Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка автономного комплекса для каротажа в наклонно-горизонтальных скважинах как единой информационно-измерительной системы

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Разработка автономного комплекса для каротажа в наклонно-горизонтальных скважинах как единой информационно-измерительной системы"

На правах рукописи

ПЕТРОВ Андрей Николаевич

РАЗРАБОТКА АВТОНОМНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ КАРОТАЖА В НАКЛОННО-ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИНАХ КАК ЕДИНОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 2013

005547408

005547408

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук (ИНГГ СО РАН). Научный руководитель:

кандидат технических наук Ерёмин Виктор Николаевич Официальные оппоненты:

Черменский Владимир Германович, доктор технических наук, ООО «НПП Энергия», г. Москва, генеральный директор. Балашов Борис Петрович, доктор технических наук, ООО «НТК ЗаВеТ-ГЕО», г. Новосибирск, исполнительный директор.

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья» (СНИИГГиМС), г. Новосибирск.

Защита состоится 27 февраля 2014 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 003.068.03 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, в конференц-зале.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу:

630090, Новосибирск, пр-т Акад. Коптюга, 3, ИНГГ СО РАН; Факс: (383) 333-25-13, 330-28-07; E-mail: NevedrovaNN@ipgg.sbras.ru/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНГГ СО

РАН.

Автореферат разослан 25 декабря 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.г.-м.н., доцент рова

Н. Н. Невед-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования - аппаратурное обеспечение комплексного каротажа горизонтальных нефтяных скважин (включая боковые стволы) на предмет разработки автономного комплекса как единой информационно-измерительной системы (ИИС).

Актуальность разработки определяется отсутствием аппаратуры Российского производства, обеспечивающей каротаж в горизонтальных и сильно наклонных скважинах (с зенитным углом более 55°) всеми требуемыми методами (включая электрические методы бокового каротажа (БК) и бокового каротажного зондирования(ЛЖЗ)) за один спуско-подъём, а также интересом сервисных геофизических компаний к такой аппаратуре.

Цель исследования — повысить информативность и достоверность каротажа в горизонтальных нефтяных скважинах путём разработки на основе теории систем комплексной автономной аппаратуры как сложной распределённой микропроцессорной измерительной системы, имеющей электрические и информационные связи между модулями.

Решаемые научные задачи:

1. Научно обосновать и разработать схему автономного каротажного комплекса для измерения всех требуемых геофизических параметров в нефтяных и газовых наклонно-горизонтальных скважинах при минимальной длине зондовой части комплекса за счет объединения модулей информационными связями и электропитанием.

2. Создать новые модификации автономного прибора высокочастотного электромагнитного каротажного зондирования (ВЭМКЗ) на основе кабельного прибора ВИКИЗ для увеличения числа измеряемых параметров.

Теория, методы исследования, аппаратура

В основу проектирования автономного комплекса положена теория информационно-измерительных систем (в том числе - распределённых микропроцессорных систем). Для оценки надежности комплекса, вероятностей отказа и оптимизации структурной схемы также использовался математический аппарат теории вероятностей.

Разработка аппаратуры включала схемотехническое проектирование комплекса и отдельных электронных узлов, программирование микро-

контроллеров с использованием языков ассемблера и Си. При разработке аналоговых электронных схем применялось компьютерное моделирование. При расчёте параметров шины комплекса использовался математический аппарат теории передачи по линиям связи, включая решение линейных дифференциальных уравнений, а также использовалось моделирование электрического поля методом конечных элементов.

Отработка конструктивных узлов и модулей комплекса потребовала проведения обязательных стендовых испытаний, прежде всего - температурных, а также термобарометрических испытаний корпусов и стыковочных узлов, а проверка механической прочности - испытаний на ударной установке. Стендовые испытания на ударной установке проводились только на опытных образцах модулей, в частности при создании модуля гамма-каротажа и резистивиметра (МГКР') и модуля памяти и питания (МПП) при разработке амортизаторов для узлов, содержащих кристаллы и фотоэлектронные умножители для подсчета гамма-квантов. В соответствии с ГОСТ 26116-84 модуль подвергался ударным нагрузкам с ускорением до 15 g.

Обязательными же для всех модулей были гидростатические и температурные испытания. Температурные испытания модулей проводились в специальных термоустановках. Измерительные модули испытывались до температуры 125 или 150°С (в зависимости от варианта исполнения), модуль памяти и питания (с учетом наличия в нём аккумуляторов) - до 90 либо до 150°С (при использовании литиевой батареи). При максимальной температуре каждый модуль (без силового корпуса) выдерживался не менее 2 часов, после чего определялся температурный уход характеристик.

Гидростатическим испытаниям подвергались корпусы всех модулей (с одновременным нагревом до 125 - 150 °С). Всего было проведено более тысячи температурных и гидростатических испытаний в процессе отработки конструкции и процессе серийного производства автономных модулей.

Также обязательным для всех выпускаемых измерительных модулей было проведение первичной и периодической метрологической поверки. Модули ВЭМКЗ поверялись с помощью образцового набора мер импеданса ИМ-1, изготовленного в Новосибирском центре стандартизации и метрологии и зарегистрированного в государственном реестре средств измерений РФ. Кроме этого, все модули ВЭМКЗ проходили испытания в баке, заполненном солевым раствором с УЭС 1 Ом-м, в Институте нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН. Для доказательства достоверности измерений в высокоомной области (до 200 Ом-м) были проведены аналогичные испытания на Телецком озере.

