Системы телеметрии в горизонтальном бурении: опыт российских компаний

Получившие в последнее время широкое распространение технологии горизонтального бурения и гидравлического разрыва пласта позволили подобраться к ранее недоступным запасам. Но их использование требует грамотного мониторинга на всех стадиях добычи полезных ископаемых.

И здесь на помощь буровикам приходят системы телеметрии. Какие виды телеметрических систем сегодня существуют? Каковы их ключевые особенности? И готовы ли российские компании заменить ушедших иностранцев?

Контроль направления и не только: возможности телеметрии

Даже небольшое отклонение от заданной траектории может повлечь за собой необходимость перебуривать скважину. Помимо потерянных денег, не стоит забывать и о последствиях для окружающей среды.

«При бурении скважины в пласте толщиной несколько метров очень важно понимать, где находится компоновка, так как погрешность в несколько метров может привести к потере ствола.

Изучение причин, вызывающих отклонения от заданной траектории и нарушения проектных решений, привело к активному внедрению метода строительства скважин с использованием современных телеметрических забойных управляемых систем и каротажа непосредственно в процессе бурения.

Сегодня проводка сложных пространственных профилей требует обязательного использования телеметрических систем для точного определения положения ствола скважины, интенсивности изменения зенитного угла и азимута и оперативной корректировки траектории»,  — объясняет генеральный директор ООО «Перфобур», канд. техн. наук Илья Лягов.

При бурении нефтяных скважин системы телеметрии выполняют множество функций.

«Основную задачу любой навигационной системы можно сформулировать как постоянный контроль за соблюдением запланированной траектории и сохранение положения долота внутри выбранного «коридора», проходящего по  простиранию в пределах вскрываемого пластаколлектора.

Имея с забоя данные о частоте вращения долота и истинной осевой нагрузке на долото, можно поддерживать режим таким образом, чтобы обеспечивать максимальную механическую скорость проходки, следить за износом долота, не допуская критических режимов его работы», — отмечает генеральный директор ООО «Аксель Телеметрия» Юрий Казанцев.

По словам руководителя проекта по  разработке телеметрического оборудования АО «ОКБ Зенит» Теодора Продана, M2M-телематика может очень различаться по стоимости вовлечённого оборудования, методам исследования, объёму и качеству предоставляемой информации. Разброс идёт от простых работ, где необходимы показания только инклинометрического модуля, измеряющего угол и азимут в скважине, до высокотехнологического сервиса.

«Самым распространённым примером высокотехнологичного сервиса может являться так называемый PentaCombo, компоновка с модулями резистивиметрии, радиоактивного и  акустического каротажа, натурального гамма-каротажа, измерением скважинного давления и температуры в реальном времени совместно с роторной управляемой системой (РУС)», — отмечает Теодор Продан.

Применение систем телеметрии позволяет решать и ряд других попутных, но от этого не менее важных задач. Так, можно получать данные о расходе промывочной жидкости, что позволяет делать выводы о герметичности замковых соединений бурильного инструмента.

Полезной может быть информация о температуре на забое и вибрации бурильного инструмента, которая характеризует как процесс разрушения горных пород, так и свойства разбуриваемых пластов.

Основные модули телеметрической системы, по словам старшего преподавателя Томского политехнического университета Антона Епихина, — это корпус (немагнитная УБТ), измерительный модуль (сборка датчиков), источник питания, система кодирования и передачи информации к поверхности.

В свою очередь, система телеметрии является составной частью информационно-технологического навигационного бурового комплекса, куда, помимо приближенных к забою датчиков, входит и наземная аппаратура: устройства сбора, обработки и передачи информации, на основе которой программа принимает оперативные решения или выводит технологические рекомендации на пульт бурильщика, отмечает Юрий Казанцев. Одним из ключевых элементов системы являются датчики, с помощью которых и собирают нужную информацию.

«Комплекс измерительных датчиков контроля направления ствола скважины должен состоять из датчиков измерения угла наклона скважины, её азимута. Для управления процессом направленного бурения измерительную систему оборудуют также датчиком положения отклонителя. Описанные две группы датчиков могут быть объединены в одной телеизмерительной системе для оптимизации процесса бурения скважин наклонно-направленного и горизонтального бурения», — рассказывает Юрий Казанцев.

