Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные информационно-измерительные системы исследования промывочной жидкости и шлама бурящейся скважины на нефтесодержание и минеральный состав 10
1.1 ИИС для автоматизированного сбора и обработки информации в процессе бурения скважины 10
1.2 Метод и аппаратура газовой хроматографии 16
1.3 Метод и аппаратура ядерно-магнитного анализа 20
1.4 Метод и аппаратура радиоактивных исследований 22
1.5 Методы и аппаратура инфракрасной спектроскопии 23
1.6 Выводы 27
ГЛАВА 2. Оптические методы измерения содержания нефти в промывочной жидкости бурящейся скважины 29
2.1 Введение 29
2.2 Измерения методом люминесцентной спектроскопии 30
2.3 Инфракрасная спектрометрия абсорбционным методом и методом НПВО ..35
2.4 Измерения поглощения в ультрафиолетовой и видимой областях оптического спектра 44
2.5 Выводы 45
ГЛАВА 3. Особенности исследования шлама и промывочной жидкости на устье бурящейся скважины 47
3.1 Получение геохимической информации от разбуриваемых пластов 47
3.2 Определение уровня первичного сигнала по коэффициенту перехода нефти в промывочную жидкость 55
3.3 Определение уровня входного сигнала подсистемы люминесцентного анализа на устье скважины 62
3.4 Привязка геохимических данных к глубинам исследования 64
3.5 Выводы 74
ГЛАВА 4. Разработка люминесцентных методов и датчиков исследования нефтесодержания промывочной жидкости 76
4.1 Конструкции люминесцентных датчиков 76
4.2 Экспериментальный стенд 79
4.3 Проведение эксперимента с различными типами конструкций люминесцентных датчиков 88
4.4 Обработка результатов измерений 95
4.5 Выводы 101
ГЛАВА 5. Оптическая информационно-измерительная система исследования нефтесодержания промывочной жидкости бурящейся скважины 104
5.1 Структурная схема подсистемы люминесцентного анализа 104
5.2 Реализация блока люминесцентного анализа 106
5.3 Структурная схема подсистемы инфракрасного анализа 113
5.4 Алгоритмы работы микропроцессорных устройств 118
5.5 Выводы 122
Заключение 124
Список литературы 126
- Метод и аппаратура ядерно-магнитного анализа
- Инфракрасная спектрометрия абсорбционным методом и методом НПВО
- Определение уровня входного сигнала подсистемы люминесцентного анализа на устье скважины
- Проведение эксперимента с различными типами конструкций люминесцентных датчиков
Метод и аппаратура ядерно-магнитного анализа
В настоящее время путь развития методов и способов контроля, измерения и исследований скважин идет по направлению к созданию универсальной, унифицированной и модульной информационно-измерительной системы, которая позволит не только удовлетворить потребности буровиков в информации, необходимой для оптимизации проводки скважины, но и обеспечить геологов сведениями о свойствах и строении разбуриваемых горных пород, о наличии в разрезе скважины продуктивных пластов и их характере [3].
Подобная ИИС должна решать задачи, которые ранее были разделены между двумя различными системами — геологической и технологической. Объединению этих систем способствовало как совершенствовании способов разведки продуктивных пластов и расчленения литологического разреза скважины и технологий бурения, так и огромный скачок, произошедший в развитии электроники, информационной техники и технологий.
Таким образом при рассмотрении ИИС, применяемых на буровой следует рассматривать только универсальные геолого-технологичесие ИИС. К технологическим задачам относятся регистрация и отображение в реальном времени процесса строительства скважины по таким параметрам как глубина, давление, значение выключателя «свободного конца», вес инструмента, расхода ПЖ на входе и выходе из скважины, уровня ПЖ в приемных емкостях, и др. Геологические задачи, решаемые подобными ИИС могут включать в себя, в зависимости от используемых методов, определение суммарного газосодержания Гсум, компонентного газосодержания, нефтесодержания ПЖ и др.
