Мобильная станция геолого-технологических исследований для супервайзера
MOBILE STATION OF GEOLOGICAL AND TECHNOLOGICAL RESEARCH FOR SUPERVISOR

Область техники
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к информационно-измерительным системам с расширенными инженерными функциями для проведения геолого-технологических исследований нефтяных и газовых скважин.
Уровень техники
Известно устройство для контроля процесса бурения (заявка RU №94011511), которое включает датчики для измерения веса бурового инструмента, давления рабочей жидкости, расхода бурового раствора, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и блок питания.
Известна мобильная станция контроля параметров бурения (RU №2380533, опубл. 27.01.2010), которая отличается главным образом наличием возможности создания архивов сигналов, поступающих с датчиков, возможности передачи данных в диспетчерские центры или на съемные носители, а также представляет собой малогабаритное переносное устройство с малым весом. Данная станция выбрана в качестве прототипа.
Недостатками прототипа является то, что станция предназначена только для контроля параметров бурения и не может использоваться без изменений при сопровождении текущего и капитального ремонта скважин (ТиКРС); отсутствует система управления рисками с алгоритмами оценки эффективности операций и раннего распознавания и предупреждения осложнений и аварий; не предусмотрена возможность полноценного удаленного конфигурирования и управления оборудованием станции.
Известна мобильная метрологическая лаборатория геолого-технологических исследований (RU №144149, опубл. 10.08.2014), которая предназначена для испытаний и калибровки измерительных каналов станции геолого-технологических исследований (ГТИ) и характеризуется тем, что метрологическое оборудование лаборатории размещено в утепленном корпусе, снабженном средствами жизнеобеспечения и ее автономной работы, а корпус лаборатории выполнен в виде кузова, контейнера или фургона с возможностью самопередвижения или транспортировки наземным, водным и воздушным транспортом.
Данная лаборатория предусматривает возможность мобильного перемещения и проведения работ в круглосуточном режиме, однако ее назначение - метрология, поэтому применение лаборатории для ГТИ на скважинах не представляется возможным.
Сущность изобретения
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение технико-экономических показателей бурения и внутрискважинных работ за счет снижения рисков аварий и осложнений, времени на их ликвидацию, совмещения профессий оператора ГТИ и супервайзера (геосупервайзинга).
Технический результат достигается тем, что мобильная станция геолого-технологических исследований нефтяных и газовых скважин, содержащая датчики для измерения веса инструмента, давления рабочей жидкости, расхода технологической жидкости, АЦП, блок питания, согласно изобретению обеспечивает проведение супервайзером инструментального контроля бурения скважин, освоения, ТиКРС благодаря технологической возможности удаленного конфигурирования и управления оборудованием станции из ситуационного центра на любом удалении, кроме того, обеспечен удаленный мониторинг ГТИ в режиме реального времени. Станция состоит из размещаемого на буровой площадке оборудования и технического комплекса оператора.
Размещаемое на буровой площадке оборудование включает:
блок сбора данных, который содержит контроллеры с дискретным входом и счетчиком импульсов, модули аналогового и цифрового ввода, медиаконвертер, Ethernet-маршрутизаторы;
блок табло бурильщика с автономной системой визуализации и аварийного хранения данных;
при этом все блоки сбора данных и табло бурильщика соединены между собой сегментами Ethernet с применением кольцевой топологии по протоколу RSTP для исключения потери данных при обрыве сегмента;
блок громкоговорящей связи на базе SIP-протокола;
блок видеозаписи на основе IP-видеокамер;
систему наземных датчиков, включающих необходимое при ремонте скважин модульное устройство подключения датчиков ГТИ, датчик оборотов лебедки, газоанализаторы.
Технический комплекс оператора станции предназначен для автоматического распознавания, контроля и анализа операций бурения или ремонта скважин, качества данных ГТИ, формирования отчетов, включает:
систему управления рисками с алгоритмами оценки эффективности операций и раннего распознавания и предупреждения осложнений;
сервера супервайзера-оператора ГТИ;
антенного блока для обеспечения связи с ситуационным центром, состоящего из встроенной антенны и модема, работающих в диапазоне GSM, 3G, LTE с усилением до 14 дБ, и Ethernet-маршрутизатора, причем антенный блок подключается к серверу супервайзера-оператора ГТИ одним кабелем UTP с применением технологии питания РоЕ, предусмотрена возможность подключения дополнительного модема и двух выносных направленных антенн для дальнейшего усиления антенного тракта до 18 дБ и более (в зависимости от конструкции антенн);
Все размещаемое на буровой площадке оборудование подключено к техническому комплексу оператора одной волоконно-оптической линией коммуникации с резервным беспроводным каналом связи, оснащенной медным проводящим каналом для электропитания, либо в случае отсутствия высоких требований к скорости и качеству передачи данных линия имеет только медные кабели питания для передачи данных по ним.
