Роторная управляемая система (РУС) – это современное буровое оборудование, применяющееся в разработке нефтяных и газовых месторождений. Она используется для следующих работ:
- бурения сложных скважин (наклонных, многоствольных и т. п.);
- точной проводки ствола;
- вскрытия сложных пластов;
- бурения в Арктике, на континентальном шельфе.
В нефтедобывающей отрасли Российской Федерации такие системы используются при внедрении морских и арктических проектов, при разработке скважин с большими отходами по вертикали, из-за чего требуется максимальная точность ствола. Использование такого забойного оборудования снижает риск возникновения аварийных и нештатных ситуаций, позволяет управлять траекторией скважины. РУС особенно эффективна при разработках в сложных геологических условиях.
Конструкция и принцип действия РУС
В роторных управляемых системах разрушение горных пород осуществляется вращением долота, закрепленного на бурильной колонне. Рабочий инструмент приводится в движение ротором или верхним приводом бурильной установки.
Конструкция
Современная отклоняющая система типа РУС представляет собой электронно-механический комплекс, который управляется дистанционно. Блок-схема включает в себя:
- механизм искривления с приводом;
- электронный блок управления (ЭБУ) с механизмом управления;
- источник питания (АКБ или гидротурбина);
- телеметрию и ее электронный блок;
- блок, принимающий и передающий информацию;
- канал связи;
- устройство приема и усиления сигнала;
- компьютер;
- прибор визуального контроля процесса бурения.
Принцип работы
Наличие автономного источника питания обеспечивает независимость роторной управляющей системы от центрального электроснабжения. РУС управляется оператором дистанционно через компьютер. Последний формирует сигнал, который через буровой раствор или электромагнитное излучение доходит до забойного узла. Электронный блок управления и система отклоняющего механизма реагируют на него и изменяют направление бурения скважины. При этом встроенные телеметрические приборы постоянно мониторят текущие угловые параметры. Полученные данные через электронный блок телеметрии передаются на поверхность в устройство, принимающее и усиливающее сигнал. Последний после усиления поступает на компьютер и прибор визуального контроля. При необходимости оператор формирует новое задание для корректировки направления бурения.
Преимущества использования РУС
Роторные управляемые системы представляют собой инновационную технологию, которая на данный момент является наиболее совершенной. Телеметрические и геонавигационные устройства, включенные в РУС, позволяют управлять направлением бурения дистанционно, что значительно снижает риски несчастных случаев на производстве. Система отличается высокой точностью (± 0,1°) и скоростью. Она способна прорбурить скважину любой направленности протяженностью до 13 км (от 1000 м за один рейс). Среди основных преимуществ использования РУС можно отметить:
- отсутствие зауженных участков ствола. Благодаря этому ускоряется вынос шлама и повышается скорость проходки;
- малое трение между колонной и стенкой. Это позволяет увеличить длину горизонтального ствола скважины;
- отсутствие неподвижных составляющих, соприкасающихся с обсадной колонной, стенкой и/или отклоняющим узлом. Это снижает опасность механического и/или дифференциального прихвата;
- работу в сложных условиях. РУС эффективно показала себя в скважинах с высоким давлением и повышенными пластовыми температурами.
Комплекс может работать там, где применение винтовых забойных двигателей ограничено или невозможно. По сравнению с последними роторная управляемая система позволяет получить более плавную траекторию, с меньшими изгибами и изменением направления. К дополнительным плюсам РУС можно отнести:
- уменьшение времени бурения скважины за счет большей скорости проходки;
- отсутствие подъема долота для изменения условий бурения;
- сокращение времени на промывку скважины благодаря эффективному удалению шлама;
- уменьшение скачков давления, что снижает риски гидроразрыва пород;
- работу со сложными трехмерными профилями с большим количеством шлама.
Постоянный контроль режущей поверхности долота предотвращает спиральную выработку, поэтому заканчивание скважины будет более простым и быстрым.
Виды РУС
В разработке скважин используются два основных вида роторной управляемой системы. Это:
- с отклонением долота (push the bit). РУС ориентируется в требуемом направлении путем нажатия выдвижных лопаток на стенку скважины;
- с изменением направления долота (point the bit). Для корректировки траектории изменяется угол торца долота относительно забоя.
Система push the bit
Состоит из трех основных узлов:
- невращающегося базового, включающего в себя сенсоры, указывающие текущее положение инструмента, распределительный клапан, направляющие лопасти;
- блока, которолирующего бурение, в состав которого входят компьютер и источник питания (литиевые АКБ или гидротурбинный генератор);
- телеметрического модуля.
В такой РУС имеется специальный блок отклонения, оснащенный тремя выдвижными башмаками (лопатками). Они размещены возле долота, предназначены для создания бокового усилия и приводятся в движение с помощью бурового раствора. Работа системы такого типа осуществляется следующим образом:
- соответствующие башмаки нажимают на стенку скважины (лежачую – для увеличения угла, висячую – для его уменьшения);
- телеметрические системы передают текущие координаты оператору, а его команды – с поверхности в забой;
- определяются необходимое время и мощность срабатывания выдвижных башмаков;
- ЭБУ, расположенный над блоком отклонения, запускает клапан, который открывает или перекрывает поток бурового раствора;
- при прохождении башмаками определенной точки РУС синхронно изменяет их давление и амплитуду движения.
При бурении компьютер постоянно сравнивает заложенные в него проектные данные с текущей информацией. При наличии отклонений от компьютера через навигационные датчики передается команда на распределительный клапан. Последний направляет буровой состав на выдвижные лопасти (башмаки). Это обеспечивает перемещение всего узла в направлении, соответствующем проектному значению.
