Система контроля и управления процессом проводки нефтяных и газовых скважин "Леуза-1"

Система контроля и управления процессом проводки нефтяных и газовых скважин "Леуза-1"

М.Г. Лугуманов, Р.А. Низамов, Д.В. Артемов, М.Б. Славнитский, Г.Н. Мухаматуллина

Одной из наиболее актуальных задач при проведении геологоразведочных работ является непрерывный контроль и управление полным технологическим циклом строительства скважины с целью оптимизации процесса бурения, прогнозирования и своевременного предотвращения аварийных ситуаций.

Решением этих задач занимаются информационно-измерительные службы геолого-технологических исследований (ГТИ) скважин в процессе бурения, которые на основе комплексного использования информации о технологических режимных параметрах бурения (свойств бурового раствора, шлама, керна и данных газовой хроматографии) позволяют осуществить единый геологический и технологический контроль за процессом бурения. Однако область применения ГТИ включает, как правило, исследование поисковых, разведочных и опорно-параметрических скважин. Применение ГТИ на эксплуатационных скважинах экономически не всегда целесообразно, и поэтому очень часто эксплуатационное бурение ведется без соответствующего контроля за технологическим процессом, с использованием морально устаревших, разрозненных контрольно-измерительных средств. В связи с этим возникла необходимость создания единых информационно-измерительных систем контроля и управления процессом бурения скважин, работающих в автономном режиме [1, 3].

Для этих целей в АО НПФ "Геофизика" была разработана информационно-измерительная система контроля и управления процессом бурения скважин "Леуза-1" и налажено её серийное производство. Эта система позволяет вести непрерывный контроль и регистрацию основных технологических режимных параметров и путем выбора наиболее оптимальных режимов бурения управлять проводкой нефтяных и газовых скважин [2].

"Леуза-1" представляет собой законченный технологический модуль и может эксплуатироваться как составная часть станции ГТИ, в качестве технологической подсистемы, так и в автономном варианте в качестве пульта бурильщика.

В первом случае система "Леуза-1" используется для модернизации старого, аналогового парка станций ГТИ типа СГТ-1, СГТ-2 и газокаротажных станций типа АГКС-4. Во втором случае система монтируется, эксплуатируется и обслуживается непосредственно самими буровиками и является мощным информационным инструментом как для бурильщика, так и для бурового мастера, и способствует безаварийной, высокоскоростной и, самое главное, технологически безупречной проводке вертикальных и особенно наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Система состоит из комплекта датчиков технологических параметров, информационного табло, сигнального устройства и рабочего места мастера (рис.1, 2).



Рис. 1. Комплект датчиков и информационное табло



Рис. 2. Рабочее место мастера, сигнальное устройство и комплект соединительных кабелей

В базовом варианте комплект датчиков включает в себя: индикатор потока (расхода) промывочной жидкости (ПЖ) на выходе; датчик уровня ПЖ в емкости; датчик плотности ПЖ в емкости; датчик нагрузки на крюке; датчик крутящего момента на роторе; датчик давления ПЖ на входе; датчик ходов насоса; датчик оборотов лебедки (датчик глубины).

Базовый комплект датчиков может быть заменён или дополнен другим набором датчиков.

Во всех датчиках используется унифицированное напряжение ±12 или +5 В. Датчик ходов насоса и датчик оборотов лебедки имеют импульсный выход, а остальные - аналоговый выход с линейной характеристикой.

Сигналы с датчиков поступают на информационное табло (пульт бурильщика), которое конструктивно изготовлено в виде металлического чемодана и монтируется в непосредственной близости от бурильщика.

Информационное табло представляет собой низовую систему сбора и выполняет следующие функции: 

прием сигналов с первичных датчиков; 

визуализация текущей информации на линейных и цифровых индикаторах; 

первичная обработка информации с датчиков (осреднение, фильтрация, отбраковка ошибочных значений параметров); 

анализ выхода за пределы установленных ограничений контролируемых параметров; 

включение звукового и светового сигнала тревоги при выходе контролируемых параметров за пределы установленных ограничений при аварийных и предаварийных ситуациях; 

передача информации по последовательному порту на рабочее место мастера. 

На лицевой панели информационного табло выведены восемь линейных индикаторов и один четырехразрядный цифровой индикатор. Значения измеряемых параметров отображаются на лицевой панели в виде светящихся линейных столбиков. Цифровой индикатор предназначен для отображения текущей глубины забоя.

