Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Телеизмерительные системы с электромагнитным каналом связи для точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин Западной Сибири

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Телеизмерительные системы с электромагнитным каналом связи для точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин Западной Сибири"

На правах рукописи

РГБ ОД 2 7 QKT 1998

Генрих Саакович АБРАМОВ

ТЕЛЕИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ КАНАЛОМ СВЯЗИ ДЛЯ ТОЧНОНАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Специальности:

04.00.12 - геофизические методы поисков и разведки

месторождений полезных ископаемых; 05.15.14 - технология и техника геологоразведочных работ.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург

1998 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г. В. Плеханова (техническом университете) и ОАО ИПФ «Сибнефтеавтоматика»

доктор технических наук, профессор А А. Молчанов

доктор физико-математических наук, профессор П. В. Крауклис, доктор технических наук, профессор Ю. Т. Морозов

ОАО «Специальное управление буровых работ», г. Нижневартовск

Защита состоится « ноября 1998 г. в 15 часов на заседании диссертацш ного Совета Д 071.19.01 во Всероссийском научно-исследовательском инститз разведочной геофизики «ВИРГ — Рудгеофизика» по адресу: 193019 г. Сан Петербург, ул. Фаянсовая, 20, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ВИРГ.

Автореферат разослан «/ октября 1998 года.

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат геолого-минералогических наук

>6^ я^г^У Ъ А. В. Поляк

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Рост объемов кустового наклонно-направленного фения, обусловленного экономической эффективностью бурения скважин на ¡ширных пространствах Западной Сибири в условиях заболоченной местности, [едрение технологии бурения горизонтальных скважин протяженностью до 1 км более и разветвленно - горизонтальных скважин из обсаженных скважин старо' фонда потребовали повышения точности измерений траекторий, расширения >мплекса измерительных датчиков, повышения надежности систем точнонаправ-:нного управляемого бурения.

Применяемая в настоящее время технология направленного бурения преду-1атривает использование скважинных геофизических информационно - изме-ггельных систем, встраиваемых в бурильный инструмент, обеспечивающих мерение траектории скважины в процессе бурения и передачу данных в ре-ьном масштабе времени по проводному, гидравлическому, акустическому, дроакустическому или электромагнитному каналу связи «забой - устье». Наи->льшее применение в нашей стране нашли системы, реализованные в забойном [клинометре с электромагнитным каналом связи ЗИС-4 (А. А. Молчанов, X. Сираев и др.) и системы с проводным каналом связи (СТЭ, СТТ, Ъризонталь-1» и др.).

Широко применяемые для направленного бурения скважин за рубежом и [едряемые в нашей стране телесистемы иностранных фирм (Sperry Sun, Anadrill hlumberger и др.) с гидравлическим каналом связи требуют для предотвращения износа управляющего потоком промывочной жидкости клапана телесистемы дательной очистки бурового раствора от абразивных частиц. Этим определяются раничения в применении гидравлического канала связи в условиях сурового имата России. Поэтому неслучайно работы по применению электромагнитного нала связи стали в настоящее время предметом исследований многих иностран-IX фирм и компаний.

Разработанная в 80-е годы аппаратура ЗИС-4 с электромагнитным каналом язи «забой - устье» для контроля траектории в процессе бурения по точности мерений и надежности организации канала связи уже не удовлетворяет требова-:ям бурения точнонаправленных и горизонтальных скважин в условиях чере-ющихся маломощных пропластков. Дальность действия канала связи «забой -тье» аппаратуры ЗИС-4 для низкоомных разрезов Западной Сибири и других фтегазовых регионов с месторождениями, находящимися над солевыми толща-[ на глубинах до 5 км, - недостаточна. Поэтому перед автором диссертации была ставлена задача обоснования принципов построения на современной элемент-й базе новых высокоточных первичных преобразователей, разработки новых новных узлов аппаратуры, позволивших создать телесистему нового поколения электромагнитным каналом связи «забой - устье», отвечающей требованиям

надежной проводки точнонаправленных скважин в условиях бурения скважи Западной Сибири.

Цель работы. Повышение эффективности проводки наклонно-напра! ленных и горизонтальных нефтегазовых скважин Западной Сибири за счет пр! менения телесистем нового поколения с электромагнитным каналом связ «забой - устье» повышенной дальности действия, точности измерений и расхш ренным комплексом измерений геофизических и технологических параметров процессе бурения.

Основные задачи исследований.

1. Проанализировать состояние отечественного и зарубежного опыта точнс направленной проводки нефтегазовых скважин с помощью телесистем с разлш ными каналами связи с забоем.

2. Анализ геолого-технических условий работы телесистем в скважинах 3; падной Сибири и разработка технических требований к телесистемам с различнь ми каналами связи с забоем.

3. Разработать основные принципы построения оптимальной системы инюп нометрических и технологических измерений в процессе бурения.

4. Исследовать комплекс первичных преобразователей геофизических и те: нологических параметров, выполненных на различных физико-технических эс фектах, выбрать или разработать преобразователи, удовлетворяющие заданны техническим требованиям.

5. Проанализировать состояние составляющих основных узлов различных т лесистем и при необходимости разработать (усовершенствовать) их.

6. Разработать принципы передачи и приема сигналов от измерительных пр образователен, реализовать помехоустойчивую связь телесистем с электромагни ным каналом связи «забой - устье».

7. Разработать методику проведения скважинных измерений аппаратурой, а горитмы вычислений геофизических и технологических параметров и метролог; ческое обеспечение телесистем.

Методика исследований. Решение поставленных задач потребовало провед ния теоретических расчетов и экспериментальных исследований, разработки, изг товления, стендовых и скважинных испытаний отдельных узлов и конструкци термобарических и вибрационных испытаний блоков, узлов и аппаратуры в цело создание математических моделей сквозного канала измерений и электромагнитно! канала связи «забой - устье», алгоритмов и программ вычислений и внесения попр вок, повышающих точность измерений. По результатам этих исследований бы. разработана рабочая документация, изготовлены рабочие макеты и опытные обра цы телесистем, показавшие правильность выбранных решений и подтвердивших скважинах высокие точностные характеристики и надежность в работе телесистем.

1аучная новнзна работы состоит в следующем:

1. Выполнен анализ состояния отечественного и зарубежного опыта точнона-[равленного бурения нефтегазовых скважин, на основании которого составлена лассификация телесистем с различными каналами связи и выбрано обоснованное [ерспективное направление работ по электромагнитному каналу связи «забой -'стье».

2. Изучены геолого-технические условия бурения нефтегазовых скважин За-[адной Сибири, условия работы телесистем, на основании которых были разрабо-аны обоснованные требования к создаваемым телесистемам нового поколения.

