Наддолотный модуль

Полезная модель относится к обасти геофизических исследований скважин и предназаначена для измерения геофизических и технологических параметров в процессе бурения при проводке скважин.
Известно устройство для измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения с электромагнитным каналом связи, состоящее из базовой забойной телеметрической системы, включающей бурильную колонну, корпус, блок питания, измерительные модули, модуль передающего устройства, электрический разделитель, выполненный в виде отдельного переводника, устанавливаемого непосредственно над забойным двигателем, отличающееся тем, что в устройстве непосредственно над долотом установлен наддолотный модуль - НДМ, соединенный с валом забойного двигателя, при этом наддолотный модуль состоит из корпуса с центральным промывочным отверстием, на котором размещен центральный электрод, расположенный между изоляторами и электрически изолированный от корпуса, в корпусе расположены электрические схемы, измерительные датчики, источник питания и передающее устройство, а в модуль передающего устройства базовой забойной телеметрической системы введено приемно-обрабатывающее устройство, осуществляющее прием электромагнитных сигналов от наддолотного модуля (пат. РФ на полезную модель №27839, приор. 30.05.2002 г., опубл. 20.02.2003 г.).
С помощью НДМ, установленного непосредственно над долотом, контролируют в процессе бурения технологические параметры, такие как число оборотов долота, осевая нагрузка на долото, величина крутящего момента, измеряемые датчиками, установленными в корпусе НДМ.
Геофизические параметры - глинистость и кажущееся электрическое сопротивление пласта оцениваются с помощью индикаторов гамма-излучения и электродов для измерения сопротивления или потенциала самопроизвольной поляризации с помощью измерения силы тока, стекающего в породу с отдельного токового электрода (Д.А. Абдрахманов, А.В.Бельков, Д.А. Будаев и др. Развитие технологии каротажа во время бурения (LWD) на базе отечественного комплекса телеметрии с электромагнитным каналом связи //НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС, 2016 г., Вып. 7 (265), стр. 108-117).
40
Для того чтобы определить точное положение забоя бурящейся скважины относительно кровли и подошвы пласта, в котором происходит проводка ствола скважины, регистрируют интенсивность естественного гамма-излучения, источником которого является изотоп калия - К, содержащийся в глинистых покрышке и подошве этого пласта, с помошью индикаторов (детекторов) гамма-излучения, в качестве которых обычно применяют газонаполненные счетчики Гейгера, расположенные диаметрально и разнесенные в одной плоскости на корпусе НДМ (патент РФ №2362012, приор. 21.09.2008 г.).
Применение газонаполненных счетчиков Гейгера в составе датчиков НДМ для регистрации интенсивности естественного гамма-излучения породы в скважине имеет ряд существенных недостатков, которые могут оказать негативное влияние на точность проводки бурящейся скважины относительно заданной проектной траектории.
Применяемые в известных НДМ газонаполненные счетчики Гейгера не обладают чувствительностью к энергетическому спектру естественного гамма-излучения горной породы, что может привести к непоправимым ошибкам в корректировке направления проводки забоя бурящийся скважины.
40
238
232
40
Объясняется это тем, что в пластах горной породы, в силу особенности их гидродинамических условий, могут образовываться участки с аномальной концентрацией радиоактивных солей изотопов урана 238 и тория 232 (М.Х. Хуснуллин. Геофизические методы контроля разработки нефтяных пластов. М. Недра, 1989 г.), которые, обладая более высокой энергией гамма-излучения по сравнению с изотопом калия (для справки: U - Е=1,65-1,85 Мэв, Th - Е=2,5-2,7 Мэв, а К - Е=1,3-1,55 Мэв), могут внести серьезную ошибку в принятии правильного решения о корректировке направления бурения ствола горизонтальной скважины в конкретном пласте горной породы.
Газонаполненные счетчики Гейгера в силу их габаритов практически невозможно разместить по всему периметру корпуса НДМ (в известном НДМ они размещаются парой в противоположных направлениях в одной диаметральной плоскости), что не позволяет осуществить более точную взаимную корреляцию показаний гамма-детекторов с целью своевременного внесения поправок в проводку ствола скважины в соответствии с изменяющимися геолого-физическими и геолого-техническими условиями.
Газонаполненные счетчики Гейгера в силу своих конструктивных особенностей обладают также недостаточной вибро- и ударопрочностью, которые являются одним из главных требований, предъявляемых к элементам оснастки НДМ, находящегося в непосредственной близости к долоту и навернутого на приводной вал забойного двигателя.
