header.png

Обществом инженеров нефтегазовой промышленности SPE в сотрудничестве в журналом «Инженерная практика» публикует обзоры материалов мероприятий SPE. Для обзоров были выбраны ключевые технические презентации, содержание которых может представлять интерес для российского читателя, включая такие темы, как подбор жидкостей для бурения и заканчивания скважин, наклонно-направленное бурение, измерения в процессе бурения, бурение с контролем давления, цементирование, утилизация отходов бурения, за авторством специалистов ведущих сервисных компаний и компаний-операторов. Полные тексты соответствующих материалов SPE вы можете найти в онлайн-библиотеке www.OnePetro.org.

Предлагаем Вам ознакомиться с кратким содержанием обзора публикации на тему:

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ БУРОВОГО РАСТВОРА В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Настоящая статья написана главным редактором журнала «Инженерная практика» Александром Долгопольским в качестве краткого обзора публикации IADC/SPE 167978 "Development of On-Line Sensors for Automated Measurement of Drilling Fluid Properties". Данная публикация была подготовлена Magalhaes, Sergio, UFRRJ; Scheid, Claudia Miriam, URFFJ; Calcada, Luis Americo, UFRRJ; Folsta, Mauricio, Petrobras; Martins, Andre Leibsohn, Petrobras; Marques deSa, Carlos Henrique, Petrobras, для Конференции по бурению Международной ассоциации буровых подрядчиков и Общества инженеров нефтегазовой промышленности (IADC/SPE), проведенной 4–6 марта 2014 года в г. Форт-Уэрт, США. Публикация не рецензировалась. Прочитать абстракт на английском языке и скачать статью можно здесь.
Авторы этого материала отмечают, что, несмотря на всю важность бурового раствора как элемента системы бурения скважин, за прошедшие 50 лет методология определения его свойств в промысловых условиях не претерпела коренных изменений. И, если геофизические измерения в процессе бурения при помощи широкой гаммы датчиков КНБК, передающих данные в режиме реального времени, давно вошли в повседневную практику, то параметры используемого бурового раствора по-прежнему определяются посредством анализа проб, периодически отбираемых на поверхности.
Такая низкая оперативность определения параметров бурового раствора не позволяет воспользоваться накопленным опытом и знаниями для предотвращения многих типичных аварий, поскольку не удается своевременно отслеживать известные признаки развития опасных тенденций. Кроме того, анализ отбираемых на поверхности проб исключает возможность непосредственного учета воздействия забойных температуры и давления на свойства раствора.
В своей работе, направленной на исправление сложившейся ситуации, авторы опираются на ряд недавних экспериментов коллег по отрасли, которые убедительно обозначили технологическую возможность измерения параметров бурового раствора в забойных условиях в режиме онлайн. Речь, прежде всего, идет о плотности, электростабильности, электропроводности, реологии и концентрации взвешенных частиц (КВЧ). Впрочем, как и в предыдущих случаях, речь идет пока что о лабораторных исследованиях, которые только предстоит через один-два этапа перенести на уровень опытно-промысловых испытаний.
В качестве испытательного стенда был построен автоматизированный циркуляционный контур, максимально близко моделировавший забойные условия циркуляции бурового раствора (рис. 1.1). Как видно из рисунка, в контур включена аппаратура для замера всех основных параметров раствора.
Рис.1.1. Испытательный стенд — циркуляционный контур

2.1.png

ИЗМЕРЕНИЕ ВЯЗКОСТИ

Рис. 1.2. Технологический вискозиметр TT-100 Brookfield Engineering
2.2.png

Рис. 1.3. Реологические профили глицерина (а) и раствора ПАВ (б)
2.3.png

Для измерения вязкости раствора авторы использовали линейный технологический вискозиметр модели ТТ-100 производства Brookfield Engineering с регулируемым переключением между шестью скоростями сдвига для соответствия показаниям лабораторного вискозиметра распространенной модели FANN 35A (рис. 1.2). При этом в целях эксперимента привод ТТ-100 заменили на двигатель с дистанционно регулируемой частотой вращения вала, что позволило производить замеры сдвигового напряжения в широком диапазоне скоростей сдвига. Выбранный вискозиметр может эксплуатироваться при давлении от 1 до 15 атм, температуре до 160°С, объемном расходе жидкости от 1 до 3 м3/ч и диаметре мехпримесей до 1 мм.

Для экспериментальных жидкостей — глицерина и раствора ПАВ сходимость результатов между модифицированным вискозиметром ТТ-100 и лабораторным FANN 35A оказалась практически безупречной (рис.1.3).

Однако при тестировании системы на приготовленном в лабораторных условиях буровом растворе на водной основе (РВО) и на предоставленном сервисной компанией растворе на синтетической углеводородной основе (РУО) данные линейного вискозиметра в определенной мере разошлись с лабораторными (рис. 1.4).

Авторы объясняют расхождение неодинаковым влиянием мехпримесей на показания датчиков при неидентичной геометрии измерительных камер ТТ-100 и FANN 35A. При этом разная направленность отклонений в случаях РВО и РУО объясняется противоположными смазывающими характеристиками этих растворов.