3. Разработаны оптимальные схемы построения скважинной и наземной ап-тратуры телесистем с электромагнитным каналом связи «забой - устье», вклю-[ающие в скважинном приборе комплекс первичных преобразователей, коммута-ор каналов и аналого-цифровой преобразователь, опрашиваемые по программе, аданной скважинным микропроцессором, выполняющим также преобразование игналов в цифровой код. Передаваемый в электромагнитный канал сигнал состо-[т из последовательности синхроимпульсов, кода Баркера и информационных зайлов, представляющих собой двухполярные радиоимпульсы длительностью 1,25 и 0,08 с (код Манчестер-2). Наземная аппаратура содержит высокочувстви-ельный приемник с полосой прозрачности 0,1—30 Гц и регулировкой верхней 1астоты среза в зависимости от помеховой обстановки. Обработка, дешифровка игналов и вычисление измеренных параметров осуществляется ПЭВМ по соот-¡етствующим программам в реальном масштабе времени.

4. Исследованы различные первичные преобразователи угловых переме-цений (на основе маятников, датчиков гравитационного и магнитного полей, ги-юскопические: на магнитной, гидравлической и пневматической подвеске) и выбраны жесткозакрепленные, ортогонально размещенные акселерометры и ферро-онды. В качестве технологических датчиков (измерения оборотов долота, ¡уримости горных пород) выбраны акселерометр фирмы Analog Device, для изме-юний температуры - термодатчик той же фирмы. Комплекс измерений включает еофизические преобразователи - для литологического расчленения разреза и лектрического токового каротажа.

5. Были исследованы вибрационные и ударные перегрузки работы скважин-юй аппаратуры в процессе бурения, допустимые перегрузки для отдельных эле-1ентов и комплектующих, в результате опробований различных металлорезино-;ых и металлических амортизаторов предложены оригинальные конструкции в иде тороидальных амортизаторов, прессованных из путанки, обеспечивающих иброзащиту от продольных колебаний в диапазоне 2 — 200 Гц и облегчающих >ежим работы скважинных устройств в 3 — 5 раз.

6. На основании анализа различных конструкций устройств ввода сигнала в :анал связи определены оптимальные размеры электрического разделителя, реко-«ендована конструкция с защемленным электроизоляционным стеклопластиком,

покрытием из стеклопластиковых и полиэфирных материалов, технология его заводского изготовления.

В качестве автономного турбогенератора повышенной мощности и надежности разработана конструкция турбинного генератора на постоянных сверхмощных магнитах (Hg, Fe, В) мощностью около 600 Вт с магнитной муфтой и мягкой характеристикой привода. Усовершенствована конструкция герметичного электрического соединителя генератора с аппаратурным контейнером. Предусмотрена схема электронной защиты передатчика от короткого замыкания при работе в обсадной колонне.

6. Разработан метод оперативного компьютерного расчета электромагнитного канала связи «забой - устье» для конкретных конструкций аппаратуры \ многослойных различных сред геоэлектрического разреза, позволивший прогнозировать полезный сигнал с забоя в любых геоэлектрических средах нефтегазовых скважин. Выполнены расчеты для различных нефтегазовых месторождений Западной Сибири.

Предложена система кодирования электромагнитного сигнала при передаче б канал связи, обеспечивающая прием и надежное помехоустойчивое декодирование сигнала с глубин до 5 км.

7. Разработана впервые компьютеризированная полуавтоматическая поверочная установка для угловых измерений зенитного угла 0— 180°, угла разворо та 0 — 360°, и азимутального угла 0 — 360° с погрешностью, не превышающе? ±2' и программное обеспечение для автоматического ввода поправок в поверяемую аппаратуру.

8. Разработана методика работ на буровой, обеспечивающая высокую точность измерений в процессе проводки скважин на вертикальном участке, участк( набора кривизны и на пологом или горизонтальном участках, включая контрол! результатов измерений траектории в режиме разгрузки бурильной колонны, в ста тическом режиме (без прокачки бурового раствора).

Достоверность основных научных положений, выводов, технических решений и рекомендаций обоснована результатами математического моделирования экспериментальными исследованиями, стендовыми и скважинными испытания\и разработанных телесистем ЗИС-4М1 иМАК-1.

Основные защищаемые положения.

1. Анализ геолого-технических условий эксплуатации телесистем в условия: точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин Западной Сибири позволш выработать технические требования к основным узлам скважинной и назем not аппаратуры, выбрать и обосновать комплекс датчиков, оптимизировать конструк цию и обеспечить надежную работу систем в условиях длительных механических вибрационных и ударных перегрузок, воздействия температуры, давления, абра зивного износа.

2. Программно-управляемая инклинометрическая телесистема с электромаг-1итным каналом связи «забой - устье» на сверхнизких частотах, обеспечи-¡ающая устойчивую связь в низкоомных чередующихся разрезах Западной Пибири, повышенной надежности и расширенным комплексом измеритель-шх геофизических, в т. ч. инклинометрических и технологических преобра-ювателей.

3. Методика проводки точнонаправленных нефтегазовых скважин Западной Гибири и метрологическое обеспечения на основе компьютеризованной техноло-ии калибровки первичных преобразователей.

Практическая ценность работы. По результатам исследований повышена тдежность серийно выпускаемых телесистем ЗИС-4М, обоснован и разработан :омплекс первичных преобразователей для измерений геофизических и техноло-ических параметров телесистем с электромагнитным каналом связи «забой -'стье», разработана телесистема с расширенным комплексом измерений повы-иенной точности типа МАК для проводки наклонно-направленных и горизон-альных нефтегазовых скважин Западной Сибири.

Реализация и внедрение результатов работы. При непосредственном уча-тии автора и под его научным руководством были реализованы аппаратурные, гетодические и программные продукты в выпускаемом серийно ОАО ИПФ Сибнефтеавтоматика» в телеизмерительных системах ЗИС-4М, ЗИС-4М1, МАК-1, спешно работающих в производственных предприятиях Западной Сибири (Спец. ^БР, г. Нижневартовск - 40 комплектов, АО «Геофит» - 10 комплектов, ООО РекомГео» - 7 комплектов).

Результаты теоретических, экспериментальных исследований и конструктор-кие проработки используются с различной степенью полноты в создаваемой ап-аратуре нового поколения МАК-170, МАК-108 и др.

Метод компьютерного расчета принимаемого с забоя полезного сигнала в усло-иях реальных многослойных геоэлектрических сред рекомендован для используемых а производстве всех систем с электромагнитным каналом связи «забой - устье».

Поверочная установка для калибровки с высокой точностью первичных пре-бразователей угловых измерений используется для аттестации всех выпускаемых грийно ОАО ИПФ «Сибнефтеавтоматика» телеизмерительных систем с электро-агнитным каналом связи и рекомендуется для калибровки других систем и приоров для инклинометрических измерений, в т.ч. проводным каналом связи.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на различ-ых конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе на Международной геофи--иеской конференции (г. Москва, сентябрь 1997 г.), Научно-техническом совете 1интопэнерго РФ по горизонтальному бурению (г. Москва, май 1997 г.), Научно-;хническом совете Минтопэнерго по программе «Горизонт» (г. Москва, 1995 г.), 1еждународной геофизической конференции (г. Санкт-Петербург, 1995 г.), выезд-эй сессии научно-технического совета РАО «Газпром» (г. Тверь, март 1998 г.).