Калибровка каждого из двух гамма-каналов измерительных модулей (МГКР) проводилась с использованием комплекта калибровочных устройств КУ-СГК (ВНИИЯГ). Калибровка резистивиметров этого же модуля проводилась в 5 различных по УЭС образцовых растворах, контролируемых кондуктометром АНИОН-7020. Поверка термометров также выполнялась для всех выпущенных модулей в термостате ТР-1М с использованием теплоносителя - полиметилсилоксановой жидкости марки ПМС-100.

При скважинных испытаниях, которым подвергались все модификации комплексов «АЛМАЗ» и «СКЛ-А», и последующем внедрении в промысловую геофизику были получены тысячи каротажных диаграмм, по результатам анализа которых с высокой степенью достоверности определялись нефтяные пласты и осуществлялась проводка ГС. Разработки вызвали большой интерес у геофизиков-нефтяников и были востребованы сервисными компаниями, такими как ОАО «Нижневартовскнефтегеофизи-ка», тресте «Сургутнефтегеофизика», ОАО «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегаз-геофизика». С использованием разработанной аппаратуры выполнены тысячи каротажей.

Защищаемые научные результаты:

1. Обоснованы и разработаны структурные схемы автономных каротажных комплексов «АЛМАЗ» и «СКЛ-А» для нефтяных и газовых наклонно-горизонтальных скважин.

2. Разработан автономный модуль ВЭМКЗ путем увеличения количества зондов за счет добавления второго изопараметрического ряда.

Научная новизна технических решений. Личный вклад

Научно обоснована, разработана структурная схема комплекса, обоснован выбор интерфейсов и их характеристик для объединения отдельных модулей в единую систему. Обоснована необходимость резервирования модулей памяти и питания для повышения надёжности работы комплекса. Разработан протокол обмена. Рассчитаны параметры системной шины.

Обоснована конструктивная компоновка модулей, позволяющая оптимально интегрировать металлические и диэлектрические детали корпусов при построении приборов бокового каротажного зондирования и бокового каротажа для обеспечения требуемых измерительных баз при укороченной общей длине зондовой части комплекса, что минимизирует необследованную зону у забоя горизонтальной скважины.

Разработан модуль высокочастотного электромагнитного каротажного зондирования (ВЭМКЗ) на базе прибора высокочастотного индукционного каротажного изопараметрического зондирования (ВИКИЗ) путем добавления второго изопараметрического ряда зондов, что позволило увеличить разрешающую способность по радиальной глубинности. Лично соискателем разработаны принципиальные электрические схемы модуля, подготовлена и отлажена программа микроконтроллера, входящего в состав модуля, проведены испытания в лабораторных условиях и в эксплуатационных скважинах на месторождениях нефти и газа Среднего Приобья.

Практическая значимость результатов

На базе разработанных структурных схем созданы автономные комплексы «АЛМАЗ-1», «АЛМАЗ-2», «СКЛ-А», которые серийно производятся в Научно-производственном предприятии геофизической аппаратуры «Луч» начиная с 2001 года. В ряде случаев использование данных комплексов не имеет реальной альтернативы (например, там, где требуется малогабаритность аппаратуры при достаточной информативности измеряемых параметров — во вторых стволах диаметром 5 или 6 дюймов).

На данный момент произведены и используются сервисными компаниями следующие комплексы:

- ВЭМКЗ-9А и «АЛМАЗ-1» - 45 комплексов;

-«АЛМАЗ-2» - 43 комплекса;

- «АЛМАЗ-2М» (модифицированный) - 4 комплекса;

-«АЛМАЗ-2И» (с инклинометром) - 4 комплекса;

-«АЛМАЗ-2Т» (высокотемпературный - до 150°С) — 2 комплекса;

-СКЛ-А - 3 комплекса;

-СКЛ-А- 160 - 2 комплекса.

В состав комплекса «СКЛ-А» входят единый МПП и десять измерительных модулей. Это, во-первых, максимально упрощает работу с комплексом, поскольку перед каротажем программируется только один МПП и все данные привязаны к единым часам, во-вторых, уменьшает длину комплекса и позволяет обследовать скважину до забоя практически всеми методами, реализованными в аппаратуре (самая дальняя точка записи в комплексе «СКЛ-А» при разгрузке на забой будет находиться на расстоянии всего лишь 17 м от забоя).

Кроме этого, значительно упрощается процедура технического обслуживания комплекса, поскольку считывание информации, зарядку аккумулятора необходимо проводить всего лишь только для одного модуля.

При этом обеспечена высокая живучесть всей системы в целом, поскольку в аварийных ситуациях при разгерметизации одного из модулей буровой раствор не попадёт в остальные модули комплекса. Стыковочные узлы, выполненные из подобранных марок титана для трущихся пар, не боятся загрязнений и химически агрессивных буровых растворов, чем обеспечивается длительный срок службы аппаратуры. Специальная трапецеидальная резьба с крупным шагом обеспечивает достаточно простую процедуру сборки/разборки непосредственно на мостках даже при сильном загрязнении поверхностей.

Разработанные комплексы обеспечивают измерение большого количества (более 50) разнородных по физической сути параметров. Они позволяют определять, насколько точно была проведена горизонтальная скважина относительно продуктивного пласта, и корректировать её положение при проведении промежуточных каротажей в интервалах между бурениями. При всём этом решена задача минимизации аппаратурных затрат, что обеспечивает высокую надёжность работы. На основе полученных от аппаратуры данных строятся двумерные и трёхмерные геоэлектрические модели.

Малогабаритные комплексы диаметром 102 мм могут быть использованы при каротаже хвостовиков малого диаметра, разбуренных из скважин старого фонда. Такие работы по разбуриванию хвостовиков и боковых стволов проводятся в скважинах, которые выработали свой ресурс, и нефтедобыча из которых стала нерентабельной. Практика показывает, что разработанные автономные комплексы экономически выгодны: они окупают себя за 3-4 месяца эксплуатации.

