Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка аппаратуры электромагнитного каротажа в процессе бурения с корпусом из полимерного композиционного материала

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Разработка аппаратуры электромагнитного каротажа в процессе бурения с корпусом из полимерного композиционного материала"

На правах рукописи

ЕРЕМИН Виктор Николаевич

РАЗРАБОТКА АППАРАТУРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАРОТАЖА В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ С КОРПУСОМ ИЗ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК 2006

Работа выполнена в Научно-производственном предприятии геофизической аппаратуры «Луч»

Научный руководитель:

доктор технических наук Лукьянов Эдуард Евгеньевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Балашов Борис Петрович кандидат технических наук Павленко Григорий Антонович

Ведущая организация: ОАО Инженерно-производственная фирма "Сибнефтеавтоматика" (г. Тюмень).

Защита диссертации состоится «$"» марта 2006 г. в föчас. на заседании диссертационного совета Д 003.050.05 при Объединённом институте геологии, геофизики и минералогии им. A.A. Трофимука СО РАН в конференц-зале.

Адрес: 630090 г. Новосибирск-90, пр-т Ак. Коптюга, 3

Факс: (383) 333 27 92

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИГГиМ

СО РАН.

Автореферат разослан fO февраля 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

Ю.А. Дашевский

imjf

зт

ВВЕДЕНИЕ

Объект исследования - аппаратурное обеспечение высокочастотного электромагнитного каротажа нефтегазовых скважин непосредственно в процессе бурения, включая разработку конструкции электронных узлов и силового корпуса прибора электромагнитного каротажа применительно к условиям высоких механических нагрузок, сопровождающих процесс бурения.

Повсеместное увеличение объёма бурения горизонтальных скважин (ГС) потребовало создания новых типов геофизической аппаратуры - систем каротажа в процессе бурения и автономных комплексов, доставка которых к забою осуществляется на бурильных трубах. Исследования ГС автономными комплексами сопряжено со значительными затратами времени. Существенную экономию времени можно получить, осуществляя каротаж непосредственно в процессе бурения. Жесткие требования по механической прочности, вибро - и ударостойкости, пониженному энергопотреблению, предъявляемые к аппаратуре каротажа в процессе бурения, приводят к компромиссным решениям, которые, как правило, ухудшают метрологические свойства такой аппаратуры в пользу её механической прочности.

Приборы электромагнитного каротажа в процессе бурения, выпускаемые несколькими зарубежными фирмами и внедряемые в нашей стране (Sperry Sun, Anadrill Schlumberger и др.), монтируются в металлических корпусах. Это приводит к трудностям при количественной интерпретации диаграмм: не в полной мере решена задача учёта влияния металлического корпуса прибора на результаты измерений. Металлические детали силового корпуса прибора, расположенные вблизи генераторных и приёмных катушек, приводят к сильному искажению электромагнитного поля. Это не отвечает возросшим требованиям к качеству каротажного материала и необходимы новые подходы к разработке силового корпуса аппаратуры с учётом современных достижений в производстве радиопрозрачных композиционных материалов.

Поэтому весьма актуальной является разработка аппаратуры высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения, выполненной в стеклопластиковом радиопрозрачном корпусе, не уступающей по метрологическим характеристикам кабельным или автономным модификациям

Цель исследований - повышение достоверности результатов электромагнитных зондирований в процессе,., ^р^ния^ ^нефтегазовых

I библиотека t

скважин путём разработки аппаратуры высокочастотного электромагнитного каротажа для исследования скважин непосредственно в процессе бурения в корпусе из полимерного композиционного материала, исключающего возникновение систематических погрешностей, связанных с влиянием металлических элементов конструкции корпуса, расположенных вблизи катушек

Решаемые научные задачи

1. Разработать структурную и принципиальные схемы электронных узлов прибора и телеметрической системы, работоспособных в условиях воздействия нагрузок, связанных с процессом бурения (повышенная температура, вибрация, удары, пониженное энергопотребление);

2. Разработать аппаратуру высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения в непроводящем силовом корпусе из полимерного композиционного материала.

3. Получить диаграммы высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения.

Фактический материал, методы исследования, аппаратура

Автор в значительной мере опирался на результаты теоретических исследований по созданию метода и аппаратуры высокочастотного электромагнитного каротажа - ВИКИЗ, полученные в Институте геофизики СО РАН (Антонов Ю.Н., Даев Д.С., Табаровский Л.А., Эпов М.И.). Кроме того, при выполнении инженерных расчётов по разработке силовых узлов радиопрозрачного корпуса автор использовал теорию сопротивления материалов в применении к анизотропным композиционным материалам.

Основной метод исследований - стендовые и полевые эксперименты, а также аналитические оценки, инженерные расчёты, компьютерное моделирование функционирования электронных узлов, физическое моделирование.

Исследования искажающего влияния металлических концевых элементов радиопрозрачного корпуса на показания зондов проводились на основе аналитических оценок, физического эксперимента на макете зонда в непроводящей среде (воздухе), в модели однородной проводящей среды (баке) и в реальных скважинах путём сравнения показаний с кабельной аппаратурой ВИКИЗ.

Прочностные характеристики материала корпуса экспериментально проверялись на стендах ФНПЦ «Алтай» (1999, Бийск). Натурный корпус прибора испытан на герметичность и прочность давлением 66 МПа в установке высокого давления на базе НППГА «Луч» (2000, Новосибирск). Механическая прочность корпуса

прибора проверена на трубной базе СУБР-1 (2002, Сургут) растягивающей нагрузкой 900 кН и крутящим моментом 35 кН м.

В процессе скважинных испытаний отрабатывались вопросы привязки глубин и технология передачи информации на поверхность с помощью геофизического кабеля, выведенного в затрубье с «мокрым» разъемом Кроме того опробована комбинированная кабельная линия связи, состоящая из кабельной вставки и специальных труб для электробурения.

Достоверность результатов скважинных испытаний в части электромагнитного каротажа обеспечивалась методами лабораторного тестирования прибора с помощью образцового набора мер импеданса ИМ-1, изготовленного во ФГУП «Сибирский государственный НИИ метрологии» и зарегистрированного в государственном реестре средств измерения РФ Детекторы ГК калибровались с помощью малоактивного объёмного имитатора естественной гамма активности пород, изготовленного и поверенного во ВНИИЯГ (2002, Раменское).

На базе проведённых исследований было изготовлено 4 комплекта аппаратуры высокочастотного электромагнитного изопараметрического каротажа в процессе бурения (ВИКПБ). Два комплекта аппаратуры ВИКПБ-7А, в автономном варианте с аккумуляторным блоком питания и энергонезависимой памятью, успешно прошли опытно-промышленную эксплуатацию на Фёдоровском месторождении ОАО «Сургутнефтегаз». Всего в течение 2002 г. с применение ВИКПБ было пробурено 6 горизонтальных стволов, причём в работе использовался 1 комплект аппаратуры, а другой был в резерве. Прибор использовался как при наборе кривизны (турбинное бурение), так и при проходке горизонтального участка (турбинно - роторное бурение). В общей сложности прибор находился в скважине 609 час. Информация, зарегистрированная прибором в процессе бурения, пересылалась в контрольно-интерпретационную партию треста «Сургутнефтегеофизика» для интерпретации. Непосредственно на скважине проводилась оперативная интерпретация, результаты которой использовались для коррекции траектории ствола скважины. По итогам опытно-промышленного использования ВИКПБ-7А был подписан акт, подтверждающий пригодность аппаратуры к промышленному использованию.

Защищаемые научные результаты: 1. Разработана и научно обоснована конструкция зондовой системы прибора электромагнитного каротажа в процессе бурения и силовой корпус из полимерного композиционного материала на базе стеклопластика КППН, работоспособные в условиях

турбинного и турбинно - роторного бурения ГС и повышенной рабочей температуры (до +125 °С).

2. Разработаны электронные узлы аппаратуры устойчивые к воздействию температуры и виброударным нагрузкам, сопровождающим процесс бурения. Термостойкость (до +125 °С) обеспечена оптимизацией алгоритмов их работы и применением резонансных усилителей мощности с высоким КПД. Устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам (до 700 м\с2) обусловлена заливкой вибропоглощающего компаунда.

3. Получены диаграммы высокочастотного электромагнитного зондирования непосредственно в процессе бурения.

Новизна работы. Личный вклад. Впервые в мировой практике разработан прибор для электромагнитного каротажа в процессе бурения в силовом радиопрозрачном корпусе, состоящем из двух коаксиально расположенных труб из стеклопластика КППН. Новизна технического решения заключается в том, что все механические нагрузки, связанные с процессом бурения, воздействуют на наружную трубу, которая может заменяться по мере износа в процессе эксплуатации. На внутреннюю трубу действует лишь гидравлическое давление, и не передаются механические нагрузки, поэтому на ней расположены элементы зондовой системы. В кольцевом герметичном межтрубном пространстве размещены электронные узлы, которые функционируют при нормальном давлении.

