Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Разработка аппаратуры и методов получения забойной информации по гидравлическому каналу связи и ее использование при решении геолого-геофизических и технологических задач проводки скважин

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка аппаратуры и методов получения забойной информации по гидравлическому каналу связи и ее использование при решении геолого-геофизических и технологических задач проводки скважин"

МИНИСТЕРСТВО ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "НАУЧНО ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА "ГЕОФИЗИКА"

РГ. од

1 1 СЕ,

и

Экз N

На правах рукописи УДК 555.832.622.24:681.3

Лугуманов Мансур Гаянович

разработка аппаратуры в методов получения забойной

информации по гидравлическому каналу связи и ее

использование при решении геолого -геофизических и технологических задач проводки скважин.

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 1995

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском проектно-конструкторском и технологическом институте геологических, геофизических и геохимических информационных систем (ВНИИгеоинформсистем) и в АО НПФ "Геофизика"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

в.В. Рукавицыв

Официальные оппоненты: -доктор технических наук, профессор

A.C. Моисеенко (ГАНГ ни. Губкина) -кандидат технических наук А.Ш. Янтурин (БашНШШИнефть)

Ведущее предприятие:

Научно - исследовательский и проектно - конструкторский институт геофизических исследований геологоразведочных скважин (ВНИНГНС С ОЗГА).

Защита состоится "5" октября 1995 г. в 14 часов на заседании Диссертационного совета К. 104.01.01 при Башкирском государственном научно-исследовательском и проектном институте нефтяной промышленности (БашНИИПИнефть) по адресу: 450077, г. Уфа, ул. Ленина, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в фондах БашНИПИнефти.

Автореферат разослан "31" августа 1995г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета К.104.01.01. к.г-м.н.

В.В. Голубев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Наметившийся в последние годы спад в нефтегазодобывающей отрасли остро поставил задачу повышения эффективности геологоразведочных и поисковых работ на нефть и газ. Жесткие условия рыночной экономики требует отказа от традиционного в подобных ситуациях пути повышения эффективности работ за счет дальнейшего увеличения объемов разведочного и поискового бурения. Единственно возможный реальный путь решения данных задач это внедрение новейших прогрессивных технологий, современных технических достижений в области контроля за процессом бурения нефтяных и газовых скважин.

В связи с этим наметилась тенденция к более широкому использованию результатов исследования скважин в процессе бурения. Появились информационно - измерительные службы геолого -технологических исследований (ГТИ) скважин в процессе бурения, которые на основе комплексного использования информации о технологических режимных параметрах бурения (параметров бурового раствора, шлама, керна и данных газовой хроматографии) позволяют осуществить единый геологический и технологический контроль за процессом бурения. Однако регистрируемый на сегодняшний день комплекс наземных параметров не всегда адекватно отражает реальный забойный процесс и не обеспечивает достаточную эффективность буровых работ.

В мировой практике достаточно широкое развитие получили телеизмерительные системы, предназначенные для передачи технологической и геофизической информации с забоя на дневную поверхность по одному из каналов связи "забой -устье" (гидравлическому, электромагнитному, проводному или акустическому). Однако из за больших технических трудностей, реализации таких систем они пока не достаточно надежны и эффективны. В странах СНГ наиболее проработаны системы с проводным каналом связи, которые широко используются при проводке наклонно-направленных скважин и системы, реализованные в упрощенном варианте:

- с электромагнитным каналом связи, используемые для замера параметров траектории бурения (ЗИТ);

- с гидравлическим каналом связи - для измерения оборотов турбобура (ГТН).

Эксплуатация зарубежных систем обходится очень дорого и оправдана лишь на дорогостоящих объектах (морские платформы, глубокие поисково -разведочные скважины и т. д.).

Поэтому в работах зарубежных и отечественных исследователей сегодня наблюдается устойчивый интерес к нетрадиционным методам получения информации о процессах взаимодействия породоразрушающего инструмента с разбуриваемой породой, таким как виброакустический метод (ВАИ), основанный на регистрации и обработке виброакустического сигнала в верхней части бурильной колонны с целью выделения полезной геолого - технологической информации и гидравлический метод, в основе которого лежит исследование колебаний давления в гидравлической линии. Относительная дешевизна и доступность являются безусловными преимуществами этих методов.

Упругие волны и колебания, распространяющиеся по столбу промывочной жидкости (ПЖ) в гидравлической линии в виде пульсаций давления, также несут ценнуо забойную информацию, характеризующую работу забойного двигателя и эффективность взаимодействия долота с разбуриваемой породой. Регистрация и анализ этих колебаний и волн может существенно восполнить информации о характере и динамике разрушения горных пород, о состоянии турбобура и долота, а также о физико - механических свойствах разбуриваемых пород.

