Устройство для автоматического контроля водоотдачи промывочной жидкости

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин и может быть использовано при автоматическом непрерывном контроле параметров буровых растворов в процессе разбуривания горных пород.

Известно устройство типа РПГР-10, предназначенное для контроля водоотдачи промывочной жидкости с автоматической регистрацией показаний измерений в процессе бурения скважины [1]. Это устройство содержит радиоактивный плотномер, датчик давления, насос с электроприводом, реле времени, потенциометр с самопишущим устройством, а также датчик водоотдачи, включающий узел фильтрационного стакана, требующий его периодической заправки вручную фильтровальной бумагой и заполнения порцией промывочной жидкости, отобранной из циркуляционной системы буровой скважины. При этом водоотдача буровой жидкости определяется количеством фильтрата, пошедшего через фильтровальную бумагу за установленный промежуток времени (обычно за 30 минут) при заданном перепаде давления на фильтре (до 20 кг/см²). Такое устройство далеко от совершенства, так как при значительной сложности конструкции, большом весе и больших габаритных размерах ее узлов оно вследствие используемого в лабораторных условиях тестового метода определения значений водоотдачи может приводить к неверному заключению об уровне объемного проникновения свободной воды в породу пласта. Это часто служит причиной возникновения сложных аварий, связанных с черезмерным увлажнением и снижением устойчивости пород, а при освоении скважины оказывает влияние на продолжительность, трудоемкость этой операции и величину притока (дебит) нефти и газа вследствие кольматирования пор породы продуктивного пласта.

Указанные недостатки устранены в устройстве для автоматического контроля водоотдачи промывочной жидкости, описанного в патенте [2]. Это устройство содержит датчик влагомера и датчик плотномера, благодаря которым при одновременном и непрерывном измерении влажности и плотности промывочной жидкости, осуществляемом с помощью обычно заключенного в герметичный короб электронного блока обработки сигналов и компьютера, обеспечивается получение по заданному алгоритму информации о текущем объемном содержании свободной воды в циркулирующей промывочной жидкости и определение водоотдачи по мере углубления ствола скважины по разности объемного содержания свободной воды в промывочной жидкости на входе в разбуриваемый продуктивный пласт и на выходе из него. Это устройство, в наиболее простом варианте исполнения, предусматривает применение накладного датчика плотномера, монтируемого на отводной трубе циркуляционной системы буровой скважины без вмешательства в конструкцию ситогидроциклонного блока. Таким прибором в настоящее время является широко используемый в буровой и промыслово-геофизической практике отечественный радиационно-безопасный бесконтактный измеритель плотности типа ИПБ-1К, содержащий блок детектирования, взаимодействующий с источником гамма-излучения, заключенным в защитный экран (см. www.ecophispribor.ru). При этом датчик влагомера, в зависимости от физического принципа действия и способа проведения измерений (проточный или поточный), требует его включения в разрыв отводной трубы ситогидроциклонного блока буровой установки либо врезки в тело трубопровода. Это значительно усложняет монтаж-демонтаж такого устройства, снижает его компактность и усложняет техническое обслуживание конструкции в целом. Кроме того, следует иметь в виду, что для проведения точных измерений, осуществляемых с помощью накладного датчика плотномера и проточного датчика влагомера, необходимо обеспечивать полное по поперечному сечению заполнение трубопровода промывочной жидкостью, что не всегда является возможным. По этим причинам и, прежде всего, с метрологической точки зрения, наиболее приемлемым для определения достоверных значений водоотдачи является вариант исполнения устройства, предусматривающий проведение измерений плотности и влажности промывочной жидкости в промежуточной емкости, встроенной в циркуляционную систему скважины. В качестве такой емкости может быть использована специально изготовленная промежуточная емкость, приемная емкость бурового насоса или, расположенная под виброситом, емкость блока очистки раствора. Однако, вышеуказанные известные датчики плотномера и влагомера не предусматривают возможности проведения измерений в погруженном в жидкость состоянии в виде компактной (блочной) конструкции, обладающей высокой монтажеспособностью, удобством транспортирования (на новую точку проведения измерений) и технического обслуживания (очистку рабочих поверхностей от загрязнений, периодическую градуировку и ремонт датчиков).

Рассмотренное устройство для автоматического контроля водоотдачи промывочной жидкости по технической сущности является наиболее близким предлагаемому.

Изобретение направлено на устранение указанных недостатков.

