Измерения в процессе бурения

13.1	Измерения в процессе бурения
	Системы измерений в процессе бурения (ИПБ) предназначены и используются главным образом для повышения эффективности буровых работ за счет сведения к минимуму потерь времени, связанных с проведением таких длительных операций, как геофизические исследования в скважинах и кабельный каротаж. Системы ИПБ позволяют передавать из скважины на поверхность различные результаты измерений, что дает возможность избежать сложности, связанные с применением электрических кабелей. Во всех системах ИПБ для контроля параметров бурения и (или) определения характеристик пластов используются датчики, установленные в компоновке низа бурильной колонны. Сбор информации осуществляется скважинными приборами во время буровых работ. Полученные данные либо обрабатываются и передаются на поверхность в режиме реального времени, либо сохраняются в запоминающих устройствах для последующего использования. В состав типичной системы ИПБ входят следующие компоненты:
	q Блок скважинных датчиков q Наземный компьютер для сбора и преобразования данных в необходимую форму q Датчики, расположенные в верхней части ствола скважины или на поверхности (для приема сигналов передачи данных с забоя)	q Внутрискважинный источник питания q Средства передачи данных из скважины на поверхность и (или) их регистрации q Скважинный компьютер (микропроцессор и блок электроники для регулирования и мониторинга работы забойной системы)
	Коммерческое применение систем ИПБ началось в конце 1970-х г.г. Изначально их основной функцией было предоставление сведений об ориентации ствола. По мере усовершенствования конструкции, повышения надежности и распространения систем ИПБ спектр их применения расширяется. Имеющиеся на сегодняшний день системы ИПБ предоставляют буровым компаниям-операторам широкий выбор различных блоков скважинных датчиков, способных контролировать большое число параметров на забое скважины. Эти параметры могут быть разделены на три основные категории: данные об ориентации ствола, данные для оценки пласта и инженерно-технические данные. Данные об ориентации ствола включают зенитный угол, азимут и ориентацию рабочей плоскости отклоняющего инструмента в различных точках ствола. Данные ИПБ для оценки пласта изначально включали только результаты гамма-каротажа и измерений удельного сопротивления. В последнее время появилась возможность осуществления нейтронного каротажа и измерений плотности. Инженерно‑технические данные могут включать сведения о фактической нагрузке на буровое долото на забое, крутящем моменте на буровом долоте, температуре и давлении в затрубном пространстве.
13.2	Телеметрия
	Для передачи данных с забоя на поверхность было разработано большое число различных способов, однако на сегодняшний день коммерческое применение получили лишь следующие методики: q Передача данных посредством импульсов давления бурового раствора. Информация в двоичном формате передается на поверхность с помощью положительных или отрицательных импульсов давления, создаваемых в промывочной жидкости. Системы с положительными импульсами основаны на использовании тех или иных средств сужения сечения, создающих импульсы избыточного давления в буровом растворе. В системах с отрицательными импульсами используются байпасные клапаны для сброса потока изнутри инструмента в затрубное пространство, посредством чего создаются импульсы отрицательного давления относительно давления среды в скважине. q Частотная модуляция (гидравлические сирены). Информация передается на поверхность в виде синусоидальных колебаний, создаваемых с помощью модулирующего устройства, которое формирует непрерывные волны давления фиксированной частоты. За счет сдвига фаз угловой скорости модулирующего устройства возникают изменения в соотношении фаз образующихся волн давления. q Передача данных посредством электромагнитных колебаний. Информация от скважинных приборов передается на поверхность с помощью радиоволн, обеспечивающих высокую скорость передачи данных. Имеющиеся в настоящее время подобные системы могут применяться только на небольших глубинах. К преимуществам всех методик телеметрии, основанных на создании импульсов давления бурового раствора, можно отнести возможность одновременной передачи данных без вмешательства в