Работами С. Я. Литвинова, И. К. Саркисова (1959 г.), Е. А. Полякова (1962 г.), О. П. Шишкина (1962 г.) была установлена возможность использования колонны бурильных труб в качестве электрического канала для передачи информации с забоя на земную поверхность.
Беспроводной электромагнитный канал связи использует колонну бурильных труб в качестве одного из проводов линии передачи, по простоте конструкции глубинных и наземных устройств, пропускной способности является наиболее перспективным при организации устойчивой связи забой-устье при турбинном и роторном бурении скважин (рис. 2.4).
По сравнению с гидравлическим каналом электромагнитный канал связи обладает следующими преимуществами:
- повышенная надежность деталей забойных устройств, контактирующих с абразивным потоком бурового раствора;
- простота в управлении, возможность обратной связи.
Дальность действия электромагнитного канала связи сильно зависит от удельного электрического сопротивления окружающих пород: в низкоомных разрезах (Западная Сибирь) сигнал сильно шунтируется и затухает, в высокоомных (мощные пласты соли в Оренбурге, Перми) передающий диполь телесистемы электрически изолирован пластами и сигнал проходит плохо. Но они обладают и существенными преимуществами: они на порядок дешевле, менее требовательны к качеству бурового раствора и могут использоваться в условиях, где гидроканал не работает.
Вместе с тем электромагнитный канал связи обладает и некоторыми недостатками, такими как ограничение дальности действия свойствами геологического разреза, ее зависимость от материала бурильных труб, а также отсутствие возможностей исследования в море и в соленосных отложениях, достаточно высокая сложность электронного управляющего блока.
Лидером в разработке бескабельных систем является ОАО НПП «ВНИИГИС». В 1969 г. на основе технических решений аппаратуры БЭТА-1 разработана аппаратура КУБ-1, предназначенная для проведения электрического каротажа в процессе турбинного бурения. В последующее десятилетие во ВНИИГИС разработана телеметрическая система ЗИС-1 для автоматического контроля за направлением скважин в процессе бурения и телеизмерительная система «Забой» для измерения в процессе бурения нефтяных и газовых скважин геофизических и технологических параметров.
Рис.2.4.
С 1991 года разработанные во ВНИИГИС забойные телесистем с беспроводным электромагнитным каналом связи типа ЗИС-4 используются в производственном режиме для проводки горизонтальных скважин. В последующий период во ВНИИГИС продолжаются работы по совершенствованию телесистемы ЗИС-4 и разрабатываются новые малогабаритные телесистемы с беспроводным электромагнитным каналом связи. С января 1999 года началась эксплуатация первой промышленной партии малогабаритной телесистемы ЗТС54-ЭМ при проводке горизонтальных и наклонно-направленных боковых стволов малого диаметра в Туймазинском УБР АНК «Башнефть». С этого времени проведено более 130 боковых стволов, в том числе 10 горизонтальных, максимальная протяженность которых составляет 250 м.
Параллельно с выпуском телесистем ЗТС54-ЭМ во ВНИИГИС разработана более совершенная телесистема ЗТС-42ЭМ с диаметром модулей 42 мм. Эта телесистема, также как и первая, может оснащаться дополнительным модулем и надолотным модулем.
Проводной канал связи
Проводной канал связи имеет следующие преимущества перед всеми известными каналами связи:
- максимально возможная информативность: быстродействие, многоканальность, помехоустойчивость, надежность связи;
- отсутствие забойного источника электрической энергии и мощного передатчика;
- возможность двухсторонней связи;
- возможность подачи значительной электрической мощности для привода забойных механизмов (управляемого отклонителя, нагружателя и др.);
- возможность использования при работе с продувкой воздухом и с использованием аэрированного бурового раствора;
- отсутствие зависимости от удельного сопротивления горных пород.
Работы по созданию ЗТС с проводным каналом связи были обусловлены применением с начала 60-х годов в бывшем СССР электробурения. Наиболее широкое распространение получила телеметрическая система типа СТЭ, разработанная Харьковским СКТБ «Потенциал» и институтом электромеханики при участии ВНИИБТ, использовавшая в качестве линии связи силовой кабель электробура. Система СТЭ позволяла производить измерения следующих параметров (зенитный угол, азимут, положение отклонителя, нагрузка на долото, число оборотов, крутящий момент), большинство телесистем этого типа имели ресурс до 600…800 часов и межремонтный период до 100 ч.
