Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

УДК 550.832

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук

Розв'язання геолого-технологічних задач за даними інклінометрії та сейсмоакустичних досліджень в процесі буріння свердловин

04.00.22 - геофізика

Бугрій Віктор Григорович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: доктор геолого-мінералогічних наук, професор Курганський Валерій Микитович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри геофізики, м. Київ

Офіційні опоненти:

доктор геологічних наук Красножон Михайло Дмитрович, Український державний геологорозвідувальний інститут Міністерства охорони навколишнього середовища України, заступник директора, м. Київ

кандидат фізико-математичних наук Лісний Георгій Дмитрович, ЗАТ “Концерн Надра”, заступник голови правління, м. Київ

Захист відбудеться “13” жовтня 2010 р. о 10⁰⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.32 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03022, м. Київ, вул. Васильківська, 90, ауд. 104.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий “____” _____________ 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради Д 26.001.32 кандидат фізико-математичних наук І.В. Тішаєв

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проведення пошуково-розвідувальних робіт з виявлення покладів вуглеводнів актуалізує задачу підвищення ефективності комплексу свердловинних геофізичних досліджень. Одним з основних шляхів вирішення цієї проблеми є широке впровадження в практику геологорозвідувальних робіт методів одержання оперативної інформації про геологічну будову навколосвердловинного простору безпосередньо під час буріння нафтогазових свердловин. Актуальність наукових пошуків у цьому напрямку очевидна: по-перше, це дозволить підвищити точність геонавігації та скоротити час проходки свердловин, по-друге, одночасне вивчення гірських порід за даними комплексу геофізичних і геолого-технологічних методів досліджень у процесі буріння зрештою підвищить геологічну та економічну ефективність пошуків, розвідки й розробки вуглеводневих покладів.

Не зважаючи на досить широке розповсюдження закордонних вибійних систем, що застосовуються для отримання геофізичної інформації в процесі буріння свердловини, вартість таких продуктів є високою, крім того, фірми-розробники здебільшого самі надають відповідні послуги, виїжджаючи на проводку свердловин зі своєю апаратурою й персоналом. Таким чином, зависока ціна та фактична відсутність інформації про теоретичні та практичні аспекти реалізації сучасних систем MWD (Measurement While Drilling вимірювань в процесі буріння) та LWD (Logging While Drilling каротажу в процесі буріння) формують передумови для створення вітчизняних недорогих, надійних та точних засобів контролю вибійних параметрів буріння в комплексі з геолого-геофізичними дослідженнями. При розробці нових інформаційно-вимірювальних систем свердловинних досліджень перспективним є включення до їх складу сейсмоакустичних методів - вертикального сейсмічного профілювання в процесі буріння (ВСП ПБ) та віброакустичного каротажу (ВАК), а також їх інтеграція в єдину систему з інклінометричними забійними приладами.

Сучасні методи сейсмічних свердловинних досліджень в процесі буріння набули значного поширення за кордоном, де створено ряд систем ВСП ПБ та ВАК; в Україні технологія сейсмічного супроводу буріння фактично не застосовується.

Створення технології оперативного аналізу віброакустичної інформації методу ВАК з метою її комплексування з інклінометричними даними та включення в стандартний комплекс геолого-технологічних досліджень вимагає вирішення проблем теоретичного, експериментального, апаратурного та методичного характеру.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка в межах науково-дослідних тем: “Розробка, виготовлення й випробування приймальної системи комп'ютеризованого свердловинного сейсмокомплексу” (№ держ. реєстр. 0100U004256), “Розробка вибійної телесистеми з безкабельним електромагнітним каналом зв'язку для буріння горизонтальних стовбурів нафтогазових свердловин” (№ держ. реєстр. 0104U002484), “Розробка експериментальних зразків забійних телесистем з безпровідним каналом зв'язку для похилого й горизонтального буріння” (№ держ. реєстр. 0101U002484), “Формування розділу свердловинної геофізичної інформації галузевої бази даних” (№ держ. реєстр. 0104U008816).

Метою роботи є створення та впровадження в практику геологорозвідувальних робіт сейсмоакустичних методів отримання геолого-геофізичної та технологічної інформації в процесі буріння нафтогазових свердловин, що забезпечує підвищення ефективності комплексу свердловинних геофізичних досліджень.

Основні завдання дослідження. Досягнення поставленої мети зумовлює необхідність вирішення таких задач.

1.Дослідження процесу руйнування гірських порід долотом та фізичних передумов віброакустичних досліджень в процесі буріння.

2.Аналіз факторів, що впливають на спектрально-часові характеристики віброакустичного сигналу.

3.Створення алгоритмів обробки та комплексного аналізу отриманих віброакустичних даних.

4.Розробка свердловинної апаратури як складової частини існуючих телеметричних забійних систем для прийому, реєстрації, збереження віброакустичної інформації та супровідного програмного забезпечення.

5.Розробка методики комплексування інформації віброакустичного каротажу (ВАК) та даних геолого-технологічних досліджень з метою вирішення задачі розчленування геологічного розрізу.

6.Апробація створеної методики та апаратури при бурінні нафтових та газових свердловин в різних техніко-геологічних умовах.

Об'єктом наукового дослідження є фізико-механічні властивості (твердість) порід, розбурюваних при проходці свердловини та віброакустичні поля, генеровані буровим інструментом під час буріння.

Предметом дослідження є просторово-часові та спектральні характеристики сейсмоакустичного сигналу бурового інструменту.

Методи дослідження.

1.Сейсмоакустичні та інклінометричні методи дослідження при бурінні нафтогазових свердловин.

2.Математичні методи аналізу та обробки геофізичної інформації (спектральний аналіз), математичне моделювання - вирішення задачі виникнення та поширення пружних коливань в системі “долото бурова колона”.

