CC BY
20
Технологии геологической разведки и разработки месторождений полезных ископаемых
УДК 622.24(088.8)+622.241(088.8)
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СРЕДСТВ РАСХОДОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОГЛОЩЕНИЙ ПРИ БУРЕНИИ
© Н.А. Буглов1, А.Д. Елисеев2
1,2Иркутский национальный исследовательский технический университет, 667074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Поглощение промывочного агента при бурении является одним из наиболее распространенных и достаточно серьезных осложнений. На работы по их ликвидации затрачивается от 10-15 до 60% общего времени проходки скважин. До 30% объема бурения скважин осуществляется в условиях поглощения очистного агента, в том числе имеющего в своем составе дорогие или небезопасные компоненты. При этом не только увеличиваются непроизводительные затраты времени, повышаются расход материалов и себестоимость работ, но и нарушаются естественные условия залегания подземных вод, загрязняется природная среда.
Основной причиной низкой результативности технологий тампонирования является недостаток информации о параметрах зон поглощений. Известен метод диагностики поглощений с помощью комплекса технических средств оперативного исследования поглощений на базе скважинного расходомера. Он информативен, прост в реализации и интерпретации результатов и позволяет при одном спуске скважинного датчика наряду с расходометрией выполнять кавернометрию и измерение уровней (статического и динамического) жидкости в скважине. Применение комплекса позволяет повысить оперативность и достоверность определения необходимых параметров, снизить трудоемкость исследований. Недостаток комплекса заключается в низкой надежности его «работы» в загрязненных скважинных жидкостях и, как следствие, ограничении условий его применения.
В настоящей статье приводятся сведения о техническом решении, позволяющем повысить надежность функционирования скважинного прибора комплексного контроля с тахометрическим преобразователем, предусматривающим снабжение скважинного датчика кюветой с защитной жидкостью, которая срабатывает при опускании его в скважинную жидкость.
Ключевые слова: поглощение; промывочная жидкость; лебедка; лубрикатор.
IMPROVING FLOWMETERING TOOLS TO INVESTIGATE LOSSES UNDER DRILLING
N.A. Buglov, A.D. Eliseev
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
One of the most common and quite serious complication in drilling is the loss of a cleaning agent. The works to eliminate it require from 10-15 to 60% of the total time of hole drilling. Up to 30% of well drilling is carried out under the conditions of lost cleaning agent that can contain costly or unsafe components. This will not only increase non-productive time, consumption of materials and the cost of work, but also disturb the natural conditions of underground water as well as pollute the environment.
The main reason for the poor performance of plugging-back technologies is the lack of information about the parameters of thief zones. One of the known methods of absorption diagnostics uses a downhole flowmeter-based
1Буглов Николай Александрович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой нефтегазового дела, тел.: (3952) 40515S, e-mail: burenie@istu.edu
Buglov Nikolai, Candidate of Engineering, Associate Professor, Head of the Department of Oil and Gas Business, tel.: (3952) 40515S, e-mail: burenie@istu.edu
2Елисеев Александр Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 40527S, e-mail: burenie@istu.edu
Eliseev Aleksandr, Candidate of Engineering, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel.: (3952) 40515S, e-mail: burenie@istu.edu
complex of technical tools for operational research of losses. It is informative, simple in implementation and interpretation of results. In addition to this, one trip of the downhole sensor along with flowmetering allows to perform calipering and measure the levels (static and dynamic) of liquid in the well. The use of the complex will improve the efficiency and reliability of necessary parameter determination and reduce the complexity of investigations. The disadvantage of the complex is its low reliability under conditions of contaminated borehole fluids that results in limited conditions of its application.
This article provides information about a technical solution that allows to increase the operation reliability of a downhole tool of integrated control with a tachometric converter providing the supply of the downhole sensor with a cuvette with protective liquid, which is triggered when lowering into the borehole fluid.
Keywords: absorption (loss); drilling fluid; drawwork; lubricator.
Причиной низкой результативности изоляционных работ при бурении разведочных скважин является недостаток информации о местоположении и параметрах зон поглощения для выбора наиболее эффективного варианта технологии их устранения. Это связано с несовершенством методов и технических средств оперативного получения информации. К ним относятся наблюдения за промывкой, углубкой, шламом, выполняемые без подъема бурильной колонны; выполнение инструментальных исследований с использованием спускаемых в освобожденную от бурового снаряда скважину специальных устройств -пакеров или скважинных расходомеров (приборов комплексного контроля сква-жинных параметров); методы определения местоположения поглощений, осуществляемые без подъема бурильной колонны на основании устьевой информации - гидродинамические методы [2, 3, 5]. Оперативные методы различны по трудоемкости и информативности. При выполнении изоляционных работ из методов оперативного исследования в конкретных условиях должен быть применен такой из них (или их сочетание), при использовании которого в комплексе с работами по ликвидации поглощения достигается наивысшая производительность бурения.
