Буровая установка используется для создания скважины или колодца (также называемого стволом скважины) в недрах земли, например, для извлечения природных ресурсов, таких как газ или нефть. Во время такого бурения данные собираются с датчиков буровой установки для различных целей, таких как: поддержка принятия решений для контроля и управления бесперебойной работой бурения; создание подробных записей (или каротажа скважины) геологических формаций, пробуренных скважиной; создание статистики операций и контрольных показателей производительности, чтобы можно было определить улучшения, и предоставление планировщикам скважин точных исторических данных о производительности операций, с помощью которых можно выполнять статистический анализ рисков для будущих операций скважин. Термины измерение во время бурения ( MWD ) и каротаж во время бурения (LWD) не используются последовательно в отрасли. Хотя эти термины связаны, в контексте этого раздела термин измерение во время бурения относится к измерениям направленного бурения, например, для поддержки принятия решений относительно траектории ствола скважины (наклона и азимута), в то время как LWD относится к измерениям, касающимся геологических формаций, пробуренных во время бурения. [1]
Первые попытки обеспечить MWD и LWD относятся к 1920-м годам, и попытки были предприняты до Второй мировой войны с использованием гидроимпульса, проводной трубы, акустики и электромагнитов. JJ Arps создал работающую систему направленности и сопротивления в 1960-х годах. [2] Конкурирующие работы, поддержанные Mobil, Standard Oil и другими в конце 1960-х и начале 1970-х годов, привели к появлению нескольких жизнеспособных систем к началу 1970-х годов, с MWD Teleco Oilfield Services, системами от Schlumberger (Mobil) Halliburton и BakerHughes. Однако основным стимулом к развитию стало решение Норвежского нефтяного директората обязать проводить направленную съемку в скважинах на шельфе Норвегии каждые 100 метров. Это решение создало среду, в которой технология MWD имела экономическое преимущество перед обычными механическими устройствами TOTCO, и привело к быстрому развитию, включая LWD, для добавления гамма-излучения и сопротивления к началу 1980-х годов. [3] [4] [5]
MWD обычно касается измерения наклона ствола скважины (отверстия) от вертикали, а также магнитного направления от севера. Используя базовую тригонометрию, можно получить трехмерный график пути скважины. [ необходима цитата ] По сути, оператор MWD измеряет траекторию скважины по мере ее бурения (например, обновления данных поступают и обрабатываются каждые несколько секунд или чаще). Затем эта информация используется для бурения в заранее запланированном направлении в пласт, содержащий нефть, газ, воду или конденсат. Также могут быть проведены дополнительные измерения естественного гамма-излучения из породы; это помогает в целом определить, какой тип горной породы бурится, что, в свою очередь, помогает подтвердить местоположение ствола скважины в реальном времени по отношению к наличию различных типов известных пластов (путем сравнения с существующими сейсмическими данными). [ необходима цитата ]
Измеряются плотность и пористость, давление флюида в породе и другие параметры, некоторые из которых измеряются с помощью радиоактивных источников, некоторые — с помощью звука, некоторые — с помощью электричества и т. д. Затем эти данные можно использовать для расчета того, насколько свободно нефть и другие флюиды могут протекать через пласт, а также объема углеводородов, присутствующих в породе, и, с учетом других данных, стоимости всего резервуара и запасов резервуара. [ необходима ссылка ]
Скважинный инструмент MWD также «высокосторонне» с забойным буровым узлом, что позволяет направлять ствол скважины в выбранном направлении в трехмерном пространстве, известном как направленное бурение . Бурильщики, занимающиеся направленным бурением, полагаются на получение точных, качественно проверенных данных от оператора MWD, что позволяет им безопасно удерживать скважину на запланированной траектории. [ необходима цитата ]