3.Натурне моделювання та випробування технології в умовах буріння реальних нафтогазових свердловин.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі збору, систематизації та аналізу результатів попередніх досліджень та проведених особисто автором, вперше:

· розроблено методику комплексного аналізу віброакустичної та інклінометричної інформації в процесі буріння з метою вирішення геолого-геофізичних та технологічних задач;

· обґрунтовано необхідність реєстрації віброакустичного сигналу автономним модулем у складі забійних телеметричних систем (в безпосередній близькості до бурового інструменту) в порівнянні з прийомом вібросигналу в верхній частині бурової колони;

· за даними віброакустичних досліджень проведено літологічну ідентифікацію порід свердловини Південно-Абазівська № 4 на основі експериментальних залежностей спектральних характеристик повздовжніх та поперечних коливань від геолого-геофізичних характеристик порід, що розбурюються та технологічних параметрів буріння;

· на підставі спектрального аналізу поперечних компонент вібросигналу бурового інструменту отримала подальший розвиток методика оцінки технічного стану шарошкових доліт.

Практичне значення одержаних результатів.

Практична реалізація результатів дисертаційної роботи полягає у залученні до геофізичних робіт при бурінні нафтогазових свердловин сучасних сейсмоакустичних методів, що дозволяють оперативно вирішувати широке коло геолого-технологічних задач та оптимізувати процес буріння. Апаратурні та методичні розробки дисертаційного дослідження можуть бути використані як самостійне джерело геолого-геофізичної та технологічної інформації, а також включені до існуючих систем геолого-технологічних досліджень. Теоретичні результати роботи використовуються в навчальному процесі кафедри геофізики КНУ імені Тараса Шевченка в рамках курсу “Геофізичні дослідження свердловин”.

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні положення та методичні результати, наведені в роботі, отримані дисертантом особисто та висвітлені в наукових (в т.ч. фахових) виданнях.

У роботі [5], виконаній у співавторстві з Романом В.І., Сиротенко П.Т., Курганським В.М., Андрущенко В.О., Тішаєвим І.В., автор брав участь у обробці та аналізі результатів дослідження, обговоренні, підготовці й формулюванні висновків. У роботі [6] автору належить аналіз результатів та формування висновків. У роботах [1-4, 7], виконаних разом з Курганським В.М., Андрущенко В.О., Тішаєвим І.В., автору належать постановка задачі, участь у проведені експериментального дослідження, обробка та інтерпретація отриманих даних, участь у обговорені результатів та підготовка висновків.

Апробація результатів дисертації. Основні результати за темою дисертації були представлені на IХ міжнародній науковій конференції “Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища” (Київ, 2009), VІII та ІХ міжнародних конференціях “Геоінформатика: теоретичні та прикладні аспекти” (Київ, 2009, 2010), міжвідомчій науковій сесії “Сучасні проблеми теорії і практики наук про Землю і перспективи їх розвитку ” (Київ, 2009), акустичному симпозіумі “Консонанс2009” (Київ, 2009).

Публікації. За темою дисертації автором опубліковано 7 праць, в т.ч. 4 статті (серед яких 3 статті надруковано у наукових журналах, що належать до списку фахових видань ВАК України), а також 3 тези доповідей та матеріалів конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку та списку використаних джерел, що налічує 129 найменувань. Загальний обсяг дисертації складає 132 сторінки, в тому числі - 9 таблиць, 30 рисунків.

Роботу виконано на кафедрі геофізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка, де дисертантом отримані основні результати теоретичних досліджень, а також результати математичного моделювання та проведена практична реалізація розробленої технології.

Автор висловлює щиру подяку науковому керівникові доктору геолого-мінералогічних наук, професору Курганському В.М. за постійну допомогу та підтримку в процесі роботи над дисертацією. Автор висловлює особисту подяку завідувачу лабораторії кафедри теоретичної та прикладної механіки Андрущенку В.О., чиї поради та рекомендації відіграли вирішальну роль у визначенні напрямку наукової роботи дисертанта. Автор вдячний усім своїм вчителям, колегам та співавторам наукових статей.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано доцільність та актуальність теми дисертаційної роботи, зазначено її зв'язок з науковими програмами, мету, об'єкт та предмет дослідження, наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів. У вступі також розкривається особистий внесок автора, питання апробації результатів, публікації, загальний обсяг і структура роботи.

У першому розділі розглянуто сучасний стан геолого-технологічних досліджень у процесі буріння, окреслено коло задач, що вирішуються ними. З позицій геологічної та економічної доцільності розглянуто необхідність пошуку нових шляхів, засобів і методів розробки та широкого впровадження ефективних інформаційно-вимірювальних систем для промислово-геофізичних досліджень. Розглянуто передумови, хронологію розвитку, сучасний стан та перспективи інклінометричних та сейсмічних свердловинних методів отримання геофізичної інформації безпосередньо при бурінні нафтогазових свердловин. На основі аналізу сучасного стану теоретичної, методичної та апаратурної бази телеметричних свердловинних досліджень обґрунтовано доцільність комплексного використання даних інклінометрії та віброакустичних досліджень процесу буріння.

На сучасному етапі геолого-технологічні дослідження в процесі буріння є важливим напрямком промислової геофізики, скерованим на покращення її геологічної та економічної ефективності. Практика впровадження нових методик та апаратурних рішень для контролю за процесом буріння засвідчує високу ефективність їх застосування, що виражається у зменшенні часу проходки та вартості спорудження свердловин, підвищення безпеки бурових робіт.

Комплексуванням геолого-геофізичних і технологічних досліджень в процесі буріння займається велика кількість закордонних фірм, зокрема Schumberger, Mobil Oil, Dresser Industries, Exxon, Barroid, Amoco, Teleco, General Electric, Natione des Petroles D'Aquitane та інші; у Росії - провідні науково-дослідницькі та конструкторські організації: РДУ НГ ім. І.М. Губкіна, ВНДІНафтопромгеофізика, ВНДІГеосистем, ВНДІГеофізика, НТЦ “Тверьгеофізика”. Питанням геолого-геофізичних та геолого-технологічних досліджень в процесі буріння присвячені роботи Молчанова О.Г., Лукьянова Е.Є., Стрельченко В.В., Горбачова Ю.І., Лаптєва В.В., Чекаліна Л.М., Кожевнікова С.В..

