Система контролю і управління процесом проводки нафтових і газових свердловин "Леуза-1"

М.Г. Лугуманов, Р.А. Низів, Д.В. Артемов, М.Б. Славнітскій, Г.Н. Мухаматулліна

Однією з найбільш актуальних завдань при проведенні геологорозвідувальних робіт є безперервний контроль і керування повним технологічним циклом будівництва свердловини з метою оптимізації процесу буріння, прогнозування і своєчасного запобігання аварійних ситуацій.

Рішенням цих завдань займаються інформаційно-вимірювальні служби геолого-технологічних досліджень (ГТВ) свердловин в процесі буріння, які на основі комплексного використання інформації про технологічні режимних параметрах буріння (властивостей бурового розчину, шламу, керна і даних газової хроматографії) дозволяють здійснити єдиний геологічний і технологічний контроль за процесом буріння. Однак область застосування ГТВ включає, як правило, дослідження пошукових, розвідувальних та опорно-параметричних свердловин. Застосування ГТВ на експлуатаційних свердловинах економічно не завжди доцільно, і тому дуже часто експлуатаційне буріння ведеться без відповідного контролю за технологічним процесом, з використанням морально застарілих, розрізнених контрольно-вимірювальних засобів. У зв'язку з цим виникла необхідність створення єдиних інформаційно-вимірювальних систем контролю і управління процесом буріння свердловин, що працюють в автономному режимі [1, 3].

Для цих цілей в АТ НВФ "Геофізика" була розроблена інформаційно-вимірювальна система контролю і управління процесом буріння свердловин "Леуза-1" і налагоджене їх серійне виробництво. Ця система дозволяє вести безперервний контроль і реєстрацію основних технологічних режимних параметрів і шляхом вибору найбільш оптимальних режимів буріння керувати проведенням нафтових і газових свердловин [2].

"Леуза-1" являє собою закінчений технологічний модуль і може експлуатуватися як складова частина станції ГТВ, як технологічної підсистеми, так і в автономному варіанті як пульт бурильника.

В першому випадку система "Леуза-1" використовується для модернізації старого, аналогового парку станцій ГТВ типу СГТ-1, СГТ-2 і газокаротажних станцій типу АГКС-4. У другому випадку система монтується, експлуатується і обслуговується безпосередньо самими буровиками і є потужним інформаційним інструментом як для бурильника, так і для бурового майстра, і сприяє безаварійної, високошвидкісний і, найголовніше, технологічно бездоганною проводці вертикальних і особливо похило спрямованих і горизонтальних свердловин.

Система складається з комплекту датчиків технологічних параметрів, інформаційного табло, сигнального пристрою і робочого місця майстра (рис.1, 2).

Рис. 1. Комплект датчиків і інформаційне табло

Рис. 2. Робоче місце майстра, сигнальний пристрій та комплект сполучних кабелів

В базовому варіанті комплект датчиків включає в себе: індикатор потоку (витрат) промивної рідини (ПЖ) на виході; датчик рівня ПЖ в ємності; датчик щільності ПЖ в ємності; датчик навантаження на гаку; датчик крутного моменту на роторі; датчик тиску ПЖ на вході; датчик ходів насоса; датчик оборотів лебідки (датчик глибини).

Базовий комплект датчиків може бути замінений або доповнений іншим набором датчиків.

Під всіх датчиках використовується уніфіковане напруга ± 12 або 5 В. Датчик ходів насоса і датчик оборотів лебідки мають імпульсний вихід, а решта -- аналоговий вихід з лінійною характеристикою.

Сигнали з датчиків надходять на інформаційне табло (пульт бурильника), яке конструктивно виготовлено у вигляді металевого валізи і монтується в безпосередній близькості від бурильника.

Інформаційне табло являє собою низову систему збору і виконує такі функції:

прийом сигналів з первинних датчиків;

візуалізація поточної інформації на лінійних і цифрових індикатори;

первинна обробка інформації з датчиків (осредненіе, фільтрація, відбраковування помилкових значень параметрів);

аналіз виходу за межі встановлених обмежень контрольованих параметрів;

включення звукового та світлового сигналу тривоги при виході контрольованих параметрів за межі встановлених обмежень при аварійних і передаварійних ситуаціях;

передача інформації з послідовного порту на робоче місце майстра.

На лицьовій панелі інформаційного табло виведені вісім лінійних індикаторів та один чотирирозрядний цифровий індикатор. Значення вимірюваних параметрів відображаються на лицьовій панелі у вигляді світяться лінійних стовпчиків. Цифровий індикатор призначений для відображення поточної глибини забою.

