Предмет, цели и задачи подземной навигации и ориентации

Конец XX века для развития мирового топливно-энергетического комплекса ознаменовался появлением целого ряда новейших технологий, особое место среди которых занимают высокоэффективные системы разработки продуктивных залежей с помощью горизонтальных (ГС) и разветвлено-горизонтальных скважин (РГС).

Сегодня эффективность бурения ГС и РГС неоспорима – это связано, прежде всего, с резким (в 5-8 раз) увеличением дебита скважин по сравнению с вертикальным бурением (при увеличении затрат не более чем в 1,5 2 раза) за счет протяженного контакта с продуктивным пластом. В результате применения ГС уменьшается сетка эксплуатационных скважин, снижается депрессия на пласт, значительно увеличивается время «безводной» эксплуатации, изменяются категории запасов, считавшиеся ранее неизвлекаемыми, повышается эффективность многих устаревших методов воздействия на пласт.

Бурение горизонтальных и наклонно-направленных скважин, а особенно скважин с большими отходами от вертикали (рис 1), позволяя решить проблемы, возникающие при разработке месторождений с ограничениями по методам освоения (ограничения могут быть связаны с местоположением, экономикой, экологией и другими причинами), создает другие проблемы, для решения которых нужна особая тщательность при проектировании, реализации проектов и оценке возникающих ситуаций.

При бурении обычных вертикальных и наклонно- направленных скважин приходится преодолевать локальные трудности, обычно не имеющие отношения к другим процессам. При больших отходах от вертикали многие трудности могут оказаться результатом предыдущих технологических решений, а принимаемое предложение по исправлению одного параметра - отрицательно повлиять на другие.

Рис.1 Сопоставление отхода по горизонтали с глубиной по вертикали скважин различных компаний мира

Если при бурении обычных скважин можно ускорить проведение некоторых операций (спуско-подъем, промывку, проработку и др.), а также изменить осевые нагрузки, число оборотов ротора или забойного двигателя, производительность насосов, то при бурении горизонтальных скважин со сверхдальними отходами от вертикали максимизация скорости бурения уходит на второй план. В этом случае все - выбор оптимальных режимов бурения, профилактических проработок, спуско-подъемных операций и т. д. - подчинено обеспечению основной цели подземной навигации - получению качественного ствола, проведенного по заданной траектории.

Очень показательным в части применения задач подземной навигации является бурение боковых скважин (БС).

Бурение БС из бездействующих (в России очень большой фонд бездействующих скважин – примерно 37000 из 156000, т. е. 24%), высокообводненных и малодебитных скважин дает этим скважинам «вторую» жизнь (рис.2) и обеспечивает дополнительную прибыль при более низких капитальных вложениях по сравнению с бурением новых скважин. Кроме того, бурение БС позволяет вовлечь в разработку пласты небольшой толщины, малорентабельные низкопроницаемые продуктивные горизонты, повысить степень охвата заводненных пластов с высокой расчлененностью по геологическому разрезу.

Рис.2 Динамика ввода скважин с БС (1), фактической (2) и дополнительной добычи нефти (3) в ОАО «Сургутнефтегаз»

Специфика задачи подземной навигации при бурении БС заключается в том, что в этом случае принципиальное значение имеет выбор точки входа бокового ствола в пласт и интервал проходки ствола по пласту, которые во многом определяются ориентацией окна для зарезки.

Проектирование и строительство ГС и РГС потребовало создания принципиально новых систем разработки месторождений и решения целого комплекса задач, связанных, в частности, с получением необходимой информации для проводки таких скважин.

Подземная навигация – это, прежде всего, определение местоположения объекта (компоновки низа буровой колонны (КНБК), ствола скважины, а также линии трубопровода, тоннеля и т. д.), а также его ориентации относительно географической или иной, связанной с Землей, системы координат.

Подземная навигация – это также определение границ продуктивного пласта (рудного тела) относительно КНБК и проводка буровой колонны в пласте, что достигается применением геофизических исследований в процессе бурения ГС.

