Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Развитие LWD и MWD систем 14
1.1. Приборы электрического каротажа в процессе бурения 18
1.2. Приборы индукционного каротажа в процессе бурения 20
1.3 . Приборы электромагнитного каротажа в процессе бурения 23
Глава 2. Разработка аппаратуры электромагнитного каротажа в процессе бурения с радиопрозрачным корпусом из полимерного композиционного материала 34
2.1.Выбор и обоснование конструктивных параметров зонда электромагнитного каротажа 35
2.2. Разработка структурной схемы и электронных узлов прибора . 42
2.3.Метрологическое обеспечение 51
2.4.Разработка радиопрозрачного корпуса из стеклоэпоксидного композиционного материала 53
Технические требования к корпусу 56
Расчёт на прочность 60
Нагружение внешним гидростатическим давлением 62
Осевое сжатие и растяжение 63
Прочность при кручении и изгибе 64
Стендовые испытания 66
Глава 3. Экспериментальные работы по каротажу в процессе бурения 70
3.1 Скважинные испытания прототипа ВИКПБ 70
3.2. Опытно промышленная эксплуатация 74
3.3. Запись каротажных диаграмм в процессе бурения 78
3.4 Оценка информативности каротажных диаграмм 80
Заключение 82
Литература 85
- Приборы электромагнитного каротажа в процессе бурения
- Разработка структурной схемы и электронных узлов прибора
- Стендовые испытания
- Опытно промышленная эксплуатация
Введение к работе
Объект исследования - аппаратурное обеспечение высокочастотного электромагнитного каротажа нефтегазовых скважин непосредственно в процессе бурения, включая разработку конструкции электронных узлов и силового 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. Существенную экономию времени можно получить, осуществляя каротаж непосредственно в процессе бурения. Жесткие требования по механической прочности, вибро - и ударостойкости, пониженному энергопотреблению, предъявляемые к аппаратуре каротажа в процессе бурения, приводят к компромиссным решениям, 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 катушек, приводят к сильному искажению электромагнитного поля. 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 радиопрозрачном корпусе, не уступающей по метрологическим характеристикам кабельным или автономным модификациям
Цель исследований - повышение достоверности результатов электромагнитных зондирований в процессер^р^ния нефтегазовых
I библиотека і
L «"gaff?
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
-
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);
-
Разработать аппаратуру высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения в непроводящем силовом корпусе из полимерного композиционного материала.
-
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 Л.А., 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 ВИКИЗ.
Прочностные характеристики материала корпуса
экспериментально проверялись на стендах ФНПЦ «Алтай» (1999, Бийск). Натурный корпус прибора испытан на герметичность и прочность давлением 66 МПа в установке высокого давления на базе НППГА «Луч» (2000, Новосибирск). Механическая прочность корпуса
прибора проверена на трубной базе СУБР-1 (2002, Сургут) растягивающей нагрузкой 900 кН и крутящим моментом 35 кН м.
В процессе скважинных испытаний отрабатывались вопросы привязки глубин и технология передачи информации на поверхность с помощью геофизического кабеля, выведенного в затрубье с «мокрым» разъемом Кроме того опробована комбинированная кабельная линия связи, состоящая 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, пересылалась в контрольно-интерпретационную партию треста «Сургутнефтегеофизика» 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 бурения ГС и повышенной рабочей температуры (до +125 С).
-
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 м\с2) обусловлена заливкой вибропоглощающего компаунда.
-
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 эксплуатации. 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:
предложена и обоснована оригинальная коаксиальная конструкция и проведён расчет силового радиопрозрачного корпуса из высокопрочного стеклопластика, прочностные характеристики которого (предельная разрывная нагрузка 2500 кН, разрушающий крутящий момент 45 кН-м) 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 от конструктивных параметров зонда и электрических
характеристик кабеля, подающего гетеродинный сигнал.
