главная / банк технологий / бурение / колтюбинговое бурение

Применение оптоволоконных технологий при работах с ГНКТ


Введение
При выполнении большинства работ с ГНКТ в большинстве случаев необходимо оценить и проконтролировать проведение каждого этапа работ на основе хорошо обдуманных предположений, которые принимаются исходя из интерпретации данных о скважинном флюиде. Такие величины, как уровень давления в скважине определяется по показаниям датчиков давления расхода или по давлению на устье. Фактическая глубина инструмента определяется по длине спущенной ГНКТ, при этом погрешность в пределах 0.3% считается приемлемой. Точность глубины может определяться различными способами - все зависит от требований к точности, устанавливаемой конкретным видом работ.  К таким методам относятся отметка глубины забоя или сужений ствола скважины, применение локаторов муфт НКТ, спуск каротажных приборов с ЗУ и приборов гидроимпульсной скважинной телеметрии. Однако проведение указанных работ требует значительного времени, они дорого стоят и усложняют выполнение других работ.
Применение ГНКТ с установленным каротажным кабелем позволяет преодолеть указанные сложности, однако эта технология имеет и ряд негативных особенностей: существенно увеличивается стоимость работ и растут расходы на обслуживание установки, есть ограничения по совместимости растворов, кроме того в колонне ГНКТ сечение потока также ограничено. Указанные факторы значительно снижают применимость ГНКТ с кабелем, который мог бы позволить получать данные о скважинных условиях в реальном времени.
Новые способы изготовления волоконно-оптического кабеля из усовершенствованных сплавов и с возможностью беспроводной передачи данных предлагают нефтяной отрасли новаторские способы решения существующих проблем. Многие достижения, которые уже внедрены в систему сбора данных, представлены вниманию читателя в данной статье.
 
Из истории развития оптоволоконных технологий
За последние 35 лет развитие оптоволоконных технологий в сфере связи существенно увеличило объем передачи данных в электронном виде. Сегодня недорогие оптоволоконные кабели и другие оптоэлектронные приборы нашли применение и в других сферах деятельности, например, специальные датчики используются при экологическом контроле.  В одном случае, такие датчики обеспечивают получение данных, которые не могут быть получены с помощью традиционного оборудования. В других случаях датчики более чувствительны и превосходят по рабочим характеристикам альтернативные технологии, особенно при их применении в необычных или суровых окружающих условиях.
 
Один из типов температурных датчиков анализирует обратное рассеивание света лазерного луча, который в виде короткого импульса проходит по волокну. Обратное рассеивание фотонов происходит на молекулярном уровне по всей длине волокна, при этом возвращающиеся фотоны, измеренные в любой момент времени, будут обратно рассеяны на определенном интервале волокна. Данное расстояние прямо пропорционально времени, за которое импульс возвращается.  Аналогично ведет себя поступаемый с короткого участка волокна рассеянный свет, который регистрируется в коротком интервале времени. Изменения светового спектра, зависимые от температуры, происходят во время обратного рассеивания. Анализ данных изменений позволяет определить температуру волокна в точке, где произошло обратное рассеивание. Конечное значение температуры трактуется как распределенное измерение, так как измерение проводится во всех точках, составляющих длину волокна.
Данная технология стала основой для систем измерений распределенной температуры, которые все чаще находят применение в нефтегазовой отрасли и во многих других отраслях, начиная от проектирования и строительства зданий и заканчивая обеспечением безопасности в авиационной промышленности. Первая система расчета распределения температуры (СРТ) была использована в Канаде в 1996 году для контроля работ в скважине, разрабатываемой в гравитационном режиме с закачкой пара в пласт. С тех пор системы расчета распределения температуры применялись в более чем 350 скважинах.
 