Система point the bit
РУС такого типа представляет собой стабилизатор, оснащенный аппаратурой и расположенный над долотом. Он включает в себя три узла:
- вращающийся приводной вал (мандрель);
- внутренний эксцентрик (втулку);
- утяжеленный наружный вал.
В роторной управлямой системе с изменением направления долота для смены направления бурения используют внутренний изгиб. Его точка расположена непосредственно над долотом в специальной утяжеленной трубе. Чтобы изменить направление бурения, изменяется угол торца инструмента по отношению к забою. Контроль изгиба осуществляется серводвигателем: он вращается в направлении, противоположном бурильной колонне, но с той же скоростью. Это позволяет фиксировать торец долота в заданном направлении без отклонения. Точность прокладки скважины в соответствии с разработанным проектом обеспечивается следующими факторами:
- текущее положение наружного корпуса постоянно контролирует компьютер, управляющий бурильным инструментом;
- при наличии отклонений от заданного направления происходит автоматическое изменение положения эксцентриковой втулки;
- перемещение последней осуществляется так, чтобы сохранить необходимую ориентацию бурения;
- втулка управляется двигателем постоянного тока, работающим от независимого источника тока – турбинного генератора или литиевых АКБ.
Комбинированные системы
Гибридные РУС являются одной из последних разработок в данной отрасли и сочетают в себе характеристики обоих вариантов: с отклонением долота и изменением его направления. В качестве примера таких систем можно привести PowerDrive Archer марки Schlumberger. Для корректировки траектории скважины в них используются не выдвижные лопатки (башмаки), а четыре поршня привода, расположенные внутри утяжеленной бурильной трубы (УБТ). Нажимая на цилиндрический поворотный хомут, закрепленный на вращающемся шарнире, они устанавливают долото в нужной позиции. На внешней же части хомута расположены четыре лопасти. Они предназначены для создания бокового усилия на долото при соприкосновении со стенкой, что позволяет работать в режиме с отклонением рабочего инструмента. Все подвижные компоненты находятся внутри, защищены от негативного воздействия внутрискважинной среды. Такая РУС более надежна, имеет значительно меньшие риски повреждения или отказа, бóльший эксплуатационный ресурс. Роторные управляемые системы PowerDrive в процессе бурения могут измерять:
- зенитные и азимутальные углы вблизи бурильного инструмента;
- уровень ударных и вибрационных нагрузок КНБК (компоновки нижней части бурильной колонны);
- угловую скорость вращения долота.
Стратегии управления РУС
Внедрение роторной управляющей системы в нефте- и газодобывающей отрасли позволяет ускорить бурение, управлять траекторией и направлением ствола скважины в соответствии с заданными параметрами. Важнейшей задачей является обеспечение точности управления бурильными работами, так как на сам процесс влияет множество временных и иных факторов, независимых друг от друга. Для получения лучшего результата при дистанционном бурении скважин разрабатываются и внедряются различные стратегии управления РУС, помимо стандартного варианта (без обратной связи). Выбор каждой из них осуществляется в соответствии с конкретными геологическими условиями и особенностями разрабатываемого участка.
Современная стратегия
В ней используется моделирование вероятных состояний пространства. Чаще всего такая стратегия применяется для решения задач со многими параметрами, значение которых зависит от времени, например, для расчета траектории скважины. В такой стратегии используются различные типы управления: надежное, адаптивное, прогнозирующее, скользящим режимом и ряд других. Некоторые исследователи предлагают трехкомпонентную схему быстрой оценки, при которой контроллер компенсирует погрешности РУС и управляет ее выходными данными так, чтобы они соответствовали эталонным показателям. Для обеспечения надежности отслеживания был предложен метод управления наклоном с обратной связью. Для бурения скважин сложной геометрической формы без спиралевидности ствола предлагается метод синтеза контроллера. К инновационным решениям относительно РУС можно отнести метод дискретного прогнозирования, в котором используется минимально расширенное пространство состояний.
Стратегия интеллектуального управления
В ней объединены искусственный интеллект (ИИ), теория информации, автоматическое управление и текущие исследования. Методы управления такой стратегией используют разные подходы к интеллектуальным вычислениям. Среди наиболее распространенных можно упомянуть машинное обучение, нейросети, метод нечеткой логики.
Стратегия сложного управления
Она предусматривает одновременное использование не менее двух методов управления. Выбор конкретных вариантов осуществляется на основе особенностей конкретной РУС. Совокупность нескольких методов управления роторными системами позволяет компенсировать недостатки каждого из них и получить необходимый результат, как-то: более высокую производительность скважины, эффективное удаление шлама, точные размеры ствола и т. д.
Стратегии управления РУС не сводятся только к вышеперечисленным методам. Исследователи продолжают работать над усовершенствованием роторной управляющей системы для получения лучших результатов и большей точности проводимых работ.
Предложение от ГК «АКРОС»
Основное направление деятельности компании – это «Решения для бурения». «АКРОС» имеет собственный Центр исследований буровых растворов, оснащенный современным оборудованием. Это позволяет разрабатывать инновационные составы для бурения, которые повышают производительность нефтяных скважин, делают более перспективными для разработки даже самых сложных месторождений. Специалисты компании подбирают свойства буровых растворов под конкретные горно-геологические условия с учетом особенностей эксплуатации участка нефтедобычи. Кроме этого, «АКРОС» осуществляет сервисное сопровождение буровых растворов, подбирает и сопровождает бурильное оборудование, обеспечивает необходимую техническую поддержку всего производственного процесса.