Наиболее информативными, простыми в реализации и интерпретации результатов являются инструментальные исследования, базирующиеся на использовании метода и средств скважинной расходометрии. Однако они являются и более трудоемкими и затратными. Затраты и трудоемкость их может быть снижена благодаря полученной
предварительно информации о поглощениях с применением менее трудоемких наблюдений и гидродинамических методов.
Несмотря на то, что известны попытки создания приборов оперативного определения поглощений, до настоящего времени отсутствуют инструментальные средства диагностики поглощений, которые являлись бы надежным инструментом бурового персонала для последующей разработки рациональной технологии их устранения.
Примером таких инструментальных средств диагностики поглощений являются созданные в результате НИОКР (с участием авторов) методы и приборы, в частности разработан комплекс технических средств оперативного исследования поглощений (комплекс КТС ОИП) [4]. Он обеспечивает комплексный контроль местоположения и параметров зон поглощений как в обводненных, так и в необводненных интервалах, осуществляемый при одном спуске скважинного датчика. Предназначен он для использования буровым персоналом. Комплекс включает выполняемые без подъема бурильной колонны на основании устьевой информации методики оперативной оценки местоположения поглощений - гидродинамическую и пневмогидростатическую.
Комплекс КТС ОИП приспособлен к процессу бурения и использованию его буровым персоналом при выполнении работ по ликвидации поглощений промывочной жидкости. Он включает сква-жинный прибор комплексного контроля (измерение расхода жидкости, значений массового расхода воздуха, диаметра в различных точках скважины, а также
положения статического и динамического уровней); автономную переносную лебедку с облегченным кабелем; лубрикатор, обеспечивающий возможность перемещения кабеля (скважинного прибора), нагнетание жидкости или воздуха в скважину, герметичность устья
[3].
В скважинном датчике прибора заложен расходометрический принцип определения местоположения поглощений и основных их параметров. Наиболее приемлемый для скважинного контроля тахометрический преобразователь не всегда надежно функционирует в скважинных жидкостях, имеющих широкий диапазон физико-механических свойств и содержащих загрязняющие включения. По этой причине и ряду других приборы не получили широкого применения в буровой практике. Например, не получили широкого применения для исследования поглощений выпускаемые отечественной промышленностью сква-жинные расходомеры типа ТСР-34/70, предназначенные для работы в чистых водах (при гидрогеологических исследованиях).
Малопригодными из-за ненадежного функционирования в промывочных жидкостях для исследования поглощений при бурении оказались скважинные расходомеры типов ИЗП и ДАУ-3 [6], в которых крыльчатка тахометрического преобразователя установлена в агатовых подпятниках, заключенных в воздушных колпаках, защищающих подпятники от загрязняющих включений в буровом растворе. Недостатком прибора является ненадежная работа преобразователя в загрязненных жидкостях при высоких гидростатических давлениях, при которых воздушный объем в колпаке занимает малую долю его объема (чем выше гидростатическое давление, тем меньше эта доля). В этих условиях колпак может не защитить уязвимый очень малый зазор механо-электрического тахометриче-ского преобразователя (зазор между валом крыльчатки и индуктивной катушкой составляет не более 1 мм).
По мере опускания прибора в скважину с жидкостью происходят следующие процессы:
- на датчик воздействует гидростатическое давление столба жидкости, определяемое выражением
Р = Ьр^,
где Р - гидростатическое давление на глубине погружения датчика Ь; р - плотность скважинной жидкости, кг/м3; g -ускорение свободного падения, м/с2;
- объем воздуха V в колпаке по мере повышения давления уменьшается кратно величине давления
Ро^о = Р1^1, VI = Ро^о/Рь где Ро, Vо и Р1, VI соответственно начальный объем воздуха Уо в колпаке при атмосферном давлении Ро и его объем Vl при давлении Р1.
В диапазоне изменений гидростатических давлений при выполнении гидродинамических скважинных исследований объем Vl может составлять менее, чем 1/100 начального объема воздуха в колпаке. При этом, в лучшем случае, он может защищать только опору крыльчатки, но не весь объем колпака, в котором расположен преобразователь вращения крыльчатки.