В процессе подземной навигации, помимо соблюдения проектной траектории, в ряде случаев необходимо осуществлять ее оперативную коррекцию. Поэтому задачами подземной навигации являются:

- обеспечение контроля в процессе бурения за отклонением оси ствола скважины от ее проектного положения,

- интерпретация скважинных геофизических данных, позволяющих уточнить геологический профиль и расположение границ пластов для последующей коррекции траектории,

- управление положением бурового инструмента с целью изменения интенсивности искривления, проводки ствола скважины в заданном направлении, либо удержания направления в конусе допустимых угловых отклонений.

Измерения траектории ствола современных скважин могут проводиться как в процессе бурения с помощью навигационных информационно-измерительных систем, обеспечивающих в режиме реального времени решение задач навигации и управления движением КНБК, так и доставляемых на забой при очередной остановке бурения автономными или кабельными инклинометрами.

Инклинометры непосредственно измеряет углы ориентации продольной оси скважинного прибора (СП) относительно вертикали (зенитный угол ( )) и плоскости меридиана (азимутальный угол ( )). По этим данным и измеренной по длине колонны труб или геофизического кабеля протяженности ствола ( ), определяются координаты точек оси скважины. Важной задачей инклинометра в процессе бурения скважин является измерение угла ориентации бурового инструмента (угла положения отклонителя ( )) относительно так называемой апсидальной плоскости, проходящей через вертикаль и ось скважины.

Навигационные системы, в состав которых входят забойные инклинометры, в отечественной литературе принято называть телеметрическими; в зарубежной литературе подобные системы называют MWD (Measurement While Drilling – измерение в процессе бурения), gMWD (gyroMWD – название указывает на наличие в составе системы гироскопических чувствительных элементов) и LWD (Logging While Drilling – каротаж в процессе бурения)[ ]. Эти системы объединяют порядка десяти разнородных функциональных систем – магнитометрических, гироскопических, разнообразных каротажных, энергетических, виброударозащитных, трансляционных и др. Как правило, модульную конструкцию таких систем, обеспечивающих одновременный контроль за направлением скважины и получение геофизической информации о состоянии пластов, а также технологической информации о состоянии бурового инструмента, можно быстро адаптировать к изменяющимся режимам бурения с точки зрения передачи на поверхность требуемых данных по забою.

При построении MWD/LWD- систем и входящих в них скважинных приборов требуется решение ряда задач, которые, прежде всего, связаны с вопросами энергетического обеспечения опускаемой в скважину аппаратуры, преобразования сигналов в скважинных приборах, выбора высокотемпературной элементной базы электронных устройств, организации канала связи с устьем, выбора структуры навигационной информационно-измерительной системы, организации электрических и информационных интерфейсов, связывающих модули системы.

Последнее поколение MWD/LWD- систем ведущих производителей Halliburton, Baker Hughes, Anadrill Schlumberger практически полностью цифровые – в этих системах используются цифровые контроллеры, обеспечивающие преобразование аналоговых сигналов в цифровые и их обработку в реальном времени.

Внедрение в практику бурения MWD/LWD - систем с бескабельным каналом связи сделали горизонтальное бурение и бурение с большими отходами экономически целесообразными и значительно увеличили эффективность соответствующих работ. Кроме того, отсутствие кабельного канала связи позволило избежать связанных с его применением осложнений. В настоящее время из работоспособных, реализованных в многочисленных MWD/LWD - системах каналов связи основными являются гидроимпульсный и электромагнитный каналы. В качестве передатчиков используются: в гидроимпульсном канале – управляемый гидравлический клапан, модулирующий поток промывочной жидкости и создающий гидравлические удары в скважине, в электромагнитном канале – электропроводящие части буровой трубы, формирующие электроды, через которые протекает импульсный электрический ток. В устье устанавливаются в качестве приемников каналов связи, соответственно, датчик давления либо антенна-электрод. Необходимо отметить, что современные MWD/LWD - системы вследствие низкой информационной проводимости каналов связи накапливают вырабатываемую телеметрическую информацию в запоминающем устройстве. После извлечения системы на поверхность эта информация считывается и дополняет ранее полученную по каналу связи.

