Система контроля и управления процессом проводкинефтяных и газовых скважин «Леуза-1»
М.Г.Лугуманов, Р.А. Низамов, Д.В. Артемов, М.Б. Славнитский, Г.Н. Мухаматуллина
Однойиз наиболее актуальных задач при проведении геологоразведочных работ являетсянепрерывный контроль и управление полным технологическим циклом строительстваскважины с целью оптимизации процесса бурения, прогнозирования и своевременногопредотвращения аварийных ситуаций.
Решениемэтих задач занимаются информационно-измерительные службыгеолого-технологических исследований (ГТИ) скважин в процессе бурения, которыена основе комплексного использования информации о технологических режимныхпараметрах бурения (свойств бурового раствора, шлама, керна и данных газовойхроматографии) позволяют осуществить единый геологический и технологическийконтроль за процессом бурения. Однако область применения ГТИ включает, какправило, исследование поисковых, разведочных и опорно-параметрических скважин.Применение ГТИ на эксплуатационных скважинах экономически не всегдацелесообразно, и поэтому очень часто эксплуатационное бурение ведется безсоответствующего контроля за технологическим процессом, с использованиемморально устаревших, разрозненных контрольно-измерительных средств. В связи сэтим возникла необходимость создания единых информационно-измерительных системконтроля и управления процессом бурения скважин, работающих в автономном режиме[1, 3].
Дляэтих целей в АО НПФ «Геофизика» была разработанаинформационно-измерительная система контроля и управления процессом буренияскважин «Леуза-1» и налажено её серийное производство. Эта системапозволяет вести непрерывный контроль и регистрацию основных технологическихрежимных параметров и путем выбора наиболее оптимальных режимов буренияуправлять проводкой нефтяных и газовых скважин [2].
«Леуза-1»представляет собой законченный технологический модуль и может эксплуатироватьсякак составная часть станции ГТИ, в качестве технологической подсистемы, так и вавтономном варианте в качестве пульта бурильщика.
Впервом случае система «Леуза-1» используется для модернизациистарого, аналогового парка станций ГТИ типа СГТ-1, СГТ-2 и газокаротажныхстанций типа АГКС-4. Во втором случае система монтируется, эксплуатируется иобслуживается непосредственно самими буровиками и является мощныминформационным инструментом как для бурильщика, так и для бурового мастера, испособствует безаварийной, высокоскоростной и, самое главное, технологическибезупречной проводке вертикальных и особенно наклонно направленных игоризонтальных скважин.
Системасостоит из комплекта датчиков технологических параметров, информационноготабло, сигнального устройства и рабочего места мастера (рис.1, 2).
/>
Рис.1. Комплект датчиков и информационное табло
/>
Рис.2. Рабочее место мастера, сигнальное устройство и комплект соединительныхкабелей
Вбазовом варианте комплект датчиков включает в себя: индикатор потока (расхода)промывочной жидкости (ПЖ) на выходе; датчик уровня ПЖ в емкости; датчикплотности ПЖ в емкости; датчик нагрузки на крюке; датчик крутящего момента нароторе; датчик давления ПЖ на входе; датчик ходов насоса; датчик оборотовлебедки (датчик глубины).
Базовыйкомплект датчиков может быть заменён или дополнен другим набором датчиков.
Вовсех датчиках используется унифицированное напряжение ±12 или +5 В. Датчикходов насоса и датчик оборотов лебедки имеют импульсный выход, а остальные — аналоговый выход с линейной характеристикой.
Сигналыс датчиков поступают на информационное табло (пульт бурильщика), котороеконструктивно изготовлено в виде металлического чемодана и монтируется внепосредственной близости от бурильщика.
Информационноетабло представляет собой низовую систему сбора и выполняет следующие функции:
приемсигналов с первичных датчиков;
визуализациятекущей информации на линейных и цифровых индикаторах;
первичнаяобработка информации с датчиков (осреднение, фильтрация, отбраковка ошибочныхзначений параметров);
анализвыхода за пределы установленных ограничений контролируемых параметров;
включениезвукового и светового сигнала тревоги при выходе контролируемых параметров запределы установленных ограничений при аварийных и предаварийных ситуациях;
передачаинформации по последовательному порту на рабочее место мастера.
Налицевой панели информационного табло выведены восемь линейных индикаторов иодин четырехразрядный цифровой индикатор. Значения измеряемых параметровотображаются на лицевой панели в виде светящихся линейных столбиков. Цифровойиндикатор предназначен для отображения текущей глубины забоя.