Основним критерієм при виборі геофізичних методів, що реалізуються в процесі буріння глибоких нафтогазових свердловин, є їх висока інформативність та простота реалізації. Серед традиційних геофізичних методів даним критеріям в повній мірі відповідають сейсмоакустичні методи в процесі проходки свердловини - вертикальне сейсмічне профілювання в процесі буріння та віброакустичний каротаж.

Методи ВАК та ВСП ПБ є відносно новими методами досліджень під час буріння свердловин і використовують в якості джерела інформації хвиль віброакустичні та сейсмоакустичні поля, що виникають при взаємодії долота з гірськими породами вибою свердловини та розповсюджуються по буровій колонні до устя свердловини та в навколосвердловинному просторі до земної поверхні. Передумови для створення даних методів були закладені в 60-х роках минулого століття, коли ряд вітчизняних (Горобовицький Г.Б., Кузнецов О.Л., Рукавіцин В.М., Санніков Р.Х.) та закордонних вчених розпочали дослідження механічних коливань та вібрацій бурового інструменту з метою їх застосування для вирішення прикладних геолого-геофізичних і технологічних задач.

Сучасний розвиток методу вертикального сейсмічного профілювання в процесі буріння тісно пов'язаний з дослідженнями Полетто Ф., Міранди Ф., Невіла Ч., Старона Ф., Ректора Дж., Меріона Б., Копчикова О.В., Тихонова О.О., Табакова О.А., Савко В.Г., Бехтерєва І. С., Козюри Г.М. та ін. Такий інструмент як “сейсмічні дослідження в процесі буріння” застосовується в світі для вирішення різноманітних задач, при цьому використовуються численні системи та технології, що, в свою чергу, ґрунтуються на різних підходах до отримання та обробки даних. Основними існуючими на сьогодні закордонними системами ВСП ПБ є TOMEX, DBSeis, SEISBIT, TRAFOR, seismicVISION, SDP, САБ. Нерозривно із розвитком методу вертикального сейсмічного профілювання в процесі буріння відбувалась розробка теоретичних та методичних основ віброакустичного каротажу (завдяки дослідженням Іванкіна В.П., Каруса Є.В., Кузнецова О.Л., Копилова В.Є., Гуреєва І.Л.). На основі зазначених досліджень була розроблена апаратура (ИРД, “Спектр”, АВАК-РК, “SNAP-Log”, “АРМ-Технолог”), призначена для оперативного вибору параметрів буріння, визначення швидкості обертання турбобура, оцінки поточного стану зносу долота, якісної оцінки літологічного розрізу свердловини. Впродовж останніх років спостерігаємо посилення інтересу до методу віброакустичного каротажу, в результаті цього з'являються численні публікації та патенти, що стосуються даного напрямку наукових досліджень. У Росії завдяки дослідженням Савко В.Г., Козюри Г.М, Каширських М.Ф., Стрельченко В.В. віброакустичний метод дослідження свердловин було включено до комплексів геолого-технологічних досліджень.

Слід зауважити, що оперативність та точність сейсмічних свердловинних методів супроводу буріння залежить від інформації про поточне просторове положення джерела коливань, отримати яку можливо при використанні забійних інклінометричних систем. Розвиток теоретичної бази інклінометрії та практична реалізація здійснювались зусиллями численних дослідників, зокрема, Михайловським В.М., Івановим С.К., Блажкевичем Б.І., Шуміловським М.М., Мелік-Шахназаровим A.M., Алієвим Т. М., Хачатуровим А.А., Фрідманом М.Е., Грачовим Ю.В. та ін. За кордоном системи управління траєкторією стовбура свердловин розроблялися фірмами Schlumberger, Sperry-Sun, Mobil Development, General Electric, Exxon Production Research, iFP та іншими.

Із проведеного в першому розділі огляду випливають наступні твердження: 1) актуальною є розробка та впровадження в практику геологорозвідувальних робіт методів ВАК та ВСП ПБ як складової частини систем геолого-технологічних досліджень; 2) існує проблема створення комплексної технології аналізу віброакустичної інформації, яка б враховувала вплив як технологічних, так і геолого-геофізичних параметрів на сигнал долота; 3) при реалізації методу ВАК з реєстрацією даних у верхній частині бурової колони виникає необхідність теоретичної та експериментальної оцінки затухання сигналу бурового інструменту при проходженні в колоні бурових труб; 4) проведення віброакустичних досліджень в процесі буріння вимагає наявності точної інформації про просторове положення джерела коливань, отримання якої є можливим при використанні сучасних інклінометричних забійних систем.

У другому розділі дисертації розглянуто особливості використання бурового інструменту як сейсмічного джерела та процеси, що відбуваються при розбурюванні буровим інструментом гірських порід вибою свердловини та поширенні коливань від долота по колоні бурових труб.

Дослідження вчених (Балицький П.В., Ворожбитов М.І., Грачов Ю.В., Гуреев І.Л., Іоаннесян Ю.Р., Ішемгужин Є.І., Копилов В.Є., Рукавіцин В.П., Сімонянц С.Л., Юнін Є.К. та інших), спрямовані на вивчення природи виникнення та закономірностей вібрацій в системі “долото - гірська порода”, дають змогу стверджувати, що вібросигнал бурового інструменту характеризується широкополосним частотним спектром і залежить від численних факторів - типу гірської породи, що розбурюється, параметрів бурового інструменту, технологічних параметрів буріння. На основі аналізу зазначених досліджень можна зробити висновок, що коливання генеровані буровим обладнанням є досить складними та обумовленими численними факторами. Використання долота як сейсмічного джерела є економічно вигідним внаслідок його фактичної “безкоштовності', в той же час, виникає необхідність точного визначення характеристик сигналу, випромінюваного таким джерелом.

