СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЗАБОЙНЫХ ПАРАМЕТРОВ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ
METHOD FOR MONITORING BOTTOM-HOLE PARAMETERS DURING WELL DRILLING

Изобретение относится к области строительства глубоких скважин, в частности к способам контроля забойных параметров скважины, и может быть использовано для активной навигации, оперативного выделения и оценки продуктивных пластов, профилактики осложнений, корректировки режимов при роторном и турбинном бурении, в том числе горизонтальных и боковых стволов.
Известен способ контроля забойных параметров в процессе бурения скважины, основанный на использовании электромагнитного или гидравлического канала связи. Способ позволяет в реальном времени при углублении скважины измерять забойные параметры и решать технологические и геологические задачи. Однако этим способом затруднительно контролировать быстрые и одновременно протекающие забойные процессы, требующие больших скоростей передачи измерительной информации на устье скважины [1-3].
Недостатком способа является низкая его информативность особенно при комплексных исследованиях на забое бурящейся скважины, что объясняется использованием каналов связи с низкой пропускной способностью.
Известен способ контроля забойных параметров в процессе бурения скважины, основанный на использовании высокоскоростного кабельно-индуктивного канала связи. В этом способе отрезки кабеля с катушками индуктивности, предварительно жестко закрепленные в муфтовых окончаниях трубы, при наращивании и свинчивании бурильной колонны сближаются и автоматически соединяются через множество, в зависимости от глубины до 500 штук, индуктивных соединителей (трансформаторов) в единый проводной канал. Способ предполагает тщательный электрический контроль каждого индуктивного соединения в процессе наращивании колонны, а также использование модифицированных бурильных труб, промежуточных колонных ретрансляторов с автономным питанием и устьевого вращающегося токосъемника. Вращающийся токосъемник устанавливается до шарового клапана между вертлюгом и квадратом (стволом при верхнем приводе) или выводится кабелем вне колонны через центральную часть вертлюга с помощью лубрикатора [4-6].
Недостатком способа является необходимость использования множества индуктивных соединителей, связанная с этим большая сложность модифицированных бурильных труб и высокая стоимость работ.
Известен способ контроля забойных параметров в процессе бурения скважины, основанный на использовании комбинированного канала связи. Основу телесистемы в этом способе составляют два канала связи: проводной - от забойного прибора до передатчика, и беспроводной - от передатчика до поверхности. Обычный, например, одножильный каротажный кабель связывает через индуктивный соединитель забойный прибор с передатчиком и может быть сколь угодно длинным. Кабель в бурильную колонну труб спускают до забойного прибора на каротажной лебедке в начале разбуривания интервала контроля и закрепляют на устье в переводнике с передатчиком и источником электроэнергии. При углублении скважины на интервале контроля с наращиванием бурильной колонны телесистема сначала передает измеряемые сигналы по кабелю до переводника с передатчиком, а затем по электромагнитному, гидравлическому или акустическому каналу связи транслирует сигнал на поверхностный приемно-регистрирующий комплекс [7, 8].
Недостатком способа является низкая его информативность, особенно при комплексных исследованиях, что объясняется использованием, наряду с проводным каналом, дополнительного канала с низкой пропускной способностью.
Известен способ контроля забойных параметров в процессе бурения скважины, основанный на использовании высокоскоростного кабельного канала связи и включающий углубление скважины на интервале контроля с наращиванием бурильной колонны, спуск на каротажной лебедке и закрепление в колонне на устье нижнего отрезка кабеля, связанного с забойным прибором, ввод в колонну через лубрикатор вертлюга и шаровой клапан верхнего отрезка кабеля, связанного с измерительно-регистрирующей аппаратурой на устье, периодический выбор интервала измерения по забойной информации, получаемой по упрощенному беспроводному, например гидравлическому, каналу связи в ждущем режиме, стыковку-расстыковку через дистанционный соединитель верхнего и нижнего отрезков кабеля, синхронное перемещение колонны буровой лебедкой и кабеля каротажной лебедкой и детальные измерения забойных параметров при углублении скважины. Дистанционный, например, индуктивный соединитель выполнен с возможностью вращения, что позволяет вести измерения непосредственно в процессе углубления скважины и турбиной и ротором. При возможности беспрепятственного наращивания бурильного инструмента в этом способе кабельный канал остается максимально развернутым в колонне и готовым к оперативному соединению через лубрикатор вертлюга для детальных измерений на перспективных интервалах разреза, выбираемых не по устьевой, а по забойной информации. Однако использование беспроводного канала для выбора интервалов измерения усложняет способ и снижает его эффективность ввиду неизбежной потери детальной информации на менее значимых интервалах проходки. Кроме того, необходимость синхронного перемещения колонны буровой лебедкой и кабеля каротажной лебедкой в условиях частых отрывов инструмента от забоя и проработок ствола также осложняет способ и снижает безопасность ведения работ. Более того, при бурении с угрозой нефтегазового выброса прохождение верхнего отрезка кабеля через шаровой клапан затрудняет его работу и может привести к аварии. В этом случае при начале нефтегазопроявления необходимо быстро поднять верхний отрезок кабеля выше шарового клапана, что не всегда возможно сделать из-за ограниченной скорости каротажной лебедки [9].