Апробация работы и публикации

Материалы исследования докладывались на конференциях: Всеросс. научно — практической конф. «Геофизические исследования в нефтегазовых скважинах» (Новосибирск, 2011), XVII Научно - практической конф. «Новая техника и технологии для геофизических исследований скважин» (Уфа, 2011), XIX Научно - практической конф. «Новая техника и технологии для геофизических исследований скважин» (Уфа, 2013).

Выносимые на защиту результаты изложены в 6 публикациях, в том числе 1 патент и 3 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных перечнем ВАК(«Каротажник», «Бурение и нефть»).

Благодарности

В процессе работы автора поддерживали многие коллеги по НППГА «Луч», которым выражается искренняя признательность.

Автор особенно благодарен академику РАН, д.т.н. М.И. Эпову за доброжелательность, моральную поддержку и настойчивость, без которых работа не была бы завершена.

Неоценимую помощь при подготовке диссертации оказал д.т.н. И. Н. Ельцов.

Автор признателен к.т.н. В. Н. Еремину за научное руководство и практическую помощь в процессе подготовки работы.

Автор благодарен к.т.н. К. В. Сухоруковой за помощь в предоставлении диаграмм и интерпретации данных, записанных комплексом «СКЛ-А».

Автор выражает благодарность В. И. Самойловой за консультации и рекомендации по оформлению диссертации.

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения, содержит 172 страницы текста, в том числе 51 рисунок, библиографию из 96 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В гл. 1. «ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ПРИБОРОВ ДЛЯ КАРОТАЖА СУБГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН» даётся обзор известных методов и аппаратуры, предназначенных для исследования горизонтальных скважин (ГС). Задача проведения геофизических исследований в скважинах (ГИС) с зенитными углами более 55° решалась различными способами. Движение приборов за счет собственного веса в таких скважинах невозможно. На первых этапах создания технологии ГИС для таких скважин пытались решить эту задачу путём использования кабельной аппаратуры с различными движителями, например, трубами, находящимися в вертикальной или слабонаклонной части скважины, проталкивающими сква-жинный прибор или связку приборов в горизонтальную часть скважины. Также делались попытки спускать приборы на буровых трубах с пропусканием кабеля в затрубном пространстве. Данные технологии, такие как «Горизонталь» и её многочисленные модификации, имеют два существенных недостатка: высокая трудоёмкость работы и высокая аварийность за счёт обрыва каротажного кабеля.

Использование жёсткого кабеля или гибкой трубы с кабелем внутри (Coil-Tubing) оказалось применимым только в карбонатных разрезах. На месторождениях нефти и газа с терригенным разрезом протолкнуть таким способом приборы к забою ГС невозможно.

С появлением в конце прошлого века микросхем flash-пгмятя началась разработка автономной аппаратуры, запись информации производилась в энергонезависимую память, а электропитание производилось чаще всего от никель-кадмиевых аккумуляторов (в диапазоне температур до 85°С) или литиевых батарей (до 150°С). Спуск приборов происходил на буровых трубах. Уже разработанная на тот момент времени кабельная аппаратура дорабатывалась путём добавления модулей памяти и питания (МПП). Так, например, аппаратурно-методический комплекс (АМК) «Го-ризонт-90» был выполнен в виде трубы длиной 7720 мм и диаметром 90 мм, внутри которой находятся модули, реализующие радиоактивные и электрические методы каротажа, модуль инклинометра, а также модуль питания и модуль памяти. Реализовать при таком подходе полный комплекс методов, необходимых для исследования скважины, невозможно, поскольку при разумной длине трубы, удобной для транспортирования, электрические методы каротажа, требующие больших измерительных баз (боковое каротажное зондирование - БКЗ, боковой каротаж — БК) оказываются нереализуемыми. Используемый же в АМК «Горионт-90» метод кажущегося сопротивления (КС) с базами от 0,25 до 1,75 м неэффективен из-за малой глубинности исследования.

Объединение нескольких приборов, каждый их которых содержал МПП, осуществлялось путём их механической стыковки иногда с использованием карданных или шарнирных узлов, обеспечивающих прохождение связки приборов участков скважины с большой кривизной. При этом электрической или информационной связи между отдельными приборами не было. Сами приборы чаще всего помещались либо в радиопрозрачные контейнеры, либо в немагнитные трубы, например в ЛБТ (лёгкие буровые трубы из алюминиевого сплава), для обеспечения механической прочности. По такому принципу создавалась существующая аппаратура, в частности, такая, как аппаратурно-методический автономный комплекс (АМАК) «Обь».

Автономный комплекс «Каскад» выполнен в силовых корпусах без использования контейнеров, однако подход к проектированию аппаратуры остался такой же - механическое объединение приборов без объединения их проводами в единую систему. Поэтому для реализации методов БК и БКЗ в этом комплексе потребовалось использование длинных корпусов. Длина прибора БКЗ составляет 8,5 м, прибора 2БК315 - 6,5 м, суммарная

7

масса 465 кг. Однако даже при таких габаритах реализовать метод потенциал-зонда со стандартной базой 13 или 17 м невозможно.

В гл.2 «АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЁННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ И РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ КОМПЛЕКСА» обосновываются оптимальная структурная схема и технические решения для автономного комплекса. Автономные каротажные комплексы можно рассматривать как сложную распределённую микропроцессорную систему, состоящую из подсистем — измерительных модулей и модулей памяти. Принципиально различаются два подхода при проектировании таких комплексов.