Попадание загрязнений из бурового раствора в этот зазор может приводить к увеличению трения и сил сопротивления вращению крыльчатки. Как следствие, либо изменяются ее метрологические характеристики, либо происходит заклинивание и потеря работоспособности прибора. В случаях герконо-вого тахометрического преобразователя феррошлам из бурового раствора оседает плотным слоем на магните, установленном на валу крыльчатки. Как показывает опыт, практически в 100% случаев это приводит к заклиниванию крыльчатки и выходу прибора из работоспособного состояния.
При больших гидростатических давлениях доля объема сжатого воздуха может стать настолько малой, что способна защитить воздушным пузырьком только агатовый подпятник, а не весь
объем корпуса преобразователя. Это определяет низкую надежность прибора и ограничение его применения в буровых растворах, особенно в глинистых. Прибор не может быть использован для решения задач диагностики поглощений при бурении скважин с целью разработки рациональной технологии их устранения.
Малопригодным является использование отечественного изобретения, где для повышения надежности функционирования скважинного датчика заполняют «воздушные колпаки» газовой средой по мере опускания датчика в скважину [1]. Причина - несоответствие требованиям безопасности, поскольку для выработки защитного газа (ацетилена) предусматривается применение миниатюрного ацетиленового генератора, работающего на карбиде кальция.
Отсутствие скважинных тахомет-рических расходомеров, позволяющих получить необходимую информацию от скважинного датчика, надежно работающего в загрязненных жидкостях, не позволяет сделать известный метод сква-жинной расходометрии оперативным диагностическим инструментом бурового персонала.
Авторами предложено техническое решение, предусматривающее заполнение воздушных колпаков тахометриче-ского преобразователя датчика скважин-ного расходомера специальной защитной жидкостью с плотностью меньше плотности промывочной жидкости в скважине, не смешивающейся с ней [7].
Реализация отличительных признаков обуславливает появление у предлагаемого датчика скважинного расходомера нового качества - повышения надежности его работы в загрязненных скважинных жидкостях при различных глубинах погружения в скважину и гидродинамических исследованиях. Сочетание признаков предложенного датчика скважинного расходомера позволяет за счет повышения надежности его функционирования расширить условия его применения.
На рис. 1-4 приведена принципиальная схема усовершенствования прибора ДАУ-ЗМ.
Расходомер ДАУ-3М состоит из датчика (рис. 1), спускаемого в скважину на каротажном кабеле, и наземного измерительного блока.
Рис. 1. Вид датчика скважинного расходомера:
1 - конусная гайка; 2 - каротажный кабель;
3 - разрезная муфта (головка датчика);
4 - направляющие стержни; 5, 14 - ниппельные кольца; 6 - гайка; 7, 12 - верхний и нижний центраторы; 8, 9 - агатовые подпятники; 10 - корпус датчика; 11 - крыльчатка; 13 - тахометри-ческий преобразователь; 15 - регулировочный винт; 16 - направляющий стержень; 17 - гайка подвески дополнительного груза
Датчик включает каркас, рабочий элемент, тахометрический преобразователь и центрирующие пружины. Каркас датчика состоит из корпуса 10, верхнего 7 и нижнего 12 центраторов и двух
ниппельных колец 5 и 14, к которым крепятся направляющие стержни 4. Верхние стержни соединяются с разрезной муфтой 3, нижние - с направляющим стержнем 16. Датчик крепится к каротажному кабелю 2 конусной гайкой 1 в муфте 3. При необходимости к датчику может быть присоединен дополнительный груз с помощью гайки 17.
Чувствительный элемент датчика -крыльчатка 11. Крыльчатка вращается в агатовых подпятниках 8 и 9. Опоры крыльчатки и элементы тахометриче-ского преобразователя вращения (неподвижная индуктивная катушка и подвижная якорь-пластина в одном варианте преобразователя (рис. 2) либо неподвижный геркон и подвижный магнит в другом варианте преобразователя (рис. 3)) защищены от попадания в них твердых частиц (в том числе ферромагнитных) из бурового раствора специальными колпаками. Нижним колпаком является полый корпус крыльчатки, верхний колпак изготовлен специально и крепится к корпусу гайкой 6. Для обеспечения свободного вращения крыльчатки в датчике предусмотрен регулировочный винт 13.
