CC BY
40
УДК 531.746
ДАТЧИК УГЛА НАКЛОНА И СРЕДСТВА ЕГО ТАРИРОВКИ В ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
© А.Ф. Ивашин1, Е.В. Осипов2, А.А. Мелихов3, А.В. Никитин4
и4ОАО "ВПК "НПО машиностроения" - филиал Конструкторское бюро "Орион", 460005, Россия, г. Оренбург, ул. Шевченко, 26. 3ООО "Центр горизонтального бурения", 460027, Россия, г. Оренбург, ул. Донгузская, 62.
Основным путем снижения колоссальных затрат на геологоразведывательные работы и освоение новых месторождений нефти и газа является более полное использование разведанных месторождений, что эффективней всего реализуется применением горизонтального бурения. Для использования в телеметрической системе обратной связи в горизонтальном бурении предложен датчик угла наклона нового поколения. Главной новизной датчика являются подбор жидкости и зазора между шаром и стенкой корпуса датчика, а также конструкция шара и его размещение в сфере корпуса на гидростатическом подвесе. Предложен высокоточный универсальный стенд тарировки телесистем, высокая точность которого достигается применением средств ориентации, заимствованных из систем управления летательными аппаратами. Предложенные средства измерения отечественного производства обеспечивают попадание в эпицентр залежи в несколько раз лучше аналогов иностранного производства и решают проблему импортозамещения. Ил. 8. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: горизонтальное бурение; телесистема; датчик угла наклона; шар; нулевая плавучесть; надежность; точность; стенд тарировки телесистем.
TILT SENSOR AND ITS CALIBRATION TOOLS IN THE FEEDBACK TELEMETRY SYSTEM A.F. Ivashin, E.V. Osipov, A.A. Melikhov, A.V. Nikitin
JSC "MIC NPO Machine Building" - a branch of the Design Bureau "Orion", 26 Shevchenko St., Orenburg, 460005, Russia. "Center of horizontal drilling" LLC, 62 Donguzskaya St., Orenburg, 460027, Russia.
The main way to reduce the enormous costs of exploration works and development of new oil and gas fields is more complete use of proven deposits that is implemented most effectively through the use of horizontal drilling. A tilt sensor of new generation is proposed to be used in a feedback telemetry system in horizontal drilling. The main novelty of the sensor is selection of liquid and a gap between the ball and sensor case wall, as well as the design of the ball and its hydrostatic suspension in the sensor body. A highly precise universal stand of telesystem calibration is introduced. Its high accuracy is achieved through the application of orientation tools, borrowed from aircraft control systems. The proposed domestically produced measuring instruments several times outperform foreign analogues in the provision of ingress into the deposit epicenter and solve the problem of import substitution as well. 8 figures. 3 sources.
Keywords: horizontal drilling; MWD (measure while drilling); tilt sensor; ball; neutral buoyancy; reliability; accuracy; telesystem calibration stand.
Разведанные и освоенные до настоящего времени нефтяные и газовые месторождения постепенно исчерпывают свои запасы, встает вопрос поиска новых месторождений. Однако геолого-разведывательные работы и освоение новых нефтеносных и газоносных районов требуют разработки новых технологий [1; 2] и колоссальных финансовых затрат. Основным путем их снижения является интенсификация производства, то есть максимальное использование разведанных ме-
сторождений, более полное извлечение нефти и газа в местах добычи.
Прорывным путем повышения эффективности месторождений является бурение наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин, в результате которого становится возможным сокращение эксплуатационных скважин при сохранении прежнего уровня добычи углеводородов. Большой экономический эффект дает восстановление бездействующих скважин
1 Ивашин Александр Федорович, Главный специалист, тел.: 89128446540. Ivashin Alexander, Chief Specialist, tel.: 89128446540.
2Осипов Евгений Владимирович, кандидат технических наук, инженер-конструктор 1-й категории, тел.: 89033671893, e-mail: evgeny.osipov@mail.ru
Osipov Evgeny, Candidate of technical sciences, 1st category Design Engineer, tel.: 89033671893, e-mail: evgeny.osipov@mail.ru
3Мелихов Алексей Александрович, Главный энергетик, тел.: (3532) 733533, e-mail: AMelikhov@cgb.burgaz.ru
Melikhov Aleksei, Chief Power Engineer, tel.: (3532) 733533, e-mail: AMelikhov@cgb.burgaz.ru
"Никитин Александр Викторович, инженер-конструктор 1-й категории, тел.: (3532) 757303.
