RU2208154C1

RU2208154C1 - Information-technological geonavigation complex

Info

Publication number: RU2208154C1
Application number: RU2001130297/03A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Григашкин; С.Е. Варламов; В.В. Кульчицкий
Original assignee: Закрытое акционерное общество Научно-производственная фирма "Самарские Горизонты"
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2003-07-10

Abstract

FIELD: well drilling; applicable in monitoring of drilling process. SUBSTANCE: complex has driller's control panel, processing and visualization unit made in form of connected with each other processing complex and computer with monitor; downhole telemetric system, torque sensor, surface gas analyzer, flow sensor and pressure pickup; inclinometer survey unit and axial load cell, both installed in body of downhole telemetric system. Complex is also provided with surface density sensor and gas phase presence transducer, drilling mud level gage installed in intake vessel, control system actuating members connected with computer output. Surface flow sensor, pressure pickup, density sensor and gas phase presence transducer are installed in drilling mud pressure line. Torque sensor is installed in body of downhole telemetric system. EFFECT: provided automation, safety, higher accuracy and truth of information record and increased speed of information processing and transmission. 5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к информационно-технологическому оборудованию контроля при бурении под нефть и газ, предназначенному для контроля и автоматизации процесса. The invention relates to information technology control equipment when drilling for oil and gas, designed to control and automate the process.

Известен информационно-технологический буровой комплекс по книге Молчанова А. А. Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин, -М.: Недра, 1983, с 168-169. Known information technology drilling complex according to the book A. A. Molchanov. Measurement of geophysical and technological parameters in the process of drilling wells, -M .: Nedra, 1983, from 168-169.

Этот комплекс состоит из телеметрической системы, содержащей, в свою очередь, источник питания, инклинометрические датчики, электронный блок. Комплекс обеспечивает передачу на поверхность только инклинометрических данных. Другие забойные и технологические параметры не контролируются. This complex consists of a telemetry system, which, in turn, contains a power source, inclinometric sensors, and an electronic unit. The complex provides the transfer to the surface of only inclinometric data. Other downhole and technological parameters are not controlled.

Известен информационно-технологический буровой комплекс по книге Булатова А.И. и др. Справочник инженера по бурению. -М.: Недра, 1985, т. 2, с. 9, рис. 36. Known information technology drilling complex according to the book of Bulatov A.I. et al. Handbook of a drilling engineer. -M .: Nedra, 1985, v. 2, p. 9, fig. 36.

Этот комплекс содержит блок обработки и визуализации информации (блок-датчик и регистратор), наземные технологические датчики. Забойные параметры не контролируются, что является одним из недостатков комплекса, потому что знание многих параметров в непосредственной близости от забойного двигателя (оборотов гидротурбины, осевой силы, крутящего момента) более важно, чем та же информация, полученная в верхней части колонны бурильных труб. Вес колонны бурильных труб может быть не равен осевой нагрузке на долото, например, вследствие изгиба колонны бурильных труб и ее трения о стенки скважины, то есть реальные значения параметров отличаются от полученных в результате замеров. Второй недостаток заключается в том, что обработка данных ведется медленно, неточно и представляется недостаточно наглядно. Третий недостаток заключается в том, что значения всех параметров выводится на стрелочные приборы и самописцы, а анализ ситуаций, возникших во время бурения, зависит от опыта специалиста, обслуживающего аппаратуру. Оценка сложившейся ситуации требует сложных расчетов и длительного анализа. Это особенно критично при аварийной ситуации, требующей оперативного решения. Указанная задача может быть решена только при автоматизации процесса бурения. This complex contains a block for processing and visualizing information (block sensor and recorder), ground-based technological sensors. Downhole parameters are not controlled, which is one of the disadvantages of the complex, because knowledge of many parameters in the immediate vicinity of the downhole engine (hydraulic turbine revolutions, axial force, and torque) is more important than the same information obtained at the top of the drill pipe string. The weight of the drill pipe string may not be equal to the axial load on the bit, for example, due to the bending of the drill pipe string and its friction against the borehole wall, that is, the actual values of the parameters differ from those obtained as a result of measurements. The second drawback is that the data processing is slow, inaccurate and does not seem to be clear enough. The third drawback is that the values of all parameters are displayed on the pointer instruments and recorders, and the analysis of situations that arose during drilling depends on the experience of the specialist servicing the equipment. Assessing the current situation requires complex calculations and lengthy analysis. This is especially critical in an emergency requiring an operational solution. The indicated problem can only be solved by automating the drilling process.