Таким образом, MWD/LWD – системы представляют собой замкнутые динамические системы, в которых в режиме реального времени осуществляется передача информации как по каналу забой – устье, так и устье – забой. На основе измерений параметров скважины, поступающих по каналу забой – устье, с помощью специальных программ непосредственно на буровой производится расчет направления ствола скважины, определяется местоположение забоя относительно итоговой расчетной плоскости. Осуществление измерений и оценка параметров процесса бурения в реальном масштабе времени продолжается до тех пор, пока ствол не пересечет итоговую расчетную плоскость.

Кроме того, на основании тех же исходных данных, а также данных об интенсивности набора кривизны скважины, рассчитываются оптимальные параметры коррекции направления ствола. Как правило, механизм принятия решения по коррекции траектории ствола базируется на заранее запрограммированном огромном множестве вариантов изменения вектора направления траектории. Если коррекция необходима, то по каналу устье – забой (реализуемому, например, с помощью циклического включения гидравлических насосов в заданной последовательности) задается требуемый вектор направления траектории и осуществляется навигация с заданным направлением КНБК и требуемым силовым воздействием.

Сегодня в мире, в том числе и в России (рис.3), все чаще строятся скважины с большими отходами от вертикали, и один рекорд сменяется

другим, быстрыми темпами развивается разработка глубоководных месторождений, меняется архитектура скважин.

Рис.3 Одоптинское месторождение (Сахалин) - пробурено 16 скважин с отходами от вертикали более 6000м и средним дебитом - 200т/сутки

Тенденция строительства скважин с все более сложной траекторией требует постоянного совершенствования техники, методов и технологий буровых работ, программного инструментария.

Согласно мнения зарубежных специалистов, при бурении скважин, прежде всего повышенной протяженности, возможно появление резких изломов и извилистости пробуренных участков, которое может вызвать заклинивание труб, непопадание в заданную точку, невозможность обсадки и т. д. Эти проблемы обусловлены применением традиционных методов интерполяции при построении траекторий скважин, которые используют полученные с забоя измерения с интервалом 20 - 30м.

Для решения проблем требуются высокие скорости передачи данных по каналу забой - устье, позволяющие строить траектории на основании измерений, поступающих в почти непрерывном режиме, новые варианты комплексирования инклинометрических и технологических измерений с целью оперативной коррекции траекторий и прогноза вектора направления КНБК в реальном времени, т. е. необходимо совершенствование систем подземной навигации для обеспечения более гибкого взаимодействия бурения и геологии.

Использование в народнохозяйственных целях последних научно-технических достижений привело к стремительному превращению недр земли из темной кладовой в сферу осмысленной человеческой деятельности, приложения high-tech самых разнообразных областей техники. Кардинальные изменения претерпели содержание сложность традиционных задач, решаемых в недрах земли. Связано это, прежде всего, с ускоряющимся разворотом добывающих отраслей от экстенсивных к интенсивным методам освоения месторождений. И хотя появляются совершенно новые и одновременно массовые приложения, как, например: бестраншейная прокладка магистралей, подземное преодоление естественных и искусственных препятствий, контроль подземных коммуникаций, трубопроводов, магистралей и т. д. Наиболее характерным и значимым проявлением интеллектуализация подземных работ является современная панорама новых технологий и технических средств, используемых при добычи полезных ископаемых (углеводородов, рудных ископаемых и т. д.), особое место среди которых занимает высокоэффективная система разработки продуктивных залежей с помощью горизонтальных скважин (ГС).

Повсеместное внедрение сложных видов разработки углеводородов – горизонтальными, наклонно-направленными, восстающими скважинами – обусловлено резким (в 5-8 раз) увеличением дебита скважин по сравнению с вертикальным бурением (при увеличении затрат не более чем в 1,5 2 раза) за счет протяженного контакта с продуктивным пластом. При освоении же месторождений на шельфе – это едва ли не единственно эффективный метод разработки. Чрезвычайно популярной в последние годы стала, так называемая, зарезка боковых стволов (БС) или кустовое – разветвленно-горизонтальное – бурение малого диаметра из обсаженных, ранее пробуренных, скважин, как правило, с нулевым дебитом. Здесь кроме очевидного дальнейшего снижения себестоимости (большая часть проводки ствола на холостом ходу), появляется возможность доступа к запасам нефти, не извлеченным при вертикальном бурении.