нормальный ход буровых работ. Взаимодействие с системой циркуляции бурового раствора обеспечивается достаточно просто и не требует внесения изменений в конструкцию существующего оборудования. Очевидно, что чем выше скорость передачи данных на поверхность, тем большее количество информации может быть отправлено в единицу времени, однако разработка систем скважинной телеметрии требует поиска компромиссов между скоростью передачи данных, разрешающей способностью и возможностью обнаружения сигнала. Системы с высокой скоростью передачи данных (например, гидравлические сирены) более чувствительны к помехам, хотя и обеспечивают быстрый вывод информации. Для повышения разрешения результатов измерений (например, при интервале измерений 0,1° из 360° вместо 1° из 360°) требуется большее число битов данных и, следовательно, более продолжительное время передачи информации. При передаче информации для оценки пласта, требующей привязки к определенной глубине, процесс обмена данными усложняется, поскольку при этом необходима корреляция между частотой выполнения измерений датчиком, скоростью проходки, скоростью передачи данных и разрешением данных. Это привело к появлению систем со скважинными накопителями информации, в которых данные, необходимые для оценки пласта, не передаются, а сохраняются в приборе для последующей обработки на поверхности. На сегодняшний день наиболее распространенным методом передачи данных является телеметрия с положительными импульсами давления. К его преимуществам можно отнести лучший прием сигналов или обнаружение фронта импульса по сравнению с системами отрицательных импульсов давления и гидравлическими сиренами. Системы телеметрии с отрицательными импульсами давления требуют достаточного перепада давления (ΔP) на буровом долоте для создания адекватной амплитуды сигнала. К преимуществам данных систем можно отнести небольшое гидравлическое сопротивление вследствие минимального сужения потока. В результате они менее подвержены эрозии и обеспечивают более легкое закачивание материалов для борьбы с поглощением бурового раствора и установки цементных пробок (при условии, что в данных системах не используются турбинные генераторы).
13.3	Внутрискважинные источники питания
	При выборе различных систем ИПБ приходится принимать и другие компромиссные решения. Первоначально для электроснабжения скважинных инструментов применялись турбинные генераторы и батарейные блоки. Хотя для работы турбинных генераторов требуется поток бурового раствора с адекватным объемным расходом, а детали турбин подвержены эрозионному износу, данные источники питания меньше зависят от температуры и временных ограничений, чем батарейные блоки. Кроме того, турбинные генераторы могут обеспечивать высокую мощность в течение продолжительного времени. В связи с увеличением числа скважинных датчиков в системах ИПБ возникает необходимость в более мощных источниках питания. При использовании систем ИПБ с турбинными генераторами должны обязательно применяться сита бурового раствора, установленные в бурильной колонне. На данный момент не существует систем ИПБ с турбинными генераторами, способными работать в условиях закачки цемента, однако отдельные системы могут допускать закачивание некоторых типов материалов для борьбы с поглощением бурового раствора.
	Первоначально в ряде систем ИПБ с ограниченным успехом применялись щелочные батареи питания. Достигнутый в последние годы прогресс в технологии производства литиевых элементов питания позволил снять некоторые временные и температурные ограничения, возникшие на начальном этапе использования батарей данного типа. При эксплуатации и техническом обслуживании систем ИПБ с литиевыми батареями необходимо соблюдать меры предосторожности, что связано с высокой взрывоопасностью литиевых элементов питания при контакте с буровыми растворами и (или) при повышенной температуре. В последнее время появились высокотемпературные литиевые батареи, отвечающие техническим требованиям к максимальной рабочей температуре скважинных блоков электроники систем ИПБ и имеющие ожидаемый ресурс в несколько сотен часов. Еще одним преимуществом литиевых батарей является возможность придания им формы, обеспечивающей удобство размещения в скважинном инструменте и создающей минимальное сопротивление потоку.
