Сравнительный анализ современных решений для измерения глубины погружения бурильной колонны в MWD/LWD-системах

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИИ, ТЕЛЕМЕХАНИЗАЦИИ И СВЯЗИ
Автоматизация и информатизация ТЭК. 2025. № 2(619). С. 11–19.
Automation and informatization of the fuel and energy complex. 2025; (2(619)):11-19.
Научная статья
УДК 622.24:550.832
Шифр научной специальности: 2.2.11
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ГЛУБИНЫ ПОГРУЖЕНИЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ В ПРОЦЕССЕ КАРОТАЖА
MWD- И LWD-СИСТЕМАМИ
Павел Владимирович Переверзин1, Владимир Станиславович Фетисов2,
Дмитрий Георгиевич Миловзоров3
1
НПФ "АМК ГОРИЗОНТ", г. Октябрьский, Россия
2
Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа, Россия
3
Уфимский университет науки и технологий, г. Уфа, Россия
1
oktppv@yandex.ru, 2 vladimirfetisov1963@mail.ru, 3 dgmilovzorov@yandex.ru
Аннотация. Одной из задач при эксплуатации MWD- и LWD-систем является обеспечение их средствами измерения
глубины погружения бурильной колонны в скважину. Существующие методы измерения и конструкции датчиков глубины
не удовлетворяют современным требованиям. Поэтому вопрос выбора, разработки и дальнейшего развития такой аппаратуры в настоящее время является актуальным. Цель исследования – поиск и сравнительный анализ предлагаемых
современных решений для измерения глубины в процессе каротажа MWD-, LWD-системами, который позволил выявить
их конструктивные особенности, преимущества и недостатки, найти наиболее приемлемый вариант и сформировать
представление о перспективных направлениях проектирования в этой области. В результате исследования выявлено,
что наиболее перспективным вариантом современных систем измерения глубины погружения бурильной колонны
в процессе каротажа MWD-, LWD-системами является метод с использованием МЭМС-акселерометров. Выполнен анализ
эксплуатационных характеристик существующей аппаратуры такого типа, указаны ее ограничения с оценкой технической
возможности их преодоления.
Ключевые слова: MWD-система, LWD-система, каротаж на бурильных трубах, геофизические исследования скважины,
глубина погружения бурильной колонны, датчик глубины, угол поворота вала лебедки, акселерометр
Для цитирования: Переверзин П.В., Фетисов В.С., Миловзоров Д.Г. Сравнительный анализ современных решений для
измерения глубины погружения бурильной колонны в процессе каротажа MWD- и LWD-системами // Автоматизация
и информатизация ТЭК. – 2025. – № 2(619). – С. 11–19.
Original article
COMPARATIVE ANALYSIS OF MODERN SOLUTIONS FOR MEASURING THE DEPTH OF THE DRILLING STRING
PENETRATION BY MWD AND LWD LOGGING PROCESSES
Pavel V. Pereverzin1, Vladimir S. Fetisov2, Dmitry G. Milovzorov3
1"AMK Horizon" Scientific and Production Company, Ltd., Oktyabrsky, Russia
2Ufa State Petroleum Technological University, Ufa, Russia
3Ufa University of Science and Technology, Ufa, Russia
1oktppv@yandex.ru, 2vladimirfetisov1963@mail.ru, 3dgmilovzorov@yandex.ru
Abstract. One of the tasks when operating MWD and LWD systems is to provide them by means for measuring the depth of drilling
string's penetration into the wellbore. The existing methods and designs of depth sensors do not meet modern requirements.
Therefore, the problem of such equipment selection, development and further advancing is currently relevant. The research
objective is to identify and comparatively analyze contemporary solutions proposed for depth measurement during MWD and LWD
logging operations, which would reveal their design specific features, advantages, and disadvantages, find the most suitable option,
and understand promising directions in this field’s engineering. The study resulted in revealing the fact that the most promising
method among current systems for measuring the drilling string's depth penetration during MWD and LWD logging operations
involves using MEMS accelerometers. The operational characteristics of the existing equipment of this type have been analyzed,
along with its limitations and an assessment of the technical feasibility of overcoming these constraints.