Аппаратура демонстрировалась на международных выставках: «Нефть и газ». Тюмень, сентябрь 1996 г., «Нефть и газ», Москва, 1997 г., «Нефть и газ», Москва, июнь 1998 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в т. ч. 5 авторских свидетельств на изобретения.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Она изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 93 наименований.

Содержание работы. Во введении обоснована актуальность проблемы точ-нонаправленного бурения нефтегазовых скважин Западной Сибири, определены задачи диссертации, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе дан анализ состояния бурения наклонно-направленных и горизонтальных нефтегазовых скважин в России и за рубежом, кратко описаны телеизмерительные системы с различными каналами связи «забой — устье», показань преимущества и возможности различных каналов связи.

Во второй главе дается геолого-геофизическая характеристика одной и: крупнейших провинций мира - Западно-Сибирской нефтегазовой провинции, при водятся данные о геолого-технических условиях бурения нефтегазовых скважин обосновываются комплекс измеряемых параметров, динамический диапазон \ точность измерений, частота опроса датчиков, технические требования к телесис темам.

Третья глава посвящена исследованиям электромагнитного канала связ1 «забой - устье», исследованию и выбору основных узлов аппаратуры и оптималь ной функциональной схемы построения телесистем с электромагнитным каналок связи, повышения надежности работы телесистем в условиях повышенных вибра ций, температур и давления, воздействия на электромагнитный канал помех.

В четвертой главе кратко описаны разработанные по результатам исследова ний, выполненных автором, телесистемы ЗИС-4М1 и МАК с расширенным ком плексом измерений, повышенной точности и надежности.

Приводится методика проведения скважинных измерений в процессе бурени наклонно-направленных и горизонтальных скважин на различных этапах е строительства (вертикальном, набора кривизны, пологом и горизонтальном).

Приводятся результаты работ при проводке наклонно-направленных скважи Западной Сибири, калибровке аппаратуры и метрологического обеспечения сквг жинных измерений.

В заключении подведены итоги проведеннь1х исследований и намечены ш правления дальнейших работ.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность коллегам п работе, совместно с которыми были реализованы многие задумки, налажен сери{

ный выпуск телесистем с электромагнитным каналом связи «забой - устье» и, прежде всего — М. И. Зимину, Н. Г. Кузнецову, А. В. Барычеву, сотрудникам кафедры геофизических и геохимических методов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского государственного горного института: профессорам В. X. Захарову, О. Ф. Путикову, А. Н. Телегину, чьи советы и рекомендации способствовали улучшению рукописи, и многим другим.

Постоянное содействие в практической реализации на производстве оказывали Ю. М. Камнев, Е. И. Гаврилов, А. Н. Сараев, А. К. Хорьков.

Особую благодарность приношу своему научному руководителю доктору технических наук, профессору А. А. Молчанову, который настоял на оформлении проведенных мною исследовательских и конструкторских работ в виде диссертации, за постоянный интерес и содействие в работе.

Обоснование защищаемых положений.

Первое защищаемое положение.

Анализ геолого-технических условий эксплуатации телесистем в условий эксплуатации телесистем в условиях точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин Западной Сибири позволил выработать технические требования к основным узлам скзажинной аппаратуры, выбрать и обосновать комплекс датчиков, оптимизировать конструкцию и обеспечить надежную работу систем в условиях механических, вибрационных и ударных перегрузок, воздействия температуры, давления, абразивного износа.

Западно-Сибирская нефтегазовая провинция - одна из крупнейших нефтегазовых провинций в мире относится по своему рангу к мегапровинции. С запада, с юга и востока ограничена складчатыми сложениями Урала, Казахстана и Енисейского кряжа и имеет площадь 2090 тыс. кв. км, из них 1740 тыс. кв. км составляют перспективные земли. В числе перспективных - 1416 тыс. кв. км приходится на сушу, 124 тыс. кв. км -на губы и заливы, 200 тыс. кв. км - на акваторию Карского моря.

Мезозойско-кайнозойский чехол Западно-Сибирской плиты представлен чередующимися пластами песчано-алевролитовых и глинистых пород различного генезиса. В аптсеноманском комплексе сконцентрированы большие запасы газа. Гигантские залежи открыты в кровле комплекса - в сеномане. Это - Уренгойское, Ямбургское, Медвежье, Заполярное и др. На крупных - Русском, Тазовском, Се-веро-Комсомольском, Ван-Еганском месторождениях выявлены нефтяные оторочки: на Ай - Яунском - нефтяная залежь; на Русском месторождении - значительное скопление нефти.

Практически все запасы газа сосредоточены в северных и арктических областях, 55 % запасов газа в этом комплексе приурочено к Ямальской и Надым - Пур-ской НГО и 70 % к Пур - Тазовской НГО.

Неокомский комплекс является основным продуктивным нефтеносным объектом Западной Сибири. Комплекс развит на всей территории Западной Сибири.

Мощность продуктивных пластов колеблется от 10 — 15 м до 100 —120 м, глубине залегания - от 400 — 500 м (на севере) до 3000 — 3500 м (на западе).

Пластовые давления достигают 25 — 30 МПа, температура в продуктивных пластах — до 110°, в основном, — до 60°С.

Бурение скважин осуществляется забойными гидравлическими двигателям!^ (турбобур или винтовой двигатель) кустовым способом. Как показали исследования вибрационных и ударных перегрузок, действующих на скважинную аппарату ру в процессе бурения скважин, уровень вибраций достигает 30 —40 § в диапазоне частот 2 — 80 Гц и более (до 150§), ударные перегрузки составляют 30 —60^ (до 150я), при длительности до 6,0—12,5 мс и частоты ударов от 10 до 50 в минуту.

Обоснован комплекс забойных датчиков телесистем для инклинометриче-ских, технологических и геофизических измерений, определен динамический диапазон и необходимая точность измерений, позволяющая в условиях кустового направленного бурения скважин Западной Сибири обеспечить проводку стволг скважины по заданной траектории, оптимизировать процесс бурения, обеспечивая безаварийность работы забойного двигателя, бурильной колонны и долота, лучшую отработку долота за счет знания буримости горных пород, а соответственнс и повышения механической скорости бурения, обеспечить литологическое расчленение разреза бурящейся скважины.

Он состоит из забойных датчиков определения зенитного угла, углов положения отклонителя и азимута, датчика измерения скорости вращения долота, осевое нагрузки и крутящего момента, действующих на долото, буримости горных пород температуры, расхода промывочной жидкости, виброкаротажа, кажущегос? удельного электрического сопротивления, естественной радиоактивности окружающих скважину горных пород.