О тонкостях классификации

Сегодня на рынке представлено большое разнообразие телеметрических систем, а у специалистов существует много мнений о том, по каким критериям их стоит разделять.

«Существует несколько классификаций телеметрических систем: по типу канала связи «забой-устье», по способу регистрации данных, по типу фиксируемой информации и другие. На мой взгляд, наиболее логичная классификация с точки зрения эксплуатации является именно по типу фиксируемой информации.

Здесь также существует два варианта. В отечественных источниках можно встретить деление на три категории: инклинометрическая (пространственное положение профиля скважины), геофизическая (геологический разрез) и технологическая (параметры процесса бурения и техническое состояние оборудования).

В зарубежной терминологии принято категоризировать телеметрию несколько иначе. Здесь речь идёт о каротаже в процессе бурения для контроля геологического разреза (LWD — logging while drilling), измерениях в процессе бурения (MWD — measurement while drilling) и контроле эквивалентной циркуляционной плотности (PWD  — pressure while drilling)», — объясняет Антон Епихин.

В свою очередь Теодор Продан классифицирует телесистемы по типу передаваемого сигнала или по тому, что используется в качестве рабочего тела для передачи сигнала с забоя на поверхность. По этому принципу выделяют кабельные, электромагнитные, акустические, гидравлические системы и Wired pipe.

В последнем случае сигнал передаётся через кабель, проложенный в буровом инструменте. Сегодня это самый быстрый, но в то же время и самый дорогой способ передачи информации, отмечает Теодор Продан.

Какой канал связи выбрать?

Принцип действия акустического канала основан на использовании звуковых колебаний, которые распространяются в скважине через промывочную жидкость, по колоннам бурильных труб и окружающей породе. Такие системы делятся на три вида: гидроакустические, акустомеханические и сейсмические.

«Сейсмические системы применяют пока только для пассивного контроля координат забоя. Из-за недостаточной точности определения положения забоя (десятки метров) они ещё находятся на  стадии научных и экспериментальных исследований.

В качестве источника в таких системах используются звуковые сигналы, которые сопровождают процесс работы бурового инструмента при разрушении горной породы на забое скважины.

Сигналы с забоя улавливают сейсмические датчики на поверхности, и таким образом можно определить как положение забоя скважины, так и некоторые физико-механические параметры свойств горной породы», — рассказывает Юрий Казанцев.

На данный момент акустический канал связи не пользуется большой популярностью главным образом из-за слабой помехозащищённости, добавляет Антон Епихин. Много достоинств имеет проводной канал связи. К ним относятся максимальная информативность, быстродействие, многоканальность, помехоустойчивость, надёжность связи и т. д. Однако и на Солнце есть пятна.

«Реализация этого канала связи затруднена из-за сложности защиты провода (кабеля) в скважинных условиях при бурении, а также из-за проблем при проведении спускоподъёмных операций. На настоящий момент он нашёл применение только при реализации бурения с применением технологии гибких труб (колтюбинга)», — комментирует Антон Епихин.

Теодор Продан, отмечая достоинства кабельных систем, в то же время указывает на небольшой выбор производителей и ограниченную линейку модулей каротажа.

В результате эксперты сходятся во мнении, что наибольшее распространение получили сегодня гидравлический и электромагнитный каналы связи. В  первом случае информация передаётся по столбу бурового раствора в бурильной колонне.

«Для передачи информации используется изменение давления бурового раствора в бурильной колонне, которое регистрируется датчиками, преобразуется в электрический сигнал и передаётся в наземную систему регистрации. Нужные импульсы генерирует пульсатор путём регулировки открытия и закрытия клапана внутри передатчика.

Регулятор питания исполнительного механизма варьирует период между открытиями клапана передатчика и длину импульса в соответствии с инструкциями, получаемыми с узла электроники ГИС.

