5.5. Методы и устройства контроля траектории направленных скважин

Вертикальная (ненаправленная) скважина бурится при постоянном угле наклона, который поддерживается в заданных пределах, в то время как при направленном бурении угол и азимут траектории ствола должны быть определенными.

Чтобы определить изменения конфигурации ствола, проводят еди­ничные выборочные измерения. Эти измерения часто можно совместить с непродолжительными перерывами в работе бурового станка, в течение вспомогательных операций, например, непосредственно перед подъемом бурильных труб для замены долота. Более прогрессивные системы, такие как контролирующие инструменты или измерительные системы в процес­се бурения (MWD), в конкретные моменты времени предоставляют дан­ные о направлении ствола, которые показывают, что происходит на забое в процессе бурения.

В целом для сервисного обслуживания направленного бурения ис­пользуют различные системы: от более старых простейших инструментов до новейших, постоянно действующих забойных регистраторов. Наилуч­шую систему для каждого конкретного случая определяет заказчик с уче­том расположения площади, применяемого бурового оборудования, необ­ходимой точности измерений.

286

Для определения конфигурации ствола скважины в отечественной практике чаще всего применяют приборы с плавиковой кислотой и инк­линометры: первые позволяют измерять лишь зенитный угол, а вторые -зенитный угол и азимут направления ствола в точке измерения. После окончания бурения определенного интервала или всей скважины работ­ники каротажной партии регистрируют с помощью глубинного инклино­метра изменения зенитного угла и азимута оси ствола скважины по глу­бине и строят инклинограмму, на основании которой вычерчивают гори­зонтальную проекцию ствола скважины с указанием направлений с севера на юг и с запада на восток, отклонения проекции забоя от проекции устья. Иногда на графике указывают характерные глубины резкого изменения азимута или зенитного угла, границ горизонтов и мест аварий. Среди при­боров с плавиковой кислотой наиболее распространен сбрасываемый в бурильную колонну аппарат В.А. Петросяна, принцип действия которого основан на том, что плавиковая (фтористоводородная) кислота на границе с воздухом протравливает (разъедает) стекло по периметру горизонталь­ного мениска.

Схему действия этого прибора иллюстрирует рис. 5.8. В сталь­ной корпус 1 с крышками помещен на осях 4 с заостренными концами полуцилиндр 3. Его центр тяжести смещен относительно оси корпуса, в результате чего при наклоне прибора полуцилиндр поворачивается на осях 4 до тех пор, пока его центр тяжести не займет низшее положение. В полуцилиндре размещается прямоугольный пенал 5 с резиновой пробкой 6, в пазы которого вставляют стеклянную пластину. В буриль­ной колонне прибор центрируется резиновыми кольцами 2. Перед спуском в скважину пенал наполовину заполняют 20%-ной плавиковой кислотой и вставляют в полуцилиндр. Собранный прибор помещают в длинную желонку между двумя пружинами, служащими для амортиза­ции толчков (рис. 5.9). В таком виде прибор сбрасывают или опускают на тросе с помощью специальной лебедки в бурильную колонну. После достижения прибором глубины измерения его необходимо оставить в покое на 10-15 мин для протравливания пластины кислотой и после этого извлечь на поверхность. В искривленной скважине пенал прибора повторит наклон оси ствола. При этом полуцилиндр повернется так, что плоскость стеклянной пластины совместится с плоскостью искрив­ления скважины в этой точке, и от горизонтального уровня кислоты на пластине протравится след под углом к шлифованной грани пластины, равным зенитному углу скважины.

287

Для одновременного измерения зенитного и азимутального углов часто используют автономный забойный инклинометр - ЗИ (рис. 5.10). Прибор ЗИ имеет измерительную систему, установленную в корпусе, которая состоит из вращающейся рамки 1, на которой расположены буссоль с магнитной стрелкой 2 для измерения азимута ствола скважины в зоне измерения, отвес 3 для измерения зенитного угла и вспомогательныйлимб 4 для определения положения отклонителя относительно направле­ния искривления скважины или относительно меридиональной плоскости север - юг.

