УДК 622.24СОЗДАНИЕ НОВОГО ИНФОРМАЦИОННОГО КАНАЛА СВЯЗИ С ЗАБОЕМ СКВАЖИНЫ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ ПУТЕМ ЗАПИСИ И АНАЛИЗА ТОКОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОДАвтор: А.В. ЕпихинНаучный руководитель: М.А. Самохвалов, доцент кафедры Бурения скважин ИГНД НИ ТПУНациональный исследовательский Томский политехнический университет, г. ТомскВ работе представлена возможность создания альтернативы существующим системам контроля процесса бурения путем создания информационного канала с забоем бурящейся скважины путем записи и анализа токов с границы раздела «долото - горная порода». В основе работы лежат исследования профессора А.А. Воробьева по электризации твердых тел при механическом воздействии на них. По данным проведенных исследований определены различные зависимости величины электрических токов от различных параметров и условий, характеризующих процесс бурения.Введение В последнее время бурение становится все более высокотехнологичной отраслью промышленности - скорость создания новых разработок, программных продуктов очень высока и это позволяет решать множество острых проблем. Но при этом многие вопросы остаются открытыми и приводят к существенным временным и материальным затратам. Одной из таких проблем можно обозначить - сложность точного определения момента внедрения бурового долота в продуктивный пласт в процессе бурения. Нахождение ответа на этот вопрос позволило бы существенно снизить затраты на данном этапе сооружения скважины и дало возможность проконтролировать и снизить степень загрязнения продуктивного пласта.История исследований Исследования явления электризации твердых тел в процессе разрушения механическим воздействием были начаты в Томском политехнической институте еще в 1970 году известным профессором А.А. Воробьевым. Эти исследования позволили выйти на различные направления практического использования данного явления. Было доказано, что минеральный состав, а также насыщенность горной породы флюидом существенно влияют на измеряемое электромагнитное поле. В ТПИ также предпринимались попытки контролировать разрушение горной породы при бурении алмазным породоразрушающим инструментом, однако электромагнитное поле за пределами образцов удалось зарегистрировать только при сухом бурении. Промывочная жидкость, в качестве которой во время лабораторных исследований использовалась вода, полностью экранировала электромагнитные поля растущих трещин. Данная сложность привела к остановке исследований до 2003 года, пока на кафедре Бурения скважин снова не вернулись к данному вопросу. Для решения возникшей проблемы на кафедре бурения скважин была сформулирована идея перехода от бесконтактной регистрации электромагнитных полей к измерению токов замыкаемых с породоразрушающего инструмента на внешний контур в составе: бурильная колонна, элементы бурового станка и горная порода. На основе этой идеи появилась возможность проведения экспериментов уже наиболее приближенных к процессу бурения.Цели, актуальность, новизна работы и возможность внедрения результатов Первоначально основной целью исследований являлась – создание методики определения точного момента внедрения в продуктивный пласт в процессе бурения скважины. Но уже после первого комплекса исследований было выявлено множество закономерностей, которые обозначили сопутствующие направления исследований: - создание классификации горных пород по величине генерируемых токов; - определение влияния параметров режима бурения и основных механизмов генерации электрических токов на результат эксперимента; - разработка программного обеспечения для мгновенной регистрации электрических токов с забоя скважины, их автоматической обработки и записи; - построение моделей поведения бурового оборудования по спектрам изучаемых токов. Как известно, существует множество систем контроля процесса бурения, но многие из них имеют существенные недостатки. Основная проблема заключается в том, что наиболее дешевые и простые системы дают грубые данные, а получение точных данных хорошего качества связано с большими материальными затратами и сложным оборудованием. Актуальность данной работы подчеркивается тем, что при выполнении поставленных задач буровым компаниям будет предложена достаточно простая система контроля, которая не будет связана с сильным усложнением и модификациями оборудования и позволит с высокой точностью определять многие параметры в процессе бурения (некоторые из которых вообще не регистрируются современной аппаратурой) при минимальных затратах. Кроме того, применение проектируемой системы контроля позволит снизить как временные, так и материальные затраты на сам процесс сооружения скважины. Перед проведением первых исследований был проведен тщательный информационных поиск, как в отечественных, так и зарубежных источниках. Он показал, что аналогов подобных исследований и поставленных целей на данный момент нет. Большинство разработчиков систем контроля идут по пути усложнения оборудования, что естественно приводит к увеличению его себестоимости.