Это позволяет преобразовать передачу данных из скважины на поверхность в виде кодированной последовательности импульсов давления. Затем наземная система преобразовывает информацию из скважины и выдаёт данные на дисплей в виде азимута, наклонения и положения передней поверхности прибора.

А это, в свою очередь, даёт возможность изменять траекторию скважины в нужном направлении», — объясняет принцип работы гидравлического метода Юрий Казанцев.

Преимущества этого метода очевидны. Так как информация передаётся по столбу бурового раствора в бурильной колонне, не требуются дополнительные затраты на организацию канала связи. Также здесь стоит отметить большую дальность действия.

Кроме этого, опрошенные эксперты выделяют широкую линейку оборудования и большой выбор производителей. В то же время нужно отметить, что гидравлический канал связи требует сложного и дорогостоящего оборудования: речь идёт прежде всего о пульсаторе.

Также на связь сильно влияет среда, через которую передаётся сигнал. То есть нужно учитывать тип и параметры бурового раствора. Стоит учитывать и невозможность работать при бурении на депрессии, и ограничения по аэрированным растворам.

В свою очередь, в электромагнитном канале связи в качестве проводов линии передачи используются колонну бурильных труб.

«По простоте конструкции глубинных и наземных устройств, пропускной способности электромагнитный канал связи является наиболее перспективным при организации устойчивой связи «забой — устье» при турбинном и роторном бурении скважин. По сравнению с гидравлическим, он имеет ряд преимуществ.

Это повышенная надёжность деталей забойных устройств, контактирующих с абразивным потоком бурового раствора, простота в управлении и возможность обратной связи.

Вместе с тем электромагнитный канал связи обладает некоторыми недостатками, такими как ограничение дальности действия (из-за свойств геологического разреза), её зависимость от материала бурильных труб, а также отсутствие возможностей исследования в море и в соленосных отложениях, достаточно высокая сложность электронного управляющего блока», — считает Юрий Казанцев.

К слову
Первые практические разработки по телеметрическим системам измерений с использованием импульсов, передаваемых на поверхность через буровой раствор, создали в 1950-х годах. А в 1978 г. в США разработали серийная модель телеметрической системы для измерения скважинных параметров, которая использовалась уже в промысловых условиях.

Ключевым преимуществом электро-магнитного канала связи является его относительная дешевизна. Также отметим высокую скорость передачи данных. Но здесь существуют ограничения по глубине скважины.

И хотя его можно обойти, но это потребует установки дополнительного наземного оборудования и дополнительных затрат. Также стоит отметить, что этот канал связи не всегда возможно использовать при кустовом бурении и бурении на платформе.

«Часто электромагнитный и гидравлический каналы работают на скважинах «сообща»: то есть в верхних, менее ответственных, интервалах разреза обычно применяют электромагнитный канал связи, а на более глубоких участках и при бурении по продуктивному горизонту — гидравлический», — добавляет Антон Епихин.

Подводём итоги: выбор конкретной телесистемы зависит от поставленных заказчиком задач и особенностей геологии конкретной скважины. А вот универсального решения не существует.

«Самым распространённым видом являются системы с гидравлическим каналом связи. Если отбросить вопросы себестоимости, то свыше 95% всех скважин в мире можно пробурить системами с гидравлическими каналом связи

В то же время их применение сильно ограничено и даже невозможно при бурении на депрессии, вспененных и аэрированных растворах, а также в верхних секциях скважины из-за высокой себестоимости.

Электромагнитные системы весьма недороги с точки зрения себестоимости, но имеют ограничения, связанные как с максимальной глубиной скважины, так и с геологическими особенностями того или иного месторождения.

Так, электромагнитные системы, работающие в Канаде на глубинах до 3 000 метров, в Западной Сибири могут перестать работать с глубины всего 600 метров по стволу», — резюмирует Теодор Продан.

Нет предела совершенству

Технологии нефтедобычи постоянно совершенствуются, и телеметрические системы здесь не исключение. Логично предположить, что главным направлением прогресса станет повышение качества и скорости передачи данных. С этим согласны и опрошенные эксперты.

«Мне кажется, что основной вызов перед телеметрией в настоящий момент — это обеспечение эффективной передачи данных от забоя к устью с максимальным ограничением помех. Здесь может быть два варианта.