Освоение перспективных видов бурения потребовало создания принципиально новых систем разработки месторождений и решения целого комплекса задач, связанных, в частности, с получением необходимой информации при проводке и исследовании таких скважин. Эта вновь оформившаяся проблематика все более контрастировала с оставшимися в прошлом веке представлениями о геофизическом обеспечении, характерными для вертикальной разработки месторождения полезных ископаемых (МПИ) и, не выходившими за рамки каротажа и наклонометрии. Возникли совершенно иные аналогии, классификационные признаки и т.д.

В порядке комментария к анализируемой тенденции обратимся к нижеследующему тексту:

«Проводка скважин связана с двумя задачами управления движением. Одну из них решает телеметрист-геофизик, другую – буровой мастер. Первый прокладывает траекторию и определяет местоположение КНБК под землей, второй осуществляет оперативное управление бурением скважины по заданной траектории.

Навигационная задача прокладки траектории связана с анализом изменения местоположении КНБК на больших временных и пространственных интервалах. Это перемещение при сегодняшних технологиях бурения происходит в течение часов и дней. В этих условиях… мгновенные значения углов поворота инструмента, зенитного и азимутального теряют свое значение и перемещение КНБК можно рассматривать на основе кинематики материальной точки, совпадающей с его центром масс. При решении этой задачи интерес представляют интегральные показатели движения, усредненные по глубине проходки, которые рассчитываются с помощью кинематических моделей.

Оперативное управление бурением требует непрерывной оценки положения бурового инструмента с последующей его корректировкой. Процесс управления бурением протекает в малых временных и пространственных интервалах. При этом КНБК уже нельзя рассматривать как материальную точку, а следует изучать с позиции движения в пространстве твердого тела. Протекание процессов предполагает автоматизацию оперативного управления, для чего необходимы приборы измерения параметров движения.

Разные по содержанию задачи навигации и управления бурением взаимосвязаны, решаются одновременно и дополняют друг друга. Технические средства, устройства и системы решения этих задач образуют единые навигационно-управляющие комплексы.»

Мы воспользовались «цитатой» из весьма серьезной современной работы (В.Г. Пешехонов,Ю. А. Лукомский, Д. А. Скороходов «Навигация и

управление движением судов»), посвященной морской навигации, в которой сделаны некоторые терминологические замены, отраженные в таблице 1.

Таблица 1

Итак, налицо трансформация сколь стремительная, столь и очевидная: технологический процесс бурения традиционно воспринимаемый, как многодельный, но низкоинтеллектуальный – нечто среднее между намывом драгметалла из породы и грубой «обдиркой» деталей на токарном станке - технологический процесс, научное обеспечение которого, будучи вне его, ограничивалось априорными изысканиями и/или апостериорной интерпретацией результатов - обретает все признаки, являющиеся предметом анализа теории управления подвижными объектами (рис.4).

Рис. 4. Структура систем управления с обратными связями по измеряемым переменным

На рис. 1 приведены следующие обозначения:

ИО-исполнительные органы

УО-управляемый объект

ВУ-вычислительное устройство

Д-датчики

СОИ-средства отображения информации

y- выходы датчиков

u- сигнал управления на ИО

О-оператор

ПУД- пульт управления движением

xT= [q,A,y,L]

dT=[pi.., pj ., FB, FH, Mxp, V…]

fT=[g,r,h…]

Естественно, что реализация новых технологий и видов бурения требует решения целого ряда проблем как управления движением колонны труб, так и ее подземной навигации и ориентации, при этом, если для термина «ориентация» очень трудно подобрать отличное от общепринятого толкование, то понятие «навигация в МПИ» потребует дальнейшей детализации. В частности, в соответствии с классификацией подземной навигации, принятой SPE (американским обществом инженеров-нефтянников), существует три уровня подземной навигации.