1 .В аппаратурной части:

предложена и обоснована оригинальная коаксиальная конструкция и проведён расчет силового радиопрозрачного корпуса из высокопрочного стеклопластика, прочностные характеристики которого (предельная разрывная нагрузка 2500 кН, разрушающий крутящий момент 45 кН-м) не уступают стальным бурильным трубам;

- разработана структурная схема и электронные узлы прибора электромагнитного каротажа, в том числе резонансные усилители мощности с минимальным энергопотреблением и термостабильный виброустойчивый генератор, осуществляющий прямой синтез гетеродинных частот;

- выбраны оптимальные частоты настройки контуров приёмных катушек, снижающие зависимость начальных фазовых сдвигов зондов (нулей воздуха) от температуры и проводимости среды с ±0,45° до ±0,16°;

- получена аналитическая зависимость величины начального фазового сдвига от конструктивных параметров зонда и электрических характеристик кабеля, подающего гетеродинный сигнал.

2 В области технологии применения и метрологического обеспечения:

- разработан стенд для натурных гидравлических испытаний стеютопластикового корпуса на воздействие высокой температуры и давления;

- на базе имитатора ИМ-1 разработан, изготовлен и аттестован образцовый имитатор проводящей среды для калибровки зондов электромагнитного каротажа;

- разработан комбинированный высокоскоростной канал связи «забой-устье» на базе серийно выпускаемых труб для электробурения и кабельной вставки со специальными разъёмами и вращающимся электровводом в ведущей штанге.

3. В области геофизических исследований:

- в условиях Западной Сибири успешно проведены испытания комплекса электромагнитного каротажа в процессе бурения ВИКПБ в корпусе из композитных материалов.

впервые в России зарегистрированы диаграммы высокочастотных электромагнитных зондирований непосредственно в процессе бурения.

Практическая значимость результатов. Практическая значимость работы - в дальнейшем развитии метода и технологии ВИКИЗ и его распространении на новую область применения -исследования пологих и горизонтальных нефтяных скважин непосредственно в процессе бурения.

Радиопрозрачный изоляционный материал в конструкции зонда и герметичного силового корпуса не искажает электромагнитное поле и позволяет максимально приблизить характеристики зонда к идеальной модели, а также является великолепным демпфером, снижающим виброударные нагрузки на электронные узлы прибора.

Использование силового корпуса из непроводящего

композиционного материала повысило точность и достоверность

высокочастотных электромагнитных зондирований в применении к каротажу в процессе бурения.

Высокоскоростная телеметрическая система с кабельным каналом позволяет в реальном времени получать большой объём геофизической информации и открывает возможность передачи на поверхность практически неограниченного объёма технологической информации.

Повторные записи диаграмм каротажного зондирования одного и того же интервала, которые осуществляются при бурении и после его

завершения во время спускоподъёмных операций, позволяют изучать во времени техногенные процессы фильтрации буровой жгчкости в коллекторы. Высокая точность измерений удельного сопротивления предоставляет возможность определять характер насыщения пластов-коллекторов.

Применение прибора при бурении горизонтальных и пологих скважин может дать ощутимый экономический эффект, сократив сроки строительства скважин за счёт исключения промежуточных каротажей, выполняемых, обычно, кабельной или автономной аппаратурой.

Апробация работы. Материалы исследований докладывались на конференциях и симпозиумах: Всероссийской научно - практической конф. «Состояние и пути развития индукционного каротажа» (Новосибирск, 1998), Всероссийской научно - практической конф. «Пути развития и повышения эффективности электрических и электромагнитных методов изучения нефтегазовых скважин» (Новосибирск, 1999), III конгрессе нефтегазопромышленников России «Новые технологии в геофизике» (Уфа 2001), Всероссийской научно -практической конф. «Геофизические исследования в нефтегазовых скважинах» (Новосибирск, 2002), Всероссийской научно -практической конф. «Информационное обеспечение строительства нефтяных и газовых скважин» (Москва, 2005). Международной научно - практической конференции «Инновационные технологии для нефтегазового комплекса» (Новосибирск, 2005). Результаты работы прошли экспериментальную проверку на Самотлорском и Черногорском месторождениях (Нижневартовск, 1999 - 2000), Фёдоровском месторождении (Сургут, 2001 - 2002) при бурении вертикальных и наклонно направленных скважин.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 патента. Автор является одним из составителей Методического руководства «Технология исследования нефтегазовых скважин на основе ВИКИЗ» (2000г.), утверждённого Минтопэнерго РФ в качестве руководящего материала.

В процессе работы автора поддерживали многие коллеги, которым я искренне признателен:

Д.т.н., профессору Антонову Ю. Н. за неоценимую помощь в изучении метода и аппаратуры ВИКИЗ,

Д.т.н. Ельцову И. Н. за полезные советы и многочисленные обсуждения проблем электромагнитного каротажа.

Ктн Ульянову В Н и ктн. Жмаеву С. С за помощь при расчётах зондовой системы и имитатора однородной среды ИМ-1 для ВИКПБ.

Директору фирмы ВКТ (г. Нижневартовск) - Веслополову П. А. и гл. инженеру - Массарову X. В., которые на свой страх и риск разрешили провести первые скважинные испытания опытного образца прибора ВИКПБ.

Коллективу ЗАО МНПП «Алтик» (г. Бийск) и его руководителям, директору Михайлову М М и гл. инженеру Демченко А И. за оперативное решение множества проблем, возникавших в процессе проектирования и изготовления стеклопластикового корпуса.

Автор глубоко благодарен К. Н. Каюрову, который смог убедить в реальности создания подобной аппаратуры, оказывал постоянную помощь при разработке, изготовлении и испытаниях прибора.

Автор считает своим долгом выразить благодарность всему коллективу ЗАО НПП ГА «Луч» и его ведущим специалистам: гл. инженеру Лаврухову В. Т., начальнику КБ 2 Глухову А. В., ведущему инженеру Киселёву В. В - за профессионализм и компетентность при решении задач разработки, изготовления и скважинных испытаний аппаратуры.

Автор искренне признателен научному руководителю д.т.н. Э. Е. Лукьянову за плодотворное обсуждение проблем исследований и щедрость, с которой он делился своим богатым опытом.

Автор глубоко благодарен д.т.н. чл. - корр. РАН М. И. Эпову за доброжелательность и настойчивость, без которых работа не была бы завершена, а также за ценные советы и замечания по работе.

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения, содержит 92 страницы текста, в том числе 30 рисунков, 16 таблиц, библиографию из 63 наименований

Порядок изложения материалов в диссертации соответствует хронологической последовательности получения результатов и их логической связью при решении поставленных задач.

Глава 1 РАЗВИТИЕ Ь\УО И М\УО СИСТЕМ посвящена анализу современного состояния электрических, индукционных и

электромагнитных методов и аппаратуры для исследования нефтегазовых скважин в процессе бурения

Приборы высокочастотного электромагнитного каротажа в составе LWD систем появились позже других, так как потребовалось преодолеть значительные трудности при создании зондовых систем Тем не менее, необходимость их создания не вызывала сомнений Достаточная глубинность высокочастотного электромагнитного каротажа, высокая вертикальная разрешающая способность, широкий диапазон и высокая точность определения удельных электрических сопротивлений (УЭС) пород окружающих скважину предопределили создание LWD систем, использующих этот метод.

Трёхкатушечный зонд высокочастотного электромагнитного каротажа включает в себя одну генераторную и две измерительных катушки. В отличие от зондов индукционного каротажа здесь нет необходимости глубокой компенсации прямого поля, поскольку измеряются относительные характеристики (разность фаз между э.д.с. в приёмных катушках и отношение их амплитуд) только косвенно зависящие от величины прямого поля. Теоретически показано, что глубинность исследования при измерении относительных амплитуд несколько больше, чем по разности фаз. Поэтому, в проводящей среде с радиальной неоднородностью существуют различия между кажущимися удельными электрическими сопротивлениями, измеренными по разности фаз и по затуханию. Вследствие этого в электромагнитном каротаже принята следующая терминология- Phase shift Resistivity - кажущееся удельное сопротивление, вычисляемое по разности фаз, Attenuation Resistivity - кажущееся удельное сопротивление, вычисляемое по отношению амплитуд (затуханию). В то же время локальность выше у разности фаз, а не относительных амплитуд. Истинное значение удельного электрического сопротивления исследуемой среды получается путём решения обратных задач для измеренных величин с учётом влияния многих факторов: характеристик корпуса прибора, диаметра и неровностей стенок скважины, электропроводимости бурового раствора, диэлектрической проницаемости среды, влияния вмещающих пород и т.д.

