Разработка системы контроля забойных параметров при бурении морских скважин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.18, кандидат технических наук Греков, Сергей Вячеславович

• Греков, Сергей Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Греков, Сергей Вячеславович

Перечень условных обозначений и сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обоснование актуальности темы. Цели и задачи исследования.

1.1. Актуальность применения телеметрических систем контроля забойных параметров процесса бурения морских скважин.

1.2. Обзор и анализ состояния работ по системам контроля забойных параметров процесса бурения нефтяных и газовых скважин в России и за рубежом.

1.3. Обзор и анализ результатов теоретических исследований, связанных с телеметрическими системами, с гидравлическим каналом связи.

1.4. Основные задачи при создании и эксплуатации современных отечественных телеметрических систем.

1.5. Выводы по главе 1.

Глава 2. Исследование гидравлического канала связи. Построение математической модели и выбор основных параметров передатчика гидравлических импульсов. Исследование помех в гидравлическом канале.

2.1. Основные уравнения гидравлического канала связи.

2.2. Частотные характеристики гидравлической линии и их анализ.

2.3. Структурная схема передатчика и её анализ.

2.4. Частотные характеристики передатчика.

2.5. Исследование и анализ помех в гидравлическом канале связи.

2.6. Помехи, возникающие вследствие работы буровых насосов.

2.7. Помехи, вызываемые работой бурового инструмента.

2.8. Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследование влияния передающего модуля телеметрической системы на устойчивость работы гидравлических забойных двигателей различного типа и их воздействия на параметры гидравлического сигнала.

3.1. Общий анализ.

3.2. Взаимодействие телеметрической системы с серийным турбобуром.

3.3. Взаимодействие телеметрической системы с турбобуром «спадающей к тормозу линией давления».

3.4. Взаимодействие телеметрической системы с винтовым забойным двигателем.

3.5. Выводы по главе 3.

Глава 4. Выбор и обоснование оптимального кода передачи для различных условий работы телеметрической системы. Разработка пакета программ для палубного модуля управления.

4.1. Выбор и обоснование оптимального кода передачи.

4.2. Разработка пакета программ для палубного модуля управления.

4.3. Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка системы контроля забойных параметров при бурении морских скважин»

Эффективность освоения морских нефтегазовых месторождений в значительной мере зависит от совершенства техники и технологии бурения скважин с большими отклонениями стволов от вертикали, с горизонтальными участками сравнительно большой протяженности, а также многоствольных скважин. Бурение таких скважин осуществляется, как правило, с применением телеметрических систем контроля забойных параметров непосредственно в процессе бурения (MWD-Measurement While Drilling - Измерения в процессе бурения) с использованием преимущественно гидравлического канала связи. В настоящее время в России телеметрические системы с гидравлическим каналом связи серийно не выпускаются, поэтому их вынужденно закупают за рубежом. Создание и организация производства отечественных телеметрических систем является важной и актуальной задачей, решение которой позволит значительно сократить капитальные и эксплуатационные затраты на освоение нефтегазовых месторождений континентального шельфа РФ.

За рубежом в течение последних 20 лет системы MWD и LWD переживают пик своего развития, что, прежде всего, обусловлено увеличением доли морского бурения в общем объёме буровых работ. Одной из основных особенностей морского бурения является большое число скважин, бурящихся с одной платформы, с большими отклонениями от вертикали, бурение многоствольных скважин, поэтому решение задачи обеспечения точности траекторий при бурении куста скважин с морской платформы или с применением подводных добычных комплексов напрямую связано с использованием телеметрических систем контроля забойных параметров. Свыше 95 % морских наклонно-направленных скважин на сегодняшний день буриться с использованием систем MWD. Более того, само понятие MWD объективно стало уже в значительной мере ассоциироваться с морским бурением.

Несмотря на то, что СССР в свое время был основоположником методов и средств контроля забойных параметров в процессе бурения, в настоя5 щее время в России, к сожалению, нет серийно выпускаемых конкурентоспособных телеметрических систем с гидравлическим каналом связи, и поэтому значительное место на Российском рынке занимают импортные телесистемы, занимающие лидирующее положение на зарубежных рынках, в основном, компаний Sperry-Sun (ставшей в последние время подразделением компании Halliburton), Schlumberger (в том числе ее подразделение Anadrill), Baker Hughes (на базе компании Eastman Teleco) и частично Geolink.