Сложность используемых ИИС определяется как составом регистрирующей и обрабатывающей аппаратуры, так и набором датчиков, устанавливаемых на буровой для контроля различных параметров. Число первичных преобразователей в современных ИИС может достигать нескольких десятков. Несмотря на такое значительное количество датчиков с применением универсальной ИИС общее их количество на буровой сокращается благодарю отсутствию дублирования контроля некоторых параметров разнородными системами. Обобщенная структурная схема ИИС оперативной обработки информации на буровой представлена на рисунке 1.1 [4].
Перечень параметров, измеряемых с помощью универсальных ИИС можно разделить на несколько групп: 1. механические параметры; 2. параметры циркуляционной системы; 3. параметры ПЖ; 4. дополнительные параметры; 5. геофизические параметры, определяемые различными методами.
Применение универсальной ИИС позволяет решать такие геологические задачи, как литологическое расчленение разреза, выделение коллекторов и определение их емкостных и фильтрационных свойств, определение характера пластовых давлений и прогнозирование зон с АВПД. Одновременно с этим решаются задачи оптимизации процесса проводки скважин, предупреждения аварийных ситуаций и осложнений. Регулирование режима бурения на основе комплексной геолого-технологической информации, полученной с помощью универсальной ИИС, позволяет существенно улучшить технико-экономические показатели работ по проводке скважин [5].
При этом, если технологические параметры ИИС в большинстве случаев поддаются прямому измерению с помощью ряда стандартизированных измерительных преобразователей, то геологические исследования можно
Обобщенная структурная схема ИИС оперативной обработки информации на буровой проводить множеством различных способов, каждый из которых отличается измеряемыми параметрами, чувствительностью, временем исследования и процессом.
При этом, если технологические параметры ИИС в большинстве случаев поддаются прямому измерению с помощью ряда стандартизированных измерительных преобразователей, то геологические исследования можно проводить множеством различных способов, каждый из которых отличается измеряемыми параметрами, чувствительностью, временем исследования и процессом.
Выявление в разрезе скважин продуктивных горизонтов в большинстве случаев осуществляется путем проведения после бурения промыслово-геофизических исследований, включающих комплекс электрических, радиоактивных, магнитных, акустических и других методов каротажа [6], [7], [8], [9] и [10].
Все указанные технологии геофизических исследований выполняются в промежутках между интервалами бурения с использованием аппаратуры на кабеле. Следует отметить, что перед выполнением исследований необходимо вскрыть достаточно мощную толщу пород, промыть ствол скважины и извлечь бурильные трубы на поверхность, в результате чего к моменту исследования породы в прискважинной зоне под действием ПЖ происходят определенные изменения. Особенно сильно искажаются характеристики проницаемых пластов вследствие проникновение в них фильтрата ПЖ [11]. В некоторых случаях из-за глубокого проникновения в них фильтрата ПЖ даже не удается оценить характер насыщения и выделить некоторые виды коллекторов.
Наиболее сложно проводить исследования скважинными приборами на кабеле в осложненных и наклонных скважинах. В них обычно выполняется ограниченный комплекс геофизических исследований.
Инфракрасная спектрометрия абсорбционным методом и методом НПВО
Ядерно-магнитные методы исследования основаны на наличии магнитных и механических моментов у ядер атомов. При помещении ядра во внешнее постоянное магнитное поле H0 магнитные моменты, которые ранее были хаотически направлены в разные стороны, будут ориентироваться по направлению внешнего поля. При этом вектор магнитного момента будет прецессировать вокруг направления поля H0. Суть метода заключается в наблюдении свободной прецессии в неравновесном состоянии ядер [24].
При выполнении измерений по методике, основанной на принципе свободной прецессии, регистрируется только сигнал от ядер водорода. Ядра других элементов, которые обладают ядерным магнитным моментом, создают более слабый и быстро затухающий сигнал, который практически не регистрируется прибором. Таким образом, величина U0 пропорциональна концентрации ядер водорода (который может быть к в составе воды, так и в составе нефти) в горной породе.
Поскольку водород в составе химической связанной или адсорбированы на поверхности породы воды не вносит вклада в измеряемую ЭДС определяемое ядерном-магнитным методом количество водорода отражает количество свободной воды или нефти в породе. Измеренная величина U0 выражается в условных единицах - индексе свободного флюида. Данное значение после внесения поправок соответствует величине эффективной пористости Кп,эфф коллекторов.