Однако недостаточная изученность процессов, происходящих на забое при взаимодействии потока ПЖ с турбобуром, долотом и с разбуриваемой породой, затрудняют использование пульсаций давления как источника забойной информации. Требуют дальнейшего рассмотрения и вопросы распространения гидравлических пульсаций по гидравлической линии. Поэтому разработка аппаратуры и методики исследования, использование эффективных методов спектрально -корреляционного анализа для выделения полезной забойной информации, передаваемой по гидравлическому каналу

связи, а также изучение вопросов создания сравнительно дешевых забойных телеизмерительных систем с активным забойным гидравлическим излучателем, является актуальной задачей.

Цель работы.

Разработка эффективных методов получения забойной информации с использованием гидравлического канала связи забоя с дневной поверхностью для изучения геологического разреза разбуриваемых пород и контроля за эффективностью работы долота.

Основные задачи работы.

1. Разработка упрощенной математической модели гидравлического канала связи и теоретическое исследование особенностей распространения упругих возмущений по столбу ПЖ.

2. Разработка аппаратуры и методов спектрально - корреляционного анализа для получения забойной информации по гидравлическому каналу связи.

3. Исследование информационно - шумовых характеристик гидравлического канала связи (коэффициент передачи, дальность приема, быстродействие и т.д.) в диапазоне частот 0,1 -100 Гц

4. Использование предложенного метода и аппаратуры при решении геолого -геофизических задач и для оптимизации процесса бурения.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложен новый метод низкочастотного спектрального каротажа по давлению промывочной жидкости для раннего прогнозирования продуктивных интервалов.

2. Предложен метод оперативной оптимизации режима при бурении с винтовыми забойными двигателями.

3. Предложен метод оценки эффективности работы забойного двигателя и породоразрушающего инструмента по трехмерному отображению спектрально -корреляционных диаграмм пульсаций ПЖ в реальном времени.

4. Исследована и экспериментально установлена тесная взаимосвязь между сигналами пульсации ПЖ и вибрации буриль-

ной колонны, предложены методы по комплексному анализу этих сигналов для решения конкретных геологических и технологических задач в процессе бурения.

Основные защищаемые положения.

1. Комплексное использование акустического и гидравлического каналов связи для сбора забойной информации при бурении.

2. Получение геологической информации о разбуриъаекой породе путем спектрального анализа пульсаций ПЖ в диапазоне инфранизких частот 0,1 -1 Гц.

3. Принципы контроля и управления работой забойных двигателей с использованием гидравлической информации.

Практическая ценность и результаты внедрения.

На основе проведенных автором исследовательских работ предложено расширить информационно - измерительный комплекс ГТИ за счет включения гидравлических исследований в процессе бурения, что существенно повышает эффективность и информативность службы ГТИ.

Предложены практические методы получения оперативной забойной информации о физико -механических свойствах разбуриваемых пород по гидравлическому каналу связи.

Предложен метод оперативного контроля за работой турбобура и породоразрушающего инструмента по Зх мерному представлению спектрально -корреляционных функций пульсаций давления про-'мывочной жидкости.

Разработан и опробован в реальных условиях забойный гидравлический излучатель и показана возможность его использования для контроля за частотой вращения турбобура в скважинах с глубиной до 4000 метров. '

Результаты диссертационных исследований опробованы и внедрены в ПО "Башнефть", в ПО "Саратовнефтегаз", в ПО "Гурьевнефтегаз".

Аппаратура спектрально - корреляционных исследований "Вибротест -2" и прибор "Аудио дрилл", являющиеся составной частью аппаратурно -исследовательского комплекса, предложенного

в данной работе в настоящее время эксплуатируются в ряде нефтедобывающих регионов СНГ. Комплект аппаратуры был поставлен американской фирме "Бэйкер Хьюз Интек" и получил высокую оценку

В настоящее время находятся на завершающей стадии опытно-конструкторские работы (ОКР) по серийному варианту аппаратуры спектрально - корреляционного анализа, способного реализовать все методы, предложенные в данной работе. ... , ,

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на республиканской научно -практической конференции, БащНИПИнефть (Уфа,1986г.), на конференции "Пути повышения ■ эффективности научно -технического творчества молодежи (Уфа, 1986г.), на областных научно -практических конференциях "Состояние и переспективы геолого -геофизических и технологических исследований, проводимых в процессе бурения скважин" (Тюмень, 1987г.), "Разработка аппаратуры для промыслово -геофизических и геолого -технологических исследований на нефтегазовых месторождениях Западной Сибири (Тюмень, 1987г.), на Всесоюзной школе передового опыта "Геолого -технологические исследования в процессе бурения нефтегазовых скважин (Тверь, 1990г.)

