических концевых элементов радиопрозрачного корпуса на показания зондов проводились на основе аналитических оценок, физического эксперимента на макете зонда в непроводящей среде (воздухе), в модели однородной проводящей среды (баке) и в реальных скважинах путём сравнения показаний с кабельной аппаратурой.
Прочностные характеристики материала корпуса экспериментально проверялись на стендах ФНПЦ «Алтай» (1999, Бийск). Натурный корпус прибора перед скважинными испытаниями испытан на герметичность и Щ прочность давлением 66 МПа в установке высокого давления Hi 1111 А.
Луч" (2000, Новосибирск). Механическая прочность корпуса прибора проверена на трубной базе СУБР-1 (2002, Сургут) растягивающей нагрузкой 900 кН и крутящим моментом 35 кНм.
В процессе скважинных испытаний отрабатывались вопросы привязки глубин и технология передачи информации на поверхность с помощью геофизического кабеля, выведенного в затрубье с «мокрым» разьёмом. Кроме того опробована комбинированная кабельная линия связи, состоящая Ф из кабельной вставки и специальных труб для электробурения.
Достоверность результатов скважинных испытаний в части электромагнитного каротажа обеспечивалась методами лабораторного тестирования прибора с помощью образцового набора мер импеданса ИМ-1, изготовленного во ФГУП «Сибирский государственный НИИ метрологии» и зарегистрированного в государственном реестре средств измерения РФ. Детекторы ГК калибровались с помощью малоактивного объёмного имитатора естественной гамма активности пород, изготовленного и поверенного во ВНИИЯГ (2002, Раменское).
На базе проведённых исследований было изготовлено 4 комплекта аппаратуры высокочастотного электромагнитного изопараметрического каротажа в процессе бурения (ВИКПБ). Два комплекта аппаратуры ВИКПБ-7А, в автономном варианте с аккумуляторным блоком питания и энергонезависимой памятью, успешно прошли опытно-промышленную эксплуатацию на Фёдоровском месторождении ОАО «Сургутнефтегаз». Всего в течение 2002 г. с применение ВИКПБ было пробурено 6 горизонтальных стволов, причём в работе использовался 1 комплект аппаратуры, а другой был в резерве. Прибор использовался как при наборе кривизны (турбинное бурение), так и при проходке горизонтального участка (турбинно — роторное бурение). В общей сложности прибор находился в скважине 609 час. Информация, зарегистрированная прибором в процессе бурения, после подъёма инструмента считывалась из памяти, привязывалась по глубине и пересылалась в контрольно-интерпретационную партию треста «Сургутнефте-геофизика» для интерпретации. Непосредственно на скважине проводилась оперативная интерпретация, результаты которой использовались для коррекции траектории ствола скважины. По итогам опытно-промышленного использования ВИКПБ-7А был подписан акт, подтверждающий пригодность аппаратуры к промышленному использованию.
Защищаемые научные результаты: 1. Разработана и научно обоснована конструкция зондовой системы прибора электромагнитного каротажа в процессе бурения и силовой корпус из полимерного композиционного материала на базе стеклопластика.
КППН, работоспособные в условиях турбинного и турбинно — роторного ф бурения ГС и повышенной рабочей температуры (до +125 °С).
2. Разработаны электронные узлы аппаратуры устойчивые к воздействию температуры и виброударным нагрузкам, сопровождающим процесс бурения. Термостойкость (до +125 °С) обеспечена оптимизацией алгоритмов их работы и применением резонансных усилителей мощности с высоким КПД. Устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам (до 700 мс) обусловлена заливкой вибропоглощающего компаунда и применением резинометаллических амортизаторов.
3. Получены диаграммы высокочастотного электромагнитного зондирования непосредственно в процессе бурения.
Новизна работы. Личный вклад.