На панелі передбачено ручне встановлення граничних значень контрольованих параметрів. Встановлення порогу спрацьовування сигналізації по кожному параметру проводиться бурильником шляхом обертання ручки відповідного потенціометра до моменту загоряння контрольного світлодіоди. При відхиленні значення якого-небудь параметра на ± 30% від нормального значення на лицьовій панелі загоряється одна з світлодіодів "вище" або "нижче" і включається сигнал тривоги, сигналізуючи вихід даного параметра за межі порогових значень.

На нижній панелі інформаційного табло встановлені тумблери для включення і вимкнення напруги живлення і аварійної сигналізації, а також електричні роз'єми для підключення напруги живлення 220 В, вимірювальних датчиків, сигнального пристрою і сполучного кабелю з робочого місця майстра.

Всередині інформаційного табло розміщені:

Мікроконтролер в промисловому виконанні - призначений для первинної обробки інформації з датчиків, управління роботою цифрового і лінійних індикаторів, сигнального пристрою та інших складових частин системи. Через мікроконтроллер здійснюється також зв'язок між інформаційним табло і робочим місцем майстра.

Модуль ПЗО - призначений для введення і виведення інформації, має по 16 аналогових і Цифрові входи і до 8 каналів цифро-аналогового перетворення.

Модуль управління аварійною сигналізацією - має 8 вхідних каналів - по одному на кожен контрольований параметр, а восьмий канал управляється програмно з робочого місця бурильника. При появі на одному з вхідних каналів сигналу тривоги модуль управління включає аварійну сигналізацію, причому вона працює до тих пір, поки не усунеться причина аварії або сигналізація не буде вимкнена вручну.

Блок харчування - забезпечує всі вузли системи і вимірювальні датчики низьковольтним стабілізованою напругою. Блок живлення розрахований на роботу при перепадах мережевої напруги від 85 до 265 В, що забезпечує безперебійну роботу всієї апаратури на буровій. Апаратура на буровій розрахована на роботу при температурі навколишнього середовища від -45 до +50 ° С.

Робоче місце бурового майстра розміщується у вагоні майстра або інженера-технолога і включає в себе комп'ютер (рекомендується Pentium 166 і вище), кольоровий принтер типу "HP DeskJet 710" або "Epson Stylus 1500" і відповідне програмне забезпечення. Індикаторне табло і робоче місце майстра пов'язані двопровідної лінією по інтерфейсу RS-485.

В базовий варіант програмного забезпечення інформаційно-вимірювальної системи "Леуза-1" входять дві програми: програма реєстрації технологічних параметрів буріння, що працює в реальному масштабі часу, і програма перегляду та друку збережених даних. У комплект ПЗ можуть бути включені також програма реєстрації та друку інклінометріческіх даних і програма реєстрації даних ГТВ, яка є розширеною версією базового ПО реєстрації технологічних параметрів і дозволяє додатково реєструвати дані газового каротажу і ряд геологічних параметрів.

ПО реєстрації технологічних даних призначений для збору, зберігання і обробки інформації, що надходить з датчиків, розташованих на буровій, і дозволяє в реальному масштабі часу вирішити наступні завдання:

-- прийом та оперативну обробку інформації від датчиків технологічних параметрів буріння, розташованих на буровій;

-- візуалізацію інформації на моніторі у вигляді діаграм і в табличному вигляді;

-- формування бази даних реального часу в масштабах часу, глибини і "виправленою" глибини з подальшим збереженням всієї інформації на жорсткому диску;

-- розрахунок і рекомендація найбільш оптимальних навантажень;

-- видачу оперативної інформації на друк.

Програма включає декілька екранів, що дозволяють одночасно отримати вичерпну інформацію як про стан свердловини і бурового обладнання, так і про технічному стані самої інформаційно-вимірювальної системи.

Основний екран програми реєстрації зображений на рис. 3. Він включає меню, інформаційну панель, колонки параметрів і рядок з підказкою.

Рис. 3. Основний екран програми реєстрації

Меню, розташоване у верхній частині екрана, є список ключових слів: "Рейс", "Операції", "Вид", "Опції", "Колонки", "Різне", "Звіти" "Довідка". Після вибору будь-якого з цих пунктів меню з'являється список команд (або пунктів), що містяться в даному меню. За допомогою меню оператор керує програмою, її діями і настроюванням.

Інформаційна панель призначена для відображення такої найбільш важливою технологічною інформації, як наявність ваги на гаку і тиску, тип втручання, положення інструменту і глибина вибою. На інформаційній панелі розташовані індикатор оптимального навантаження, поле для встановлення місткості екрану (проміжок часу, вибраний оператором для виведення інформації на екран), годинник і кнопки для управління програмою.