Напанели предусмотрена ручная установка пороговых значений контролируемыхпараметров. Установка порога срабатывания сигнализации по каждому параметрупроизводится бурильщиком путем вращения ручки соответствующего потенциометра домомента загорания контрольного светодиода. При отклонении значения какого-либопараметра на ±30% от нормального значения на лицевой панели загорается один изсветодиодов «выше» или «ниже» и включается сигнал тревоги,сигнализируя выход данного параметра за пределы пороговых значений.
Нанижней панели информационного табло установлены тумблеры для включения ивыключения питающего напряжения и аварийной сигнализации, а также электрическиеразъемы для подключения питающего напряжения 220 В, измерительных датчиков,сигнального устройства и соединительного кабеля с рабочего места мастера.
Внутриинформационного табло размещены:
Микроконтроллерв промышленном исполнении — предназначен для первичной обработки информации сдатчиков, управления работой цифрового и линейных индикаторов, сигнальногоустройства и остальных составных частей системы. Через микроконтроллеросуществляется также связь между информационным табло и рабочим местом мастера.
МодульУСО — предназначен для ввода и вывода информации, имеет по 16 аналоговых ицифровых входов и до 8 каналов цифро-аналогового преобразования.
Модульуправления аварийной сигнализацией — имеет 8 входных каналов — по одному накаждый контролируемый параметр, а восьмой канал управляется программно срабочего места бурильщика. При появлении на одном из входных каналов сигналатревоги модуль управления включает аварийную сигнализацию, причем она работаетдо тех пор, пока не устранится причина аварии или сигнализация не будетвыключена вручную.
Блокпитания — обеспечивает все узлы системы и измерительные датчики низковольтнымстабилизированным напряжением. Блок питания рассчитан на работу при перепадахсетевого напряжения от 85 до 265 В, что обеспечивает бесперебойную работу всейаппаратуры на буровой. Аппаратура на буровой рассчитана на работу притемпературе окружающей среды от -45 до +50°С.
Рабочееместо бурового мастера размещается в вагоне мастера или инженера-технолога ивключает в себя компьютер (рекомендуется Pentium 166 и выше), цветной принтертипа " HP DeskJet 710" или «Epson Stylus 1500» исоответствующее программное обеспечение. Индикаторное табло и рабочее местомастера связаны двухпроводной линией по интерфейсу RS-485.
Вбазовый вариант программного обеспечения информационно-измерительной системы«Леуза-1» входят две программы: программа регистрации технологическихпараметров бурения, работающая в реальном масштабе времени, и программапросмотра и распечатки сохраненных данных. В комплект ПО могут быть включенытакже программа регистрации и распечатки инклинометрических данных и программарегистрации данных ГТИ, которая является расширенной версией базового ПОрегистрации технологических параметров и позволяет дополнительно регистрироватьданные газового каротажа и ряд геологических параметров.
ПОрегистрации технологических данных предназначено для сбора, хранения иобработки информации, поступающей с датчиков, расположенных на буровой, ипозволяет в реальном масштабе времени решить следующие задачи:
— прием и оперативную обработку информации от датчиков технологических параметровбурения, расположенных на буровой;
— визуализацию информации на мониторе в виде диаграмм и в табличном виде;
— формирование базы данных реального времени в масштабах времени, глубины и«исправленной» глубины с дальнейшим сохранением всей информации нажестком диске;
— расчет и рекомендация наиболее оптимальных нагрузок;
— выдачу оперативной информации на печать.
Программавключает несколько экранов, позволяющих одновременно получить исчерпывающуюинформацию как о состоянии скважины и бурового оборудования, так и отехническом состоянии самой информационно-измерительной системы.
Основнойэкран программы регистрации изображен на рис. 3. Он включает меню,информационную панель, колонки параметров и строку с подсказкой.
/>
Рис.3. Основной экран программы регистрации
Меню,расположенное в верхней части экрана, представляет собой список ключевых слов:«Рейс», «Операции», «Вид», «Настройки»,«Колонки», «Разное», «Отчеты»,«Справка». После выбора любого из этих пунктов меню появляется списоккоманд (или пунктов), содержащихся в данном меню. С помощью меню операторуправляет программой, ее действиями и настройкой.
Информационнаяпанель предназначена для отображения такой наиболее важной технологическойинформации, как наличие веса на крюке и давления, тип операции, положениеинструмента и глубина забоя. На информационной панели расположены индикатороптимальной нагрузки, поле для установки вместимости экрана (промежутоквремени, выбранный оператором для вывода информации на экран), часы и кнопкидля управления программой.
Вколонках в виде графиков и диаграмм отображаются значения контролируемыхпараметров. С левой стороны, как правило, размещаются две колонки, кудавыводятся данные по глубине и по времени. Далее строятся информационныеколонки, причем их количество может быть от одной до восьми, они могут бытьлюбой ширины и располагаться в любой последовательности. Данные могутотображаться в масштабе времени и глубины. В верхней части каждойинформационной колонки указывается название параметра и диапазоны вывода. Цветназвания совпадает с цветом графика. В колонках помещаются данные, собранные зауказанное время. На экран может быть одновременно выведена информация,зарегистрированная за период от 3 мин до 24 ч.