Публикации. 1,

Основное содержание диссертационной работы изложено в-. 19 печатных работах, в том числе 7 авторских свидетельствах и патентах.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 97 наименований. Работа изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 4 таблицы.

Диссертационная работа выполнена во ВНИИНПГ и ВНИИГЕОСИС-ТЕМ под научным руководством д.т.н., профессора Рукавицына В.Н^

В ходе выполнения данной диссертационной работы автор пользовался консультациями д.т.н., профессора О.Л. Кузнецова,

к.т.н. Лаптева В.В., д.т.н. Ситдыкова Г.А., к.т.н. Дубинс-кого В.Ш., который выражает глубокую благодарность за ценные советы и замечания.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю и всем коллегам по работе, содействовавщим выполнению данной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, определены объект исследования и цель диссертационной работы. Сфорнулированы задачи исследований, которые необходимо решить для достижения поставленной цели и определены научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе диссертации представлен обзор литературы по телеизмерительным системам контроля забойных процессов с различными каналами связи "забой -устье" в ходе проводки скважин. Приведен анализ систем с использованием акустического (по колонне .бурильных труб) и гидравлического каналов связи (по столбу ПЖ) разработанных и эксплуатируемых к настоящему времени в нашей стране и за рубежом.

В связи с переходом проводки нефтяных и газовых скважин в сложные геолого -технические условия (бурение глубокихсверхглубоких, наклонно -направленных скважин, бурение в районах со сложным геологическим строением на шельфе, на море) стала актуальной проблема оснащения процесса бурения комплексами автоматизированных систем контроля и регулирования.: . ■ • 4

В последнее время активно ведутся работы по созданию телеметрических систем измерения забойных параметров в процессе бурения с широким набором контрольно -измерительной аппаратуры и каналов связи забоя с дневной поверхность*?.

Для удобства анализа телеметрические системы исследования подразделены на две группы;

системы пассивного действия -основаны на регистрации, сборе и обработке пассивной информации в виде колебаний и шумов, вызванных взаимодействием породораэрушающего инструмента с породой и распространяющихся по различным каналам

связи на дневную поверхность.

- системы активного действия - предполагают наличие активных элементов и узлов, включающих в себя забойный излучатель, комплекс забойных датчиков, источник электроэнергии, размещающихся в непосредственной близости от забоя.

Анализ существующих каналов связи забоя с устьем скважины показал, что наиболее перспективным в смысле надежности и экономичности является гидравлический канал связи, так как системы, использующие этот канал наиболее просто и естественно вписываются в технологию бурения, конструкцию скважин и буровых установок.

К наиболее известным теоретическим и экспериментальным исследованиям гидравлического канала связи следует отнести работы Грачева Ю.В., Варламова В.П., Молчанова A.A., Михайловского В.Н. В них рассматривается особенность передачи забойной информации на поверхность по столбу ПЖ в виде волн упругих колебаний. Приводятся результаты исследований информационно -шумовых характеристик гидравлического канала связи.

Исследовательские работы в этом направлении сопровождались с созданием разнообразных методов и аппаратуры получения геолого -технологической информации в процессе бурения по гидравлическому каналу связи.

Из пассивных методов с использованием гидравлического канала сеяэи заслуживает внимание метод диагностирования турбобура и долота в процессе бурения по колебаниям давления ПЖ без использования какой-либо забойной аппаратуры. Метод основан на исследовании формы кривых спектра колебаний давления промывочной жидкости в зависимости от изменения технического состояния системы "турбобур -долото".

Более эффективны телеметрические системы с гидравлическим каналом связи активного действия, и поэтому они нашли наибольшее развитие, в данных системах переносчиками информации с.забоя на поверхность являются импульсы давления, создаваемые с помощью модулирующего клапана на забое и распространяющиеся по естественной линии связи -столбу ПЖ. Эти системы не требуют дополнительных подготовительных операций, хорошо вписываются в

технологию бурения .

В создании активных телеметрических систем с гидравлическим каналом связи наибольших успехов добились такие фирмы, как Teleko, Sperry Sun, Gearhart Own, Anadrill и другие.

Анализ современного состояния аппаратуры и методов показал отсутствие исследовательских работ, направленных на одновременное комплексное использование гидравлического и акустического каналов связи для получения пассивной забойной информации. Для повышения информативности данных каналов необходимо привлечение спектрально -корреляционных методов анализа, которые позволяют практически полностью описать сигнал и оценить его амплитудные, частотные и фазовые характеристики.