При роботі бурового устаткування виникають і поширюються в колонні бурових труб та масиві порід коливання з широким частотним діапазоном від одиниць герц до 10⁴ Гц. Аналіз робіт, що стосуються цієї проблеми дозволив систематизувати основні причини виникнення коливань у системі “долото - гірські породи ” згідно їх частотного діапазону.

§ Інфранизькочастотні коливання (f 5 Гц).

Джерелами таких коливань є: пульсації тиску промивної рідини, просідання колони бурових труб при подачі інструменту, коливання бурової вишки.

§ Низькочастотні коливання з частотою f = 5?50 Гц.

Коливання даного типу виникають при русі долота по хвилеподібній поверхні вибою внаслідок дії бурової колони на вибій свердловини при її повздовжніх, поперечних та крутильних коливаннях; різкої зміни параметрів буріння - навантаження на долото, частоти обертання інструменту і т.д.; відмінностей у фізико-механічних властивостях порід під буровим інструментом та тиску на окремі зубці долота.

§ Коливання середньої частоти (f = 50?500 Гц).

Дану групу коливань складають так звані “зубцеві” коливання, які пов'язані з перекочуваннями та ударами зубців шарошок долота по вибою.

§ Високочастотні коливання (f = 500?10000 Гц).

Вібрації даного частотного діапазону обумовлюються факторами попередніх груп - типом та технічним станом долота, фізико-механічними властивостями порід, технологічним параметрами буріння, а також турбулентними процесами в буровому розчині (гідроакустичними шумами).

Використання сигналу долота в якості джерела коливань методів ВСП ПБ та ВАК передбачає проведення аналізу та обґрунтування вибору необхідного інформативного частотного діапазону. Сучасні наукові роботи, що стосуються вдосконалення теоретичних та методичних аспектів методу ВАК відзначаються різноманітністю підходів до вибору робочих частот вібросигналу долота. Так, наприклад, в працях Савко В.Г. (Москва, 2001) при вирішенні задачі розчленування геологічного розрізу використовуються спектральні характеристики повздовжніх та поперечних віброакустичних коливань в низько- та середньочастотному діапазоні. У той же, в роботах Козюри Г.М. та Каширських М.Ф. (Москва, 2005) схожа задача в комплексі з вирішенням проблеми прогнозування розрізу нижче вибою свердловини вирішується шляхом застосування високочастотних вібросигналів (з частотою 23 кГц). Методика польових робіт наведених наукових праць передбачала реєстрацію сигналу долота у верхній частині бурової колони. Даний факт, з одного боку, дозволяє оперативно отримувати необхідну інформацію, проте, зважаючи на затухання коливань при проходженні по бурових трубах, ставить під сумнів надійність використання високочастотних компонент вібросигналу бурового інструменту.

Створення апаратури і методики реєстрації даних сейсмоакустичних методів в процесі буріння передбачає розв'язання проблеми отримання апріорної інформації про досліджуваний інформативний сигнал. Вирішення цих задач можливе при використанні математичного та експериментального (натурного) моделювання процесу взаємодії долота з вибоєм свердловини та поширення коливань у буровій колоні.

У рамках дисертаційної роботи розглянуто математичну модель повздовжніх вібрацій бурової колони. Згідно даної моделі переміщення корпусу долота при врахуванні низькочастотних коливань наближено описується формулою:

де

D_k - максимальна амплітуда переміщень корпусу долота, початкова фаза.

Переміщення долота при розгляді “зубцевих” коливань (50?500 Гц) описує наступний вираз:

де

;

m=1…?; t ? час; P_K - амплітуда сили динамічного удару зубців k-ї шарошки долота; a_n коефіцієнти; _К - початкова фаза коливань.

Сумарне переміщення та прискорення долота при врахуванні частотних компонент перших трьох груп:

У реальних умовах частотний спектр коливань бурового інструменту більш широкий і може бути представлений “білим шумом”, на фоні якого виділяються розглянуті вище коливання. Тому до отриманих значень віброприскорення долота a_Д (t) додають функцію “білого шуму” n (t). Таким чином, на основі математичного моделювання була отримана інформація про амплітудний рівень вібрації бурового інструменту на вибої свердловини, що є необхідною умовою на етапі проектування та створення свердловинних вимірювальних приладів.

Іншим важливим аспектом при розробці апаратури та методики сейсмоакустичних методів супроводу буріння є аналіз можливості використання бурової колони в якості акустичного каналу зв'язку для передачі вібросигналів. Основним фактором, що визначає надійність реєстрації коливань бурового інструменту на земній поверхні у верхній частині бурових труб є ступінь затухання сигналу. Існують різні підходи до вивчення властивостей бурового інструменту як каналу зв'язку з вибоєм свердловини.

Так, бурову колону можна розглядати як періодичну структуру, що складається з двох компонент - труб та замкових з'єднань, які відіграють в даній системі роль неоднорідностей. При поширенні коливань по колоні від вибою до устя вплив неоднорідностей полягає в зменшенні крутизни фронту хвилі, розтягування тривалості імпульсу та набутті ним “інерційності”. Результатом впливу є зменшення швидкості поширення коливань, яка в даному випадку може бути описана у вигляді періодичної функція повздовжньої координати:

де

С₀ - швидкість поширення хвилі в однорідній колоні; l₁ - просторовий період розміщення неоднорідностей; µ параметр неоднорідності. Розв'язок хвильового рівняння з врахуванням наведеного співвідношення проводить до висновку “..використати бурильну колону як акустичний канал зв'язку в діапазоні зубцевих коливань (40?300 Гц) неможливо у зв'язку з великим викривленням сигналу під час проходження його в колоні і записом на квадратній штанзі” (Малярчук Б.М.).