рис. 5.10. Схема автономного забойного инклинометра (ЗИ)

Вращающаяся рамка эксцентрична относительно оси вращения, поэтому она сама устанавливается в плоскости искривления скважины подобно тому, как это происходит с полуцилиндром в приборе Петросяна.

При спуске в скважину вся измерительная система закрепляется фик­сатором 5. В момент посадки прибора на «ножи» на свинцовой печати 12 об­разуются отпечатки ножей, нижняя часть 10 корпуса прекращает движение, тогда как верхняя часть 9 вместе с измерительной системой продолжает

289

спускаться, надвигаясь на цилиндрический груз 14, который телескопически соединен с обеими частями с помощью пальцев 15 и прорезей 16.

При этом диск 6 садится на нажимной шток 7 и освобождает изме­рительную систему. Освобожденная рамка инклинометра устанавливается в плоскости искривления скважины, а стрелки буссоли и отвеса занимают положения, соответствующие азимуту и углу наклона скважины в точке измерения.

Нажимной шток 7 имеет специальное гидравлическое реле 8, кото­рое после определенной, заранее заданной и отрегулированной выдержки во времени устраняет нажатие диска. Как только диск 6 возвращается на свое место, фиксатор 5 закрепляет стрелки буссоли и отвеса в тех поло­жениях, которые соответствуют азимуту и зенитному углу искривления в точке измерения. Для проверки правильности показаний инклинометра в стакан 11 можно вставить пробирку 13 с плавиковой кислотой для кон­трольного измерения угла искривления.

Средняя часть корпуса инклинометра заполнена маслом. Через компенсатор 20 гидростатическое давление столба промывочной жидко­сти передается на масло, вследствие чего происходит выравнивание дав­ления внутри и снаружи прибора и достигается высокая герметичность сальника 17, штока и резьбовых соединений. Масло оказывает также демпфирующее влияние на стрелки буссоли и отвеса и используется для работы гидравлического реле времени. На нижней части прибора выпол­нен кольцевой лимб 18, а вдоль одной из образующих корпуса нанесена глубокая риска 21. Лимбы 4, 18 и риска 21 позволяют связать отпечатки ножей на свинцовой печати с показаниями измерительной системы и про­вести ориентирование отклонителя.

Инклинометр спускается в бурильную колонну с помощью вспо­могательной лебедки на тонком стальном канате, прикрепленном к кольцу колпака 19. Измерение длится 3-5 мин, если не считать времени на спуск и подъем прибора.

Подняв прибор на поверхность, снимают колпак 19 и определяют зенитный угол скважины по показанию стрелки отвеса 3, а азимут - по показанию магнитной стрелки буссоли 21.

В зарубежной практике наиболее простым считают обслуживание с помощью фотографических устройств.

Контролирующие инструменты, применявшиеся ранее, записыва­ют информацию на забое скважины, которую затем, после подъема на по­верхность, анализируют. Фотографическое устройство доставляют в скважину и извлекают из нее одним из трех способов.

1. Оно может быть спущено в бурильную колонну и извлечено из нее с помощью троса или кабеля малого диаметра.

2. Оно может быть свободно сброшено в бурильную колонну, а за­тем извлечено с помощью овершота, спущенного в бурильную колонну на гибком тросе.

290

3. Оно может быть свободно сброшено внутрь бурильной колонны и при необходимости (например, для замены долота) извлечено из сква­жины вместе с поднимаемой бурильной колонной.

Простейшее магнитное устройство фотографирует маятник, подвешенный к фотографическому диску и расположенный над компасом (рис. 5.11).