В качестве тахометрического преобразователя в скважинном датчике расходомера ДАУ-3М использован дифференциальный индуктивный датчик (см. рис. 2), а в его малогабаритном варианте - герконовый датчик (см. рис. 3). Дифференциальный индуктивный датчик состоит из неподвижной части - двух катушек 19 и 20, намотанных на Ш-образных сердечниках из пермаллоя, и подвижной пермаллоевой пластинки-якоря. Катушки 19, 20 (и геркон 24 во втором варианте) монтируются в корпусе ТП-ВК 18, а пластинка-якорь 23 (магниты 25, 26 во втором варианте) укреплена на валу крыльчатки 22 напротив одной из катушек (магнит 25, 26 напротив геркона во втором варианте преобразователя) и также расположена в корпусе ТП-ВК. Скважинный датчик посредством каротажного кабеля, на котором спускаются в скважину, подключается к наземному
Л-Л
Рис. 2. Вид тахометрического -дифференциального индуктивного преобразователя датчика:
18 - корпус тахометрического преобразователя в виде воздушного колпака с его (воздушного колпака) определенным объемом (корпус ТП-ВК); 19, 20 - две катушки на сердечниках -неподвижная часть одного варианта тахометрического преобразователя; 21 - проводники; 22 - вал крыльчатки; 23 - пластинка-якорь на валу крыльчатки - подвижная часть одного варианта тахометрического преобразователя
к - в
Рис. 3. Вид тахометрического герконового преобразователя датчика:
24 - геркон - неподвижная часть второго варианта тахометрического преобразователя; 25, 26 - магниты (игольчатой формы) на валу крыльчатки (установлены с противоположной ориентацией полюсов) - подвижная часть второго варианта тахометрического преобразователя; 27 - агатовый подпятник; 28 - керн в валу крыльчатки (аналогичный установлен в регулировочном винте); 29 - скважинная жидкость в корпусе ТП-ВК
пульту. Для измерения расхода скважин-ной жидкости определяют частоту электрических импульсов, пропорциональных частоте вращения крыльчатки, путем регистрации их электрическим счетчиком, установленным в наземном пульте.
Тахометрический преобразователь предлагаемого датчика скважинного расходомера (рис. 4) дополнительно содержит капсулу 32 с защитной жидкостью 33, находящейся ней до погружения датчика в скважинную жидкость. Капсула 32 трубкой 31 соединена с ТП-ВК. Поршень 34 капсулы подпружинен пружиной 36, а в заряженном состоянии капсулы удерживается шпилькой-стопором 35. Шпилька-стопор 35 установлена на криволинейной пластине 37, расположенной снаружи корпуса капсулы 32, с которой может взаимодействовать поплавок 38 при его перемещении по корпусу капсулы 32.
Работает он следующим образом. Перед спуском датчика скважинного расходомера в скважину ТП-ВК заполнен воздухом окружающей среды. При этом поршень 34 свободен от взаимодействия со шпилькой-стопором 35 и находится в крайнем нижнем положении в корпусе капсулы 32, которая свободна от защитной жидкости 33 (керосина).
После установки крыльчатки и регулировки ее свободного вращения винтом 13 корпус капсулы открепляют рассоединением хомута от направляющих стержней 4 датчика (в скважинном датчике корпус капсулы закрепляется хомутом на стержнях 4, на рис. 4 не показано). Отсоединяют от канала 30 на корпусе ТП-ВК нижний конец трубки 31, после чего капсулу 32 с трубкой 31 отделяют от датчика скважинного расходомера и заряжают защитной жидкостью, опустив конец трубки в керосин и перемещая поршень 34 посредством ручки 40. Шпильками-стопорами 35 фиксируется поршень 34, а поплавок 38 перемещают в его нижнее положение. Капсула 32 заправлена защитной жидкостью 33.
Рис. 4. Вид усовершенствованного преобразователя датчика:
30 - канал сообщения корпуса ТП-ВК с капсулой с защитной жидкостью; 31 - трубка сообщения канала 30 с корпусом 32 капсулы с защитной жидкостью; 32 - корпус капсулы с защитной жидкостью в ней; 33 - защитная жидкость в капсуле; 34 - поршень; 35 - шпилька-стопор; 36 - пружина; 37 - криволинейная пластина с установленной на ней шпилькой-стопором 35; 38 - поплавок; 39 - шток поршня; 40 - ручка перемещения поршня (при заправке капсулы защитной жидкостью)
После зарядки капсулы 32 защитной жидкостью 33 ее устанавливают в корпусе датчика на направляющих стержнях 4, а нижний конец трубки 31 соединяют с каналом 30. Датчик сква-жинного расходомера соединяют с каротажным кабелем, другой конец которого подключают к наземному пульту. Расходомер готов к работе.