Далее, на основании анализа работ в данной области, определены основные направления и задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке и анализу математической модели гидравлического канала связи. Здесь дается теоретическая оценка передаточных характеристик •гидравлического канала при широком изменении параметров и свойств отдельных составных частей линии связи (изменение частоты и амплитуды забойного сигнала, вариации длины колонны или УБТ, плотности и вязкости ПЖ).

Разработка математической модели гидравлического канала связи является важной и актуальной задачей-, ■ так как она позволяет воссоздать реальный процесс на ЭВМ и математически описать поведение и характеристики канала. А это, в свою очередь, способствует выбору наиболее оптимальных параметров систем с гидравлическим каналом на начальном этапе без дорогостоящих экспериментальных работ.

В работе приводится упрощенная физическая модель гидравлического канала связи в виде абсолютно твердой и не теплопрово-дящей трубы постоянного поперечного сечения, которая заполнена упруго-вязкой жидкостью, а также рассмотрены законы и уравнения распространения гидроакустических волн в данной системе. Показано, что распространение гидроакустической волны в такой трубе описывается уравнением:

. /■ >и

РЫ + Г« # = Ж ГДе <Х> .-04

Р -плотность жидкости;

П -коэффициент трения между жидкостью ,и трубой;, .. X -коэффициент обьемной упругости. - .,

Решение данного уравнения имеет вид: •

4 : \ (2); : .

Величина ^ = р + ¿Ы. носит название постоянной распрост^не-ния, коэффициент _/? характеризует ослабление амплитуды, , волны на единицу длины пути и называется коэффициентом затухания.

Расчеты показывают,- что для волн с-частотой £ равной 1 Гц коэффициент затухания в трубе с диаметром 15 см. равен 1,6.Ю3, а для частоты 10 Гц- £ = 4,8 1О ^ . -

Эти результаты достаточно хоро.шо согласуются с литературными данными. - .

В данной главе для исследования передаточных характеристик гидравлической линии предложена эквивалентная электрическая модель гидравлического канала связи .в виде длинной электрической цепи с распределенными параметрами. Каждое звено;тракта передачи гидравлической волны ( турбобур, бурильные „трубы, грязевой шланг, нагнетательный насос и т.д.) предстаЬлено в электрической модели в виде цепей,.состоящих из емкостей, индуктив-ностей и сопротивлений. Каждое звено длинной электрической цепи отражает демпфирующие свойства отдельных элементов гидравлической линии, их частотные резонансные характеристики, вносимое затухание и инерционность реакции.

Данная электрическая модель математически описывается системой из 7 линейных уравнений, составленных по методу контурных токов, которая в .матричном виде выглядит следующим образом:

Ш * [1]=[Е] (3)

где [I] - вектор столбец контурных токов, [Е] - вектор столбец контурных ЭДС, [й] - матрица контурных сопротивлений.

Решив эту систему уравнений методом Гаусса, находим соответствующие контурные токи II, 12, ...17 и напряжения на узловых точках электрической . цепи. Ток в цепи характеризует

расход промывочной жидкости в гидравлической линии, а напряжение -падение давления в соответствующем эвене. Следовательно, зная законы изменения напряжений и токов в электрической цепи от значений отдельных элементов цепи (емкостей, сопротивлений и индуктивностей) можно исследовать, как влияет изменение параметров гидравлической линии (плотности и вязкости бурового растБора, массы и упругости бурильной колонны и т.п.) на величину давления и расхода.

На основании расчетных данных были составлены серии графиков, из которых следует, что на информационно-шумовые характеристики гидравлической линии связи наиболее сильное влияние оказывает нагнетательный насос. Интенсивность насосных помех на порядок выше, чек информативные сигналы по линии связи. Поэтому при создании телеметрических систем с гидравлическим каналом связи первоочередную роль играет создание эффективных средств фильтрации и подавления насосных помех.

В третьей главе приводятся результаты экспериментально -исследовательских работ. Описываются принципы построения и работа основных узлов аппаратурно -исследовательского комплекса. Приводятся результаты экспериментальных исследований на бурящихся скважинах, и описывается методика их проведения. Дается оценка реальной информативности и анализ результатов, полученных по гидравлическому каналу связи.

При разработке аппаратурного комплекса ставилась задача получения максимальной и неискаженной забойной информации по гидравлическому каналу связи, и их дальнейшей обработки в комплексе с другими параметрами бурения.

Разработанный аппаратурный комплекс включал в себя:

- первичные преобразователи, размещаемые на буровой;

- приемно -регистрирующую и обрабатывающую аппаратуру;

- забойные излучатели гидроимпульсов.

Наиболее ответственной частью аппаратурного комплекса являются измерительные датчики. В качестве первичных преобразователей при разработке датчиков давления были использованы пьезокерамические и тензометрические преобразователи, которые характеризуются высокой чувствительностью и широким диапазоном

частот. В качестве преобразователей технологических параметров бурения использовался серийный комплекс датчиков ГТИ.