Вертикальная ось

Осевая

линия

инструмента

Угол наклона

Рис. 5.11. Схема одноразового фо­тографического измерительного при­бора:

1 - изображение на фотографическом

диске;

2. - источник света;

3. - маятник;

4. - собирающая линза;

5. - компас

Вращающийся магнитный диск ориентируется на север магнитно­го поля Земли; маятник установлен вертикально, подобно отвесу. Элек­трический свет, сфокусированный на края диска со светочувствительной пленкой, освещает вертикальную сборку и компас. В искривленной сква­жине проекция вертикально подвешенного маятника не совпадает с цен­тром диска компаса на фотографии.

291

В результате длительной работы бурильный инструмент намагни­чивается от магнитного поля Земли, в связи с чем расположенный в нем компас дает искаженные результаты. Чтобы получить качественные маг­нитные данные, магнитный инструмент должен быть расположен вблизи долота в специальных бурильных трубах, металл которых трудно намаг­ничивается (например, коррозионно-стойкая сталь или алюминий). Изме­рительная сборка должна быть расположена достаточно далеко от бли­жайшего магнитного металла. Длину и число немагнитных участков сле­дует выбирать в зависимости от магнитной ситуации, угла искривления и направления скважины. Если скважина обсажена в местах измерения на­магничиваемой стальной колонной, то магнитные измерения в такой скважине невозможны.

Фотографический диск должен быть помещен в камеру, периоди­чески впускающую импульс света. Таймер, встроенный в сборку устрой­ства, в определенные моменты времени фиксирует маятник и компас, чтобы зафиксировать информацию об их взаимном положении. Инстру­ментальную сборку спускают в скважину и устанавливают в немагнитной части инструмента. Таймер включает свет, который направлен мимо ма­ятника и фиксирует его на фотографическом диске. После необходимой экспозиции диска свет выключается, и инструмент возвращается в исход­ное положение. На поверхности диск проявляют и читают информацию. На рис. 5.12 показана типичная фотография. Угол скважины прямо зави­сит от того, как далеко от центра находится изображение маятника. В рас­сматриваемом примере центр изображения маятника находится в окруж­ности, соответствующей 15° в точке 86° на восток от севера по показани­ям компаса. Скважина в данной точке углубляется под углом 15°. Это магнитные данные, потому что компас реагирует на магнитный полюс Земли. Север магнитного полюса удален на несколько сотен километров от северного географического полюса. Но план направленной скважины наносят на стандартные карты и схемы, базируясь на истинных сведениях, поэтому магнитные данные на диске должны быть откорректированы в географические.

Рис. 5.12. Изображение маг­нитного диска в инструменте одно­разового действия

292

Магнитное устройство для многократных измерений. Проект на­правленного бурения требует обстоятельного обследования скважины в определенные периоды времени, такие, например, как перед спуском об­садной колонны. Эти сервисные работы используют для построения всей траектории скважины по одиночным измерениям.

При этом применяют магнитное устройство для многократных то­чечных измерений. Принцип работы многоразового устройства такой же, как и одноразового. Основное различие состоит в том, что он снабжен встроенной пленкопротяжной камерой с таймером, который автоматиче­ски экспонирует и перемещает пленку в определенных интервалах (рис. 5.13). Результаты исследований анализируют, и сервисная компания пред­ставляет их в виде графических материалов.

Я 9 to

Рис. 5.13. Схематический вид магнитного инструмента многоразового действия:

1 - батареи; 2 — таймер; 3 - мотор; 4 - камера; 5 - линзы; 6 - шкала; 7 - жидкость; 8 - стеклянная крышка; 9 - маятник; 10 - собирающая линза

Гироскопический многоразовый аппарат. Обсадные колонны в скважинах, подобно обычному бурильному инструменту и трубам, намаг­ничиваются и выводят из строя магнитный компас. Магнитные исследо­вания становятся невозможными в обсаженных скважинах или в откры­тых стволах, вблизи которых находятся обсаженные скважины, например, скважины, пробуренные с морских платформ. Гироскопический многора­зовый прибор можно использовать для управляющих сервисных действий в обсаженных скважинах, вблизи обсаженных стволов или в спущенных в скважину бурильных трубах.