Ближайшим аналогом заявленного изобретения является информационно-технологический геонавигационный комплекс по книге Молчанова А.А. Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин. -М.: Недра, 1983, с. 178-184. The closest analogue of the claimed invention is an information technology geo-navigation complex according to the book of A. Molchanov. Measurement of geophysical and technological parameters during well drilling. -M .: Nedra, 1983, p. 178-184.

Этот комплекс содержит пульт бурильщика, блок обработки и визуализации, выполненный в виде соединенных между собой преобразовательного комплекса и компьютера с монитором, забойную телеметрическую систему, датчик крутящего момента, наземные газоанализатор, датчик расхода и датчик давления, и установленные в корпусе забойной телеметрической системы блок инклинометрии и датчик осевой нагрузки. This complex contains a driller’s console, a processing and visualization unit made in the form of a connected conversion complex and a computer with a monitor, a downhole telemetry system, a torque sensor, a ground gas analyzer, a flow sensor and a pressure sensor, and an inclinometry unit installed in the body of the downhole telemetry system and axial load sensor.

Недостатки данного комплекса, в основном, такие же, как у предыдущего аналога. The disadvantages of this complex are basically the same as the previous analogue.

Задача создания изобретения - повышение оперативности принятия технологического решения и автоматизация процесса бурения, повышение точности и достоверности записи информации и увеличение скорости ее обработки и передачи. The objective of the invention is to increase the efficiency of technological decisions and automate the drilling process, increase the accuracy and reliability of recording information and increase the speed of its processing and transmission.

Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что информационно-технологический геонавигационный комплекс, содержащий пульт бурильщика, блок обработки и визуализации, выполненный в виде соединенных между собой преобразовательного комплекса и компьютера с монитором, забойную телеметрическую систему, датчик крутящего момента, наземные газоанализатор, датчик расхода и датчик давления, и установленные в корпусе забойной телеметрической системы блок инклинометрии и датчик осевой нагрузки, снабжен наземными датчиком плотности и датчиком наличия газовой фазы, датчиком уровня бурового раствора, установленным в приемной емкости, исполнительными органами системы управления, соединенными с выходом компьютера, при этом наземные датчик расхода, датчик давления, датчик плотности и датчик наличия газовой фазы установлены в линии нагнетания бурового раствора, а датчик крутящего момента установлен в корпусе забойной телеметрической системы. The solution to this problem was achieved due to the fact that the information and technological geo-navigation complex containing the driller’s console, processing and visualization unit, made in the form of interconnected conversion complex and a computer with a monitor, downhole telemetry system, torque sensor, ground-based gas analyzer, flow sensor and a pressure sensor and an inclinometry unit and an axial load sensor installed in the body of the downhole telemetry system are equipped with ground-based density and sensor the presence of a gas phase, a drilling fluid level sensor installed in the receiving tank, control system actuators connected to the computer output, while a ground flow sensor, a pressure sensor, a density sensor and a gas phase presence sensor are installed in the mud flow line, and the sensor torque is installed in the body of the downhole telemetry system.

Наличие всех этих существенных признаков изобретения позволяет достичь поставленные задачи, а именно автоматизировать процесс бурения и повысить точность измерения. В основном это обеспечивается применением компьютера и большого числа датчиков, дающих практически полное представление о наземных и технологических параметрах процесса бурения. Кроме того, использование специальных программных продуктов позволило обработать массив информация и представить ее на экране монитора, а также пульте бурильщика, в самом наглядном и удобном для анализа виде, а также ввести в программу управляющие воздействия при аварийных ситуациях. Существенные признаки, приведенные в формуле изобретения, составляют совокупность, необходимую и достаточную для реализации проекта, т. к. наличие любого одного из них или нескольких, но не в полной комплектации не позволит получить желаемого результата. Применение компьютера или только наземных датчиков не позволит получить заявленного технического результата. The presence of all these essential features of the invention allows to achieve the objectives, namely, to automate the drilling process and improve the accuracy of measurement. This is mainly ensured by the use of a computer and a large number of sensors, giving an almost complete picture of the ground and technological parameters of the drilling process. In addition, the use of special software products made it possible to process the information array and present it on the monitor screen, as well as the driller’s console, in the most visual and convenient form for analysis, and also introduce control actions in emergency situations into the program. The essential features shown in the claims make up the totality necessary and sufficient for the implementation of the project, since the presence of any one of them or several, but not fully equipped, will not allow to obtain the desired result. The use of a computer or only ground sensors will not allow to obtain the claimed technical result.