Выполнение анализа образцов керна, шлама и различных флюидов (в том числе во время бурения) выполняется на ЯМР-анализаторах в основном, для выполнения следующих задач: пределение суммарной (общей) и эффективной пористости, структуры порового пространства и оценка объема подвижных флюидов; разработка и уточнение алгоритмов расчета проницаемости и вязкости углеводородов; повышение достоверности интерпретации материалов каротажа ядерно-магнитным методом и корреляция его результатов со стандартным комплексом ГИС [25].
Важной частью исследования является насыщение образцов раствором, в качестве которого обычно выступает KCl, т.к. неполное насыщение образцов является наиболее типичной причиной ошибки измерения.
В настоящее время применяются различные ЯМР-анализаторы, позволяющие проводить исследования керна, шлама и различных флюидов. Среди них прибор CoreSpec-1000 производства компании «Numar», MARAN-2 разработки компании «Resonance Instruments», а также российские разработки, такие как экспериментальный ЯМР-релаксометр, созданный ВНИИЯГГ и ЯМР-анализатор "Хроматэк-Протон 20М" [26].
Ядерно-магнитный метод обладает высокой чувствительностью, селективностью и воспроизводимостью, показанной при определении значений пористости.
Основным недостатком ядерно магнитного метода является невозможность прямого определения нефтесодержания, а только определения количества свободного флюида (хотя при выполнении задачи определения пористости это является преимуществом метода).
Необходимость сложной и точной пробоподготовки, сложная последовательность калибровки и самого анализа не позволяет использовать его в качестве оперативного метода исследования.
Существует проблема с выделением перспективных участков в преимущественно глинистых отложениях из-за своеобразного поведения сигналов ЯМР в флюидах, контактирующих с глинистыми минералами.
Также существуют и другие ограничения применения метода, такие как быстрая релаксация (на границе чувствительности приемной антенны) высоковязких нефтей и другие [27].
Применение ядерно-магнитного метода осложняет также необходимость постоянного проведения контроля качества, который включает поверку приборов до и после регистрации, рабочую настройку, визуальное воспроизведение некоторых показателей во время регистрации и окончательную проверку полевых материалов после обработки. Для этого использую целую систему датчиков качества сигналов и целостности работы приборов.
Естественная радиоактивность представляет собой самопроизвольный, подчиненный определенному статистическому закону распад неустойчивых ядер атомов. Радиоактивный распад приводит к изменению строения, состава и энергии ядер и сопровождается испусканием - -частиц или захватом электрона из K- или L-оболочки, коротковолновым излучение электромагнитной природы (-излучение).
Поскольку - -частицы в веществе испытывают сильное кулоновское взаимодействие и обладают очень малой проникающей способностью, в радиометрии нефтегазовых скважин используется только -излучение. Естественная радиоактивность горных пород прямо пропорциональна содержанию в них радиоактиных элементов. Кроме того, установлено, что осадочные породы, образовавшиеся в различных условяиях осадконакопления, содержат различные концентрации урана, тория и калия [28] и [29].
Гамма-спектрометрический анализ проводится с помощью многоканальных амплитудных анализаторов в комплекте со сцинтилляционными датчиками с кристаллами NaI и CsI и усилительными согласующими устройствами. Для исследования керна в настоящее время используются различные гамма регистраторы, например SGL-891 и NGR-200. Однако, все регистраторы имеют схожую структуру и включают в себя конвейер для перемещения керна, свинцовый защитный экран и детекторы гамма-излучения. Детекторная система состоит из закрытого сцинциляционного кристалла соединенного с фотоумножителем. Сигналы от детекторов обрабатываются многоканальным анализатором спектра и специальным прикладным программным обеспечением. Импульсы сортируются по энергии и выполняется счет импульсов в энергетических диапазонах K, U и Th, а также общая гамма-активность. Установка позволяет выполнять измерения на образцах керна в оболочке из фибергласа или алюминия или открытый. Регистраторы обеспечивают регулирование скорости сканировани от 15 до 50 см/мин.
