УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГОРНЫХ ПОРОД В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ

Полезная модель (система СКПБ) относится к области измерения геофизических параметров в процессе бурения (LWD).
Существующие комплексы ГИС на геофизическом кабеле (wireline), включающие наземную регистрирующую станцию и набор приборов различных геофизических методов, несмотря на максимально возможную информативность и высокое качество измерений технология проведения ГИС на кабеле имеет ряд принципиальных недостатков:
- существенно удлиняет процесс строительства скважины, так как измерения проводятся после завершения бурения либо в паузах между бурением измерения
- проводятся в пластах, свойства которых существенно изменены в результате бурения.
- применение ограничивается вертикальными и слабонаклонными скважинами, а для сильнонаклонных и горизонтальных скважин требуются специализированные дорогостоящие средства доставки - скважинные тракторы, челноки и т.п.
- слабые несущие свойства приборов ограничивают их применение в скважинах со сложными геологическими условиями, включая сильнонаклонные и горизонтальные.
В российской геофизике успешно эксплуатируются автономные комплексы (memory tools) отечественного производства на бурильных трубах, представляющие собой набор скважинных геофизических модулей и наземное оборудование. По информативности и качеству измерений они приближаются к комплексам на кабеле и перекрывают последние в спектре исследуемых скважин, включая горизонтальные и осложненные, обладая большей несущей способностью. Однако им также присущи первые два из вышеуказанных недостатков, которые являются ключевыми с точки зрения адекватности измерений и сокращения временных и финансовых затрат на строительство скважины.
Система каротажа в процессе бурения предусматривает включение в состав бурильной компоновки дополнительно к беспроводному каналу связи, набора измерительных модулей различных методов геофизических исследований скважин. Измерения осуществляются в режиме реального времени, не измененного бурением разреза скважины. Наиболее значимые параметры передаются на поверхность по беспроводному каналу связи и одновременно фиксируются во внутренней памяти модулей, обрабатываются встроенным процессором, и затем используются после окончания бурения для получения полной информации о количественных параметрах разреза скважины. Все модули имеют автономное питание и полностью адаптированы к технологии бурения с точки зрения прочностных, гидравлических показателей. Полнота и адекватность информации о свойствах пластов обеспечивает сокращение времени на весь цикл работ по строительству скважины, позволяя в конечном итоге существенно снизить суммарные затраты.
Известно устройство «Способ электромагнитного каротажа скважин в процессе бурения и способ его реализации» (Патент RU 2199008, опубл.: 16.08.2000.) содержащее телеметрическую систему с беспроводным электромагнитным каналом связи с зондом электромагнитного каротажа.
Наиболее близким аналогом является устройство для измерения геофизических и технологических параметров в процессе бурения с электромагнитным каналом связи (Патент RU 128897 U, опубл.: 03.09.2013.), содержащее забойную телеметрическую систему (ЗТС), включающую бурильную колонну, корпус, блок питания, измерительные модули, приемопередающий модуль, электрический разделитель, выполненный в виде отдельного переводника, а также установленный непосредственно над долотом наддолотный модуль, состоящий из корпуса с центральным промывочным отверстием, на котором размещен центральный электрод, расположенный между изоляторами и электрически изолированный от корпуса, при этом в корпусе наддолотного модуля расположены электрические схемы, измерительные датчики, источник питания и передающее устройство, отличающееся тем, что наддолотный модуль снабжен зондом измерения удельного электрического сопротивления (УЭС) пласта, включающим измеритель тока, соединенный с низом бурильной колонны и центральным электродом указанного модуля, и измеритель разности потенциалов между низом бурильной колонны и центральным электродом указанного модуля, при этом выходы измерителя тока и указанного измерителя разности потенциалов соединены с выходным узлом передающего устройства наддолотного модуля.
Недостатком данных устройств является измерение только электрофизических параметров, которые не отражают все свойства горных пород проходимых скважиной в процессе бурения, как для целей геонавигации (MWD), так и для каротажа в процессе бурения (LWD) в силу своей малой информативности, из-за применения простых зондовых устройств, на которые влияют в сильной степени скважинные условия, минерализация бурового раствора. Отсутствие направленности измерений, не позволяет достоверно определить траекторию проводки скважины относительно выше и ниже лежащих пластов.