Гироскоп (рис. 5.14) представляет собой диск, установленный так, чтобы он мог быстро вращаться вокруг одной оси (АВ), но свободно ме­нять положение около одной или обеих из двух других взаимно перпен­дикулярных осей (KGи ED). Инерция вращающегося диска имеет тен­денцию удерживать свою ось в установленном направлении, несмотря на то, как поворачиваются другие оси.

293

Рис. 5.14. Гидроскоп в кардановом подвесе

Гирокомпас в гироскопическом многоразовом приборе представ­ляет собой катушку компаса, шарнирно подсоединенную к гироскопу. Собственно гироскоп - это массивный ротор электрического мотора, вра­щающийся с частотой 40 00СГ¹ мин. В отличие от магнитного компаса ги­рокомпас не подвержен влиянию магнитного поля Земли. Однако так как на гироскопы влияют вибрация и даже легкие удары, их надо опускать в бурильную колонну и извлекать из нее с помощью троса. Гироскоп дол­жен также комплектоваться установкой времени, потому что гироскопы имеют тенденцию дрейфовать постепенно от начального отрегулирован­ного положения. Поэтому желательно проводить измерения при спуске внутрь скважины, а не при подъеме из нее (так же, как и для магнитных приборов). На рис. 5.15 показана компоновка рабочих частей в гироско­пическом приборе. Перед тем как спустить этот прибор в скважину, на­правляющий визир устанавливают на известное направление (обычно это истинный север). Ротор приводят во вращение с постоянной скоростью электрическим мотором, получающим энергию от батарей или от поверх­ностного источника по кабелю.

Прибор спускают на тросе или кабеле в бурильный инструмент и устанавливают вблизи долота. Подобно магнитному многоразовому уст­ройству, этот прибор выполняет измерения в обозначенных интервалах. Крест на каждой фотографии - это изображение маятника, показывающее угол и направление искривления. Стрелка, установленная на гироскопе, указывает направление оси вращения.

Иногда при направленном бурении требуется выполнить единич­ные измерения в обсаженной скважине или в открытом стволе вблизи об­саженных скважин. В этом случае вместо магнитного одноразового при­бора можно использовать одноразовый гироскопический.

Обслуживание посредством забойной телеметрии. Преимущества фотографического обслуживания: его простота и низкая стоимость. Не­достатки: необходимость спускать и поднимать прибор или все начинать

294

сначала в случае, если предыдущая попытка оказалась неудачной. Чем дольше бурильный инструмент находится в скважине, тем больше опас­ность его прихвата. Прибор, который может в короткий срок предоставить расшифрованную информацию (показать, что происходит в момент изме­рения), хотя первоначально может быть дорогим, в конечном счете может уменьшить издержки производства.

Рис. 5.15. Гироскоп в гироскопическом инструменте многоразового действия:

1. - шкала верньера;

2. - внешний шарнир;

3. - внутренняя опора шарнира;

4. - нижняя внешняя опора шарнира;

5. - сборка мотора для гироскопа;

6. - нивелирующий переключатель;

7. - сборка вращающего мотора;

8. - гирокарта

Телеметрические приборы имеют измерительную глубинную сборку и монитор на поверхности, известный как считывающее устройст­во. Данные о направлении скважины должны быть преобразованы в элек­трические сигналы или в сигналы пульсаций и переданы из скважины на монитор. Одни приборы передают эти сигналы по кабелю, другие - по­средством бурового промывочного раствора. На буровой площадке порта­тивные компьютеры или микропроцессоры преобразуют поступающие данные в читаемую форму и показывают их на шкале прибора или на дис­плее, иногда - в виде таблицы или графика. Круговая шкала дисплея по-

295

казывает азимут от 0 до 360°. Глубинная часть телеметрических приборов обычно включает гироскоп или магнитометр.