Рис. 1.4. Реологические профили бурового раствора на водной основе (а) и РУО (б)
2.4.png

ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОСТНОСТИ

Плотность раствора измерялась кориолисовым плотномером производства Metroval, который одновременно играл роль массового расходомера на основе U-образных трубок. Ограничительные условия для этого прибора — максимальный диаметр мехпримесей 1 мм, а также отсутствие пузырьков газа в потоке жидкости.

Авторы провели ряд экспериментов: а) повышение плотности РВО посредством ступенчатого добавления барита и нагрева; б) понижение плотности РВО посредством его разбавления водой с периодическим удалением избыточной жидкости из емкости; в) повышение плотности РУО (рис. 1.5). Как следует из приведенных графиков, во всех случаях онлайн измерения в достаточной мере совпадали с лабораторными.
Рис.1.5. Замеры плотности раствора в динамике2.5.png

ЭЛЕКТРОСТАБИЛЬНОСТЬ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

Специально для исследования авторы разработали датчик электростабильности эмульсии собственной конструкции, в целом технологически повторяющий стандартный лабораторный прибор FANN 25D. Прибор позволяет качественно охарактеризовать степень неполярности жидкости и количественно — электрическое напряжение, необходимое для передачи тока силой 61 мкА между двумя электродами. Чем выше степень неполярности жидкости, тем выше и необходимое напряжение. Поскольку от стабильности инвертной эмульсии зависит сохранение буровым раствором на ее основе своих свойств, замеры проводились для подтверждения постоянства напряжения.

Рис. 1.6. Контроль электростабильности эмульсии2.6.png
Рис. 1.7. Изменение свойств и разрушение эмульсии2.7.png
В эксперименте использовали три инвертно-эмульсионных раствора с разными соотношениями нефть/вода: 50/50, 40/60 и 30/70 (рис. 1.6). Как и предполагалось, величина требуемого для передачи тока силой 61 мкА напряжения последовательно снижалась с увеличением доли водной составляющей. Значения лабораторных и онлайн замеров разошлись незначительно.
Кроме того, авторы установили в контур датчик удельной электропроводности раствора, который позволял оценивать состояние эмульсии. Для его тестирования провели эксперимент, в ходе которого в РУО сначала добавлялась нефть, а затем вода (рис. 1.7). Как мы видим, эффективная (кажущаяся) вязкость с добавлением нефти снижалась, а по мере добавления воды — росла, вплоть до момента разрушения эмульсии, сопровождавшегося резким падением вязкости в связи с тем, что вязкость каждой из двух образовавшихся фаз ниже вязкости эмульсии (рис. 1.7а).
Из рис. 1.7б видно, что те же условия эксперимента влияли соответствующим образом и на показания датчиков электростабильности и электропроводности. По мере добавления воды порог повышения напряжения постепенно снижался, а после разрушения эмульсии электропроводность системы перестала быть нулевой.

ОЦЕНКА КОНЦЕНТРАЦИИ МЕХПРИМЕСЕЙ

И, наконец, для оценки КВЧ авторы решили использовать акустический датчик, измеряющий интенсивность затухания ультразвукового сигнала, а также скорость прохождения звуковой волны в потоке жидкости. Для расчета КВЧ по данным этого датчика необходима информация обо всех остальных параметрах жидкости и составе мехпримесей. Кроме того, у метода также есть и ограничительные условия: в жидкости не должно быть пузырьков газа.

Здесь же авторы отмечают, что заводская калибровка прибора, естественно, не учитывает многообразие используемых в инжиниринге буровых растворов присадок и добавок. И поэтому для повышения достоверности в этой части задачи требуется дальнейшее совершенствование датчиков.

Рис.1.8. Реагирование датчиков на мехпримеси
2.8.png

Рис.1.9. Результат вычисления КВЧ нейронной сетью на основе онлайн измерений
2.9.png
Авторы провели ряд экспериментов по оценке содержания мехпримесей, результаты, одного из которых отображены на рис. 1.8. В ходе этого эксперимента сначала в РВО добавили относительно легкие нерастворимые мехпримеси, что сопровождалось повышением всех показателей, за исключением скорости распространения акустических волн. Далее добавили некоторое количество тяжелых нерастворимых мехпримесей, в результате чего значительно выросла плотность и незначительно — эффективная вязкость. Когда на завершающем этапе в раствор стали добавлять карбонатные соли, к росту всех показателей прибавился также и некоторый рост скорости распространения звука. Авторы объясняют это растворением части карбонатных солей в РВО.
Полученные в ходе этих экспериментов данные о реагировании датчиков на количество и состав мехпримесей, а также большой объем сопутствующей информации были использованы авторами для обучения искусственной многослойной нейронной сети. Как мы видим из рис. 1.9, авторам удалось добиться отличной сходимости результатов.

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОЕКТА

Подводя итог своей работе, авторы указывают на достаточную для нефтепромысловых задач достоверность показаний онлайн приборов и расчетов, которая должна позволить на практике предотвращать многие аварии при бурении скважин, а также повысить уровень автоматизации строительства скважин. Следующим этапом будет расширение номенклатуры датчиков и опытно-промысловые испытания технологии.