Полезная модель решает задачу существенного увеличения информативности измерений геофизических параметров, и, соответственно, точности геонавигации в процессе бурения, за счет включения в состав бурильной компоновки набора различных геофизических модулей.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности геонавигации в процессе бурения, что исключает задалживание скважины для дополнительного проведения геофизических исследований.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлено устройство для измерения геофизических параметров горных пород в процессе бурения, содержащее забойную телеметрическую систему (ЗТС), включающую бурильную колонну, винтозабойный двигатель, долото, измерительные модули, приемопередающий модуль, канал промывки, отличающееся тем, что к винтозабойному двигателю, соединенному с долотом, закреплена с помощью замковой резьбы ЗТС, сверху которой последовательно установлены измерительные модули, измерительные модули имеют встроенную память и автономное электропитание, причем среди измерительных модулей модуль нейтрон-нейтронного каротажа (НКПБ) расположен вверху связки измерительных модулей для извлечения активного источника нейтронов в случае аварии, а комплексный модуль акустического каротажа (АКПБ) установлен самым нижним из модулей для более точной корректировки направления бурения, причем электрический контакт между измерительными модулями и ЗТС выполнен посредством электрических соединителей по двухпроводной гальванически-изолированной несимметричной двунаправленной полудуплексной шине, с образованием герметичного от внешней среды соединения, а канал промывки выполнен с возможностью прокачки бурового раствора, во время бурения.
Устройство для измерения геофизических параметров горных пород в процессе бурения содержит измерительные модули: комплексный модуль акустического каротажа (АКПБ), модуль селективного трехзондового бокового электрического каротажа (ЭКПБ-С), модуль гамма-гамма каротажа (ГГКПБ), модуль электромагнитного техзондового каротажа (ЭМКПБ), модуль нейтрон-нейтронного каротажа (НКПБ).
Канал промывки выполнен кольцевым между кожухом электроники и контейнером или по центральному каналу.
Предпочтительно, каждый измерительный модуль имеет высокопроизводительный процессор, с возможностью гибкого программирования работы с помощью подключения по интерфейсу ETHERNET или RS-485 к ноутбуку, под управлением операционной системы, а также содержит программное обеспечение, функцией которого является регистрация, обработка данных, вычисление основных параметров.
Повышение точности геонавигации и повышение информативности измерений свойств пласта в процессе бурения достигается следующим образом.
За счет того, что к винтозабойному двигателю, соединенному с долотом, закреплена с помощью замковой резьбы ЗТС, сверху которой последовательно установлены измерительные модули, обеспечивается модульность и возможность при необходимости быстро и легко менять местами модули при различных целях и задач геофизических измерений, что позволяет повысить точность измерений, когда очередность установки определенных модулей имеет значение.
За счет того, что каждый модуль имеет встроенную память и автономное электропитание, в память модулей пишутся первичные данные, из которых вычисляются конечные параметры. Частота записи первичных данных намного больше, чем данных, которые передаются на поверхность, что позволяет отразить более детальное расчленение по глубине и скорректировать данные полученные в режиме On-Line.
За счет того, что среди измерительных модулей модуль нейтрон-нейтронного каротажа (НКПБ) расположен вверху связки измерительных модулей удается извлекать активный источник нейтронов в случае аварии. Если активный источник нейтронов в случае аварии не удастся извлечь, возможность дальнейшего бурения и геофизического изучения скважины исключена.
За счет того, что комплексный модуль акустического каротажа (АКПБ) установлен самым нижним из модулей обеспечивается более точная корректировка направления бурения, что в целом также способствует повышению точности измерения при последующем сопоставлении результатов измерений с координатами координатами расположения долота.