Определены оптимальные частоты опроса датчиков, динамический диапазон измерений и разрядность аналого-цифровых преобразователей сигналов, точност! измерений геофизических и технологических параметров. Предложена схема оптимизации программы опроса датчиков в зависимости от интервала исследование (вертикальный участок, участок набора кривизны, пологий или горизонтальный).

Разработаны технические требования к скважинной и наземной аппаратур« телесистем с электромагнитным каналом связи для проводки, геофизических у технологических измерений в наклонно - направленных и горизонтальных нефте газовых скважин Западной Сибири по температуре, давлению, воздействию вибраций, механических нагрузок, абразивному износу.

Второе защищаемое положение.

Программно-управляемая инклинометрическая телесистема с электромагнитным каналом связи «забой - устье» на сверхнизких частотах, обеспечивающая устойчивую связь в низкоомных чередующихся разрезах Западной Сибирь повышенной надежности и расширенным комплексом измерительных (.инклино■ метрических, геофизических и технологических) преобразователей.

Выполнены теоретические исследования дальности действия электромагнитно-о канала применительно к условиям скважин Западной Сибири. Разработан и опро-5ован на ряде месторождений нефтегазоносных районов Западной Сибири компьютерный метод прогнозирования полезного сигнала, принимаемого с различных •лубин, позволяющий обеспечить надежность канала в любых многослойных гео-шектрических разрезах. Разработаны рекомендации по обеспечению надежной ра-юты конкретных телесистем с электромагнитным каналом связи «забой-устье».

Алгоритм компьютерного расчета прогнозируемого уровня полезного сигна-га с забоя показан на рис. 1, пример расчета на рис. 2.

На принтер

Рис. 1. Блок-схема алгоритма расчета принимаемого с забоя по электромагнитному каналу связи

«забой — устье» сигнала

H, Mi

Юг

10

100

1000

10

10

10

10

\

X

\

■л

0.0J *Jy *>

Щ>0з| 0,001 —то1

V.

У

"10г

103

10 ООО р, Ом м

р. Н, м

30,0 420

3,0 Ю5а

4,0 1500

5,0 1760

20,0 187а

10,0 2700

30,0

10* 10'Ц»лВ

Рис. 2. Пример расчета уровня сигнала с забоя для скважин Нижневартовского района Шифр кривых — линейное электрическое сопротивление колонны бурильных труб, Ом/м

Проведен анализ, выполнены теоретические и экспериментальные исследования основных узлов телесистем. В результате этих исследований разработана оптимальная функциональная схема построения скважинной и наземной аппаратуры телесистем с электромагнитным каналом связи, разработаны первичные преобразователи повышенной надежности и точности для измерения: зенитного (О — 180°±0,1°) и азимутального (0-360°±0,2°) углов, угла разворота (0-360°±0,1°; на основе трехортогональных, неподвижно закрепленных датчиков гравитационного поля и магнитомодуляционных феррозондов для измерения составляющих магнитного поля Земли. В комплекс измерений входят также: датчик температуры (0—120°±0,1°), датчик тока для измерения электрического сопротивления горных пород (0 — 25 А±0,1), датчик расхода промывочной жидкости (0 — 60 л/с±5 %). датчик буримости на основе акселерометра (0,5 — 50g±5%), датчик давления не основе мембраны с тензометрическим преобразователем (0 —80±0,1 МПа), датчик осевой нагрузки на основе калиброванного отрезка с бесконтактным магнитным датчиком линейных перемещений или тензометрическим преобразователем (50 — 500 кН +5 %) и датчиком ГК (измерения естественной радиоактивности окружающих скважину горных пород в диапазоне 1 —250 мкр/час±5 % на основе мно

посекционных металлических газоразрядных счетчиках или дополнительно амортизированных сцинтиляционных блоков).

Рассмотрены способы и устройства повышения мощности забойных передатчиков на основе сверхсильных магнитов постоянного тока (Ь^, Ре, Вг), разработаны конструкции автономных турбоагрегатов диаметром 110 и 58 мм для телесистем диаметром 170 мм и 108 мм повышенной надежности. Предложены и реализованы в металле конструкции турбоагрегатов с магнитными муфтами, позволившие повысить эксплуатационную надежность турбоагрегатов с 20 —40 ч. до 200-500ч.

Исследования устройств ввода сигнала в канал связи (трансформаторный токовый, с электрическим разделителем; тороидальный с разделителем) привели к созданию конструкции электрического разделителя с оптимальными размерами 1 — 2 м электрически изолированных поверхностей из стеклопластика, пропитанного полиэфирной смолой марки ЭД-4 с защемленным между резьбами :теклопластиковым изолятором. Для повышения надежности скважинных призеров телесистем в условиях длительной работы на забое были исследованы амортизаторы различных типов и конструкций (металлорезиновые: пластинчатые АП, чашечные АЧ, корабельные сварные АКСС, скобочные АМ, стержень-ковые АН, опорные АО, рожковые АР, равночастотные демпфированные АД, с фрикционным демпфированием АФД, пространственного нагружения АПН, комбинированные ПП, пружинные; цельнометаллические: из материала МР ДК, \УП, лепесткового типа, тросовые сферические, тросовые ленточные, цилинд-эические, типа «втулка», типа «хайдамет», пружинные «углерод-углеродистые». Были выбраны, усовершенствованы, экспериментально изготовлены и испыта-чы амортизаторы типа «втулка», изготовленные методом прессования из <путанки» (сплав АИ708А или бронза бериллиевая диаметром 0,05 мм) с фиксацией их в корпусе от разворота и ослабляющие действие вибрации на аппара-гурный блок в несколько раз.

Разработана оптимальная схема построения скважинной и наземной аппа-)атуры телесистем с электромагнитным каналом связи «забой - устье», вклю-тющая в скважинном приборе комплекс первичных преобразователей, коммутатор каналов и аналого-цифровой преобразователь, опрашиваемых по заданной трограмме скважинным микропроцессором, выполняющим также преобразова-ше сигналов в цифровой код, состоящий из последовательности синхроимпуль-:ов, кода Баркера и информационных файлов, передаваемых фазоманипулируе-,1ыми двухполярными импульсами длительностями 0,25 с и 0,08 с (код Ианчестер-2). Наземная аппаратура содержит высокочувствительный приемник ; полосой пропускания 0,1-30 Гц с регулировкой верхней частоты среза в зави-¡имости от помеховой обстановки. Обработка и дешифровка сигналов и вычис-гение измеренных параметров осуществляется ПЭВМ по соответствующим фограммам (рис. 3).

Феррозонд

канал X

-

Канал У

канал 1

элок акселерометров

Канал X

канал У

Канал Т

Температура 1, °С

Гок нагрузки, А

Обороты долота

МАХ186СЕРР (AD7714-5)

АЦП

МикроЭВМ

типа

87с51 (Intel)

ADSP2115 —"Г.