Глава 2 РАЗРАБОТКА АППАРАТУРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАРОТАЖА В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ С РАДИОПРОЗРАЧНЫМ КОРПУСОМ ИЗ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА посвящена разработке прибора электромагнитного каротажа в процессе бурения в корпусе из радиопрозрачного композиционного материала.

2 1 Главным отличием разработанного прибора высокочастотного электромагнитного каротажа ВИКПБ и зарубежных LWD - систем является материал корпусов. Силовые корпуса зарубежных приборов представляют собой прочную металлическую трубу с кольцевыми проточками, в которых размещены измерительные и генераторные катушки. Эта важная особенность - наличие проводящей трубы - приводит к значительным искажениям конфигурации и величины электромагнитного поля. Несущая металлическая труба представляет собой короткозамкнутый виток, расположенный вблизи от генераторной и приёмной катушек Это существенно уменьшает амплитуду сигнала, и снижает чувствительность и точность измерений Сложная геометрия источника затрудняет и осложняет количес1 венную интерпретацию регистрируемых сигналов, что, ограничивает круг геофизических задач, решаемых с применением такой аппаратуры.

Проведена численная оценка влияния на показания зондов электромагнитного каротажа металлических элементов простейшей формы (проводящий цилиндр), размещённых на концах зондовой системы и в средней части между генераторными и приёмными катушками Расположение цилиндрических проводящих элементов А, Б, С, генераторных катушек - Г и приёмных - R на макете прибора показано на рис.2.1. Результаты расчёта и физического моделирования показали, что влиянием центральной проводящей накладки на сигнал в коротких зондах пренебрегать нельзя.

■..... ■ II I I ■

А R R R R R С Т Т Т Т Б

Рис. 2.1.

Экспериментальные данные в однородной проводящей среде с сопротивлением 1 Ом-м и результаты расчета (Рис.2.2) практически совпали, показав занижение показаний коротких зондов (пунктирная линия) из-за влияния проводящего цилиндра в средней части прибора. Краевые элементы, вследствие значительной удалённости от катушек зонда (около 0,5 м), не оказывают заметного влияния на показания

Теоретический расчёт влияния на характеристики зонда проводящих металлических элементов несущей конструкции сложной конфигурации не всегда может быть осуществлён с достаточной для практического применения точностью

Разность фаз Аф, град

43 ■

Расчет

б

____,.-8

Эксперимент

Длина основного зонда, м Рис. 2.2

Тем не менее, был проведен вычислительный эксперимент по исследованию влияния проводящего металлического цилиндра, помещенного вместо диэлектрической несущей цилиндрической трубы в зонд (рис.2.3).

#

\ 4

Г

О 1м

О I 08м

Рис. 2.3.

Расчеты выполнялись в трехмерной постановке для конструкции зонда на частоте 7МГц (Ь=0,707 м, Ь,=0,566 м) в однородной изотропной среде с различной проводимостью. Для расчётов использовался программный комплекс, разработанный совместно НППГА «Луч», Институтом Геофизики СОРАН и НГТУ. Варьируемые параметры: материал несущего цилиндра (диэлектрик г = 1 -г 10 ; металл - ц = 1, сг = 107 1/Ом м); электропроводность вмещающей среды: 1; 0.1; 0.05 1/Ом м. Модель корпуса прибора представляла собой трубу диаметром 100 мм с толщиной стенки 10 мм, над которой установлены катушки (1 виток) диаметром 108 мм. Генераторная катушка - виток с током 1 А. Снаружи катушки защищены непроводящей полимерной накладкой. Результаты расчётов приведены в таблице 2 1, здесь ЭДС| - сигнал в ближней от генератора приёмной катушке, ЭДС2 - в дальней Расчёты показали, что металлическая труба более чем в 50 раз уменьшает величину э.д с. в приёмных катушках, что пропорционально ухудшает отношение сигнал шум Отсутствие влияния металла на разность фаз объясняется идеальной симметрией модели В реальной конструкции прибора добиться полной компенсации влияния металла на разность фаз практически невозможно.

Таблица 2.1

Материал трубы а, 1/ Омм Дф, град. ЭДС„ В ЭДС2, В

Стеклопластик 1 41.3 8.8е-4 2.6е-4

8=3 0.1 10.8 3.2е-3 1.5е-3

0.05 6.83 3.6е-3 1.8е-3

Металл 1 40.8 1 69е-5 5.26е-6

11= 1 0.1 10.9 6.1е-5 2 9е-5

а = 107 0.05 6.87 6.7е-5 3.4е-5

Электромагнитный трёхкатушечный зонд включает одну генераторную и 2 приёмных катушки. Длина зонда £/ - расстояние между генераторной и дальней приёмной катушками, база зонда АЬ= ¿/ - - расстояние между приёмными катушками, точка записи - центр наиболее удалённой от генераторной приёмной катушки. Генераторная катушка излучает в исследуемую среду электромагнитное поле заданной частоты. Измеряемым сигналом является разность фаз Л(р между э.д.с , наведёнными в измерительных катушках. В изоляторе эта разность фаз практически близка к нулю. В проводящей среде, излучаемое генераторной катушкой магнитное поле наводит вихревые токи, приводящие к сдвигу фаз между сигналами в приёмных катушках. Существует однозначная зависимость между удельным сопротивлением

однородной среды р и разностью фаз между э.д.с. в приёмных катушках Лср.

Л(р = Р|<51| - arctg

p,5Ls

\ + рХг-8Ц)+грг1{\-ЗЦ)

где

= Щ-Lc &L = Li-L2,SLl=AyL, ц = 4лТ(Г7Гн/м.

Схема зондовой установки представлена на рис 2.4. Зондовая система ВИКПБ состоит из 7 трёхкатушечных высокочастотных индукционных изопараметрических зондов различной глубинности исследования образованных четырьмя генераторными катушками -Г|....Г4 и пятью измерительными - И, . И5.

ОСНОВНЫЕ зонды

____2 0м __

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ зонды

Рис 2.4.

Длины зондов и их рабочие частоты выбраны с учётом условий изопараметричности: L^ff = const, AL/L-const.

Структурная схема ВИКПБ представлена на рис. 2 5В зондовой части прибора размещены: 4 генераторные катушки Гь ,.Г4 с усилителями мощности УМ1....УМ4, коммутатор генераторных частот-

КГЧ, 5 измерительных катушек И, И5 со смесителями СМ1...СМ5, аналоговый коммутатор - А К, усилители промежуточной частоты -УПЧ| и УПЧ2 Зондовая часть прибора через гермовводы соединена с блоком электроники В нём размещены' гетеродин, опорный кварцевый генератор, фазометр - ФЗ, модуль контроллера управления, 2 детектора гамма - излучения ГК,, ГК2, датчики инклинометра, блок вторичных источников питания, модуль телеметрии с выходным согласующим устройством

зонд

04 [дН

I И1 |—►] СМ1 [—»

| иг [—>| смг [—»

ГйПЧ сш

|~И4~|—>["сМ4]—►

|~ЙГ~]—СМ} |—►

АК

УПЧ1

Блик ЭЛЕКТРОНИКИ

ДАТЧИКИ инклкнсмгтРА

алггватср

ГТГЕРОДИНА

а

КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР

МОДУЛЬ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

МОДУЛЬ ТЕЛЕМЕТРИИ

БЛОК ПИТАНИЯ

Рис 2.5

Согласующее устройство передаёт на жилу кабеля питания сигналы телеметрии, обеспечивая их гальваническое разделение. Контроллер управляет процессом измерения. При подаче питания формируется сигнал, запускающий управляющую программу. Первой включается генераторная катушка Г|. На усилитель мощности УМ, с коммутатора генераторных частот КГЧ подаётся рабочая частота ^ = 7,0 МГц. Одновременно гетеродин формирует гетеродинную частоту {(,, = которая выше генераторной на величину промежуточной частоты Сигнал гетеродинной частоты по кабелю поступает на входы всех смесителей СМ,.. .СМ5. Переменное магнитное поле, возбуждаемое генераторной катушкой, наводит э.д.с. в приёмных катушках. В результате перемножения сигналов принятых приёмными катушками, и сигнала гетеродина на выходах смесителей образуется сигнал

разностной (промежуточной) частоты f*n4 — ' — - Аналоговый коммутатор АК в первом такте измерения подключает к входу УПЧ| выход смесителя СМЬ а к входу УПЧ2 выход смесителя СМ2. После усиления и ограничения сигналы ПЧ, и ПЧ2 поступают на вход фазометра ФЗ, здесь измеряется запаздывание сигнала ПЧ| относительно ПЧ2. Во втором такте коммутатор подключает к входу УПЧ, смеситель СМ2 , а к УПЧ2 выход смесителя СМ,. При таком перекрёстном измерении полезный фазовый сдвиг суммируется, а паразитные фазовые сдвиги УПЧ| и УПЧ2, в том числе и температурные, вычитаются. Цикл измерения повторяется для всех 7 зондов. Время измерения во всех 7 зондах составляет около 150 мс.

