«Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море»

Оперативный контроль технологии бурения. Оптическое волокно как новый инструмент измерений и связи для условий бурения наклонно направленных скважин

УДК: 622.24:621.398
DOI: 10.33285/0130-3872-2023-5(365)-11-19

Авторы:

¹ Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
² Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
³ ПромАвтоматика-Т, Санкт-Петербург, Россия

Ключевые слова: оптоволоконная телеметрия, оперативный контроль, оптическое волокно, оптоволоконный датчик, наклонно направленная скважина, забойная телесистема, напряженно-деформированное состояние, бурильная колонна, высокоскоростная телесистема

Аннотация:

В связи с усложнением условий строительства скважин, обусловленным освоением труднодоступных территорий Арктики и шельфовых месторождений, повышаются требования, предъявляемые к автоматизации контроля и управления параметрами бурения. Буровые установки (БУ), оборудованные автоматизированными системами управления (АСУ), как правило, осуществляют мониторинг эксплуатационных характеристик наземных и глубинных машин и механизмов. При углублении вертикальных скважин, по результатам интерпретации наземных и забойных датчиков телеметрических систем компоновки низа бурильной колонны (КНБК), можно с достаточно высокой точностью осуществить прогноз напряженно-деформированного состояния (НДС). Однако в процессе бурения наклонно-направленных участков роторным способом или с применением гидравлических забойных двигателей, а также при проработке сложно построенных профилей остается нерешенным вопрос возможности оперативного контроля, управления и прогнозирования НДС БК и ее пространственного положения в скважине. Решение задачи оптимизации процесса бурения, направленной на снижение непроизводительного времени проводки наклонно направленных скважин, возможно путем разработки технологии мониторинга растягивающих, сжимающих и скручивающих напряжений БК по всей ее длине с учетом информативных составляющих канала связи "забой – устье". Распространенные каналы связи не обеспечивают достаточный контроль НДС и положения БК в скважине. Оптическое волокно (ОВ), незаслуженно остающееся без внимания у научного и инженерного нефтегазового сообщества, может стать инструментом решения ряда актуальных задач в области наклонно направленного и глубокого бурения. В статье предлагаются варианты применения оптоволоконной телеметрии для повышения эффективности бурения наклонно направленных скважин. Представлены теоретические и экспериментальные исследования затухания сигнала в зависимости от длины, количества и вида разъемных соединений в среде бурового раствора. Проведены расчеты прочности оптоволоконного кабеля в зависимости от глубины и используемого материала его оболочки и гидравлических потерь при разных расходах и параметрах бурового раствора. Определены оптимальные условия применения оптоволоконной телеметрии для эффективного мониторинга режимных параметров бурения скважин.

Список литературы:

1. Arnø M. L., Godhavn J.-M., Aamo O.M. At-bit estimation of rock density from real-time drilling data using deep learning with online calibration // J. of Petroleum Science and Engineering. – 2021. – Vol. 206. – DOI: 10.1016/j.petrol.2021.109006
2. Corina A.N., Hovda S. Automatic lithology prediction from well logging using kernel density estimation // J. of Petroleum Science and Engineering. – 2018. – Vol. 170. – P. 664–674. – DOI: 10.1016/j.petrol.2018.06.012
3. Прогнозирование и предупреждение осложнений в процессе бурения при помощи методов искусственного интеллекта и машинного обучения / Г.В. Буслаев, М.М. Павлов, А.А. Куншин, В.В. Стариков // Науч. журн. Российского газового об-ва. – 2021. – № 2(30). – С. 38–43.
4. Application of predictive data analytics to model daily hydrocarbon production using petrophysical, geomechanical, fiber-optic, completions, and surface data: A case study from the Marcellus Shale / S. Bhattacharya, P.K. Ghahfarokhi, T.R. Carr, S. Pantaleone // J. of Petroleum Science and Engineering. – 2019. – Vol. 176. – P. 702–715. – DOI: 10.1016/j.petrol.2019.01.013
5. Downhole quantitative evaluation of gas kick during deepwater drilling with deep learning using pilot-scale rig data / Qishuai Yin, Jin Yang, Mayank Tyagi [et al.] // J. of Petroleum Science and Engineering. – 2022. – Vol. 208, Part A. – DOI: 10.1016/j.petrol.2021.109136
6. Акбулатов Т.О. Левинсон Л.М., Мавлютов М.Р. Телеметрические системы в бурении: учеб. пособие. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999. – 65 с.
7. Keman Liu, Yinghao Zhang, Xiaoxin Wang. Applications of bootstrap method for drilling site noise analysis and evaluation // J. of Petroleum Science and Engineering. – 2019. – Vol. 180. – P. 96–104. – DOI: 10.1016/j.petrol.2019.05.030
8. Adaptive dual-sensor noise cancellation method for continuous wave mud pulse telemetry / Fengzhong Qu, Zhujun Zhang, Junwei Hu [et al.] // J. of Petroleum Science and Engineering. – 2018. – Vol. 162. – P. 386–393. – DOI: 10.1016/j.petrol.2017.12.058
9. Пат. 2413841 Рос. Федерация, МПК E21B 47/12. Система двухсторонней телеметрии по бурильной колонне для измерений и управления бурением / Ли Цимин, Б. Кларк, Ш.Б. Мехта [и др.]; патентообладатель Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. – № 2008108100/03; заявл. 04.08.2006; опубл. 10.03.2011, Бюл. № 7.
10. An event-triggered approach to torsional vibration control of drill-string system using measurement-while-drilling data / Chengda Lu, Min Wu, Luefeng Chen, Weihua Cao // Control Engineering Practice. – 2021. – Vol. 106. – DOI: 10.1016/j.conengprac.2020.104668
11. Design of acoustic transmission along drill strings for logging while drilling data based on adaptive NC-OFDM / Dong Ma, Yibing Shi, Wei Zhang, Guozhen Liu // AEU – Int. J. of Electronics and Communications. – 2018. – Vol. 83. – P. 329–338. – DOI: 10.1016/j.aeue.2017.08.035
12. Basics of Optical Fiber Measurements / Mingjie Ding, Desheng Fan, Wenyu Wang [et al.] // Handbook of Optical Fibers. – Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2018. – P. 1–39. – DOI: 10.1007/978-981-10-1477-2_57-1
13. Листвин А.В., Листвин В.Н., Швырков Д.В. Оптические волокна для линий связи. – М.: ЛЕСАРарт, 2003. – 288 с.
14. Леонов Е.Г., Исаев В.И. Гидроаэромеханика в бурении: учеб. для вузов. – М.: Недра, 1987. – 304 с.