(Analog Device)

+15v -15v

Вторичный источник питания

Турбоафегат с выпрямителем

От приемных антенн

Цифровой интерфейс

Измеряемые параметры: -Зенитный угол; -Угол положения отклонитепя; -Угол азимута; -Скорость вращения долота; •Буримость горных пород.

Отображаемые параметры: -Механическая скорость бурения; -Глубина скважины.

Рис. 3. Блок-схема телесистемы типа МАК с электромагнитным каналом связи

Разработана система помехоустойчивой связи для устойчивой работы телесистем с электромагнитным каналом в условиях электромагнитных помех на буровой.

Кодирование сигнала, передача цифровых фазоманипулированных последовательностей и компьютерная обработка сигналов позволили обеспечить надежную помехоустойчивую работу канала.

Рассмотрены погрешности измерений (температурные, от неортогональности датчиков) и предложена компьютерная система повышения точности измерений, заключающаяся в их учете и внесении поправок в окончательные результаты.

Температурная зависимость характеристик акселерометров, снятая для каждого датчика с дискретностью через 0,1 °С, хранится в памяти ПЭВМ, рассчитан-

ные поправки при линейной аппроксимации этих зависимостей вносятся в показания каждого датчика и учитываются при расчете углов (зенитного и разворота). Температурной компенсации магнитомодуляционных датчиков не требуется, так как относительная погрешность их составляет 0,05 % в диапазоне 0 — 125°С.

Неортогональность установки трехкоординатных датчиков гравитационного и магнитного полей в скважинном приборе приводит к значительным ошибкам при вычислении по формулам В. X. Исаченко. Поиски решений по снижению этих погрешностей привели к использованию алгоритмов, учитывающих неортогональность в виде весовых значений функций Ах, Ау, Аг,Тх, Ру, Рг. В этом случае зенитный угол:

9 = агс1д

Ах + ку\Ау - КЛ )2 + (Ау - Ау1А:)2

Ах + к у) Ау ■

Угол разворота (визирный угол):

А + к1А,+кхА,

в=аГС*Ах+куАу + кЛ'

кх ,ку ,к2 - поправочные коэффициенты, учитывающие неортогональность. Введя снятую экспериментально матрицу поправок из-за неортогональности расположения акселерометров

Л А

1 0 0 значения

0 1 0 -> в

0 0 1 мВ

Используем вычисленные углы зенита 9 и разворота ф для определения угла вимута а.

Гх втер-Гу СОБ^>

ее агс1я-

соввсоЪф + Ру С05^51п /р- 51П 0 '

где Рх, Ру, Р2 - нормированные значения по осям х, у, г.

Неортогональность расположения феррозондов в 10' приводит к ошибке оп-»еделения азимута - 0,8°, поэтому методика внесения поправок сводится к сле-(ующим операциям.

Установив блок датчиков (акселерометров и феррозондов) в поверочную ус-ановку, размещенную в помещении со спокойной магнитной обстановкой, опре-[еляют матрицу неортогональности установки акселерометров и учитывают ее ¡ри определении зенитного угла и угла разворота. Затем, изменяя поочередно по истеме положение прибора по зенитному углу при неизменном угле разворота [ли меняя угол разворота при постоянном зенитном угле с шагом 5°, фиксируют

значения заданного и вычисленного значения азимута. Таким образом, в ПЭВМ создается массив чисел поправок. Если при измерениях углов (зенита и разворота) значения углов находятся внутри диапазона 5° производится линейная интерполяция чисел.

Погрешность, достигнутая с применением методики компьютерного определения по азимуту, составляет ±0,2°.

Для автоматизации составления матрицы систематических погрешностей разработана полностью немагнитная поверочная инклинометрическая компьютеризированная установка УПИ-3, обеспечивающая высокую точность установки зенитных, визирных и азимутальных углов (погрешность установки углов не более +2').

По результатам исследований разработана конструкторская документация и налажено серийное производство телесистем ЗИС-4М1 и МАК-170 с электромагнитным каналом связи, технические характеристики которых приведены в таблице.

Технические характеристики забойных телесистем типа МАК для проводки горизонтальных

нефтегазовых скважин

Область применения и технические Название системы

характеристики МАК-170 МАК-108 МАК-54

Бурение и геофизические исследования скважин ННС, ГС, РГС ННС, ГС ННС, ГС, РГС РГС

Измеряемые параметры - инклинометрические Ъ (0-180°±0.25) XV (0-360°± 0.25) А (0-360°± 0.5) г (0-180°+ о.1) \У(0-360°±0.1) А (0-360°±0.25) г (0-180°±0.1) \У(0-360°±0.1) А (0-360°±0.25)

-технологические N. Бур, 0,10 N. Бур, 0, Р N. Бур, 0, Г

-геофизические КС, ВК(АК), ГК КС, ВК(АК), ГК КС, ПС, ВК(АК),ГК

Скорость передачи, бит/с 4-12 2-12 4-20

Дальность канала, км 5.0 5.0 и более 5.0 и более

Мощность забойного передатчика, Вт 600 300 200

Диапазон передаваемых частот, Гц 2-6 2-6 2-10

Чувствительность приемника, мкВ 1.0 0.6 0.6

Термобаростойкость, °С/МПа 85/80 100/100 120/100

Обратный канал есть есть Есть

Возможность измерений в статике есть есть Есть

Ресурс работы, час 500 1000 1000

Ресурс работы электроники, час 104 104 104

Третье защищаемое положение.

Методика проводки точнонаправленных нефтегазовых скважин Западной Сибири с помощью телесистем с электромагнитным каналом связи и метрологическое обеспечение этих измерений.

Телесистемы являются частью геолого-технологического комплекса на буровой, предназначенного для оптимальной проводки по заданной траектории наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Разработана методика оптимального размещения приемных антенн, выбора режима работы приемника для устойчивой надежной работы электромагнитного канала связи и компоновки скважинного прибора в составе бурового инструмента, эбеспечивающие высокую точность измерений траекторий.

Последовательность работ на буровой по контролю траектории скважины предусматривает проверку на метрологическое соответствие аппаратуры с помощью разработанной поверочной установки УПИ-3, контроль работоспособности аппаратуры перед измерениями и после них.

Методика высокоточных измерений на различных участках траектории бурящейся скважины на вертикальном участке, участке набора кривизны или падения кривизны, пологом и горизонтальном участках предусматривает также изме-эения при приподнятом долоте при включенной циркуляции и в статистическом режиме (при отключении циркуляции бурового раствора).

Методика опробована и успешно применяется при проводке нефтегазовых жважин на Самотлорском и других месторождениях Западной Сибири.

Заключение.

В результате выполненных исследований автором получены следующие ре-¡ультаты:

1. Выполнен анализ состояния отечественного и зарубежного опыта точнона-травленного бурения нефтегазовых скважин, на основании которого выбрано эбоснованное перспективное направление работ по разработке телесистем с электромагнитным каналом связи «забой - устье».