Основные технические характеристики разработанного прибора приведены в табл. 2.1

Таблица 2.1.

Наименование измеряемого параметра Диапазон Погрешность

Разность фаз (7 зондов), градусов ±90 ±0,5

Естественная интегральная гамма-активность, мкР/час 0...250 ±10%

Зенитный угол, град. 0...180 ±0.5

Угол отклонителя, град. 0...360 ±2

2.2. Можно почти полностью исключить влияние корпуса прибора на сигналы, если он выполнен из непроводящего немагнитного материала. Практически все полимерные материалы являются изоляторами. Однако, в применении к корпусу - системы, он

должен обладать ещё и уникальными механическими характеристиками. Через корпус прибора передаётся момент вращения от ротора буровой установки или забойного двигателя. Корпус должен передавать осевую нагрузку на долото, обеспечивая оптимальный режим бурения. На корпус действует высокое давление и температура. Он подвергается интенсивному абразивному износу о стенки скважины. Очевидно, что такой прибор, имея сложную конструкцию корпуса, является наименее надёжным звеном бурильной колонны. Тем не менее, при экстремальных нагрузках, возникающих при бурении, несущий корпус должен выдерживать неоднократные воздействия сравнимые с предельными для стальной бурильной колонны. Требуемой механической прочностью и необходимыми электрическими характеристиками обладают композиционные материалы, которые состоят из полимерного связующего и высокопрочной арматуры. Зависимости величины разрушающих нагрузок - [кг/мм2] для труб

из стеклопластика КППН от температуры и состава связующего приведены па рис 2 6 Большой опыт стендовых и скважинных

О 25 50 75 100 125 150

"С

Рис.2.6.

испытаний силовых корпусов кабельных приборов ВИКИЗ из стеклопластика КППН сделал очевидным выбор материала для корпуса ВИКПБ Аббревиатура КППН обозначает технологические особенности изготовления, а именно косую продольно-поперечную намотку. Поперечное армирование создаётся жгутами стеклоровинга, а продольное - стеклонитью. Данная технология позволяет получать цилиндрические оболочки (трубы) с большой толщиной стенки.

Разработан стеклопластиковый корпус длиной 3,56 м с наружным диаметром 180 мм Он выдерживает при температуре 125 °С растягивающую нагрузку 1250 кН, сжимающую - 1250 кН, крутящий момент - 45 кН м На рис 2.7. показан корпус ВИКПБ в разрезе. Корпус прибора ВИКПБ состоит из металлического блока электроники, радиопрозрачной стеклопластиковой зондовой части и нижнего металлического концевого элемента. В блоке электроники размещены детекторы ГК, датчики инклинометра и основные электронные узлы. Зондовая часть выполнена из стеклопластика КППН и представляет собой две коаксиально расположенные трубы. В герметичном пространстве между трубами расположены генераторные и приёмные катушки, а также часть электронных схем.

Новизна технического решения заключается в том, что все механические нагрузки, связанные с процессом бурения, воспринимает наружная силовая труба, которая может заменяться по мере износа в процессе эксплуатации

Рис 2.7.

. Основные характеристики ВИКПБ в радиопрозрачном корпусе в сравнении с прибором фирмы Halliburton SCWR - 4 % приведены в таб. 2.1.

Таблица.2.1.

Наименование параметра ВИКПБ SCWR - 4 %

Общая длина прибора, м 4,65 9,08

Длина р/п части корпуса, м 3,15 -

Наружный диаметр, м 0,182 0,127

Диаметр внутреннего отверстия, м 0,070 0,056

Рабочая температура, °С 120 150

Крутящий момент, кН м 45 -

Сжимающая нагрузка, кН 1250 90,07

Растягивающая нагрузка, кН 1250 1030

Гидростатическое давление, МПа 60 103,4

Внутреннее давление, МПа 85 -

Присоединительная резьба Ниппель 3-147 APINC38

Глава 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ ПО КАРОТАЖУ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ посвящена описанию результатов экспериментальных работ по каротажу в процессе бурения, проводившихся разработанным прибором.

Регистрация каротажных данных осуществлялась с помощью кабельного канала телеметрии созданного на базе мерного отрезка кабеля, оборудованного с обеих сторон разъёмами «мокрый контакт» и труб для электробурения.

В процессе скважинных испытаний ВИКПБ были получены записи 10 параметров- 7 кривых разностей фаз высокочастотных электромагнитных зондов (ВИКИЗ), зенитного угла, угла отклонителя, естественной гамма-активности (ГК) В одной из скважин для сравнения был проведён окончательный каротаж автономной аппаратурой АЛМАЗ-2. На рис. 3.2 приведены соответствующие каротажные диаграммы. Как видно из полученных в процессе бурения измерений, зонды разной глубинности сразу после вскрытия коллекторов дают разные показания удельного сопротивления

Рис 3.2

Это свидетельствует о незначительной радиальной неоднородности в зоне проникновения, которая только начинает

формироваться. Однако через 25 часов после вскрытия коллекторов, распределение электрического сопротивления, влияющее на показания коротких малоглубинных зондов, заметно изменяется в большую сторону.

Данные повторного каротажа показывают, что процесс формирования зоны проникновения продолжается и происходит замещение минерализованной пластовой воды пресным фильтратом бурового раствора. Причем, по результатам количественной интерпретации, глубина зоны проникновения на отметке 2680 м изменяется от 0.2 м (по данным каротажа в процессе бурения) до 0.7 м через сутки после вскрытия коллектора.

В процессе скважинных испытаний прибор находился в скважинах 608 час. Из них 339 часов приходится непосредственно на бурение. Износ стенок стеклопластиковой части прибора оказался неравномерным. Как и ожидалось, максимальная величина износа - 3,5 мм отмечена в средней части корпуса прибора. Практически нет износа вблизи металлических законцовок. По окружности трубы износ также несимметричный. Видимо прибор прижимался к стенке скважины одной стороной. В этом месте вскрылся слой смолы, подкрашенный краской, который служит визуальным индикатором допустимой величины износа. Испытания прибора при бурении реальных скважин показали, что прогнозируемый ресурс силового стеклопластикового корпуса не менее 1000 час.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом работы является разработка прибора высокочастотного электромагнитного каротажа для исследования нефтегазовых скважин непосредственно в процессе бурения - ВИКПБ. Его главная отличительная особенность - силовой корпус из стеклоэпоксидного композиционного материала.

Разработанная аппаратура имеет ряд преимуществ перед существующей:

Во-первых, использование силового корпуса из непроводящего композиционного материала повысило точность и достоверность высокочастотных электромагнитных зондирований в применении к каротажу в процессе бурения.

Во-вторых, повторные записи диаграмм каротажного зондирования одного и того же интервала, которые осуществляются при бурении и после его завершения во время спускоподъёмных операций,

позволяют изучать во времени техногенные процессы фильтрации буровой жидкости в коллекторы. Высокая точность измерений удельного сопротивления предоставляет возможность определять характер насыщения пластов-коллекторов.

В-третьих, высокоскоростная телеметрическая система с кабельным каналом позволяет в реальном времени получать большой объём геофизической информации и открывает возможность передачи на поверхность практически неограниченного объёма технологической информации.

В-четвёртых, конструкция прибора обладает высокой ремонтопригодностью и позволяет осуществлять замену изношенного силового корпуса в условиях эксплуатации, что продлевает ресурс аппаратуры и снижает эксплуатационные расходы.

В-пятых, применение прибора при бурении горизонтальных и пологих скважин может дать ощутимый экономический эффект, сократив сроки строительства скважин за счёт исключения промежуточных каротажей, выполняемых, обычно, кабельной или автономной аппаратурой.

В работе представлены результаты расчёта искажающего влияния металлических проводящих элементов корпуса на показания электромагнитных зондов. Металлические корпуса зарубежных приборов существенно уменьшают амплитуду сигнала, используемого при измерениях и, как следствие, снижается чувствительность и точность измерений. Сложная геометрия источника существенно затрудняет и осложняет количественную интерпретацию результатов зондирований. Поэтому для разрабатываемого прибора выбрана конструкция корпуса из стеклопластика КППН и проведён расчёт его прочностных характеристик Выбранная конструкция обладает высокой прочностью, что подтверждено результатами стендовых и скважинных испытаний.

Зондовая система прибора построена аналогично зондовой системе ВИКИЗ и состоит из 7 трёхкатушечных высокочастотных зондов Для обработки и интерпретации результатов каротажа может быть использована без каких либо ограничений многофункциональная система интерпретации «МФС ВИКИЗ» Разработана структурная схема прибора и принципиальные схемы его узлов. Проведён анализ и выбраны схемные решения тех узлов, которые наиболее подвержены влиянию дестабилизирующих факторов, сопровождающих процесс бурения.