13.4	Системы с извлекаемыми зондами и датчиками, установленными в УБТ
	Еще одно компромиссное решение при определении конфигурации системы ИПБ необходимо принимать при выборе между датчиками, установленными в УБТ или в извлекаемом зонде. Из опыта эксплуатации известно, что чем удобнее извлекать датчики, тем ниже их надежность. Системы с извлекаемыми зондами создают сопротивление потоку бурового раствора и подвержены эрозии, хотя применение новых конструкционных материалов на основе металлических сплавов позволяет частично решить эту проблему. Преимущества систем ИПБ с извлекаемыми зондами проявляются в ситуациях, связанных с прихватом бурильной колонны, когда благодаря возможности подъема зонда могут быть существенно снижены затраты на потерю инструмента в скважине. Еще одним преимуществом таких систем является возможность подъема скважинного зонда для ремонта или модификации измерительного модуля вместо подъема из скважины всей КНБК. Хотя это может быть полезным при бурении глубоких скважин, данное преимущество не столь существенно при проходке верхних интервалов ствола, где продолжительность спускоподъемных операций минимальна. В целом извлекаемые и свободновисящие/стоящие зонды способны выдерживать значительно большую интенсивность набора угла отклонения, чем датчики, установленные в УБТ. Данное преимущество приобретает особую значимость в связи с распространением горизонтальных скважин. Как правило, системы с размещенными в УБТ датчиками способны выдерживать более высокие ударные нагрузки и вибрацию и более приспособлены к условиям высокого объемного расхода среды в стволе. В целом системы с датчиками, установленными в УБТ, наилучшим образом подходят для бурения верхних интервалов скважин, что связано с повышенным объемным расходом в стволах большого диаметра и повышенными напряжениями вследствие больших нагрузок на долото. Компаниям-операторам следует избегать применения любых систем ИПБ в зонах повышенных напряжений, таких как переходная область между растяжением и сжатием бурильной колонны. Кроме того, повышенная частота отказов отмечается при установке некоторых систем ИПБ в зоне изгиба роторных КНБК для набора угла кривизны (на участке УБТ между наддолотным стабилизатором и первым стабилизатором бурильной колонны). Работа данных узлов, в которых традиционно создаются большие нагрузки на долото и низкая частота оборотов, основана на принципе шарнира, применяемом в роторном бурении. Наддолотный стабилизатор здесь выступает в качестве точки опоры шарнира, а находящиеся непосредственно над ним УБТ испытывают изгибающие нагрузки под действием собственного веса и прилагаемой нагрузки на долото. В некоторых системах ИПБ могут возникать повреждения внутренних компонентов, обусловленные их недостаточной эквивалентной жесткостью при изгибе, в связи с чем они могут стать самым гибким сегментом КНБК. Установка скважинных инструментов систем ИПБ над первым стабилизатором бурильной колонны может снизить риск их повреждения от деформации при использовании в составе КНБК для набора угла кривизны.
13.5	Наклонно-направленное бурение
	В условиях развития технологий горизонтального и наклонно-направленного бурения и, в частности, растущего применения управляемых буровых систем основным назначением ИПБ продолжает оставаться контроль за параметрами наклонно-направленного бурения морских эксплуатационных скважин. Помимо зенитного угла, азимута и ориентации рабочей плоскости отклоняющего устройства большинство систем ИПБ обеспечивают также измерение напряженности гравитационных и магнитных полей. Результаты данных измерений служат в качестве индикаторов качества при проверке точности получаемой информации об ориентации ствола скважины. Изменения этих двух величин указывают на возможные магнитные помехи, перемещение бурильной колонны или проблемы с калибровкой инструмента, способные повлиять на точность результатов измерений.
13.6	Оценка свойств пласта
	Системы ИПБ для оценки свойств пласта могут предоставлять сведения о геологических характеристиках пластов, через которые ведется проходка, аналогично кабельному каротажу. Данные системы применяются при бурении как эксплуатационных, так и разведочных скважин. Традиционно спуск кабельных инструментов производится под действием силы тяжести. Большая интенсивность искривления ствола и сложные условия в нем могут препятствовать спуску приборов кабельного каротажа. В скважинах с большим отклонением от вертикали и в горизонтальных скважинах может применяться проталкивание приборов кабельного каротажа по стволу с помощью бурильной колонны или колонны НКТ. Цель измерений удельного сопротивления заключается в исследовании свойств пластовых флюидов и определении их содержания в пласте. Нефть, вода и рассол характеризуются различной электропроводностью. Поскольку буровые растворы обладают тенденцией к проникновению в пласт, измерения удельного сопротивления должны проводиться за пределами прилегающего к стволу участка пласта, насыщенного буровым раствором. Таким образом, одним из важнейших факторов при проведении данных измерений является глубина исследований. Преимуществом применения систем ИПБ для оценки свойств пласта является то, что они позволяют измерить удельное сопротивление сразу же после вскрытия пласта, до того, как произойдет его полное насыщение буровым раствором. Датчики гамма-излучения служат для измерения уровня естественной радиоактивности окружающих пластов. Результаты данных измерений используются для анализа литологии пласта и, что наиболее важно, позволяют оценить в нем долю глинистой породы. Определенные химические элементы, такие как калий, торий и уран, характеризуются достаточно высоким уровнем гамма-излучения, позволяющим идентифицировать в породе песок, глинистые породы и карбонаты. Результаты измерений гамма-излучения и удельного электрического сопротивления могут использоваться для точного выбора глубин установки обсадных колонн и предупреждения о возможных зонах аномально высокого пластового давления. В последнее время системы ИПБ для оценки пласта оснащаются приборами ядерного каротажа — детекторами нейтронов и измерителями плотности. Детекторы нейтронов служат для определения пористости пласта путем измерения количества атомов водорода, которые встречаются, главным образом, в воде и нефти. Датчики плотности измеряют объемную плотность пласта. Таким образом, пористость породы может быть оценена посредством определения относительной доли горной породы и пластовых флюидов.