Nikitin Alexander, 1st category Design Engineer, tel.: (3532) 757303.
бурением боковых стволов. Бурение скважин с горизонтальным участком ствола обеспечивает устойчивое поступление газа и нефти из скважин в 5-10 раз больше по сравнению с вертикальными скважинами. Значительно повышается эффективность использования подземных хранилищ газа (ПХГ): увеличивается продуктивность скважин, более эффективно используется пластовая энергия, при закачке газа в ПХГ сокращаются расходы на компримирование.
Вместе с тем перспективы развития технологии бурения наклонно-горизонтальных скважин не исчерпаны. К тому же заимствование опыта у иностранных компаний способствует совершенствованию отечественных разработок. Например, опыт использования оборудования фирмы Anadrill (а именно, одного из самых важных его элементов - телеметрической системы связи и управления) наряду с отечественными технологиями позволил сократить затраты времени на бурение в 4,5 раза.
Уменьшение затрат времени на вспомогательные работы связано с оптимизацией профилей горизонтальных скважин и ускорением работ по проводке горизонтального ствола за счет использования телесистемы MWD с гидравлическим каналом связи. Ранее использовались кабельные телеметрические системы, что затрудняло работу и сказывалось на скорости бурения.
Состояние вопроса
Навигационное обеспечение строительства скважин выполняется с использованием телеметрических систем, например, ЗАО «Самарские горизонты», НИИ ТС «Пилот», зарубежных фирм Schlumberger (Anadrill), Halliburton (Sperry Sun) и др.
В бурении горизонтальных скважин используются средства контроля и управления траекторией скважины - телеметрические системы:
- с кабельным каналом связи «Пилот» и «Зонд» (рис. 1);
- с электромагнитным каналом связи - ЗТС и ТЭМС (рис. 2);
- с гидравлическим каналом связи - MWD, Su-perslim, Slimhote (рис. 3).
Для работы телеметрических систем нужны средства обратной связи, которые представляют собой датчики, передающие информацию о положении бура в пространстве. На сегодняшний день известны разные устройства обратной связи: инклинометры, гиро-инклинометры, гибридные микроэлектромеханические гироскопы и акселерометры, датчики наклона на основе твердотельного акселерометра и др.
Известные в настоящее время акселерометры по-разному реализуют влияние гравитационного и магнитного полей Земли для определения угла наклона относительно осей трехмерного пространства. Точность преобразования углов ориентации определяется типом преобразователя перемещения подвижных элементов (инклинометрического преобразователя (ИП)) и зависит от погрешности ориентирования наружной карданной рамки в плоскости наклона. Недостатком такого ИП является невысокая точность преобразования при малых зенитных углах, чувстви-
тельность к ударным нагрузкам и вибрациям, сложность калибровочных работ из-за наличия трения и сложности комплексно-поверочной аппаратуры.
В качестве преобразователей перемещения подвижного элемента используются контактные преобразователи, видиконы, иногда углы поворота фиксируются миниатюрными фото- и киноаппаратами. К недостаткам существующих ИП можно отнести техническую сложность изготовления, большую чувствительность к вибрациям и ударным нагрузкам, наличие вспомогательных механизмов и приспособлений, измерение одним чувствительным элементом перемещений относительно одной из осей.
Общим для всех конструкций ИП является наличие чувствительного элемента и преобразователя его перемещения. Сегодня ученые стремятся к разработке компактных ИП, менее энергоемких, более точных и надежных при работе в тяжелых для измерения условиях бурения.
