В данной статье рассмотрены проблемы применения системы MWD (Measurement while Drilling), связанные с наличием в гидроимпульсном канале связи помех. Проанализированы источники помех и примеры их идентификации по сигнатурам помех в спектрограмме. В работе проанализированы как помехи, обусловленные работой буровых насосов, так и помехи, возникающие вследствие работы бурового инструмента. Выявлена и обоснована методика подавления помех в зависимости от происхождения. При достаточно квалифицированном подходе данные методы редуцирования помех могут в значительной степени повысить качество данных и производительность труда при полевых работах. Под производительностью в данном случае понимается уменьшение затрат времени на периодическую настройку фильтров и усилителей наземной аппаратуры, что позволяет уменьшить общее время бурения на одной точке. Предлагаемые методы подавления шума в значительной мере способствуют эффективной работе всей системы путем применения аппаратных и программных методов подавления помех.
Ключевые слова: помехи, наклонно-направленное, горизонтальное бурение, гидравлический канал, телеметрия, спектрограмма, MWD, measurement while drilling.
The article is devoted to the problem of noisy signal in MWD (Measurement while Drilling) mud pulse telemetry system. The author defines the noise sources and analyzes their signatures in the spectrum. The article analyzes both the noise caused by the operation of the drilling pumps and the interference caused by the operation of the drilling tool. In conclusion the author reveals the noise suppression methodology in the context of source types. With a sufficiently qualified approach, these reducing interference methods can greatly improve the quality of data and working efficiency in field work. The term “working efficiency” in this case means reduction of the time spent on the periodic adjustment of filters and amplifiers of ground equipment, which makes it possible to reduce the total drilling time at one point. Proposed noise reduction methods significantly contribute to the effective operation of the entire system by applying hardware and software methods of interference suppression.
В настоящее время в нефтегазодобывающей промышленности проводится интенсивная работа по восполнению запасов и вовлечению в разработку труднодоступных месторождений. Все это приводит к увеличению общего числа наклонно-направленных и горизонтальных скважин, буримых в сложных инженерно-геологических условиях в целях увеличения эффективности разработки запасов, как на суше, так и на море с платформ различных типов. В этой связи повышаются требования к точности попадания забоя скважин в заданную точку и к соблюдению проектного профиля скважины путем эффективного контроля пространственного положения ствола скважины. При бурении таких скважин применяется комплекс маркшейдерских работ, включающий специальное оборудование, инструменты, приборы, особые технологические приемы, обеспечивающие задание направления ствола скважины и постоянный контроль за его положением в пространстве.
Создание телеметрических систем контроля за положением отклонителя, забойными параметрами ствола скважины в процессе бурения (включая устройства управления режимами бурения) придало значительный импульс научно-техническому прогрессу в области бурения наклонно-направленных скважин. Телеметрические системы контроля, в сочетании с методико-математическим и программным обеспечением дали технологам небывалые возможности, в корне изменив методы их работы 1.
Эти системы позволяют повысить эффективность бурения, обеспечивая точное размещение скважин в заданных точках и предоставлять информацию о динамике бурения в реальном времени для оптимизации параметров бурения, увеличения скорости проходки и долговечности скважин. Оперативная информация о состоянии пласта, полученная с помощью замеров гамма-излучения, сопротивления и других телеметрических измерений позволяют оператору регулировать траекторию скважины в реальном времени, чтобы обеспечить ее размещение в наиболее продуктивной части пласта.
Несмотря на все преимущества технологии MWD, данная система имеет сложности в использовании в реальных условиях. Качество сигнала, передаваемого от различных датчиков, расположенных на забое скважины по гидравлическому каналу зависит не только от глубины расположения генератора импульсов и технических особенностей аппаратуры, но и от скорости потока промывочной жидкости, ее характеристики, конструкции скважины, а также от оборудования, используемого в процессе бурения. В связи с большим разнообразием факторов, влияющих на качество передаваемых на поверхность данных в процессе работы MWD систем приходится сталкиваться с различными видами помех, и борьба с ними является одним из главных задач специалиста, обслуживающего эту систему.
Основной диапазон существующих каналов связи представлен гидравлическим, электромагнитным, акустическим, электропроводным типами каналов, но в реальных условиях бурения широкое применение нашли три канала связи:
− электропроводный;
− гидроимпульсный (гидравлический);
− электромагнитный.
Большинство приборов MWD, применяемых для бурения нефтегазовых скважин месторождении Казахстана используют гидроимпульсный канал связи. Причиной этому является глубокое расположение нефтяных коллекторов и сложные геологические и инженерные условия 1.
Опыт эксплуатации MWD-систем с гидравлическим каналом связи (ГКС) (Schlumberger, Baker Hughes, Halliburton) в СНГ показывает их высокую эффективность. Недостатком ГКС (гидравлического канала связи) являются жесткие требования к буровому раствору (содержание песка < 1–4 %, газа < 7 %) и зависимость качества принимаемого сигнала от параметров бурения (расход бурового раствора, осевая нагрузка на долото).