Кроме того, счетчики Гейгера требуют для своей работы высокое напряжение (до 1000 вольт), что в силу ограниченности энергетических ресурсов НДМ, работающего от источников постоянного тока, существенно снижает их рабочий ресурс и является дополнительным препятствием по увеличению их количества для размещения по периметру НДМ для более детального исследования околоскважинного пространства в режиме сканирования.
Одной из важных проблем при строительстве скважин сложного профиля, особенно в карбонатных коллекторах, является наличие в них тектонических трещин, пересекающих горные породы по вертикали и являющихся, как правило, каналами обводнения пробуренных горизонтальных скважин (ГС) от выше или нижележащих водоносных пластов (Ю.А.Гуторов, A.M. Гильманова, Л.Н. Воронков. Некоторые результаты исследования ГС методами промысловой геофизики с целью выделения интервалов и состава притока пластового флюида в процессе испытаний. //ж. Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. - М., 1996 г., №4).
В процессе проводки ГС необходимо избежать пересечения ствола бурящейся ГС с тектоническими трещинами, поскольку в ходе дальнейшей эксплуатации скважин по ним происходит неконтролируемое обводнение, часто приводящее к их неизбежному выводу из эксплуатации из-за низкой эффективности водоизоляционных работ в этих скважинах.
При проводке ГС актульной задачей становится своевременное определение момента пересечения стволом бурящейся ГС тектонической трещины для оперативного изменения азимута бурящегося ствола ГС с целью избежания такого пересечения.
Определить такой момент с помощью известного НДМ, оснащенного индикаторами гамма-излучения или электродами для измерения сопротивления или потенциала самопроизвольной поляризации, невозможно, так как они выполняют другие задачи по оценке глинистости и кажущегося электрического сопротивления пласта.
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей НДМ за счет его оснащения датчиками, позволяющими определять местонахождение тектонической трещины для оперативного изменения азимута бурящегося ствола ГС с целью избежания пересечения с обнаруженной трещиной.
Указанная задача решается тем, что в наддолотном модуле, содержащем корпус, на котором установлен изолированный от корпуса центральный электрод, и установленные в выемках корпуса НДМ в одной диаметральной плоскости детекторы гамма-излучения со счетчиками импульсов гамма-излучения, токовые электроды, электрические схемы, источник питания, в отличие от известного в выемках корпуса НДМ дополнительно по всему его периметру в одной диаметральной плоскости размещены высокочастотные импульсные приемо-излучающие преобразователи, соединенные с генераторами высокочастотных импульсов и усилителями отраженных сигналов, выходы которых соединены с центральным электродом НДМ. При этом в качестве высокочастотных импульсных приемо-излучающих преобразователей использованы дисковые элементы из пьезокерамики, обладающие узкой диаграммой направленности.
В качестве детекторов гамма-излучения использованы установленные в одной диаметральной плоскости по всему периметру корпуса НДМ твердотельные полупроводниковые детекторы, обладающие спектральной энергочувствительностью, которые снабжены пороговыми спектроанализаторами, соединенными со счетчиками импульсов гамма-излучения, выходы которых соединены с центральным электродом НДМ.
Токовые электроды установлены в выемках корпуса НДМ в одной диаметральной плоскости по всему периметру на тех же образующих, на которых размещены высокочастотные импульсные приемо-излучающие преобразователи и детекторы гамма-излучения, и подсоединены к источникам тока и усилителям, выходы которых соединены с центральным электродом НДМ.
На фиг. 1 представлен общий вид телесистемы с НДМ, спущенных в скважину на бурильных трубах.
На фиг. 2 представлен НДМ в разрезе.
На фиг. 3 представлен разрез НДМ по А-А.
На фиг. 4 представлен разрез НДМ по В-В.
На фиг. 5 представлен разрез по С-С.
На фиг. 6 даны электронные схемы, обеспечиваюшие функционирование детекторов гамма-излучения, токовых электродов и высокочастотных импульсных приемо-излучающих преобразователей.
238
232
В пласте 1, ограниченном глинистой кровлей 2 и глинистой подошвой 3 и вмещающем участки с повышенным содержанием изотопов U (поз. 4), Th (поз. 5) и тектонической трещиной (поз. 6), бурится ствол горизонтальной скважины 7 с помощью бурильного инструмента 8 (фиг. 1).
Компоновка бурильного инструмента 8 включает в свой состав долото 9, наддолотный модуль - НДМ 10, содержащий корпус 11 (фиг. 2), на котором установлен изолированный от корпуса центральный электрод 12. Выше НДМ 10 находится забойный двигатель 13, который присоединен к отклонителю 14. Выше утяжеленных буровых труб 15 на бурильной колонне установлена базовая телесистема - ТЛС 16.