Программно-аппаратная реализация станции выполнена с использованием сетевых технологий TCP/IP.
Мобильная станция ГТИ супервайзера выполнена с возможностью размещения технического комплекса оператора станции, а при транспортировке и всего размещаемого на буровой площадке оборудования станции, в вагоне-доме супервайзера или в малогабаритном транспортном средстве (полноприводном легковом автомобиле пикапе с закрытой грузовой платформой или грузовом фургоне повышенной проходимости длиной не более 450 см и шириной не более 210 см), оборудованном средствами жизнеобеспечения с целью проведения услуг супервайзинга с ГТИ (геосупервайзинга) в круглосуточном круглогодичном режиме. В зависимости от решаемых задач станция предусматривает возможность подключения забойной телеметрической системы и дополнительных датчиков для геологических, технологических, геофизических задач. В целях безопасности проведения работ весь комплект размещаемого на буровой площадке оборудования станции может быть выполнен низковольтным.
Описание
Сущность изобретения поясняется схемами, графиками, фотографиями на фиг. 1-5.
На фиг. 1 представлена блок-схема мобильной станции ГТИ для супервайзера.
Одним из основных технических результатов является возможность удаленного конфигурирования оборудования станции благодаря использованию при реализации программной и аппаратной составляющих станции специализированных сетевых технологий, а именно протокола TCP/IP и поддерживающих этот стандарт устройств, антенного блока 11, работающего в диапазоне GSM, 3G, LTE с усилением до 18 дБ и более. При необходимости применяется станция спутниковой связи Ku или Ka диапазона. Тем самым обеспечивается удаленное управление - доступ к любому устройству, компоненту станции для проверки, настройки, калибровки, подключения/отключения и прочих необходимых операций, а также удаленный контроль и мониторинг ГТИ. Предусмотрены аварийное хранение данных на буровой площадке 7, резервное кольцо на базе протокола RSTP для исключения потери данных при обрыве линии связи между блоками станции, единый оптический канал связи технического комплекса оператора 14 с выносным оборудованием 1-6 станции. Не менее важными особенностями предлагаемого изобретения являются мобильность станции и применение системы управления рисками 10.
Все оборудование станции выполнено в компактном исполнении. Так, технический комплекс оператора станции 14 в составе сервера супервайзера-оператора 9 с антенным блоком 11 и блоком питания 12 изготовлен с возможностью размещения в пассажирском отсеке малогабаритного транспортного средства 8, представляющего собой полноприводный легковой автомобиль пикап с закрытой грузовой платформой или малогабаритный грузовой фургон повышенной проходимости длиной не более 450 см шириной не более 210 см. В багажном 20 и грузовом 21 отсеках транспортного средства 8 при переезде размещается все выносное оборудование: система наземных датчиков 1, при необходимости - забойная телеметрическая система (ЗТС) 2, блоки сбора данных 3, табло бурильщика 4, блок громкоговорящей связи 5, блок видеозаписи 6. Транспортное средство 8 может быть представлено вагоном-домом супервайзера, что допускается в случае проведения длительных многодневных работ на скважине.
i
i
i
Система управления рисками 10 предназначена для раннего распознавания и предотвращения рисков осложнений и аварийных ситуаций, производит идентификацию операций бурения, освоения, ТиКРС, оснащена алгоритмами контроля и анализа операций, оценки их эффективности, контроля качества измерений ГТИ. Система управления рисков 10 синхронизирована и удаленно взаимодействует с базой знаний 13. База знаний 13 формируется по скважинам и месторождениям, содержит данные по конструкциям и траекториям скважин, применяемым технологиям внутрискважинных работ, характеристикам оборудования, геолого-геофизические и супервайзинговые данные. Система управления рисками 10 включает различные модели анализа рисков. К примеру, в модели риска слома бурильного элемента из-за усталостного износа, с использованием которой определяется надежность элементов и срок службы при разных механических параметрах, используется кумулятивная модель, где k - это количество разных уровней напряжения, N - количество циклов до слома при i-м напряжении S, n - количество кумулятивных напряжений Si (фиг. 5), отработанный срок службы исследуемого объекта C рассчитывается следующим образом:
..