Измерения направленной съемки проводятся тремя ортогонально установленными акселерометрами для измерения наклона и тремя ортогонально установленными магнитометрами, которые измеряют направление (азимут). Гироскопические инструменты могут использоваться для измерения азимута, когда съемка проводится в месте с разрушительными внешними магнитными воздействиями, внутри «обсадной трубы», например, где отверстие облицовано стальными трубками (трубами). Эти датчики, а также любые дополнительные датчики для измерения плотности горных пород, пористости, давления или других данных, подключаются, физически и цифровым способом, к логическому устройству, которое преобразует информацию в двоичные цифры, которые затем передаются на поверхность с помощью «телеметрии с помощью гидроимпульса» (MPT, система передачи двоичного кодирования, используемая с жидкостями, например, комбинаторная, манчестерская кодировка, расщепленная фаза и т. д.). [ необходима цитата ]
Это делается с помощью скважинного «пульсатора», который изменяет давление бурового раствора (бурового раствора) внутри бурильной колонны в соответствии с выбранным MPT: эти колебания давления декодируются и отображаются на компьютерах поверхностной системы в виде волновых форм; выходных сигналов напряжения от датчиков (необработанные данные); конкретных измерений силы тяжести или направлений от магнитного севера или в других формах, таких как звуковые волны, ядерные волновые формы и т. д. [ необходима ссылка ]
Датчики давления на поверхности (бурового раствора) измеряют эти колебания давления (импульсы) и передают аналоговый сигнал напряжения на поверхностные компьютеры, которые оцифровывают сигнал. Частоты помех отфильтровываются, и сигнал декодируется обратно в исходную форму данных. Например, колебание давления в 20 фунтов на квадратный дюйм (или меньше) может быть «выделено» из общего давления системы бурового раствора в 3500 фунтов на квадратный дюйм или больше. [ необходима цитата ]
Электрическая и механическая энергия в скважине обеспечивается турбинными системами скважин, которые используют энергию потока «бурового раствора», аккумуляторных батарей (литиевых) или их комбинации. [ необходима ссылка ]
Инструменты MWD, как правило, способны проводить направленные исследования в режиме реального времени. Инструмент использует акселерометры и магнитометры для измерения наклона и азимута ствола скважины в этом месте, а затем передает эту информацию на поверхность. С помощью серии исследований; измерений наклона, азимута и торца инструмента с соответствующими интервалами (где-то от каждых 30 футов (т. е. 10 м) до каждых 500 футов) можно рассчитать местоположение ствола скважины. [ необходима цитата ]
Сама по себе эта информация позволяет операторам доказать, что их скважина не пересекает области, которые им не разрешено бурить. Однако из-за стоимости систем MWD они обычно не используются на скважинах, которые должны быть вертикальными. Вместо этого скважины обследуются после бурения с использованием многозарядных инструментов для обследования, опускаемых в бурильную колонну на проволоке или кабеле . [ необходима цитата ]
Основное применение съемки в реальном времени — в направленном бурении. Чтобы бурильщик мог направить скважину к целевой зоне, он должен знать, куда идет скважина и каковы результаты его усилий по управлению. [ необходима цитата ]
Инструменты MWD также обычно обеспечивают измерения торца инструмента для помощи в направленном бурении с использованием забойных двигателей с изогнутыми переводниками или изогнутыми корпусами. Для получения дополнительной информации об использовании измерений торца инструмента см. Направленное бурение . [ необходима цитата ]
Инструменты MWD также могут предоставить информацию об условиях на буровой коронке. Это может включать:
Использование этой информации может позволить оператору бурить скважину более эффективно и гарантировать, что инструмент MWD и любые другие скважинные инструменты, такие как забойный двигатель , роторные управляемые системы и инструменты LWD, работают в соответствии с их техническими характеристиками, чтобы предотвратить отказ инструмента. Эта информация также ценна для геологов, ответственных за информацию о скважине, в которой ведется бурение. [ необходима цитата ]
Многие приборы MWD, как сами по себе, так и в сочетании с отдельными приборами LWD, могут проводить измерения свойств пласта. На поверхности эти измерения собираются в журнал, аналогичный тому, который получается при кабельном каротаже . [ необходима цитата ]
Инструменты LWD способны измерять ряд геологических характеристик, включая плотность, пористость, удельное сопротивление, акустический каверномер, наклон буровой коронки (NBI), магнитный резонанс и пластовое давление. [6]