Строкас подсказкой располагается в нижней части экрана и на ней в текстовом видевыводится подсказка по тому элементу экрана, над которым расположен курсормышки.
Кромеосновного экрана имеется несколько дополнительных, в каждом из которых свояформа представления текущей информации (рис. 4).
/>
Рис.4. Дополнительные экраны ПО регистрации: а) Параметры; б) Циркуляция; в) Журналсобытий; г) Табло бурильщика; д) Панель с индикаторами.
Дополнительныеэкраны могут быть вызваны через меню «Экраны»:
«Параметры»- вызывает экран, в котором выводятся текущие цифровые значения параметров.Окно представляет собой таблицу, состоящую из двух столбцов. В левом столбцевыводится название параметра, а в правом — его числовое значение и единицаизмерения.
«Циркуляция»- вызывает экран с мнемоническим изображением всех основных узлов буровогооборудования. На экране в динамике (в виде светящихся и движущихся символов)отображается текущая ситуация на буровой на основании реальных показанийдатчиков. Экран отражает наличие давления, положение инструмента над забоем,уровень ПЖ в емкостях, работу насоса. Его вторая функция — отображатьрезультаты диагностики датчиков, т.е. показывать их неисправность. Чтобыперевести экран в режим отображения неисправности датчиков, нужно в меню«Режим» выбрать пункт «Диагностика датчиков». Если датчикисправен, овал с его названием заполнен зеленым цветом, в противном случаеназвание датчика начинает мигать красным цветом.
«Журналсобытий» — вызывает экран со списком событий (аварий, предупреждений ит.д.) Экран содержит таблицу с двумя столбцами: датой и временем и описаниемсобытия. Все события, произошедшие во время регистрации, записываются в журналсобытий, причем для удобства аварийные события пишутся красным цветом, начало иокончание рейсов — синим, все остальные события — черным.
«Таблобурильщика» — показания индикаторов идентичны показаниям индикаторовпульта бурильщика на буровой.
«Отработкадолота» — вызывает экран с графиками рейсовой скорости и стоимости метрапроходки, по которым оценивается степень износа долота и выдается заключение онеобходимости подъема долота.
«Панельс индикаторами» — вызывает экран, в котором изображено табло, где значенияпараметров отображены в цифровой форме. Для удобства восприятия табло разделенона три зоны. Первая — наиболее информативна при проведении спуско-подъемныхопераций. Во второй — размещена группа регистрируемых и расчетных параметров,позволяющих оценить эффективность работы долота на забое. В третьей — отображаются значения параметров промывочной жидкости.
Программапозволяет в реальном масштабе времени рассчитать наиболее оптимальные значениянагрузки. После вызова режима «Расчет оптимальной нагрузки»появляется диалоговое окно, изображенное на рис. 5.
/>
Рис.5. Расчет оптимальной нагрузки
Синимцветом на экране отображено текущее значение нагрузки, ярко-белая зонасоответствует области разгрузки колонны. Красная вертикальная линия проходитчерез точку оптимальной нагрузки на графике, а заштрихованный зеленый прямоугольник- область наиболее оптимальных значений нагрузки.
Впрограмме регистрации предусмотрена возможность составления и распечатки постандартным формам различных текстовых отчетов. Например:
«Печатьрапорта по рейсу» — для распечатывания рапорта по предыдущему рейсу.
«Печатьсуточного рапорта» — для распечатывания рапорта за предыдущие сутки.
Программадля просмотра сохраненных данных предназначена для последующего просмотра,анализа и интерпретации зарегистрированных данных, записанных предварительно нажесткий диск. Удобная система поиска файлов позволяет быстро найти любую нужнуюинформацию по конкретной скважине за любой интервал времени и глубины.
Информационно-измерительнаясистема «Леуза-1» успешно прошла приёмочные испытания. В настоящеевремя около 10 систем эксплуатируется в производственном режиме на буровыхУфимского и Туймазинского УБР АНК «Башнефть». В 2000 — 2001 гг.планируется оснастить этими системами все буровые станки АНК«Башнефть».
Список литературы
1.Геолого-технологические исследования скважины в процессе бурения. РД39-0147716-102-87.
2.Демпси П., 1986, Краткий обзор состояния измерений в процессе бурения: Нефть,газ и нефтехимия за рубежом, 5, 7-11.
3.Мальцев А.В., Дюков Л.М., 1989, Приборы и средства контроля процесса бурения. Справочноепособие: М., Недра.