Первый  — разработка универсального проводного канала связи за счёт модернизации существующих вариантов. Возможно, здесь будут применять технологии «интеллектуальных» труб.

Второй  — применение инновационного метода передачи информации от забоя к устью, исключающее использование сред, способных генерировать помехи, таких как буровой раствор, горные породы», — считает Антон Епихин.

В компании «Аксель Телеметрия» полагают, что главная тенденция развития каналов связи направлена на увеличение количества информации, передаваемой в единицу времени.

«Сейчас гидравлический канал связи с положительным импульсом давления имеет предел 4 бит/с. Электромагнитный бескабельный и гидравлический каналы связи с отрицательным импульсом давления достигают уровня передачи данных 10 бит/с.

Устройства гидравлического канала связи, использующие положительные и отрицательные импульсы давления, вытесняются более перспективными роторными пульсаторами, частоту передачи данных которых ведущие производители обещают довести в ближайшее время до 30 бит/с.

Однако существует ряд ограничений на использование гидравлического канала связи: аэрированные буровые растворы и нерастворимые средства борьбы с поглощениями бурового раствора.

Электромагнитный канал связи также совершенствуется, например, при помощи установки кабельной перемычки 100–200 м на канал связи между забойной телесистемой и ретранслятором-разделителем на бурильных трубах (это так называемый комбинированный канал связи).

Это позволяет снизить затухание сигнала и повысить частоту передачи данных до 20–30 бит/с, а также частично обойти проблему с влиянием низкоомных солевых прослоев пород», — отмечает Юрий Казанцев.

Как долго придётся ждать появления новых технологий на рынке?

«Думаю, что это вопрос ближайших 5–10 лет в мировом масштабе в зависимости от того, какие вложения будут осуществляться в эти направления. Важно понимать, что пока современные телеметрические системы удовлетворяют запросам буровых подрядчиков, технологии в этом направлении будут развиваться не настолько быстро, насколько хотелось бы», — считает Антон Епихин.

Так что в ближайшие годы, по всей видимости, стоит ждать точечных усовершенствований, а не радикальных прорывов. Впрочем, отечественным разработчикам и буровикам некогда скучать, перед ними стоят более насущные задачи: заменить ушедшие с российского рынка зарубежные компетенции в части технологий, оборудования и повысить компетенции в области телеметрического сопровождения бурения.

Что с импортозамещением?

Телеметрические системы относятся к тем технологиям, где зависимость от импортных решений была высокой. Технологии горизонтального бурения изначально пришли в Россию с Запада, а иностранные компании использовали собственные решения и оборудование.

«Как правило, при бурении горизонтального ствола используются роторные управляемые системы. «Большая четвёрка» не позволяет устанавливать в их оборудование системы сбора данных сторонних производителей, что заставляет потребителей заказывать полный сервис. Так что ещё до введения санкций было актуально разрабатывать те же отечественные аналоги РУСов», — приводит пример Илья Лягов.

Впрочем, в оценках критичности объявленных санкций для российских буровиков мнения разделились.

«Начиная с 2014 года, с момента введения первых санкций, наши производители телеметрии и приборов каротажа активно разрабатывают и внедряют собственное оборудование и программное обеспечение. Единственное, что пока не удаётся довести до промышленного производства, — это роторно-управляемые системы.

Впрочем, сейчас ряд российских разработок активно проходят скважинные испытания, и я полагаю, что в ближайшие годы мы увидим положительный результат», — отмечает Юрий Казанцев.

К тому же санкции открывают новые ниши для российских сервисных компаний, а это означает новые рынки сбыта для отечественных производителей. Причём эта тенденция коснулась даже некоторых зарубежных сервисных компаний.

«Иностранцы всё время работали исключительно на оборудовании собственного производства. Сейчас в связи со сложившейся ситуацией они не могут ввезти его в Россию. Поэтому часть приборов из своей линейки они активно пытаются заместить на российские.

Да, мы наблюдаем, что в связи с возросшим спросом на отечественное оборудование у российских производителей серьёзно увеличиваются сроки поставки, и их производственные мощности не справляются с огромным количеством заказов.