Практически все комплектующие комплекса разработаны и производятся в ЗАО НПФ "Самарские Горизонты" и создание комплекса находится в стадии завершения. Almost all the components of the complex are designed and manufactured at ZAO NPF Samara Horizons and the creation of the complex is being completed.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 приведен информационно-технологический геонавигационный комплекс;
на фиг. 2 - схема взаимодействия программно-технических средств компьютера;
фиг. 3 - структурная схема преобразующего комплекса;
на фиг. 4 - схема информационно-технологического комплекса с электромагнитным каналом связи;
на фиг. 5 - схема комплектации информационно-технологического комплекса с гидравлическим каналом связи.The invention is illustrated by drawings, where
figure 1 shows the information technology geo-navigation complex;
in FIG. 2 is a diagram of the interaction of computer software and hardware;
FIG. 3 is a structural diagram of a transforming complex;
in FIG. 4 is a diagram of an information technology complex with an electromagnetic communication channel;
in FIG. 5 is a diagram of a complete set of an information technology complex with a hydraulic communication channel.

Разработанный геонавигационный комплекс в полной комлектации с двумя каналами связи: электромагнитным и гидравлическим, содержит установленную в колонне бурильных труб 1 над забойным двигателем 2 забойную телеметрическую систему 3 с источником питания 4, насос 5 с приводом насоса 6. Насос 5 соединен с баком 7, в котором установлен датчик уровня бурового раствора 8. В нагнетательной линии 9 насоса 5 установлены датчики давления 10, расхода 11, плотности 12, газовой фазы 13. В нагнетательной линии 8 также установлен управляющий клапан 14. The developed geosteering complex, in a complete set with two communication channels: electromagnetic and hydraulic, contains a downhole telemetry system 3 installed in the drill pipe string 1 above the downhole motor 2 with a power source 4, pump 5 with pump drive 6. Pump 5 is connected to tank 7, which has a drilling fluid level sensor 8. In the discharge line 9 of the pump 5, pressure sensors 10, flow rate 11, density 12, gas phase 13 are installed. The control valve 14 is also installed in the discharge line 8.

К антенне 15 подключено приемное устройство 16, выход из которого подключен ко входу в компьютер 17. Ко второму входу в компьютер 17 подключен преобразовательный комплекс - 18. Лебедка 19 содержит привод лебедки 20. На лебедке 19 установлен датчик длины колонны бурильных труб 21. Индикатор веса на крюке 22 установлен на тросе 23. Колонна бурильных труб 1 проходит через ротор 24, имеющий привод ротора 25 для ориентации отклоняющей компоновки 26. В верхней части колонны бурильных труб 1 установлен превентор 27, привод превентора 28. На устье скважины установлен газоанализатор 29. Датчик осевой нагрузки 30 и датчик крутящего момента 31, датчик оборотов гидротурбины 32, передающий модуль 33 и блок инклинометрии 34 установлены в корпусе забойной телеметрической системы 3. К выходам компьютера 17 подключены монитор 35, через блок сопряжения 37 пульт бурильщика 38, модем 39. Модем 39 соединен по линии телефонной связи через модем удаленного компьютера 40 с удаленным компьютером 41. К выходам блока управления 42 подключены привод насоса 6, привод лебедки 20 и привод ротора 25. Возможна установка над источником питания 4 съемного модуля пульсатора 43 для передачи информации по гидравлическому каналу связи. A receiving device 16 is connected to the antenna 15, the output of which is connected to the input to the computer 17. A converter complex - 18 is connected to the second input to the computer 17. The winch 19 contains the drive of the winch 20. A length sensor for the drill pipe string 21 is installed on the winch 19 a hook 22 is mounted on a cable 23. A drill pipe 1 passes through a rotor 24 having a rotor drive 25 for orienting the deflecting arrangement 26. A preventer 27 is installed at the top of the drill pipe 1, a preventer drive 28. At the wellhead gas analyzer 29. Axial load sensor 30 and torque sensor 31, hydraulic turbine speed sensor 32, transmitting module 33 and inclinometer 34 are installed in the body of the downhole telemetry system 3. Monitor 35 is connected to the outputs of computer 17, driller console 38, modem through interface unit 37 39. The modem 39 is connected via telephone line through the modem of the remote computer 40 to the remote computer 41. The pump drive 6, the winch drive 20 and the rotor drive 25 are connected to the outputs of the control unit 42. Can be installed above the power source 4 Removable module pulser 43 for the transmission of information through communication channel hydraulically.

