Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ информационно-измерительных систем и методов контроля расстояния между скважинами 12
1.1. Область применения наклонно-направленного и горизонтального бурения 12
1.2. Информационно-измерительные системы, применяемые при строительстве скважин 16
1.2.1. Инклинометрические информационно-измерительные системы 18
1.2.2. Информационно-измерительные системы электромагнитного обнаружения стволов нефтегазовых скважин
1.3. Комплексный подход контроля траектории ствола скважины 28
1.4. Цели и задачи исследования 29
Глава 2. Разработка программы для математического моделирования электромагнитного поля забойной телеметрической системы в горной породе 31
2.1. Математические модели электромагнитного поля в массиве горных пород 31
2.2. Обоснование использования электромагнитного поля забойной телеметрической системы для контроля расстояния между стволами скважин 36
2.3. Разработка численной модели распространения сигнала зтс в горной породе 39
2.4. Разработка программы для проведения математических экспериментов 59
2.5. Основные результаты и выводы 62
Глава 3. Результаты математического моделирования и скважинных экспериментов по формированию электромагнитного поля забойной телеметрической системы 63
3.1. Результаты математического моделирования формированию электромагнитного поля вокруг бурильной колонны с забойной телеметрической системы с электромагнитным каналом связи 63
3.2. Описание методики проведения скважинных экспериментов на нефтяных месторождениях западно-сибирской нефтегазоносной провинции 76
3.3. Результаты скважинных экспериментов на нефтяных месторождениях западносибирской нефтегазоносной провинции 79
3.4. Основные результаты и выводы 82
Глава 4. Алгоритм, структура и область применения информационно-измерительной системы контроля расстояния между стволами скважин при кустовом бурении 84
4.1. Разработка алгоритма работы информацонно-измерительной системы контроля расстояния между стволами скважин при кустовом бурении 84
4.2. Разработка структурной схемы информацонно-измерительной системы контроля расстояния между стволами скважин при кустовом бурении 87
4.3. Требования к компонентной электронной базе информационно-измерительной системы контроля расстояния между стволами скважин в процессе бурения 90
4.4. Перспективы применения геонавигационных комплексов при кустовом и многозабойном бурении 98
4.5. Основные результаты и выводы 107
Заключение 109
Перечень сокращений 111
Список использованной литературы 112
- Инклинометрические информационно-измерительные системы
- Обоснование использования электромагнитного поля забойной телеметрической системы для контроля расстояния между стволами скважин
- Описание методики проведения скважинных экспериментов на нефтяных месторождениях западно-сибирской нефтегазоносной провинции
- Требования к компонентной электронной базе информационно-измерительной системы контроля расстояния между стволами скважин в процессе бурения
Инклинометрические информационно-измерительные системы
«Были внедрены методы двух-, трехствольного и кустового бурения. Увеличение глубин бурения и открытие крупных газовых месторождений с аномально высоким пластовым давлением значительно усложнили процесс проходки разведочных скважин. В связи с этим, а также из-за нарушений технологии бурения были случаи открытых газовых фонтанов. У значительной части открыто фонтанирующих скважин разрушались или разъедались устьевая арматура, газ прорывался за колоннами, образуя грифоны и большие кратеры вместо устья.
Ликвидация таких фонтанов становилась возможной только путем воздействия через специальные противофонтанные наклонные скважины, забои которых на большой глубине должны сблизиться со стволом фонтанирующей скважины» [8, 9].
В настоящее время не представляется возможным найти нефтяные или газовые промыслы, где бы ни бурились наклонные скважины. Большие перспективы применения наклонного бурения и всех разновидностей этого метода появляются с открытием новых нефтяных и газовых месторождений в Сибири, Средней Азии, Каспийском море и шельфе Арктики.
Наряду с наклонным стали развиваться многоствольное, многозабойное и горизонтальное бурение. Многоствольное (кустовое) бурение освещено в работах Тагиева Э.И., Залкина С.Л., Межлумова О.А., Геймана М.А. и др., многозабойное и горизонтальное – Григоряна А.М., Брагина В.А. и других [1].
Большой вклад в развитие теории, а также техники и технологий управления траекторией стволов скважины внесли Оганов А.С., Кульчицкий В.В., Калинин А.Г., Нескромных В.В., Никитин Б.А. и др.
Подводя итог вышесказанному, можно отметить, что в качестве областей применения наклонно-направленных и горизонтальных скважин можно выделить кустовое бурение, бурение под недоступным объектом; бурение под соляные купола; зарезка второго ствола над местом аварии; избежание бурения через разлом; бурение с суши на шельфе морей; бурение с морских платформ; ликвидация открытых фонтанов; горизонтальное бурение; скважины с большим отходом; многоствольное бурение; скважины с большим, средним и коротким радиусом искривления.