2. Изучены геолого-технические условия бурения нефтегазовых скважин За-1адной Сибири, условия работы телесистем, на основании которых были разработаны обоснованные требования к создаваемым телесистемам с электромагнитным <аналом связи нового поколения с расширенным комплексом забойных датчиков товышениой точности и надежности.

3. Проведены теоретические и экспериментальные исследования основных /злов скважинных приборов телесистем при работе в условиях температур (от 5 то 100— 120°С) и давлений до 85 МПа. Испытанные в лабораторных, стендовых /словиях (повышенных вибраций и ударов, при различных расходах промывочной кидкости) и в скважинных условиях, узлы аппаратуры и аппаратура в целом, подтвердили правильность расчетов, выбранных решений на основе высоконадежных кесткозакрепленных ортогональных преобразователей гравитационного и маг-

нитного поля, микропроцессорной цифровой техники, турбоагрегатов, выполненных на сверхсильных магнитах и использующих магнитные муфты, устройств ввода сигнала в канал связи и помехоустойчивой наземной приемной и обрабатывающей аппаратуры на базе ПЭВМ.

4. Разработан метод прогнозирования принимаемого полезного сигнала с забоя для любых геоэлектрических разрезов Западной Сибири, позволяющий повысить надежность организации электромагнитного канала и обеспечить его безотказность в любых геолого-технических условиях проводки скважин Западной Сибири.

Разработана конструкторская документация, изготовлены и испытаны в стендовых и скважинных условиях Западной Сибири несколько видов телесистем различного диаметра с электромагнитным каналом связи для проводки наклонно-направленных, горизонтальных и разветвленно-горизонтальных скважин. Налажен их промышленный выпуск в ОАО ИПФ «Сибнефтеавтоматика» г. Тюмень.

5. Дальнейшим развитием телесистем с электромагнитным каналом связи является расширение комплекса измерений инклинометрических, технологических и геофизических параметров, введение обратного канала «устье - забой» для управления забойным скважинным прибором, что позволит изменять программу опроса датчиков, исходя из их приоритетности на различных участках траектории скважины. Не исчерпаны возможности электромагнитного канала по дальности действия пространственными измерениями, измерения магнитной составляющей электромагнитного поля, применения корректирующих кодов с обнаружением и исправлением ошибок при приеме слабых сигналов в условиях сильных помех. При размещении приемных антенн на дне моря электромагнитный канал перспективен при бурении скважин на море и на шельфе морей, для этого приемную антенну с предварительным усилителем и аналого-цифровым преобразователем необходимо размещать в герметичном контейнере на дне моря и по проводной линии связи передавать сигнал к приемной аппаратуре, находящейся на поверхности.

По теме диссертации автором опубликованы следующие работы:

1. Геофизические исследования наклонно-направленных скважин Западной Сибири. // Тезисы доклада на 29 международной геофизической конференции, Москва, сентябрь 1997 г. (В соавторстве с А. А. Молчановым, В. В. Сидорой, А. Г. Тереховым, Ю. М. Камневым).

2. О некоторых критериях выбора измерителей расхода для АСУ ТП в бурении (в соавторстве с А. В. Барычевым, Т. А. Бутаковой). НТС «Проблемы нефти и газа Тюмени», вып. 32, Тюмень, 1976 г.

3. Перспективы создания малогабаритных автономных инклинометрических комплексов МАК для проводки скважины // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтегазовой промышленности, № 1, 1997 (в соавторстве с А. А. Молчановым)

4. Электромагнитный канал связи «забой-устье» телеметрических систем типа ЗИС—4М, МАК-1 // Наука в СПГГИ, выпуск 3, 1998, в печати, (в соавторстве с А. А. Молчановым и Г. В. Тереховым)

5. Геофизические исследования наклонно-направленных и горизонтальных нефтегазовых скважин при их проводке, освоении и эксплуатации, в печати, (в соавторстве с А. А. Молчановым, Э. Е. Лукьяновым, В. А. Рапиным и др.)

5. Определение границ пород постоянной буримости. Труды Гипротюменьнеф-тегаз, вып. № 20, Тюмень, 1971 г. В соавторстве с А. В. Барычевым, Е. Н. Ра-мазановым.

7. К вопросу определения статистических оценок параметров режима бурения. Труды Гипротюменьнефтегаз, вып. № 20, Тюмень, 1971 г. В соавторстве с А. В. Барычевым, Е. А. Постновым, Ю. Б. Томус. 5. Система забойная инклинометрическая ЗИС-4М. СТ ТК 293-010-01. Стандарт технического комитета по стандартизации геофизической аппаратуры и оборудования ТК-293, Тверь, 1997 г. В соавторстве с Калистратовым Г. А., Барычевым А. В. и др.

). Телесистемы для проводки наклонных нефтяных скважин на шельфе северных морей. Тезисы докладов 11 Международного форума «Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ», С.-Петербург, 1996 г. в соавторстве с А. А. Молчановым, Г. В. Тереховым.

0. Новые ИИС с электромагнитным каналом связи «забой - устье» для проводки наклонно - направленных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин. Сборник тезисов докладов 11 Международной геофизической конференции. Москва, 1997 г. (в соавторстве с А. А. Молчановым, Ю. М. Камневым и др.)

1. Электромагнитный расходомер с частотным выходным сигналом. А. с. № 470702. Бюл. изобр. № 18, 1975 г. В соавторстве с Винштейном И. И.

2. Магнитоупругий преобразователь давления. А. с. № 575515. Бюл. изобр. № 37, 1977 г. В соавторстве со Столбуном М. И., Ведерниковым В. А. и др.

3. Электромагнитный расходомер. А. с. № 606104. Бюл. изобр. № 17, 1978 г. В соавторстве с Винштейном И. И., Журавлевым В. С. и др.

4. Электромагнитный расходомер. А. с. № 773436. Бюл. изобр. № 39, 1980 г. В соавторстве с Губаревым А. К., Шубиным С. А.

5. Электромагнитный расходомер. А. с. № 1108330. Бюл. изобр. № 30, 1984 г. В соавторстве с Винштейном И. И., Зиминым М. И.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата технических наук, Абрамов, Генрих Саакович, Санкт-Петербург

/

Санкт - Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет) ОАО Инженерно - производственная фирма "Сибнефтеавтоматика"

Г.С. Абрамов

ТЕЛЕИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ КАНАЛОМ СВЯЗИ ДЛЯ ТОЧНОНАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН ЗАПАДНОЙ СИБИРИ.