Приемно -регистрирующая и обрабатывающая часть аппаратурного комплекса состоит из следующих составляющих:

- Специализированный прибор для предварительного усиления, фильтрации и обработки исследуемого сигнала -"Audio Drill Filtr" (ADF).

- Комбинированная аппаратура для спектрального и корреляционного анализа исследуемых сигналов -"Вибротест -2".

- Вычислительно -программный комплекс, включающий в себя IBM совместимый микроэвм с универсальным модулем сопряжения с датчиками (УМС).

Исследуемые гидравлические сигналы с первичных преобразователей поступали на входа прибора ADF, где отфильтровывались от неинформативных помех и усиливались до уровня, достаточного для их дальнейшей обработки. В последующем предварительно отфильтрованные и усиленные гидравлические сигналы в зависимости от решаемых задач могли анализироваться с помощью комбинированной аппаратуры спектрально -корреляционного анализа "Вибротест -2", или подаваться через модуль УМС в вычислительно -программный комплекс для дальнейшей обработки и анализа на программном уровне. Через модуль УИС к МикроЭВМ подключены также сигналы с датчиков технологических параметров. Регистрация и документирование результатов анализа осуществляется в виде графиков, таблиц и диаграмм в масштабе времени или глубины.

Далее в главе описаны конструктивные особенности и результаты испытаний забойных модуляторов потока промывочной жидкости.

Забойный модулятор состоит из статора и ротора. Ротор играет роль клапана, т.к. вращаясь одновременно с валом турбобура, периодически перекрывает поток ПЖ и создает положительные импульсы давления. В ходе исследований были разработаны, изготовлены и испытаны несколько типов забойных передатчиков. Наибольшую надежность в работе при сравнительно простой конструкции имели передатчики с открытой опорой и приводом от вала турбобура.

Экспериментально-исследовательские работы проводились преимущественно на бурящихся скважинах Уфимского и Бирского УБР и на учебной буровой Уфимского УБР. Большое внимание было уделено изучению информационно - шумовых характеристик гидравлического канала связи, а также анализу формы сигналов, спектрального состава, фазо-частотных характеристик пульсаций ПЖ бурящихся скважин при различных технологических режимах бурения. Сигналы гидравлических пульсаций одновременно регистрировались на разных точках гидравлической линии.

Исследования показали, что максимальная величина амплитуды пульсаций не превышает (1,5 - 2) МПа, что составляет примерно 20% от среднего давления на манифольде. Причем пульсации на манифольде в 1,5-2 раза выше пульсации давления на стояке, что объясняется наличием компенсаторов, эффективно гасящих насосные помехи в гидравлической линии.

Выявлено, что спектральный состав пульсаций, полученный на разных скважинах, относительно постоянен. На спектральных диаграммах в пассивном режиме, как правило, наблюдаются 2 характерные гармоники. Первая гармоника определяется частотой возвратно -поступательного движения поршней насоса и равна 1-2 Гц. Вклад этой гармоники в суммарную мощность пульсаций в гидравлической линии при исправной работе компенсатора давления составляет от 40 до 50%. Вторая гармоника имеет частоту 7-9 Гц и составляет 20-30% от суммарных помех. Другие частотные составляющие были вызваны турбулентностью потока ПЖ и не отличались повторяемостью. Полоса частот, занятая гидравлическими шумами от работы поршней и клапанов насоса, ограничивается частотами от 1 до 12 Гц. -

Второй этап экспериментальных работ был направлен на исследование особенностей распространения и передачи гидравлических импульсов по столбу ПЖ в диапазоне частот выше 12 Гц с использованием забойного модулятора. Забойный модулятор создавал импульсы давления с амплитудой 0,25 - 0,3 МПа, которые при холостом режиме турбобура легко регистрировались на поверхности до глубины 1500 -1800 метров. В режиме бурения, из-за повышения уровня шумов и резкого снижения оборотов турбобура, обнаружить

сигнал с забойного излучателя при глубине забоя более 1000 м без специальных аппаратно -программных средств уже невозможно.

По результатам исследований на 6 скважинах установлено,что затухание импульса давления в скважине на 1000 м составляет■

-(1.8 -2) раз для технической воды при частоте импульсов с модулятора (16-19) Гц;

-(2,5 -3) раз для технической воды при частоте импульсов • (24 -28) Гц;

-(2 -2,4) раз для бурового раствора с плотностью J> =1,16 г/см' при частоте импульсов (16 -19) Гц.

Эти результаты хорошо согласуются с расчетными, полученными в предыдущей главе и литературными данными, приведенными в других источниках.

