Текущее состояние. Современное бурение скважин по сложным траекториям затрудняет прогнозирование распределения сил и моментов по бурильной колонне и определение её напряженно-деформированного состояния (НДС) только за счет использования аналитических моделей с привязкой к устьевым датчикам, способа, распространенного в отрасли. Это связано с неопределенностями в процессе бурения, такими как коэффициент трения и продольные изгибные деформации (потеря устойчивости), которые могут привести к погрешностям в расчетах. Неправильный выбор модели колонны (гибкой, жесткой или гибридной) влияет на точность эпюр. Численные методы, такие как метод конечных элементов, также страдают от неопределенностей и недостатка данных. В результате ошибки в расчетах могут привести к осложнениям: повышенному износу инструмента, недостижению нагрузки до долота, запиранию труб и поломкам инструмента.

Решаемая научная проблема. Для улучшения прогнозов НДС необходима система мониторинга, которая может работать либо через анализ косвенных факторов, либо через прямые измерения. В данном исследовании акцент сделан на системе прямых измерений, использующей датчики в составе бурильной колонны. Датчики передают информацию на устье скважины в режиме реального времени через единый канал связи. Цель исследования — проанализировать возможности и ограничения современных каналов связи в бурении.

Методы исследования. Произведен обзор существующих каналов связи и научных и инженерных достижений по рассматриваемому направлению. 

Обзор каждого канала связи выполнен по следующей структуре:

• описание технологии и ее разновидности;

• физические ограничения применения технологии;

• факторы, влияющие на затухание сигнала, и проблема помехозащищенности;

• краткие выводы.

Большое внимание уделяется оптоволоконному каналу, так как научное и инженерное сообщество забывает о возможности применения развивающейся перспективной технологии для бурения и внутрискважинных работ.

По результатам обзора проводится анализ существующих каналов связи на возможность интеграции с сетью датчиков и становления компонентом системы мониторинга.

Детали исследования. Точная система мониторинга НДС бурильной колонны возможна только с использованием сети датчиков, распределенных по колонне и измеряющих деформации или усилия (рисунок 1). Проблема заключается в передаче данных: для опроса всех датчиков и передачи информации на устье нужен единый канал связи. Беспроводные каналы не могут поддерживать сеть точечных тензодатчиков, поэтому предпочтительнее проводные, которые обеспечивают стабильную и быструю передачу данных. Проводные системы, такие как электропроводной канал, могут объединить датчики в сеть и собирать данные для построения эпюр нагрузок и напряжений.

Оптоволоконные каналы могут решать проблему с большим количеством датчиков, выполняя одновременно роль и канала связи, и датчика. В предыдущих проведенных исследованиях показано, что оптоволокно можно использовать для связи между забойными датчиками и устьем при бурении с трубами с замками, но проблема наращивания кабеля для его использования как датчика пока не решена. Тем не менее при бурении с колтюбингом систему мониторинга с оптоволокном можно внедрить уже сейчас.

Заключение. В связи с тем, что нефтегазовые компании не готовы использовать электропроводной канал связи с сетью тензодатчиков по бурильной колоне, обеспечивающие точный мониторинг НДС БК, а способ применения оптического волокна, сочетающего в себе канал связи и датчик деформаций, для условий бурения с бурильными трубами с замками остается неразвитым на текущий момент времени, решено в будущих исследованиях сосредоточиться на системе анализа косвенных факторов и построения аналитической модели. Следует отметить, что при моделировании НДС динамически активной БК в следствие разрушения горных пород возникает ряд неопределенностей, снижающих точность расчета нагрузок и моментов. К ряду неопределенностей относится определение устойчивости колонны с учетом вибраций. Проведение натурных экспериментов влияния разноамплитудных колебаний на устойчивость БК позволит определить критические нагрузки в динамических условиях и оптимизировать режимные параметры бурения скважин.