2 В области технологии применения и метрологического обеспечения:
разработан стенд для натурных гидравлических испытаний стеклопластикового 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 комбинированный высокоскоростной канал связи «забой-устье» на базе серийно выпускаемых труб для электробурения и кабельной вставки со специальными разъёмами и вращающимся электровводом в ведущей штанге.
3. В области геофизических исследований:
- в условиях Западной Сибири успешно проведены испытания
комплекса 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 дальнейшем развитии метода и технологии ВИКИЗ и его распространении на новую область применения -исследования пологих и горизонтальных нефтяных скважин непосредственно в процессе бурения.
Радиопрозрачный изоляционный материал в конструкции зонда и герметичного силового корпуса не искажает электромагнитное поле и позволяет максимально приблизить характеристики зонда к идеальной модели, а также является великолепным демпфером, снижающим виброударные нагрузки на электронные узлы прибора.
Использование силового корпуса из непроводящего
композиционного материала повысило точность и достоверность
высокочастотных электромагнитных зондирований в применении к
каротажу в процессе бурения.
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.
Повторные записи диаграмм каротажного зондирования одного и того же интервала, которые осуществляются при бурении и после его
завершения во время спускоподъемных операций, позволяют изучать во времени техногенные процессы фильтрации буровой жі'ікости в коллекторы. Высокая точность измерений удельного сопротивления предоставляет возможность определять характер насыщения пластов-коллекторов.
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 научно -практической 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 Самотлорском 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., профессору 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.
Ктн Ульянову В Н и ктн. Жмаеву С. С за помощь при расчётах зондовой системы и имитатора однородной среды ИМ-1 для ВИКПБ.
Директору фирмы ВКТ (г. Нижневартовск) - Веслополову П. А. и гл. инженеру - Массарову X. В., которые на свой страх и риск разрешили провести первые скважинные испытания опытного образца прибора ВИКПБ.
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 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 Лаврухову В. Т., начальнику КБ 2 Глухову А. В., ведущему инженеру Киселёву В. В - за профессионализм и компетентность при решении задач разработки, изготовления и скважинных испытаний аппаратуры.
Автор искренне признателен научному руководителю д.т.н. Э. Е. Лукьянову за плодотворное обсуждение проблем исследований и щедрость, с которой он делился своим богатым опытом.
Автор глубоко благодарен д.т.н. 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.
Приборы электромагнитного каротажа в процессе бурения
Приборы высокочастотного электромагнитного каротажа в составе LWD систем появились позже других, так как потребовалось преодолеть значительные трудности при создании зондовых систем. Тем не менее необходимость их создания не вызывала сомнений. Достаточная глубинность высокочастотного электромагнитного каротажа, высокая вертикальная разрешающая способность, широкий диапазон и высокая точность определения удельных электрических сопротивлений (УЭС) пород окружающих скважину предопределили создание LWD систем, использующих этот метод.
Трёхкатушечный зонд высокочастотного электромагнитного каротажа включает в себя одну генераторную и две измерительных катушки. В отличие от зондов индукционного каротажа здесь нет необходимости глубокой компенсации прямого поля, поскольку измеряются относительные характеристики (разность фаз между э.д.с. в приёмных катушках и отношение их амплитуд) только косвенно зависящие от величины прямого поля. Теоретически показано, что глубинность исследования при измерении относительных амплитуд несколько больше, чем по разности фаз [4]. Поэтому, в проводящей среде с радиальной неоднородностью существуют различия между кажущимися удельными электрическими сопротивлениями, измеренными по разности фаз и по затуханию. Вследствие этого в электромагнитном каротаже принята следующая терминология: Phase shift Resistivity - кажущееся удельное сопротивление вычисляемое по разности фаз, Attenuation Resistivity - кажущееся удельное сопротивление вычисляемое по отношению амплитуд (затуханию). В то же время локальность выше у разности фаз, а не относительных амплитуд. Истинное значение удельного электрического сопротивления исследуемой среды получается путём решения обратных задач для измеренных величин с учётом влияния многих факторов: характеристик корпуса прибора, диаметра и неровностей стенок скважины, электропроводимости бурового раствора, диэлектрической проницаемости среды, влияния вмещающих пород и т.д.