Недостатком способа является его сложность и низкая эффективность использования, в том числе в аварийных ситуациях.
Цель изобретения - упрощение способа и повышение эффективности его использования, в том числе в аварийных ситуациях.
Поставленная цель достигается тем, что согласно способу контроля забойных параметров в процессе бурения скважины, включающему углубление скважины на интервале контроля с наращиванием бурильной колонны и проработкой ствола скважины до и после наращивания колонны, спуск на каротажной лебедке и закрепление в колонне на устье нижнего отрезка кабеля, связанного с забойным прибором, ввод в колонну через лубрикатор вертлюга и шаровой клапан верхнего отрезка кабеля с помощью дополнительной малогабаритной лебедки, связанного с измерительно-регистрирующей аппаратурой на устье, периодическую стыковку-расстыковку через индуктивный соединитель верхнего и нижнего отрезков кабеля и измерение в процессе углубления скважины забойных параметров с помощью высокоскоростного кабельного канала связи, стыковку-расстыковку верхнего и нижнего отрезков кабеля совмещают с одной из технологических операций в скважине, а именно проработкой ствола при наращивании колонны, и проводят при каждом наращивании в автоматическом режиме с использованием текущих данных бурения, а также малогабаритной лебедки, дополнительно введенной для верхнего отрезка кабеля, имеющего меньшие значения диаметра и прочности, чем нижний отрезок кабеля, при этом малогабаритную лебедку устанавливают над лубрикатором вертлюга и снабжают электродвигателем, тормозом, системой датчиков и блоком управления.
Предлагаемый способ основан на том факте, что верхний отрезок кабеля по сравнению с нижним отрезком работает в более облегченных приповерхностных условиях, где температура, давление, нагрузка и абразивный износ существенно меньше. Это позволяет уменьшить диаметр и прочность верхнего отрезка кабеля, использовать малогабаритную лебедку и автоматизировать процесс измерения при каждом наращивании колонны практически без дополнительных временных затрат. Снижение прочности верхнего отрезка кабеля до приемлемых значений также позволяет без потери времени просто перерезать кабель самим шаровым клапаном при его закрытии в момент угрозы выброса (нефтегазопроявления). При этом верхний отрезок кабеля, рассматриваемый в данном случае как расходный материал, легко может быть заменен новым отрезком с оперативным возобновлением бурения скважины в прежнем режиме. В качестве верхнего отрезка используют, например, бронированный кабель 1H08RB (диаметр 2.15 мм; масса 24 кг/км; разрывное усилие 4 кН), небронированный арамидный кабель КГФАЭФ (диаметр 2.8 мм; масса 14.8 кг/км; разрывное усилие 3 кН), трехжильный арамидный кабель КГФАП или геофизический провод типа ТБП с пониженными значениями массы, габаритов, прочности и цены.
На фиг.1 дана схема устройства для реализации предлагаемого способа, режим наращивания колонны; на фиг.2 - то же, режим углубления скважины и измерения.