Датчик скважинного расходомера опускают в скважину на 1-2 м ниже статического уровня скважинной жидкости. После погружения датчика верхняя часть объема корпуса ТП-ВК преимущественно заполнена воздухом, а нижняя незначительная часть его объема - сква-жинной жидкостью.
В таком положении датчика поплавок 38 всплывает, перемещаясь вверх, и воздействует на криволинейные пластины 37, прижимая их к корпусу капсулы 32, в результате чего шпильки-стопоры 35 выходят из зацепления с поршнем 34, который под действием пружины 36 перемещается вниз, выдавливая из корпуса 32 защитную жидкость 33 по трубке 31 и каналу 30 в ТП-ВК.
Обладая меньшей, чем у скважин-ной жидкости, плотностью и свойством не смешиваться с ней, защитная жидкость 33, располагаясь сверху, заполняет весь объем ТП-ВК, вытесняя и имеющуюся в ней скважинную жидкость, и сохраняет такое положение (заполнение всего объема ТП-ВК защитной жидкостью) в течении всего периода выполнения скважинных исследований, связанных с измерениями расходов скважин-ной жидкости.
Сохранение такого положения независимо от глубины положения сква-жинного датчика (величины гидростатического давления) объясняется несжимаемостью защитной жидкости. Заполнение всего объема ТП-ВК защитной жидкостью предохранят наиболее уязвимые элементы тахометрического преобразователя датчика скважинного расходомера - опоры (агатовые подпятники) крыльчатки и мизерные зазоры механо-электрического преобразователя ее вращения - от попадания в них из загрязненной скважинной жидкости разного рода включений в течение всего периода скважинных исследований. Этим достигается сохранение метрологических характеристик работоспособности прибора.
Процесс зарядки защитной капсулы по описанной выше схеме осуществляется перед каждым скважинным исследованием.
Скважинный расходомер, включающий предлагаемый датчик скважин-ного расходомера, позволяет надежно, в том числе при наличии в скважине загрязненных жидкостей, определять мощ-
ность и глубину залегания поглощающих и водопроявляющих горизонтов, интенсивность поглощения или водо-притока дифференцировано по всей мощности горизонта, направление и объем перетоков между водопроявляю-щими горизонтами. Применение прибора позволяет на высоком научно-техническом уровне решать задачи устранения поглощений промывочной жидкости.
Прибор может составить основу средств диагностики поглощений буровых растворов и возглавить их.
Важным преимуществом предлагаемого датчика скважинного расходомера является его высокая совмещаемость с существующими приборами, не требующая каких-либо серьезных конструктивных и схемных переработок. Это качество позволяет с минимальными затратами модернизировать производство скважинных расходомеров более высокого технического уровня и провести ре-стайлинг эксплуатируемых потребителями приборов и (по указанному изобретению) отдельных тахометрических преобразователей.
Возможность диагностики поглощений с его применением в сложных горно-гидрогеологотехнических условиях позволяет оптимизировать процессы разработки и реализации технологий их устранения и этим повысить их эффективность (экономическую и экологическую) за счет увеличения производительности буровых работ, экономии материалов, снижения подземных и поверхностных загрязнений.
Библиографический список
1. А. с. РФ № 142373. МПК Е21В47/10. Датчик скважинного расходомера / А.Д. Елисеев [и др.]. Заявл. 10.12.1986; опубл. 15.09.1988.
2. Гаврилов С.Н., Литяева З.А., Елисеев А.Д. Материалы, оборудование и КИП для бурения в осложненных условиях // Разведка и охрана недр. 1994. № 11. С. 42-47.
3. Елисеев А.Д. Оперативное исследование поглощений при геологоразведочном бурении: курс лекций. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2оо5. 168 с.
4. Елисеев А.Д., Нескоромных В.В. Комплекс технических средств оперативного исследования поглощений при геологоразведочном бурении // Маркшейдерия и Недропользование. 2о1о. № 2. С. 57-59.
5. Елисеев А.Д., Нескоромных В.В. Оперативное определение местоположения поглощений в буровых скважинах
без подъема бурильной колонны // Маркшейдерия и Недропользование. 2о1о. № 5. С. 35-37.
6. Ивачев Л.М. Борьба с поглощениями промывочной жидкости при бурении геологоразведочных скважин. М., Недра, 1982. С. 293 с.
7. Пат. № 2536079 РФ. МПК Е21В47/10; воШ/Ю. Датчик скважин-ного расходомера / А.Д. Елисеев [и др.]. Заявл. 25.о7.2о13; опубл. 20.12.2014.
Статья поступила 02.10.2015 г.