Впервые в мировой практике разработан прибор для электромагнитного каротажа в процессе бурения в силовом радиопрозрачном корпусе, состоящем из двух коаксиально расположенных труб из стеклопластика КППН. Новизна технического решения заключается в том, что все механические нагрузки, связанные с процессом бурения, воздействуют на наружную трубу, которая может заменяться по мере износа в процессе эксплуата-# ции. На внутреннюю трубу действует лишь гидравлическое давление, и не передаются механические нагрузки, поэтому на ней расположены элементы зондовой системы. В кольцевом герметичном межтрубном пространстве размещены электронные узлы, которые функционируют при нормальном давлении.
1. В аппаратурной части:
— выбрана и обоснована оригинальная коаксиальная конструкция и проведён расчёт силового радиопрозрачного корпуса из высокопрочного ^ стеклопластика, прочностные характеристики которого (предельная разрывная нагрузка 2500 кН, разрушающий крутящий момент 45 кНм) не уступают стальным бурильным трубам;
— разработана структурная схема и электронные узлы прибора электромагнитного каротажа, в том числе резонансные усилители мощности с минимальным энергопотреблением и термостабильный виброустойчивый генератор, осуществляющий прямой синтез гетеродинных частот;
— выбраны оптимальные частоты настройки контуров приёмных катушек, снижающие зависимость начальных фазовых сдвигов зондов (нулей воздуха) от температуры и проводимости среды с ±0,45° до ±0,16°;
— получена аналитическая зависимость величины начального фазового сдвига каждого из зондов от частоты, длины и электрических характеристик коаксиального кабеля, подающего гетеродинный сигнал к смесителям зонда.
2. В области технологии применения и метрологического обеспечения:
— разработан стенд для натурных гидравлических испытаний стекло-пластикового корпуса на воздействие высокой температуры и давления;
— на базе имитатора ИМ-1 разработан изготовлен и аттестован образцовый имитатор проводящей среды для калибровки зондов электромагнитного каротажа;
— разработан, изготовлен и аттестован малоактивный объёмный источник радиоактивности для калибровки канала ГК;
— разработан комбинированный высокоскоростной канал связи «забой-устье» на базе серийно выпускаемых труб для электробурения и кабельной проставки со специальными быстромонтируемыми разъёмами и вращающимся электровводом в ведущей штанге;
— получены результаты скважинных испытаний прибора электромагнитного каротажа в процессе бурения ВИКПБ в корпусе из композитных материалов;
— впервые в России зарегистрированы диаграммы высокочастотных электромагнитных зондирований непосредственно в процессе бурения.
Практическая значимость результатов.
Практическая значимость работы — в развитии метода и технологии ВИКИЗ и его распространении на новую область применения — исследования пологих и горизонтальных нефтяных скважин непосредственно в процессе бурения. Разработанная аппаратура имеет ряд преимуществ перед существующей.
Во-первых, использование силового корпуса из непроводящего композиционного материала повысило точность и достоверность высокочастотных электромагнитных зондирований в применении к каротажу в процессе бурения.
Во-вторых, повторные записи диаграмм каротажного зондирования одного и того же интервала, которые осуществляются при бурении и после его завершения во время спускоподъёмных операций, позволяют изучать во времени техногенные процессы фильтрации буровой жидкости в коллекторы. Высокая точность измерений удельного сопротивления предоставляет возможность определять характер насыщения пластов-коллекторов.
В-третьих, высокоскоростная телеметрическая система с кабельным каналом позволяет в реальном времени получать большой объём геофизической информации и открывает возможность передачи на поверхность практически неограниченного объёма технологической информации.
В-четвёртых, конструкция прибора обладает высокой ремонтопригодностью и позволяет осуществлять замену изношенного силового корпуса в условиях эксплуатации, что продлевает ресурс аппаратуры и снижает эксплуатационные расходы.
В-пятых, применение прибора при бурении горизонтальных и пологих скважин может дать ощутимый экономический эффект, сократив сроки строительства скважин за счёт исключения промежуточных каротажей, выполняемых, обычно, кабельной или автономной аппаратурой.
Апробация работы.