За счет того, что электрический контакт установлен между измерительными модулями и ЗТС и выполнен посредством электрических соединителей по двухпроводной гальванически-изолированной несимметричной двунаправленной полудуплексной шине, с образованием герметичного от внешней среды соединения, удается исключить сложную схему соединения контактов в наддолотонном модуле, как в прототипе, где электрический разделитель, выполнен в виде отдельного переводника, а также установлен непосредственно над долотом наддолотный модуль, состоящий из корпуса с центральным промывочным отверстием, на котором размещен центральный электрод, расположенный между изоляторами и электрически изолированный от корпуса, при этом в корпусе наддолотного модуля расположены электрические схемы. Вместо этой сложной схемы над долотом установлен винтовой забойный двигатель, с помощь которого под воздействием потока промывочной жидкости происходит вращение долота. При этом канал промывки выполнен с возможностью прокачки бурового раствора, во время бурения. Это все в целом позволяет отказаться от установки электрических схем в зоне наддолотонного модуля, который связан с механизмом бурения и может вызвать обрыв или замыкание электрических цепей при попадании бура на жесткие породы, создающие сильные вибрации долота. Благодаря чему процесс геофизических измерений осуществляется без сбоев в электрической системе бурильной установке и стабилен, а это в целом сказывается на повышение точности измерений.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показана система СКПБ. На Фиг. 1 показаны: 1 - Долото. 2 - Винтовой забойный двигатель с помощь которого, под воздействием потока промывочной жидкости, происходит вращение долота. 3 - Забойная телеметрическая система ЗТС беспроводного канала связи, которая, выдает команды запроса измерений в модули, собирает эти данные и по инфра-низкочастотному каналу связи передает на поверхность. 4 - Комплексный модуль акустического каротажа (АКПБ). Модуль предназначен для проведения каротажа с целью определения кинематических (скоростных) свойств породы, вскрытой скважиной. Кроме того, модуль предназначен для акустической геолокации путем регистрации отраженных волн, возбуждаемых в специальном режиме излучения в направлении акустически контрастных границ пласта, а также вычисления в реальном времени расстояния до границ. 5 - Модуль селективного трехзондового бокового электрического каротажа (ЭКПБ-С). Модуль предназначен для сканирования и определения удельного электрического сопротивления горных пород, проходимых скважиной по 4 направлениям, с получением данных о приближении ствола скважины к кровле или подошве бурящегося горизонта. 6 - Модуль гамма-гамма каротажа (ГГКПБ). Модуль предназначен для определения плотности и литологии пород, с помощью трех зондов расположенных по радиусу через 120 градусов, для обеспечения прилегания зондового устройства к стенке скважины и вычисления реальной плотности. 7 - Модуль электромагнитного техзондового каротажа (ЭМКПБ). Модуль предназначен для определения УЭС пород проходимых скважиной с помощью трех зондов разной глубинности и вычисления истинного удельного сопротивления пласта. 8 - Модуль нейтрон-нейтронного каротажа (НКПБ). Модуль предназначен для определения водородосодержания горной породы методом двухзондового ННК и оценки пористости. Конструкция модуля обеспечивает извлечение источника в случае аварии. 9 - Колонна бурильных труб, 10 - электрические соединители. Прием сигналов осуществляется через антенну - 11. 12 - Компьютер с программным обеспечением предназначен для обработки полученных данных и выводе на монитор 13. 14 - Устройство сопряжения с объектом, предназначенное для принятия сигналов от телеметрии и передачи их в обработку в компьютер.
На Фиг. 2 показан пример сборки узлов и модулей полезной модели в порядке их расположения относительно друг друга.
На Фиг. 3 показан алгоритм работы полезной модели в виде схемы. Осуществление полезной модели
К винтозабойному двигателю 2, соединенным с долотом 1, крепится с помощью замковой резьбы забойная телеметрическая система (ЗТС) 3, сверху которой последовательно монтируются измерительные модули - АКПБ - 4, ЭКПБ - 5, ГГКПБ - 6, ЭМКПБ - 7, НКПБ - 8 и колонна бурильных труб - 9. Электрический контакт между модулями и ЗТС обеспечивается за счет электрических соединителей - 10. При скручивании резьбовых окончаний модулей с друг другом и с телеметрией, модули через соединители - 10 подключаются по двухпроводной гальванически-изолированной несимметричной двунаправленной полудуплексной шине, с образованием герметичного от внешней среды соединения.