В колонках у вигляді графіків та діаграм відображаються значення контрольованих параметрів. З лівого боку, як правило, розміщуються дві колонки, куди виводяться дані по глибині і за часом. Далі будуються інформаційні колонки, причому їх кількість може бути від однієї до восьми, вони можуть бути будь-якої ширини і розташовуватися в будь-якій послідовності. Дані можуть відображатися в масштабі часу і глибини. У верхній частині кожної інформаційної колонки вказується назва параметра та діапазони виводу. Колір назви співпадає з кольором графіка. В колонках містяться дані, зібрані за зазначений час. На екран може бути одночасно виведена інформація, зареєстрована за період від 3 хвилин до 24 ч.

Рядок з підказкою розташовується в нижній частині екрана і на ній у текстовому вигляді виводиться підказка з того елементу екрану, над яким розташований курсор мишки.

Крім основного екрана є декілька додаткових, в кожному з яких має свою форма представлення поточної інформації (рис. 4).

Рис. 4. Додаткові екрани ПО реєстрації: а) Параметри; б) Циркуляція; в) Журнал подій; г) Табло бурильника; д) Панель з індикаторами.

Додаткові екрани можуть бути викликані через меню "Екрани":

"Параметри" - Викликає екран, в якому виводяться поточні цифрові значення параметрів. Вікно являє собою таблицю, що складається з двох стовпців. У лівому стовпчику виводиться назва параметра, а в правому - його числове значення і одиниця вимірювання.

"Циркуляція" - Викликає екран з мнемонічний зображенням всіх основних вузлів бурового обладнання. На екрані в динаміці (у вигляді світяться і рухомих символів) відображається поточна ситуація на буровій на підставі реальних свідчень датчиків. Екран відображає наявність тиску, положення інструменту над забоєм, рівень ПЖ в ємностях, роботу насоса. Його друга функція - відображати результати діагностики датчиків, тобто показувати їх несправність. Щоб перевести екран в режим відображення несправності датчиків, потрібно в меню "Режим" вибрати пункт "Діагностика датчиків". Якщо датчик справний, овал з його назвою заповнений зеленим кольором, у противному випадку назва датчика починає блимати червоним кольором.

"Журнал подій "- викликає екран зі списком подій (аварій, попереджень і т.д.) Екран містить таблицю з двома стовпчиками: датою і часом і описом події. Усі події, які сталися під час реєстрації, записуються в журнал подій, причому для зручності аварійні події пишуться червоним кольором, початок і закінчення рейсів - синім, всі інші події - чорним.

"Табло бурильника "- показання індикаторів ідентичні показаннями індикаторів пульта бурильника на буровій.

"Відпрацювання долота "- викликає екран з графіками рейсовий швидкості і вартості метра проходки, за якими оцінюється ступінь зношування долота і видається висновок про необхідності підйому долота.

"Панель з індикаторами "- викликає екран, в якому зображено табло, де значення параметрів відображені в цифровій формі. Для зручності сприйняття табло розділене на три зони. Перша - найбільш інформативна при проведенні спуско-підйомних операцій. У другій - розміщена група реєструються і розрахункових параметрів, що дозволяють оцінити ефективність роботи долота на вибої. У третій -- відображаються значення параметрів промивної рідини.

Програма дозволяє в реальному масштабі часу розрахувати найбільш оптимальні значення навантаження. Після виклику режиму "Розрахунок оптимального навантаження" з'являється діалогове вікно, зображене на рис. 5.

Рис. 5. Розрахунок оптимального навантаження

Синім кольором на екрані відображено поточне значення навантаження, яскраво-біла зона відповідає області розвантаження колони. Червона вертикальна лінія проходить через точку оптимального навантаження на графіку, а заштрихований зелений прямокутник -- область найбільш оптимальних значень навантаження.

В програмі реєстрації передбачена можливість складання та друку по стандартними формами різних текстових звітів. Наприклад:

"Друк рапорту за рейсом "- для роздрукування документа за попереднім рейсу.

"Друк добового рапорту "- для роздрукування документа за попередню добу.

Програма для перегляду збережених даних призначена для подальшого перегляду, аналізу та інтерпретації зареєстрованих даних, записаних заздалегідь на жорсткий диск. Зручна система пошуку файлів дозволяє швидко знайти будь-яку потрібну інформацію по конкретній свердловині за будь-який період часу і глибини.

Інформаційно-вимірювальна система "Леуза-1" успішно пройшла приймальні випробування. В даний час близько 10 систем експлуатується у виробничому режимі на бурових Уфімського і Туймазінского УБР АНК "Башнефть". У 2000 - 2001 рр.. планується оснастити цими системами все бурові верстати АНК "Башнефть".

Список літератури

1. Геолого-технологічні дослідження свердловини в процесі буріння. РД 39-0147716-102-87.

2. Демпсі П., 1986, Короткий огляд стану вимірювань в процесі буріння: Нафта, газ і нафтохімія за кордоном, 5, 7-11.

3. Мальцев А.В., Дюков Л.М., 1989, Прилади й засоби контролю процесу буріння. Довідковий посібник: М., Недра.