ПРОВОДНОЙ КАНАЛ СВЯЗИ ЗАБОЙ-УСТЬЕ В БУРЕНИИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

WIRED DRILL PIPE TECHNOLOGY IN OIL AND GAS WELL DRILLING

Vyacheslav Kharlov

master’s student, Tyumen Industrial University,

Russia, Tyumen

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается проводной канал связи забой-устье, применяемый при бурении нефтяных и газовых скважин. Данная система обеспечивает быструю передачу данных в реальном времени с забоя на поверхность, что позволяет контролировать ключевые показатели бурения (направление скважины, давление, вибрацию и др.). Особое внимание уделено современным решениям, включая системы с интегрированными датчиками, и их роли в повышении эффективности и безопасности буровых работ.

ABSTRACT

The article discusses the wired drill pipe technology used for drilling oil and gas wells. This system provides fast real-time data transmission from the bottom to the surface, which allows you to monitor key drilling parameters (well direction, pressure, vibration, etc.). Special attention is paid to modern solutions, including systems with integrated sensors, and their role in improving the efficiency and safety of drilling operations.

Ключевые слова: проводной канал связи, бурение скважин, телеметрия, нефтегазовая промышленность.

Keywords: wired communication channel, well drilling, telemetry, oil and gas industry.

В настоящее время нефтегазовая промышленность все чаще сталкивается с проблемами разработки уже разведанных месторождений. Проблемы могут быть самыми разными – от строительства скважин со сложной конструкцией, истощенных коллекторов, газогидратных пластов до глубоководного бурения. Новые технологии предоставляют решения, с помощью которых достигается эффективная разработка месторождений, в частности бурение скважин. Одной из таких новых технологий является проводной канал связи (ПКС). ПКС может помочь сократить непроизводительное время, оптимизировать стабильность скважины и повлиять на дебит за счет более точной геонавигации в пласте. Сама технология передачи данных по кабелю была изобретена давно, однако в данной работе будет рассмотрено современная реализация проводного канала связи. В последние годы ПКС использовался на нескольких месторождениях, особенно широко на Норвежском континентальном шельфе.

На настоящий момент в отрасли используются 3 основных типа каналов связи забоя с устьем: гидравлический, электромагнитный, проводной.

Наиболее широко встречается гидравлический канал связи (ГКС), принцип работы которого основан на пульсациях давления бурового раствора, частота или фаза которых уже переводится в двоичный код. На качество сигнала гидравлического канала связи влияют скорость потока, глубина скважины, параметры жидкости и многое другое.

Электромагнитный канал связи основан на использовании низкочастотных передатчиков, расположенных в КНБК, отправляющих информацию на поверхность. Как правило, необходимы также усилители сигнала, расположенные вдоль бурильной колонны.

Проводной канал связи передает информацию по коаксиальному кабелю, установленном в колонне бурильных труб. Это могут быть, как изначально изготовленные проводные бурильные трубы, так и бурильные трубы, подвергнутые модификации уже после их изготовления.

Основным преимуществом применения современной технологии проводного канала связи является высокая скорость передачи данных. Пропускная способность проводного канала связи достигает 57 600 бит в секунду. Для сравнения, пропускная способность стандартного для индустрии в данный момент гидравлического канала связи около 5-10 бит в секунду. Электромагнитный канал связи дает до 100 бит в секунду. Таким образом, проводной канал связи дает тысячекратный прирост в скорости передачи данных с забоя и отправки команд на забой.

Система ПКС представляет собой линейную сеть, состоящую из следующих компонентов:

• Проводные бурильные трубы. Все компоненты должны быть соединены для обеспечения связи с забойным оборудованием, таким соединением и служат бурильные трубы;
• Забойный преобразователь сигнала. Позволяет КНБК осуществлять связь по проводному каналу связи;
• Модифицированные компоненты верхнего привода с кабелями, служащие интерфейсом между системой на поверхности и бурильной колонной;
• Ретрансляторы сигнала, располагаемые вдоль колонны бурильных труб. Служат для усиления сигнала по всей длине бурильной колонны;
• Датчики измерений вдоль бурильной колонны. Измеряют различные физические параметры, такие как давление, температура и т.д.;
• Наземные сети и компьютерные системы. Для сбора и передачи потоковых данных.

Рисунок 1. Схема системы ПКС

Преимущества и возможности

Высокая скорость передачи данных проводного канала связи позволяет передавать с забоя куда больший объем информации, чем при использовании гидравлического, что может значительно повлиять на время, затрачиваемое на строительство скважины, оптимизировать процесс бурения, а также повысить безопасность буровых работ.

В первую очередь это влияние заметно при замерах параметров траектории скважин. При стандартном способе передачи данных длительность передачи информации занимает около 2-3 минут. Проводной канал связи обеспечивает длительность в 2-3 секунды. Такая разница в скорости передачи данных положительно влияет на возможность контроля траектории ствола скважины. Также быстрая передача данных позволяет быстро реагировать на возникновение различных нежелательных явлений в процессе бурения, о чем будет более подробно сказано далее.

Рисунок 2. Среднее время замера траектории

При бурении с помощью роторно-управляемой системы (РУС), что является стандартом индустрии при бурении скважин со сложной траекторией, необходимо не только получать информацию о текущей траектории, но и регулярно отправлять информацию с поверхности на забой. Информация, отправляемая на забой – это команды, посылаемые из программного обеспечения инженера ННБ на РУС для изменения траектории. Очевидно, эти команды также доходят быстрее по ПКС, чем при использовании ГКС, что также положительно сказывается на контроле траектории.