Прокачка бурового раствора, во время бурения, в модулях осуществляется по каналу промывки, который в зависимости от конструкции модуля, может быть кольцевой между кожухом электроники и контейнером или по центральному каналу. Модули могут подключаться как сверху так и снизу телеметрии, за исключением модуля НКПБ, который располагается вверху связки, после колонны бурильных труб, для извлечения активного источника нейтронов в случае аварии. Модуль АКПБ является самым нижним из модулей для более точной корректировки направления бурения. Длины модулей представлены на Фиг. 2 в метрах как примеры расстояний между различными модулями.
Каждый модуль имеет встроенную память и автономное электропитание, высокопроизводительный процессор, с возможность гибкого программирования работы перед работой с помощью подключения по интерфейсу ETHERNET или RS-485 к ноутбуку, под управлением операционной системы WINDOWS, а также программное обеспечение, предназначенное для регистрации, обработки данных, вычисления основных параметров измерений.
Система СКПБ работает следующим образом см. Фиг. 3. На скважине, с помощью полевого компьютера (ПК), в котором находится программное обеспечение нижнего уровня, каждый модуль программируются на работу с проверкой всех необходимых настроек. Включение модулей производится при установке запускающих перемычек, а ЗТС-блока аккумуляторов. Последовательно, на устье скважины производится сборка и спуск модулей СКПБ. После зарядки источника в НКПБ наворачиваются бурильные трубы.
Происходит спуск бурильной компоновки (см. Фиг. 1) на текущий забой с включением насосов, для создания течения буровой жидкости по каналу промывки. Буровая жидкость вращает винт забойного двигателя и прикрепленное к нему долото. При бурении производятся измерения первичных параметров в каротажных модулях, внутримодульная обработка и вычисления геофизических параметров с помощью хранящихся в памяти коэффициентов, метрологических зависимостей, формул и алгоритмов, кодирование и сжатие полученных параметров. ЗТС 1 циклично и поочередно опрашивает модули 3, 4, 5, 6, 7 с использованием уникальных адресов по шине RS-485 - 2, получает данные, формирует их по кадрам, которые передает циклами по беспроводному каналу связи - 8 на поверхность. Одновременно, вся регистрируемая информация записывается в память каждого модуля с интервалом от 1 до 20 сек. заданным при программировании перед работой.
На устье скважины, устройство сопряжения с объектом - 14 (УСО) поверхностной телеметрии принимает данные и передает их по интерфейсу USB в полевой вычислительный комплекс - 12 (ПВК), под управлением операционной системы WINDOWS. Все принимаемые данные регистрируются и выводятся на монитор - 13 в реальном времени в виде уже декодированных физических величин, таких как УЭС по 4 направлениям, УЭС электромагнитного зонда, Кп - коэффициет пористости, G - плотность породы, Δt - интервальные времена продольной и поперечной волны, S - расстояние до границ вмещающих пород.
После извлечения приборов из скважины, подключается ПК и происходит считывание всех зарегистрированных данных, в том числе и переданных на поверхность. В память модулей пишутся первичные данные, из которых вычисляются конечные параметры. Частота записи первичных данных намного больше, чем данных, которые передаются на поверхность, что позволяет отразить более детальное расчленение по глубине. Данная информация позволяет скорректировать данные полученные в режиме On-Line.
Для достижения информативности, в части свойств горных пород, проходимых скважиной в процессе бурения, необходимо использовать систему СКПБ, состав и устройство которой приведено выше, которая может измерять различные физические параметры горных пород. На основании данных полученных от каждого модуля, можно получить достоверную информацию о свойствах горных пород, для решения задач геонавигации (МWD). Приведенный выше комплекс» Системы СКПБ» позволяет качественно решить не только задачи Геонавигации, но и решить вопрос получения геофизической информации в процессе бурения (LWD), что исключает задалживание скважины для дополнительного проведения геофизических исследований.