Скважинное оборудование при использовании ГНКТ
Применение оптоволоконной  технологии совместно с ГКНТ потребовало внести некоторые изменения в конструкцию оборудования. В результате состоящая из комплекта оптоволоконных кабелей  была спроектирована для установки внутри трубки из сплава "Инконель" с наружным диаметром 1,8 мм. Волокна в трубке находятся внутри ГНКТ, трубка защищает волокна от контакта с флюидом при проведении каких-либо работ. Хотя внутри трубки "Инконель" могут быть размещены до 7 волокон, при выполнении работ, описываемых в данной работе, использовали только 4 волокна. Два волокна выполняли функцию двусторонней связи с прибором. Остальные волокна могут применяться для нестандартных работ или для выполнения резервной функции в случае обрыва кабеля при эксплуатации ГНКТ.
При работах применяются КНБК со встроенным обратным клапаном, который имеет один из двух наружных диаметров: 43 и 54 мм.  Прибор с наружным диаметром 54 мм позволяет определить температуру на забое, скважинное давления внутри и снаружи прибора, а также может использоваться как локатор муфт колонны.  Минимальное ограничение по проходу для прибора большего диаметра составляет 17,5 мм что позволяет подсоединение инструмента с механизмом активации шариком, прокачиваемым через ГНКТ, под переводником с оптоволоконным кабелем.  Прибор с наружным диаметром 43 мм не может использоваться как локатор муфт колонны, он определяет только значения давления внутри или снаружи инструмента, для него предел проходного отверстия составляет 10,3 мм, что ограничивает возможность пропуска под ним инструмента с шариковы механизмом активации.
Приборы обоих диаметров состоят из двух раздельных частей: соединителя-переходника ГНКТ, который одновременно служит кабельным вводом при выходе кабеля из ГНКТ, и комплекта электронного оборудования, состоящего из модуля связи и передатчиков. Входящий в состав электронного оборудования аккумулятор обеспечивает электропитание для электронных элементов прибора. Прибор с наружным диаметром 54 мм имеет дополнительный элемент, расположенный ниже комплекта электронного оборудования, который содержит датчик локатора муфт колонны.
 
Наземное оборудование
Модуль связи с прибором установлен на корпусе барабана ГНКТ, который выполняет функции, аналогичные приемнику сигнала по каротажному кабелю в ГНКТ. Модуль получает и отправляет данные от прибора, прикрепленного к другому концу ГНКТ через оптоволоконный кабель.  Модуль также оборудован беспроводным узлом связи, с помощью которого передаются и принимаются данные от пульта управления. Это избавляет от необходимости устанавливать проводной приемник сигнала на барабане. Пульт управления использует беспроводной маршрутизатор для получения и отправления данных на модуль связи на барабане. Для просмотра и контроля параметров работ используется специальное программное обеспечение, установленное на настольном или переносном компьютере. Программы для сбора и записи данных были модифицированы с целью обеспечения возможности отправлять команды скважинному прибору, например для изменения чувствительности локатора муфт при проведении работ.
 
Полевые испытания технологии на Аляске

Работы с ГКНТ оснащенными оптоволоконным кабелем были применены на Северном Склоне на Аляске в марте 2005 года. В периоды с 3/29/2005 по 4/9/2005 и с 7/9/2005 до 8/2/2005 было проведено 27 операций с использованием ГНКТ. Объем работ состоял из очистки забоя, азотной очистки, спуска шламоловителей, удаления ледяных пробок, проведения каротажа распределенной температуры, кислотной обработки, ловильных работ и фрезерования. За указанный срок 5 спусков произвели с КНБК НД 43 мм и 42 спуска с КНБК НД 54 мм.  Для всех проводимых работ были успешно собраны в режиме реального времени и переданы на поверхность данные о скважинном давлении и температуре. Аналогичные данные были собраны для локатора муфт с применением прибора НД 54 мм.
Одной из основных задач при проведении полевых испытаний было определить возможности и преимущества применения технологии при ежедневных операциях с ГНКТ. Помимо прочего, передача скважинных данных и данных с устья позволили добиться следующих результатов:
• Определить изменение реологических свойств флюида во время операции путем точного расчета снижения давления из-за трения ГНКТ по данным давления циркуляции по давлению внутри прибора.
• Проводить корреляцию по глубине в реальном времени по диаграммам локатора муфт или по длине НКТ.
•  Расчет фактической гидравлической мощности в л.с. по промывочной насадке/колонны НКТ путем подсчета разницы в давлении внутри и снаружи КНБК. С помощью данных величин также можно оценить функциональность обратных клапанов.
• Расчет качества скважинного флюида для проведения азотированной промывки. Расходы подачи флюида и подачи скорректированны для оптимизации промывки.
• Обновление базы скважинных данных по давлению и температуре.
 