Кабельная телеметрическая система. Управляющий инструмент - это кабельный телеметрический прибор, который измеряет искривление и направление скважины в процессе ее углубления. Так как в нем исполь­зуется кабель, управляющий инструмент можно применять только с за­бойным двигателем, который приводит в действие долото, когда буриль­ная колонна не вращается (зафиксирована).

Управляющий инструмент включает магнитометры, которые про­должительно измеряют направление скважины и ее искривление, и устрой­ства поверхностной ориентации. Сигналы от магнитометров передаются по кабелю из скважины на поверхность в компьютер, который конвертирует сигналы и позволяет считывать данные с дисплея. Этот инструмент позволя­ет как выполнить измерения, так и сориентировать забойный двигатель с от­клоняющим устройством для проходки скважины по плану.

Искривляющий инструмент изменяет курс скважины отводом до­лота в одну из сторон. Эта сторона инструмента называется «лицом». «Лицо» искривляющего инструмента поворачивают, ориентируя по на­правлению курса скважины.

Телеметрия посредством пульсаций бурового раствора. Другой тип телеметрической системы передает сигналы из скважины посредст­вом бурового раствора, позволяя бурильщику получать во временной шкале направление и другие параметры скважины без кабеля, и, следова­тельно, в периоды работ в скважине, связанные с вращением бурильной колонны. Как и другие телеметрические системы, система пульсации бу­рового раствора имеет два основных блока: забойную сборку, опреде­ляющую направление и искривление, и поверхностную сборку, дисплей которой показывает эти данные. Микропроцессор и передатчики в забой­ной сборке конвертируют измеренные величины в серию пульсаций дав­лений. Положительные импульсы бурового раствора - серия увеличения давления, отрицательные - уменьшения давления. Сигналы могут быть переданы на несущей волне подобно радиосигналам. Компьютер на по­верхности расшифровывает сигналы и передает их для считывания.

В отечественной практике бурения наклонно направленных сква­жин чаще всего применяют телеметрические системы типа СТ. Использо­вание телеметрической системы СТЭ при электробурении позволяет не­прерывно управлять траекторией скважины в пространстве. Глубинные датчики этой системы размещают в корпусах диаметрами 164 и 215 мм (СТЭ 164 и СТЭ 215).

Комплект телеметрической системы включает следующие узлы: глубинный блок телеметрической системы (БГТС), глубинное измери­тельное устройство (УТИ), наземный пульт телеметрической системы (ПНТС), наземное измерительное устройство (УНИ), присоединительный фильтр (ФП).

296

Компоновка аппаратуры СТЭ включает скважинное измерительное устройство, спускаемое в скважину, и наземное приемно-регистрирующее устройство. Герметичный контейнер с глубинной аппаратурой устанавли­вают над электробуром. В контейнере размещают датчики и электронные преобразователи. Информацию передают по проводному каналу связи на поверхность. В приемном устройстве сигналы, полученные с забоя, пре­образуются и поступают на приборы, шкалы которых градуируют в зна­чениях измеряемых величин. Телеметрическая система СТЭ рассчитана на работу при гидростатическом давлении до 80 МПа и температуре ок­ружающей среды до 100 °С. Пределы измерений параметров забойных данных: угол наклона 0-110°, азимут 0-360°.

Датчики измерения глубинных параметров скважины размещены в контейнере, который закреплен в корпусе. В контейнере размещены дат­чики для измерения азимута, угла установки отклонителя и зенитного уг­ла. Принцип действия датчика азимута (ДА) основан на применении маг­нитного чувствительного элемента в виде стержня, устанавливающегося по направлению магнитного меридиана. Чувствительный элемент связан с ротором синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ), работающего в режиме фазовращателя. Компас датчика азимута имеет груз для приведения прибора в горизонтальное положение.