© П.В. Переверзин, В.С. Фетисов, Д.Г. Миловзоров, 2025
11
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИИ, ТЕЛЕМЕХАНИЗАЦИИ И СВЯЗИ
Keywords: MWD system, LWD system, logging on drilling pipes, geophysical well studies, depth of drill string penetration, depth
sensor, winch shaft rotation angle, accelerometer
For citation: Pereverzin P.V., Fetisov V.S., Milovzorov D.G. Comparative analysis of modern solutions for measuring the depth of
the drilling string penetration by MWD and LWD logging processes // Automation and informatization of the fuel and energy complex. – 2025. – No. 2(619). – P. 11–19.
Введение
В России все большую популярность приобретают
так называемые MWD (Measurements While Drilling) и
LWD (Logging While Drilling) системы для каротажа
на бурильных трубах в процессе бурения, которые
позволяют обеспечить существенное сокращение времени строительства скважин по сравнению с традиционными методами геофизических исследований [1, 2].
Более 10 лет назад передовые российские компании
в области геофизического приборостроения, такие
как научно-производственное предприятие "Энергия"
(г. Тверь), научно-производственная фирма "АМК
ГОРИЗОНТ" (г. Октябрьский), научно-производственное предприятие геофизической аппаратуры "Луч"
(г. Новосибирск) и другие, активно включились в
разработку и внедрение MWD-, LWD-систем.
Одним из аспектов практической реализации преимуществ MWD-, LWD-систем является точная привязка данных геофизических исследований скважин
(ГИС) по глубине. Современные технологии строительства нефтяных и газовых скважин предусматривают использование автоматизированных систем
управления (АСУ) бурением, которые выполняют регистрацию положения талевого блока с последующим
вычислением скорости проходки [3]. В настоящее
время сложилась практика использования датчиков,
входящих в состав АСУ, для определения глубины и
в процессе ГИС. Однако изложенные в [4] особенности эксплуатации автономных скважинных приборов,
спускаемых на бурильных трубах, не позволяют использовать существующие средства измерения скорости проходки для точной привязки по глубине. Поэтому специалисты в рассматриваемой области техники регулярно регистрируют патенты на инновационные разработки, а производители публикуют информацию о новых системах измерения глубины, но
однозначно эффективного решения для MWD-, LWDсистем на сегодняшний момент по-прежнему нет.
Измерение глубины погружения бурильной колонны выполняется путем регистрации перемещения различных элементов и узлов буровой установки (БУ) [5].
Система измерения глубины содержит, как правило,
два первичных преобразователя – датчик веса на талевом блоке и датчик глубины (глубиномер).
Глубиномер является базовым элементом, характеристики которого авторы данной статьи взяли за
основу для сравнительного анализа и выбора оптимального решения. В качестве критериев оценки
принята степень соответствия основным требованиям
12
к современным системам для измерения глубины погружения бурильной колонны в процессе каротажа на
бурильных трубах, сформулированным в [4]:
– возможность оперативного монтажа/демонтажа
датчиков одним человеком без внесения изменений в
конструкцию БУ;
– универсальность конструкции и способа монтажа датчиков на БУ независимо от ее типа.
Измерение угла поворота вала лебедки
с помощью магнитов
Самый распространенный первичный преобразователь для измерения глубины – это датчик оборотов
вала лебедки [6]. Принцип его работы заключается в
преобразовании угла поворота буровой лебедки в импульсы, число которых пропорционально линейному
перемещению талевого каната, с последующим пересчетом в вертикальное перемещение бурильной колонны (талевого блока). Широкое применение подобные первичные преобразователи получили благодаря простоте и надежности конструкции.
Научно-производственная компания "Геоэлектроника сервис" (г. Тверь) зарегистрировала в 2020 г. патент на изобретение – датчик контроля перемещения
инструмента (ДКПИ) [7], представляющий собой микроконтроллерный измерительный комплекс, включающий блок магнитов 1, выполненный в виде двух
полуколец, по внешнему периметру которого равномерно расположены постоянные магниты 3, и магниточувствительную головку 5, связанную кабелем 6 с
блоком электроники 7 (рис. 1). Блок магнитов 1 монтируется на вал лебедки 2, магниточувствительная
головка 5 устанавливается на расстоянии 1…5 мм от
блока магнитов 1 с помощью кронштейна 9, который
крепится к кожуху барабана лебедки 10.