Теория процесса генерации электрических токов Если рассуждать о сути явления возникновения электрических токов при механическом разрушении горных пород, то она проявляется в следующем. При вдавливании индентора (зубец долота) в горную породу в ней возникают под действием критических напряжений трещины нормального отрыва, на плоскостях которых образуются электрические заряды с некоторой плотностью. В результате возникают следующие процессы: эмиссия быстрых электронов и электромагнитная эмиссия (импульсное электромагнитное поле), которые несут информацию о величине механических потерь энергии. После возникновения импульсной и постоянной составляющей токи с границы раздела «долото – горная порода» начинают свое движение к поверхности, где и снимаются с помощью замкнутого контура и, проходя через усилитель, передаются для обработки на компьютер. Замкнутый контур представляет собой электрическую схему где один конец замыкается на основание буровой или обсадную колонну, а второй на элемент оборудования, имеющий связь с забоем (бурильная колонна, сливная воронка). В результате информационного поиска и изучения процессов, возникающих на забое, были сделаны выводы о том, что электромагнитная эмиссия в данном случае представлена термоэлектронной эмиссией (эмиссия электронов с поверхности раскаленного тела – на контакте зубца долота и горной породы температуры достигают нескольких тысяч градусов) и экзоэлектронной эмиссией (эмиссия электронов при механическом разрушении тела). Кроме того, было обозначено, что свой вклад в результат эксперимента вносит: возникновение и разрушение двойного электрического слоя на границе раздела «долото - горная порода», непосредственно связанный с контактной разностью потенциалов на границе раздела, а также электрохимические свойства жидкости.Используемые экспериментальные установки Основной проблемой при планировании исследований был выбор экспериментальной установки. Начиная с 2003 года, исследования проводились на станке для колонкового бурения СКБ-5 с алмазной буровой головкой в качестве породоразрушающего инструмента (схема установки представлена на рис. №1). Но основным недостатком данного агрегата была низкая скорость экспериментов, поэтому для ускорения исследований в 2005 году был совершен переход на установку для резки образцов керна алмазными дисками (см. рис. №2) – данная установка позволила провести большое количество экспериментов и выявить важные закономерности. Рис. №1 Схема экспериментальной установки на базе СКБ-5Рис. №2 Схема установки для регистрации акустических сигналов и импульсного тока при резании образцов горной породы: 1 – основание; 2 – электродвигатель; 3 – передаточный механизм подвижной каретки; 4 – направляющая; 5 – подвижная каретка; 6 – образец горной породы; 7 – микрофон; 8 – усилитель; 9 – компьютер; 10 – алмазный круг; 11 – шпиндель; 12 – индукционный датчик; 13 – осциллограф; 14 – усилитель; 15 – передаточный механизм шпинделя.Но даже выбранная установка имела существенные недостатки – невозможность регистрации постоянной составляющей электрических токов, а также отсутствие способов варьирования параметров режима бурения. С целью устранения вышеуказанных недостатков в 2009 году был совершен переход на новую экспериментальную буровую установку на базе вертикального сверлильного станка ГС2112 (см. рис. №3). Данная установка позволит не только регистрировать постоянную составляющую токов, но и изменять основные параметры режима бурения, оценивая их влияние на результат эксперимента. Частота вращения бурильной колонны регулируется трехфазным ЛАТРом, подключенным к двигателю по схеме Ларионова, осевая нагрузка регулируется количеством навешиваемых грузов, а расход бурового раствора изменяется на коллекторе бурового насоса. Буровая установка полностью смонтирована, проведены испытания гидравлического и электрического каналов. Следующим этапом является проведение первого комплекса испытаний на опытных образцах. ^ Рис. №3 Функциональная схема экспериментальной буровой установкиРезультаты лабораторных исследований В результате проведенных исследований на экспериментальной установке для резания образцов керна алмазными дисками (см. рис. 2) был получен большой объем данных и выявлены важные закономерности. На рис. №4 представлена зависимость величины импульсных электрических токов от гранулометрического состава горной породы. В исследованиях использовались образцы песчаников, как основной составляющей коллекторов Западной Сибири. Как можно заметить, чем меньше средний размер частиц разрушаемого песчаника, тем выше импульсный ток, получаемый при исследованиях. Это объясняется увеличением количества контактов между породоразрушающим инструментом и частицами разрушаемой горной породы на единицу площади. Также прямо пропорциональная зависимость имеется и между твердостью разрушаемой горной породы и величиной импульсных токов – чем выше твердость, тем больше токи по абсолютным значениям. Кроме того, был сделан вывод о влиянии цемента скрепляющего частицы горной породы на величину получаемых токов.Рис. №4 Зависимость силы импульсного тока от типа горной породы: 1 - среднезернистый песчаник с высоким содержанием крупнозернистого материала; 2 - крупно-среднезернистый песчаник с кальцитовым цементом; 3 - крупно-среднезернистый песчаник с кальцитовым и кварцевым цементом; 4 - мелкозернистый песчаник.