По результатам гамма-спектрометрического анализа для литологического расчленения разреза строятся кривые измерения концентраций K, U(Ra) и Th и общей естественной радиоактивности шлама и керна в функции глубины скважины.
Основные ограничения методы связны с необходимостью иметь для анализа представительные пробы шлама (порядка 100см3), с длительностью одного цикла измерения (40 мин.) и с большим объемом работы, связанных с вычислением содержания элементов в исследуемой породе [30].
Определение уровня входного сигнала подсистемы люминесцентного анализа на устье скважины
Как следует из данного уравнения коэффициент сжимаемости характеризует относительное изменение единицы объема нефти при изменении давления на одну единицу. Коэффициент сжимаемости зависит от состава пластовой нефти, количества растворенного газа, абсолютной температуры и давления [61]. Чем больше растворенного в нефти газа, тем больше коэффициент сжимаемости. Нефти, не содержащие растворенный газ, обладают сравнительно низким коэффициентом сжимаемости, порядка 4 10-4 7 10-4 МПа1. При растворении в нефтях (особенно в легких) больших количеств газа происходит увеличение коэффициента сжимаемости нефти. Для нефти, добываемой в России, коэффициент сжимаемости изменяется от 7 10-4 до 140 10-4 МПа1
В процессе выноса шлама на земную поверхность нефть, остававшаяся в порах и каналах частиц шлама будет расширятся, дополнительно насыщая ПЖ нефтью. В зависимости от глубины продуктивного пласта нефть может залегать под разным давлением и находится в разной степени сжатия.
При определении уровня входного сигнала на устье скважины необходимо учитывать тот факт, что объем нефти, переходящий из пор разбуриваемой породы разбавляется в некотором объеме ПЖ, которая течет со значительной скоростью. Для расчета значения нефтенасыщенности ПЖ на устье скважины необходимо рассчитать объем нефти, переходящей в ПЖ за единицу времени, а также объем ПЖ, эвакуированный из забоя бурящейся скважины за это же время.
Процесс перемещения информационного сообщения по геохимическому каналу связи требует определенного времени, в связи с чем неизбежно встает вопрос о привязки результатов исследования порции ПЖ и определенной частицы шлама к глубине, с которой она была вынесена на поверхность потоком промывочной жидкости.
Движение свободной нефти и шлама по затрубному пространству происходит под влиянием конвективных, лифтовых и гравитационных сил. В случае использования в качестве ПЖ глинистого раствора влиянием лифтовых и гравитационных сил, в следствии их малости, на частицы свободной нефти можно пренебречь. Таким образом, можно считать, что распределение скоростей движения частиц нефти по сечению затрубного пространства повторяет распределение скоростей в потоке ПЖ и зависит от режима течения последней.
Таблица 3.1 — Зависимость уровня сигнала на входе в подсистему люминесцентного анализа от скорости проходки и скорости движения ПЖ по затрубному пространству при диаметре долота — 215 мм, диаметре бурильных труб 178 мм, и коэффициенте перехода нефти в ПЖ 0, Скорость движения ПЖ = 2 м/с Скорость проходки = 3 м/ч
Скорость проходки, м/ч Концентрация нефти в ПЖ, об.% Скорость ПЖ, м/с Концентрация нефти в ПЖ, об.%
При определении глубины забоя, с которой была эвакуирована определенная порция ПЖ вводят такие понятия как текущая глубина забоя скважины и исправленная глубина [14].
Текущей глубиной забоя скважины (Z) называется глубина забоя скважины, регистрируемая глубиномером в момент проведения измерения.
Исправленной глубиной (ZИ) называют глубину расположения точки пласта, пересеченного скважиной, к которой относится значение геохимического параметра, измеренное при глубине забоя скважины Z.
Для некоторых измеряемых параметров, таких как расход промывочной жидкости на входе и выходе скважины, скорость проходки величины Z и ZИ будут совпадают, однако для параметров, регистрируемых на устье скважины путем анализа порции промывочной жидкости (ПЖ) и порции содержащегося в ней шлама всегда соблюдается неравенство Z ZИ.