Інший підхід до оцінки можливості застосування бурових труб в якості каналу зв'язку для передачі віброакустичної інформації передбачає використання моделі однорідних бурових труб та аналіз факторів, які впливають на амплітудно-частотну характеристику колони. Внаслідок нестаціонарності режиму реального буріння використовується динамічна амплітудно-частотна характеристика поширення пружних коливань, яка відображає найбільш несприятливі умови для передачі осьових переміщень по колоні бурових труб. Таким чином, на основі математичного моделювання було здійснено оцінку максимально можливої дальності дії акустичного каналу зв'язку в залежності від характеристик бурового обладнання, технологічних параметрів буріння та частоти вібросигналу долота. Так, для діапазону частот вібросигналу до 1 кГц та співвідношення амплітуд корисного сигналу на вибої та усті свердловини рівного 140, максимальна дальність надійної передачі сигналу становить близько 3?3,5 тисяч метрів. Також відзначимо, що, згідно інших досліджень (дані фірми Еко Ресег, Акбулатова Т.О.), надійні результати виміру сигналу долота можуть бути отримані з глибини до 33004000 м. Слід зауважити, що для України типовою є глибина нафтогазових свердловин 4?5 тисячі метрів та більше (для умов Дніпрово-Донецької западини).

Отже, на основі аналізу можливостей акустичного каналу зв'язку “забій устя” при передачі сигналу бурового інструменту обґрунтовано необхідність зміни існуючої методики методів ВАК та ВСП ПБ (з реєстрацією опорного сигналу на усті свердловини) та створення забійних реєструючих приладів.

У третьому розділі розглянуто можливість вирішення проблеми одержання геофізичної та геолого-технологічної інформації, що реєструється безпосередньо в процесі буріння свердловин на основі комплексного застосуванні тріади: пластової нахилометрії ? забійних телеметричних систем ? геофізичних та геолого-технологічних досліджень, що супроводжують процес буріння. У межах запропонованої ідеології розвитку промислово-геофізичних досліджень у процесі буріння розроблено свердловинні прилади - експериментальний сейсмокомплекс КНУ?УкрДГРІ, вибійний скидний інклінометр СІ1, автономний свердловинний модуль реєстрації вібрації АМРВ.

Експериментальний сейсмокомплекс “КНУУкрДГРІ”

Передумовою до створення вибійних свердловинних приладів отримання інформації в процесі буріння була розробка сейсмокомплексу для проведення досліджень за методикою вертикального сейсмічного профілювання в складі збуджувального та приймального свердловинного модулів. Основним призначенням сейсмокомплексу є виявлення та дослідження субвертикальних поверхонь і контактів порід у навколосвердловинному просторі, недоступних для вивчення існуючими засобами наземної і свердловинної сейсморозвідки. Підсумковим етапом створення свердловинного сейсмокомплексу стало випробування його в реальних умовах свердловин ВАТ “Київський завод Геофізприлад” за методикою прямого неповздовжнього ВСП. За результатами обробки отриманих результатів проведено розчленування геологічного розрізу свердловини № 1.

Автономний свердловинний модуль виміру вібрації(АМРВ) призначений для прийому, перетворення в електричний сигнал та запису на цифровий носій просторових коливань бурового інструменту після спуску приладу в свердловину. Система датчиків представлена тривимірним (по взаємноортогональних осях XYZ) перетворювачем механічних коливань власне датчиків в аналогові електричні сигнали. Програмне забезпечення автономного модуля реєстрації вібрації складається з двох модулів перший, що завантажується в персональний комп'ютер, забезпечує установку тимчасового інтервалу з моменту “Пуск” до моменту початку реєстрації вібрації, читання архіву даних із флеш-пам'яті модуля та формування текстового файлу даних на жорсткому диску комп'ютера. Інший програмний модуль завантажується в енергонезалежну флеш-пам'ять мікроконтролера та постійно зберігається в ній. Він забезпечує прийом, обробку та архівування в основній флеш-пам'яті даних, одержаних при активній роботі, а також підтримку процесу зчитування та передачі даних в персональний комп'ютер. Методика роботи приладу АМРВ передбачає попереднє програмне задання необхідних параметрів роботи, скидання приладу на вибій свердловини з розміщенням в безпосередній близькості до бурового інструменту, реєстрація віброакустичного сигналу із записом до флеш-пам'яті (чи передачі в разі необхідності на поверхню кабельним каналом зв'язку), виймання приладу при зупинках буріння і заміні бурового інструменту.

Вибійний скидний автономний інклінометр СІ1

Застосування скидного автономного інклінометра дозволяє з мінімальними похибками розв'язати важливу практичну задачу з визначення координат вибою у тривимірному просторі.

Апаратурна реалізація скидного інклінометру передбачає його розміщення в немагнітному титановому або стальному кожусі, котрий витримує високі термобаричні умови (зокрема, гідростатичний тиск до 800 атмосфер), які є характерними для глибоких необсажених свердловин. Всередині кожуха приладу розташовані акумуляторна батарея, модуль центрального процесору з флеш-пам'яттю та модемом передачі цифрових даних, гамма-модуль та один або два інклінометричні модулі. Чутливими елементами інклінометру є трійка взаємно ортогональних гравітаційних датчиків (рідинні диференціальні ємнісні датчики) та трійка взаємно ортогональних магнітних датчиків (ферозондові датчики). Конструкція датчиків та використана математична модель дозволяють визначати просторові кути орієнтації (азимутальний, зенітний та візирний кути) інклінометра у всьому діапазоні їхньої зміни. Згідно з програмою і методикою випробувань, затвердженої ВАТ “Укрнафта”, було проведено дослідження пристроєм типу СІ1 у свердловині № 508 Бугруватівського родовища та порівняння отриманих результатів з даними інклінометрії свердловини, що проводилася каротажною партією із використанням серійного приладу типу КІТ за стандартною методикою. За результатами поведених робіт комісія, до складу якої входили фахівці геологорозвідувальної справи та фахівці-геофізики, затвердила наступний висновок: “вважати за доцільне проводити вимірювання зенітного кута та азимута з допомогою СІ1, оскільки його використання дозволяє оперативно та достовірно оцінювати траєкторію стовбура свердловини, не витрачаючи час на додаткову підготовку свердловини до ГДС”.