Если рассуждать о влиянии типа промывочной жидкости на результат эксперимента, то выявлены следующие закономерности. Использование в качестве промывочной жидкости воды приводит к получению максимальных значений импульсных токов, а при использовании глинистых растворов – минимальных (см. рис. №5; табл. №1). Рост тока при использовании в качестве промывочной жидкости солевого раствора объясняется возникновением на контакте буровое долото – горная порода значительных электрохимических потенциалов.Рис. №5 Зависимость силы импульсного тока от типа используемой промывочной жидкостиЗависимость силы импульсного тока от типа Таблица №1 используемой промывочной жидкости Промывочная жидкость Удельное электрическое сопротивление, Ом*м Сила импульсного тока, мА Горная порода 1 Горная порода 2 Горная порода 3 Солевой раствор 0,0126 30,2 21,6 20,6 Вода 7,07 22,5 18,5 9 Водный раствор ПАВ 5,21 21 12,3 8,1 Глинистый раствор 1,57 18 11,2 7,4 Результаты полевых исследований Помимо лабораторных исследований, в 2006 году были проведены первые полевые исследования на скважине №25-2204 Игольско-Талового месторождения Томской области по хоз. договору с ОАО «Томскнефть». В результате исследований была получена зависимость величины токов от типа насыщающего флюида, которая представлена на рис. №6. Как можно заметить, в интервале расположения нефтенасыщенной части коллектора абсолютные значения токов резко возрастают. Рис. №6 Влияние типа насыщающего флюида на величину импульсных токов: 1 - глина; 2 - аргиллит; 3 - нефтенасыщенная часть; 4 - водонасыщенная часть.На рис. №7 представлена зависимость импульсных токов от механической скорости бурения. Можно заметить, что зависимость между величиной тока и механической скоростью обратнопроцпорциональная. Помимо полученных закономерностей в процессе исследования спектров токов был сделан вывод, что они позволяют эмпирически определить период колебаний бурильной колонны в скважине, что дает возможность начать работу по построению поведения бурильной колонны в скважине. ^ Рис. №7 Зависимость электрических токов от механической скорости: 1- нефтенасыщенная часть; 2 - водонасыщенная часть.Перспективы Если рассуждать о дальнейших перспективах данной работы, то они следующие: - Период весна-лето 2010 года: создание программного обеспечения для мгновенной обработки и записи результатов исследований в процессе эксперимента; - Период лето 2010 года: проведение полевых исследований на месторождениях Томской области (заключены договора с несколькими буровыми компаниями); - Период осень-зима 2010 года: проведение полномасштабных лабораторных исследований на новой экспериментальной буровой установке.Апробация Результаты научной работы представлены на Международных, Всероссийских и Региональных симпозиумах и конференциях в Томске, Белгороде, Туле, Ухте, Междуреченске, Санкт-Петербурге и Москве. Работа имеет 14 публикаций (7 из них в печати), одна из которых на иностранном языке.Выводы Если рассуждать о выводах по научной работе, то можно сказать следующее – необходимо проведение дальнейших исследований в данном направлении. Это обусловлено: -заинтересованностью буровых компаний в положительном результате исследований; - возможностью создания новой, простой и экономически выгодной системы контроля за процессом бурения; - создание альтернативы и конкуренции современным системам контроля процесса бурения; - возможностью построения модели поведения бурильной колонны в скважине.Литература В.Д. Евсеев, М.В. Петухов, М.А. Самохвалов Импульсные токи с забоя скважины – источник информации о свойствах горных пород – Известия Томского политехнического университета - Томск: Изд-во ТПУ, 2005, Т.308, №6 - с. 39-43. Евсеев В.Д., Петухов М.В., Самохвалов М.А. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Разработка комплекса диагностики эффективности разрушения горной породы при бурении скважины – Томск: Изд-во ТПУ, 2006. – 50 с. Евсеев В.Д., Петухов М.В., Самохвалов М.А. Импульсные токи с забоя скважины – источник информации о свойствах горных пород // Известия Томского политехнического университета. – Томск: Изд-во ТПУ, 2005. – Т.308. - №6 – С. 39-44. А.А. Воробьев Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков – М.: Высшая школа, 1966. – 224 с. Л.Н. Добрецов Эмиссионная электроника – М.: Наука, 1966. – 564 с. К. Феттер Электрохимическая кинетика: пер. с нем. – М.: Химия, 1967. – 856 с. И.М. Кувшинников Поверхностные явления и дисперсные системы – М.: Изд-во МГОУ, 2008. – 107 с. Р.И. Минц, И.И. Мильман, В.И. Крюк Экзоэллектронная эмиссия полупроводников – Успехи физических наук – М.: Наука, 1976 г., Т. 119, №4 – с. 749-764. Епихин А.В. Исследование влияния промывочной жидкости на импульсные электрические токи, возникающие при бурении скважин // Проблемы геологии и освоения недр: Труды XII Междунар. симпоз. студентов и молодых учёных имени академика М.А. Усова. – Томск, 2008 – с. 509-512. Епихин А.В., Карнеев К.В. Экспериментальная буровая установка для изучения явлений на контакте буровое долото - горная порода // Проблемы геологии и освоения недр: Труды XIII Междунар. симпоз. студентов и молодых учёных имени академика М.А. Усова. – Томск, 2009 – с. 510-512.