Подземка

Лекция №1 Введение в курс. Предмет, цели и задачи подземной навигации и

ориентации

Конец XX века для развития мирового топливно-энергетического комплекса ознаменовался появлением целого ряда новейших технологий,

особое место среди которых занимают высокоэффективные системы разработки продуктивных залежей с помощью горизонтальных (ГС) и

разветвлено-горизонтальных скважин (РГС).

Сегодня эффективность бурения ГС и РГС неоспорима – это связано,

прежде всего, с резким (в 5-8 раз) увеличением дебита скважин по сравнению с вертикальным бурением (при увеличении затрат не более чем в 1,5 2 раза)

за счет протяженного контакта с продуктивным пластом. В результате применения ГС уменьшается сетка эксплуатационных скважин, снижается депрессия на пласт, значительно увеличивается время «безводной» эксплуатации, изменяются категории запасов, считавшиеся ранее неизвлекаемыми, повышается эффективность многих устаревших методов воздействия на пласт.

Бурение горизонтальных и наклонно-направленных скважин, а особенно скважин с большими отходами от вертикали (рис 1), позволяя решить проблемы, возникающие при разработке месторождений с ограничениями по методам освоения (ограничения могут быть связаны с местоположением,

экономикой, экологией и другими причинами), создает другие проблемы, для решения которых нужна особая тщательность при проектировании,

реализации проектов и оценке возникающих ситуаций.

При бурении обычных вертикальных и наклоннонаправленных скважин приходится преодолевать локальные трудности, обычно не имеющие отношения к другим процессам. При больших отходах от вертикали многие трудности могут оказаться результатом предыдущих технологических решений, а принимаемое предложение по исправлению одного параметра отрицательно повлиять на другие.

2

-интерпретация скважинных геофизических данных, позволяющих уточнить геологический профиль и расположение границ пластов для последующей коррекции траектории,

-управление положением бурового инструмента с целью изменения интенсивности искривления, проводки ствола скважины в заданном направлении, либо удержания направления в конусе допустимых угловых отклонений.

Измерения траектории ствола современных скважин могут проводиться как в процессе бурения с помощью навигационных информационно-

измерительных систем, обеспечивающих в режиме реального времени решение задач навигации и управления движением КНБК, так и доставляемых на забой при очередной остановке бурения автономными или

кабельными инклинометрами.

Инклинометры непосредственно измеряет углы ориентации продольной оси скважинного прибора (СП) относительно вертикали (зенитный угол ( ))

и плоскости меридиана (азимутальный угол ( A)). По этим данным и измеренной по длине колонны труб или геофизического кабеля протяженности ствола ( L ), определяются координаты точек оси скважины.

Важной задачей инклинометра в процессе бурения скважин является измерение угла ориентации бурового инструмента (угла положения отклонителя ( )) относительно так называемой апсидальной плоскости,

проходящей через вертикаль и ось скважины.

Навигационные системы, в состав которых входят забойные

инклинометры, в отечественной литературе принято называть

телеметрическими; в зарубежной литературе подобные системы называют

MWD (Measurement While Drilling – измерение в процессе бурения), gMWD (gyroMWD – название указывает на наличие в составе системы гироскопических чувствительных элементов) и LWD (Logging While Drilling

– каротаж в процессе бурения) . Эти системы объединяют порядка десяти

разнородных функциональных систем – магнитометрических,

5

гироскопических, разнообразных каротажных, энергетических,

виброударозащитных, трансляционных и др. Как правило, модульную конструкцию таких систем, обеспечивающих одновременный контроль за направлением скважины и получение геофизической информации о состоянии пластов, а также технологической информации о состоянии бурового инструмента, можно быстро адаптировать к изменяющимся режимам бурения с точки зрения передачи на поверхность требуемых данных по забою.