На рис 1.5 представлены основные типы приборов высокочастотного электромагнитного каротажа, разработанные зарубежными фирмами. Они расположены в порядке эволюции их зондовых систем с целью повышения информативности и точности измерений. Слева показан простейший однозондовый прибор с несимметричным расположением катушек - EWR tool. Крайний правый - современный прибор фирмы Schlumberger типа ARC-5, имеющий сложную конструкцию зондовой системы для осуществления исследований околоскважинного пространства на разную глубину.
Впервые прибор высокочастотного электромагнитного каротажа для работы в процессе бурения был разработан в 1983 г. Этот прибор был представлен фирмой "NL Industries" под именем "EWR" (Electromagnetic Wave Resistivity) [59]. Прибор состоял из одной генераторной и двух приёмных катушек. Катушки размещались на поверхности металлической бурильной трубы и были защищены непроводящими накладками. Рабочая частота 2 МГц. Измеряемый параметр - разность фаз между э.д.с, наведенных переменным магнитным полем в приемных катушках.
Прибор мог измерять и затухание, но использовался только для измерения разности фаз.
В 1988 г фирма "Anadrill - Schlumberger" представила прибор "CDR", который обладал аналогичной конструкцией, но имел две генераторные катушки, расположенные симметрично сверху и снизу относительно двух приёмных катушек. За счёт симметричного размещения генераторных катушек осуществлялась дополнительная компенсация влияния скважинных условий. Измерения производились на частоте 2 МГц, причём разность фаз использовалась для определения сопротивления ближней прискважинной области, а затухание для более глубинных исследований.
Фирма Sperry Sun Drilling Service в 1992 г. разработала прибор "EWR -PHASE 4". Четыре его генераторных катушки размещены на металлической трубе на разных расстояниях и ниже от двух приёмных катушек.
Зондовая система прибора включает четыре трёхкатушечных зонда длиной 6, 12, 24, 36 дюймов при одинаковой базе (6 дюймов) между приёмными катушками. Наличие нескольких зондов разной глубинности позволяет определить радиальный профиль зоны проникновения. Рабочая частота - 2 МГц, измеряемые параметры - четыре значения разности фаз и столько же значений затухания. В состав прибора входит инклинометр, зонд ГК и гидравлический канал телеметрии. В 1994 году появилась новая версия этого прибора - "SLIM - PHASE 4", с компенсацией скважинных условий за счёт симметричного расположения генераторных катушек (выше и ниже) относительно приёмных.
Фирма "Halliburton" анонсировала в 1994 г. в рекламных проспектах прибор SCWR (Slim Compensated Wave Resistivity). Прибор включает две пары генераторных катушек симметрично расположенных сверху и снизу относительно приёмников и образующих два трёхкатушечных зонда длиной 15 и 35 дюймов. Рабочая частота 2 МГц. Силовой корпус этого прибора традиционно рассчитан на роторное бурение и представляет собой прочную металлическую трубу с кольцевыми проточками для размещения приёмных и генераторных катушек.
Прибор DPR-II (Dual Propagation Resistivity) разработан компанией Baker Hughes INTEQ в 1987 г. Его зондовая система состоит из генераторной катушки, расположенной выше двух приёмных, образуя один трёхкатушечный зонд, работающий на частоте 2 МГц. В процессе измерений вычисляется 2 значения кажущегося удельного сопротивления -по разности фаз и затуханию. Нет компенсации влияния скважины. В 1995 г. создана новая, более совершенная модель прибора MPR (Multiply Propagation Resistivity). Его зондовая система состоит из двух пар генераторных катушек расположенных симметрично выше и ниже двух приёмных катушек. Они образуют два трёхкатушечных зонда: короткий -15 дюймов и длинный - 35 дюймов (рис.1.6.). В приборе измеряется разность фаз и затухание на частотах 2 МГц и 400 кГц. В каждой точке измеряется 32 исходных параметра, из которых путём обработки получается 8 значений кажущегося удельного сопротивления: 4 по разности фаз и 4 по коэффициенту затухания. В процессе интерпретации строятся диаграммы удельного электрического сопротивления на четырёх фиксированных радиальных расстояниях от оси скважины.