Исправленная глубина для геохимических параметров ZИ представляет собой разность глубины Z и приращения глубины забоя скважины за время перемещения порции ПЖ от забоя до устья скважины Z, называемого величиной отставания по глубинам.
При этом во время определения величины приращения глубины скважины Z следует периодически экспериментально определять и корректировать величины VC и Qвых. Это требование связно с непостоянством величин VC и Qвых. В частности, объем затрубного пространства может изменятся из-за наличия каверн, а расход промывочной жидкости на выходе из скважины может быть непостоянен из-за поглощения фильтрата ПЖ при пересечении скважиной проницаемых горизонтов, изменения числа работающих буровых насосов и режима их работы.
Таким образом, для определения ZИ ПЖ в систему анализа необходимо включить датчик расхода ПЖ на выходе из скважины, датчик скорости проходки и регистратор текущей глубины забоя.
Все вышесказанное относится к движению ПЖ по затрубному пространству от забоя на поверхность. Однако частицы шлама, попавшие в ПЖ при разбуривании породы долотом движутся на поверхность с отставанием от той порции ПЖ в которую они первоначально попали.
Это связано с процессом седиментации — оседания частиц дисперсной фазы в жидкости или газе под действием гравитационного поля или центробежных сил. В общем виде скорость седиментации зависит от массы, размера, формы и плотности вещества частицы, вязкости и плотности среды, а также от ускорения, силы тяжести и действующих на частицы центробежных сил.
Поэтому при решении вопроса о привязке шлама, отбираемого для проведения анализа необходимо учитывать не только перемещение ПЖ в затрубном пространстве скважины, но и перемещение частиц шлама в столбе ПЖ.
Режим движения глинистого раствора по затрубному пространству зависит от ряда факторов, таких как скорость течения и физико-механические свойства раствора и размера скважины и бурильных труб и характеризуется обобщенным параметром Рейнольдса [62]
Проведение эксперимента с различными типами конструкций люминесцентных датчиков
Сразу за кварцевым стеклом второго герметичного отсека устанавливается светофильтр марки ЖС11 (желтое стекло). Данный фильтр предназначен для блокирования прохождения свечения в ультрафиолетовой области спектра ( 400 нм) [71].
За фильтром устанавливается матрица фотодиодов размером 8x5. Использование матрицы светодиодов вместо единичного элемента обусловлено относительно небольшими углами обзора светодиода. Повышение площади регистрации видимого излучения света улучшает чувствительность блока анализа. Основными требованиями предъявляемыми к используемым светодиодам являются высокая чувствительность, пик которой должен приходится на 450-550 нм, низкий темновой ток [87]. С учетом данных требований в качестве приемника излучения был выбран фотодиод BPW21R, чей график спектральной чувствительности приведен на рисунке 5.5.
Матрица фотодиодов подключена к усилителю, обеспечивающему коэффициент усиления равным 25 для согласования со входом АЦП. В основе усилителя лежит операционный усилитель AD820, разработанный специально для использования с фотодиодами. Особенностью операционного усилителя AD820 является низкий уровень шума 13 нВ/Гц [88].
Сигнал с операционного усилителя подается на АЦП. АЦП выбирается исходя из требований к разрядности и уровню шума. Для дискретизации входного значения, лежащего в пределах 0-5 В с шагом не менее 0,01 В требуется АЦП с разрядностью 10 бит. В качестве АЦП выбран 10-битный AD7812 с соотношением сигнал/шум 58 дБ [89].
Оцифрованный сигнал поступает на интерфейсный узел, который обеспечивает согласованную передачу информации по шине данных на микропроцессорное устройство.
Микропроцессорное устройство должно обладать электрически стираемым программируемым ПЗУ для возможности загрузки обновления микропрограмм, достаточным объемом запоминающего устройства с произвольным доступом и высокой тактовой частотой. С учетом данных требований в качестве микропроцессорного устройства используется ATmega16L-8PU [90], чьи основные характеристики приведены в таблице 5.2.
