Наддолотный модуль для измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения с электромагнитным каналом связи

Полезная модель относится к области геофизических исследований скважин, а именно к приборам для измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения, в частности для измерения физико-механических и фильтрационно-емкостных свойств горных пород и геонавигации.
Известно устройство для измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения с электромагнитным каналом связи, состоящее из 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, 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 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 или электродов для измерения потенциала самопроизвольной поляризации или с помощью измерения силы тока, стекающего в породу с отдельного токового электрода.
Известно устройство для измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения с электромагнитным каналом связи (пат. РФ №2513432, приор. 08.10.2012 г., публ. 08.10.2014 г.).
Известное устройство содержит забойную телеметрическую систему (ЗТС), включающую бурильную колонну, корпус, блок питания, измерительные модули, приемо-передающий модуль, электрический разделитель, выполненный в виде отдельного переводника и установленный непосредственно над долотом наддолотный модуль (НДМ). При этом НДМ состоит из корпуса с центральным промывочным отверстием, на котором размещен центральный электрод. В свою очередь центральный электрод расположен между изоляторами и электрически изолирован от корпуса, в котором расположены электрические схемы, измерительные датчики, источник питания и передающее устройство. Кроме того, НДМ снабжен зондом измерения удельного электрического сопротивления 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 НДМ.
Практическое использование НДМ показало их успешное применение при бурении относительно однородных по физико-механическим свойствам горных пород.
Однако в случае вскрытия при бурении сложных по геологическому строению горных пород, такого как: увеличение литологической неоднородности и расчлененности разреза, наличие отложений пород с различными пластовыми давлениями (аномально высоким пластовым давлением - АВПД или аномально низким пластовым давлением - АНПД) и различной механической прочностью, проницаемостью и насыщенностью, вышеуказанной информации, получаемой от датчиков НДМ (как технологических, так и геофизических), оказалось недостаточно для своевременного принятия адекватных сложившейся ситуации решений по управлению технологией бурения.
Известны аппаратурные комплексы на базе акустического метода, как наиболее информативного в отношении физико-механических и фильтрационно-емкостных свойств горных пород (Ю.А. Гуторов, A.M. Гильманова. Современные геофизические комплексы на базе акустического метода для исследования нефтегазовых скважин. Уфа. УГНТУ. 2013 г.).
Эти комплексы не адаптированы к ограниченным размерам для размещения в полостях корпуса НДМ.
Известна другая модификация акустического каротажа, которая с одной стороны обладает высокой информативностью в отношении физико-механических и фильтрационно-емкостных свойств горных пород, а с другой стороны отвечает условию ограниченных размеров НДМ, - акустический импедансный каротаж (О.Л. Кузнецов, В.Н. Крутин, К.И. Кит. Физические основы низкочастотного каротажа на волнах Лэмба-Стоунли с использованием излучателей радиальных колебаний. / Сб. Новые геоакустические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. М., ВНИИЯГГ, 1982. С. 105-110).
С одной стороны акустический импедансный каротаж позволяет расчленять разрез горной породы по волновому сопротивлению, которое является произведением плотности горной породы на скорость упругих волн в ней , которые являются основными характеристиками, влияющими на коэффициент Пуассона горной породы - σ, а с другой - амплитуда волны Лэмба-Стоунли в существенной степени зависит от проницаемости горной породы, которая является основной характеристикой ее фильтрационно-емкостных свойств (Ю.А. Гуторов, Р.С. Исмагилова, Ю.Н. Моисеев. Некоторые результаты изучения информативности низкочастотных волн Лэмба-Стоунли, возбуждаемых в обсаженных скважинах. / Деп. ВИНИТИ №1524-В94 от 17.06.1994 г.).
Известно устройство для импендансного акустического каротажа, содержащего зонд, снабженный высокодобротным вибратором продольных колебаний в виде стержня. Вибратор коаксиально размещен в защитной цилиндрической оболочке и механически связан с последней при помощи дискового акустического трансформатора. Акустический трансформатор преобразует продольные механические деформации стержневого вибратора в радиальные колебания защитной цилиндрической оболочки с последующим переизлучением их в окружающую среду. Использование высокодобротного вибратора снижает импеданс собственных потерь и повышает чувствительность импедансных измерений путем повышения добротности зонда и снижения его рабочей частоты (авт. свид. СССР №1405002, приор. 19.05.1986, опубл. 23.06.1988).