В настоящее время завершена подготовка Технико-экономического обоснования организации работ в ООО «ВНИИГАЗ» по созданию отечественных информационно-измерительных систем контроля забойных параметров бурения морских наклонно-направленных и горизонтальных скважин нового поколения, включающих как разработку и организацию производства самих телесистем, так и создание Центральной производственной и сервисной базы для выпуска, метрологической аттестации, сертификации и сервисного обслуживания телесистем.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка моделей и методов анализа телеметрической системы контроля забойных параметров процесса бурения морских скважин с гидравлическим каналом связи.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

• Разработка метода анализа динамических характеристик телеметрической системы контроля забойных параметров бурения морских скважин с гидравлическим каналом связи.

• Разработка математической модели и определение основных параметров передатчика гидравлических импульсов.

• Разработка и обоснование метода выделения гидравлического сигнала на поверхности на фоне помех в гидравлическом канале связи при бурении морских скважин.

• Определение основных параметров рабочего режима передающего модуля телесистемы с учетом его влияния на устойчивость работы гидравлических забойных двигателей различного типа и их воздействия на параметры гидравлического сигнала.

• Разработка пакета прикладных программ, включая пользовательские интерфейсы палубного модуля управления телеметрической системы контроля забойных параметров бурения морских скважин.

Научная новизна результатов исследований определяется следующими защищаемыми положениями:

1. Разработан метод анализа динамических характеристик телеметрической системы контроля забойных параметров бурения морских скважин с гидравлическим каналом связи, позволяющий обосновать влияние параметров гидравлической линии на прием забойной информации.

2. Разработана математическая модель и определены основные параметры передатчика гидравлических импульсов, позволяющие повысить частоту передачи забойной информации.

3. Разработан метод распознавания гидравлического сигнала на поверхности на фоне помех в гидравлическом канале связи при бурении морских скважин.

4. Определены основные параметры рабочего режима передающего модуля телеметрической системы с учетом его влияния на устойчивость работы гидравлических забойных двигателей различного типа и их воздействия на параметры гидравлического сигнала.

5. Разработан пакет программ палубного модуля управления, включая пользовательские интерфейсы телеметрической системы контроля забойных параметров бурения морских скважин.

Реализация работы. Результаты работы использованы при разработке «Технико-экономического обоснования организации работ в ООО «ВНИИГАЗ» по созданию информационно-измерительных систем контроля забойных параметров бурения морских наклонно-направленных и горизонтальных скважин» и в проекте «Центральной производственной и сервисной базы ООО «ВНИИГАЗ» для сборки, испытаний, метрологической аттестации и сертификации информационно-измерительных систем контроля забойных параметров бурения морских скважин». Результаты работы будут использованы для оптимизации количества скважин куста в проектах освоения морских месторождений (Штокмановское ГКМ, Северо-Каменномысское и др.) в соответствии с утвержденной программой работ ОАО «ГАЗПРОМ» на шельфе РФ до 2030 года.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях секции Ученого Совета ООО «ВНИИГАЗ». Отдельные положения диссертации докладывались на конференции, посвященной пятидесятилетию ООО «ВНИИГАЗ», и на встрече специалистов ООО «ВНИИГАЗ» и компании Hydro (Осло, 2005), работающих в рамках программы совместных работ ООО «ВНИИГАЗ» и компании Hydro.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, основные результаты с выводами, список использованной литературы из 65 наименований. Содержание изложено на 130 страницах машинописного текста и включает 49 рисунков и 9 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Технология освоения морских месторождений полезных ископаемых», Греков, Сергей Вячеславович

Основные результаты и выводы

1. Разработан метод анализа динамических характеристик телеметрической системы контроля забойных параметров бурения морских скважин с гидравлическим каналом связи, позволяющий обосновать влияние параметров гидравлической линии на прием забойной информации.

2. Разработана математическая модель и определены основные параметры передатчика гидравлических импульсов, позволяющие повысить частоту передачи забойной информации.

3. Разработан метод анализа влияния телеметрической системы на устойчивость работы гидравлических забойных двигателей различного типа и их воздействия на параметры гидравлического сигнала, на основании которого обоснованы параметры рабочего режима передающего модуля телесистемы с учетом типа и режима работы забойного двигателя, совместно с которым используется телеметрическая система.

4. Разработан метод выделения гидравлического сигнала в палубном модуле управления и определены параметры цифрового фильтра, учитывающие характеристики буровых насосов.

5. Разработана структура кода передачи данных для различных режимов работы телесистемы и решена задача обеспечения оптимального приема передаваемого с забоя сигнала на фоне помех в гидравлическом канале связи.