Наряду со спектральным анализом, эффективным инструментом выделения информативных импульсов давления на фоне помех является метод корреляционного анализа. В ходе экспериментов были опробованы несколько оригинальных вариантов реализации этого метода, которые защищены авторскими свидетельствами .

В первом случае гидравлический сигнал, предварительно отфильтрованный от низкочастотных и высокочастотных помех, поступает на один из входов коррелятора. На другой его вход поступает тот же сигнал, но через управляемую линию задержки, величина временного сдвига которой задается внешней управляемой частотой [ 2 ]. В корреляторе производится вычисление авто-корреляционной функции (АКФ) K(t, Г ) гидросигнала. При линейно изменяющемся временном сдвиге г (t) видимый период (частота) вариации АКФ по оси Г будет соответствовать преобладающему периоду (частоте) исследуемого сигнала в реальном времени. Иными словами, частота повторения максимума авто-корреляционной функции по оси временной задержки равна преобладающей частоте сигнала.

Основным преимуществом данного способа является то, что на авто-корреляционной диаграмме проявляются только детерминированные составляющие гидросигнала, а случайные помехи и одиночные скачки давления коррелометром "игнорируются".

Во втором случае в корреляционном анализаторе . в реальном

врамени вычислялась функция взаимной корреляции (ФВК) между отфильтрованным в полосе гидросигналом и опорным сигналом, вырабатываемым генератором опорных частот [ 3 ]. Временной сдвиг между ними, как и в предыдущей случае, осуществляется управляемой линией задержки. Для каждого значения частоты опорного сигнала вычисляется ФВК. При совпадении частоты опорного сигнала с частотой импульсов подулятора, зависимость ФВК от ? становится квазигармонической, при этом наблюдается также некоторое увеличение амплитуды ФВК (рис.1).

Гген,- Нгц.

ГгЕМ... КГЦ.

Гген.= Шгц.

^м.™ 20гц.

1>сн.». 22гц.

{гсн.= 24гц.

Рис.1. Выделение частоты вращения вала турбобура по диаграммам ФВК.

Изображенные на рис.1 диаграммы были получены на скв. N219 Иглинской площади. Бурение велось турбобуром А7 ГТШ, глубина забоя составляла 1500 м. При частоте опорного генератора 18 Гц на диаграмме ФВК наблюдается максимальная корреляция между двумя сигналами. Следовательно, частота импульсов с модулятора также равна 18 Гц, что для использованной конструкции ротора забойноко модулятора соответствовала оборотам турбобура 9 об/с.

Анализ показал, что наиболее информативным является трех-

мерное представление спектрально корреляционных диаграмм, которое очень точно отражает динамику взаимодействия породора-зрушающего инструмента с породой и несет ценнейшую информацию, которая может быть использована для выбора наиболее оптимальных режимов бурения. В работе приведены конкретные скважинныё материалы, подтверждающие это предположение.

Таким образом, спектральный и корреляционный анализ пульсаций ПЖ в реальном масштабе времени позволяет произвести оперативную оценку работы турбобура и долота и оценить характер их взаимодействия с породой в процессе бурения.

Четвертая глава посвящена описанию конкретных способов использования спектрально -корреляционных исследований пульсаций ПЖ и вибрации колонны для получения геолого -геофизической и технологической информации в процессе бурения.

Предложен метод низкочастотного спектрального каротажа по давлению, применяемый для оперативного определения моментов вскрытия кровли и подошвы пород коллекторов и проницаемых пластов. Показано, что при вскрытии проницаемых пластов дифференциальное давление в -поддолотном пространстве подвергается низкочастотным пульсациям, вызванным нарушением равновесия в системе "скважина -пласт". Экспериментально определено, что частота этих пульсаций составляет (0,1 - 1) Гц.

На рис. 2 приведен пример реализации этого метода на скважине N 5116 Ново-Узыбашевской площади. В интервалах 1977-1981 м, представленных трещиноватыми известняками, и 1986 -1989 м, с ярко выраженными коллекторскими свойствами, на спектральных диаграммах наблюдаются пики на частотах (0,4 - 0,7) Гц, которые хорошо коррелируются с диаграммой НГК.

В этой же главе предложена и описана методика выбора оптимальных режимов¡прй бурении с винтовыми двигателями. Предложенный метод позволяет осуществить равномерную подачу инструмента, поддерживая наиболее оптимальную нагрузку на долото, обеспечивающую эффективную работу как самого двигателя, так и долота. ' Кроме этого, предложен критерий оценки технического состояния и степени выработанности ресурса работы объемного двигателя на забое. Приведен алгоритм, реализующий этот метод.