Сумісна реєстрація даних автономного інклінометричного та віброметричного модулів проводилась під час буріння свердловини Південно-Абазівська № 4 глибиною близько 4090 м. Метою даних робіт була оцінка можливостей реалізації досліджень за методикою віброакустичного каротажу та створення передумов для розробки методу ВСП ПБ. Результати обробки даних інклінометрії свердловини Південно-Абазівська № 4 наведено на рис. 1. За результатами випробувань віброметричного модуля АМРВ були отримані чотирьохкомпонентні (3 компоненти X₁YZ + дублювання однієї умовно “горизонтальної” компоненти X₂) записи вібрації бурового інструменту при різних його режимах роботи - спуск приладу, буріння із зусиллями 7 та 16 тон, зупинка буріння та підйом приладу на поверхню (рис. 23). Отримані в результаті проведених експериментів амплітудно-частотні характеристики віброакустичних коливань дають змогу чітко виокремити із сигналу окремі компоненти різних груп коливань (згідно класифікації, наведеної в розділі 2). Відзначається чітка узгодженість експериментальних даних з компонентами теоретично розрахованого вібросигналу для заданих технологічних умов буріння. Таким чином, можна стверджувати що віброакустичний сигнал долота є досить інформативним джерелом при бурінні свердловин та існують передумови для його використання з метою вирішення геолого-технологічних задач.

Рис. 1. Результати обробки інклінометрії по свердловині Південно-Абазівська № 4. Проекція стовбуру свердловини на горизонтальну та вертикальну (Зх.?Сх.) площину

Рис. 2. Фрагмент чотирьохкомпонентного запису вібрації долота, шарошечне буріння: а - X1-компонента; б - X2-компонента; в - Y-компонента; г - Z-компонента; I - буріння з навантаженням 16 тон; II - зміна режиму буріння; III - буріння з навантаженням 7 тон; IV - зупинка буріння

гірський порода віброакустичний буріння



Рис. 3. Частотний спектр (З компоненти X₁YZ) вібрації бурового інструменту, шарошечне буріння із навантаженням 16 тонн

У четвертому розділі автором розглянуто можливості віброакустичних досліджень при вирішенні задач геолого-геофізичного та технологічного характеру, що виникають в процесі буріння свердловин. Використовуючи отримані сейсмоакустичні та інклінометричні експериментальні дані вирішено задачу розчленування геологічного розрізу та передбачення аварійних ситуацій шляхом аналізу технічного стану бурового інструменту.

Доведено необхідність залучення даних інклінометричних досліджень при обробці та аналізі віброакустичної інформації в процесі буріння. Це твердження випливає з наступного. По-перше, сейсмічні методи в процесі буріння вимагають оперативних і точних відомостей про положення джерела коливань. Здебільшого це стосується методу ВСП ПБ, який використовує підходи традиційних сейсмічних наземних та свердловинних методів до обробки та інтерпретації даних. Вважаючи основною геологічною задачею методу ВАК літологічне розчленування розрізу стовбура свердловини, зазначимо, що її вирішення набуває практичного значення лише у випадку оперативної (виходячи з ідеології геофізичних методів в процесі буріння) та точної просторової прив'язки отриманих даних. По-друге, звернімо увагу також на наявність зворотнього зв'язку між віброакустичними та інклінометричними даними. Відомі дослідження (Кузеванов С. А., Сироткін Д. В.), у яких вивчається вплив вібрації на покази ферозондових інклінометрів і наводяться рекомендації щодо компенсації її дії. Перспективною є розробка методики врахування похибок інклінометричних вимірів виходячи з відомого рівня вібрацій бурового інструменту. По-третє, інформація про траєкторію стовбура свердловини (а, отже, і припущення про положення бурового інструменту відносно структурних елементів розрізу) є додатковим джерелом інформації при інтерпретації даних віброакустичного каротажу та при оцінці технічного стану бурових доліт.

Основою для вирішення задачі розчленування геологічного розрізу є твердження про взаємну залежність між фізико-механічними властивостями гірських порід та характеристиками вібросигналів, що виникають при їх розбурюванні. У результаті проведеного аналізу існуючих підходів до обробки та інтерпретації даних ВАК виділено наступні методики:

1. Алгоритм, що відображає залежність форми та амплітуди вібросигналу долота від літологічного типу порід вибою.

2. Алгоритм, який враховує вплив фізико-механічних властивостей гірських порід на спектрально-часові характеристики вібросигналів.

У монографіях науковців (Балицкий, Лукьянов, Сімонов та інші) зазначається, що абсолютна величина та форма сигналу вібрацій, що виникають при руйнуванні гірських порід вибою, залежить від твердості цих порід. При бурінні м'яких порід (1 група згідно класифікації порід за твердістю Шрейнера Л.О.) форма сигналу наближається до симетрично-синусоїдальної, при переході до більш твердих літологічних різниць (23 група класифікації Шрейнера) дана симетричність порушується і ускладнюється наявністю коротких сплесків, які зв'язані з нерівномірним стрибкоподібним характером руйнування породи. Також характерним явищем є зростання відносної амплітуди вібросигналу при збільшенні твердості порід.

Аналіз можливості застосування даного підходу до наявних віброакустичних даних (рис. 4.) приводить до констатації наступного.



Рис. 4.Форма сигналу Z-компоненти вібрації в часовому вікні 2 с

Форма та амплітуда сигналу повздовжньої Z-компоненти та поперечної Х₁-компоненти суттєво відрізняються між собою та характеризуються досить значним рівнем шуму, що передбачає обов'язкову фільтрацію сигналу. Вібросигнал Х₁-компоненти ускладнений випадковими високо амплітудними (до 4,5 g) імпульсними коливаннями. Відзначимо, що зміна максимального рівня сигналу залежить від технологічних параметрів буріння (зокрема, від навантаження на долото), що має бути враховано при побудові автоматизованих систем класифікації. Зараз цей метод не використовується, перспективи його впровадження пов'язуються з алгоритмами розпізнавання образів на основі нейронних мереж. Обмежуючим фактором розглянутого підходу є лише якісна, на рівні “тверда - м'яка порода” класифікація без чіткої літологічної визначеності.