Первый путь - построение комплекса из отдельных модулей, не связанных друг с другом электрически. Главное достоинство такого подхода — обеспечение живучести отдельных модулей в аварийных ситуациях, поскольку каждый из модулей находится в герметичном, изолированном от других модулей корпусе. Такие комплексы теоретически нельзя рассматривать как единую систему, поскольку отсутствует существенный признак системы — связи между отдельными элементами. Основные недостатки -большая аппаратурная избыточность, поскольку модулей памяти и питания требуется столько же, сколько и измерительных модулей, что приводит к удлинению комплекса на 30-50% , разнесение точек записи на большое расстояние, несинхронность записанной информации. В отличие от вертикальных или слабонаклонных скважин, горизонтальные скважины при геологически правильной проводке проходят по продуктивному пласту и не имеют зумпфа, куда можно было бы пропустить каротажный комплекс. Поэтому при достижении забоя нижним модулем связки остальные измерительные модули не запишут информацию в призабойной части скважины, таким образом образуется «мёртвая зона» от забоя скважины до точки записи верхнего измерительного модуля.

Второй путь - построение единой измерительной системы из нескольких измерительных модулей и одного модуля памяти и питания. Такая система получается оптимальной с точки зрения минимизации аппаратурных затрат и удобна в эксплуатации. Для реализации электрических методов (БК и БКЗ) необходимо так скомпоновать модули в связке, чтобы можно было использовать диэлектрические корпуса модулей индукционного каротажа (ИК и ВЭМКЗ) как изолирующие проставки, а металлические детали корпусов - как элементы электродной системы, что минимизирует длину комплекса и максимально сближает точки записи различных методов.

Наиболее оптимальным будет построение автономного комплекса в виде магистральной структуры, в которой роль командного цифрового яд-

8

ра системы выполняет МПП, а измерительные модули подключаются через стандартный последовательный интерфейс, реализующий алгоритм «запрос-ответ», при этом образуется распределённая многопроцессорная измерительная система [3]. Вариант построения автономного комплекса как единой информационно-измерительной системы (ИИС) с использованием гальванически-развязанного интерфейса Л$-485 представлен на рисунке 1.

Управляющим цифровым ядром комплекса является модуль памяти и питания, в состав которого входят микроконтроллер (MPU), энергонезависимая flash-иамтъ (EEPROM), часы реального времени (RTC). Через первый интерфейс МПП подключается к компьютеру, по второму осуществляется передача команд и получение данных от измерительных модулей. Каждый из измерительных модулей также содержит микроконтроллер, подключаемый к шине RS-485 через гальваническую развязку. Такая структура позволяет подключать любое требуемое количество модулей.

Оценка параметров линии связи проводится с учетом того, что на один отсчёт комплекса будет передаваться 122 байта информации. Кроме этого, для служебной информация (температуры внутри модулей, давления, всего 8 параметров) требуется 16 байт. Всего получается 138 байт данных на один отсчёт. Скорость передачи данных в битах/с определим по формуле:

V = K*B*n*N, (1)

где К - коэффициент, учитывающий служебные байты, В - количество бит для передачи одного байта (10 бит), п - число отсчетов в секунду, N - количество байт на один отсчёт.

9

Была принята скорость передачи из стандартного ряда скоростей, равная 115200 бит/с.

Значения основных параметров линии связи определялись путём решения телеграфного уравнения:

где и и I - напряжение и ток в линии,

Я, Ь, С - сопротивление, индуктивность и ёмкость линии, х - расстояние от начала линии, <а - круговая частота.

Решение уравнений (2) проводилось с учётом симметрии линии ЯБ-485 и при условии отсутствия утечек через изоляцию. Для расчёта паразитных ёмкостей использовалась программа моделирования электромагнитных задач ЕЬСиТ.

Для модуля волнового электрического сопротивления получено решение вида:

В гл. 3. «УСТРОЙСТВО АВТОНОМНОЙ АППАРАТУРЫ» описаны три варианта автономных комплексов: «АЛМАЗ-1», «АЛМАЗ-2» и СКЛ-А, а также практическая реализация модулей аппаратуры.

Комплекс «АЛМАЗ-1» разрабатывался для исследования скважин с горизонтальным завершением, бурящихся на нефть и газ. На начало разработки данного комплекса в 2000 г. в Западной Сибири велось интенсивное бурение вторых стволов из скважин старого фонда. Комплекс включал в себя модуль ВЭМКЗ, на нижнем конце которого был расположен электрод ПС [2]. Был разработан специальный МПП, который, кроме батареи питания и /¡аэИ-памяти, включал аппаратуру гамма-каротажа. Комплекс был рассчитан как на работу в контейнере диаметром 120 мм, так и в открытом стволе с использованием силового корпуса диаметром 102 мм. Для него была разработана наземная система определения текущей глубины комплекса, включающая преобразователь натяжения троса, преобразователь линейных перемещений талевого блока и интерфейсный блок.

Разработка комплекса «АЛМАЗ-2» началась в 2002 г., он был выполнен в корпусе диаметром 102 мм. Структура комплекса соответствовала радиальной схеме подключения: к одному МПП подключались по двум последовательным интерфейсам модуль ВЭМКЗ и модуль МГКР (модуль

(2)

|гв|4 = (ь/с)2 + (я/шС)2.

(3)

гамма-каротажа и резистивиметра) [4]. В дальнейшем были созданы несколько модификаций комплекса: «АЛМАЗ-2И», дополненный инклинометром с собственным питанием, и «АЛМАЗ-2Т» - высокотемпературный вариант с литиевой батареей питания.