Рис.2 Сводная диаграмма спектральных, геофизических и технологических исследований.

Наиболее интересные результаты получены при комплексиро-вании результатов гидравлических и виброакустических исследований. Информации, получаемые одновременно по двум независимым каналам, значительно дополняют друг друга и позволяют решить качественно новые задачи, которые невозможно решить при использовании их по отдельности.

К этим задачам относится оперативная оптимизация режимов турбинного бурения, когда по гидравлическому каналу контролируется скорость вращения долота, а по виброакустическому каналу по диаграммам ФВК продольных и тангенциальных составляющих колебаний оценивается эффективность взаимодействия долота с породой. Суть методики состоит в том, что дискретно увеличивая нагрузку на долото,добиваются наилучшего взаимодействия долота с породой при оптимальных оборотах вала турбобура по критерию максимума механической скорости.

Большую практическую ценность имеет метод определения местоположения точек взаимодействия бурильной колонны со стенкой скважины. При роторном способе бурения в колонне всегда есть места активного трения со стенкой скважины, из-за чего колонна может быстро разрушится. В настоящее время нет методики однозначного определения местоположения таких точек. Пред-•ложенный метод основан на различии скоростей распространения продольных (Бр) и крутильных (Б1:) колебаний, генерируемых долотом, или виртуальным источником -точкой взаимодействия колонны со стенкой скважины. По взаимо -корреляционной функции этих двух компонент вибрации определяется глубина расположения источников.

Другими, не менее важными задачами, решаемыми путем комбинирования виброакустических и гидравлических методов, являются:

1. Определение технологических аномалий на забое, связанных с заклиниванием шарошек и износом опор долота;

2. Определение степени изношенности вооружения долота;

3. Расчленение пород по физико-механическим свойствам;

закдючение

В ходе исследований, проведенных по теме диссертации были получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель гидравлического канала связи. Проведен сравнительный анализ результатов исследования информационных характеристик гидравлического канала связи, полученных путем математического моделирования с данными, полученными экспериментальным путем. Сопоставление этих результатов показало, что упрощенная модель гидравлического канала связи в виде линейной электрической цепи с распределенными параметрами достаточно точно отражает существенные признаки реального канала и позволяет рассчитать передаточные параметры канала аналитически на ЭВМ. Предложенная модель позволяет также оценить влияние на передаточные характеристики канала отдельных составных элементов гидравлической линии (УБТ, СБТ, турбобур и т.д.).

2. Разработан и изготовлен экспериментально - исследовательский комплекс наземной приемной и забойной передающей аппаратуры для исследования информационных характеристик гидравлического канала связи, а также показана возможность использования данного комплекса для получения забойной информации по гидравлическому каналу связи.

3. Экспериментально исследованы шумовые и информационные характеристики гидравлического канала связи и определены основные факторы, влияющие на величину затухания гидравлических импульсов, передающихся по столбу промывочной жидкости. Предложены алгоритмы и аппаратные средства для помехоустойчивого приема забойных гидроимпульсов. Предложены методы подавления наземных помех в гидравлическом сигнале, позволяющие в реальном времени выделить из сигнала неинформативные частотные составляющие наземного происхождения (обусловленные работой буровых насосов, вибрацией оборудования и т. д.).

4. Показано, что в моменты вскрытия кровли и подошвы проницаемых пластов в поддолотном пространстве возникают низкочастотные колебания давления промывочной жидкости. На основе

этого явления предложен способ оперативного определения момента вскрытия пласта коллектора по спектрально - корреляционному анализу пульсаций промывочной жидкости в инфранизком диапазоне (О - 1) Гц.

5. Разработана методика выбора оптимальных режимов при бурении объемными (винтовыми) забойными двигателями. Предложенный метод позволяет осуществить равномерную подачу инструмента, поддерживая наиболее оптимальную нагрузку на долото, обеспечивающую эффективную работу как самого двигателя, так и долота. Кроме этого, предложен критерий оценки технического состояния

и степени выработанности ресурса работы объемного двигателя на забое.

6. Опробованы и предложены нетрадиционные методы получения геолого -технологической, информации по одновременному спектрально -корреляционному анализу сигналов пульсаций бурового раствора и вибраций верха бурильной колонны. Предложен метод оптимизации режима турбинного бурения по взаимной коррелиро-ванности продольных и тангенциальных составляющих вибрации бурильной колонны.

Основные положения диссертации изложены в следующих печатных работах:

1Устройство для контроля процесса бурения. -Авт. свид.

СССР N1492032 от 8 марта 1989г., опубл. в БИ N25, 1989г.

»

(соавторы: Дубинский В.Ш.и Рукавицын В.Н.).

