Имея с забоя данные о частоте вращения долота и истинной осевой нагрузке на долото, можно поддерживать режим таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная механическая скорость проходки, следить за износом долота, не допуская критических режимов его работы.
В связи с все возрастающими объемами кустового, направленного и горизонтального бурения (в том числе для охраны окружающей среды), весьма актуальной становится проблема контроля за направлением ствола скважины в процессе ее бурения, проблема возможности управления этим процессом по намеченной программе. Комплекс измерительных датчиков контроля направления ствола скважины должен состоять из датчиков измерения угла наклона скважины, ее азимута. Для управления процессом направленного бурения измерительную систему оборудуют также датчиком положения отклонителя. Описанные две группы датчиков могут быть объединены в одной телеизмерительной системе для оптимизации процесса бурения скважин наклонно-направленного и горизонтального бурения.
В ряде случаев целесообразно в качестве дополнительной информации с забоя иметь данные о расходе промывочной жидкости с целью определения герметичности замковых соединений бурильного инструмента, изучения режима очистки забоя от шлама; целесообразно также измерять температуру на забое с целью изучения теплового режима бурения скважины.
Очень информативным параметром бурения является вибрация бурильного инструмента. Она характеризует как процесс разрушения горных пород, так и свойства разбуриваемых пластов (упругие характеристики, литологический состав и др.).
Измерение геофизических параметров в процессе бурения скважин позволяет получить сведения о литологическом составе и удельных электрических сопротивлениях пластов, не затронутых проникновением фильтрата промывочной жидкости в пласт, что дает возможность надежно выделять продуктивные горизонты, исключая их пропуск, а по изменению характеристик пластов — прогнозировать приближение зон аномально высокого или аномально низкого пластовых давлений, границ продуктивного пласта. Кроме того, наличие в измерительном комплексе геофизических зондов различной глубинности обеспечивает возможность измерений параметров пластов с целью изучения динамики образования зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости в призабойной зоне.
Измерение естественной радиоактивности горных пород, окружающих скважину, как правило, дает возможность провести литологическое расчленение разреза и в комплексе с электрическими характеристиками пласта – выделять границы пласта, расчленять разрез на отдельные пропластки. Как правило, контроль режима бурения осуществляется станцией геолого-технологических исследований по показаниям наземных датчиков. К ним относятся: измерение механической скорости бурения, веса на крюке, расхода промывочной жидкости и давления на стояке, газовый и люминесцентный и др. каротаж.
Данные геофизических исследований, полученные в процессе бурения могут служить в большинстве скважин надежным критерием интерпретации результатов с целью дальнейшего планирования работ на скважине (опробования объектов, отбора керна и др.). В этих случаях комплекс ГИС, проводимый аппаратурой на кабеле, может быть сокращен, соответственно уменьшено время на задалживание скважин для проведения ГИС.
Объединение перечисленных комплексов в единую телеизмерительную систему требует передачи большого объема информации и может быть реализовано только с каналом, обладающим высокой пропускной способностью.
Характерной особенностью телеизмерительных систем в процессе бурения является то, что выход из строя любого блока скважинной аппаратуры приводит к потере информации до конца рейса и требует извлечения глубинного прибора на земную поверхность для восстановления его работоспособности.
Повышенные вибрации, воздействие агрессивной и абразивной среды, удары, механические нагрузки на сжатие и растяжение, кручение, повышенные давление и температура – требуют разработки специальных мер защиты, применения износостойких высокопрочных материалов, прочных покрытий.
Учет специфических требований к скважинным информационно-измерительным системам различного назначения позволяет обеспечить необходимую надежность систем, продлить срок их эксплуатации в скважинных условиях. Особое значение имеет надежная работа при значительных вибрациях и механических нагрузках.
Таким образом, комплекс скважинных измерений в процессе бурения: скорости вращения режущего инструмента — долота, осевой нагрузки и крутящего момента, вибрации долота, расхода и температуры промывочной жидкости, угловых параметров траектории определяет технологический режим бурения, его оптимальность.
Регистрация естественной радиоактивности горных пород, измерение акустических и электрических свойств окружающих скважину горных пород в процессе бурения обеспечивают литологическое расчленение геологического разреза, определение насыщенности пласта, выделение зон аномальных пластовых давлений, пеленгации границ продуктивного пласта на наклонных пологих и горизонтальных участках бурения нефтегазовых скважин.