Автономный комплекс «СКЛ-А» в наибольшей степени удовлетворяет всем требованиям, сформулированным в данной работе [5, 6]. Он разработан на основе интерфейса RS-485 и состоит из следующих модулей (рисунок 2):

- МПП - памяти и питания (в двух вариантах исполнения: с аккумуляторной и литиевой батареями);

- МАБ - аккумуляторной батареи;

- МРГК - резистивиметра и гамма-каротажа;

- ГГК-П - плотностного гамма-гамма-каротажа;

- ННКТ - двойного нейтрон-нейтронного каротажа на тепловых нейтронах;

- ИК - индукционного каротажа;

- БК - двойного бокового каротажа;

- ВЭМКЗ-20 - высокочастотного электромагнитного каротажного зондирования;

- БКЗ - бокового каротажного зондирования;

- МИ - инклинометра.

Для максимального сближения точек записи модули интегрированы между собой. Так, например, стеклопластиковые корпуса модулей ИК и ВЭМКЗ служат изолирующими проставками для методов БК и БКЗ, а металлический корпус модуля ВЭМКЗ используется как экранирующий электрод БК.

Модуль ВЭМКЗ был разработан специально для автономных комплексов на основе метода высокочастотного индукционного каротажного изопараметрического зондирования (ВИКИЗ) [1]. Принцип изопарамет-ричности включает две константы для зондовой системы, первая из них -это постоянство произведения:

Ь,- 2- £ = 3,5Т0б [м2 Гц] ,

(4)

где Ь; - длина зонда,

^ — рабочая частота.

Резистивиметр. датчик давления

Источник нейтронов

Удалённый электрод Му

АО

Э2

Подошвенные зонды

Э1 Э1

0,2М0.1 N Е -0.4M0.1Nt

1,0М0,-Ш

Муфта

Модуль памяти и питания

Модуль аккумуляторной батареи

Модуль РГК

Модуль ННКТ

Проставка ПК

Модуль ИК

Модуль БК

Модуль ВЭМКЗ

Проставка БКЗ

Модуль БКЗ

А Модуль

инклинометра

Рисунок 2 - Автономный комплекс СКЛ-А

Вторая характеристика - это геометрическое подобие зондов, определяемое следующим отношением:

В;/1^=0,2, (5)

где Вг - база зонда (расстояние между центрами приёмных катушек).

Длины зондов заданы в диапазоне от 0,5 до 2 м с шагом геометрической прогрессии л/2. В модуль ВЭМКЗ введены четыре дополнительных зонда, образующих второй изопараметрический ряд (рисунок 3), длина и глубинность которых заняли промежуточные значения между значениями основных зондов. Что же касается геометрического подобия (формула (5)), то отношение базы к длине для всех дополнительных зондов составляет 0,177.

Рисунок 3 - Основные и дополнительные зонды модуля высокочастотного электромагнитного каротажного зондирования (ВЭМКЗ)

Каротажная диаграмма, записанная комплексом СКЛ-А на одном из нефтяных месторождений Западной Сибири, представлена на рисунке 4. Для примера была взята горизонтальная скважина диаметром 124 мм, пробуренная на биополимерном растворе. Представлены как исходные пара-

метры (амплитудные и фазовые соотношения высокочастотного электромагнитного зондирования, БКЗ, БК, ПС, УЭС бурового раствора, ГК, зенитный угол и азимут), так и результаты обработки, включая кажущееся УЭС и кажущуюся диэлектрическую проницаемость среды.

Рисунок 4 - Пример каротажной диаграммы комплекса СКЛ-А

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Объединение всех модулей скважинного автономного комплекса в единую информационно-измерительную систему даёт ряд преимуществ при каротаже и техническом обслуживании.

Во-первых, использование одного модуля памяти и питания для подключения нескольких измерительных модулей позволяет сократить длину комплекса, приблизить точки записи всех модулей и проводить запись каротажных диаграмм практически до самого забоя, что особенно важно в горизонтальных скважинах, поскольку при геологически правильной проводке ГС не должна выходить из продуктивного пласта, а максимально возможная длина записи всеми методами повышает достоверность исследований.

Во-вторых, объединение модулей в единую измерительную систему существенно снижает аппаратурные затраты, а значит повышает надёжность аппаратуры. В единой системе возможно дублирование наиболее ответственных узлов системы, таких как модули памяти и питания, что во много раз снижает вероятность отказа всего комплекса.

В-третьих, за счет интеграции различных модулей в единую систему появляется возможность реализации геофизических методов, которые требуют больших измерительных баз (БК и Б КЗ) при сравнительно небольших по длине измерительных модулях (до 4 м) за счет построения распределённой микропроцессорной системы.

В-четвёртых, в такой системе благодаря единым часам реального времени (RTC) отсутствует временная разбежка между диаграммами, записанными разными модулями, что также повышает достоверность результатов.

И наконец, в-пятых, уменьшение числа модулей памяти и питания упрощает техническое обслуживание комплекса, снижает вероятность субъективных ошибок при программировании комплекса перед спуском, следовательно повышет достоверность данных и эффективность использования комплексов.

Дальнейшая разработка автономных комплексов уже осуществляется конструкторским отделом Научно-производственного предприятия геофизической аппаратуры «Луч» в направлении расширения возможностей комплекса за счет использования дополнительных методов, прежде всего ультразвукового каверномера-профилемера, прибора акустического каротажа и импульсного нейтронного каротажа, что позволит реализовать идею по интеграции в единую систему аппаратуры, достаточной по используемым методам для достоверного определения продуктивных пластов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Петров, А.Н. Новый программно-аппаратурный девятизондовый комплекс высокочастотного электромагнитного каротажа / А.Н. Петров, К. Н. Каюров, М. И. Эпов, И. Н. Ельцов, А. Ю. Соболев // Электрические и электромагнитные методы изучения нефтегазовых скважин. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1999. - С. 122 - 130.