Для поверки и калибровки прибора ВИКПБ были разработаны и изготовлены соответствующие стенды и установки. Калибровка электромагнитных зондов осуществляется с помощью имитатора проводящей среды - тонкого проволочного кольца, детектор ГК калибруется с помощью объёмных малоактивных источников радиоактивности.

Для проведения скважинных испытаний разработано 2 варианта кабельной телеметрической системы с использованием стандартных труб для электробурения. Создана система привязки глубин, которая измеряет перемещение талевой системы лебёдки буровой установки. Разработан и испытан при бурении скважин автономный вариант ВИКПБ с аккумуляторным питанием и энергонезависимой памятью.

В процессе скважинных испытаний получены диаграммы высокочастотного электромагнитного каротажа непосредственно в процессе бурения вертикальных, пологих и горизонтальных стволов на Фёдоровском месторождении ОАО «Сургутнефтегаз». Качество диаграмм соответствует всем требованиям, предъявляемым к кабельным приборам ВИКИЗ.

Характеризуя полученные результаты в целом, можно утверждать, что создана аппаратура для высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения в радиопрозрачном силовом корпусе. Её применение в процессе строительства горизонтальных скважин позволяет повысить точность и достоверность электромагнитных зондирований, при одновременном сокращении затрат времени за счёт исключения промежуточных каротажей.

Тем не менее, в процессе испытаний выяснилось, что использование кабельной линии связи существенно осложняет работу буровой бригады, и, несмотря на очевидное преимущество в пропускной способности, её внедрение требует дальнейшей проработки

Кроме того, сравнительный анализ кривых ВИКИЗ полученный непосредственно в процессе бурения и спустя 25 часов после бурения выявил существенное различие в показаниях коротких зондов. Это свидетельствует о том, что зона проникновения в проницаемых пластах формируется в течение длительного времени. В первые несколько десятков минут после разбуривания её радиус не превышает зоны чувствительности зонда 0,7м. В зондовой системе ВИКПБ отсутствует зонд 0,5 м, и поэтому, начальное состояние зоны проникновения не фиксируется. Эти факты вызывают необходимость вернуться к разработке новой зондовой системы и поставить задачу по созданию бескабельного канала телеметрии.

Результаты работы представлены в 8 публикациях и 3

патентах, основные из них:

1 Еремин В Н Стабильность параметров аппаратуры ВИКИЗ // Состояние и пути развития индукционного каротажа Материалы Всеросс конф. Новосибирск Научно-издательский центр ОИГГМ СО РАН, 1998, с 66-69

2 Черяука А Б, Еремин В.Н, Эпов МИ Численный учет некоторых особенностей конструкции зонда ВИК ПБ // Пути развития и повышения эффективности электрических и электромагнитных методов изучения нефтегазовых скважин Материалы Всеросс конф , Новосибирск Научно-издательский центр ОИГГМ СО РАН, 1999, с 73-74

3 Лукьянов Э Е, Еремин В Н, Каюров К Н Пути развития технологий каротажа в процессе бурения // Геофизические исследования в нефтегазовых скважинах Материалы Всеросс конф, Новосибирск Научно-издательский центр ОИГГМ СО РАН, 2002, с 15-16

4 Лукьянов Э Е , Еремин В Н , Каюров К Н., Цейтлин В.Г, Горбатюк О В Пространственный гамма-каротаж в процессе бурения (обоснование и конструктивные особенности) // Каротажник, 2003, №110, с. 125-133

5 Патент РФ № 2229733, МПК 7 G 01 V 1/22, 3/18, 5/04, Е 21 В. Геофишческая телеметрическая система передачи скважинных данных / Ю Н Антонов, А.В Глухов, В Н Еремин - 7 с 3 ил

6 Патент РФ № 2231091, МПК 7 G01 V 3/18 Прибор электромагнитного кар01ажа в процессе бурения / В Н Еремин, К.Н Каюров - 4 с ил

7. Патент РФ № 2231091, МПК 7 G01 V 3/18 Гидравлический преобразователь зенитного угла / Э Е Лукьянов, В Н Еремин - 5 с 2 ил

8 Еремин В Н Прибор высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения // Геофизический вестник. 2005, № 1, с 12-17

Технический редактор О М Вараксина

Подписано к печати 02 02 2006 Бумага 60\84\ 16 Вумша офсет № 1 Гарнитура «Тайме» Печать офсетная Печ л 1,2 Ги раж 150 Закат № 36

ЦП АИ «Гео» 630090, Новосибирск, пр Ак Коптюга, 3

ШМ

m?

»- 34 5 0

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Еремин, Виктор Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. РАЗВИТИЕ ШЪ И МУУЭ СИСТЕМ.

1.1. Приборы электрического каротажа в процессе бурения.

1.2. Приборы индукционного каротажа в процессе бурения.

1.3.Приборы электромагнитного каротажа в процессе бурения.

Глава 2. РАЗРАБОТКА АППАРАТУРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАРОТАЖА

В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ | С РАДИОПРОЗРА ЧНЫМ КОРПУСОМ ИЗ ПОЛИМЕРНОГО

КОМПОЗИЦИОННОГО МА ТЕРИАЛА.

2.1.Выбор и обоснование конструктивных параметров зонда электромагнитного каротажа.

2.2.Разработка структурной схемы и электронных узлов прибора.

2.3.Метрологическое обеспечение.

2.4.Разработка радиопрозрачного корпуса из стеклоэпоксидного композиционного материала.

Технические требования к корпусу.

Расчёт на прочность.

Нагружение внешним гидростатическим давлением.

Осевое сжатие и растяжение.

Прочность при кручении и изгибе.

Стендовые испытания.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ

ПО КАРОТАЖУ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ.

ЗЛ.Скважинные испытания прототипа ВИКПБ.

• 3.2.0пытно промышленная эксплуатация.

3.3. Запись каротажных диаграмм в процессе бурения.

-33.4 Оценка информативности каротажных диаграмм.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка аппаратуры электромагнитного каротажа в процессе бурения с корпусом из полимерного композиционного материала"

Объект исследования - аппаратурное обеспечение высокочастотного электромагнитного каротажа нефтегазовых скважин непосредственно в процессе бурения, включая разработку конструкции электронных узлов и силового радиопрозрачного корпуса прибора электромагнитного каротажа применительно к условиям высоких механических нагрузок, сопровождающих процесс бурения.

Повсеместное увеличение объёма бурения горизонтальных скважин * (ГС) потребовало создания новых типов геофизической аппаратуры - систем каротажа в процессе бурения и автономных комплексов, доставка которых к забою осуществляется на бурильных трубах. Исследования ГС автономными комплексами сопряжено со значительными затратами времени на спускоподъёмные операции бурового инструмента. Существенную экономию времени можно получить, осуществляя каротаж непосредственно в процессе бурения. Жесткие требования по механической прочности, вибро -и ударостойкости, пониженному энергопотреблению, предъявляемые к аппаратуре каротажа в процессе бурения, приводят к компромиссным реше-щ ниям, которые, как правило, ухудшают метрологические свойства такой аппаратуры в пользу её механической прочности.

Приборы электромагнитного каротажа в процессе бурения, выпускаемые несколькими зарубежными фирмами и внедряемые в нашей стране (Sperry Sun, Anadrill Schlumberger и др.), монтируются в металлических корпусах. Это приводит к трудностям при количественной интерпретации диаграмм: не в полной мере решена задача учёта влияния металлического корпуса прибора на результаты измерений. Металлические детали силового корпуса прибора, расположенные вблизи генераторных и приёмных катуЩ шек, приводят к сильному искажению электромагнитного поля и, как следствие, к существенным систематическим погрешностям измерения. Это не отвечает возросшим требованиям к качеству каротажного материала и необходимы новые подходы к разработке силового корпуса аппаратуры с учётом современных достижений в производстве радиопрозрачных композиционных материалов.

Поэтому весьма актуальной является разработка аппаратуры высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения, выполненной в стеклопластиковом корпусе, не уступающей по метрологическим характеристикам кабельным или автономным модификациям.

Цель исследований - повышение достоверности результатов электромагнитных зондирований в процессе бурения нефтегазовых скважин путём разработки аппаратуры высокочастотного электромагнитного каротажа для исследования скважин непосредственно в процессе бурения в корпусе из полимерного композиционного материала, исключающего возникновение систематических погрешностей, связанных с влиянием металлических элементов конструкции корпуса, расположенных вблизи катушек. Решаемые научные задачи

1. Разработать структурную и принципиальные схемы электронных узлов прибора и телеметрической системы, работоспособных в условиях воздействия нагрузок, связанных с процессом бурения (повышенная температура, вибрация, удары, пониженное энергопотребление).