Разработка структурной схемы и электронных узлов прибора
При разработке структурной схемы и принципиальных схем электронных узлов прибора ВИКПБ учитывались следующие специфические требования:
обеспечение заданной точности измерений;
минимальное энергопотребление для автономного функционирования от комплекта батарей в течение не менее 100 час;
виброударная устойчивость;
термостойкость электронных узлов;
технологичность обслуживания прибора.
Структурная схема ВИКПБ представлена на рис. 2.6. В зондовой части прибора размещены: 4 генераторные катушки Гі....Г4 с усилителями мощности УМі....УМ4, коммутатор генераторных частот - КГЧ, 5 измерительных катушек И.... И5 со смесителями СМі...СМ5, аналоговый коммутатор - АК, усилители промежуточной частоты - УПЧі и УПЧ2. Зондовая часть прибора через гермовводы соединена с блоком электроники. В нём размещены: гетеродин, опорный кварцевый генератор, фазометр -43 ФЗ, модуль контроллера управления, 2 детектора гамма - излучения ГКЬ ГК2, датчики инклинометра, блок вторичных источников питания, модуль телеметрии с выходным согласующим устройством. Согласующее устройство передаёт на жилу кабеля питания сигналы телеметрии, обеспечивая их гальваническое разделение. Контроллер управляет процессом измерения. При подаче питания формируется сигнал, запускающий управляющую программу.
Первой включается генераторная катушка Г]. На усилитель мощности УМі с коммутатора генераторных частот КГЧ подаётся рабочая частота f\ = 7,0 МГц. Одновременно, гетеродин формирует гетеродинную частоту fGi = fі+чіч, которая выше генераторной на величину промежуточной частоты. Сигнал гетеродинной частоты по кабелю поступает на входы всех смесителей CMi....CM5. Переменное магнитное поле, возбуждаемое генераторной катушкой, наводит э.д.с. в приёмных катушках. В результате перемножения сигналов, принятых приёмными катушками, и сигнала гетеродина на выходах смесителей образуется сигнал разностной (промежуточной) частоты іпч = fd - fi- Аналоговый коммутатор АК в первом такте измерения подключает к входу УПЧі выход смесителя СМЬ а к входу УПЧ2 выход смесителя СМ2. После усиления и ограничения сигналы ПЧі и ПЧ2 поступают на вход фазометра ФЗ, здесь измеряется запаздывание сигнала ПЧі относительно ПЧ2. Во втором такте коммутатор подключает к входу УПЧі смеситель СМ2, а к УПЧ2 выход смесителя CMj. При таком перекрёстном измерении полезный фазовый сдвиг суммируется, а паразитные фазовые сдвиги УПЧі и УПЧ2, в том числе и температурные, вычитаются. Цикл измерения повторяется для всех 7 зондов. Зарегистрированная разность фаз каждого из зондов корректируется на значение начального смещения нуля, сохраняется в памяти или передаётся по каналу телеметрии. Время измерения во всех 7 зондах составляет около 150 мс.
Перекрёстным измерением не охвачены приёмные катушки и смесители, поэтому необходимо минимизировать неконтролируемые фазовые сдвиги в этих элементах. Каждый из зондов имеет свой, обусловленный конструктивными параметрами, фазовый сдвиг нуля. Для высокочастотных зондов он определяется в основном задержкой гетеродинного сигнала в коаксиальном кабеле относительно э.д.с, наведённой в измерительной катушке [22].