Измерение глубины погружения бурильной колонны посредством ДКПИ осуществляется следующим образом. При вращении вала 2 с установленным
на нем блоком магнитов 1 блок электроники 7 преобразует две последовательности импульсов от соленоидов магниточувствительной головки 5 в счетные
импульсы, число которых пропорционально значению вертикального перемещения талевого блока с бурильной колонной. Согласно [7], число импульсов на
полный оборот вала указывается как один из параметров в программных средствах настройки датчика
контроля перемещения инструмента.
По информации с официального сайта разработчика [8], датчик оборотов вала лебедки ДОВЛ-319-02
Автоматизация и информатизация ТЭК 2(619)•2025
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИИ, ТЕЛЕМЕХАНИЗАЦИИ И СВЯЗИ
а
б
Рис. 1. Датчик контроля перемещения инструмента (а) и его монтажная схема установки на валу буровой лебедки (б):
1 – блок магнитов; 2 – вал лебедки; 3 – постоянный магнит; 4 – застежка; 5 – магниточувствительная головка; 6 – кабель;
7 – блок электроники; 8 – блок электропитания; 9 – кронштейн; 10 – кожух барабана буровой лебедки
применяется на буровых станках завода "Уралмаш"
для установки на валы диаметрами 190, 200 и 230 мм.
Аналогичную аппаратуру производит предприятие
"ГеоСенсор" (г. Тверь) [9].
Главной отличительной особенностью ДКПИ по
сравнению с выпускаемыми аналогами является блок
магнитов разъемной конструкции в виде браслета с
застежкой-фиксатором, которая позволяет оперативно закреплять его на валу лебедки без демонтажа ее
элементов, что значительно облегчает монтаж датчика. Согласно описанию изобретения [7], в комплекте
с блоком магнитов ДКПИ предусмотрен также набор
проставок из полимерного материала, устанавливаемых с внутренней стороны браслета, которые используются для перехода на другой диаметр вала.
Оценка эксплуатационных характеристик ДКПИ
на соответствие основным требованиям к современным системам для измерения глубины, приведенным
выше, показывает следующее.
Во-первых, несмотря на упрощенный монтаж блока магнитов, для установки магниточувствительной
головки требуется ее жесткое и надежное крепление
на фиксированном расстоянии (1…5 мм) от вала с
помощью кронштейна, что не предусмотрено конструкцией БУ. Поэтому с большой долей вероятности
при использовании ДКПИ потребуются дополнительные работы по внесению изменений в конструкцию кожуха лебедки, которые повлекут за собой увеличение сложности, времени монтажа и, соответственно, простой буровой бригады и оборудования.
Во-вторых, данное решение нельзя назвать универсальным, так как предусматривается монтаж блока
магнитов только на определенный размерный ряд валов и тип БУ. Кроме того, разрешающая способность
ДКПИ зависит от числа постоянных магнитов, равномерно расположенных по внешнему диаметру
разъемного браслета, и, соответственно, от диаметра
вала, на который устанавливается датчик. Дополнительным отрицательным фактором, увеличивающим
время монтажных работ, является прокладка питающих кабелей.
Из достоинств ДКПИ можно отметить относительную простоту и отсутствие деталей, подверженных механическому износу, что обеспечивает экономичность и высокую надежность в жестких условиях
эксплуатации.
Измерение угла поворота вала лебедки
с помощью акселерометров
Следующее техническое решение зарегистрировано в качестве изобретения в 2022 г. [10] и представляет комплект двух идентичных устройств 1 для бесконтактного измерения угла поворота вала буровой
лебедки, устанавливаемых посредством общего зажимного хомута 2 на внешней окружности вала 3
(рис. 2).
Согласно [10], каждое устройство комплекта – это
независимая автономная микроконтроллерная система с батарейным питанием, таймером реального времени и встроенной энергонезависимой памятью для
хранения измеренных данных. Синхронизация таймера с реальным временем персонального компьютера и считывание памяти выполняется через встроенный USB-интерфейс. В качестве чувствительного
элемента устройства используется микроэлектромеханический акселерометр (МЭМС-акселерометр), измеряющий проекцию ускорения на его чувствительную ось. Использование МЭМС-акселерометров для
Automation and informatization of the fuel and energy complex 2(619)•2025
13
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИИ, ТЕЛЕМЕХАНИЗАЦИИ И СВЯЗИ
Рис. 2. Монтажная схема установки комплекта
устройств на валу:
1 – корпус устройства; 2 – зажимной хомут; 3 – вал буровой лебедки
определения статического угла наклона объекта широко распространено в различных областях техники
благодаря высокой разрешающей способности, низкому потреблению, миниатюрности, широкому диапазону рабочих температур и надежности. Электронная промышленность предоставляет большой выбор
таких датчиков. В России разработкой и изготовлением МЭМС-акселерометров, например, занимается
компания "Лаборатория Микроприборов" [11].