Диссертация на соискани^ ученой степени * кандидата технических наук (специальность -04.00.12 - геофизические методы поисков и разведки месторождений ' полезных' ископаемых);

05.15.14 - технология и техника геологоразведочных работ.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР, заслуженный деятель науки и техники Башкирской АССР A.A. Молчанов

Санкт-Петербург 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.....................................................................................................................4

1. Состояние проблемы точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин... 12

1.1 Точнонаправленное бурение нефтегазовых скважин в России и за рубежом................................................................................................................12

1.2. Отечественные телеизмерительные инклинометрические системы для точнонаправленного бурения скважин Западной Сибири...........................20

2. Разработка технических требований к телеизмерительным инклинометрическим системам для точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин.............................................................................................31

2.1. Геолого - технические условия бурения нефтегазовых скважин Западной Сибири..................................................................................................31

2.2 Выбор комплекса измерений и разработка технических требований к телесистемам с электромагнитным каналом связи.............................................46

3. Исследование электромагнитного канала связи и разработка основных узлов телеметрических систем повышенной точности.........................................52

3.1. Исследование дальности действия электромагнитного канала связи

для условий Западной Сибири.............................................................................52

3.1.1 Результаты расчетов затухания сигналов для конкретных геоэлектрических разрезов...............................................................................60

3.2 Исследование и выбор первичных преобразователей.............................61

3.2.1. Инклинометрические преобразователи............................................61

3.2.2. Технологические датчики.................................................................61

3.3 Исследование и разработка устройств защиты скважинной аппаратуры от вибраций и ударов.......................................................................61

3.3.1. Расчет устройств виброзащиты........................................................61

3.2.1 Определение максимальной амплитуды вибраций амортизированного блока................................................................................61

3.2.2 Расчет коэффициента динамичности, частоты собственных колебаний амортизированного блока и жесткости амортизаторов................61

3.2.3. Расчет коэффициента динамичности, частоты собственных колебаний амортизационного блока и жесткости амортизаторов.................93

3.2.4. Расчет амортизации, подверженной ударным воздействиям..........94

3.3.2. Экспериментальное опробование амортизаторов различных

конструкций......................................................................................................95

3.4. Разработка автономного источника питания повышенной мощности и надежности........................................................................................................99

3.5 Исследование и выбор устройств ввода сигнала забойного передатчика в канал связи.................................................................................102

3.6 Выбор и обоснование оптимальной функциональной схемы и способа передачи и приема сигналов по электромагнитному каналу связи.................109

3.7 Метрологическое обеспечение инклинометрической аппаратуры.......113

4. Результаты практического применения инклинометрических систем с электромагнитным каналом..................................................................................117

4.1. Телесистемы типа ЗИС-4М и МАК-1....................................................117

4.2 Методика работы телесистем на буровой и примеры проводки наклонно-направленных и горизонтальных нефтегазовых скважин на

месторождениях Западной Сибири...................................................................123

Заключение.............................................................................................................129

Список использованной литературы....................................................................133

Приложение 1.........................................................................................................141

Приложение 2.........................................................................................................145

ВВЕДЕНИЕ

Рост объемов кустового наклонно - направленного бурения, обусловленного экономической эффективностью бурения скважин на обширных пространствах Западной Сибири в условиях заболоченной местности, внедрения технологии бурения горизонтальных скважин протяженностью до 1 км и более и разветвленно-горизонтальных скважин из обсаженных скважин старого фонда потребовали повышения точности измерений, расширения комплекса измерительных датчиков, повышения надежности систем точнонаправленного управляемого бурения.

Применяемая в настоящее время технология направленного бурения предусматривает использование скважинных геофизических информационно-измерительных систем, встраиваемых в бурильный инструмент, обеспечивающих измерение траектории скважины в процессе бурения и передачу данных в реальном масштабе времени по проводному, гидравлическому, акустическому, гидроакустическому или электромагнитному каналу связи «забой - устье». Наибольшее применение в нашей стране нашли системы, реализованные в забойном инклинометре с электромагнитным каналом связи ЗИС - 4 ( A.A. Молчанов, АХ. Сираев и др.) и системы с проводным каналом связи: СТЭ, СТТ, «Горизонталь» (В.А. Рапин и др.).

Широко применяемые для направленного бурения скважин за рубежом и внедряемые в нашей стране телесистемы иностранных фирм (Speny Sun, Anadrill Schlumberger и др.) с гидравлическим каналом связи требуют для предотвращения от износа управляющего потоком промывочной жидкости клапана телесистемы тщательной очистки бурового раствора от абразивных частиц. Этим определяются ограничения в применении гидравлического канала связи в условиях сурового климата России. Поэтому неслучайно работы по применению электромагнитного канала связи стали в настоящее время предметом исследований многих иностранных фирм и компаний.

Рост глубин, усложнение технологии проводки стволов по точнозаданной траектории для вскрытия протяженных горизонтальных участков потребовали расширения измерительных комплексов, повышения точности

первичных преобразователей, увеличения дальности действия систем, повышения их надежности в эксплуатации.

Разработанная в 80-е годы аппаратура ЗИС-4 с электромагнитным каналом связи «забой - устье» для контроля траектории в процессе бурения, по точности измерений и надежности организации канала связи уже не удовлетворяет требованиям бурения точнонаправленных и горизонтальных скважин в условиях чередующихся маломощных пропластков. Дальность действия канала связи «забой - устье» аппаратуры ЗИС-4 для низкоомных разрезов Западной Сибири и других нефтегазовых регионов с месторождениями, находящимися над солевыми толщами на глубинах до 5 км - недостаточна. Поэтому перед автором диссертации была поставлена задача обоснования принципов построения на современной элементной базе новых высокоточных первичных преобразователей, разработки новых основных узлов аппаратуры, позволивших создавать телесистемы нового поколения с электромагнитным каналом связи «забой-устье», отвечающих требованиям надежной проводки точнонаправленных скважин в условиях бурения скважин Западной Сибири.

Целью работы является повышение эффективности проводки наклонно -направленных и горизонтальных нефтегазовых скважин Западной Сибири за счет применения телесистем нового поколения с электромагнитным каналом связи «забой - устье» повышенной дальности действия, точности измерений и расширенным комплексом измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения.

Основные задачи исследований:

1. Проанализировать состояние отечественного и зарубежного опыта точнонаправленной проводки нефтегазовых скважин с помощью телесистем с различными каналами связи с забоем.

2. Анализ геолого-технических условий работы телесистем в скважинах Западной Сибири и разработка технических требований к телесистемам с электромагнитным каналом связи с забоем.

3. Разработать основные принципы построения оптимальной системы инклинометрических и технологических измерений в процессе бурения

4. Исследовать комплекс первичных преобразователей геофизических и технологических параметров, выполненных на различных физико-технических эффектах и выбрать или разработать преобразователи, удовлетворяющие заданным техническим требованиям,

5. Проанализировать состояние составляющих основных узлов различных телесистем и при необходимости разработать (усовершенствовать) их.

6. Разработать принципы передачи и приема сигналов от измерительных преобразователей, реализацию помехоустойчивой связи телесистемы с электромагнитным каналом связи «забой-устье".