2. Пат. 2230344 Российская Федерация , МПК7 G01V3/28. Устройство для электромагнитного каротажа скважин / А. Н. Петров, В. В. Киселёв : заявитель и патентообладатель ЗАО Научно-производственное предприятие геофизической аппаратуры «Луч». - 2003102329/28 ; заявл. 27.01.2003; опубл. 10.06.2004, Бюл. № 16 - 10 е.: ил.

3. Петров, А. Н. Разработка структурных схем автономных комплексов / А. Н. Петров // Каротажник. - 2006. - № 5 (1146). - С. 61 - 68.

4. Петров, А. Н. Прибор высокочастотного электромагнитного каротажа в составе комплексов «АЛМАЗ» и CKJI / А. Н. Петров // Геофизический журнал. - 2009. - Т.31. - №4. - С. 210 - 214.

5. Эпов, М. И. Новый аппаратурный комплекс геофизического каротажа СКЛ и программно-методические средства интерпретации EMF PRO / М. И. Эпов, К.Н.Каюров, И.Н.Ельцов, А. Н. Петров [и др.] // Бурение и нефть. - 2010. - № 2. - С. 16-19.

6. Петров, А. Н. Системный подход при разработке автономных комплексов для каротажа в наклонно-горизонтальных скважинах / А. Н. Петров // Каротажник. - 2013. - №2 (224). - С. 46-53.

_Технический редактор Т. С. Курганова_

Подписано в печать 18.12.2013 Формат 60x84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Тайме

_Печ.л. 0,9. Тираж 100. Зак. № 107_

ИНГГ СО РАН, ОИТ 630090, Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Петров, Андрей Николаевич, Новосибирск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ НЕФТЕГАЗОВОЙ ГЕОЛОГИИ И ГЕОФИЗИКИ им. А. А. ТРОФИМУКА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201456423

ПЕТРОВ Андрей Николаевич

РАЗРАБОТКА АВТОНОМНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ КАРОТАЖА В НАКЛОННО-ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИНАХ КАК ЕДИНОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

25.00Л 0 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н. В. Н. Еремин

НОВОСИБИРСК 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

Глава 1. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ПРИБОРОВ ДЛЯ КАРОТАЖА

СУБГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН................................................15

1.1 Особенности каротажа скважин с горизонтальными участками......15

1.2 Аппаратурно-методический автономный комплекс «ГОРИЗОНТ»..........................................................................................22

1.3 Аппаратурно-методический автономный комплекс «Обь».............26

1.4 Комплекс автономных скважинных приборов «КАСКАД-ЭА»......31

Глава 2. АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЁННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ И РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

КОМПЛЕКСА.........................................................................................35

2.1 Оптимизация структурной схемы скважинного аппаратурного

комплекса как единой информационно-измерительной системы....35

2.2 Поиск решений построения системы с цифровым ядром и функциональными устройствами, подключаемыми по стандартным интерфейсам...................................................................52

2.2.1 Особенности применение микроконтроллеров в скважинной аппаратуре..............................................................................................52

2.2.2 Сравнительный анализ различных семейств контроллеров на предмет применимости в скважинной аппаратуре............................58

2.2.3 Выбор интерфейсов для построения системы.................................65

2.3 Разработка вариантов структурной схемы скважинного комплекса...............................................................................................75

2.3.1 Организация системы с использованием интерфейса 118-232......75

2.3.2 Структурная схема с использованием интерфейса Я8-485...........78

2.3.3 Резервирование системы..................................................................80

2.4 Расчёт электрических параметров шины комплекса.........................85

Глава 3. УСТРОЙСТВО АВТОНОМНОЙ АППАРАТУРЫ...........................97

3.1 Устройство автономного комплекса «АЛМАЗ-1».............................97

3.2 Устройство автономного комплекса «АЛМАЗ-2»...........................111

3.3 Устройство автономного комплекса «СКЛ-А»................................119

3.3.1 Состав, структура и технические характеристики комплекса... 119

3.3.2 Устройство модулей аппаратуры «СКЛ-А».................................126

3.3.3 Пример каротажной диаграммы....................................................159

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................161

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.................................................................................163

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................164

ВВЕДЕНИЕ

Объект исследования — аппаратурное обеспечение комплексного каротажа горизонтальных нефтяных скважин (включая боковые стволы) на предмет разработки автономного комплекса как единой информационно-измерительной системы (ИИС), включающей скважинную часть комплекса и наземную систему привязки глубин.

Известные автономные комплексы являются сборками отдельных скважин-ных приборов и модулей памяти и питания (МПП). Спуск на забой осуществляется в контейнерах из стеклопластика или дюралюминия. Сборка приборов в единый комплекс осуществляется только механически муфтами с конической резьбой, без введения информационных связей между различными приборами. Технические и схемотехнические решения автономных приборов практически не отличаются от кабельных, несмотря на специфические требования, предъявляемые к автономной аппаратуре.

Важным вопросом является объединение большого числа скважинных приборов, реализующих различные геофизические методы в единую систему, и выбора оптимального числа МПП, которые должны обеспечить работу такой системы, а также выбор интерфейса для межмодульной передачи информации. При этом требуется разработать такую аппаратуру, которая, во-первых, была бы достаточно малогабаритна, во-вторых, выдерживала бы механические нагрузки без применения контейнеров.