Компьютер 17 (фиг. 2) содержит электронные блоки компьютера 44 и программное обеспечение информационно-технологического комплекса 45, которое включает операционную систему 46, программу обработки 47, программу выработки технических решений 48, в ее составе базу данных 49, в том числе базу данных САПР (системы автоматизированного проектирования) бурения 50 и программу управления 51. Преобразовательный комплекс 18 (фиг. 3) содержит аналого-цифровые преобразователи (по числу датчиков) АЦП 52...АЦП 59, контроллер 60, модем комплекса 61 и блок питания 62. The computer 17 (Fig. 2) contains the electronic components of the computer 44 and the software of the information technology complex 45, which includes the operating system 46, the processing program 47, the program for the development of technical solutions 48, its database 49, including the CAD database (computer-aided design) drilling 50 and the control program 51. The conversion complex 18 (Fig. 3) contains analog-to-digital converters (according to the number of sensors) of the ADC 52 ... ADC 59, the controller 60, the modem of the complex 61 and the power supply 62.

Вариант исполнения с электромагнитным каналом связи приведен на фиг. 4. Основные элементы этого канала связи передающий модуль 33, антенна 15 и приемное устройство 16. An embodiment with an electromagnetic communication channel is shown in FIG. 4. The main elements of this communication channel are the transmitting module 33, the antenna 15 and the receiving device 16.

Вариант исполнения с гидравлическим каналом связи приведен на фиг. 5 и содержит обязательные элементы для обеспечения работы этого канала: съемный модуль пульсатора 43 и датчик давления 10. Кроме того, датчик расхода 11, плотности 12 и газовой фазы 13 способствует повышению точности измерения. An embodiment with a hydraulic communication channel is shown in FIG. 5 and contains the necessary elements for ensuring the operation of this channel: a removable pulsator module 43 and a pressure sensor 10. In addition, the flow sensor 11, density 12 and gas phase 13 helps to improve the measurement accuracy.

Варианты комплектации с применением одного или нескольких исполнительных органов приведены в таблице. Options for picking using one or more executive bodies are shown in the table.

Работа устройства зависит от варианта его комплектации. The operation of the device depends on its configuration.

1. В случае применения для связи электромагнитного канала связи (ЭМК). 1. In the case of application for communication of an electromagnetic communication channel (EMC).