2.2 Обзор современных видов телесистем, применяемых при проводке горизонтальных и наклонно-направленных скважин.
2.2.1 Обзор отечественных и зарубежных забойных телесистем.
Проблемой создания телеметрических систем для контроля забойных параметров начали заниматься в мире в середине 1940-х гг. В основном эти работы проводились в США на уровне выполнения поисковых работ. Уже в начале 1950-х гг. были созданы опытные образцы телесистем с гидравлическим каналом связи забой - устье для измерения кажущегося удельного сопротивления проходимых горных пород. В дальнейшем проводились поисковые работы по разработке телесистем с проводным и электромагнитным (беспроводным) каналами связи, однако наибольшее распространение за рубежом в практике бурения получили телесистемы с гидравлическим каналом связи, хотя они имеют существенные недостатки по отношению к качеству бурового раствора, а так же к работе бурового насоса и бурового оборудования. В отечественной практике бурения получили телесистемы с электромагнитным каналом связи, хотя и телесистемы с электромагнитным каналом имеют свои недостатки, на передачу сигнала сильно влияют и высокоомные, и низкоомные пласты.
2.2.2 Акустический канал связи
Системы с акустическим каналом связи используют звуковые колебания, распространяющиеся в скважине по промывочной жидкости, колонне бурильных труб или окружающей породе. Соответственно этому они подразделяются на три вида: гидроакустические, акустомеханические и сейсмические.
Из трех видов ЗТС с акустическим каналом связи сейсмические системы применяются пока только для пассивного контроля координат забоя. Из-за недостаточной точности определения положения забоя (десятки метров) они еще находятся на стадии научных и экспериментальных исследований.
Сложность и многообразие свойств гидроакустического канала в скважине обусловили его слабую изученность. До настоящего времени ЗТС с гидроакустическим каналом связи на практике не использовались. Одной из центральных проблем в создании гидроакустического канала является разработка низкочастотного (до 100…200 Гц) излучателя, способного эффективно возбуждать колебания внутри колонны бурильных труб в скважине.
В 1993 гг. в Акустическом институте им. акад. Н. Н. Андреева по заданию ЗАО НПК "Геоэлектроника сервис" в рамках НИР "Скважина-ЗТС" и НИР "Горизонталь" была разработана экспериментальная аппаратура передачи информации (АПИ) по гидроакустическому каналу в скважине для забойной телеметрической системы ЗТС - ГАК (Научный руководитель - Д. П. Фролов). Система ЗТС - ГАК предназначалась для нахождения параметров ориентации ствола наклонно направленной или горизонтальной скважины, а также сервисных параметров, отражающих условия ее работы непосредственно в процессе бурения.
В 1998 г. по предложению НПК «Геоэлектроника сервис» экспериментальный образец аппаратуры для передачи информации по гидроакустическому каналу связи АПИ был модернизирован. Проведены скважинные испытания АПИ совместно с филиалом «Оренбурггаз» на одной из бурящихся скважин Оренбургского месторождения. Акустические сигналы принимались без прокачки раствора с глубины 1000 м, с прокачкой – с глубины 200 м. Предварительно установлено, что каналом передачи информации, помимо промывочной жидкости, могла быть и сама бурильная колонна. В целом результаты разработки и испытаний экспериментального образца аппаратуры АПИ показали, что гидроакустический канал может быть использован как высоконадежное и недорогое средство связи, в частности, в ЗТС с комбинированным каналом.
Среди зарубежных телесистем практически не встречаются телесистемы с акустическим каналом связи, однако в настоящее время фирма Schlumberger предложила передачу акустических сигналов в процессе бурения скважин (заявка Великобритании № 2357527). Характерной особенностью предлагаемой телесистемы является ее независимость от параметров бурового раствора, так как акустический сигнал распространяется по трубам и только на дневной поверхности он трансформируется в электромагнитные колебания. Устройство включает в себя полую штангу, на которой располагаются датчики, помещенную в буровую трубу и связанную с ней с помощью механических и электрических контактов.
2.2.3 Телесистемы с гидравлическим каналом связи
Широкое распространение гидравлического канала связи для передачи информации вызвано следующими его преимуществами:
- гидравлический канал связи является естественным каналом связи, так как в нем в качестве канала связи используется столб бурового раствора в бурильной колонне, а следовательно, не требуется дополнительных затрат на организацию канала связи;