На панели предусмотрена ручная установка пороговых значений контролируемых параметров. Установка порога срабатывания сигнализации по каждому параметру производится бурильщиком путем вращения ручки соответствующего потенциометра до момента загорания контрольного светодиода. При отклонении значения какого-либо параметра на ±30% от нормального значения на лицевой панели загорается один из светодиодов "выше" или "ниже" и включается сигнал тревоги, сигнализируя выход данного параметра за пределы пороговых значений.

На нижней панели информационного табло установлены тумблеры для включения и выключения питающего напряжения и аварийной сигнализации, а также электрические разъемы для подключения питающего напряжения 220 В, измерительных датчиков, сигнального устройства и соединительного кабеля с рабочего места мастера.

Внутри информационного табло размещены: 

Микроконтроллер в промышленном исполнении - предназначен для первичной обработки информации с датчиков, управления работой цифрового и линейных индикаторов, сигнального устройства и остальных составных частей системы. Через микроконтроллер осуществляется также связь между информационным табло и рабочим местом мастера. 

Модуль УСО - предназначен для ввода и вывода информации, имеет по 16 аналоговых и цифровых входов и до 8 каналов цифро-аналогового преобразования. 

Модуль управления аварийной сигнализацией - имеет 8 входных каналов - по одному на каждый контролируемый параметр, а восьмой канал управляется программно с рабочего места бурильщика. При появлении на одном из входных каналов сигнала тревоги модуль управления включает аварийную сигнализацию, причем она работает до тех пор, пока не устранится причина аварии или сигнализация не будет выключена вручную. 

Блок питания - обеспечивает все узлы системы и измерительные датчики низковольтным стабилизированным напряжением. Блок питания рассчитан на работу при перепадах сетевого напряжения от 85 до 265 В, что обеспечивает бесперебойную работу всей аппаратуры на буровой. Аппаратура на буровой рассчитана на работу при температуре окружающей среды от -45 до +50°С. 

Рабочее место бурового мастера размещается в вагоне мастера или инженера-технолога и включает в себя компьютер (рекомендуется Pentium 166 и выше), цветной принтер типа " HP DeskJet 710" или "Epson Stylus 1500" и соответствующее программное обеспечение. Индикаторное табло и рабочее место мастера связаны двухпроводной линией по интерфейсу RS-485.

В базовый вариант программного обеспечения информационно-измерительной системы "Леуза-1" входят две программы: программа регистрации технологических параметров бурения, работающая в реальном масштабе времени, и программа просмотра и распечатки сохраненных данных. В комплект ПО могут быть включены также программа регистрации и распечатки инклинометрических данных и программа регистрации данных ГТИ, которая является расширенной версией базового ПО регистрации технологических параметров и позволяет дополнительно регистрировать данные газового каротажа и ряд геологических параметров.

ПО регистрации технологических данных предназначено для сбора, хранения и обработки информации, поступающей с датчиков, расположенных на буровой, и позволяет в реальном масштабе времени решить следующие задачи: 

- прием и оперативную обработку информации от датчиков технологических параметров бурения, расположенных на буровой; 

- визуализацию информации на мониторе в виде диаграмм и в табличном виде; 

- формирование базы данных реального времени в масштабах времени, глубины и "исправленной" глубины с дальнейшим сохранением всей информации на жестком диске; 

- расчет и рекомендация наиболее оптимальных нагрузок; 

- выдачу оперативной информации на печать.

Программа включает несколько экранов, позволяющих одновременно получить исчерпывающую информацию как о состоянии скважины и бурового оборудования, так и о техническом состоянии самой информационно-измерительной системы.

Основной экран программы регистрации изображен на рис. 3. Он включает меню, информационную панель, колонки параметров и строку с подсказкой.



Рис. 3. Основной экран программы регистрации

Меню, расположенное в верхней части экрана, представляет собой список ключевых слов: "Рейс", "Операции", "Вид", "Настройки", "Колонки", "Разное", "Отчеты", "Справка". После выбора любого из этих пунктов меню появляется список команд (или пунктов), содержащихся в данном меню. С помощью меню оператор управляет программой, ее действиями и настройкой.

Информационная панель предназначена для отображения такой наиболее важной технологической информации, как наличие веса на крюке и давления, тип операции, положение инструмента и глубина забоя. На информационной панели расположены индикатор оптимальной нагрузки, поле для установки вместимости экрана (промежуток времени, выбранный оператором для вывода информации на экран), часы и кнопки для управления программой.

В колонках в виде графиков и диаграмм отображаются значения контролируемых параметров. С левой стороны, как правило, размещаются две колонки, куда выводятся данные по глубине и по времени. Далее строятся информационные колонки, причем их количество может быть от одной до восьми, они могут быть любой ширины и располагаться в любой последовательности. Данные могут отображаться в масштабе времени и глубины. В верхней части каждой информационной колонки указывается название параметра и диапазоны вывода. Цвет названия совпадает с цветом графика. В колонках помещаются данные, собранные за указанное время. На экран может быть одновременно выведена информация, зарегистрированная за период от 3 мин до 24 ч.