У межах другого підходу, вирішення геолого-геофізичних задач пропонується на основі:

· співставлення амплітудно-частотних характеристик повздовжніх та поперечних вібрацій в низькочастотному та середньочастотному діапазонах віброакустичного сигналу;

· дослідження закономірностей зсувів максимуму спектру в середньо- високочастотній області та вивчення відносного перевищення рівня коливань височастотного діапазону (>1 кГц) над загальним рівнем.

Інформативними параметрами, які використовуються для розчленування геологічного розрізу в низькочастотному діапазоні, є співвідношення спектральних щільностей W_p,W_S та частот максимум спектру f₀ повздовжніх та поперечних компонент вібрації. Так, наприклад, для граніту f_0P=26 Гц, f_0S=23 Гц; доломіту f_0P=27 Гц, f_0S=23 Гц; мармуру f_0P=33 Гц, f_0S=25 Гц. Як видно з наведених даних, мала диференціація низькочастотних спектральних характеристик для різних типів гірських порід ускладнює їх впевнене розрізнення. Негативним фактором є також присутність в низькочастотному діапазоні складових, обумовлених технологічними умовами та параметрами буріння (зокрема, власних коливань бурового устаткування).

Проаналізувавши експериментальні дані (за дослідженнями МДУ імені М.В. Ломоносова та РДУ НГ ім. І.М. Губкіна) для спектральних параметрів вібросигналу в середньочастотному діапазоні, можна стверджувати, що досить різка їх диференційованість створює необхідні передумови для надійного розчленування геологічного розрізу свердловини (табл. 1). Так, для теригенного розрізу розчленування “пісковик глина” можна провести на основі аналізі відмінностей в частотах максимуму спектру f₀ та внаслідок співставлення енергетичного спектру поперечних і повздовжніх компонент вібрації._. Застосувавши дану класифікацію для експериментальних даних (табл. 2) можна однозначно класифікувати розбурюванні гірські породи на рівні “пісковик ? глина” (рис. 5).

Врахування технологічних параметрів відбувалось шляхом приведення значень спектральної щільності до величини початкового навантаженння на долото, виключенням зі спектру теоретично розрахованих гармонічних коливань, а також використанням безрозмірного співвідношення спектральних щільностей Wp/W_S, що не залежить від технологічних параметрів буріння.

Таблиця 1. Літологічне розчленування геологічного розрізу за даними методу ВАК

Гірська порода	Параметри ВАК
	Wp, м/с2	WS, м/с2	f0, кГц
Пісковик	3,57	0,5?9,5	0,1?0,6
Алевроліт	4,56,5	2,55,2	0,15?0,2
Глина	0,53,5	0,2?0,35	0,1?0,2
Аргіліт	2,4?5,2	0,2?0,9	0,2?0,4
Карбонатні вапняки	5,0?12,0	1,5?20	0,5?2,8
Доломіт	9,0?15,9	7,0?17,5	0,7?3,2
Мергель	3,0?6,5	0,5?3,2	-

Таблиця 2. Фрагмент даних ВАК по свердловині Південно-Абазівська № 4

Час,с	f0, Гц	Wp, м/с2	WS, м/с2
0	468	0,5	5
10	340	1	2,8
20	344	0,5	3,4
30	360	0,7	3,5
40	365	0,8	4
50	360	0,6	4,8
60	362	0,9	3,9
70	350	1,2	3,8
80	360	1	5
90	357	0,7	7
100	355	0,8	7
110	360	0,9	5
120	365	1,2	6
130	345	1	5,8
140	360	1,5	8
150	365	1	5



Рис. 5. Співставлення спектральних характеристик повздовжніх та поперечних компонент вібрації. а) модель “пісковик”, глибина 4018 м.; б) модель “глина”, глибина 4029 м.

За результатами порівняння даних методу ВАК та стандартного комплексу ГДС, проведеного після завершення буріння, було зроблено висновок про хороше співпадіння геологічних результатів, отриманих безпосередньо у процесі буріння та за методами геофізичних досліджень свердловин (рис. 6).

У дисертаційній роботі знайшла подальший розвиток методика оцінка технічного стану бурового інструменту за даними віброакустичних вимірювань. Показником технічного стану шарошкового долота можуть бути спектральні характеристики компонент вібросигналу, наприклад співвідношення між потужністю повздовжніх та поперечних коливань. Серед сучасних розробок даний підхід використано при створенні технології та системи адаптивного буріння (САБ). Критерієм неприпустимого зносу долота, при якому стає необхідною його заміна, є різке зростання потужності поперечних коливань та виникнення імпульсних змін даного параметру як результату прихватів, заклинювання чи проковзування шарошок.

Автором пропонується підхід, методика якого передбачає порівняння характеристик двох “горизонтальних” поперечних компонент вібрації. В основі підходу лежить припущення, що при зношуванні долота в процесі роботи відбувається зміна траєкторії руху вінця шарошок з колоподібної на еліпсоподібну, що впливає на характеристики поперечних складових вібрації. Реалізація даної методики стає можливою при використанні забійних свердловинних приладів, закріплених в нижній частині бурової колони із збереженням постійної просторової орієнтації відносно долота. Показано вплив зміни траєкторії обертання шарошок на спектр сигналу компонент X₁та Y в процесі зношування бурового інструменту.

У висновках наведені найважливіші результати, отримані в рамках виконання дисертаційної роботи. Головні результати дисертаційного дослідження можна викласти у вигляді наступних положень:

Рис. 6. Співставлення даних ГДС з інформацією ВАК по свердловині Південно-Абазівська № 4 в інтервалі 4016?4032 м.