Думаю, что эти проблемы будут нарастать до конца года, но в перспективе нескольких лет ситуация стабилизируется, и мы спокойно закроем все освободившиеся объёмы зарубежных коллег, что хорошо повлияет на развитие нашей промышленности в целом», — полагает руководитель «Аксель Телеметрия».

Впрочем, не все специалисты отрасли настроены столь оптимистично.

«Что касается отечественных компаний, то я не питаю иллюзий: нам ещё достаточно далеко до уровня зарубежных технологий. Да, мы много уже создали и много позаимствовали, имеем громадный опыт эксплуатации и производства телеметрических систем, но для равноценного конкурирования с иностранными компаниями этого мало.

Ряд наиболее успешных российских компаний в области телеметрического сопровождения используют богатый зарубежный опыт и на его базе создают и комплектуют свои аналоги. Современного конкурентоспособного оборудования лучшим мировым аналогам у нас сейчас нет, либо я о таком не слышал», — считает Антон Епихин.

«К сожалению, в данный момент у нас есть серьёзное отставание как в разработке самого телеметрического оборудования, так и в смежных областях телеметрического сервиса: программном обеспечении, методологии, интерпретации данных, метрологии, надёжности и, само собой, себестоимости конечного продукта.

Все новые разработки российских производителей, такие как: прибор литоплотностного нейтронного каротажа, акустический каверномер, спектральный гаммазонд, картограф границ, роторные управляемые системы и другие — это, на самом деле, попытки переосмыслить западные образцы с целью получить отечественные аналоги, обладающие схожими характеристиками. Говорить о каких-то принципиально новых прорывных технологиях не приходится», — согласен и Теодор Продан.

Что нужно сделать для того, чтобы от импортозамещения «на бумаге» перейти к реальным делам? Пока российские компании без проблем могут выполнять простые работы, но испытывают сложности в высокотехнологичном сегменте, отмечают опрошенные эксперты.

«Отечественные производители оборудования находятся в плачевной ситуации. Наша промышленность не выпускает необходимых компонентов даже для низкотехнологического сервиса.

Нет отечественного ПО для разработки и моделирования, отсутствуют даже аналоги некоторых материалов и сплавов, включая немагнитные, без которых создание продукции, способной конкурировать с западными аналогами, невозможно.

И я сейчас даже не говорю о том, что многие решения построены на архитектуре, использующей западные компоненты, для выполнения технических параметров, заданных заказчиками, а изменение архитектуры — это годы разработки и сотни тысяч часов отработок и тестирований, которые тоже придётся проводить, договариваясь с заказчиками, так как полигоны для полномасштабных натурных испытаний у нас тоже отсутствуют», — сетует Теодор Продан.

Согласен с тем, что задачу нужно решать в комплексе, и Антон Епихин. Необходимо не просто вкладываться в создание телеметрических систем, а работать в направлениях полного импортозамещения комплектующих.

Нужно разрабатывать клапанные системы, устойчивые к абразивному износу, микросхемы, стойкие к увеличивающемуся температурному градиенту, датчики, которые будут нормально воспринимать широкий спектр вибраций, возникающих при бурении, считает учёный.

При этом, как отметил Илья Лягов, наши соотечественники имеют достаточно знаний для того, чтобы заменить ушедшие компании. Как переломить ситуацию? Первым делом нужны деньги. По словам Теодора Продана, компания Schlumberger выделяла $1,5–2 млрд в год на собственные разработки, в то время как у отечественных компаний эта сумма редко превышает $2 млн.

«При минимальной законодательной поддержке со стороны государства и наличии реально работающих, а не номинальных механизмов поддержки со стороны ВИНК, отечественные компании вполне способны если не убрать отставание, то серьёзно сократить разрыв.

И дальнейшее развитие рынка будет зависеть от того, насколько у них это получится. Перед нами очень широкий спектр задач: не  во  всех областях есть достаточный уровень компетенции, зачастую отсутствует необходимая материально-техническая база и  оставляет желать лучшего уровень промышленности в стране. Но «дорогу осилит идущий».