Немногочисленные автономные комплексы для работы в горизонтальных скважинах (ГС) не содержат достаточный набор аппаратуры для условий терри-генных разрезов Западной Сибири, особенно при исследовании скважин малого диаметра (вторых боковых стволов, пробуренных из скважин старого фонда). Однако увеличение числа различных по физической сути параметров влечет за собой увеличение числа измерительных модулей, а при существующем подходе - и к увеличению числа МПП. С учетом того, что длина МПП составляет от 50 до 100% длины измерительного модуля (в зависимости от длины зондов и сложности аппаратуры), то из-за множества МПП общая длина комплекса возрастает на 30-50%,

что очень существенно для исследования ГС. Ведь в отличие от вертикальных скважин, в которых забой находится всегда ниже продуктивного пласта, горизонтальная скважина при геологически точной проводке за пределы продуктивного пласта выходить не должна, и поэтому приборы, находящиеся в связке ближе к буровому инструменту, до забоя скважины не дойдут, и часть скважины останется необследованной всем комплексом приборов. Если для вертикальных и слабонаклонных скважин чаще всего для интерпретации используется простейшая цилиндрически-слоистая модель, то для сильнонаклонных и горизонтальных скважин приходится усложнять геоэлектрические модели, использовать трёхмерное моделирование, а для этого недостаточно измеренных параметров.

Кроме этого, при синхронизации модулей от различных часов реального времени (RTC) и некоторой разбежке этих часов неизбежно будет происходить сдвижка диаграмм относительно друг друга, что снижает достоверность их интерпретации. Существуют и чисто практические недостатки из-за наличия множества МПП в каротажном комплексе: снижается надежность, усложняется процедура программирования перед каротажем и считывания информации после каротажа.

На основе вышесказанного актуальность определяется необходимостью создания малогабаритного автономного каротажного комплекса, способного работать в ГС, в том числе и во вторых стволах, разбуренных из скважин старого фонда, и обеспечивающего измерение требуемого набора параметров для определения продуктивных пластов с высокой степенью надёжности, прежде всего в условиях терригенных разрезов Западной Сибири.

Цель исследований - повысить достоверность каротажа в горизонтальных нефтяных скважинах путём разработки комплексной автономной аппаратуры, имеющей электрические и информационные связи между всеми модулями на основе теории систем (в частности, информационно-измерительных систем) через рассмотрение комплекса как сложной распределённой микропроцессорной измерительной системы.

Решаемые научные задачи:

1. Научно обосновать и разработать схему автономного каротажного комплекса, позволяющего измерять все требуемые геофизические параметры в нефтя-

ных и газовых скважинах в открытом стволе, при минимальной длине зондовой части комплекса за счет объединения модулей информационными связями и электропитанием.

2. Создать новые модификации автономного прибора высокочастотного электромагнитного каротажа (ВЭМКЗ) на основе кабельного прибора ВИКИЗ для повышения информативности с увеличением числа измеряемых параметров ввиду того, что горизонтальные скважины являются более сложным объектом для исследования, чем вертикальные, поскольку для интерпретации требуется строить более сложные двумерные и трёхмерные геоэлектрические модели.

Поставленные задачи решаются поэтапно.

1. Подготовка научно-технического обоснования к проектированию автономного комплекса для каротажа в наклонно-горизонтальных скважинах как единой информационно-измерительной системы.

2. Оптимальная компоновка модулей комплекса для обеспечения измерений методами электрического каротажа, требующих больших измерительных баз, при минимальной общей длине зондовой части комплекса.

3. Минимизация аппаратурных затрат и линий связей как между отдельными модулями системы в целом, так и между отдельными узлами каждого из модулей.

4. Разработка схем модулей комплекса как распределённой микропроцессорной системы с выделенным цифровым ядром и функциональными устройствами, подключаемыми по стандартным интерфейсам,

5. Адаптация геоэлектрических методов исследования (высокочастотного электромагнитного каротажного зондирование {ВЭМКЗ), измерения потенциала самопроизвольной поляризации скважины (ПС), бокового каротажного зондирования (БКЗ), бокового каротажа (БК) и др.) для работы без каротажного кабеля и увеличения числа измеряемых параметров.

6. Разработка структурной схемы МПП для подключения одного или нескольких измерительных модулей.

7. Создание нового стыковочного узла для модулей с электрическим разъёмом, обеспечивающим гидростатическую изоляцию модулей в аварийных ситуациях при давлении до 60 МПа.

8. Разработка наземной подсистемы для привязки к значению глубины при дальнейшей интерпретации полученных данных.

Фактический материал, методы исследований, аппаратура

В основу проектирования автономного комплекса положена теория информационно-измерительных систем (в том числе - распределённых микропроцессорных систем). Для оценки надежности комплекса, вероятностей отказа и оптимизации структурной схемы также использовался математический аппарат теории вероятностей.

Наибольший объём информации (от 9 до 20 измеряемых параметров) в разработанной автономной аппаратуре получается модулем ВЭМКЗ, реализующим развитие идей, заложенных в методе высокочастотного индукционного каротажного изопараметрического зондирования (ВИКИЗ), поэтому автор в значительной степени опирался на результаты работы по методу ВИКИЗ, полученные в Институте геофизики СО РАН в 1980 - 2005 годах, вошедшего затем в состав Института нефтегазовой геологии и геофизики (ИНГГ). В частности, длина и база зондов, моменты катушек модуля ВЭМКЗ были выбраны в соответствии с принципом изопа-раметричности, сформулированным Ю. Н. Антоновым в 1978 году. Построение второго изопараметрического ряда зондов было осуществлено в 1999 году в соответствии с теоретическим обоснованием, сделанным М. И. Эповым и И. Н. Ельцо-вым.

Практическая часть работы заключалась в схемотехническом проектировании комплекса и отдельных электронных узлов, программировании микроконтроллеров с использованием языков ассемблера и Си. При разработке аналоговых электронных схем применялось компьютерное моделирование. При расчёте электрических параметров шины комплекса использовался математический аппарат теории передачи по линиям связи, включая решение линейных дифференциальных уравнений, а также использовалось моделирование электрического поля методом конечных элементов.