Висновки

1) Актуальна задача підвищення ефективності комплексу свердловинних геофізичних досліджень може бути вирішена шляхом створення та впровадження в практику геологорозвідувальних робіт сейсмоакустичних методів (ВСП ПБ та ВАК) отримання геолого-геофізичної та технологічної інформації в процесі буріння нафтогазових свердловин.

2) Проведений аналіз та чітка класифікація факторів, що впливають на сейсмоакустичний сигнал долота дав змогу виділити в спектрі вібросигналу частотні діапазони, оптимальні для вирішення задач різних типів.

3) Обґрунтовано необхідність створення нових підходів до обробки та аналізу даних віброакустичного каротажу ВАК, які б враховували як технологічні параметри, так і геолого-геофізичні умови та взаємозв'язки між ними.

4) На основі розгляду існуючих математичних моделей оцінки можливості використання колони бурових труб як акустичного каналу зв'язку, зроблено негативний висновок щодо можливості надійної передачі коливань від вибою до устя по колоні бурових труб.

5) Обґрунтовано необхідність створення нової методики досліджень методом ВАК з реєстрацією віброакустичного сигналу бурового інструменту в безпосередній близькості до вибою свердловини.

6) Розроблено та випробувано з позитивним результатом зразки телеметричної геофізичної апаратури (скидного інклінометра та автономного модуля реєстрації вібрації).

7) Проведено літологічну ідентифікацію порід вибою свердловини Південно-Абазівська № 4 при глибині буріння 40164032 м на основі спектральних характеристик повздовжніх та поперечних компонент вібраційного сигналу долота.

8) Запропоновано методику оцінки технічного стану шарошкових доліт, що базується на спектральному аналізі поперечних компонент вібросигналу.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1.Андрущенко В. О. Вивчення кінематики і динаміки сейсмоакустичних хвиль, генерованих долотом з метою візуалізації навколо свердловинного простору в процесі буріння нафтогазових свердловин / В. О. Андрущенко, В. М. Курганський, І. В. Тішаєв, В. Г. Бугрій // Акустичний симпозіум “Консонанс2009” : тези доповідей. - К. : Видавництво ІГМ НАН України, 2009. - С. 6.

2.Андрущенко В. О. Вивчення кінематики і динаміки сейсмоакустичних хвиль, генерованих долотом з метою візуалізації навколо свердловинного простору в процесі буріння нафтогазових свердловин / В. О. Андрущенко, В. М. Курганський, І. В. Тішаєв, В. Г. Бугрій // Акустичний симпозіум “Консонанс2009” : зб. праць. - К., 2009. - С. 44-47. - Режим доступу до журн.: http://www.hydromech.kiev.ua/rus/WWW-CONS/cons2009r.htm

3.Андрущенко В. А. Возможности виброакустических исследований процесса бурения при решении геолого-геофизических и технологических задач [Электронный ресурс] / В. А. Андрущенко, В. Н. Курганський, В. Г. Бугрий // Тезисы IX Междунар. конф. “Геоинформатика: теоретические и прикладные аспекты”, (Киев, 11-14 мая 2010 г.). - 1 электрон. опт. диск (СD-ROM); 12 см. - Название с титул. экрана.

4.Андрущенко В. О. Дослідження кінематичних і динамічних характеристик сейсмоакустичних хвиль, генерованих долотом в процесі буріння нафтогазових свердловин з метою вирішення геологічних задач / В. О. Андрущенко, В. М. Курганський, В. Г. Бугрій // Матеріали IХ міжнар. наук. конф. “Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища”. - К. : ВПЦ “Київський університет”. 2009. - С. 140-142.

5.Андрущенко В. О. Експериментальний сейсмокомплекс “КНУУкрДГРІ” та його можливості при вирішенні геологічних задач / В. О. Андрущенко, В. М. Курганський, В. І. Роман, П. Т .Сиротенко, І. В. Тішаєв, В. Г. Бугрій // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Серія “Геологія”. - К. : ВПЦ “Київський університет”, 2009. - № 47. - C. 4751.

6.Андрущенко В. О. Моніторинг процесу буріння на основі використання віброакустичних свердловинних досліджень / В. О. Андрущенко, В. М. Курганський, В. Г. Бугрій // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Серія “Геологія”. - К. : ВПЦ “Київський університет”, 2010. - № 49. - C. 710.

7.Андрущенко В. О. Нові технології в промисловій геофізиці / В. О. Андрущенко, В. М. Курганський, І. В. Тішаєв, В. Г. Бугрій // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Серія “Геологія”. - К. : ВПЦ “Київський університет”, 2010. - № 48. - C. 3539.

Анотація

Бугрій В. Г. Розв'язання геолого-технологічних задач за даними інклінометрії та сейсмоакустичних досліджень в процесі буріння свердловин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2010.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної проблеми сучасної нафтогазової геології та геофізики підвищення ефективності комплексу свердловинних геофізичних досліджень шляхом впровадження в практику геологорозвідувальних робіт методів одержання оперативної інформації про будову геологічного середовища безпосередньо під час буріння свердловини.

У роботі проведено огляд історії розвитку та сучасного стану геолого-технологічних досліджень, сейсмічних методів та інклінометрії в процесі буріння. Розглянуто основні фактори, які впливають на характеристики вібрацій в системі “долото-гірські породи”, проаналізовано особливості процесу розповсюдження коливань від вибою свердловини по колоні бурових труб.

На основі проведених досліджень обґрунтовано необхідність зміни існуючої методики реєстрації інформативного сигналу в методах ВСП ПБ та ВАК шляхом впровадження вибійних реєструючих приладів. Акцентується увага на можливості використання інклінометричних даних при обробці та інтерпретації даних віброакустичного каротажу.

Розроблено та експериментально випробувано зразки автономних свердловинних приладів (інклінометричних та віброметричних модулів).

За результатами обробки віброакустичного сигналу було оцінено можливість вирішення задачі літологічного розчленування розрізу та оцінки технічного стану бурового інструменту. Наведено приклад літологічної класифікації порід вибою свердловини на основі аналізу спектральних характеристик вібросигналу.