Принцип действия датчика наклона (ДН) основан на применении эксцентричного груза, центр тяжести которого всегда находится на верти­кали, проходящей через ось груза. С осью груза связан ротор СКВТ, пре­образующий угол поворота в фазу выходного сигнала, пропорционально­го зенитному углу скважины. Одному градусу механического поворота ротора соответствует изменение фазы выходного сигнала на 6°.

Принцип действия датчика положения отклонителя (ДПО) основан на повороте рамки с эксцентричным грузом и укрепленными на ней дат­чиками ДА и ДН. Груз стабилизирует рамку в апсидальной плоскости. Статор ДПО жестко связан с электронным блоком и немагнитным корпу­сом телеметрической системы. Угол поворота рамки преобразуется трансформатором в фазу выходного сигнала. Одному градусу поворота соответствует изменение фазы выходного сигнала на 1°.

Пятидесятипериодные сигналы, передаваемые датчиками ДН, ДПО и ДА, имеют различную фазу (от 0 до 360°) и в зависимости от из­менений измеряемого параметра поступают в глубинный передающий блок. Последний осуществляет последовательный опрос во времени глу­бинных датчиков, формирует суммарный широтно-импульсный модули­рованный сигнал и передает его в токоподвод электробура.

На базе телеметрической системы СТЭ разработаны телеметриче­ские системы типа СТТ, предназначенные для использования при бурении с гидравлическими забойными двигателями (турбобурами и винтовыми забойными двигателями). Телеметрические системы типа СТТ выпуска­ются диаметрами 172, 190 и 215 мм. Разрабатываются телеметрические

297

системы меньших диаметров, что существенно расширит возможности применения указанных систем в горизонтальном и многозабойном буре­нии. Связь глубинной аппаратуры с наземной осуществляется по провод­ному каналу связи сбросового типа, выполненному в виде стандартного каротажного кабеля, который снабжен контактными разъемами. Возмож­ны два варианта спуска линии связи: через уплотнение вертлюга с исполь­зованием узла ввода кабеля в вертлюг и через специальное устройство для ввода кабеля (УВК) в составе бурильной колонны. Глубинное измери­тельное устройство размещают непосредственно над отклонителем или над отрезком УБТ, устанавливаемым для регулирования интенсивности изменения пространственного положения скважины. Внутри измеритель­ного устройства в герметичном контейнере размещены датчики для изме­рения азимута, зенитного угла и угла установки отклонителя, а также электронные преобразователи для частотного модулирования полученных сигналов и передачи их на поверхность в виде времяимпульсной инфор­мации. Информация передается на поверхность по кабельному каналу связи, сбрасываемому через герметизирующее устройство вертлюга. В ходе наращивания инструмента контактный стержень извлекают на по­верхность и при дальнейшем бурении ориентирование инструмента по­вторяют заново. Наземное оборудование телеметрической системы СТТ включает приемно-регистрирующее устройство, в котором сигналы де­шифруют и регистрируют с помощью записывающей аппаратуры. Пред­варительно в глубинном контейнере сигнал информации усиливается и через глубинный фильтр верхних частот и наземный присоединительный ^; фильтр вводится в наземный пульт телеметрической системы.

Принцип действия скважинных датчиков и наземной аппаратуры в телеметрических системах для турбинного бурения и для бурения с приме­нением электробуров аналогичен. В процессе бурения скважины телеметри­ческие системы обеспечивают: ориентирование отклоняющих устройств в заданном азимуте с учетом угла закручивания бурильной колонны при забу- ривании наклонного или горизонтального ствола скважины; определение угла закручивания бурильной колонны от реактивного момента забойного двигателя; постоянный (периодический) визуальный контроль зенитного уг­ла, азимута и положения отклонителя по приборам наземного пульта, а также запись указанных параметров в процессе бурения.

Контроль траектории ствола скважины осуществляется путем не­прерывного измерения азимута, зенитного угла и положения отклонителя.