Инструмент MWD позволяет проводить эти измерения и оценивать их во время бурения скважины. Это позволяет выполнять геонавигацию или направленное бурение на основе измеренных свойств пласта, а не просто бурить в заданную цель. [ необходима цитата ]
Большинство инструментов MWD содержат внутренний датчик гамма-излучения для измерения естественных значений гамма-излучения. Это связано с тем, что эти датчики компактны, недороги, надежны и могут проводить измерения через немодифицированные утяжеленные бурильные трубы. Другие измерения часто требуют отдельных инструментов LWD, которые сообщаются с инструментами MWD в скважине через внутренние провода. [ необходима цитата ]
Измерение во время бурения может быть экономически эффективным в разведочных скважинах, особенно в районах Мексиканского залива, где скважины бурятся в зонах соляных диапиров . Каротаж сопротивления обнаружит проникновение в соль, а раннее обнаружение предотвращает повреждение солью бентонитового бурового раствора. [ необходима цитата ]
Это наиболее распространенный метод передачи данных, используемый инструментами MWD. В скважине клапан управляет ограничением потока бурового раствора (бурового раствора) в соответствии с цифровой информацией, которая должна быть передана. Это создает колебания давления, представляющие информацию. Колебания давления распространяются внутри бурового раствора к поверхности, где они принимаются от датчиков давления. На поверхности полученные сигналы давления обрабатываются компьютерами для реконструкции информации. Технология доступна в трех вариантах: положительный импульс, отрицательный импульс и непрерывная волна . [7]
При бурении на депрессии телеметрия с гидроимпульсным каналом может стать непригодной. Обычно это происходит из-за того, что для снижения эквивалентной плотности бурового раствора в него впрыскивается сжимаемый газ. Это приводит к сильному затуханию сигнала , что резко снижает способность раствора передавать импульсные данные. В этом случае необходимо использовать методы, отличные от телеметрии с гидроимпульсным каналом, такие как электромагнитные волны, распространяющиеся через пласт, или телеметрия с использованием проводных бурильных труб. [ необходима цитата ]
Современная технология гидроимпульсной телеметрии обеспечивает пропускную способность до 40 бит/с. [11] Скорость передачи данных падает с увеличением длины ствола скважины и обычно составляет всего 0,5 бит/с [12] – 3,0 бит/с. [11] (бит в секунду) на глубине 35 000 футов – 40 000 футов (10 668 м – 12 192 м).
Связь между поверхностью и скважиной обычно осуществляется посредством изменения параметров бурения, т. е. изменения скорости вращения бурильной колонны или изменения расхода бурового раствора. Внесение изменений в параметры бурения для отправки информации может потребовать прерывания процесса бурения, что невыгодно, поскольку приводит к непродуктивному времени. [ необходима цитата ]
Эти инструменты включают электрический изолятор в бурильной колонне, но из-за проблем с получением данных через хороший проводник (соленая вода) этот подход в основном ограничен береговыми территориями без неглубоких соленых водоносных горизонтов. Для передачи данных инструмент генерирует измененную разность напряжений между верхней частью (основная бурильная колонна, над изолятором) и нижней частью (буровое долото и другие инструменты, расположенные под изолятором инструмента MWD). На поверхности к устью скважины прикреплен провод, который контактирует с бурильной трубой на поверхности. Второй провод прикреплен к стержню, забитому в землю на некотором расстоянии. Устье скважины и заземляющий стержень образуют два электрода дипольной антенны. Разность напряжений между двумя электродами является принимаемым сигналом, который декодируется компьютером. [ необходима цитата ]
Инструмент ЭМ генерирует разности напряжений между секциями бурильной колонны в виде волн очень низкой частоты (2–12 Гц). Данные накладываются на волны посредством цифровой модуляции . [ необходима цитата ]
Эта система обычно обеспечивает скорость передачи данных до 10 бит в секунду. Кроме того, многие из этих инструментов также способны получать данные с поверхности таким же образом, в то время как инструменты на основе гидроимпульсного бурения полагаются на изменения параметров бурения, таких как скорость вращения бурильной колонны или скорость потока бурового раствора, для отправки информации с поверхности на скважинные инструменты.