Рис. 1. Телесистемы с кабельным каналом связи «Пилот» и «Зонд»
Рис. 2. Телесистемы с электромагнитным каналом связи ЗТС и ТЭМС
а) б)
Рис. 3. Телесистемы с гидравлическим каналом связи: а - ММй; б - ЭирегвПт, БНтЬо1е
Перспективный датчик угла наклона в телеметрической системе обратной связи
В связи с наличием значительных вышеперечисленных недостатков существующих датчиков угла наклона был предложен датчик угла наклона бура, чувствительный элемент которого выполнен в виде сферы со смещенным центром масс, снабженный постоянным магнитом. Этот магнит представляет собой шар, размещенный в корпусе из полусфер, состоящих из немагнитных электропроводных изолированных друг от друга секторов. Шар удерживается концен-трично сфере гидростатическим подвесом за счет сил поверхностного натяжения жидкости, заполняющей сферический зазор, и нулевой плавучести. Одна половина шара состоит из электропроводной немагнитной полусферы, другая - из диэлектрика, чем и обеспечивается измерение углов наклона объекта по трем осям за счет рассогласования сигналов емкостного сопротивления и частоты между секторами полусфер корпуса.
Датчик угла наклона на гидростатическом подвесе
характеризуется надежностью и устойчивостью к ударным и вибрационным нагрузкам, простотой конструкции, высокой чувствительностью, малыми габаритами, низким потреблением электроэнергии и неограниченной шкалой измерения угла наклона относительно трех осей координат.
Конструкция разработанного датчика угла наклона (рис. 4) защищена патентом на изобретение [3]. Датчик представляет собой пустотелый корпус из полусфер 1 и 2, которые состоят из немагнитных электропроводных, изолированных друг от друга секторов 3 с помещенным внутри шаром 4. Центр масс шара смещен и имеет нулевую плавучесть. Полусфера шара 5 выполнена из электропроводного немагнитного материала. Вторая полусфера шара 6 выполнена из материала-диэлектрика с постоянным магнитом 7. Шар вывешен на гидростатическом подвесе жидкости 8, заполняющей эквидистантный зазор А по сферической поверхности. Датчик собран гайкой 9 по штифтам 10 с прокладкой 11 и содержит компенсационную эластичную мембрану 12, зажатую заглушкой 13.
Рис. 4. Датчик угла наклона
Главными в настоящей разработке являются подбор жидкости и зазора между шаром и стенкой корпуса датчика угла наклона, конструкция шара и его размещение в сфере, разделенной на чувствительные зоны.
Вариант монтажа датчика угла наклона на объекте показан на рис. 5. Принцип действия датчика следующий. Отклонение датчика, установленного на объект, сопровождается вращением шара 4 под действием гравитационной и магнитной силы при эксцентриситете центра масс относительно оси вращения. В результате возникают разности емкостных сопротивлений в каждой из осей перемещения шара 4 в связи с рассогласованием по перекрытию электропроводящей немагнитной полусферы 5 относительно электропроводных немагнитных секторов 3, что регистрируется преобразователем сигналов 1 как углы наклона датчика по каждой из осей при замере по трем осям одновременно.
Рис. 5. Вариант монтажа датчика угла наклона на объекте
Экспериментальные исследования промышленного образца датчика угла наклона показали хорошую точность измерений углов наклона объекта в трехмерной системе координат, разброс значений при по-
вторении измерений составил б=±2,5%.
Стенд тарировки телесистем
Программное обеспечение трассы бурения невыполнимо без тарировки положения датчика обратной связи в пространстве, а работа любой телеметрической системы с использованием датчиков угла наклона любого типа требует предварительной тарировки.
Стенд тарировки телесистем предназначен для проведения метрологической аттестации инклиномет-рических датчиков телеметрических систем по их показаниям со вспомогательными техническими устройствами с целью выявления систематической погрешности. Применяется стенд для испытаний инклино-метрических датчиков, используемых для управления бурением наклонно направленных и горизонтальных скважин по заданной траектории.
Используется много средств (стендов) тарировки телесистем как зарубежных, так и отечественных производителе (рис. 6). Отметим некоторые из них:
- установка УАК-СИ-АЗВ для калибровки скважин-ных инклинометров;
- установка калибровочная инклинометрическая УКИ-4;
- установка калибровочная инклинометрическая УКИП-2;
- стенд тарировки телесистем СТТ и др.