Отработка конструктивных узлов и модулей комплекса требовала проведения обязательных стендовых испытаний, прежде всего - температурных, а также термобарометрических испытаний корпусов и стыковочных узлов, а проверка механической прочности - испытаниями на ударной установке. Стендовые испытания на ударной установке проводились только на опытных образцах модулей, в частности при создании модуля гамма-каротажа и резистивиметра (МГКР) и модуля памяти и питания (МПП) при разработке амортизаторов для узлов, содержащих кристаллы и фотоэлектронные умножители для подсчета гамма-квантов. В соответствии с ГОСТ 26116-84 модуль подвергался ударным нагрузкам с ускорением до 15

Обязательными же для всех модулей были гидростатические и температурные испытания. Температурные испытания модулей проводились в специальных термоустановках. Измерительные модули испытывались при температуре 125°С или 150°С (в зависимости от варианта исполнения), модуль памяти и питания (с учетом наличия в нём аккумуляторов) - при 90°С либо до 150°С (при использовании литиевой батареи). При максимальной температуре каждый модуль (без силового корпуса) выдерживался не менее 2 часов, после чего определялся температурный уход характеристик.

Гидростатическим испытаниям подвергались корпуса всех модулей (с одновременным нагревом до температуры 125°С...150°С). Всего было проведено более тысячи температурных и гидростатических испытаний в процессе отработки конструкции и процессе серийного производства автономных модулей.

Также обязательным для всех выпускаемых измерительных модулей было проведение первичной и периодической метрологической поверки. Модули ВЭМКЗ поверяются с помощью образцового набора мер импеданса ИМ-1, изготовленного в Новосибирском центре стандартизации и метрологии и зарегистрированного в государственном реестре средств измерений РФ. Кроме этого, все модули ВЭМКЗ проходили испытания в баке, заполненном солевым раствором с УЭС, равным 1 Омм, в Институте нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН. Для доказательства достоверности измерений в высокоомной области (до 200 Ом-м) были проведены аналогичные испытания на Телецком озере.

Калибровка каждого из двух гамма-каналов измерительных модулей (МГКР) проводилась с использованием комплекта калибровочных устройств КУ-СГК («ВНИИЯГ»). Калибровка резистивиметров этого же модуля проводилась в 5 различных по УЭС образцовых растворах, контролируемых кондуктометром АНИОН-7020. Поверка термометров также выполнялась для всех выпущенных модулей в термостате ТР-1М с использованием теплоносителя - полиметилсилок-сановой жидкости марки ПМС-100.

При скважинных испытаниях, которым подвергались все модификации комплексов «АЛМАЗ» и «СКЛ-А», и последующем внедрении в промысловую геофизику были получены тысячи каротажных диаграмм, по результатам анализа которых с высокой степенью достоверности определялись нефтяные пласты и осуществлялась проводка ГС. Разработки вызвали большой интерес у геофизиков-нефтяников и были востребованы сервисными компаниями.

Работа по созданию автономных комплексов для промысловой геофизики велась непрерывно, начиная с 1999 года, и была направлена на повышение достоверности скважинных исследований, улучшение эксплуатационных характеристик и увеличение числа измеряемых параметров. Вначале была разработана автономная аппаратура в составе модуля ВЭМКЗ (с девятью измеряемыми фазовыми сдвигами, кроме этого, нижний колпак корпуса модуля использовался как электрод ПС) и МПП, получившая название ВЭМКЗ - 9А.

Затем был создан комплекс «АЛМАЗ-1», в состав которого также входили модули ВЭМКЗ и МПП, причем в корпусе МПП было размещено устройство для измерения интегральной гамма-активности пород. Этот комплекс был опробован в ОАО «Нижневартовскнефтегеофизика» (г. Нижневартовск) в 2001 году. Для этого комплекса была разработана наземная подсистема определения глубины нахождения комплекса с привязкой к часам реального времени (RTC).

Следующим этапом стало создание комплекса «АЛМАЗ-2», в котором к одному МПП было пристыковано два измерительных модуля - ВЭМКЗ и МГКР. В составе МГКР имелось два канала ГК (показания которых суммировались), рези-стивиметр и термометр бурового раствора (БР). Кроме этого, в МПП измерялись технологические параметры, необходимые для анализа работы комплекса, его от-

казов и повышения надёжности (ускорение по всем трём осям в диапазоне до 50 g, температура внутри модуля, напряжение аккумуляторной батареи). Опробование комплексов «АЛМАЗ-2» проводилось в тресте «Сургутнефтегеофизика» ОАО «Сургутнефтегаз» (г. Сургут) в 2002 году. В дальнейшем для уменьшения количества спускоподъёмных операций в состав комплекса был включен инклинометр. Опробование такого варианта комплекса «АЛМАЗ-2И» проводилось в ОАО «Ямалгазпромгеофизика» в 2003 году. И наконец, по заказу ОАО «Сургутнефтегаз» был разработан модуль МАРТ (модуль автономного резистивиметра и термометра), размещаемый в нижней части комплекса для обеспечения более точного измерения температуры бурового раствора на спуске (чтобы не перемешивать БР). Комплекс, получивший название «АЛМАЗ-2М», был испытан в 2004 году.

Комплексы «АЛМАЗ-1» и «АЛМАЗ-2» серийно производятся в Научно-производственном предприятии геофизической аппаратуры (НППГА) «Луч» с 2001 года. Основной район, в котором они используются в промысловых геофизических исследованиях, - среднее Приобье, поскольку комплекс был оптимизирован по своему составу и параметрам для районов Западной Сибири, однако они также успешно эксплуатируются в Калининградской области, Башкирии и Татарстане. На данный момент произведены и проданы в такие организации, как в ОАО «Сургутнефтегаз (