Необходимо отметить тенденцию развития технология строительства скважин сложной пространственной архитектуры для разработки газогидратных залежей, месторождений высоковязких нефтей и битумов, труднодоступных залежей шельфа и др. [9, 10, 11] В частности, в работах [8, 12, 13, 14] рассматриваются вопросы строительства многозабойных, многоствольных скважин, скважин с отдаленным забоем, а также математические методы оптимизации ТСС, ее управления и технические системы контроля и передачи информации с забоя скважины на поверхность в процессе бурения. Происходит интеграция информационно-измерительных и управляющих систем в компоновки низа бурильных колонн. Новые подходы к разработке нефтегазовых месторождений диктуют условия для пересмотра методов проектирования скважинной и наземной аппаратуры, конструкции скважин, узлов и механизмов бурового и добычного оборудования.
При бурении верхних интервалов горных пород кустовым способом одной из сложных задач является предупреждение пересечения стволов скважин. Так по данным БК «Евразия», подобные аварии происходят с частотой 2-3 случая на 1000 скважин. К числу последствий такого рода аварий можно отнести открытый фонтан, загрязнение окружающей среды, порча бурового оборудования и бурильного инструмента, простой и/или потеря добывающей скважины, человеческие жертвы. Большой экономический и экологический ущерб от подобных аварий требует повышение надежности работы информационно-измерительной системы по контролю расстояния между скважинами. Этому препятствует накапливающаяся с ростом глубины ошибка определения координат забоя скважины даже при использовании точных первичных измерительных преобразователей, ограничение в скорости передачи данных существующих каналов связи забой-устье и скважинной аппаратуры, высокая скорость бурения, низкая достоверность данных инклинометрии соседних скважин старого фонда.
Разрабатываемые ИИС должны выдерживать сложные условия работы, накладываемые технологией строительства скважин: ограничения по габаритам скважинных модулей, большие температуры и вибрации, воздействие бурового раствора в совокупности с абразивным износом. Все это позволяет сформулировать новые требования, предъявляемые к новому поколения геонавигационных комплексов: высокая скорость измерения координат забоя скважины с обязательной корректировкой на окружающие объекты (соседние скважины, пласты горных пород) и интеграция с наземной аппаратурой и подсистемой управления при сохранении работоспособности в агрессивной окружающей среде.
Объектами исследования для ИИС в нефтегазовой промышленности могут выступать горные породы, скважины, устьевое оборудование, системы трубопроводного транспорта, узлы нефте- и газоперерабатывающего оборудования. ИИС применяются для диагностики состояния объектов, контроля режима работы технологического оборудования и других задач.
Обоснование использования электромагнитного поля забойной телеметрической системы для контроля расстояния между стволами скважин
Система дифференциальных уравнений (2.13) не имеет аналитического решения, т.к. о- и /и зависят от координат и не являются константами. В то же время большую часть системы составляют горные породы, для которых система уравнений Максвелла может быть решена аналитически. Это обусловлено тем, что массив горных пород можно принять за однородную анизотропную среду, так как размер неоднородностей намного меньше длины волны излучения СМЗТС.
Аналитическое решение системы (2.17) находится в виде функции Грина. Функция Грина описывает электромагнитное поле от точечного источника электромагнитного излучения. Поскольку точечных источников в природе не существует, то функция Грина сама по себе не имеет физического смысла, но позволяет рассчитать поле, созданное источником электромагнитного излучения любой формы и размеров. Введем матрицы, включающие электрические и магнитные составляющие поля мнимого источника для всех возможных направлений:
Для решения (2.74) разработана программа в прикладном программном продукте Matlab. Найдя решение системы внутри неоднородностей, аналогичным образом рассчитываются поля, возникающие вокруг неоднородностей, при этом поле внутри неоднородностей является источником для формируемого поля снаружи неоднородностей. Общий алгоритм работы программы представлен на Рисунке 2.5. В качестве исходных данных для расчетов используются геометрические, электрические и магнитные параметры бурящейся и пробуренной скважин горных пород, характеристика источника тока (Рисунок 2.6).
Пример вычисления в функции Грина в созданной программе Для отработки вычисления функции Грина проводились дополнительные вычисления значений напряженностей электрического и магнитного полей в различных точках пространства (Рисунок 2.8).