Рис. 3. Датчик вращения вала буровой лебедки на акселерометрах из состава АРП-2
14
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что с помощью МЭМС-акселерометра выполняется динамическое измерение
угла поворота вращающегося вала, когда на чувствительный элемент действует центростремительная сила, обусловленная движением по окружности и вносящая существенную погрешность. Конструкция корпуса с основанием в виде выемки равнобедренной
трапецеидальной формы обеспечивает самоцентрацию устройств при установке на валы в широком
размерном диапазоне, а применяемая методика обработки данных позволяет устранить указанные погрешности. Благодаря такому решению описываемый
комплект устройств для измерения угла поворота вала имеет высокую разрешающую способность, низкое
энергопотребление, компактные размеры, не подвержен механическому износу и оперативно монтируется одним человеком с помощью стандартного зажимного хомута на вал в любом доступном месте, независимо от типа БУ.
По информации [12], НПФ "АМК ГОРИЗОНТ"
провела успешные производственные испытания, серийно производит и эксплуатирует аппаратуру регистрации перемещения талевого блока АРП-2. В ее состав входит датчик вращения вала буровой лебедки
на МЭМС-акселерометрах – ДВЛ (рис. 3), описываемый в [10]. Данная аппаратура предназначена для измерения глубины погружения автономных скважинных приборов, спускаемых на бурильных трубах.
Анализ эксплуатационных характеристик ДВЛ в
соответствии с рассматриваемыми в статье критериями оценки показывает, что предложенный способ измерения и конструкция корпуса, во-первых, позволяют оперативно монтировать его одному человеку без
использования специальных инструментов и внесения изменений в конструкцию кожуха лебедки; вовторых – обладает универсальностью и могут применяться на всем парке БУ, независимо от их типа.
Также стоит отметить, что применение в качестве
чувствительного элемента МЭМС-акселерометра позволяет использовать батарейное питание датчика
и исключает при монтаже прокладку питающих кабелей.
Однако, согласно [12], время непрерывной работы
АРП-2 в условиях отрицательных температур (при
–40 °С) ограничено емкостью элемента питания и составляет 30 ч, что достаточно для выполнения стандартного ГИС на бурильных трубах, но не перекрывает время, требуемое для каротажа посредством
LWD-систем, которое может составлять 10 сут и более. Кроме того, в АРП-2 отсутствует возможность
передачи информации в режиме реального времени,
а для LWD-систем это необходимая функция. Специалистам в данной области техники понятно, что
современные технологии позволяют устранить указанные ограничения, но потребуется модернизация и
конструктивная доработка существующих датчиков.
Автоматизация и информатизация ТЭК 2(619)•2025
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИИ, ТЕЛЕМЕХАНИЗАЦИИ И СВЯЗИ
Измерение перемещения талевого блока
с помощью ультразвуковых датчиков
Научно-производственная фирма "Геофизика"
(г. Уфа) предложила способ определения глубины погружения скважинного оборудования на трубах с использованием ультразвуковых излучателей. В 2019 г.
данное техническое решение зарегистрировано в качестве изобретения [13].
Согласно описанию изобретения [13], для измерения перемещения талевого блока 1 на вершине буровой мачты 2 и на уровне стола ротора 3 устанавливают ультразвуковые излучатели 4 и 5, соответственно,
а непосредственно на сам талевый блок или связанные с ним элементы – бесконтактный приемопередатчик 6 (рис. 4). Положение талевого блока определяется по времени распространения акустического
импульса от излучателя до приемника. Оригинальность идеи заключается в применении двух излучателей и одного приемника, что позволяет исключить
влияние параметров окружающей среды на результаты измерения.