Недостатком известного устройства является его высокая добротность, которая изменяется под влиянием импеданса горных пород в относительно узком диапазоне (4000-6000), что существенно ограничивает чувствительность зонда к волновому сопротивлению горной породы, расчленение разреза по которому и является основной целью импедансного акустического каротажа.
В качестве прототипа к заявляемому устройству принято устройство для измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения с электромагнитным каналом связи по пат. РФ на полезную модель №27839.
Как указывалось выше, известное устройство не может обеспечить получение достаточной информации в случае вскрытия при бурении сложных по геологическому строению горных пород для своевременного принятия адекватных в сложившейся ситуации решений по управлению технологией бурения из-за отсутствия датчиков, обеспечивающих измерение физико-механических и фильтрационно-емкостных свойств горных пород.
Физико-механические и фильтрационно-емкостные свойства влияют на волновые свойства горных пород, которые характеризуют литотип горной породы. Литотип горной породы определяет тип породы, идентифицируемый по набору литологических признаков, таких как, минералогический состав и структурное строение осадочных пород.
Задачей заявляемого устройства является расширение функциональных возможностей НДМ за счет использования дополнительного измерительного средства на основе акустического импедансного каротажа, обеспечивающего определение физико-механических и фильтрационно-емкостных свойств сложных по геологическому строению горных пород.
Указанная задача решается тем, что наддолотный модуль - НДМ для измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения с электромагнитным каналом связи, содержащий корпус с центральным промывочным отверстием, на котором размещен центральный электрод, расположенный между изоляторами и электрически изолированный от корпуса, в котором расположены электрические схемы, измерительные датчики, источник питания и передающее устройство, снабжен зондом импедансного акустического каротажа, содержащим излучатель низкочастотных упругих колебаний, подключенный к блоку управления и обработки данных, содержащему в своем составе задающий генератор, генератор токовых импульсов, усилитель мощности токовых импульсов, коммутатор управления режимом излучения и приема, счетчик токовых импульсов, автономный источник питания, при этом выход счетчика токовых импульсов подсоединен к центральному электроду НДМ.
На фиг. 1 дана схема расположения НДМ и ЗТС в скважине, пересекаемой пласты горной породы с разными физико-механическими и фильтрационно-емкостными свойствами.
На фиг. 2 представлены аналоговые диаграммы волнового сопротивления горной породы, естественного гамма-излучения и кажущегося электрического сопротивления горной породы.
На фиг. 3 представлен продольный разрез корпуса НДМ.
На фиг. 4 изображен вид поперечного разреза НДМ по А-А.
На фиг. 5 - вид поперечного разреза НДМ по В-В.
На фиг. 6 представлена функциональная блок-схема НДМ.
На фиг. 7 представлена таблица данных по изменению водного сопротивления горной породы в зависимости от ее литологического состава.
Заявляемый НДМ состоит из следующих узлов и деталей, представленных на фиг. 1 и фиг. 3.
Корпус 1 НДМ встроен в компоновку бурильной колонны 2 и расположен выше бурильного долота 3 и винтового забойного двигателя (ВЭД) 4. Выше НДМ 1 встроены утяжеленные буровые трубы (УБТ) 5, над которыми установлена забойная телеметрическая система (ЗТС) 6 с электромагнитным каналом связи с поверхностью, электрический разделитель 7 бурильной колонны 2.
ЗТС 6 с НДМ 1 представляют собой известное устройство для измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения с электромагнитным каналом связи (пат. РФ №2513432).
Указанные устройства образуют компоновку низа бурильной колонны (КНБК), которая в процессе бурения располагается в скважине 8, заполненной промывочной жидкостью - ПЖ.
КНБК в процессе бурения пересекает (вскрывает) пласты горной породы с разными физико-механическими и фильтрационно-емкостными свойствами, такими как: пласт 9 с АНПД, пласт рыхлых неустойчивых пород 10, пласт с АВПД 11, нефтенасыщенный пласт 12 с ВНК 13, пласт с карстовым интервалом 14 и пласт 15 аномального поглощения промывочной жидкости (АПЖ).
НДМ содержит корпус 1 с центральным промывочным отверстием 16, на котором размещен центральный электрод 17, расположенный между изоляторами 18 и электрически изолированный от корпуса 1, в котором расположены функциональные электрические схемы, измерительные датчики, источники питания и передающее устройство.