При бурении работает насос 5, который по нагнетательной линии 7 подает буровой раствор к турбобуру и приводит его в действие. Инклинометрические параметры с блока инклинометрии 34 и забойные параметры с датчиков осевой нагрузки 30 и крутящего момента 31 и оборотов гидротурбины 32 при помощи передающего модуля 33 в виде электромагнитного сигнала подаются на антенну 15 и далее в приемное устройство 16 и в компьютер 17. Сигналы с наземных технологических датчиков 8, 10, 11, 12, 13, 21 и 29 подаются на вход в преобразовательный комплекс 18 и далее на вход в компьютер 17, где преобразуется и обрабатывается и передается одновременно на монитор 35 и пульт бурильщика 38, при необходимости и на принтер 36. На экране монитора 35 информация оперативно, качественно и наглядно доводится до исполнителя-геофизика, а на пульте бурильщика 38 часть этой информации представляется в цифровой и аналоговой форме, причем в аналоговой форме при помощи светодиодов, размещенных по окружности представляются преимущественно инклинометрические данные. During drilling, a pump 5 operates, which feeds the drilling fluid to the turbodrill through the injection line 7 and puts it into action. Inclinometric parameters from the inclinometry block 34 and downhole parameters from the axial load sensors 30 and the torque 31 and the hydraulic turbine rotations 32 using the transmitting module 33 in the form of an electromagnetic signal are fed to the antenna 15 and then to the receiving device 16 and to the computer 17. Signals from ground technological sensors 8, 10, 11, 12, 13, 21 and 29 are fed to the input of the conversion complex 18 and then to the input of the computer 17, where it is converted and processed and transmitted simultaneously to the monitor 35 and the driller 38, if necessary, and the printer 36. On the monitor screen 35, the information is promptly, efficiently and visually communicated to the geophysicist, and on the remote control of the driller 38 part of this information is presented in digital and analog form, and mainly inclinometric data are presented in analog form using LEDs arranged around the circumference .

Преобразовательный комплекс 18 преобразует показания со всех наземных датчиков в сигнал, приемлемый для компьютера 17. Датчики, установленные в корпусе забойной телеметрической системы передают информацию на поверхность через передающий модуль 33 на антенну 15, приемное устройство 16 и далее в персональный компьютер 17. The conversion complex 18 converts the readings from all ground-based sensors into a signal acceptable to the computer 17. The sensors installed in the housing of the downhole telemetry system transmit information to the surface through the transmitting module 33 to the antenna 15, the receiving device 16 and then to the personal computer 17.

Программа обработки информации от технологических датчиков 47 (фиг. 2) обрабатывает всю информацию, полученную с датчиков для представления первоначально в цифровом виде, затем для визуализации в форме таблиц, графиков и диаграмм на экране монитора 35 и, кроме того, рассчитывает и выдает данные, полученные путем математических преобразований с замеренными параметрами, например отклонение от траектории. Программа выработки технических решений 48 осуществляет более сложные логические и математические преобразования информации для выработки рекомендаций по управлению процессом бурения. Программа управления 51 непосредственно подает управляющие сигналы на исполнительные органы системы управления, к которым относятся привод насоса 6, привод лебедки 18, привод ротора 25 и привод превентора 28. Возможна выдача предупреждающих (звуковых и световых) сигналов при аварийной ситуации. Предложенный комплекс обеспечивает и полную автоматизацию процесса бурения путем воздействия на привод насоса 6, привод лебедки 18, привод ротора 25 и привод превентора 28. При этом каждое из этих управляющих воздействий может быть реализовано либо в отдельности, либо совместно в любом сочетании. Обратная связь между компьютером 17 и забойной телеметрической системой 3 осуществляется путем воздействия на управляющий клапан 14 и посылки управляющего импульса по гидравлическому каналу. Такая связь может быть использована, например, для включения или выключения источника питания 4. The program for processing information from technological sensors 47 (Fig. 2) processes all the information received from the sensors for presentation initially in digital form, then for visualization in the form of tables, graphs and diagrams on the monitor screen 35 and, in addition, calculates and outputs data, obtained by mathematical transformations with measured parameters, for example, deviation from the trajectory. The program for the development of technical solutions 48 implements more complex logical and mathematical transformations of information to develop recommendations for managing the drilling process. The control program 51 directly supplies control signals to the executive bodies of the control system, which include a pump drive 6, a winch drive 18, a rotor drive 25 and a preventer drive 28. It is possible to issue warning (sound and light) signals in an emergency. The proposed complex provides complete automation of the drilling process by acting on the drive of the pump 6, the drive of the winch 18, the drive of the rotor 25 and the drive of the preventer 28. Moreover, each of these control actions can be implemented either individually or jointly in any combination. Feedback between the computer 17 and the downhole telemetry system 3 is carried out by acting on the control valve 14 and sending a control pulse through the hydraulic channel. Such a connection can be used, for example, to turn on or off the power source 4.

2. Работа системы с использованием гидравлического канала связи (фиг. 5). 2. The operation of the system using a hydraulic communication channel (Fig. 5).