В выемках корпуса 11 НДМ размещены детекторы гамма-излучения 17, в качестве которых использованы установленные в одной диаметральной плоскости по всему периметру корпуса 11 НДМ твердотельные полупроводниковые детекторы, обладающие спектральной энергочувствительностью, и столько же расположенных по периметру корпуса, на тех же образующих НДМ - токовых электродов 18, а также - высокочастотные импульсные приемо-излучающие преобразователи 19 (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5).
В выемках корпуса 11 расположены также датчики давления 20 и акселерометра 21, электронные схемы 22, 23 и 24 с источниками питания 25, 26 и 27, обеспечивающими функционирование детекторов гамма-излучения 17, токовых электродов 18 и высокочастотных импульсных приемо-излучающих преобразователей 19 (фиг. 6).
При этом электронная схема 22, управляющая работой детекторов гамма-излучения 17, содержит усилители импульсов 28, пороговые спектроанализаторы 29 и счетчики импульсов 30, выходы которых соединены с центральным электродом 12.
Электронная схема 23, управляющая работой токовых электродов 18, содержит усилители тока 31, генераторы тока 32, измерители тока 33 и блок оцифровки аналогового сигнала 34, выходы которых соединены с центральным электродом 12 (фиг. 6).
Электронная схема 24, управляющая работой высокочастотных импульсных приемо-излучающих преобразователей 19, содержит генераторы импульсов напряжения 35, усилители принятых отраженных от стенки скважины импульсов 36, подключенных к блокам оцифровки 37, выходы которых соединены с центральным электродом 12 (фиг. 6).
Работа усилителей импульсов 28, усилителей тока 31 и генераторов импульсов напряжения 35 синхронизируется с помощью программно-управляемого блока синхронизации 38 (фиг. 6).
Устройство работает следующим образом.
238
232
40
В пласте 1 с глинистой кровлей 2 и глинистой подошвой 3 с расположенными в нем зонами 4 и 5, содержащими повышенную концентрацию солей изотопа урана U и изотопа тория Th, и тектоническую трещину 6 бурится ствол 7 горизонтальной скважины, который необходимо удержать согласно проекту на равноудаленном расстоянии от кровли 2 и подошвы 3, содержащих в слагающей их глинистой породе повышенную концентрацию изотопа калия К, а также предотвратить его пересечение с тектонической трещиной 6.
238
232
40
238
232
В связи с наличием в пласте зоны 4, насыщенной солями изотопа U, излучающего гамма-кванты с энергией Е=1,65-1,85 Мэв и зоны 5, насыщенной солями изотопа Th с энергией Е=2,5-2,7 Мэв, при использовании счетчиков Гейгера мог бы произойти сбой в системе корректировки положения долота 9 бурильного инструмента, поскольку энергия гамма-квантов изотопа К, на интенсивность которого настроена система корректировки, по своей энергии (Е=1,3-1,55 Мэв) уступает энергиям изотопов U и Th.
Однако подобный сбой не произойдет, так как корректировка положения забоя скважины осуществляется по показаниям интенсивности естественной гамма-активности глинистой породы, содержащейся в кровле 2 и подошве 3 пласта 1, с помощью набора твердотельных полупроводниковых детекторов 17, расположенных по всей окружности корпуса 11 наддолотного модуля 10 (фиг. 2 и 3).
40
Полупроводниковые детекторы 17 обладают спектральной энергочувствительностью, которая позволяет при прохождении электрического импульса, вызванного регстирацией отдельного гамма-кванта каждым полупроводниковым детектором, осуществлять его фильтрацию в пороговом спектроанализаторе 29, который пропускает на счетчик 30 только импульсы, вызванные гамма-излучением изотопа К. Далее сигналы от счетчиков импульсов 30 гамма-излучения поступают на центральный электрод 12 для передачи на ТЛС 16 (фиг. 6).
40
Твердотельные полупроводниковые детекторы 17 требуют для своего питания гораздо меньшее напряжение (24 В), более устойчивы к вибрационным и ударным нагрузкам, обладают чувствительностью как к естественному гамма-излучению горной породы, так и к его энергетическому спектру, что позволяет уверенно распознавать в пласте горной породы зоны, обладающие повышенной концентрацией изотопа К(www.canberra.com/russia/index.html).
В электронной схеме 23 электрические сигналы от токовых электродов 18 поступают на усилители силы тока 31, подсоединенные к генераторам тока 32, и далее - на измерители силы тока 33, которые через блок оцифровки 34 подсоединены к центральному электроду 12 НДМ 10 для передачи на ТЛС 16.