2. Разработать аппаратуру высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения в непроводящем силовом корпусе из полимерного композиционного материала.

3. Получить диаграммы высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения.

Фактический материал, методы исследования, аппаратура

Автор в значительной мере опирался на результаты теоретических исследований по созданию метода и аппаратуры высокочастотного электромагнитного каротажа - ВИКИЗ, полученные в Институте геофизики СО РАН (Антонов Ю.Н., Даев Д.С., Табаровский JI.A., Эпов М.И.). Кроме того, при выполнении инженерных расчётов по разработке силовых узлов радиопрозрачного корпуса автор использовал теорию сопротивления материалов в применении к анизотропным композиционным материалам.

Основной метод исследований - стендовые и полевые эксперименты, а также аналитические оценки, инженерные расчёты, компьютерное моделирование функционирования электронных узлов, физическое моделирование.

Исследования искажающего влияния металлических концевых элементов радиопрозрачного корпуса на показания зондов проводились на основе аналитических оценок, физического эксперимента на макете зонда в непроводящей среде (воздухе), в модели однородной проводящей среды (баке) и в реальных скважинах путём сравнения показаний с кабельной аппаратурой.

Прочностные характеристики материала корпуса экспериментально проверялись на стендах ФНПЦ «Алтай» (1999, Бийск). Натурный корпус прибора перед скважинными испытаниями испытан на герметичность и Щ прочность давлением 66 МПа в установке высокого давления Hi 1111 А

Луч» (2000, Новосибирск). Механическая прочность корпуса прибора проверена на трубной базе СУБР-1 (2002, Сургут) растягивающей нагрузкой 900 кН и крутящим моментом 35 кНм.

В процессе скважинных испытаний отрабатывались вопросы привязки глубин и технология передачи информации на поверхность с помощью геофизического кабеля, выведенного в затрубье с «мокрым» разьёмом. Кроме того опробована комбинированная кабельная линия связи, состоящая Ф из кабельной вставки и специальных труб для электробурения.

Достоверность результатов скважинных испытаний в части электромагнитного каротажа обеспечивалась методами лабораторного тестирования прибора с помощью образцового набора мер импеданса ИМ-1, изготовленного во ФГУП «Сибирский государственный НИИ метрологии» и зарегистрированного в государственном реестре средств измерения РФ. Детекторы ГК калибровались с помощью малоактивного объёмного имитатора естественной гамма активности пород, изготовленного и поверенного во ВНИИЯГ (2002, Раменское).

На базе проведённых исследований было изготовлено 4 комплекта аппаратуры высокочастотного электромагнитного изопараметрического каротажа в процессе бурения (ВИКПБ). Два комплекта аппаратуры ВИКПБ-7А, в автономном варианте с аккумуляторным блоком питания и энергонезависимой памятью, успешно прошли опытно-промышленную эксплуатацию на Фёдоровском месторождении ОАО «Сургутнефтегаз». Всего в течение 2002 г. с применение ВИКПБ было пробурено 6 горизонтальных стволов, причём в работе использовался 1 комплект аппаратуры, а другой был в резерве. Прибор использовался как при наборе кривизны (турбинное бурение), так и при проходке горизонтального участка (турбинно - роторное бурение). В общей сложности прибор находился в скважине 609 час. Информация, зарегистрированная прибором в процессе бурения, после подъёма инструмента считывалась из памяти, привязывалась по глубине и пересылалась в контрольно-интерпретационную партию треста «Сургутнефте-геофизика» для интерпретации. Непосредственно на скважине проводилась оперативная интерпретация, результаты которой использовались для коррекции траектории ствола скважины. По итогам опытно-промышленного использования ВИКПБ-7А был подписан акт, подтверждающий пригодность аппаратуры к промышленному использованию.

Защищаемые научные результаты: 1. Разработана и научно обоснована конструкция зондовой системы прибора электромагнитного каротажа в процессе бурения и силовой корпус из полимерного композиционного материала на базе стеклопластика

КППН, работоспособные в условиях турбинного и турбинно - роторного ф бурения ГС и повышенной рабочей температуры (до +125 °С).

2. Разработаны электронные узлы аппаратуры устойчивые к воздействию температуры и виброударным нагрузкам, сопровождающим процесс бурения. Термостойкость (до +125 °С) обеспечена оптимизацией алгоритмов их работы и применением резонансных усилителей мощности с высоким КПД. Устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам (до 700 м\с ) обусловлена заливкой вибропоглощающего компаунда и применением резинометаллических амортизаторов.

3. Получены диаграммы высокочастотного электромагнитного зондирования непосредственно в процессе бурения.

Новизна работы. Личный вклад.

Впервые в мировой практике разработан прибор для электромагнитного каротажа в процессе бурения в силовом радиопрозрачном корпусе, состоящем из двух коаксиально расположенных труб из стеклопластика КППН. Новизна технического решения заключается в том, что все механические нагрузки, связанные с процессом бурения, воздействуют на наружную трубу, которая может заменяться по мере износа в процессе эксплуата-# ции. На внутреннюю трубу действует лишь гидравлическое давление, и не передаются механические нагрузки, поэтому на ней расположены элементы зондовой системы. В кольцевом герметичном межтрубном пространстве размещены электронные узлы, которые функционируют при нормальном давлении.

1. В аппаратурной части:

- выбрана и обоснована оригинальная коаксиальная конструкция и проведён расчёт силового радиопрозрачного корпуса из высокопрочного ^ стеклопластика, прочностные характеристики которого (предельная разрывная нагрузка 2500 кН, разрушающий крутящий момент 45 кНм) не уступают стальным бурильным трубам;

- разработана структурная схема и электронные узлы прибора электромагнитного каротажа, в том числе резонансные усилители мощности с минимальным энергопотреблением и термостабильный виброустойчивый генератор, осуществляющий прямой синтез гетеродинных частот;

- выбраны оптимальные частоты настройки контуров приёмных катушек, снижающие зависимость начальных фазовых сдвигов зондов (нулей воздуха) от температуры и проводимости среды с ±0,45° до ±0,16°;

- получена аналитическая зависимость величины начального фазового сдвига каждого из зондов от частоты, длины и электрических характеристик коаксиального кабеля, подающего гетеродинный сигнал к смесителям зонда.

2. В области технологии применения и метрологического обеспечения:

- разработан стенд для натурных гидравлических испытаний стекло-пластикового корпуса на воздействие высокой температуры и давления;

- на базе имитатора ИМ-1 разработан изготовлен и аттестован образцовый имитатор проводящей среды для калибровки зондов электромагнитного каротажа;

- разработан, изготовлен и аттестован малоактивный объёмный источник радиоактивности для калибровки канала ГК;

- разработан комбинированный высокоскоростной канал связи «забой-устье» на базе серийно выпускаемых труб для электробурения и кабельной проставки со специальными быстромонтируемыми разъёмами и вращающимся электровводом в ведущей штанге;

- получены результаты скважинных испытаний прибора электромагнитного каротажа в процессе бурения ВИКПБ в корпусе из композитных материалов;

- впервые в России зарегистрированы диаграммы высокочастотных электромагнитных зондирований непосредственно в процессе бурения.

Практическая значимость результатов.

Практическая значимость работы - в развитии метода и технологии ВИКИЗ и его распространении на новую область применения - исследования пологих и горизонтальных нефтяных скважин непосредственно в процессе бурения. Разработанная аппаратура имеет ряд преимуществ перед существующей.

Во-первых, использование силового корпуса из непроводящего композиционного материала повысило точность и достоверность высокочастотных электромагнитных зондирований в применении к каротажу в процессе бурения.

Во-вторых, повторные записи диаграмм каротажного зондирования одного и того же интервала, которые осуществляются при бурении и после его завершения во время спускоподъёмных операций, позволяют изучать во времени техногенные процессы фильтрации буровой жидкости в коллекторы. Высокая точность измерений удельного сопротивления предоставляет возможность определять характер насыщения пластов-коллекторов.

В-третьих, высокоскоростная телеметрическая система с кабельным каналом позволяет в реальном времени получать большой объём геофизической информации и открывает возможность передачи на поверхность практически неограниченного объёма технологической информации.

В-четвёртых, конструкция прибора обладает высокой ремонтопригодностью и позволяет осуществлять замену изношенного силового корпуса в условиях эксплуатации, что продлевает ресурс аппаратуры и снижает эксплуатационные расходы.

В-пятых, применение прибора при бурении горизонтальных и пологих скважин может дать ощутимый экономический эффект, сократив сроки строительства скважин за счёт исключения промежуточных каротажей, выполняемых, обычно, кабельной или автономной аппаратурой.