Действительно, вблизи излучающей антенны, в непроводящей среде, задержка электромагнитной волны на измерительной базе ЛЬ = 0,14 м короткого зонда (рабочая частота f/ = 7,0 МГц) незначительна и не превышает Арі = +0.0103 (знак « + » показывает, что к дальней измерительной катушке сигнал приходит позже). В то же время задержка сигнала на отрезке гетеродинного кабеля, проложенного между смесителями, приводит к сдвигу фаз
Измерительная антенна представляет собой параллельный резонансный контур, включающий катушку с индуктивностью L и емкость С. Последняя состоит из ёмкостей входных цепей смесителя, собственной ёмкости катушки и дополнительного стабилизирующего конденсатора.
Этот контур имеет резонансную частоту 0 и добротность Q. Поскольку конструкция зондовой системы предполагает работу каждого входного контура в трёх зондах, на нескольких частотах (f/ , f/ /2 и f/ /4), необходимо обеспечить возможно меньшее изменение фазового сдвига при измерении сигналов на этих частотах. Это условие можно выполнить при высокой крутизне фазовой характеристики вблизи резонансной частоты и малой крутизне на рабочих частотах. Для этого необходимо, чтобы добротность входного контура Q была высокой, а рабочая частота fP была существенно ниже резонансной частоты f0 [5]. Проведённые расчёты и лабораторные эксперименты показали, что при f0 l,7...2,5f/ и Q 40 обеспечивается достаточная стабильность фазовой характеристики входного контура. На рис. 2.7. показана расчётная зависимость фазового сдвига входного контура в области рабочих частот fP- f /(l,7.. .3,5). Изменение добротности контура в пределах 10% приводит к изменению фазового сдвига всего на 0,25. Следует учесть, что изменение фазового сдвига, вызванное дестабилизирующими факторами, происходит в обоих приёмных контурах зонда и в процессе измерения вычитается. Выполнение данных условий ещё необходимо и для того, чтобы амплитуды сигналов, принимаемых входным контуром на разных рабочих частотах, были близки. Начальная добротность входного контура зонда ВИКПБ превышает QH 100, но при повышении температуры на 100 С она падает до 60-70. Поэтому, параллельно к контуру подключен стабилизирующий резистор, уменьшающий исходное значение добротности до 45.
Стендовые испытания
Перед проведением натурных испытаний полноразмерного корпуса прибора был проведён цикл механических испытаний образцов стеклопластика и гидравлических испытаний малогабаритных образцов цилиндрических оболочек — моделей корпуса прибора.
Целью испытаний было определение механических свойств стеклопластика при различных типах связующего и разных схемах армирования. На базе испытательной лаборатории ФНПЦ «Алтай» проведены исследования прочностных характеристик образцов стеклопластика при различных температурах (см. таб. 2.6).
Из стеклопластика КППН для термогидравлических испытаний были изготовлены 6 образцов цилиндрических оболочек диаметром 0,072 м, длиной 0,8 м и толщиной стенки 0,011 м. На концах труб устанавливались стальные законцовки. Эксперименты проводились на испытательной базе Ні 1111А «Луч», (г. Новосибирск) при одновременном воздействии температуры и высокого давления. При заданной температуре давление поднималось до момента разрушения модели. В таб. 2.8. представлены результаты проведённых испытаний.
Данные испытаний свидетельствуют о малом технологическом разбросе прочностных характеристик изделий.
Для подтверждения расчётных значений характеристик изготовленного силового корпуса прибора был разработан план проведения прочностных испытаний, состоящий из двух этапов: 1 этап -гидравлические испытания, 2 этап - механические испытания.