Пример задания плоскости для исследования компонент электромагнитного поля в пространстве вокруг скважины в созданной программе
Выбрав электрическую составляющую полученного электромагнитного поля и проинтегрировав ее по расстоянию между устьями скважин, находят значение разности электрических потенциалов (искомый параметр для измерительной аппаратуры) (Рисунок 2.9).
Пример вычисления напряжения между скважинами в созданной программе 2.5. Основные результаты и выводы
Математическое описание электромагнитных явлений, возникающих при кустовом бурении скважины с применением ЗТС с ЭМКС невозможно описать с помощью обычных сосредоточенных параметров электрической цепи. Это обусловлено тем, что не существует математических моделей, описывающих формирование электромагнитного поля вокруг таких объектов сложной геометрии, как совокупность наклонно-направленных скважин в кусте. Возникает вопрос, как именно описывать различные токи утечки, а также изменение сосредоточенных параметров эквивалентной электрической цепи при углублении скважин. Кроме того, затруднение вызывает описание протекания тока в массиве горных пород между бурящейся и пробуренной скважиной. Все эти факторы обусловили выбор системы уравнений Максвелла для описания физических процессов, происходящих в рассматриваемой системе. Проводимые ранее исследования осуществлялись в те времена, когда вычислительной мощности техники не хватало для проведения численных модельных экспериментов. Поэтому разработанная на основе метода объемных интегральных уравнений программа позволяет проводить различные исследования электромагнитного поля в рассматриваемой системе. После расчета электромагнитного поля использовав его электрическую составляющую появилась возможность вычислять значения напряжения между бурящейся и пробуренной скважинами в одном кусте при геонавигационном сопровождении строительства скважин с ЗТС с ЭМКС. Результаты математического моделирования формированию электромагнитного поля вокруг бурильной колонны с забойной телеметрической системы с электромагнитным каналом связи
Первым этапом проведения исследований было изучение работоспособности программы на примере элементарных элементов неоднородности, представляющих собой небольшой куб с известными размерами. Поочередное рассмотрение всех компонент электромагнитного поля позволило устранить различные ошибки в программе и отладить ее работу на предмет чувствительности к исходным данным параметров генератора, электрической проводимости и магнитной проницаемости неоднородности и окружающей среды, а также различных геометрических параметров.
Дальнейшей задачей стало формирование массива координат ТСС, в центры которых размещались элементарные ячейки неоднородности. Важным моментом при написании программы была отладка «сшивания» элементов неоднородностей друг с другом. Дальнейшие исследования позволили получить картину образования электрического поля вокруг одиночной вертикальной скважины. В скважину глубиной 1 км размещалась модель СМЗТС на небольшом расстоянии от забоя. Мощность генератора составляет 600 Вт, выходное напряжение – 40 В. Проводимость среды – 0,01 См/м, проводимость металла – 106 См/м, относительная магнитная проницаемость среды – 12,5610-7 Гн/м, относительная магнитная проницаемость металла – 100 Гн/м. На Рисунке 3.1 представлена напряженность электрического поля, возникающего в массиве горных пород вокруг скважины на площади 4000х4000 м на глубине 500 м, а на Рисунке 3.2 – на поверхности земли.
Описание методики проведения скважинных экспериментов на нефтяных месторождениях западно-сибирской нефтегазоносной провинции
Аналогичные вычисления были проведены для трехфакторной модели зависимости искомого напряжения от расстояния между устьями d (варьировалось в интервале от 50 до 100 м), глубины СМЗТС по вертикали h (варьировалась от 100 до 200 м), удельного электрического сопротивления горных пород р (варьировалось от 100 до 10000 Омм). Итоговый полином в натуральных единицах имеет вид (оценка значимости коэффициентов регрессии также проводилась):
Проверка адекватности модели (значение индекса Фишера F=31,95, что больше критического F =7,815 (при точности численного эксперимента 5%)) показала, что представленная модель не является адекватной. Отсюда следует вывод, что необходимо сужать диапазон варьирования параметров, чтобы построить адекватную модель. Или необходимо брать полином третьей степени, что для трех факторов ведет к очень большому объему вычислений и громоздкому виду результатов. Кроме того, перед разрабатываемой ИИС стоит задача на основании измерения напряжения и других параметров вычислять значение расстояние между стволами скважин. Однако применение представленных выше аналитических выражений на основе ПФЭ для расчета искомого расстояния является некорректным. Ввиду вышеописанных сложностей от этого подхода пришлось отказаться. Для решения поставленной задачи было решено разработать базу данных искомых расстояний в зависимости от различных геометрических и электрических параметров. Для примера построения соответствующей базы данных взята система из двух скважин: пробуренная скважина вертикальна, а бурящаяся скважина имеет трехинтервальный плоский профиль. Задавая различные параметры, вычислялось значение напряжения между устьями скважин. В качестве изменяемых параметров были выбраны следующие: Lx - длина вертикального участка бурящейся скважины, i2 -интенсивность набора зенитного угла бурящейся скважины на втором интервале, таха2 - значение зенитного угла в конце интервала набора зенитного угла бурящейся скважины, max р - значение азимутального угла бурящейся скважины, d - расстояние между устьями скважин, р - удельное электрическое сопротивление горных пород. Значение расстояния между стволами скважин w вычислялось исходя из геометрических соображений, а напряжение между устьями скважин U выдавалось программой в результате численного моделирования. Полученная база данных приведена в Приложении 1 в Таблице П1.1.