Токовые электроды 18, расположенные по всему периметру корпуса 11 НДМ, позволяют в режиме сканирования, управляемого блоком синхронизации 38, осуществлять регистрацию анизотропии электропроводности горной породы в процессе ее первичного вскрытия при бурении.
В случае прохождения ствола 7 скважины через карбонатные породы, которые пересекает вертикальная тектоническая трещина 6, необходимо обеспечить проводку ствола ГС таким образом, чтобы вовремя обнаружить тектоническую трещину и внести поправки в азимутальное отклонение ствола ГС, для того, чтобы: либо избежать его пересечения с тектонической трещиной, либо, если пересечение произошло, забурить второй ствол, предварительно ликвидировав первый, путем установки в нем цементного моста.
Обнаруживают местоположение и ориентацию тектонической трещины 6 с помощью высокочастотных импульсных приемо-излучающих преобразователей 19, расположенных по периметру корпуса НДМ, запуск которых производится электронной схемой 24, управляющей работой высокочастотных импульсных приемо-излучающих преобразователей 19, в режиме «излучение-прием» и коммутируется с помощью программно-управляемого блока синхронизации 38, расположенного в электронной схеме 23, благодаря чему осуществляется сканирование внутренней стенки ствола ГС 7 в масштабе реального времени.
Определяется момент пересечения тектонической трещины стволом ГС 7 по аномальному ослаблению амплитуд отраженного сигнала, полученных от преобразователей 19. При этом показания токовых электродов 18, расположенных по всему периметру корпуса 11 НДМ и осуществляющих измерение кажущегося электрического сопротивлени пересеченной стволом ГС горной породы в режиме сканирования, позволяют определять, является ли тектоническая трещина 6 проводящей, то есть - заполненной пластовым флюидом, либо не проводящей, заполненной отложениями солей, в таком случае принимают оперативное решение о том, что стоит ли менять направление забуривания ствола скважины, пересекшего тектоническую трещину, либо продолжать ее бурение по заданной траектории.
В базовой ТЛС 16 информация, полученная от каждого детектора 17, каждого токового электрода 18 и от каждого высокочастотного импульсного приемо-излучающего преобразователя 19, сопоставлется с данными текущего зенитного угла, полученными от датчика акселерометра 21, и данными текущего азимута, полученными от ферромагнитного датчика азимута, расположенного в ТЛС (не показаны), и привязывается к апсидальной плоскости, проходящей через фактическую ось ствола бурящейся скважины.
238
232
Полученные таким образом данные позволяют с высокой точностью не только определять, но и корректировать в режиме раельного времени положение долота и забоя бурящейся скважины как относительно кровли 2 и подошвы 3 пласта 1, так и относительно зон пласта, насыщенных солями изотопов U и Th, что исключает ошибки корректировки, а также определять момент пересечения стволом скважины 7 тектонической трещины 6. В случае если тектотническая трещина 6 определена при помощи токовых электродов 18 как проводящая, т.е. насыщенная пластовым флюидом, то принимается решение о внесении соответствующих коррективов в азимутальное направление ствола скважины.
Практика локализации тектонических трещин, пересекающих ГС, промыслово-геофизическими методами показала, что наиболее эффективным является метод акустического видеокаротажа на отраженных высокочастотных импульсных упругих колебаниях в диапазоне 800-1000 кГц (Ю.А. Гуторов, Ю.Н. Моисеев, В.Д. Ташбулатов. Методические возможности акустического видеокаротажа при решении задачи эффективной оценки структурных и коллекторских свойств карбонатных коллекторов. //Международная научно-техническая конференция по исследованию скважин. М., Сб. Тезисов, 1998 г.).
В заявляемой конструкции НДМ (когда корпус 11 НДМ не вращается) реализован указанный метод с помощью высокочастотных импульсных приемо-излучающих преобразователей 19, расположенных по периметру корпуса НДМ, что позволяет в режиме сканирования определять наличие тектонической трещины с высокой точностью. Причем при работе НДМ в динамическом режиме (корпус 11 НДМ вращается) достаточно на корпусе НДМ расположить не более двух диаметрально противоположных высокочастотных импульсных приемо-излучающих преобразователей 19.
Кроме того, положительный эффект достигается путем повышения точности контроля заданного направления ствола 7 бурящейся скважины за счет возможности размещения детекторов гамма-излучения 17 (обладающих небольшми габаритами) по всему периметру корпуса 11 НДМ с учетом возможности корреляции их показаний с показанями токовых электродов 18 и показаниями импульсных излучателей 19, а также увеличения рабочего ресурса НДМ за счет применения твердотельных полупроводниковых детекторов гамма-излучения 19, обладающих повышенной вибро- и ударопрочностью.