Целью гидравлических испытаний является определение герметичности уплотнений и механической прочности при нагружении внешним гидростатическим давлением. Согласно требованиям ГОСТ [15] необходимо испытать корпус прибора гидростатическим давлением на 10% превышающим предельное рабочее давление одновременно с воздействием повышенной температуры (на 5 С выше предельной эксплуатационной). Параметры нагрузок при гидравлических испытаниях корпуса прибора и последовательность проведения операций приведены в таблице 2.9.
Для проведения гидравлических испытаний корпуса прибора, в том числе при повышенных температурах, была разработана и изготовлена установка УИСДТ-230. Эта установка имеет стальную камеру высокого давления, внутренний диаметр которой 230 мм, толщина стенки 60 мм при длине 6000 мм. Она заполняется водой и оборудована разделительным сосудом «вода-масло». Давление в камере (до 100 МПа) обеспечивается плунжерным насосом УНГР-3000.
Контроль давления осуществляется электроконтактным манометром. Камера нагревается (до 125 С) электронагревателем мощностью 24 кВА. Он разделён по длине камеры на 3 секции, что вместе с цифровой трёхканальной системой управления обеспечивает равномерную (± 2,5 С) температуру в камере. На рис 2.16. показана регулировочная характеристика системы управления температурой в камере УИСДТ-230.
После каждого типа испытаний корпус прибора разбирался и проверялся на отсутствие следов воды и механических повреждений. По завершению испытаний по п. 3 была обнаружена деформация металла внутренней оболочки блока электроники. Проверка твёрдости металла показала его недостаточную закалку по вине недобросовестного поставщика. После замены некачественной детали испытания на прочность были проведены повторно.
Перед испытаниями по п. 5 осуществлялся замер габаритных размеров корпуса, после испытаний проводились повторные замеры. По результатам гидравлических испытаний было принято решение увеличить толщину стенки внутренней трубы с 12 до 18 мм.
Механические испытания ВИКПБ проводились на трубной базе СУБР-1 ОАО «Сургутнефтегаз» в ноябре 2002 г. Программа испытаний включала в себя воспроизведение нагрузок, представленных в табл. 2.10.
Приблизиться к предельно допустимым механическим нагрузкам не удалось из-за недостаточной мощности испытательного оборудования. Тем не менее, стендовые испытания корпуса прибора подтвердили правильность технических решений положенных в основу конструкции. Их результаты позволили приступить к этапу скважинных испытаний.
Опытно промышленная эксплуатация
Для проведения опытно-промышленных испытаний в 2002 г. было изготовлено ещё 2 экземпляра прибора ВИКПБ. Промышленные испытания ВИКПБ проводились в ноябре-декабре 2002 г. на Федоровском месторождении. Цель испытаний - определение возможности применения аппаратуры при бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин в промышленных масштабах в различных режимах. Прибор по требованию заказчика применялся в комплексе с модулем памяти и питания в автономном режиме. Информация регистрировалась в энергонезависимой памяти как функция времени. В таком же режиме наземная система привязки глубин измеряла и записывала в файл перемещения талевого блока. После извлечения прибора на поверхность информация считывалась из памяти и объединялась с информацией о глубине по индексу времени. В результате время исключалось, и формировался LAS - файл с заданным шагом по глубине.
Программа производственных испытаний была утверждена Заместителем Генерального директора ОАО «Сургутнефтегаз» по геологии Н.Я. Медведевым. Она включала следующие этапы:
1. Установка комплекса ВИКПБ в КНБК над забойным двигателем. Проработка ствола вертикальной скважины под спуск обсадной колонны. Глубина забоя 2000...2100 м. Запись каротажных диаграмм. Цель этапа -проверка работоспособности аппаратуры при облегченных режимах бурения.
2. Установка комплекса ВИКПБ в стандартной КНБК следующего состава: долото R-206 - 215,9 мм, калибратор - 215 мм, ВЗД ДРУ-172рс, переливной клапан, комплекс ВИКПБ, безопасный переводник, телесистема DWD-650, остальное ТБПК 127x9,2. Пологая скважина. Глубина забоя 1500... 1900 м. Запись каротажных диаграмм. Цель этапа - проверка работоспособности аппаратуры при наборе кривизны при турбинном и турбинно-роторном бурении винтовым забойным двигателем (ВЗД).