Применение телеметрических систем показала, что надежная передачи информации возможна лишь в низкочастотной области (единицы и даже доли Герц), что, безусловно, снижает информативность такого канала связи и приводит к необходимости анализа специфических помех, характерных для такой области частот с целью разработки методов и средств выделения полезного сигнала на фоне этих помех. [2] Применительно к низкочастотному диапазону помехи в гидравлическом канале можно разделить на две основные группы:
− помехи, обусловленные работой буровых насосов;
− помехи, возникающие вследствие работы бурового инструмента (гидравлических забойных двигателей, бурильной колонны, долота и т. п.).
Помехи первой группы как правило, имеют регулярный характер, поэтому их выделение на поверхности не представляет особых трудностей. Однако, если стационарность нарушается (например, из-за износа клапанов или случайных изменений частоты вращения дизельного привода одного из двух насосов), то задача выделения сигнала существенно усложняется. На рис. 5 представлена спектрограмма, полученная при работе MWD системы. На спектрограмме отчетливо виды две горизонтальных линии оранжевого цвета, представляющие спектр частот двух буровых насосов. От других видов помех он отличается регулярностью частоты и относительно высокой амплитудой. Их амплитуда превышает 11 КПа, тогда как амплитуда полезного сигнала меньше в 4 раза. Амплитуда и частота сигнала зависит как от конструктивных особенностей, так и от параметров работы насоса. Например, применение четырехцилиндровых насосов позволяет добиться более равномерной подачи бурового раствора, тем самым уменьшая пульсаций (рис. 1)
Рис. 1. Сравнение уровня пульсации в трехцилиндровом (triplex) и четырехцилиндровом (quatro) буровом насосе
Применение демпферов (компенсаторов) с соответствующим рабочим давлением и также позволяет значительно снизить амплитуду помех от буровых насосов. При применении нескольких насосов для уменьшения помех рекомендуется произвести точное регулирование и синхронизацию рабочих ходов буровых насосов. Система синхронизации работы буровых насосов синхронизирует ходы буровых насосов, что обеспечивает равномерность промежутков между пиками давления (рис. 2).
Рис. 2. Влияние системы синхронизации на работу буровых насосов.
Это устраняет неравномерность возникновения пиков высокого давления из-за рассинхронизации ходов насосов, которая может привести также к повреждениям растворных линий высокого давления. Как видно из рис. 3 частоты помех находятся на отметках 3,8 и 7,9 Гц, а частота полезного сигнала в пределах от 9,7 Гц до 14,2 Гц. Благодаря этой разности частоты и применению программного полосового фильтра удается эффективно выделить полезный сигнал.
Рис. 3. Спектрограмма со стабильными буровыми насосами 4.
Изменение частоты вращения дизельного привода одного из двух насосов может привести к нестабильному изменению частоты помех, исходящих от насосов (рис 4.)
Рис. 4. Спектрограмма с нестабильными буровыми насосами 4
Как видно из рисунка, при появлении непредсказуемых и нестабильных частот применение полосовых фильтров малоэффективно.
Винтовые забойные двигатели (ВЗД) при засорении двигателя и заклинивании долота могут стать источником помех. При этом процесс бурения сопровождается повторяющимися резкими колебаниями давления в нагнетательной линии, происходящие даже при пониженных нагрузках. Обычно такие помехи носят не периодичный характер и лежат в области низких частот, поэтому они также эффективно отсекаются полосовыми фильтрами (рис. 5). Наличие таких помех является сигналом для принятия неотложных мер, так как могут привести к выходу и строя винтового забойного двигателя.
Рис. 5. Спектрограмма с помехами с винтового забойного двигателя 4.
Призабойные помехи — помехи, которые возникают при ударном взаимодействии бурового инструмента находящиеся на забое скважины и горной породы. Как видно на спектрограмме (рис. 6), частота таких помех значительно ниже, чем частота полезного сигнала, поэтому данный тип помех очень легко поддается фильтрации.
Рис. 6. Спектрограмма с помехами, возникающие вследствие ударных взаимодействии в призабойной части скважины 4
Электромагнитные помехи возникают при электромагнитной наводке. Источником могут стать электрические оборудования или силовые кабели буровой находящиеся вблизи наземных датчиков MWD системы и их соединительных кабелей. Спектр электромагнитных помех обычно распространяется почти на все частоты спектрограммы (рис. 7), поэтому применение частотных фильтров является неэффективной. Для исключения необходимо выполнять монтаж датчиков и их соединительных линии на достаточно большом расстоянии от силовых линии и электрических агрегатов.
Рис. 7. Спектрограмма с помехами, возникающих при электромагнитных наводках 4
Литература:
- Рогачев О. К. По-русски — телеметрия, по-английски — MWD / О. К. Рогачев, А. А. Лышенко // [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.sovmash.com/node/62, свободный (дата обращения: 12.12.2016)
- Шевченко И. А., Способы передачи информации по гидравлическому каналу импульсами давления бурового ФГБОУВПО «Сахалинский государственный университет», г. Южно-Сахалинск, УДК 911.9, 2014 г.
- Information Guide «Baker Hughes INTEQ’s Guide To Measurement While Drilling» 750–500–077 Rev. A September 1997
- Schumberger USPTU Drilling Department D&M Technology Course March 2014.