Удаление ледяной пробки - характеристики температуры на забое

При полевых испытаниях были удалены две ледяные пробки. По стандартной процедуре в таких случаях используют нагретое дизельное топливо в качестве жидкости обработки скважины. Дизельное топливо нагревают до ~60 °С (140 °F) и закачивают в скважину с помощью установки тепловой обработки через ГНКТ. Стандартный агрегат ГНКТ не позволяет проследить изменение температуры нагретого дизельного топлива во время прокачки через ГНКТ и при возвращении жидкости на устье. Кроме того, в данном случае необходимо обратить внимание на наличие слоя вечной мерзлоты, что ведет к образованию ледяных пробок.
Данные о температуре на забое, передаваемые в реальном времени, которые получили с помощью оптоволоконного кабеля в ГНКТ, позволили понять температурные изменения нагретого дизельного топлива, подаваемого через промывочную насадку. График составлен по данным, полученным при проведении работ по удалению ледяной пробки.  Глубина пробки составила 102 метра (335 футов).  Для удаления пробки топливо нагрели до 60 °С (140 °F) и закачали в скважину через ГНКТ.  При удалении первой пробки, когда температура на устье составляла 60 °С (140 °F), температура на забое равнялась 17 °С (63 °F). Благодаря недостаточной твердости пробку удалили дизельным топливом, нагретым до 17-19 °С (63-67 °F). Вторая пробка находилась на глубине 250 м (825 футов). Для удаления хватило температуры 30 °С (87 °F). Потребовалось 10 куб. метров (64 барреля) или два объема ГНКТ чтобы поднять температуру дизельного топлива на забое с 11 °С (52 °F) до 30 °С (87 °F), хотя на поверхности температура топлива была 60 °С (140 °F). Скорость закачки составляла 159 л/мин (1 барр./мин). 
На графике наглядно показаны потери температуры при возвращении жидкости на устье через ГНКТ. Хотя температура жидкости при возврате на устье или при ее закачке может превышать 38 °С (100 °F), значение температуры на забое существенно ниже, притом в течение длительного времени. Еще одна интересная тенденция - это быстрота снижения температуры жидкости по мере спуска ГНКТ вглубь скважины.
 
Работы по промывке ствола скважины
Во время полевых испытаний было проведено пятнадцать работ по промывке ствола скважины. По результатам работ были сделаны важные выводы в отношении преимуществ, предлагаемых технологией передачи данных в реальном времени по ГНКТ с оптоволоконным кабелем.
 
Изменения реологических свойств флюида
На буровых всегда находятся емкости или резервуары, которые могут содержать жидкости с различными реологическими свойствами.  Применение ГНКТ с оптоволоконным кабелем позволило получить данные о забойном давлении в затрубе (ANBHP) и забойном давлении в ГНКТ (CTBHP). Забойное давление в затрубе указывает на давление снаружи КНБК, тогда как забойное давление в ГНКТ указывает на значение давления внутри КНБК. В качестве рабочей жидкости для этой работы использовалось дизельное топливо с антифрикционными присадками, плотностью 0,83 (6.9 фунтов на галлон). Во время работ плотность жидкости не меняли.  Скорость закачки насоса также не изменялась, примерно равнялась 318 л/мин (2 барр/мин). Снижение скорости закачки наблюдалось один раз при переключении от одной емкости к другой для забора жидкости.  На эту операцию было затрачено больше времени, чем обычно. При сравнении данных до и после замены емкостей стало очевидно, что во второй жидкости В потери давления на трение увеличились. Значения плотности жидкости, скорости закачки, забойного давления в затрубе и забойного давления в ГНКТ были относительно неизменными, тогда как давление промывки достигало 54 атм (800 фунтов/кв. дюйм). Соответственно разность объясняется различными реологическими свойствами жидкостей.
 