При этом стенды тарировки телесистем импортного производства являются стендами индивидуального применения: на каждую телесистему нужен свой стенд. Кроме того, поскольку элементная база недолговечна, стенды требуют ремонта, для чего приходится заказывать у иностранных партнеров дорогостоящие запасные части. В связи с этим и было принято решение о разработке отечественного устройства -простого, на материалах немагнитной основы, не влияющих на магнитное силовое поле Земли, с применением высокоточных элементов измерения, заимствованных из средств оборудования летательных аппаратов. В результате точность устройства по сравнению с зарубежными аналогами была повышена в 2-3 раза.
Рис. 6. Стенды тарировки телесистем
Устройство стенда тарировки телесистем (СТТ) (рис. 7) состоит из трубы 1, основания 2 с правой 3 и левой 4 стойками, лимбов 5, 6, уровней 7, 8, 17, фиксатора 9, зубчатого сектора 10, червяка 11 с ручкой 12, плиты поворотной 13, плиты опорной 14, зубчатого кольца 15, вала-шестерни 16 и компаса 18.
Результаты испытаний СТТ и их сопоставление с измерениями инклинометрической аппаратурой и
стендами-прототипами приведены в таблице.
В качестве эталонного средства измерений углов использовались:
- ориентир-буссоль БГ-1 с пределом допускаемой средней квадратической погрешности измерения горизонтальных углов 1';
- квадрант оптический К0-10 с пределом абсолютной допускаемой погрешности ±10".
Допускаемые пределы абсолютной погрешности в измерении пространственных углов
Пространственные углы Допускаемые пределы абсолютной погрешности
измерения инклинометрической аппаратурой воспроизведения установками-прототипами воспроизведения СТТ
Азимутальный угол ±1,5° (0-360°) ±15' (0-360°) ±10' (0-360°)
Зенитный угол ±0,2° (0-180°) ±5' (0-120°) ±36" (0-360°)
Визирный угол ±2,8° (0-360°) ±15' (0-360°) ±8' (0-360°)
Рис. 7. Стенд тарировки телесистем и его устройство
Если учитывать, что глубина бурения достигает 3000-5000 м, то очевидна экономия на трассе бурения благодаря высокой точности совпадения траектории ствола буровой скважины с теоретически планируемой траекторией (рис. 8), что достигается применением высокоточного датчика угла наклона, протариро-ванного высокоточным стендом тарировки телесистем. Теоретическая траектория скважины получена с использованием программного обеспечения компании Maurer Engineering Inc., модуля Wellpath, разработанного для проектирования траекторий.
тальном бурении в нефтегазовой отрасли. Особой новизной в конструкции датчика являются подбор жидкости и зазора между шаром и стенкой корпуса датчика, а также конструкция шара и его размещение в сфере корпуса на гидростатическом подвесе. При высокой надежности датчик угла наклона имеет хорошую точность, экспериментальные исследования показали разброс значений при повторении измерений б=±2,5%.
Предложен высокоточный универсальный стенд тарировки телесистем с применением средств ориен-
н-1-1-1-1-1-1250 500 750 1000 1250 1500 1750 Рис. 8. Теоретическая и фактическая траектории ствола буровой скважины (фактическая траектория обозначена линией, проведенной через точки, теоретическая - сплошной линией)
Максимальное отклонение б при бурении скважины от теоретической траектории рассчитано по нижеприведенной формуле и составило =5%:
1 ■
s
ФАКТ
и
• 100%
V ТЕОР У .
В заключение подведем некоторые итоги. В настоящей работе предложен датчик угла наклона для телеметрических систем обратной связи, используемых в наклонно направленном и горизон-
тации, заимствованных из систем управления летательными аппаратами. В результате значительно была повышена точность, по сравнению с зарубежными аналогами.
Таким образом, средства измерения отечественного производства с улучшенными данными по точности и надежности решают сразу две задачи: попадания в эпицентр залежи в 2-3 раза лучше аналогов иностранного производства и решает проблему им-портозамещения.
Статья поступила 12.01.2015 г.
Библиографический список
1. Дмитриевский А.Н. Фундаментальный базис инновацион- сии // Теоретические основы и технологии поисков и развед-ного развития нефтяной и газовой промышленности в Рос- ки нефти и газа. 2012. № 1. С. 9-19.