На фиг. 2 представлен пассажирский отсек транспортного средства 8. В пассажирском отсеке оборудуется комбинированная зона работы и отдыха, размещаются средства жизнеобеспечения и сервер супервайзера-оператора 9 в составе персонального компьютера, мониторов, встроенной автоматической телефонной станции, систем бесперебойного питания, связи, маршрутизации, прочего электронного оборудования, программного обеспечения для приема и передачи данных телеметрии, визуализации данных измерений ГТИ и видеоизображения в реальном времени, архивного хранения файлов, автоматического формирования отчетности, программно-аппаратные компоненты удаленной связи, с системой управления рисками 10 и антенным блоком 11. Возможны различные варианты компоновки, один из них: вместо трех задних кресел устанавливается узкий откидывающийся топчан 15 на всю длину - спальное место, вместо двух боковых кресел устанавливаются вплотную к топчану 15 два рабочих кресла, мониторы станции закрепляются на передней стенке пассажирского отсека, перед каждым рабочим местом устанавливается складной столик 16, компьютерное оборудование фиксируется под топчан 15, допускается применение портативного компьютера (ноутбука). В данном отсеке организовано несколько шкафов, находятся электронагреватели (ТЭНы), сплит-система для поддержания достаточно комфортной температуры, встроенный умывальник.
На фиг. 3 представлено необходимое при освоении ТиКРС модульное устройство (в сборе) для подключения датчиков давления и расхода в линию манифольда и в линию затрубного пространства. Комплект включает: оборудованную винтом быстроразъемного соединения (БРС) насосно-компрессорную трубу (НКТ) 17 и НКТ с конусом БРС 18, стакан 19 с посадочным местом для установки датчика давления с резьбой 1/4ʺ-18 NPT. Стакан оборудован системой изоляции для предотвращения повреждения датчика, в том числе при опрессовке линии, и выполнен в форме куба для удобства размещения и фиксации к замку в багажном отсеке 20. Применение данного устройства предназначено не только для беспрепятственного подключения датчиков давления в манифольде или в линии затрубного пространства в случае отсутствия на трубопроводе мест под установку манометров, но и для закрепления на ней расходомера накладного типа без необходимости регулярной переустановки на новые трубы различных линий, тем самым повышается скорость, удобство и надежность монтажа, снижается темп износа расходомера.
На фиг. 4 представлены багажная секция 20 и грузовой отсек 21 транспортного средства 8.
В специально оснащенном экспедиционном багажном отсеке 20 на крыше транспортного средства 8 размещается оборудование длиной более 150 см: крупногабаритные датчики, необходимое при ТиКРС модульное устройство для подключения датчиков давления и расхода (фиг. 3), информационные кабели, ЗТС 2 (при необходимости), может быть размещен комплект спутниковой станции (при необходимости). Багажный отсек 20 снабжен подготовленными местами под размер оборудования, для удобного доступа, с закрепленными жгутами и специальными трубами со встроенными замками для быстрого извлечения оборудования.
В грузовом отсеке 21 размещаются малогабаритные датчики, блок сбора данных 3, табло бурильщика 4, блок громкоговорящей связи 5, блок видеозаписи 6, оптический кабель, кабели питания. Грузовой отсек 21 разделен на уровни, закреплены стеллажи, снабженные ремнями и багажными жгутами для крепления. В грузовом отсеке 21 установлены: ТЭН для поддержания оптимальной температуры в зимних условиях, электрощит для подключения к внешнему электропитанию и система бесперебойного питания оборудования станции.
2
Поскольку станция рассчитана не только на выполнение ГТИ при длительных операциях бурения, освоения, ТиКРС, предполагающих работу в течение нескольких дней, но и на геолого-технологические исследования при подземном ремонте скважин, при определенных технологических операциях, предполагающих работу в течение нескольких часов, включая заезд, разворачивание станции, непосредственно исследования, сворачивание и отъезд, то станция ГТИ супервайзера реализована полностью автономной, имеет единую систему для подключения внешнего питания с 3-х жильным кабелем длиной не менее 100 м с сечением не менее 2,5 мм, в грузовом отсеке 21 транспортного средства 8 установлены приспособления для автоматических разматывающих устройств - для быстрого подключения к электрической сети и соединения технического комплекса оператора 14 с оборудованием на буровой площадке 7. Поскольку основное время при установке станций ГТИ на объекте (также как и при сборке станций после завершения работ) затрачивается на растягивание кабелей различного назначения, предлагаемое изобретение позволяет значительно уменьшить время благодаря автоматизации процесса размотки/смотки и подключения всего выносного оборудования 1-6 станции к техническому комплексу оператора 14 единственным оптическим кабелем. Разматывающее устройство 22 является съемным с возможностью жесткой фиксации в грузовом отсеке 21 и поворота при размотке/смотке кабелей. Возможны механические варианты исполнения разматывающих устройств, один из них: для уменьшения веса используется два квадратных алюминиевых профиля 4×4×0,2 см длиной не менее 130 см, соединенных горизонтально расположенными двумя железными трубами длиной 100 см с приваренными переходниками для вставки ручки вращения, нижняя труба используется для намотки силового кабеля, верхняя - для коммуникационного оптического.