13.7	Инженерно-технические данные
	Данный сегмент рынка систем ИПБ сравнительно новый и небольшой. Результаты измерений фактической нагрузки на буровое долото и крутящего момента могут способствовать сокращению потерь рабочего времени от прихвата труб и при оптимизации рабочих характеристик бурового долота.
13.8	Эксплуатационные факторы
	Ниже приведен неполный перечень эксплуатационных факторов, которые должны учитываться перед использованием систем ИПБ.
	q Диапазон объемного расхода q Диапазон рабочего давления q Перепад давления (Дp) на буровом долоте q Использование переводника с обратным клапаном q Процедуры ориентации отклоняющего инструмента q Рекомендации по разбуриванию обсадной колонны q Проектирование компоновки низа бурильной колонны q Требования к наличию сит бурового раствора q Планируемая интенсивность набора кривизны q Скорость проходки (при большей скорости проходки требуется большая скорость передачи данных)	q Состояние демпфера пульсаций q Тип насоса (дуплексный или триплексный) q Выбор размера УБТ q Выбор размера УБТ для установки приборов ИПБ q Процедуры закачивания материала для борьбы с поглощением бурового раствора q Состояние бурильных труб (отложения, цемент, чистота и т. п.) q Требования к расстояниям до источников магнитных помех q Тип используемого забойного двигателя q Риск прихвата труб q Убытки от потери инструмента в стволе скважины
13.9	Научно-исследовательские работы
	Основным движущим фактором научно-исследовательских работ в области ИПБ является растущая потребность в новых способах повышения эффективности буровых операций. Среди ключевых областей, где сосредоточены усилия исследователей, можно выделить разработку средств связи, способных передавать в режиме реального времени большие объемы информации. Стандартный подход, телеметрия с импульсами давления бурового раствора, имеет ограничения по скорости передачи данных. Новые методики связи, в частности те, что основаны на применении электромагнитных колебаний (радиоволн), применяются с ограниченным успехом в связи с ухудшением уровня сигнала при проходе радиоволн через горные породы и особенно через соленую воду. При работах на большой глубине в бурильной колонне должны устанавливаться промежуточные ретрансляторы, что приводит к снижению уровня надежности скважинной системы в связи из-за введения в нее дополнительного оборудования. Другим препятствием является повышенная потребность в электроэнергии. Применение технологии наддолотных систем ИПБ имеет большие перспективы как при наклонно-направленном бурении, так и при оценке характеристик пласта. Одной из тенденций при разработке новых систем ИПБ является установка датчиков в наддолотном переводнике. Сигнал от этих датчиков может передаваться с помощью электромагнитных волн ко второму компоненту системы, установленному выше в КНБК и имеющему в своем составе средства для приема сигнала, микропроцессоры и систему создания импульсов давления бурового раствора для передачи данных на поверхность. Другие направления исследований включают установку ряда датчиков в роторе объемных забойных двигателей. Развитие модульных систем, которые могут перестраиваться под потребности заказчика путем добавления или удаления сенсорных модулей на буровой площадке, привело к появлению методики внутрискважинного подключения инструментов, основанной на использовании скважинного извлекаемого оборудования с возможностью включения или размыкания электрических соединений под давлением скважинных флюидов с сохранением герметичности и изоляции. Таким образом, технологии ИПБ обладают очень большим потенциалом. Дальнейшее развитие и разработки данных систем будут определяться потребностями буровых компаний-операторов и способностью изготовителей удовлетворить эти потребности.[1]

[1] GC/Eastman Christensen, август 1991 г./ внешние источники: «Измерения в процессе бурения (Measurement While Drilling)»,
First Boston Corporation- (equity research), 28 февраля 1990 г. «Расширение возможностей систем ИПБ (MWD Systems Expand Capabilities)». Petroleum Engineer, Int., 1991.