Базовый – «пассивный» уровень, предусматривает измерение глубины и углов ориентации оси ствола уже пробуренных участков скважины, а также использование геофизических датчиков для корреляции и подтверждения геологического профиля на основе ранее полученных данных. На этом уровне отсутствует механизм принятия решений в реальном времени.

Следующий «активный» уровень подразумевает наличие механизма принятия решений в реальном времени по коррекции траектории скважины на основе инклинометрической и геофизической информации, полученной в процессе бурения.

Третий – «превентивный» уровень. На этом уровне осуществляется принятие решений по коррекции траектории скважины не только по пробуренному участку, но также и по участку, который только еще предстоит пробурить, что достигается применением дополнительной информации от геофизических датчиков с малой и большой глубиной проникновения, расположенных близко от долота.

Второй и третий уровень подземной навигации, таким образом, позволяют обеспечить гибкое взаимодействие бурения и геологии, благодаря чему положение скважины контролируется в реальном времени, что и приводит в итоге к наиболее рациональной ее проводке.

Принимая во внимание вышесказанное, а также некоторые дополнительные соображения, становящиеся в этом контексте очевидными, сформулируем основной предмет подземной навигации и ориентации как:

- определение местоположения компоновки низа буровой колонны (КНБК) относительно географической или иной, связанной с Землей, системы координат или описание профиля скважины или разреза в тех же координатах;

- определение контуров продуктивных пластов (рудных тел) относительно КНБК, профиля скважины (разреза) или (с учетом необходимости) системы координат, связанной с Землей;

- определение параметров ориентации скважинных приборов, транспортируемых в составе КНБК или в качестве отдельных зондов, сейсмоприемников и т.п., независимо от целей использования этих параметров.

Сфера приложения современных задач подземной навигации и ориентации постоянно расширяется. Сегодня, наряду с непосредственно определяемым в указанном контексте построением продуктивных горизонтов МПИ (с абсолютными отметками пластопересечений флюидов или рудных тел), исследованием скважин (непосредственно после бурения или пробуренных много лет назад) и сопровождением их проводки в процессе бурения (в том числе на удаленных шельфовых и водоплавающих месторождениях) к числу таких приложений следует отнести:

- отыскание аварийной скважины в целях ее подземного глушения;

- ориентирование клина-отклонителя при зарезке БС;

- обход соседних скважин при плотной сетке кустового разбуривания;

- информационное обеспечение решения правовых вопросов при бурении ГС на пограничных месторождениях;

- бестраншейную прокладку магистралей;

- подземное преодоление естественных и искусственных препятствий;

- измерение пространственного положения подземных коммуникаций, трубопроводов, магистралей и их элементов, в том числе, в процессе эксплуатации, а также некоторые другие приложения.

Указанная совокупность задач обеспечивает достижение основных целей подземной навигации:

- построение геологических моделей и схем разработки МПИ;

- оптимальная проводка ствола скважин, обеспечивающая максимальное извлечение продуктивных залежей при минимальных издержках;

- управление положением бурового инструмента с целью изменения интенсивности искривления, проводки ствола скважины в заданном направлении, либо удержания направления в конусе допустимых угловых отклонений;

- оптимальная прокладка магистралей, трубопроводов, тоннелей, линий коммуникаций (проводка технологических и боковых стволов), обеспечивающая преодоление (отыскание) естественных и искусственных препятствий с минимальными издержками;

- контроль изменения высотно-плановых координат эксплуатирующихся линий коммуникаций, трубопроводов, магистралей и их элементов.

Сегодня в мире, в том числе и в России все чаще проектируются и строятся скважины со все более сложной траекторией, быстрыми темпами развивается разработка глубоководных месторождений, меняется архитектура скважин. Это обуславливает усложнение задач подземной навигации и ориентации, необходимость решения которых приводит к развитию существующей и созданию новой измерительной техники, применению современного подхода к проектированию и строительству скважин, использованию новых методов и технологий буровых работ, программного инструментария.

Лекция №2.