Мобильный сервис с применением изобретения позволяет осуществлять новый метод управления, организации контроля при бурении и ТиКРС путем объединения служб супервайзинга и ГТИ (услуги геосупервайзинга). Станция работает в полуавтоматическом режиме, контроль ГТИ производится супервайзером и удаленно оператором, оператор ситуационного центра 13 также имеет возможность своевременного удаленного управления и конфигурации компонентов станции в случае технической невозможности данных действий супервайзером на объекте. Ситуационный центр 13 взаимодействует одновременно с несколькими объектами бурения или ТиКРС. Снижается зависимость безаварийности работ от квалификации полевого специалиста: супервайзера-оператора ГТИ.
Благодаря использованию специализированных сетевых технологий TCP/IP при разработке технических решений предлагаемого изобретения, аппаратно-программное устройство станции ГТИ супервайзера предлагает использование только одного коммуникационного кабеля для соединения технического комплекса оператора 14 с комплексом выносных блоков 1-6 станции, в том числе блоками громкоговорящей связи 5 и видеозаписи 6. Кабель ВОЛС (волоконно-оптическая линия связи) выполнен бронированным, имеет от 4-х до 8-и волокон, широкую полосу пропускания от несколько гигабит в секунду по одному волокну и более, высокую помехозащищенность, высокую защищенность от несанкционированного доступа, невосприимчивость к электромагнитным помехам со стороны окружающих медно-кабельных систем, электрического оборудования, линий электропередач, электродвигателей и др. ВОЛС может быть оснащена медным проводящим элементом, в этом случае питание размещаемого на буровой площадке 7 оборудования и передача данных производятся по одному комбинированному медно-оптоволоконному кабелю. При использовании ВОЛС без медных проводящих элементов, питание размещаемого на буровой площадке 7 оборудования производится независимым кабелем питания. Блок громкоговорящей связи 5 на базе SIP-протокола содержит рупор со встроенным микрофоном, допускается подключение панели кнопок для связи с двумя и более абонентами. Блок видеозаписи 6 включает IP-видеокамеру и термокожух. При отсутствии высоких требований к скорости и качеству передачи данных волоконно-оптическая линия связи между техническим комплексом оператора 14 и оборудованием на буровой площадке 7 может быть заменена на систему передачи данных по медным кабелям питания, например, Power Line Communication или Digital Power Line.
Блок сбора данных 3 состоит из главного концентратора (устанавливается вблизи устья скважины) и емкостных концентраторов (устанавливаются вблизи емкостей технологических жидкостей). Во избежание потери данных все концентраторы блока сбора 3 и табло бурильщика 4 соединены кольцом Ethernet (фиг. 1). Аппаратно-программное обеспечение табло бурильщика 4 обеспечивает автономное резервное хранение измерений и видеоданных, визуализацию данных измерений ГТИ: реализован режим «по умолчанию» и режим конфигурации отображаемых данных, графиков и диаграмм, - настройка может производиться непосредственно буровым мастером на объекте или удаленно. Данные с буровой площадки 7 могут передаваться на сервер супервайзера-оператора 9 по средствам беспроводного (wi-fi) канала связи, работающего в режиме моста. Данные с сервера супервайзера 9 транслируются в реальном времени на web-портал и в ситуационный центр 13. Web-портал 13 способен анализировать данные станций ГТИ сторонних производителей, в том числе переданных в стандартных форматах WITS, WITSML, LAS.
Компоновка станции ГТИ выполнена с учетом работы в регионах крайнего Севера, имеет системы обогрева и охлаждения.
Изобретение используется следующим образом.
Специально оборудованное средствами жизнеобеспечения транспортное средство 8, укомплектованное сервером супервайзера-оператора 9 с системой управления рисками 10, антенным блоком 11, блоком питания 12, в составе экипажа станции выезжает на объект, определенный Центральной инженерно-технологической или диспетчерской службой заказчика. После прибытия производится установка и запуск станции. Экипаж станции включает одного специалиста: супервайзера-оператора ГТИ, в зависимости от поставленных задач и сроков выполнения услуг экипаж может быть дополнен вторым специалистом: инженером-технологом.