По своей структуре предлагаемая подсистема ИК-анализа состоит из оптической и электронной части (рисунок 5.6) [91]. В оптическую часть входят источники излучения, оптический коммутатор, линзовая система, кювета с образцом и приёмники излучения. Электронная часть состоит из усилителя, полосового фильтра, когерентного амплитудного модулятора, аналого-цифрового преобразователя и микропроцессора.
Отбор проб шлама, который производится для исследования на ИК-анализаторе, не отличается от общепринятого: шлам отбирают у устья скважины в желобной системе в потоке выходящего бурового раствора с применением шламоотборников постоянного или периодического действия [92]. Шлам для исследования следует отбирать с сетки, на которой задерживаются частицы, а затем, перед помещением в кювету, производить размельчение частиц путем помола в ступке или мельнице.
Подготовка пробы шлама к анализу заключается в высушивании шлама и помещении его в микрокювету 3 из KRS-5 с длиной оптического пути 3 мм.
В качестве источников излучения предлагается применить лазерные диоды 1.1-1.N или квантово-каскадные лазеры, излучающие в узком диапазоне длин волн (по одному источнику на каждую характеристическую полосу).
Благодаря тому, что нагрев окружающей среды при работе лазеров невелик, измерительную часть можно выполнить компактной, т.к. в отсутствии паразитного источника тепла (которым в ранее разработанных системах является спираль из нихромовой проволоки) отсутствует и температурный дрейф приёмника.
В качестве источников излучения выбраны квантово-каскадные лазеры производства Daylight Solutions, характеристики приведены в таблице 5.3.
С целью минимизирования механической части микрокювета с образцом выполняется неподвижной, а излучение с нескольких источников подается на кювету с помощью быстродействующего оптического коммутатора 2 [93]. Конструктивно оптический коммутатор состоит из подвижной части, в которую входит общий канал и неподвижной, в которую входят коммутируемые каналы (рисунок 5.7). Как общий, так и коммутируемые каналы представляют собой одномодовое оптоволокно специального исполнения, предназначенное для передачи излучения в инфракрасном диапазоне. К коммутируемым каналам посредством оптической системы подключены источники излучения. Перемещение общего канала обеспечивается высокоточным шаговым электродвигателем, который устанавливает общий канал напротив коммутируемого.
После кюветы излучение, содержащее информационный сигнал поступает на второй оптический коммутатор 4, который подает его на соответствующий приемник 5.1-5.N. В качестве приемника применяются пироэлектрические детекторы, выполненные на кристаллах триглицинсульфата. Такие детекторы разработаны для измерения длин волн в широком диапазоне, однако, при этом могут быть исполнены с пиковой чувствительностью в необходимой характеристической полосе. Таким образом, на каждую длину волны излучателя подбирается соответствующий оптимальный детектор, что увеличивает чувствительность. Немаловажно и то, что подобные детекторы не требуют охлаждения.
Сигнал после детектора подается сначала на усилитель 6.1-6.N, а затем на аналоговый коммутатор 7 для последующего преобразования. Синхронизация аналогового и оптических коммутаторов обеспечивается подачей одновременной команды на переключение микропроцессором 16 через интерфейсный узел 15. Время переключения коммутаторов выбирается таким, чтобы задавать переключениями частоту модуляции, на которую настроены приемники.
Полосовой фильтр 8 обеспечивает устранение помех, т.к. пропускает только те частоты, на которых работает источник излучения, удаляя при этом все остальные частоты. Отфильтрованный сигнал поступает на когерентный амплитудный детектор 9, в котором происходит синхронное детектирование. Основным достоинством синхронного детектора является сохранение отношения сигнал-помеха на выходе детектора. Это объясняется тем, что данный детектор представляет собой преобразователь частоты, который переносит спектр сигнала в область низких частот без изменения формы сигнала и соотношений между составляющими спектра. Это свойство детектора позволяет применять последетекторную обработку сигнала. Для получения опорного колебания с частотой и фазой несущего колебания используется блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [94]. Блок ФАПЧ 10 выделяет несущее колебание из поступившего сигнала и подстраивает под его параметры генератор 11. Фильтр низких частот 12, подключенный к выходу модулятора подавляет высокочастотные и постоянную составляющие и выделяет составляющие модулирующего сигнала.