Использование ультразвука для измерения расстояний получило широкое распространение в различных областях [14], благодаря низкой стоимости, малым габаритам датчиков и отсутствию влияния на
окружающие объекты. НПФ "АМК ГОРИЗОНТ", при
непосредственном участии авторов данной статьи, в
исследовательских целях выполнила ряд опытных
разработок систем измерения глубины погружения
бурильной колонны с использованием различных
ультразвуковых датчиков. Результаты этих исследований показали, что применение данных методов измерения расстояний в реальных условиях БУ не
представляется возможным ввиду значительных погрешностей, обусловленных акустическим шумом в
окружающем пространстве.
Оценка предложенного в [13] способа измерения
перемещения талевого блока на соответствие рассматриваемым в статье критериями, с одной стороны,
не имеет смысла, так как вопрос применимости ультразвуковых методов измерения в жестких условиях
эксплуатации БУ остается открытым. С другой стороны, развитие современных технологий (как аппаратных, так и программных), в обозримом будущем
могло бы изменить ситуацию. Поэтому для разработчиков такая оценка будет полезной для выделения
наиболее перспективных направлений.
Использование ультразвуковых технологий при
измерении перемещения бурильной колонны не
обеспечивает оперативности, так как монтаж излучателя на вершине буровой мачты и приемника на талевом блоке является нетривиальной задачей, связанной в том числе с безопасностью проведения работ.
Применение данного метода не ограничено типом
БУ, поэтому его можно характеризовать как универсальный.
Рис. 4. Условная схема, иллюстрирующая применение
ультразвука для измерения перемещения талевого блока:
1 – талевый блок; 2 – буровая мачта; 3 – стол ротора;
4, 5 – ультразвуковые передатчики; 6 – бесконтактный
приемопередатчик
Из достоинств ультразвуковых технологий следует отметить, что, в отличие от методов измерения угла поворота вала лебедки, они основаны на прямом
измерении перемещения талевого блока. Это позволяет избежать возникновения погрешностей, обусловленных растяжением элементов талевой системы [5].
Измерение перемещения бурильной колонны
с помощью машинного зрения
Одним из стремительно развивающихся и наукоемких направлений в современной технике является машинное зрение. В работе [15] профессор Университета нефтяных и энергетических исследований К.К. Сунил (г. Дехрадун, Индия) описывает способ применения технологии машинного зрения для отслеживания
и вычисления перемещений бурильной колонны.
На рис. 5 представлена условная схема, иллюстрирующая применение машинного зрения для измерения перемещения бурильной колонны. Наиболее
важным компонентом предлагаемой измерительной
системы является цифровая камера 1, которая фиксирует положение бурильной колонны 2 и стола бурового ротора 3 относительно пола БУ. Для получения
более четких изображений применяется дополнительный источник освещения 4. Изображения с камеры передаются в модуль обработки изображений, где
с помощью программных алгоритмов машинного
зрения выполняются анализ и интерпретация полученной информации с последующим формированием
диаграммы перемещения бурильной колонны.
Automation and informatization of the fuel and energy complex 2(619)•2025
15
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИИ, ТЕЛЕМЕХАНИЗАЦИИ И СВЯЗИ
Рис. 5. Условная схема, иллюстрирующая применение
машинного зрения для измерения перемещения бурильной
колонны:
1 – цифровая камера; 2 – бурильная колонна; 3 – стол бурового ротора; 4 – источник света
Следует отметить, что в работе [15] не приводятся
результаты каких-либо практических исследований
данного способа измерения перемещения бурильной
колонны. Однако идея использования для этих целей
машинного зрения предлагалась разработчиками и
ранее.
Например, в 2020 г. группой российских разработчиков был зарегистрирован патент на изобретение [16],
согласно которому с помощью цифровой камеры с
заданной периодичностью регистрируют последовательность изображений части поверхности бурильной
колонны. Затем, используя алгоритмы обработки машинного зрения, фиксируют на полученных кадрах
относительное положение контрастных точек и их
линейное перемещение, что позволяет рассчитать
глубину погружения бурильной колонны в скважину.
В отличие от работы [15], в описание патента [16]
включены результаты экспериментальных измерений
длины, скорости и ускорения движения колонны
насосно-компрессорных труб при реальном спуске в
нефтегазовую скважину в процессе проведения подземного ремонта.
Подобные исследовательские работы в области
машинного зрения проводились и на базе НПФ "АМК
ГОРИЗОНТ" при непосредственном участии авторов.