Ведь альтернативой будет уход под китайских производителей и, соответственно, дальнейшая деградация отрасли разработки отечественного телеметрического оборудования», — резюмировал Теодор Продан.

Главные технические требования к забойным навигационным системам:

• точность, необходимая для решения поставленных задач;
• получение информации в реальном либо псевдореальном времени (время, при котором происшедшие изменения не могут значительно повлиять на заданные параметры);
• проходимость по стволу сложной конфигурации, гибкость;
• привязка текущих координат к конкретной геологической ситуации (геологическим реперам, маркерам);
• привязка данных по глубине;
• нахождение точки записи в непосредственной близости от забоя;
• сохранение информации при нарушениях работы канала связи и других осложнениях;
• оперативность и наглядность информации.

Юрий Казанцев, генеральный директор ООО «Аксель Телеметрия»

«Общепризнано, что без достоверной информации нельзя качественно провести ствол по заданной траектории, и при этом необходимо учитывать, что для навигационного сопровождения бурящихся горизонтальных скважин необходимы технические средства и технологические приёмы, коренным образом отличающиеся от традиционно используемых при бурении вертикальных скважин.

Практика строительства горизонтальных скважин в России и за рубежом показывает, что универсального способа их наведения в проектную цель не существует. Выбор применяемого технического средства во многом зависит от толщины пласта, типа залежи; диаметр и гибкость его — от минимального радиуса кривизны, диаметра породоразрушающего инструмента и  типа скважины; измеряемые параметры — от поставленных геолого-технологических задач.

Вместе с тем на основе практики и опыта можно достаточно чётко сформулировать главную задачу и общие требования к забойным навигационным системам».

Теодор Продан, руководитель проекта по разработке телеметрического оборудования АО «ОКБ Зенит»

«На самом деле, телеметрическое оборудование применяется не только при бурении горизонтальных и наклонных скважин, но также в любых других видах бурения, где требуется управление траекторией ствола скважины или каротаж горных пород, например, при бурении под геотермальные электростанции, при добыче урана, в исследовательских скважинах и т. д.

В том или ином виде телеметрические системы или системы каротажа используются практически на всех месторождениях как при бурении новых скважин, так и при операциях ЗБС (зарезка бокового ствола) и иногда КРС (капитальный ремонт скважин).

Общее число скважин с горизонтальным окончанием выросло с порядка 1000 скважин в 2012-м году до 3500–3700 в 2018-м году.

В данный момент в год бурится свыше 3000 скважин с горизонтальным окончанием, и их доля в общем количестве пробурённых скважин увеличивается каждый год, что говорит о том, что ВИНКи считают это наиболее эффективным способом разработки своих месторождений».

Илья Лягов, генеральный директор ООО «Перфобур», канд. техн. наук

«Электромагнитный канал связи удобен тем, что передаёт данные без проводов, но дальность передачи информации не превышает 2000–2500 метров.

Гидравлический канал связи передаёт данные значительно дальше, но имеет специальные требования к технологической жидкости и насосному оборудованию; кабельный канал связи менее придирчив, но сложен в монтаже (если мы говорим про постоянную передачу данных), а также присутствует риск обрыва кабеля и перекрытия внутритрубного пространства».

Антон Епихин, старший преподаватель Томского политехнического университета

«Если говорить о телеметрическом сопровождении при проводке горизонтальных стволов, то можно выделить две основные задачи. Первая — проводка ствола по продуктивному горизонту и контроль положения границ (кровли и подошвы) пласта для профилактики выхода за них. Эту задачу призвана решать телеметрия типа LWD (каротаж в процессе бурения).

Вторая — контроль проводки ствола скважины по заданному проектному профилю. За это отвечает телеметрия MWD, когда в процессе бурения используются инклинометрические датчики измерений.

Дополнительной задачей можно определить контроль режима бурения, поскольку такие параметры, как частота вращения долота и осевая нагрузка на инструменты в горизонтальном бурении, сложно определить с высокой точностью с помощью поверхностных измерительных систем».

---

Текст: Андрей Халбашкеев