Для достижения этого технического результата в предлагаемом устройстве для автоматического контроля водоотдачи промывочной жидкости в промежуточной емкости циркуляционной системы буровой скважины, содержащем датчик влагомера и блок детектирования плотномера, взаимодействующий с источником гамма-излучения, заключенным в защитный экран, а также герметичный короб с электронным блоком обработки сигналов и компьютер, датчик влагомера и блок детектирования плотномера размещены внутри введенного в промывочную жидкость герметичного контейнера и совместно компактно смонтированы на единой несущей платформе в виде съемной стеновой панели с уплотнением установленной на контейнере, связанным с трубчатой штангой, съемно закрепленной на промежуточной емкости и несущей установленный на верхнем ее конце герметичный короб с электронным блоком обработки сигналов, воздушная полость которого соединена с воздушной полостью контейнера, при этом защитный экран с источником гамма-излучения противоположно по отношению к блоку детектирования плотномера жестко закреплен на внешней поверхности несущей платформы с зазором для прохода промывочной жидкости, а датчик влагомера выполнен в виде блока СВЧ сенсоров, герметично закрепленного в отверстии несущей платформы и обращенного приемоизлучающей поверхностью в сторону контролируемой жидкости.

Отличительными признаками предлагаемого устройства для автоматического контроля водоотдачи промывочной жидкости от указанного выше наиболее близкого с ним технического решения являются следующие признаки: размещение датчика влагомера и блока детектирования плотномера внутри введенного в промывочную жидкость герметичного контейнера; совместно компактное размещение датчика влагомера и блока детектирования плотномера на единой несущей платформе в виде съемной стеновой панели, с уплотнением, установленной на контейнере; связь контейнера с трубчатой штангой, съемно закрепленной на промежуточной емкости и несущей установленный на верхнем ее конце герметичный короб с электронным блоком обработки сигналов, воздушная полость которого соединена с воздушной полостью контейнера; размещение защитного экрана с источником гамма-излучения напротив блока детектирования плотномера с жестким закреплением на внешней поверхности несущей платформы с зазором для прохода промывочной жидкости; выполнение датчика влагомера в виде блока СВЧ сенсоров, герметично закрепленного в отверстии несущей платформы и обращенного приемоизлучающей поверхностью в сторону контролируемой жидкости.

Предлагаемое устройство для автоматического контроля водоотдачи промывочной жидкости поясняется представленной схемой.

Устройство для автоматического контроля водоотдачи промывочной жидкости содержит датчик 1 влагомера и блок детектирования 2 плотномера в виде бесконтактного измерителя плотности типа ИПБ-1К, взаимодействующий с источником гамма-излучения 3, заключенным в защитный экран 4. В качестве источника гамма-излучения 3 используется радионуклид Na-22 с периодом полураспада 2,6 года и минимальным значением активности, не превышающей 10⁶Бк, что в соответствии с существующими Нормами и Правилами позволяет использовать его без ограничений по радиационной безопасности. Для обеспечения возможности работы в промежуточной емкости 5 циркуляционной системы буровой скважины датчик 1 влагомера и блок детектирования 2 плотномера размещены внутри введенного в промывочную жидкость 6 герметичного контейнера 7 и совместно компактно смонтированы на единой несущей платформе 8 в виде съемной стеновой панели, с уплотнением установленной на контейнере 7. При этом защитный экран 4 с источником гамма-излучения 3 противоположно по отношению блоку детектирования 2 плотномера с помощью, по меньшей мере, двух стоек жестко закреплен на внешней поверхности несущей платформы 8 с зазором для прохода промывочной жидкости. Кроме того, датчик влажности выполнен поточным в виде, обеспечивающего высокую точность измерений, блока СВЧ сенсоров, принцип действия которого основан на изменении величины поглощения СВЧ энергии влажным материалом (см. например, Влагометр поточный «Микрорадар-114», www.microradartest.com). В этом исполнении датчик 1 влагометра герметично закреплен в отверстии несущей платформы 8 и обращен приемоизлучающей поверхностью в сторону контролируемой жидкости 6. Такая конструкция позволяет локализовать область одновременного измерения влажности и плотности промывочной жидкости 6 в промежуточной емкости 5, а также обеспечить легкий доступ к датчику 1 влагомера и к блоку детектирования 2 плотномера при техническом обслуживании устройства. При всем этом контейнер 7, связан с трубчатой штангой, съемно закрепленной, например, с помощью зажима 10 и перекладины 11 на крышке или стенке промежуточной емкости 5. На верхнем конце трубчатой штанги 9 герметично установлен герметичный короб 12 с размещенным внутри него электронным блоком обработки сигналов (на схеме не показан). Причем воздушная полость короба 12 через трубчатую штангу 9 соединена с воздушной полостью контейнера 7. Организованный таким образом герметичный тоннель служит для укладки электрических кабелей 13 и 14, соответственно связывающих датчик 1 влагомера и блок детектирования 2 плотномера с блоком обработки сигналов, выход которого из короба 12 электрически соединен с входом компьютера 15. К последнему, при необходимости, могут быть подключены принтер 16 и цифровое табло 17, устанавливаемое на посту бурильщика. При этом устройство не исключает возможности выполнения короба 12 в виде двух, расположенных одна над другой, механически связанных между собой секций, нижняя из которых служит шлюзовой камерой для обеспечения перевода электрических кабелей 13 и 14 (например, с помощью коммутационной платы) через гермовводы и/или электрические разъемы в верхнюю секцию. В этом случае для упрощения монтажа-демонтажа конструкции целесообразным является осуществление механической связи между секциями короба 12 в виде быстроразъемного стыковочного узла, который легко может быть реализован на основе широко известных в технике фиксирующих механизмов.