Оценка и сравнение насадок
Основное отличие между двумя операциями заключалось в применении разных типов насадок. В первом случае применялась стандартная промывочная насадка, центробежного действия, с наружным диаметром 58,4 мм, во втором случае применяли насадку с нижними направленными форсунками с наружным диаметром 63,5 мм.  Во втором случае насадка имеет одно отверстие с внутреннм диаметром 2,4 мм и четыре отверстия с внутренним диаметром 3,2 мм. По данным забойного давления в затрубе и внутри ГНКТ, полученных с помощью скважинных датчиков, очевидно, что насадки с нижним расположением форсунок, создают большую мощность струи жидкости. Максимальное дифференциальное давление в случае насадок, центробежного действия составило 13,5 атм (200 фунтов/кв. дюйм) при подаче 318 л/мин (2 барр./мин), т.е. всего 9,8 гидравлической мощности в л.с., тогда как во втором случае дифференциальное давление составило 92 атм (1350 фунтов/кв. дюйм) при подаче 190 л/мин (1,2 барр./мин) или 49,7 гидравлической мощности в л.с.
 
Контроль качества скважинного флюида
Скважина с очень низким забойным давлением. До начала работ по расчетам давление составляло 76 атм (1122 фунтов/кв. дюйм) на глубине 2822 метра (9260 футов). Для оптимального подбора соотношения жидкости и азота использовали ГНКТ с оптоволоконным кабелем. Технология ГНКТ с оптоволоконным кабелем передавала в реальном времени данные о забойном давлении и температуре, а датчики на устье показывали устьевое давление и температуру. Эти данные позволили рассчитать качество пены, как на устье, так и на конце ГНКТ.  Комплексный модуль программы сбора данных на пульте управления позволяет быстро провести все расчеты.
Как видно на изображении значение забойной температуры и давления в области насадок меняется по ходу работ. Эти два параметра влияют на качество рабочей жидкости. С помощью данных, поступаемых через оптоволоконный кабель, оператор агрегата ГНКТ смог поддерживать качество пены на уровне 60% в течение всего времени работ. Поддержка стабильного качества пены достигается путем комбинирования скорости закачки жидкости и азота на устье, на основе переданных в реальном времени данных через кабель в ГНКТ.  Во время работ закачка жидкости происходила при 95 л/мин (0.6 барр./мин), тогда как скорость закачки азота варьировалась в пределах 8.5-10 стандартных куб.метров/мин (300-350 стандартных куб. футов/мин).
По окончании работ колонной ГНКТ промыли скважину до 2852 метра (9357 футов) измеренной глубины. До начала работ отмеченная глубина составляла 2827 метра (9275 футов).
 
Эксплуатационные ограничения
Другой целью полевых испытаний было понять эксплуатационные ограничения или выгоды системы, а также ее совместимость со стандартными приборами и жидкостями. Во время полевых испытаний были сделаны следующие наблюдения:
•         Во время работ движение флюида происходило без ограничений - это значит, что присутствие оптоволоконного кабеля не влияет на скорость закачки.
•         Во время закачки кислоты, азота и промывки скважины применение трубки из "Инконеля" доказала свою эффективность в качестве защиты оптоволоконного кабеля.
•         Во время полевых испытаний не наблюдалось провисания оптоволоконного кабеля.
•         Установленный аккумулятор позволяет проводить передачу данных непрерывно с начала и до конца работ.
 