Материалы исследований докладывались на конференциях и симпозиумах: Всероссийской научно — практической конф. «Состояние и пути развития индукционного каротажа» (Новосибирск, 1998), Всероссийской научно — практической конф. «Пути развития и повышения эффективности электрических и электромагнитных методов изучения нефтегазовых скважин» (Новосибирск, 1999), III конгрессе нефтегазопромышленников России, «Новые технологии в геофизике» (Уфа 2001), Всероссийской научнопрактической конф. «Геофизические исследования в нефтегазовых скважинах» (Новосибирск, 2002), Всероссийской научно — практической конф. «Информационное обеспечение строительства нефтяных и газовых скважин» (Москва, 2005). Международной научно практической конференции «Инновационные технологии для нефтегазового комплекса» (Новосибирск, 2005). Результаты работы прошли экспериментальную проверку на Само-тлорском и Черногорском месторождениях (Нижневартовск, 1999 — 2000), Фёдоровском месторождении (Сургут, 2001 — 2002) при бурении вертикальных и наклонно направленных скважин.
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 патента. Автор является одним из составителей Методического руководства «Технология исследования нефтегазовых скважин на основе ВИКИЗ» (2000г.), утверждённого Минтопэнерго РФ в качестве руководящего материала.
В процессе работы автора поддерживали многие коллеги, которым я искренне признателен.
Д.т.н. Антонову Ю. Н. за неоценимую помощь в изучении метода и аппаратуры ВИКИЗ.
Д.т.н. Ельцову И. Н. за полезные советы и многочисленные обсуждения проблем электромагнитного каротажа.
К.т.н. Ульянову В. Н. за помощь в интерпретации результатов каротажа в процессе бурения.
К.т.н. Жмаеву С. С. за помощь при расчётах зондовой системы и имитатора однородной среды ИМ-1 для ВИКПБ.
Директору фирмы ВКТ (г. Нижневартовск) — Вислополову П. А., который на свой страх и риск разрешил провести первые скважинные испытания опытного образца прибора ВИКПБ и гл. инженеру — Массарову X. М., приложившему много усилий для обеспечения этих испытаний.
Коллективу ЗАО МНПП «Алтик» (г. Бийск) и его руководителям, директору Михайлову М. М. и гл. инженеру Демченко А. И. за оперативное решение множества проблем, возникавших в процессе проектирования и изготовления стеклопластикового корпуса.
Автор глубоко благодарен генеральному директору ЗАО НПП ГА «Луч» К. Н. Каюрову, который смог убедить в реальности создания подобной аппаратуры, оказывал постоянную помощь при разработке, изготовлении и испытаниях прибора.
Автор считает своим долгом выразить благодарность всему коллективу ЗАО НПП ГА «Луч» и его ведущим специалистам: гл. инженеру Лавру-хову В. Т., начальнику КБ 2 Глухову А. В., ведущему инженеру Киселёву В. В. — за профессионализм и компетентность при решении задач разработки, изготовления и испытаний аппаратуры на стендах и в скважинах.
Автор особенно признателен научному руководителю д.т.н. Э. Е. Лукьянову за плодотворное обсуждение проблем исследований и щедрость, с которой он делился своим богатым опытом.
Автор искренне благодарен чл. — корр. РАН М. И. Эпову за доброжелательность и настойчивость, без которых работа не была бы завершена, а также за ценные советы и замечания по работе.
Объём и структура работы.
Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения, содержит 92 страницы текста, в том числе 31 рисунок, 17 таблиц, библиографию из 63 наименований.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Основным результатом работы является разработка прибора высокочастотного электромагнитного каротажа для исследования нефтегазовых скважин непосредственно в процессе бурения — ВИКПБ. Его главная отличительная особенность — силовой корпус из стеклоэпоксидного композиционного материала. Радиопрозрачный изоляционный материал в конструкции зонда и герметичного силового корпуса имеет ряд преимуществ перед проводящим металлическим корпусом:
— не искажает электромагнитное поле и позволяет максимально приблизить характеристики зонда к идеальной модели,.