В состав измерительных датчиков НДМ 1 (фиг. 1, фиг. 3) входят:
- два диаметрально расположенных детектора естественного гамма-излучения (ГК-I и ГК-II) 19 и 20, подключенные к блоку управления и обработки данных 21, в состав которого входят два усилителя импульсов 22 и 23, два счетчика импульсов 24 и 25, образующие для каждого детектора ГК свой независимый канал регистрации (фиг. 6).
- два диаметрально расположенных токовых электрода 26 и 27, служащие для оценки кажущегося электрического сопротивления горной породы (КС), подключены к блоку управления и обработки данных 21, в состав которого входят два генератора тока 28 и 29 и два измерителя силы тока 30 и 31, которые образуют для каждого токового электрода свой независимый канал регистрации (фиг. 6).
При этом усилители импульсов 22 и 23, два счетчика импульсов 24 и 25, а также генераторы тока 28 и 29 и два измерителя силы тока 30 и 31 подключены к автономному блоку питания 33.
В выемках корпуса НДМ 1 расположены элементы зонда импедансного акустического каротажа (АК), содержащего излучатель низкочастотных упругих колебаний (излучатель), выполненный в виде цилиндрической мембраны 34, изгибные колебания которой возбуждаются с помощью продольной деформации четырех диаметрально расположенных стержневых вибраторов 35, снабженных возбуждающими обмотками 36 (фиг. 4).
Возбуждающая обмотка 36 каждого вибратора 35 подключена к усилителю токовых импульсов 37 в блоке управления и обработки данных 38, содержащем в своем составе задающий генератор 39, генератор токовых импульсов 40, коммутатор управления режимом излучения и приема токовых импульсов 41, счетчик токовых импульсов 42. Блок управления и обработки данных 38 питается от автономного источника питания 43.
Выходы блоков управления и обработки данных 21 и 38 подсоединены к центральному электроду 17 НДМ 1.
На фиг. 2 представлены:
- аналоговая диаграмма 44 волнового сопротивления горной породы (Q), полученная с помощью зонда импедансного акустического каротажа, отображенная на экране персонального компьютера (на фиг. не показано), расположенного на поверхности скважины,
- аналоговая диаграмма 45 естественного гамма-излучения, полученная с помощью детекторов ГК,
- аналоговая диаграмма 46 кажущегося электрического сопротивления горной породы, полученная с помощью датчиков КС.
НДМ работает следующим образом.
Расположенные в выемках корпуса 1 детекторы естественного гамма-излучения (ГК-I и ГК-II) 19 и 20, ориентированные друг к другу под углом 180 град, регистрируют интенсивность естественного гамма-излучения горной породы в виде отдельных электрических импульсов, которые поступают на усилители импульсов 22 и 23 в блоке управления и обработки данных 21, а далее - на соответствующие счетчики импульсов 24 и 25, с которых они в виде электрического сигнала поступают на центральный электрод 17 НДМ, с которого по электромагнитному каналу передаются по горной породе на приемное устройство ЗТС 6, где происходит суммирование сигналов и их обработка. Передающее устройство ЗТС 6 полученную информацию передает по своему беспроводному электромагнитному каналу связи на поверхность, где она воспроизводится в виде аналоговой диаграммы 45 естественного гамма-излучения, на экране персонального компьютера (не показан) (фиг. 2).
Расположенные в выемках корпуса 1 два диаметрально расположенных электрода 26 и 27 (под углом 180 град.) подают в окружающую горную породу ток, сила которого зависит от сопротивления породы.
Каждый электрод питается от своего генератора тока 28 и 29, расположенного в блоке управления и обработки данных 21, где два измерителя силы тока 30 и 31 образуют для каждого токового электрода свой независимый канал регистрации.
От измерителей тока 30 и 31 электрические сигналы поступают на центральный электрод 17 НДМ 1, с которого по электромагнитному каналу передаются по горной породе на приемное устройство ЗТС, где происходит суммирование сигналов и их обработка.
Передающее устройство ЗТС 6 полученную информацию передает по своему беспроводному электромагнитному каналу связи на поверхность, где она воспроизводится в виде аналоговой диаграммы 46 кажущегося электрического сопротивления горной породы на экране персонального компьютера (не показан) (фиг. 2).
Зонд импедансного акустического каротажа функционирует следующим образом.