Описание методики проведения скважинных экспериментов на нефтяных месторождениях Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции
Программа промыслового эксперимента «Исследование сигнала забойной телеметрической системы с электромагнитным каналом связи в качестве информативного источника для предупреждения пересечения стволов скважин при кустовом бурении» утверждена техническим советом Западно-Сибирского филиала «Буровой компании «Евразия» (далее по тексту - ЗСФ «БКЕ») (Приложение 2).
В качестве объекта исследования выступал процесс бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин кустовым методом с применением забойных телеметрических систем с электромагнитным каналом связи. При этом предметом исследований являлись: 1. Влияние массива горных пород на распространение сигнала забойной телеметрической системы с электромагнитным каналом связи. 2. Зависимость амплитуды принимаемого сигнала забойной телеметрической системы с электромагнитным каналом связи от глубины скважины по стволу. Целями проведения эксперимента ставились: 1. Предотвращение пересечений стволов скважин при кустовом бурении 2. Определение геометрии бурящейся скважины по амплитуде принимаемого сигнала забойной телеметрической системы с электромагнитным каналом связи на обсадных колоннах соседних скважин
Все промысловые эксперименты проводились на месторождениях Территориального производственного предприятия (ТПП) «Когалымнефтегаз» компании «ЛУКойл – Западная Сибирь». В качестве подрядной организации, выполняющей буровые работы, выступил ЗСФ «БКЕ». Выбор конкретных месторождений и скважин в технологическом отделе ЗСФ «БКЕ» производился из следующих соображений:
В результате промысловые эксперименты проводились при бурении следующих скважин: 1. скважина №6876, куст 436 Повховского месторождения; 2. скважина №1384Г, куст 62 Повховского месторождения; 3. скважина №9144, куста 546 Ватьеганского месторождения; 4. скважина №7539, куст 436 Повховского месторождения; 5. скважина №5281, куст 336 Южно-Ягунского месторождения. Конструкции вышеприведенных скважин подразумевали бурение интервалов под направление, кондуктор и эксплуатационную колонну. Поскольку забойные телеметрические системы с электромагнитным каналом связи использовались при бурении только под кондукторы, а скважины в кусте максимально сближались друг с другом на глубине до 500 метров, то все эксперименты проводились именно в этих интервалах. Сложность проведения промысловых экспериментов обуславливали невозможность вмешательства в процесс строительства скважины и ограниченность перевозимого исследовательского оборудования.
При проведении экспериментов использовалась схема подключения измерительного оборудования (Рисунок 3.9).
В качестве измерительного оборудования использовался цифровой осциллограф АКТАКОМ АОС-5302 для записи сигнала между скважинами и/или приемными антеннами. Выбор осциллографа осуществлен исходя из следующих соображений: наличие двух входов, возможность усреднения результатов измерения (по каждым 4, 8, 16, 32, … 256 замерам), возможность записи осциллограммы на компьютер с отображением параметров сигнала, наличие встроенных фильтров, наличие функции быстрого преобразования Фурье для определения спектра сигнала, наличие двух входных сопротивлений (большого и малого), малые габариты и чувствительность к вибрациям при транспортировке. Кроме того, на некоторых скважинах для уменьшения влияния промышленной частоты использовался режекторный фильтр, устанавливаемый перед цифровым осциллографом.
Требования к компонентной электронной базе информационно-измерительной системы контроля расстояния между стволами скважин в процессе бурения
«Боковые стволы могут располагаться в любом направлении, в том числе и в вертикальном (Рисунок 4.11). Хвостовик 2 в местах установки электрических разделителей 5, 6 и 8, центраторы 13 и шунтирующие центраторы 31, изготовленные из диамагнитных сталей, обеспечивают измерение магнитным датчиком вектора естественного магнитного поля Земли, направленного на северный магнитный меридиан с целью определения телеметрической системой 12 или автономным скважинным прибором 30 угла установки отклонителя-забойного двигателя 15, искривленного окончания 25 и 26 хвостовиков малого диаметра 22 и 27» (Рисунок 4.7 – 4.11) [14, 91].