7. Разработать методику проведения скважин ных измерений аппаратурой, алгоритмы вычислений геофизических и технологических параметров и ее метрологического обеспечения измерений телесистемами.

Методика исследований. Решение поставленных задач потребовало проведения теоретических расчетов и экспериментальных исследований, разработки, изготовления, стендовых и скважинных испытаний отдельных узлов и конструкций, термобарических и вибрационных испытаний блоков, узлов и аппаратуры в целом, создание математических моделей сквозного канала измерений и электромагнитного канала связи «забой - устье», алгоритмов и программ вычислений и внесения поправок, повышающих точность измерений. По результатам этих исследований была разработана рабочая документация, изготовлены рабочие макеты и опытные образцы телесистем, показавшие правильность выбранных решений и подтвердивших в скважинах высокие точностные характеристики и надежности в работе.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Выполнен анализ состояния отечественного и зарубежного опыта точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин, на основании которого составлена классификация телесистем с различными каналами связи и выбрано обоснованное перспективное направление работ по электромагнитному каналу связи «забой - устье».

2. Изучены reo лого-технические условия бурения нефтегазовых скважин Западной Сибири, условия работы телесистем, на основании которых были разработаны обоснованные требования к создаваемым телесистемам нового поколения.

3. Разработана оптимальная схема построения скважинной и наземной аппаратуры телесистем с электромагнитным каналом связи «забой—устье», реализующая в скважинном приборе комплекс первичных преобразователей, коммутатор каналов и аналого-цифровой преобразователь, опрашиваемых по заданной программе скважинным микропроцессором, выполняющим также преобразование сигналов в цифровой код, состоящий из последовательности синхроимпульсов, кода Баркера и информационных файлов, передаваемых двухполярными импульсами различной длительности (код Манчестер-2). Наземная аппаратура содержит высокочувствительный приемник с полосой пропускания 0,1 - 30 Гц с регулировкой верхней частоты среза в зависимости от помеховой обстановки. Обработка, дешифровка сигналов и вычисление измеренных параметров осуществляется ПЭВМ по соответствующим программам.

4. Исследованы различные первичные преобразователи угловых перемещений (на основе маятников, датчиков гравитационного и магнитного полей, гироскопические на магнитной, гидравлической и пневматической подвеске и др.) и выбраны жесткозакрепленные ортогонально размещенные акселерометры и феррозонды. В качестве технологических датчиков (измерения оборотов долота, буримости горных пород) выбраны акселерометр фирмы Analog Device, для измерений температуры - термодатчик той же фирмы. Комплекс измерений включает геофизические преобразователи — для литологического расчленения разреза — вибрационный каротаж и электрический токовый каротаж.

5. Были исследованы вибрационные и ударные перегрузки работы скважинной аппаратуры в процессе бурения, допустимые перегрузки для отдельных элементов и узлов, в результате опробований различных металлорезиновых и металлических амортизаторов с целью защиты от вибраций

предложены оригинальные конструкции в виде тороидальных амортизаторов, прессованных из путанки, обеспечивающих виброзащиту от продольных колебаний в диапазоне 2-200 Гц и облегчающих режим работы скважинных устройств в 3-5 раз.

6, На основании анализа различных конструкций устройств ввода сигнала в канал связи определены оптимальные размеры, рекомендована конструкция и технология заводского изготовления электрического разделителя с защемленным электроизоляционным стеклопластиком и покрытием из стеклоплаетиковых и полиэфирных материалов.

В качестве автономного турбогенератора повышенной мощности и надежности разработана конструкция турбинного генератора на постоянных сверхмощных магнитах (Hg, Fe, В) мощностью около 600 Вт и магнитной муфтой с мягкой характеристикой привода. Усовершенствована конструкция герметичного электрического соединителя генератора с аппаратурным контейнером. Пересмотрена схема электронной защиты передатчика от короткого замыкания при работе в обсадной колонне.

7. Разработан метод оперативного компьютерного расчета электромагнитного канала связи «забой-устье» для различных конструкций телесистем и многослойных сред геоэлектрического разреза, позволивший прогнозировать уровень полезного сигнала с забоя в любых геоэлектрических разрезах нефтегазовых скважин. Выполнены расчеты для различных нефтегазовых месторождений Западной Сибири.

Предложена система кодирования электромагнитного сигнала при передаче в канал связи, обеспечивающая прием и надежное помехоустойчивое декодирование сигнала с глубин до 5 км.

7. Разработана впервые компьютеризированная полуавтоматическая поверочная установка для угловых измерений зенитного угла 0-180°, угла разворота 0-360°, и азимутального угла 0-360° с погрешностью, не превышающей ±2' и программное обеспечение для автоматического ввода поправок в поверяемую аппаратуру.

8. Разработана методика юстировки датчиков, обеспечивающих высокую точность измерений в процессе проводки скважин на вертикальном, пологом и горизонтальном участках, включая контроль результатов измерений траектории в режиме разгрузки бурильной колонны, в статическом режиме (без прокачки бурового раствора).

Достоверность основных научных положений, выводов, технических решений и рекомендаций обоснована результатами математического моделирования, экспериментальными исследованиями, стендовыми и скважииными испытаниями разработанных телесистем ЗИС-4М1 и МАК-1.

Основные защищаемые положения.

1. Анализ геолого-технических условий эксплуатации телесистем в условиях точнонаправленного бурения нефтегазовых скважин Западной Сибири позволил выработать технические требования к основным узлам скважинной и наземной аппаратуры, выбрать и обосновать комплекс датчиков, оптимизировать конструкцию и обеспечить надежную работу систем в условиях длительных механических, вибрационных и ударных перегрузок, воздействия температуры, давления, абразивного износа.

2. Программно - управляемая инклинометрическая телесистема повышенной надежности с расширенным комплексом измерительных геофизических (инклинометрических) и технологических преобразователей с электромагнитным каналом связи «забой - устье» на сверхнизких частотах, обеспечивающая устойчивую связь в низкоомных чередующихся разрезах Западной Сибири.

3. Методика проводки точнонаправленных нефтегазовых скважин Западной Сибири и метрологическое обеспечение на основе компьютеризованной технологии калибровки первичных неподвижно закрепленных трехкомпонентных ортогональных преобразователей гравитационного и магнитного полей.

Практическая ценность работы. По результатам исследований повышена надежность серийно выпускаемых телесистем ЗИС-4М, обоснован и разработан комплекс первичных преобразователей для измерений

геофизических и технологических параметров телесистем с электромагнитным каналом связи «забой-устье», разработаны телесистема с расширенным комплексом измерений повышенной точности типа ЗИС-4М1 и МАК-1 для проводки наклоннонаправленных и горизонтальных нефтегазовых скважин Западной Сибири.

Реализация и внедрение результатов работы. При непосредственном участии автора и под его научным руководством аппаратурные, методические и программные продукты были реализованы в выпускаемом серийно ОАО ИПФ «С