Расположенный в блоке управления и обработки данных 38 задающий генератор 39 генерирует тактовые электрические импульсы с определенной частотой, которые запускают генератор токовых импульсов 40 и усилитель мощности токовых импульсов 37, которые поступают на возбуждающие обмотки 36 и вызывают продольную деформацию стержневых вибраторов 35, которая передается на цилиндрическую излучающую мембрану 34, вызывая ее низкочастотные изгибные колебания, образующие в скважине 8 поверхностные волны Лэмба-Стоунли, отражающиеся от ее стенок обратно, на излучающую мембрану 34, изменяя ее упругие свойства и, соответственно, добротность в широких пределах, определяемых диапазоном изменения волнового сопротивления вещества, пластов горных пород, пересекаемых скважиной 8 (см. фиг. 7).
При этом чем больше амплитуда отраженного от стенки упругого импульса, тем больше добротность излучателя, и, наоборот, чем она меньше, тем меньше его добротность.
Излучающая цилиндрическая мембрана 34, вызывая продольную деформацию стержневых вибраторов 35, возбуждает в обмотках 36 импульсные электрические колебания, длительность которых зависит от изменяющейся добротности излучателя, и которые затем с помощью коммутатора управления режимом излучения и приема 41 направляются на счетчик токовых импульсов 42, с которого они в виде электрического сигнала поступают на центральный электрод 17 НДМ 1, с которого по беспроводному электромагнитному каналу связи по горной породе передаются на приемное устройство ЗТС 6, расположенную выше в бурильной колонне 2, где происходит их обработка и вычисление добротности, а через нее - величины волнового сопротивления горной породы, вскрываемой бурильным долотом 3. Затем передающее устройство ЗТС 6 полученную информацию передает по своему беспроводному электромагнитному каналу связи на поверхность, где она воспроизводится в виде аналоговой диаграммы 44 волнового сопротивления горной породы на экране персонального компьютера (не показан) (фиг. 2.).
При этом для достижения указанной цели целесообразно использовать для зонда импедансного акустического каротажа низкочастотные излучатели упругих колебаний, обладающие средней добротностью, в диапазоне порядка 300-800.
3
Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что излучатели упругих колебаний наиболее чувствительны к импедансным свойствам горной породы, которые напрямую зависят от ее волнового сопротивления, определяемого как произведение плотности горной породы (ρ, кг/м) на скорость распространения в нем упругих колебаний (V, м/с). При этом импедансные свойства горной породы по отношению к прохождению в них упругих волн тем выше, чем больше ее волновое сопротивление.
На фиг. 7 представлена таблица данных по изменению водного сопротивления горной породы в зависимости от ее литологического состава.
min
max
min
max
Данные таблицы иллюстрируют, что волновое сопротивление горной породы, и соответственно, ее импеданс находится в широком диапазоне, что позволяет распознавать литотип горной породы с высокой достоверностью за счет более высокой чувствительности волнового сопротивления к скорости распространения упругих волн в горной породе (разница между V и V составляет 2,9 раз) по сравнению с ее чувствительностью к параметру плотности горной породы (разница между ρ и ρ - 1,8 раз). Итоговая вариация волнового сопротивления горной породы в зависимости от ее литотипа составляет 5,2 раза. Таким образом, показано, что акустический импеданс горной породы оказывает значительное влияние на добротность излучателя низкочастотных упругих колебаний в окружающее его пространство, причем аналитическая связь между этими параметрами является практически линейной.
Следует заметить, что дополнительным преимуществом применения излучателей упругих колебаний в предложенной конструкции является их применение в режиме приемника этих волн в паузах между режимом их излучения.
Находящийся на поверхности приемо-обрабатывающий комплекс, предназначенный для управления режимом бурения скважины 8, принимает с ЗТС 6 аналоговые диаграммы 44, 45 и 46 и производит их комплексную обработку в режиме реального времени (on line) и выделяет в разрезе скважины 8 по мере ее проходки, пласт 9 с АНПД, пласт рыхлых неустойчивых пород 10, пласт с АВПД 11, нефтенасыщенный пласт 12 с ВНК 13, пласт с карстовым интервалом 14 и пласт 15 аномального поглощения жидкости - АПЖ.
Полученная on line информация о физико-механических и фильтрационно-емкостных свойствах горной породы, пересекаемой скважиной 8 в процесс ее бурения, позволяет своевременно принимать необходимые решения об изменении, в случае необходимости, не только режима бурения, но также об изменении траектории проводки ствола скважины 8.