6. Разработан пакет программ в виде набора функциональных модулей для палубного модуля управления телеметрической системой контроля забойных параметров бурения морских скважин, включающий пользовательские интерфейсы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Греков, Сергей Вячеславович, 2005 год

1. Абубакиров В.Ф., Буримов Ю.Г., Гноевых А.Н., Межлумов А.О., Близ-нюков В.Ю. Буровое оборудование: Справочник: В 2-х т. Т. 2. Буровой инструмент. М., «Недра», 2003

2. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Винтовые забойные двигатели: Справочное пособ. М., «Недра», 1999

3. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б., Байбаков О.В., Кирилловский Ю.Л. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. М., «Машиностроение», 1970

4. Белкин С.Г., Вольгемут Э.А., Зак В.Б., Лысенко Ю.А. Особенности совместной работы телесистемы с гидроканалом связи и забойного двигателя: Сборник научных трудов «Проблемы освоения морских нефтяных и газовых месторождений» М., ВНИИОЭНГ, 1990

5. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М., Главная редакция физико-математической литературы, 1972

6. Брунов Б.Я., Гольденберг Л.М., Кляцкин И.Г., Цейтлин Л.А! Теория электромагнитного поля. М.-Л., Госэнергоиздат, 1962

7. Вернер М. Основы кодирования. М. «Техносфера» 2004

8. Вольгемут Э.А., Греков С.В., Мурин В.В. Состояние и тенденции развития техники контроля забойных параметров бурения морских скважин. Сб. н. тр. «Состояние и перспективы освоения морских нефтегазовых месторождений». -М.: ВНИИГАЗ, 2003. - с. 251-271

9. Вяхирев Р.И., Никитин Б.А., Мирзоев Д.А. Обустройство и освоение морских нефтегазовых месторождений. М.: Изд. Академии горных наук, 2001. — 460 с. 2-е изд

10. Гидравлические и пневматические системы управления. Под редакцией Блекборн Дж., Ритхов Г., Шерер Дж.Л. М., Издательство иностранной литературы, 1062

11. Грачев Ю.В., Варламов В.П. Автоматический контроль в скважинах при бурении и эксплуатации. М., Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1963

12. Греков С.В. Исследование помех в гидравлическом канале связи телеметрической системы контроля забойных параметров в процессе бурения. «Нефтегазовое дело». Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005.

13. Ильский А.Л. Расчет и конструирование бурового оборудования и инструмента. М., «Гостоптехиздат», 1962

14. Исаченко В.Х. Инклинометрия скважин. М. «Недра» 1987

15. Залманзон Л.А. Преобразование Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях. М. «Наука» 1989

16. Ковшов Г.Н., Алимбеков Р.И., Жибер А.В. Инклинометры (основы теории и проектирование). Уфа 1998

17. Конторович М.И. Операционное исчисление и процессы в электрических цепях. М., 1964

18. Краснов М. OpenGL. Графика в проектах Delphi. СПб. «БХВ-Петербург» 2001

19. Мирзоев Д.А. Нефтегазопромысловые ледостойкие сооружения мелководного шельфа. -М.: Изд. ВНИИОЭНГа, 1992г. 155 с.

20. Мирзоев Д.А., Бабаев Д.А., Морозова М.А. Особенности проведения буровых и эксплуатационных работ в условиях замерзающих морей. Обзор, информ. Сер. Бурение морских нефтяных и газовых скважин. ВНИИЭГазпром. М., 1980. - вып. 2.

21. Научно-техническое обеспечение технико-экономического обоснования обустройства Приразломного месторождения /ВНИПИморнефтегаз; Руководитель темы Мирзоев Д.А. М.: - 1994г.;

22. Пескин Г.Л. Прибор для измерения скорости вращения турбобура. Сб. н. тр. Привод буровых установок и автоматизация подачи долота. Выпуск 1 «Нефтепромысловое дело», М., 1961

23. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М., Мир, 1978

24. Рапин В.А. Информационно-измерительные системы контроля забойных параметров в процессе бурения. М. ВНИИОЭНГ, 1989

25. Розенберг Г.Д., Буяновский И.Н. О гидравлическом канале связи в бурении. Нефтяная и газовая промышленность №2-3, 1992

26. Рукавицин В.Н., Богорад Ю.Д. Контроль забойных параметров в процессе бурения скважин. ВНИИЭгазпром, 1980

27. Саркисов И.К. Каротаж скважины в процессе бурения. Обзор. М. , ВИЭМС, 1997

28. Справочник инженера по бурению. Т.1. Под редакцией Мищевича В.И., Сидорова Н.А. М., «Недра», 1973

29. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах. Изд. 2, М., «Недра», 1975