В скважину при разбуривании интервала контроля спущена бурильная колонна 1 (фиг.1) с долотом 2 и нижним отрезком 3 обычного, например, одножильного кабеля типа КГ 1 (диаметр 6.3 мм; масса 175 кг/км; разрывное усилие 30 кН), связанного с забойным прибором 4. Нижний отрезок 3 кабеля в колонну 1 спущен на каротажной лебедке (не показано) и закреплен на устье в переводнике 5. Через лубрикатор 6 вертлюга 7 (и шаровой клапан 8) в колонну спущен верхний отрезок 9 кабеля 1H08RB или КГФАЭФ, имеющий существенно меньшие значения диаметра и прочности, чем нижний отрезок 3. Отрезок 9, связанный на устье с измерительно-регистрирующей аппаратурой 10, смотан с барабана 11 дополнительно введенной автономной малогабаритной лебедки. При заданной максимальной длине интервала контроля, например 1000 м, что вполне приемлемо для большинства случаев, барабан 11 с соответствующей емкостью под кабель 1H08RB или КГФАФ получается достаточно малых размеров (порядка 200×300 мм) с возможностью его простой установки над лубрикатором 6 непосредственно на вертлюге 7 при помощи балки 12. Для полной автоматизации работы малогабаритной лебедки ее снабжают электродвигателем 13 с редуктором, тормозом 14, системой датчиков, например, давления нагнетания бурового раствора 15, веса колонны и осевой нагрузки на долото 16, перемещения и натяжения верхнего отрезка кабеля 17, перемещения колонны 18, положения клиньев 19, а также блоком управления 20. Стыковку-расстыковку верхнего и нижнего отрезков кабеля совмещают с проработкой ствола при наращивании колонны и проводят (фиг.2) через вращающийся индуктивный соединитель 21, 22 (возможно использование кабельной вращающейся головки). Блок 20, выполненный на базе программируемого контроллера, распознает по данным датчиков 15-19 заданные технологические операции в скважине, а именно проработки ствола при наращивании колонны, и управляет работой электродвигателя 13, тормоза 14 барабана 11 и соединителя 21, 22 в автоматическом режиме. В отдельных случаях, например, при внезапном проявлении вскрываемого пласта или другом неожиданном осложнении ствола возможен переход на ручное управление устройства по сигналам, подводимым к блоку 20 с рабочего места бурильщика и (или) оператора-геофизика. Блок 20 с аппаратурой 10 и датчиками 15-19 может быть связан радиомодемом. Система датчиков (кроме датчика 17) и блок 20 могут входить в состав более мощного обрабатывающего комплекса, например станции ГТИ. Часть датчиков также может входить в состав забойного прибора 4.
Способ осуществляют следующим образом.
В процессе углубления скважины на интервале контроля нижний отрезок 3 обычного кабеля (фиг.1) с соединителем 22 (и прибором 4) спускают в колонну 1 на каротажной лебедке и закрепляют в переводнике 5 при очередном наращивании инструмента. Верхний отрезок 9 кабеля типа 1H08RB или КГФАЭФ, имеющего меньшие значения диаметра и прочности, чем нижний отрезок 3, сматывают с барабана 11 дополнительно введенной малогабаритной лебедки и заводят вместе с соединителем 21 через лубрикатор 6 (и шаровой клапан 8) в бурильную колонну. Стыковку-расстыковку отрезков кабеля совмещают с проработкой ствола при наращивании и проводят в автоматическом режиме с использованием текущих данных бурения и малогабаритной лебедки. После завершения наращивания инструмента начинают проработку ствола с одновременной стыковкой верхнего 9 и нижнего 3 отрезков кабеля на соединителе 21, 22. В момент включения промывки и подъема колонны над ротором по сигналам датчиков 15, 16 и 19 (увеличению давления нагнетания и веса колонны, а также положению клиньев) блок 20 распознает начало проработки после наращивания и выключает тормоз 14. Верхний соединитель 21 за счет своего гидродинамического сопротивления, разматывая достаточно легкий барабан 11, начинает движение и за время проработки ствола (до касания забоя долотом 2 и начала углубления) стыкуется с предварительным замедлением с ответной частью 22 соединителя (фиг.2). Перемещение кабеля 9 контролируется системой датчиков, при этом в момент появления электрического сигнала стыковки блок 20 включает тормоз 14 барабана 11, исключая перепуск кабеля, а с помощью датчика 17 измеряется и запоминается длина L спущенного до стыковки верхнего отрезка. После проверки работоспособности организованного таким образом