Апробация работы

Материалы исследований докладывались на конференциях и симпозиумах: Всероссийской научно - практической конф. «Состояние и пути развития индукционного каротажа» (Новосибирск, 1998), Всероссийской научно — практической конф. «Пути развития и повышения эффективности электрических и электромагнитных методов изучения нефтегазовых скважин» (Новосибирск, 1999), III конгрессе нефтегазопромышленников России, «Новые технологии в геофизике» (Уфа 2001), Всероссийской научно -практической конф. «Геофизические исследования в нефтегазовых скважинах» (Новосибирск, 2002), Всероссийской научно - практической конф. «Информационное обеспечение строительства нефтяных и газовых скважин» (Москва, 2005). Международной научно практической конференции «Инновационные технологии для нефтегазового комплекса» (Новосибирск, 2005). Результаты работы прошли экспериментальную проверку на Само-тлорском и Черногорском месторождениях (Нижневартовск, 1999 - 2000), Фёдоровском месторождении (Сургут, 2001 - 2002) при бурении вертикальных и наклонно направленных скважин.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 патента. Автор является одним из составителей Методического руководства «Технология исследования нефтегазовых скважин на основе ВИКИЗ» (2000г.), утверждённого Минтопэнерго РФ в качестве руководящего материала.

В процессе работы автора поддерживали многие коллеги, которым я искренне признателен.

Д.т.н. Антонову Ю. Н. за неоценимую помощь в изучении метода и аппаратуры ВИКИЗ.

Д.т.н. Ельцову И. Н. за полезные советы и многочисленные обсуждения проблем электромагнитного каротажа.

К.т.н. Ульянову В. Н. за помощь в интерпретации результатов каротажа в процессе бурения.

К.т.н. Жмаеву С. С. за помощь при расчётах зондовой системы и имитатора однородной среды ИМ-1 для ВИКПБ.

Директору фирмы ВКТ (г. Нижневартовск) - Вислополову П. А., который на свой страх и риск разрешил провести первые скважинные испытания опытного образца прибора ВИКПБ и гл. инженеру - Массарову X. М., приложившему много усилий для обеспечения этих испытаний.

Коллективу ЗАО МНПП «Алтик» (г. Бийск) и его руководителям, директору Михайлову М. М. и гл. инженеру Демченко А. И. за оперативное решение множества проблем, возникавших в процессе проектирования и изготовления стеклопластикового корпуса.

Автор глубоко благодарен генеральному директору ЗАО НПП ГА «Луч» К. Н. Каюрову, который смог убедить в реальности создания подобной аппаратуры, оказывал постоянную помощь при разработке, изготовлении и испытаниях прибора.

Автор считает своим долгом выразить благодарность всему коллективу ЗАО НПП ГА «Луч» и его ведущим специалистам: гл. инженеру Лавру-хову В. Т., начальнику КБ 2 Глухову А. В., ведущему инженеру Киселёву В. В. - за профессионализм и компетентность при решении задач разработки, изготовления и испытаний аппаратуры на стендах и в скважинах.

Автор особенно признателен научному руководителю д.т.н. Э. Е. Лукьянову за плодотворное обсуждение проблем исследований и щедрость, с которой он делился своим богатым опытом.

Автор искренне благодарен чл. - корр. РАН М. И. Эпову за доброжелательность и настойчивость, без которых работа не была бы завершена, а также за ценные советы и замечания по работе.

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения, содержит 92 страницы текста, в том числе 31 рисунок, 17 таблиц, библиографию из 63 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Еремин, Виктор Николаевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом работы является разработка прибора высокочастотного электромагнитного каротажа для исследования нефтегазовых скважин непосредственно в процессе бурения - ВИКПБ. Его главная отличительная особенность — силовой корпус из стеклоэпоксидного композиционного материала. Радиопрозрачный изоляционный материал в конструкции зонда и герметичного силового корпуса имеет ряд преимуществ перед проводящим металлическим корпусом:

- не искажает электромагнитное поле и позволяет максимально приблизить характеристики зонда к идеальной модели,

- не искажает магнитное поле Земли, что способствует повышению точности измерения магнитного азимута,

- является великолепным демпфером, снижающим виброударные нагрузки на электронные узлы прибора.

В работе представлены результаты расчёта искажающего влияния металлических проводящих элементов корпуса на показания электромагнитных зондов. Металлические корпуса зарубежных LWD приборов существенно уменьшают амплитуду сигнала, используемого при измерениях и, как следствие, снижается чувствительность и точность измерений. Сложная геометрия источника электромагнитного поля существенно затрудняет и осложняет количественную интерпретацию результатов зондирований. Поэтому для разрабатываемого прибора выбрана конструкция корпуса из стеклопластика КППН и проведён расчёт его прочностных характеристик. Выбранная конструкция обладает высокой прочностью, что подтверждено результатами стендовых и скважинных испытаний.

Зондовая система прибора построена аналогично зондовой системе ВИКИЗ и состоит из 7 трёхкатушечных высокочастотных зондов.

Разработана структурная схема прибора и принципиальные схемы его узлов. Проведён анализ и выбраны схемные решения тех узлов, которые наиболее подвержены влиянию дестабилизирующих факторов, сопровождающих процесс бурения. Размещение генераторных и приёмных катушек в теле силового корпуса позволило существенно увеличить их диаметр. Благодаря возросшему магнитному моменту в несколько раз снижена потребляемая мощность генераторов и повышена чувствительность приёмников. ^ Для поверки и калибровки прибора ВИКПБ были разработаны и изготовлены соответствующие стенды и установки. Калибровка электромагнитных зондов осуществляется коаксиальными проволочными кольцами - имитаторами проводящей среды. Детектор для измерения естественной гамма - активности (ГК) калибруется с помощью объёмных малоактивных источников радиоактивности.

Для проведения скважинных испытаний разработано 2 варианта кабельной телеметрической системы с использованием стандартных труб для электробурения. Создана система привязки глубин, которая измеряет поступательное перемещение талевой системы лебёдки буровой установки. Разработан и испытан при бурении скважин автономный вариант ВИКПБ с аккумуляторным питанием и энергонезависимой памятью.

- В условиях Западной Сибири успешно проведены скважинные испытания комплекса электромагнитного каротажа в процессе бурения ВИКПБ. Впервые в России зарегистрированы диаграммы высокочастотных электромагнитных зондирований непосредственно в процессе бурения вертикальных, пологих и горизонтальных стволов на Фёдоровском месторождении ОАО «Сургутнефтегаз». Качество диаграмм соответствует ц> всем требованиям, предъявляемым к кабельным приборам ВИКИЗ.

Характеризуя полученные результаты в целом, можно утверждать, что создана аппаратура для высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения в радиопрозрачном силовом корпусе. Её применение в процессе строительства горизонтальных скважин позволяет повысить точность и достоверность электромагнитных зондирований, при одновременном сокращении затрат времени за счёт исключения промежуточных каротажей.

Тем не менее, в процессе испытаний выяснилось, что использование кабельной линии связи существенно осложняет работу буровой бригады. Несмотря на очевидное преимущество в пропускной способности, внедрение кабельной линии требует дальнейшей проработки. В автономном режиме низкую надёжность и стойкость к вибрационным нагрузкам проявили свинцовые аккумуляторы.

Кроме того, сравнительный анализ кривых ВИКИЗ, полученных непосредственно в процессе бурения и спустя 25 часов после бурения, выявил существенное различие в показаниях коротких зондов. Это свидетельствует о том, что зона проникновения в проницаемых пластах формируется в течение длительного времени. В первые несколько десятков минут после разбуривания её радиус не превышает зоны чувствительности зонда 0,7м. В зондовой системе ВИКПБ отсутствует зонд 0,5 м, и поэтому начальное состояние зоны проникновения не фиксируется. Эти факты вызывают необходимость вернуться к разработке новой зондовой системы и поставить задачу по созданию бескабельного канала телеметрии.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Еремин, Виктор Николаевич, Новосибирск

1. Абрамов Г.С., Молчанов АА. Бескабельные измерительные системы для исследований нефтегазовых скважин. Теория и практика, - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2004. - 516 с.

2. Абросимов Э.А., Бурехин И.В., Жмаев С.С., Малашенко О.Я., Расташанская И.И. Образцовый имитатор кажущегося удельного электрического сопротивления //Измерительная техника. 1998. -№ 6 С. 57-59.

3. Амбарцумян С.А. Разномодульная теория упругости. М.: Наука - 1982. -320 с.

4. Антонов Ю. Н., Жмаев С. С. Высокочастотное индукционное каротажное изопараметрическое зондирование (ВИКИЗ). Методические рекомендации -Новосибирск. СО АН СССР, 1979. 104 с.

5. Антонов Ю. Н., Эпов М.И. ВИКИЗ обоснование и интерпретация // Состояние и пути развития индукционного каротажа: Материалы Всеросс. конф. - Новосибирск: Научно-издательский центр ОИГТМ СО РАН, 1998. С. 66-69.

