Разработка системы контроля забойных параметров при бурении морских скважин

Эффективность освоения морских нефтегазовых месторождений в значительной мере зависит от совершенства техники и технологии бурения скважин с большими отклонениями стволов от вертикали, с горизонтальными участками сравнительно большой протяженности, а также многоствольных скважин. Бурение таких скважин осуществляется, как правило, с применением телеметрических систем контроля забойных параметров непосредственно в процессе бурения (MWD-Measurement While Drilling — Измерения в процессе бурения) с использованием преимущественно гидравлического канала связи. В настоящее время в России телеметрические системы с гидравлическим каналом связи серийно не выпускаются, поэтому их вынужденно закупают за рубежом. Создание и организация производства отечественных телеметрических систем является важной и актуальной задачей, решение которой позволит значительно сократить капитальные и эксплуатационные затраты на освоение нефтегазовых месторождений континентального шельфа РФ.

За рубежом в течение последних 20 лет системы MWD и LWD переживают пик своего развития, что, прежде всего, обусловлено увеличением доли морского бурения в общем объёме буровых работ. Одной из основных особенностей морского бурения является большое число скважин, бурящихся с одной платформы, с большими отклонениями от вертикали, бурение многоствольных скважин, поэтому решение задачи обеспечения точности траекторий при бурении куста скважин с морской платформы или с применением подводных добычных комплексов напрямую связано с использованием телеметрических систем контроля забойных параметров. Свыше 95% морских наклонно-направленных скважин на сегодняшний день буриться с использованием систем MWD. Более того, само понятие MWD объективно стало уже в значительной мере ассоциироваться с морским бурением.

Несмотря на то, что СССР в свое время был основоположником методов и средств контроля забойных параметров в процессе бурения, в настоя5 щее время в России, к сожалению, нет серийно выпускаемых конкурентоспособных телеметрических систем с гидравлическим каналом связи, и поэтому значительное место на Российском рынке занимают импортные телесистемы, занимающие лидирующее положение на зарубежных рынках, в основном, компаний Sperry-Sun (ставшей в последние время подразделением компании Halliburton), Schlumberger (в том числе ее подразделение Anadrill), Baker Hughes (на базе компании Eastman Teleco) и частично Geolink.

В настоящее время завершена подготовка Технико-экономического обоснования организации работ в ООО «ВНИИГАЗ» по созданию отечественных информационно-измерительных систем контроля забойных параметров бурения морских наклонно-направленных и горизонтальных скважин нового поколения, включающих как разработку и организацию производства самих телесистем, так и создание Центральной производственной и сервисной базы для выпуска, метрологической аттестации, сертификации и сервисного обслуживания телесистем.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка моделей и методов анализа телеметрической системы контроля забойных параметров процесса бурения морских скважин с гидравлическим каналом связи.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

• Разработка метода анализа динамических характеристик телеметрической системы контроля забойных параметров бурения морских скважин с гидравлическим каналом связи.

• Разработка математической модели и определение основных параметров передатчика гидравлических импульсов.

• Разработка и обоснование метода выделения гидравлического сигнала на поверхности на фоне помех в гидравлическом канале связи при бурении морских скважин.

• Определение основных параметров рабочего режима передающего модуля телесистемы с учетом его влияния на устойчивость работы гидравлических забойных двигателей различного типа и их воздействия на параметры гидравлического сигнала.

• Разработка пакета прикладных программ, включая пользовательские интерфейсы палубного модуля управления телеметрической системы контроля забойных параметров бурения морских скважин.

Научная новизна результатов исследований определяется следующими защищаемыми положениями:

1. Разработан метод анализа динамических характеристик телеметрической системы контроля забойных параметров бурения морских скважин с гидравлическим каналом связи, позволяющий обосновать влияние параметров гидравлической линии на прием забойной информации.

2. Разработана математическая модель и определены основные параметры передатчика гидравлических импульсов, позволяющие повысить частоту передачи забойной информации.

3. Разработан метод распознавания гидравлического сигнала на поверхности на фоне помех в гидравлическом канале связи при бурении морских скважин.

4. Определены основные параметры рабочего режима передающего модуля телеметрической системы с учетом его влияния на устойчивость работы гидравлических забойных двигателей различного типа и их воздействия на параметры гидравлического сигнала.

5. Разработан пакет программ палубного модуля управления, включая пользовательские интерфейсы телеметрической системы контроля забойных параметров бурения морских скважин.

Реализация работы. Результаты работы использованы при разработке «Технико-экономического обоснования организации работ в ООО „ВНИИГАЗ“ по созданию информационно-измерительных систем контроля забойных параметров бурения морских наклонно-направленных и горизонтальных скважин» и в проекте «Центральной производственной и сервисной базы ООО „ВНИИГАЗ“ для сборки, испытаний, метрологической аттестации и сертификации информационно-измерительных систем контроля забойных параметров бурения морских скважин». Результаты работы будут использованы для оптимизации количества скважин куста в проектах освоения морских месторождений (Штокмановское ГКМ, Северо-Каменномысское и др.) в соответствии с утвержденной программой работ ОАО «ГАЗПРОМ» на шельфе РФ до 2030 года.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях секции Ученого Совета ООО «ВНИИГАЗ». Отдельные положения диссертации докладывались на конференции, посвященной пятидесятилетию ООО «ВНИИГАЗ», и на встрече специалистов ООО «ВНИИГАЗ» и компании Hydro (Осло, 2005), работающих в рамках программы совместных работ ООО «ВНИИГАЗ» и компании Hydro.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, основные результаты с выводами, список использованной литературы из 65 наименований. Содержание изложено на 130 страницах машинописного текста и включает 49 рисунков и 9 таблиц.

Основные результаты и выводы.

1. Разработан метод анализа динамических характеристик телеметрической системы контроля забойных параметров бурения морских скважин с гидравлическим каналом связи, позволяющий обосновать влияние параметров гидравлической линии на прием забойной информации.

2. Разработана математическая модель и определены основные параметры передатчика гидравлических импульсов, позволяющие повысить частоту передачи забойной информации.

3. Разработан метод анализа влияния телеметрической системы на устойчивость работы гидравлических забойных двигателей различного типа и их воздействия на параметры гидравлического сигнала, на основании которого обоснованы параметры рабочего режима передающего модуля телесистемы с учетом типа и режима работы забойного двигателя, совместно с которым используется телеметрическая система.

4. Разработан метод выделения гидравлического сигнала в палубном модуле управления и определены параметры цифрового фильтра, учитывающие характеристики буровых насосов.

5. Разработана структура кода передачи данных для различных режимов работы телесистемы и решена задача обеспечения оптимального приема передаваемого с забоя сигнала на фоне помех в гидравлическом канале связи.

6. Разработан пакет программ в виде набора функциональных модулей для палубного модуля управления телеметрической системой контроля забойных параметров бурения морских скважин, включающий пользовательские интерфейсы.