Работа устройства для автоматического контроля водоотдачи промывочной жидкости на буровой скважине заключается в следующем.

В ходе строительства скважины устройство для автоматического контроля водоотдачи промывочной жидкости 6 устанавливают в одной из промежуточных емкостей 5, как это показано на прилагаемой схеме. При этом для уменьшения влияния эффекта перемешивания промывочной жидкости 6 на значения мгновенно определяемых параметров предпочтение отдается меньшей по объему промежуточной емкости 5, а контейнер 7 с датчиком 1 влагомера и блоком детектирования 2 плотномера размещают вблизи слива упомянутой жидкости. Перед наступлением наиболее ответственного этапа бурения, а именно перед вскрытием газонефтеносного пласта, промывочную жидкость обычно обновляют или заменяют новой. После этого производят продолжительную промывку скважины и выравнивание промывочной жидкости в течение 2-3 циклов циркуляции всего объема. В течение этого времени вырабатываемые в режиме измерений электрические сигналы от датчика 1 влагомера и блока детектирования 2 плотномера одновременно непрерывно поступают в электронный блок обработки сигналов, а затем на вход компьютера 15, где обрабатываются по заданному известному алгоритму [2]. При выходе на стабильный уровень показаний измерений в память компьютера 15 вводятся, получаемые таким образом, базовые (начальные) для сравнения с ними показатели качества промывочной жидкости 6 (влажность, плотность и объемное содержание свободной воды). После создания осевой нагрузки на долото и проникновения бурового инструмента в продуктивную породу в процессе далее осуществляемого безостановочного бурения, очищенная от шлама промывочная жидкость 6 из ствола скважины поступает в промежуточную емкость 5 циркуляционной системы. Из промежуточной емкости 5 промывочная жидкость 6 с помощью буровых насосов вновь закачивается в ствол скважины, обеспечивая таким образом циркуляцию потока по замкнутому технологическому контуру. В результате чего в промежуточной емкости 5 происходит периодически полное обновление промывочной жидкости 6 и связанных с ней характеристик разбуриваемой породы, носителем которых она является. По мере замещения старого объема на новый объем промывочной жидкости 6 происходит омывание рабочих (чувствительных) поверхностей датчика 1 влагомера и блока детектирования 2 плотномера. При этом вырабатываемые в режиме измерений электрические сигналы от датчика 1 влагомера и блока детектирования 2 плотномера, после их преобразования в цифровой код, поступают на вход компьютера 15. В компьютере 15 получаемая информация об измеренных величинах влажности и плотности при обработке по вышеуказанному алгоритму в реальном масштабе времени преобразуется в определяемые значения текущего объемного содержания свободной воды в циркулирующей промывочной жидкости 6. При этом компьютер 15 в соответствии с программой и заданным минимальным по времени шагом измерений сравнивает новые (обновляемые) показания с ранее полученными (базовыми) данными и вычисляет по мере углубления скважины разности значений объемного содержания свободной воды. Положительный знак этих приращений будет свидетельствовать о поглощении свободной воды (или, иначе, о водоотдаче промывочной жидкости 6), а отрицательный - о наличии обратной фильтрации пласта (о проявлении скважины). Минимальный шаг определения водоотдачи зависит от глубины скважины, ее полезного объема и производительности буровых насосов. Для скважин глубиной до 5000 м этот шаг при средней подаче буровых насосов 30-40 л/с в основном находится в пределах 5-30 мин, что во много раз меньше регламентируемого при бурении интервала тестовых определений водоотдачи. Это позволяет в процессе разбуривания продуктивной породы повысить качество промывочной жидкости 6 за счет более точного регулирования ее свойств при химической обработке, а с учетом данных о плотности своевременно реагировать на первые признаки газоводонефтепроявлений. Получаемые данные измерений влажности и плотности промывочной жидкости 6, а также текущего объемного содержания свободной воды и водоотдачи (либо проявлении скважины) в графическом и цифровом виде выводятся на монитор компьютера 15, регистрируются принтером 16 и визуализируются с помощью цифрового табло 17.

Предлагаемое для осуществления способа [2] устройство для автоматического контроля водоотдачи промывочной жидкости позволит при получении достоверных результатов измерений обеспечить монтажеспособность, компактность, удобство технического обслуживания и транспортирования конструкции.

Использованные источники

1. Справочник бурового мастера. П.Т. Птичкин, В.Л. Прокшиц. Издательство «Недра», 1968, стр. 477, стр. 356-358.

2. Патент РФ №2566160: Способ контроля водоотдачи промывочной жидкости / Малюга А.Г., Шерстнев С.Н. Приоритет от 24.11.2014. Бюл. №29. Опубликован 20.10.2015.