Дальнейшие квалификационные испытания
Хотя предел прочности оптоволоконного кабеля относительно невысок, считалось, что существующий диаметр и тенденция кабеля прилегать к стенке ГНКТ обеспечат ему защиту от гидродинамического сопротивления тяжелым или вязким жидкостям при их прокачке через ГКНТ. Однако при полевых испытаниях не решились проверить истинность данного положения на действующей скважине при цементных работах.  Поэтому было решено провести такое испытание в резервной скважине.
Испытание на совместимость с цементом было проведено при закачке 4,8 куб. метра (30 баррелей) (полный объем ГНКТ) раствора плотностью 1,98 (16,6 фунтов/галлон) через ГНКТ НД 51 мм со скоростью закачки 278 л/мин (1,75 барр/мин), что эквивалентно скорости потока в объеме 238 л/мин (1,5 барр/мин) внутри ГНКТ диаметром 38 мм. Операция была проведена на глубине 1524 м (5,000 футов) (измеренная глубина) в вертикальной скважине. О размещении цемента можно было судить по данным давления на устье и в скважине - внутри и снаружи инструмента.  При данной работе негативных последствий не наблюдалось.
 
Получение профиля распределения температуры кабелем в ГНКТ
Входя в состав ГНКТ оптоволоконный кабельтакже позволяет получение данных о профиле скважинной температуры.  Данные измерения распределенной температуры по скважине представляют собой статистические величины, поэтому для получения данных колонна ГНКТ в течение некоторого времени должна находиться в неподвижном состоянии. При продлении времени регистрации данных и при увеличении длины исследуемых оптоволоконным кабелем участков распределение температуры определяется более точно.  Время сбора спектральных характеристик, как правило, составляет 1 час, но может ограничиваться как несколькими секундами, так и длиться несколько часов. При правильном осреднении данных температура на глубине 4870 метров может быть определена с точностью до 0,1°C. После расчетов данные о температуре можно посмотреть на дисплее прямо на буровой, данные можно сохранить для дальнейшего анализа, также они могут быть переданы в реальном времени через модем или пульт управления.  Кроме того, полученные данные могут быть соотнесены с динамическими параметрами, переданными скважинными приборами через ГНКТ.  Данные профиля распределения температуры по всей глубине скважины позволяют принимать оперативные решения в реальном режиме времени. Например, о результатах кислотной обработки призабойной зоны можно судить только после окончания работ, но тогда уже поздно вносить в программу какие-либо изменения, так как все химические растворы уже закачены.  Поэтому основной задачей в таких случаях становится необходимость определить маршрут движения закачиваемой жидкости и, например, в случае ее ухода в зону поглощения принять адекватные меры: применить специальные отклонители для перенаправления жидкости, спустить ГНКТ до другой точки, изменить скорость закачки или даже целиком поменять график закачки - все это возможно сделать благодаря получаемым в реальном времени данным, интерпретация которых позволяет дать правильную оценку событиям и принять верные решения.
По мере увеличения объемов бурения скважин большей глубины, наклонных или горизонтальных скважин проведение каротажных работ становится все более затруднительным.  В таких скважинах данные о распределении температуры, получаемые во время спуска ГНКТ, могут дать ценную информацию о характеристиках притока, газопроявлениях и механической целостности оборудования.
 
Заключение
Основное применение указанная технология найдет в той же области, где традиционно применяется ГНКТ с каротажным кабелем. Однако, на современном этапе  технология, представленная в данной статье, позволяет получить и передать на поверхность ограниченный комплекс данных, связанных с указанием расположения муфт, скважинным давлением и температурой.  При этом очевидно, в каком направлении будут вестись дальнейшие разработки оборудования. Цель будущих приборов - обеспечить получение данных, которые на сегодняшний день получают с помощью электрического кабеля, импульсной телеметрии или при помощи приборов с ЗУ.
В дальнейшем возможности программного обеспечения отправлять и принимать информацию могут быть использованы для проведения более сложных операций, например для управления работой надувных пакеров, что избавит от необходимости сбрасывать шарики для приведения в действие подземного  оборудования.
все статьи номера

 

Вступить в Ассоциацию! Члены Ассоциации
Все права защищены
© АсБур 2005-2015