30. Эскин М.Г. О неустойчивых режимах работы турбобура на забое. Нефт. хоз-во. 1959 - №6

31. Эскин М.Г. Продольные колебания низа бурильной колонны и их влияние на характеристики забойных двигателей. Нефт. хоз-во. 1966 №1

32. Эскин М.Г. Устойчивость объемных забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин. Нефт. хоз-во. 1973, №11

33. Эскин М.Г. Современное состояние и задачи управления турбинным бурением нефтяных и газовых скважин. НТИС Серия «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море» М., ВНИИОЭНГ, 1992 №2-3

34. Эскин М.Г. О возможности бурения скважин с помощью винтовых объемных забойных двигателей и долот высокой моментоемкости. НТИС Серия «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море» М., ВНИИОЭНГ, 1992 №9-10

35. Эскин М.Г., Романова Е.И. Зависимость между параметрами режима турбинного бурения (Данные промышленных исследований и анализ). Сб. н. тр. Привод буровых установок и автоматизация подачи долота. Выпуск 1 «Нефтепромысловое дело», М., 1961

36. Эскин М.Г. Автоматическое управление забойными двигателями длябурения нефтяных и газовых скважин. Дис. д-ра техн. наук, МиНХ им. И.М. Губкина. М., 1970.

37. HI ill "Промгеосервис" Телесистема с электромагнитным каналом связи http://www.promgeoservice.ru.

38. ОАО «НПФ Самарские горизонты» Геонавигационный комплекс http ://www. smrk.ru

39. Desbrandes R. Ondes de pression dans les tiges de forage. Partio I: Transmission. Forages., №109, 1985

40. Desbrandes R. Ondes de pression dans les tiges de forage. Partio II: Generation, codage et detection. Forages., №110, 1986

41. Computalog Mud Pulse and Electromagnetic MWD System http://www.computalog.com

42. Measurement While Drilling. SPWLA reprint series. January 1993.45. "Oil & Gas Journal" Sept. 2, 2002 Electromagnetic MWD telemetry system sets depth record offshor, pp 46-47.

43. Schlumberger. Oilfield Bulletin.Slim Pulse Case History : Austin Chalk.

44. Schlumberger. Oilfield Bulletin. Schlumberger DD Direct-land MWD and directional drilling services.

45. Schlumberger. Oilfield Bulletin.Slim Pulse Case History : Austin Chalk.

46. Technology update. Sperry Sun drilling services. "Drilling heats up with the Solar 175tool." http://sperrv-sun.com

47. A.C. №523984, 15 апреля 1976.

48. A.C. №734383, 21 января 1980.

49. A.C. №1327616, 1 апреля 1987.

50. A.C. №1486596, 15 февраля 1989.

51. A.C. №1490268, 1 марта 1989.

52. Пат. № 2186210 Россия, 2000. ЗАО НПФ «Самарские горизонты». Телеметрическая система, использующая для передачи информации положительные импульсы давления промывочной жидкости.

53. Пат. № 2290320 GB, 1994. Magellan Company ltd. Measurement while drilling system for wells.

54. Пат. № 2333787 GB, 1999. Baker Hughes inc. Mud pulse telemetry in underbalanced drilling systems.

55. Пат. № 2.322.953 GB, 1999. Baker Hughes Inc. Method and apparatus for improved communication in a wellbore utilizing acoustic signals.

56. Пат. № 0994237 ЕР, 2000. Japan National Oil Corporation JP , Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha JP. Acoustic wave transmission system and method for transmitting an acoustic wave to a drilling tubular member.

57. Пат. № 0.911.640 ЕР 1990. Kawasaki Steel Co. JP ,Yamamoto Engineering Corp. JP. Underground acoustic wave transmitter, receiver, transmitting/receiving method, and underground exploration using this.

58. Пат. № 01/94750, WO 2001. Schlumberger Technology corp . Method and apparatus for downhole fluid pressure signal generation and transmission.

59. Пат. №6.384.738, US 2002. Halliburton Energy Service, Inc. US. Pressure impulse telemetry apparatus and methods.

60. Пат. № 6.421.298, US 2002. Halliburton Energy Service, Inc. US. Mud pulse telemetry.

61. Пат. №6.219.301, US 2001. Schlumberger Technology corp. Pressure pulse generator for MWD system which produces high signal strength and exhibits resistance to jamming.

62. Пат. № 6.272.916, US 2001. Japan National Oil Corp. Acoustic wave transmission system and method for transmitting an acoustic wave to a drilling metal tubular member.