При построении MWD/LWDсистем и входящих в них скважинных приборов требуется решение ряда задач, которые, прежде всего, связаны с вопросами энергетического обеспечения опускаемой в скважину аппаратуры,

преобразования сигналов в скважинных приборах, выбора высокотемпературной элементной базы электронных устройств, организации канала связи с устьем, выбора структуры навигационной информационно-

измерительной системы, организации электрических и информационных интерфейсов, связывающих модули системы.

Последнее поколение MWD/LWDсистем ведущих производителей

Halliburton, Baker Hughes, Anadrill Schlumberger практически полностью цифровые – в этих системах используются цифровые контроллеры,

обеспечивающие преобразование аналоговых сигналов в цифровые и их обработку в реальном времени.

Внедрение в практику бурения MWD/LWD - систем с бескабельным каналом связи сделали горизонтальное бурение и бурение с большими отходами экономически целесообразными и значительно увеличили эффективность соответствующих работ. Кроме того, отсутствие кабельного канала связи позволило избежать связанных с его применением осложнений.

В настоящее время из работоспособных, реализованных в многочисленных

MWD/LWD - системах каналов связи основными являются гидроимпульсный и электромагнитный каналы. В качестве передатчиков используются: в

гидроимпульсном канале – управляемый гидравлический клапан,

6

модулирующий поток промывочной жидкости и создающий гидравлические удары в скважине, в электромагнитном канале – электропроводящие части буровой трубы, формирующие электроды, через которые протекает импульсный электрический ток. В устье устанавливаются в качестве приемников каналов связи, соответственно, датчик давления либо антенна-

электрод. Необходимо отметить, что современные MWD/LWD - системы вследствие низкой информационной проводимости каналов связи накапливают вырабатываемую телеметрическую информацию в запоминающем устройстве. После извлечения системы на поверхность эта информация считывается и дополняет ранее полученную по каналу связи.

Таким образом, MWD/LWD – системы представляют собой замкнутые динамические системы, в которых в режиме реального времени осуществляется передача информации как по каналу забой – устье, так и устье – забой. На основе измерений параметров скважины, поступающих по каналу забой – устье, с помощью специальных программ непосредственно на буровой производится расчет направления ствола скважины, определяется местоположение забоя относительно итоговой расчетной плоскости.

Осуществление измерений и оценка параметров процесса бурения в реальном масштабе времени продолжается до тех пор, пока ствол не пересечет итоговую расчетную плоскость.

Кроме того, на основании тех же исходных данных, а также данных об интенсивности набора кривизны скважины, рассчитываются оптимальные параметры коррекции направления ствола. Как правило, механизм принятия решения по коррекции траектории ствола базируется на заранее запрограммированном огромном множестве вариантов изменения вектора направления траектории. Если коррекция необходима, то по каналу устье – забой (реализуемому, например, с помощью циклического включения гидравлических насосов в заданной последовательности) задается требуемый вектор направления траектории и осуществляется навигация с заданным направлением КНБК и требуемым силовым воздействием.

7

Сегодня в мире, в том числе и в России (рис.3), все чаще строятся скважины с большими отходами от вертикали, и один рекорд сменяется

другим, быстрыми темпами развивается разработка глубоководных месторождений, меняется архитектура скважин.

Рис.3 Одоптинское месторождение (Сахалин) - пробурено 16 скважин с отходами

от вертикали более 6000м и средним дебитом - 200т/сутки

Тенденция строительства скважин с все более сложной траекторией требует постоянного совершенствования техники, методов и технологий буровых работ, программного инструментария.

Согласно мнения зарубежных специалистов, при бурении скважин,

прежде всего повышенной протяженности, возможно появление резких изломов и извилистости пробуренных участков, которое может вызвать заклинивание труб, непопадание в заданную точку, невозможность обсадки и т. д. Эти проблемы обусловлены применением традиционных методов интерполяции при построении траекторий скважин, которые используют полученные с забоя измерения с интервалом 20 - 30м.