Если установлен пульсатор 43, создающий гидравлические импульсы бурового раствора, то информация об инклинометрических параметрах и с забойных технологических датчиков может быть передана по гидравлическому каналу связи на датчик давления 10 и далее к преобразовательному комплексу 18 и в компьютер 17. При этом возможно использование либо одного гидравлического канала связи или одновременно обоих каналов связи: гидравлического и электромагнитного для дублирования передачи или параллельной посылки различных данных. По информации с датчиков расхода 11, плотности 12 и датчика наличия газовой фазы 13, поступающей также через преобразовательный комплекс 18 подается в компьютер 17, производится коррекция данных, полученных из забоя по гидравлическому каналу связи на датчик давления 10. Это необходимо, чтобы учесть влияние характеристик бурового раствора на скорость распространения гидравлической волны в жидкости (буровом растворе) для избежания искажения результата. If a pulsator 43 is installed, which generates hydraulic pulses of the drilling fluid, then information on the inclinometric parameters and downhole technological sensors can be transmitted via a hydraulic communication channel to a pressure sensor 10 and then to a converter complex 18 and to a computer 17. In this case, it is possible to use either one hydraulic communication channel or both communication channels simultaneously: hydraulic and electromagnetic for duplication of transmission or parallel sending of various data. According to the information from the flow sensors 11, density 12 and the gas phase sensor 13, also supplied through the converter complex 18 to the computer 17, the data obtained from the bottom via the hydraulic communication channel is corrected for the pressure sensor 10. This is necessary to take into account the influence of the characteristics drilling fluid at the speed of propagation of the hydraulic wave in the fluid (drilling fluid) to avoid distortion of the result.

3. Работа устройства в полной комплектации (фиг. 1). 3. The operation of the device in a complete set (Fig. 1).

При одновременной работе обоих каналов связи сигнал о забойных параметрах поступает одновременно на антенну 15 и на датчик давления 10 (фиг. 1). With the simultaneous operation of both communication channels, the bottomhole signal arrives simultaneously at the antenna 15 and at the pressure sensor 10 (Fig. 1).

Кроме того, предложенный комплекс обеспечивает передачу всей информации на удаленный компьютер 41, чтобы осуществлять контроль за бурением не только на одной буровой, но и в масштабах куста или месторождения. In addition, the proposed complex provides the transfer of all information to a remote computer 41 in order to monitor drilling not only at one drilling site, but also at the scale of a cluster or field.

Применение изобретения позволило следующее. The application of the invention allowed the following.

1. Полностью автоматизировать процесс горизонтально-направленного бурения. 1. Fully automate the process of horizontal directional drilling.

2. Повысить точность измерений. 2. Improve measurement accuracy.

3. Предотвратить аварийные ситуации. 3. Prevent emergency situations.

4. Улучшить наглядность представления информации за счет ее одновременного показа на экране монитора и пульте бурильщика. Показ на пульте бурильщика одновременно цифровой и аналоговой информации позволил легче определять положение забоя в процессе бурения. 4. Improve the visibility of the presentation of information by simultaneously displaying it on the monitor screen and the driller console. Displaying simultaneously digital and analog information on the driller's console made it easier to determine the position of the face during drilling.

5. Повысить скорость передачи информации. 5. Increase the speed of information transfer.

6. Повысить достоверность каждого параметра в отдельности и расчетных показателей, полученных путем математической обработки. 6. To increase the reliability of each parameter separately and the calculated indicators obtained by mathematical processing.

Claims

An information and technological geo-navigation complex containing a driller’s console, a processing and visualization unit made in the form of a converting complex and a computer with a monitor, a downhole telemetry system, a torque sensor, a ground-based gas analyzer, a flow sensor and a pressure sensor and installed in the downhole telemetry case inclinometry unit and axial load sensor, characterized in that the complex is equipped with a ground density sensor and a gas presence sensor PS, a drilling fluid level sensor installed in the receiving tank, control system executive bodies connected to the computer output, while a ground flow sensor, a pressure sensor, a density sensor and a gas phase presence sensor are installed in the mud flow line, and a torque sensor is installed in the body of the downhole telemetry system.