В настоящее время ВНИИБТ продолжает разработки телеметрических систем. Разработчики ВНИИБТ направили свои усилия на разработку ряда унифицированных телеметрических систем типа ЭТО (электропроводная телесистема для ориентирования) в модульном исполнении. Конструкция телесистемы ЭТО позволяет увеличивать число измеряемых параметров путем пристыковки дополнительных модулей к базовому модулю. Базовый модуль ЭТО-1 осуществляет передачу информации о направлении отклонителя по одножильному геофизическому кабелю. ЭТО-2 и ее модификации контролируют зенитный угол и положение отклонителя как по трехжильному, так и по одножильному кабелю. ЭТО-3 контролирует три основных траекторных параметра - зенитный угол, азимут, положение отклонителя по одножильному каротажному кабелю. ЭТО-4 включает кроме пространственных параметров траектории бурения модуль гамма- каротажа.
Телесистема ЭТО-4Т, находящаяся в разработке, состоит из спускаемого на электрическом кабеле забойного модуля, наземной аппаратуры для регистрации и отображения забойной информации, а также технологической оснастки для фиксации забойного модуля и проложения кабельной линии связи.
С середины 90-ых годов лидером в разработке кабельных систем является ОАО НПФ «Геофизика».
В ОАО НПФ «Геофизика» разрабатываются и производятся: инклинометрическая забойная система с кабельным каналом связи КТС-1 с магнитометрическим многоточечным инклинометром «Оникс» (см. рисунок 2); технологии и технические средства для ГИС в ГС «Горизонталь-1» с использованием геофизического кабеля, «Горизонталь-2» с использованием кабеля электробура, «Горизонталь-3» и «Горизонталь-4» на кабеле с доставкой на забой потоком промывочной жидкости или колонной специальных труб. Для промыслово-геофизических исследований в действующих ГС АО НПФ «Геофизика» предлагает технологию и технологические средства «Горизонталь-5». «Горизонталь-5» обеспечивает проведение ПГИ с помощью стандартной аппаратуры применяемой для исследования вертикальных скважин.
Для решения одной из актуальных задач по проводке боковых стволов в ОАО НПФ «Геофизика» разрабатывается компьютеризованная информационно-навигационная система (КИНС), состоящая из ориентатора ОРБИ-36, который позволяет производить измерения положения отклонителя относительно апсидальной плоскости скважины в процессе бурения с использованием в качестве канала связи геофизического кабеля.
Для контроля траектории скважин в состав КИНС должен входить компьютеризованный инклинометр ИММН36-100/40, предназначенный для измерения азимута, зенитного угла и положения отклонителя относительно магнитного меридиана и апсидальной плоскости. Замеры инклинометром должны выполняться во время остановки процесса бурения при наращивании бурового инструмента. Кроме того, инклинометр измеряет глубину по кабелю и производит ее коррекцию по магнитным меткам. Инклинометр состоит из скважинного и наземного приборов и ПЭВМ типа IBM (Notebook).
В ОАО НПФ «Геофизика» выполнена опытно-конструкторская разработка малогабаритной трехпараметровой инклинометрической телесистемы, обеспечивающей измерение азимута, зенитного угла скважины и угла положения отклонения с использованием современной компьютеризированной наземной регистрирующей системы и одножильного геофизического кабеля. В настоящее время рекламирует эту систему как телесистему инклинометрическую малогабаритную ОРБИ-3. Система проводит измерения со скоростью 1500 м/ч, осуществляет контроль глубины по каротажному кабелю с помощью сельсин датчика.
Кабельные ЗТС (типа СТТ, КТС-1) применяются в основном в южных нефтегазодобывающих районах (Краснодар, Саратов и др.), имеют относительно небольшое распространение.
НПК «ТОБУС» разработала оригинальный метод бурения горизонтальных скважин, включающий специальные отклонители и компоновки, изготовленные на базе винтовых забойных двигателей российского производства, инклинометрическую систему типа СТТ с кабельным каналом связи и комплект технических приспособлений. Метод бурения горизонтальных скважин по технологии «ТОБУС» основан на использовании в КНБК центраторов и децентраторов с упругими опорными планками, что позволяет осуществлять проводку стволов горизонтальных скважин по расчетным траекториям в различных горно-геологических условиях. В комплекс горизонтального бурения также входит муфта шарнирная, соединяющая направляющую штангу компоновки или отклонитель с бурильной колонной. Данный метод не требует постоянного вращения бурильной колонны для проводки прямолинейных участков ствола, что существенно упрощает способ бурения горизонтальных скважин по сравнению с западными методами и позволяет применять, без снижения надежности, отечественный бурильный инструмент.