2. Устройство для исследования скважин в процессе бурения. -Авт. свид. СССР N154725 от 1 ноября 1989г., с грифом "ДСП", (соавторы: Дубинский В.Ш.и Рукавицын В.Н.).

3. Устройство для контроля частоты вращения турбобура. -Авт. свид. СССР N 1719627 от 28 июня 1990г. (соавторы: Дубинский В.Ш.и Рукавицын В.Н.).

4. Устройство для измерения глубины скважины в процессе бурения. -Авт. свид, СССР N 1615350 от б декабря 1988г. (соавторы: Дубинский В.Ш.и Рукавицын В.Н.).

5. Устройство для измерения глубины скважины в процессе бурения. -Авт. свид. СССР N 1721226 от 5 февраля 1990г. (соав-

торы: Дубинский В.Ш.и Дудников В.И. и др.).

6. Устройство для измерения глубины скважины в процессе бурения. -Патент на изобретение N 1810519 от 11 апреля 1991г. (соавторы: Дудников В.И. и др.).

7. Устройство для контроля параметров бурения. Патент на изобретение N 93010787/03(010759), полож. реш. от 4 мая 1994г.

.8.. Применение сигнальных процессоров для оперативного спектрально-корреляционного анализа виброакустических сигналов в верхней части бурильной колонны. -ИС ВНИИ0ЭНГ, М., Автоматизация и телемеханизация в нефтяной промышленности., вып.12, 1989г. (соавторы: Дубинский В.Ш.и Рукавицын В.Н.).

9. Микропроцессорная подсистема предварительного сбора и обработки технологической информации в процессе бурения скважин. -В кн.: Геофизические исследования в процессе бурения и испытания скважин. Труды ВНИИНПГ, вып.19, Уфа, 1989г., 54-61с. (соавторы:Дубинский В.Ш., Дудников В.И. и др.).

10. Выбор оптимальных нагрузок при бурении винтовыми забойными двигателями. -ИС ВНИИОЭНГ, М., Нефтегазовая геология и геофизика, вып.12, 1989г. (соавторы: Рукавицын В.Н. и др.).

11. Методические и аппаратурные аспекты комплексной обработки данных геолого-технологических и акустических исследований скважин в процессе бурения. -В кн.: Проблемы разработки нефтяных месторождений. Тез. докл. республ. науч.-практ. конференции, БашНИПЙнефть, Уфа, 1986г., 42с. (соавторы: Дубинский В.Ш. и др.).

12. Аппаратура для проведения геоакустических исследований скважин в процессе бурения в комплексе геолого-геофизических и технологических исследований. -В кн.: Пути повышения эффективности научно-технического творчества молодежи /тез. докл./, Уфа, 1986г., 44с.(соавторы:Дубинский В.Ш. и Ильин В.П.).

13. Блок для оперативного исследования виброакустического сигнала в верхней части бурильной колонны. -В кн.: Разработка аппаратуры для промыслово-геофиэических и геолого-технологических исследований на нефтегазовых месторождениях Западной Сибири. Сборник тез. докл. обл. научно практической конференции, Тюмень, 1987г., 91-93с. (соавторы: Дубинский В.Ш.

и Рукавицын В.Н.).

14. технические средства и методические возможности применения виброакустического каротажа в процессе бурения. -В кн.: Состояние и перспективы геолого-геофизических и технологических исследований проводимых в процессе бурения скважин. Сборник тез. докл. обл. научно-практической конференции, Тюмень, 1987г., 91-9Зс. (соавторы: Дубинский В.Ш.и Рукавицын В.Н.).

15. Аппаратура и методика обработки забойной информации на основе использования гидроакустического канала связи. -В кн.: Геолого-технологические исследования в процессе бурения нефтегазовых скважин. Сб. тезисов докл. Всесоюзной школы передового опыта, Тверь, 1990г.(соавторы: Дубинский В.Ш. и др.)

16. Разработка оптимального канала передачи информации от буровой до аппаратурного комплекса. -В кн.: Проблемы разработки нефтяных месторождений. Тез. докл. республ. н-п конференции, БашНИИПИнефть, Уфа, 1988г. (соавторы: Айдагулов Ш,<5>. и др.).

17. Результаты исследования информационных характеристик гидравлического канала связи. -В кн.: Геолого-технологические исследования в процессе бурения нефтегазовых скважин. Сб. тезисов докл. Всесоюзной школы передового опыта, Тверь, 1990г. (соавторы: Рукавицын В.Н. и др.).

18. Повышение информативности выделения продуктивных пластов -коллекторов в процессе бурения нефтяных и газовых скважин. -ИС ВНИИОЭНГ, М., Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. N 9-12, 1993г. с. 13-15. (соавторы: Аманжаров Н.К. и др.).