По сравнению с широко используемой телеметрией с помощью гидроимпульса, электромагнитная телеметрия более эффективна в специализированных ситуациях на суше, таких как бурение с отрицательным давлением или при использовании воздуха в качестве бурового раствора. Она способна передавать данные быстрее при небольших глубинах бурения на суше. Однако она, как правило, не справляется при бурении исключительно глубоких скважин, и сигнал может быстро терять силу в определенных типах пластов, становясь необнаружимым на глубине всего в несколько тысяч футов. [ необходима цитата ]
Несколько нефтесервисных компаний в настоящее время разрабатывают проводные системы бурильных труб, хотя проводные системы испытываются уже много десятилетий, а русские использовали систему в 1960-х годах. Эти системы используют электрические провода, встроенные в каждый компонент бурильной колонны, которые передают электрические сигналы непосредственно на поверхность. Эти системы обещают скорость передачи данных на порядки больше, чем что-либо возможное с помощью гидроимпульсной или электромагнитной телеметрии, как от скважинного инструмента на поверхность, так и от поверхности к скважинному инструменту. Проводная трубная сеть IntelliServ [13] , предлагающая скорость передачи данных свыше 1 мегабита в секунду, стала коммерческой в 2006 году. Представители BP America, StatoilHydro, Baker Hughes INTEQ и Schlumberger представили три истории успеха с использованием этой системы, как на суше, так и на море, на конференции по бурению SPE/IADC в марте 2008 года в Орландо, Флорида. [14] Стоимость бурильной колонны и сложность развертывания делают эту технологию узкоспециализированной по сравнению с гидроимпульсной.
Инструменты MWD могут быть полупостоянно установлены в утяжеленной бурильной трубе (съемные только на объектах обслуживания) или они могут быть автономными и извлекаться с помощью троса. [ необходима цитата ]
Извлекаемые инструменты, иногда называемые тонкими инструментами , могут быть извлечены и заменены с помощью троса через бурильную колонну. Это обычно позволяет намного быстрее заменить инструмент в случае отказа, а также позволяет восстановить инструмент, если бурильная колонна застряла. Извлекаемые инструменты должны быть намного меньше, обычно около 2 дюймов или меньше в диаметре, хотя их длина может быть 20 футов (6,1 м) или больше. Небольшой размер необходим для того, чтобы инструмент мог пройти через бурильную колонну; однако он также ограничивает возможности инструмента. Например, тонкие инструменты не способны отправлять данные с той же скоростью, что и инструменты, устанавливаемые на воротник, и они также более ограничены в своей способности взаимодействовать с другими инструментами LWD и подавать на них электропитание. [ необходима цитата ]
Инструменты, устанавливаемые на воротник, также известные как толстые инструменты , обычно не могут быть сняты с воротника бура на буровой площадке. Если инструмент выходит из строя, для его замены необходимо вытащить из скважины всю бурильную колонну. Однако, без необходимости проходить через бурильную колонну, инструмент может быть больше и более эффективным. [ необходима цитата ]
Возможность извлечения инструмента с помощью троса часто бывает полезной. Например, если бурильная колонна застревает в скважине, то извлечение инструмента с помощью троса сэкономит значительную сумму денег по сравнению с тем, чтобы оставить его в скважине с застрявшей частью бурильной колонны. Однако существуют некоторые ограничения этого процесса. [ необходима цитата ]
Извлечение инструмента с помощью троса не обязательно быстрее, чем вытаскивание инструмента из скважины. Например, если инструмент выходит из строя на глубине 1500 футов (460 м) при бурении с помощью тройной установки (способной спускать 3 стыка труб или около 90 футов (30 м) за раз), то обычно быстрее вытащить инструмент из скважины, чем смонтировать трос и извлечь инструмент, особенно если тросовый блок необходимо транспортировать на установку. [ необходима цитата ]
Извлечение троса также представляет дополнительный риск. Если инструмент отсоединяется от троса, он падает обратно вниз по бурильной колонне. Это, как правило, приводит к серьезным повреждениям инструмента и компонентов бурильной колонны, в которых он находится, и требует извлечения бурильной колонны из скважины для замены вышедших из строя компонентов; это приводит к более высоким общим затратам, чем извлечение из скважины в первую очередь. Тросовое снаряжение также может не зафиксироваться на инструменте или, в случае серьезного отказа, может вывести на поверхность только часть инструмента. Это потребует извлечения бурильной колонны из скважины для замены вышедших из строя компонентов, что делает операцию с тросом пустой тратой времени. [ необходима цитата ]
Некоторые разработчики инструментов взяли конструкцию извлекаемого «тонкого инструмента» и применили ее к неизвлекаемому инструменту. В этом случае MWD сохраняет все ограничения конструкции тонкого инструмента (низкая скорость, способность застревать на частицах пыли, низкая устойчивость к ударам и вибрации) без каких-либо преимуществ. Любопытно, что эти инструменты все еще имеют наконечник троса, несмотря на то, что их поднимают и перемещают с помощью пластины.
Медиа, связанные с измерением во время бурения на Wikimedia Commons