Результаты экспериментальных исследований подтвердили возможность измерения перемещения бурильных труб с помощью цифровой видеокамеры с
использованием интеллектуальных алгоритмов обработки изображений. Однако практические работы на
16
реальной БУ выявили существенные недостатки этой
технологии:
– в жестких условиях эксплуатации сложно обеспечить чистоту линз камеры;
– качество изображений напрямую зависит от яркости источника света;
– технология работ буровой бригады препятствует
непрерывному обзору бурильной колонны;
– вибрация, вращение бурильной колонны и стекающий буровой раствор являются источниками значительных погрешностей;
– монтаж и калибровка измерительной системы
является сложным и трудоемким процессом.
Последний из перечисленных недостатков указывает на несоответствие требованию к современным
системам для измерения глубины по оперативности
монтажа, но в целом данный метод можно считать
универсальным. Кроме того, необходимо отметить,
что технология машинного зрения подразумевает
разработку сложных математических алгоритмов и
использование дорогостоящей аппаратной части, требующей бережной эксплуатации. Отмеченные факторы ограничивают возможности применения видеоизмерений на нефтегазовых БУ. Подтверждением этого
является отсутствие информации из доступных источников о серийном производстве и эксплуатации
подобных измерительных систем.
Из достоинств технологии машинного зрения
можно выделить возможность бесконтактного прямого измерения перемещения бурильной колонны, что,
как и в случае с использованием ультразвука, позволяет минимизировать погрешности.
Сравнительный анализ методов измерения
перемещения бурильной колонны
В процессе выполнения работы авторы исследовали, но исключили из представленного анализа неперспективные, на их взгляд, системы измерения
глубины, описанные в [17–20], которые заведомо не
удовлетворяют актуальным требованиям и/или технически нереализуемы.
Результаты сравнительного анализа сведены в
таблицу, согласно которой наиболее приемлемым вариантом, удовлетворяющим основным требованиям к
системам измерения глубины в процессе каротажа на
бурильных трубах, является метод, основанный на
использовании МЭМС-акселерометров.
Оценка эксплуатационных характеристики серийно выпускаемого комплекта аппаратуры АРП-2 на
основе МЭМС-акселерометров не позволяет утверждать, что задача измерения перемещения бурильной
колонны в процессе каротажа MWD-, LWD-системами решена в полном объеме. Для преодоления выявленных ограничений авторами предложена модернизация и конструктивная доработка существующих
датчиков, что, с учетом возможностей современных
Автоматизация и информатизация ТЭК 2(619)•2025
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИИ, ТЕЛЕМЕХАНИЗАЦИИ И СВЯЗИ
Результаты сравнительного анализа методов измерения перемещения бурильной колонны в процессе каротажа
MWD-, LWD-системами
Методы измерения перемещения бурильной колонны
Соответствие основным
требованиям к системам
измерения
Основные достоинства
Основные недостатки
и ограничения
Оперативность монтажа
Частично
Универсальность конструкции
Нет
Измерение угла поворота
вала лебедки с помощью
МЭМС-акселерометров
Да
Да
Надежная конструкция; от- Время непрерывной работы
сутствуют детали, подвер- ограничено емкостью элемента
женные механическому из- питания
носу; не требуется прокладка питающих кабелей
Измерение перемещения
талевого блока с помощью
ультразвуковых датчиков
Нет
Да
Прямое измерение перемещения талевого блока
Значительные погрешности в
условиях реальной БУ; время
непрерывной работы ограничено
емкостью элемента питания
Измерение перемещения
бурильной колонны с помощью машинного зрения
Нет
Да
Бесконтактное, прямое измерение перемещения бурильной колонны
Наукоемкая и дорогостоящая
система измерения; значительные погрешности в условиях реальной БУ
Измерение угла поворота
вала лебедки с помощью
магнитов
технологий, представляется технически реализуемой
задачей.
Выводы
В статье приведены результаты патентно-информационного поиска и систематизации информации в
области регистрации перемещения бурильной колонны при строительстве нефтяных и газовых скважин.
По результатам исследования выделен ряд перспективных методов измерения, описаны принципы работы, особенности, достоинства и недостатки. Таким
образом, выполнен сравнительный анализ предлагаемых современных решений с точки зрения их применимости для измерения глубины в процессе каротажа
MWD-, LWD-системами.