Чаще всего нисходящая связь по гидравлическому каналу выполняется без отрыва долота от забоя и поэтому не должна снижать рейсовую скорость проходки. Однако опыт показывает, что иногда требуется поднять колонну с забоя или снизить нагрузку, чтобы обеспечить получение команд оборудованием на забое, так как ГКС подвержен негативному влиянию многих факторов. Передавая информацию на забой через ПКС, можно избежать потерь сигнала, и, следовательно, потерь во времени и рейсовой скорости, вследствие изменений параметров режима бурения.

Вибрации и колебания

Вибрации и колебания бурильного инструмента потенциально очень опасны и могут привести к преждевременному выходу из строя долота или КНБК. Датчики, расположенные вдоль колонны, могут помочь в распознавании этих вибраций в режиме реального времени, отображая высокочастотные динамические данные, а также колебания и крутящий момент в скважине.

ПКС обеспечивает гораздо более четкое представление о скважинных условиях: ГКС предоставляет только ограниченные данные о вибрации, примерно каждые 2-3 минуты, в то время как датчики, подключенные к ПКС, имеют частоту обновления 2 секунды и расположены по всей длине колонны. Получение данных каждые 2-3 минуты затрудняет точную оценку вибраций бурильного инструмента.

Получая данные о состоянии бурильной колонны в режиме реального времени, становится возможным предотвращение работы колонны в режиме, вызывающем вибрации и колебания, что положительно сказывается на ресурсе инструмента и оборудования.

Повышение механической скорости проходки

Механическая скорость проходки является одним из показателей режима бурения и напрямую зависит от его параметров, выбираемых в зависимости от забойных условий. Таким образом изменение параметров ведет к изменению скорости. При использовании гидравлического канала связи скорость передачи данных ограничена, следовательно, существует задержка на передачу информации, более того, ограничивается количество передаваемой информации. Данные ограничения ведут к такому подбору параметров режима бурения, при которых механическая скорость проходки будет искусственно ограничиваться для получения достаточной информации с забоя.

Рисунок 3. Сравнение скорости бурения

При использовании ПКС намного большее количество данных передается на устье практически без задержки, благодаря чему становится возможным форсирование режима бурения для достижения более высоких показателей, без опасения вызвать этим аварийную ситуацию.

Бурение в продуктивном пласте

Современные системы LWD собирают большие объемы данных, которые необходимо передавать на поверхность для мониторинга и интерпретации. Даже при использовании современных алгоритмов сжатия данных информация, генерируемая такими системами, обычно превышает пропускную способность традиционного ГКС, и данные приходится записывать на внутреннюю память прибора. Соответственно обработка и интерпретация этих данных может быть произведена уже только после подъема колонны с LWD системой. Общепринятым компромиссом в отрасли является ограничение механической скорости проходки для принятия обоснованных решений на основе данных LWD, которые все же возможно передать с помощью ГКС. ПКС снимает данные ограничения, снижает время отправки данных на поверхность, а также улучшает разрешение каротажа, таким образом замеры со всех датчиков LWD системы могут быть отправлены на поверхность с их последующей интерпретацией.

Оптимизация СПО

Высокая скорость передачи данных ПКС вкупе с датчиками, расположенными вдоль колонны, могут помочь в оптимизации спуско-подъемных операций. Датчики могут передавать данные о давлении в режиме реального времени из различных точек ствола скважины и, таким образом, оптимизировать скорость подъема или спуска колонны. Таким образом можно предупреждать возникновение эффектов свабирования или поршневания, без чрезмерного ограничения скорости СПО.

В результате проведенного анализа можно сделать вывод, что технология проводного канала связи раскроет свои основные преимущества перед гидравлическим каналом связи при бурении скважин со сложной конструкцией и протяженным участками в продуктивных пластах.

Основными факторами, подтверждающими эффективность применения технологии, являются снижение НПВ в результате предотвращения возможных аварий и осложнений в процессе строительства скважины, а также повышение механической скорости проходки. В результате значительно снижается срок строительства скважин, кроме того, повышаются качество ствола скважины и общая безопасность проведения буровых работ.

Список литературы:

1. Nygård B., Andreassen E., Carlsen J. [и др.] Improved Drilling Operations with Wired Drill Pipe and Along-String Measurements – Learnings and Highlights from Multiple North Sea Deployments. – 2021. – SPE/IADC-204029-MS.
2. Pixton D., Craig A. Drillstring Network 2.0: An Enhanced Drillstring Network Based on 100 Wells of Experience. – 2014. – SPE 167965.
3. Salomone A., Burrafato S., Maccarini G. [и др.] First Wired Drill Pipe Deployment in Adriatic Sea. – 2019. – SPE-197833-MS.
4. Schils S., Teelken R., Burkleo B. [и др.] The Use of Wired Drillpipe Technology in a Complex Drilling Environment Increased Drilling Efficiency and Reduced Well Times. – 2016. – IADC/SPE-178863-MS.
5. Teelken R., Jaring C., Craig A. [и др.] Implementation of Wired Drill Pipe Saved Multiple Days Per Well, by Addressing Performance Limiters, Increasing Drilling Efficiency. –2016. – SPE-178798-MS.