3. Установка комплекса ВИКПБ в стандартной КНБК. Пологая скважина. Интервал бурения 1700 - 2500 м. Роторно-турбинное бурение. Работа комплекса на одном комплекте батарей с целью определения максимального времени работы.
4. Горизонтальная скважина. Интервал бурения 2400 - 2600 м, Цель испытаний - получение каротажных диаграмм в процессе бурения горизонтального ствола.
В итоге выполнения программы испытаний был подписан акт, в котором приведены следующие результаты.
По п. 1. Скважина №6340 куст 575 Фёдоровского месторождения при достижении забоя 2081 м. Подготовка ствола к спуску обсадной колонны, с режимом проработки согласно требованиям регламента. Полученное качество материала при сравнительном анализе с ВИКИЗом соответствует требованиям стандарта.
По п. 2. Скважина №6400 куст 579 Фёдоровского месторождения. Исправительные работы в интервале 1389 - 1996 м. Время работы комплекса на забое 48 часов. После подъёма КНБК выявлено, что время записи составило всего 12 часов из-за преждевременного разряда аккумуляторных батарей. Причиной отказа явилась неустойчивость батарей к вибрационным нагрузкам при турбинно-роторном бурении. В дальнейшем была произведена замена батарей. Полученное качество материала при сравнительном анализе с ВИКИЗом соответствует требованиям стандарта.
По п. 3. Скважина № 13137п куст 513 Фёдоровского месторождения. Интервал бурения 1719-2153 м, время записи 38 часов. Результат записи получен в полном объёме: бурение и спускоподъемные операции (СПО). Качество материала соответствует материалу промежуточного каротажа на данной скважине, полученного автономным геофизическим комплексом АМАК - Обь.
Повторный спуск комплекса на той же скважине проводился на остаточном заряде батарей с целью определения максимального времени работы комплекса. Интервал бурения 2153 - 2538 м. Остаточного заряда батарей хватило на обеспечение времени записи 14 часов. Общее время работы одного комплекта батарей составило 52 часа. Качество материала соответствует материалу промежуточного каротажа на данной скважине, полученного автономным геофизическим комплексом АМАК - Обь.
По п. 4. На последнем этапе испытаний произведена проверка работоспособности данного комплекса при строительстве горизонтальной скважины № 5243 куст 480 Фёдоровского месторождения. На первом спуске в интервале бурения 2490 - 2652 м получен положительный результат. При сборке КНБК на второй спуск, произошёл слом нижней присоединительной резьбы (ниппель) модуля зонда.
В табл. 3.1 приведены сводные результаты о применении аппаратуры ВИКПБ в промышленном масштабе.
В процессе скважинных испытаний прибор находился в составе КНБК как при наборе кривизны (турбинное бурение), так и при бурении горизонтальных участков (турбинно-роторное бурение). Суммарное время нахождения прибора ВИКПБ-7 в скважине составило 608 час. Из них 339 часов приходится непосредственно на бурение. Износ стенок стеклопластиковой части прибора оказался неравномерным. Как и ожидалось, максимальная величина износа - 3,5 мм отмечена в средней части корпуса прибора. Практически нет износа вблизи металлических законцовок. По окружности трубы износ так же несимметричный. Видимо прибор прижимался к стенке скважины одной стороной. В этом месте вскрылся слой смолы, подкрашенный краской, который служит визуальным индикатором допустимой величины износа.
Испытания прибора при бурении реальных скважин показали, что прогнозируемый ресурс силового стеклопластикового корпуса не менее 1000 час. Конструкция корпуса позволяет производить ремонт защитного слоя в цехах трубных баз непосредственно на месторождениях, что обеспечит фактический ресурс не менее 2000 час.