Для решения проблем требуются высокие скорости передачи данных по каналу забой - устье, позволяющие строить траектории на основании измерений, поступающих в почти непрерывном режиме, новые варианты комплексирования инклинометрических и технологических измерений с целью оперативной коррекции траекторий и прогноза вектора направления КНБК в реальном времени, т. е. необходимо совершенствование систем подземной навигации для обеспечения более гибкого взаимодействия бурения и геологии.

8

Использование в народнохозяйственных целях последних научно-

технических достижений привело к стремительному превращению недр земли из темной кладовой в сферу осмысленной человеческой деятельности,

приложения high-tech самых разнообразных областей техники. Кардинальные изменения претерпели содержание сложность традиционных задач,

решаемых в недрах земли. Связано это, прежде всего, с ускоряющимся разворотом добывающих отраслей от экстенсивных к интенсивным методам освоения месторождений. И хотя появляются совершенно новые и одновременно массовые приложения, как, например: бестраншейная прокладка магистралей, подземное преодоление естественных и искусственных препятствий, контроль подземных коммуникаций,

трубопроводов, магистралей и т. д. Наиболее характерным и значимым проявлением интеллектуализация подземных работ является современная панорама новых технологий и технических средств, используемых при добычи полезных ископаемых (углеводородов, рудных ископаемых и т. д.),

особое место среди которых занимает высокоэффективная система разработки продуктивных залежей с помощью горизонтальных скважин (ГС).

Повсеместное внедрение сложных видов разработки углеводородов – горизонтальными, наклонно-направленными, восстающими скважинами – обусловлено резким (в 5-8 раз) увеличением дебита скважин по сравнению с вертикальным бурением (при увеличении затрат не более чем в 1,5 2 раза) за счет протяженного контакта с продуктивным пластом. При освоении же месторождений на шельфе – это едва ли не единственно эффективный метод разработки. Чрезвычайно популярной в последние годы стала, так называемая, зарезка боковых стволов (БС) или кустовое – разветвленно-

горизонтальное – бурение малого диаметра из обсаженных, ранее пробуренных, скважин, как правило, с нулевым дебитом. Здесь кроме очевидного дальнейшего снижения себестоимости (большая часть проводки ствола на холостом ходу), появляется возможность доступа к запасам нефти,

не извлеченным при вертикальном бурении.

9

Освоение перспективных видов бурения потребовало создания принципиально новых систем разработки месторождений и решения целого комплекса задач, связанных, в частности, с получением необходимой информации при проводке и исследовании таких скважин. Эта вновь оформившаяся проблематика все более контрастировала с оставшимися в прошлом веке представлениями о геофизическом обеспечении,

характерными для вертикальной разработки месторождения полезных ископаемых (МПИ) и, не выходившими за рамки каротажа и наклонометрии.

Возникли совершенно иные аналогии, классификационные признаки и т.д.

В порядке комментария к анализируемой тенденции обратимся к нижеследующему тексту:

«Проводка скважин связана с двумя задачами управления движением. Одну из них решает телеметрист-геофизик, другую – буровой мастер. Первый прокладывает траекторию и определяет местоположение КНБК под землей,

второй осуществляет оперативное управление бурением скважины по заданной траектории.

Навигационная задача прокладки траектории связана с анализом изменения местоположении КНБК на больших временных и пространственных интервалах. Это перемещение при сегодняшних технологиях бурения происходит в течение часов и дней. В этих условиях… мгновенные значения углов поворота инструмента, зенитного и азимутального теряют свое значение и перемещение КНБК можно рассматривать на основе кинематики материальной точки, совпадающей с его центром масс. При решении этой задачи интерес представляют интегральные показатели движения, усредненные по глубине проходки,

которые рассчитываются с помощью кинематических моделей.

Оперативное управление бурением требует непрерывной оценки положения бурового инструмента с последующей его корректировкой.

Процесс управления бурением протекает в малых временных и пространственных интервалах. При этом КНБК уже нельзя рассматривать как

10