«Вначале вскрывают кровлю 35 пласта «рябчик», производят крепление ствола 36 обсадной колонной 1 и бурят основной горизонтальный ствол 37 по нижнему нефтяному пропластку 32. Потом туда спускают хвостовик 2 с внутренним диаметром D = 150 мм с заранее вырезанными и установленными в заданном направлении окнами 3 и 4 и с установленными перед ними электрическими разделителями 5 и 6 на расстоянии lдл= 150 м между собой, равном длине проектируемого нижнего бокового ствола 38 и с электрическим разделителем 8, установленным от электрического разделителя 6 на расстоянии lбл = 250 м, равном длине проектируемого верхнего бокового ствола 39. По данным угла установки отклонителя забойного двигателя 15, получаемым с телеметрической системы 12 посредством электрического разделителя 5, путем вращения колонны бурильных труб 17 устанавливается отклонитель-забойный двигатель 15 в требуемом положении и осуществляется ориентированный вход в окно 3 и бурение из окна 3 хвостовика 2 нижнего бокового горизонтального ствола 38 по пропластку 33 (рис. 2 и 6). Телеметрическая система 12 устанавливается над хвостовиком нижнего бокового ствола 40, спускается в интервал электрического разделителя 6 хвостовика 2 и ориентируется по данным угла установки искривленного на величину = 1,3. окончания 41 хвостовика малого диаметра 40 и входит в боковое окно 3, обеспечивая прохождение хвостовика малого диаметра 40 в боковой ствол 38. Бурение верхнего бокового ствола 39 и его крепление хвостовиком верхнего бокового ствола 42 осуществляется таким же способом, но с использованием электрического разделителя 8 хвостовика 2 для передачи информации на поверхность по электромагнитному каналу связи 19.
Заканчивание скважины осуществляется установкой автономных скважинных приборов 30 напротив электрических разделителей 5, 6 и 8, измерением и передачей глубинной информации с использованием электромагнитного канала связи 19 на поверхность в процессе эксплуатации многозабойной скважины 28» [14, 91].
«Благодаря использованию предлагаемого способа строительства МЗГС повышается надежность разработки сложнопостроенных газовых и нефтяных залежей с трудноизвлекаемыми запасами углеводородов, снижается количество скважин за счет увеличения охвата залежи множеством стволов многозабойной скважины, обеспечивается контролируемая с поверхности ориентация инструмента и ввод его в ответвления, создаются условия для использования электрического разделителя в качестве элемента скважинной системы для измерения и передачи в процессе эксплуатации забойной информации на поверхность, расширяется область применения технологии строительства и эксплуатации многозабойных горизонтальных скважин.
Предлагаемый способ повышает надежность геонавигации МЗГС, создат условия для сооружения скважин с десятками боковых стволов с возможностью идентификации каждого ствола, ориентированного входа бурильного инструмента и заканчивания.
Предложенный способ строительства и эксплуатации МЗГС обеспечивает: 1. Повышение успешности разработки сложнопостроенных газовых и нефтяных залежей с трудноизвлекаемыми запасами углеводородов. 2. Предотвращение ухудшения всей разветвленной системы в случае истощения одного из боковых стволов или прорыва в него воды или газа. 3. Снижение количества скважин за счет увеличения охвата площади множеством стволов
Разработанная информационно-измерительная система позволяет предотвращать пересечение стволов скважин при кустовом бурении за счет детектирования разности потенциалов между скважинами. Результаты диссертационного исследования внедрены на производство, о чем свидетельствует соответствующий акт внедрения (Приложение 5). Открываются перспективы создания на базе забойных телеметрических систем с электромагнитным каналом связи инструмента для поиска обсаженных стволов скважин. Задача высокоточного бурения становится приоритетной для решения специальных вопросов строительства скважин: ликвидация открытых нефтегазовых фонтанов, ориентирование стволов многозабойных скважин друг относительно друга при вскрытии продуктивного пласта, строительство двухустьевых скважин, бурение протяженных горизонтальных интервалов в маломощных продуктивных горизонтах и др. Все это ставит перед разработчиками скважинной аппаратуры новые проблемы, решение которых позволит, в конечном счете, снизить наносимый окружающей среде ущерб, повысить нефтеотдачу пластов и вывести разработку нефтегазовых месторождений на новых технологический уровень.