проводного канала связи блок 20 дает команду прибору 4 на проведение измерений забойных параметров с привязкой по времени и глубине (с помощью датчика 18) скважины. Далее с использованием высокоскоростного кабельного канала, связывающего забойный прибор 4 с аппаратурой 10 на устье, измеряют практически сколь угодно большой массив данных в реальном времени с возможностью беспрепятственного отрыва инструмента от забоя и проработки ствола при углублении скважины на одну трубу (свечу). В процессе углубления бурильный инструмент беспрепятственно перемещается вместе с отрезками 3, 9 кабеля и барабаном 11 лебедки, установленной на вертлюге 7, а нижний отрезок 3 кабеля дополнительно вращается совместно с колонной (при роторном бурении). Завершение проходки бурильной трубы (свечи) фиксируется датчиками 15 осевой нагрузки на долото и перемещения колонны 18. По этим данным блок 20 распознает начало проработки перед следующим наращиванием колонны, выключает тормоз 14 барабана 11, включает электродвигатель 13 и поднимает за время проработки ствола (до выключения промывки и отвинчивания инструмента на устье) верхний отрезок 9 с соединителем 21 выше шарового клапана 8 (фиг.1). Подъем кабеля контролируется датчиками 15-19 и происходит с предварительным замедлением до верхнего положения, соответствующего длине прежде запомненного значения L. В этом положении блок 20 выключает электродвигатель 13 и включает тормоз 14. Тем временем проводят очередное наращивание бурильной колонны. Следующая стыковка-расстыковка отрезков кабеля на соединителе 21, 22 и измерение забойных параметров происходит в аналогичной последовательности. После разбуривания интервала контроля нижний отрезок 3 кабеля поднимают из колонны 1 на каротажной лебедке, а верхний отрезок 9 вместе с барабаном 11 автономной лебедки демонтируют с вертлюга 7. Проработка ствола скважины при наращивании инструмента обычно составляет 5÷10 мин, что в большинстве случаев достаточно для стыковки-расстыковки кабеля без потери какой-либо информации или дополнительного ожидания. При необходимости в любой момент проводки скважины кабель легко и быстро удаляют из колонны без ее подъема на устье.
Отсутствие необходимости синхронного перемещения колонны буровой лебедкой и кабеля каротажной лебедкой упрощает способ и повышает безопасность работ при возможности автоматизации процесса измерений при каждом наращивании бурильного инструмента. Так как верхний отрезок существенно менее прочен, чем нижний отрезок, то он легко перерезается самим клапаном без потери времени при угрозе нефтегазового выброса. Снижение диаметра (до 2÷3 мм) верхнего отрезка также упрощает конструкцию лубрикатора. Предлагаемый способ обходится минимальным числом индуктивных соединителей и позволяет надежнее контролировать забойные параметры в сложных условиях с помощью высокоскоростного кабельного канала связи. При этом повышается эффективность опережающей навигации, выделения и оценки продуктивных пластов, профилактики осложнений, корректировки режимов при роторном и турбинном бурении, в том числе горизонтальных и боковых стволов.
Источники информации
1. Развитие забойных телесистем с электромагнитным каналом связи. B.П. Чупров и др. НТВ “Каротажник”. АИС. Тверь, 2003. Вып. 113. С. 30.
2. Каротаж в процессе бурения - мифы, реальность, ближайшее будущее. Э.Е. Лукьянов. НТВ “Каротажник”. АИС. Тверь, 2002. Вып. 100. С. 196.
3. Забойная телеметрическая система. Г.А. Григашкин, Варламов С.Е. Пат. РФ №2200835, 2003.
4. Кабельно-индуктивный канал связи для каротажа и технологических измерений в процессе бурения (по материалам зарубежной литературы). C.М. Аксельрод. НТВ “Каротажник”. АИС. Тверь, 2011. Вып. 4. С. 100.
5. Система передачи электрической энергии и информации в колонне стыкующихся труб. С.Ф. Коновалов, Дэвид Д.М., Полунин А.Б. Пат. РФ №2040691, 1995. 6.
6. Секция снабженной проводами колонны труб (варианты) и индуктивное устройство связи для нее. Ж. Жюнд и др. Пат. РФ №2304718, 2007.
7. Забойная телеметрическая система. В.Н. Беляков и др. Пат. РФ №2140539, 1999.
8. Опыт эксплуатации телесистемы с комбинированным каналом связи. В.П. Чупров и др. НТВ “Каротажник”. АИС. Тверь, 2011. Вып. 5. С. 5.
9. Способ контроля забойных параметров скважины. С.Г. Фурсин. Пат. РФ №2289690, 2006, Е21В 47/12 (прототип).