6. Беляков Н.В., Коданев В.П., Сизов И.И. Акустические каналы связи забойных телеметрических систем // Геофизика. 2000. - № 1. - С. 43-48.

7. Беляков Н.В., Фролов Д.П. Экспериментальная аппаратура для передачи информации от забойной телеметрической системы по гидроакустическому каналу // Каротажник. 2000. - № 66. - С. 101-105.

8. Эксперт). Проблема качества строительства скважин в нефтедобыче // Бурение. март 2002. - С. 30-31.

9. Брускин В.Я. Номограммы для радиолюбителей. М.: Энергия, 1972, -104 с.

10. Бурение наклонных и горизонтальных скважин: Справочник / А.Г. Калинин, Б.А. Никитин, K.M. Солодкий, Б.З. Султанов. Под ред. А.Г.Калинина. М.: Недра, 1997. - 648 с.

11. ГОСТ 26116-84. Аппаратура геофизическая скважинная. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1984. 31с.

12. Дворкин В.И., Метелкин В.И., Царегородцев A.A., Зиннуров P.M. Индукционный каротаж в процессе бурения скважин // Тр. III Российско-китайской конференции, Уфа, 2004, С. 59-65.

13. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит. 1987. -240с.

14. Дьяконов В.П., Максимчук A.A., Ремнев A.M., Смердов В.Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. М.: СОЛОН-Р,4 2002.-511 с.

15. Ельцов И.Н., Эпов М.И., Ульянов В.Н., Никитенко М.Н., Соболев А.Ю., Пестерев A.M. Анализ и инверсия каротажных диаграмм в системе МФС

16. ВИКИЗ 98 // Электрические и электромагнитные методы исследования в нефтегазовых скважинах: Материалы Всеросс. конф., Новосибирск: Научно-издательский центр ОИГГМ СО РАН, 1999. С. 180-195.

17. Еремин В.Н. Прибор высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения ВИКПБ-7 // Каротажник. 2005. - № 5-6, - С. 235-243.

18. Еремин В.Н. Прибор высокочастотного электромагнитного каротажа в процессе бурения ВИКПБ-7 // Геофизический вестник. 2005. - №1,- С. 12-17.

19. Еремин В.Н. Стабильность параметров аппаратуры ВИКИЗ // Состояние и пути развития индукционного каротажа: Материалы Всеросс. конф. -Новосибирск: Научно-издательский центр ОИГГМ СО РАН, 1998. С. 6669.

20. Жмаев С. С. Аппаратура электромагнитного каротажного изопараме-трического зондирования для исследования нефтяных скважин: Дис. кандид. техн. наук. Новосибирск, 1985.

21. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчёт индуктивностей. Л.: Энергия, -1970.-214 с.

22. Композиционные материалы: В 8-ми т. Пер. с англ. Под ред. Л. Браутмана, Р. Крока — М.: Машиностроение, 1978 -Т 3. Применение композиционных материалов в технике / Под ред. Б. Нотона. = 1978. -511 с.

23. Лукьянов Э. Е. Состояние и перспективы развития геофизических исследований в горизонтальных скважинах: Научно-технический обзор НПГП «ГЕРС». Тверь, 1994. -32 с.

24. Лукьянов Э.Е, Еремин В.Н, Каюров К.Н. Пути развития технологий каротажа в процессе бурения // Геофизические исследования в нефтегазовых скважинах: Материалы Всеросс. конф., Новосибирск: Научно-издательский центр ОИГГМ СО РАН, 2002. С. 15.

25. Лукьянов Э.Е. Каротаж в процессе бурения мифы, реальность, ближайшее будущее // Каротажник. - 2002. - №100. - С. 196-214.

26. Лукьянов Э.Е. Обоснование создания забойной автономной измерительной системы с расположением в нижней части КНБК // Каротажник. 2000. - № 69. - С. 44-52.

27. Лукьянов Э.Е., Еремин В.Н., Каюров К.Н., Цейтлин В.Г., Горбатюк О.В. Пространственный гамма-каротаж в процессе бурения (обоснование и конструктивные особенности). // Каротажник. 2003. - № 110. С. 125133.

28. Лукьянов Э.Е., Каюров К.Н., Калистратов Г.А. Оснащение бурильных труб кабельной линией связи ключ к повышению информативности и качества строительства скважин // Каротажник. - 2001. - № 81. - С. 71-78.

29. Лухминский Б. Е. Система управления горизонтальным бурением нового поколения // Каротажник. 1999. - № 64. - С. 106-107.

30. Молчанов А. А. Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин. М.: Недра, 1983. - 342 с.

31. Молчанов А. А., Лукьянов Э. Е., Рапин В. А. Геофизические исследования горизонтальных нефтегазовых скважин. Учебное пособие. С-Петербург: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ), 2001. - 328 с.

32. Новые компьютеризированные аппаратурно методические комплексы и аппаратура для исследования нефтегазоразведочных скважин: Сб. статей под ред. Бродского П.А. - Тверь. НПО «Союзпромгеофизика» -1990.- 175 с.

33. Патент US 5944124. Composite material structures having reduced signal attenuation. LWT Instruments, Inc. (CA), August 31, 1999.

34. Патент US 5988300. Composite material structures having reduced signal attenuation. LWT Instruments, Inc. (CA), November 23, 1999.

35. Патент US 6084052. Use of polyaryletherketone-type thermoplastics in downhole tools. Schlumberger Technology Corporation (Houston, TX), July 4, 2000.

36. Патент РФ № 2229733. Геофизическая телеметрическая система передачи скважинных данных / Ю.Н Антонов, А.В. Глухов, В.Н. Еремин. -7с.:3 ил. Б.И. 2001. - №2.

37. Патент РФ № 2231091. Прибор электромагнитного каротажа в процессе бурения / В.Н. Еремин, К.Н. Каюров 4 е.: 1 ил. Б.И. - 2004. № 17

38. Патент РФ № 2254464, МПК 7 G01 V 3/18. Гидравлический преобразователь зенитного угла / Э.Е. Лукьянов, В.Н. Еремин. 5 е.: 2 ил. Б.И. -2005.-№ 17.

39. Технология исследования нефтегазовых скважин на основе ВИКИЗ Методическое руководство / Под ред. Эпова М.И., Антонова Ю.Н. Новосибирск: НИЦ ОИГГМ СО РАН, 2000. 118 с.

40. Ульянов В.Н. Методы поверки аппаратуры и экспресс интерпретация данных высокочастотных электромагнитных зондирований в терригенных нефтегазовых коллекторах: Дисс. канд. техн. Наук. -Новосибирск, 2002, -116 с.

41. Чупров В.П. Состояние и перспективы развития забойных телесистем с беспроводным электромагнитным каналом связи // Каротажник. 2001. -№82. С. 144-148.

42. Чупров В.П., Епишев О.Е., Якимов В.А., Камоцкий В.А., Григорьев В.М. Телесистема ЗИС-4 с беспроводным каналом связи восемь лет эксплуатации // Каротажник. - 2000. - № 73, С. 116-120.

43. Чупров В.П., Потапов А.П. Кнеллер JI.E. Оценка возможностей электромагнитного канала связи на основе математического моделирования // Каротажник . 2003. - № 113. С. 42-53.

44. Эпов М.И., Глинских В.Н., Ульянов В.Н. Оценка характеристик пространственного разрешения систем индукционного и высокочастотного электромагнитного каротажа в терригенных разрезах Западной Сибири //Каротажник. 2001. № 81. С. 19-56.

45. Эпов М.И., Мартаков С.В. Прямые двумерные задачи электромагнитного каротажа // Геология и геофизика. 1999. - №2. С. 58-69.

46. Allan V., Sinclair P., Prain К., Design S. Development and Field Introduction of Unique Low-Frequency (20 kHz) Induction Resistivity Logging While-Drilling Tool // Paper В in 45th Annual Logging Symposium, June 6-9, SPWLA, 2004.

47. Bonner S., Glark B., Holenka J., Vaisin B., Dusang J. Logging While Drilling: Three-Year Perspective // Schlumberger, Oilfield Review 4. № 3 (July 1992): p. 4-21.

48. Bonner S., Fredette M., Clark B., Mills R., Williams R. Resistivity While Drilling Images from the string // Schlumberger, Oilfield Review 8, №1 (Spring 1996): p. 4-19.

49. Measurement while drilling. SPWLA reprint series, January 1993, 6001 Gulf Freeway, Suite C-129, Houston, U.S.A. p. 33-235.

50. Rodney P.F., Wisler M.M., Thompson L.W., Meador R.A. The electromagnetic wave resistivity MWD tool // SPE, 1983, paper 12167.63 .Zhou Q. Updated survey of MWD Resistivity Tools. SPWLA reprint series, July 2004, Houston, U.S.A. p. 67-76.