Установка системы наземных датчиков 1. Датчик веса инструмента устанавливается накладным способом на тросе подъемного механизма (например, на мертвом конце талевой системы). При бурении датчик веса подает сигнал о нагрузке, создаваемой весом бурильных труб на долото. Контроль данного параметра при бурении обеспечивает поддержание оптимальной механической скорости бурения, сохранение устойчивости бурильной колонны, предотвращение прихватов; при ремонте скважин контролируются операции фрезерования, разбуривания цементных мостов, расхаживания инструмента и пр. Датчик веса является одним из базовых в ГТИ, наряду с устанавливаемыми датчиками оборотов лебедки (глубиномером), давления и расхода технологической (промывочной) жидкости. При этом глубиномер устанавливается на барабан лебедки, вместе с датчиком веса предназначен для контроля спуско-подъемных операций (СПО), учета количества спускаемых труб, скорости СПО. Датчики давления и расхода в линию манифольда и линию затрубья устанавливаются с использованием модульного устройства фиг. 3 и предназначены для контроля соблюдения технологий проведения работ при операциях, связанных с закачкой технологических жидкостей в скважину. Газоанализаторы (в минимальном исполнении датчики метана и сероводорода) устанавливаются на устье, в доливной емкости, в жилом городке и позволяют своевременно выявить и сигнализировать о газопроявлениях, предотвратить отравления работников, случаи пожаров и взрывов. Станция ГТИ супервайзера позволяет своевременно сигнализировать о превышении допустимых уровней контролируемых параметров, предусмотрено программное и звуковое предупреждение на буровой 7, в техническом комплексе оператора 14 и в ситуационном центре 13. Плотномеры могут использоваться как накладного типа (устанавливаются с применением модульных устройств фиг. 3), так и погружного типа - устанавливаемые в емкости, и предназначены для контроля плотности жидкости, например, при операциях глушения скважины, фрезерования и пр. Наземные датчики 1 подключаются к блокам сбора данных 3. Доливные емкости не всегда могут быть размещены вблизи устья, в этой связи блок сбора 3 разделен на главный и емкостные концентраторы, которые устанавливаются вблизи каждой системы наземных датчиков. Главный концентратор размещается в непосредственной близости к системе датчиков 1, установленных вблизи устья скважины. В зависимости от задач к нему подключается ЗТС 2. В месте, удобном для бурового мастера, размещается табло бурильщика 4, питание на которое подается от любого близкорасположенного концентратора. К табло бурильщика 4 или блоку сбора 3 подключаются блоки громкоговорящей связи 5 и видеозаписи 6. Блоки сбора данных 3 и табло бурильщика 4 соединяются кольцом Ethernet - исключена потеря данных при обрыве одного из связующих выносные блоки между собой кабелей. После размещения оборудования на буровой площадке 7 проводится ее подключение к блоку питания 12. Технический комплекс оператора 14 по средствам оптической связи подключается к блоку сбора данных 3. В случае обрыва оптической линии предусмотрена беспроводная передача данных на сервер оператора 9. Питание станции автономное, в зависимости от модификации может быть низковольтным 24-36 В или стандартным - 220 (380) В.
Далее следует запуск станции и тарировка датчиков. Подготовительные работы, связанные с установкой и запуском оборудования станции после прибытия на объект, занимают не более трех часов.
В процессе работ данные с блока видеозаписи 6 и датчиков 1 поступают в систему сбора 3, визуализируются на табло 4, передаются в цифровом и графическом виде (фиг. 5) в реальном времени на сервер супервайзера-оператора 9, в ситуационный центр 13, заказчику через web-портал 13, имеется возможность вывода на мобильные телефоны. Работы проводятся в круглосуточном режиме. Программно-аппаратное обеспечение снабжено алгоритмами определения операций ГТИ, системой управления рисками 10 синхронизированной с базой знаний 13, алгоритмами анализа. Работы проводятся с использованием разработанной шкалы рисков, системы сигнализации отклонения параметров от допустимых значений. Обладая полномочиями и статусом представителя заказчика, супервайзер предпринимает корректирующие действия в режиме реального времени на основе первичной информации ГТИ, которая никем не интерпретирована - не подвергнута переработке и корректировке. Отчетность формируется в полуавтоматическом режиме и направляется в ситуационный центр 13 и заказчику.
Данное изобретение успешно испытано в полевых условиях, передано в серийное производство.
Источники информации
1. Устройство для контроля процесса бурения. RU №94011511, E21B 44/00, 27.01.1996.
2. Мобильная станция контроля параметров бурения. RU №2380533, E21B 44/00, 27.01.2010.
3. Мобильная метрологическая лаборатория геолого-технологических исследований. RU №144149, B60P 9/00, 10.08.2014.