— не искажает магнитное поле Земли, что способствует повышению точности измерения магнитного азимута,.
— является великолепным демпфером, снижающим виброударные нагрузки на электронные узлы прибора.
В работе представлены результаты расчёта искажающего влияния металлических проводящих элементов корпуса на показания электромагнитных зондов. Металлические корпуса зарубежных LWD приборов существенно уменьшают амплитуду сигнала, используемого при измерениях и, как следствие, снижается чувствительность и точность измерений. Сложная геометрия источника электромагнитного поля существенно затрудняет и осложняет количественную интерпретацию результатов зондирований. Поэтому для разрабатываемого прибора выбрана конструкция корпуса из стеклопластика КППН и проведён расчёт его прочностных характеристик. Выбранная конструкция обладает высокой прочностью, что подтверждено результатами стендовых и скважинных испытаний.
Зондовая система прибора построена аналогично зондовой системе ВИКИЗ и состоит из 7 трёхкатушечных высокочастотных зондов.
Разработана структурная схема прибора и принципиальные схемы его узлов. Проведён анализ и выбраны схемные решения тех узлов, которые наиболее подвержены влиянию дестабилизирующих факторов, сопровождающих процесс бурения. Размещение генераторных и приёмных катушек в теле силового корпуса позволило существенно увеличить их диаметр. Благодаря возросшему магнитному моменту в несколько раз снижена потребляемая мощность генераторов и повышена чувствительность приёмников. ^ Для поверки и калибровки прибора ВИКПБ были разработаны и изготовлены соответствующие стенды и установки. Калибровка электромагнитных зондов осуществляется коаксиальными проволочными кольцами — имитаторами проводящей среды. Детектор для измерения естественной гамма — активности (ГК) калибруется с помощью объёмных малоактивных источников радиоактивности.
Для проведения скважинных испытаний разработано 2 варианта кабельной телеметрической системы с использованием стандартных труб для электробурения. Создана система привязки глубин, которая измеряет поступательное перемещение талевой системы лебёдки буровой установки. Разработан и испытан при бурении скважин автономный вариант ВИКПБ с аккумуляторным питанием и энергонезависимой памятью.
— В условиях Западной Сибири успешно проведены скважинные испытания комплекса электромагнитного каротажа в процессе бурения ВИКПБ. Впервые в России зарегистрированы диаграммы высокочастотных электромагнитных зондирований непосредственно в процессе бурения вертикальных, пологих и горизонтальных стволов на Фёдоровском месторождении ОАО «Сургутнефтегаз». Качество диаграмм соответствует ц> всем требованиям, предъявляемым к кабельным приборам ВИКИЗ.
Характеризуя полученные результаты в целом, можно утверждать, что создана аппаратура для высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения в радиопрозрачном силовом корпусе. Её применение в процессе строительства горизонтальных скважин позволяет повысить точность и достоверность электромагнитных зондирований, при одновременном сокращении затрат времени за счёт исключения промежуточных каротажей.
Тем не менее, в процессе испытаний выяснилось, что использование кабельной линии связи существенно осложняет работу буровой бригады. Несмотря на очевидное преимущество в пропускной способности, внедрение кабельной линии требует дальнейшей проработки. В автономном режиме низкую надёжность и стойкость к вибрационным нагрузкам проявили свинцовые аккумуляторы.
Кроме того, сравнительный анализ кривых ВИКИЗ, полученных непосредственно в процессе бурения и спустя 25 часов после бурения, выявил существенное различие в показаниях коротких зондов. Это свидетельствует о том, что зона проникновения в проницаемых пластах формируется в течение длительного времени. В первые несколько десятков минут после разбуривания её радиус не превышает зоны чувствительности зонда 0,7 м. В зондовой системе ВИКПБ отсутствует зонд 0,5 м, и поэтому начальное состояние зоны проникновения не фиксируется. Эти факты вызывают необходимость вернуться к разработке новой зондовой системы и поставить задачу по созданию бескабельного канала телеметрии.