Строка с подсказкой располагается в нижней части экрана и на ней в текстовом виде выводится подсказка по тому элементу экрана, над которым расположен курсор мышки.

Кроме основного экрана имеется несколько дополнительных, в каждом из которых своя форма представления текущей информации (рис. 4).



Рис. 4. Дополнительные экраны ПО регистрации: а) Параметры; б) Циркуляция; в) Журнал событий; г) Табло бурильщика; д) Панель с индикаторами. 

Дополнительные экраны могут быть вызваны через меню "Экраны": 

"Параметры" - вызывает экран, в котором выводятся текущие цифровые значения параметров. Окно представляет собой таблицу, состоящую из двух столбцов. В левом столбце выводится название параметра, а в правом - его числовое значение и единица измерения. 

"Циркуляция" - вызывает экран с мнемоническим изображением всех основных узлов бурового оборудования. На экране в динамике (в виде светящихся и движущихся символов) отображается текущая ситуация на буровой на основании реальных показаний датчиков. Экран отражает наличие давления, положение инструмента над забоем, уровень ПЖ в емкостях, работу насоса. Его вторая функция - отображать результаты диагностики датчиков, т.е. показывать их неисправность. Чтобы перевести экран в режим отображения неисправности датчиков, нужно в меню "Режим" выбрать пункт "Диагностика датчиков". Если датчик исправен, овал с его названием заполнен зеленым цветом, в противном случае название датчика начинает мигать красным цветом. 

"Журнал событий" - вызывает экран со списком событий (аварий, предупреждений и т.д.) Экран содержит таблицу с двумя столбцами: датой и временем и описанием события. Все события, произошедшие во время регистрации, записываются в журнал событий, причем для удобства аварийные события пишутся красным цветом, начало и окончание рейсов - синим, все остальные события - черным. 

"Табло бурильщика" - показания индикаторов идентичны показаниям индикаторов пульта бурильщика на буровой. 

"Отработка долота" - вызывает экран с графиками рейсовой скорости и стоимости метра проходки, по которым оценивается степень износа долота и выдается заключение о необходимости подъема долота. 

"Панель с индикаторами" - вызывает экран, в котором изображено табло, где значения параметров отображены в цифровой форме. Для удобства восприятия табло разделено на три зоны. Первая - наиболее информативна при проведении спуско-подъемных операций. Во второй - размещена группа регистрируемых и расчетных параметров, позволяющих оценить эффективность работы долота на забое. В третьей - отображаются значения параметров промывочной жидкости.

Программа позволяет в реальном масштабе времени рассчитать наиболее оптимальные значения нагрузки. После вызова режима "Расчет оптимальной нагрузки" появляется диалоговое окно, изображенное на рис. 5.



Рис. 5. Расчет оптимальной нагрузки

Синим цветом на экране отображено текущее значение нагрузки, ярко-белая зона соответствует области разгрузки колонны. Красная вертикальная линия проходит через точку оптимальной нагрузки на графике, а заштрихованный зеленый прямоугольник - область наиболее оптимальных значений нагрузки.

В программе регистрации предусмотрена возможность составления и распечатки по стандартным формам различных текстовых отчетов. Например: 

"Печать рапорта по рейсу" - для распечатывания рапорта по предыдущему рейсу. 

"Печать суточного рапорта" - для распечатывания рапорта за предыдущие сутки.

Программа для просмотра сохраненных данных предназначена для последующего просмотра, анализа и интерпретации зарегистрированных данных, записанных предварительно на жесткий диск. Удобная система поиска файлов позволяет быстро найти любую нужную информацию по конкретной скважине за любой интервал времени и глубины.

Информационно-измерительная система "Леуза-1" успешно прошла приёмочные испытания. В настоящее время около 10 систем эксплуатируется в производственном режиме на буровых Уфимского и Туймазинского УБР АНК "Башнефть". В 2000 - 2001 гг. планируется оснастить этими системами все буровые станки АНК "Башнефть".

Список литературы

1. Геолого-технологические исследования скважины в процессе бурения. РД 39-0147716-102-87.

2. Демпси П., 1986, Краткий обзор состояния измерений в процессе бурения: Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, 5, 7-11.

3. Мальцев А.В., Дюков Л.М., 1989, Приборы и средства контроля процесса бурения. Справочное пособие: М., Недра.