Среди рассматриваемых методов наилучшими
оценками на соответствие актуальным требованиям
обладают системы на основе МЭМС-акселерометров.
В то же время у серийно выпускаемой аппаратуры с
подобными датчиками выявлены ограничения, но они
технически преодолимы. Поэтому среди методов измерения глубины скважины наиболее перспективным
направлением развития на сегодняшний день являются системы на основе МЭМС-акселерометров, устанавливаемые на вал буровой лебедки.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Итоги научно-практической конференции "Современные
технические средства управления траекторией скважин;
Каротаж в процессе бурения LWD. Развитие ГТИ с
внедрением цифровых технологий; Комплексирование ГТИ
и LWD. Новые отечественные разработки аппаратуры
Простая и надежная конструкция
Требуется жесткое крепление
чувствительной головки и прокладка питающих кабелей
и оборудования для ГИС (в рамках программы
импортозамещения)". – М.: МОО ЕАГО, 2023. – URL:
https://eago.ru/f/itogi_konferencii_gis_2023.pdf
(дата обращения 10.10.2024).
2. Prawira A.Y. Logging while drilling operation // Engineering
Solid Mechanics. – 2019. – Vol. 7, Issue 3. – P. 163–178. – DOI:
10.5267/j.esm.2019.6.001
3. Шмелев В.А. Автоматизированные системы управления
бурением нефтяных и газовых скважин, особенности их
построения и функционирования // Автоматизация,
телемеханизация и связь в нефтяной пром-сти. – 2021. –
№ 11(580). – С. 24–34. – DOI: 10.33285/0132-2222-202111(580)-24-34
4. Разработка современных систем измерения глубины
погружения бурильной колонны в процессе каротажа на
бурильных трубах / П.В. Переверзин, А.П. Переверзин,
В.С. Фетисов, Д.Г. Миловзоров // Электротехн. и информ.
комплексы и системы. – 2024. – Т. 20, № 3. – С. 135–144. –
DOI: 10.17122/1999-5458-2024-20-3-135-144
5. Бражников В.А., Кузнецов В.А. Информационные
устройства для определения эффективности управления
процессом бурения. – М.: Недра, 1978. – 108 с.
6. Васильев С.И., Лапушова Л.А. Датчики систем
автоматизации технологических процессов бурения
нефтяных и газовых скважин: справ. пособие. – М.: Издат.
дом Академии Естествознания, 2016. – 138 с.
7. Пат. 2715769 Рос. Федерация, МПК E21B 47/04,
G01B 7/30. Датчик контроля перемещения инструмента
/ И.П. Осипчук, Ю.В. Ремизов; патентообладатель
ООО НПК "Геоэлектроника сервис". – № 2019137736;
заявл. 22.11.2019; опубл. 03.03.2020, Бюл № 7.
Automation and informatization of the fuel and energy complex 2(619)•2025
17
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИИ, ТЕЛЕМЕХАНИЗАЦИИ И СВЯЗИ
8. Датчик контроля перемещения инструмента ДКПИ-310
("Глубиномер"). – URL:https://gelstver.ru/datchikkontrolya-peremeshheniya-instrumenta-dkpi-310(%E2%80%9Dglubinomer%E2%80%9D).html
(дата обращения 10.10.2024).
9. Датчик контроля перемещения инструмента ДКПИ-310.
Руководство по эксплуатации. – URL:
https://geosensor.ru/int/site/products/sensor/position/dkpi/RE_D
KPI_310.pdf (дата обращения 10.10.2024).
10. Пат. 2779700 Рос. Федерация, МПК G01B 7/30.
Способ измерения угла поворота вала и комплект
устройств для его реализации / П.В. Переверзин. –
№ 2021130778; заявл. 22.10.2021; опубл. 12.09.2022,
Бюл. № 26.
11. Акселерометры. – URL: https://mplab.ru/products/accelerometers/ (дата обращения
10.10.2024).
12. Датчик вращения вала буровой лебедки на
акселерометрах / А.Г. Шакиров, П.В. Переверзин,
Т.Р. Хусаинов, У.Ф. Исхаков // Каротажник. – 2024. –
№ 4(330). – С. 121–131.
13. Пат. № 2699095 Рос. Федерация, МПК E21B 47/00.
Способ определения глубины погружения скважинного
оборудования на трубах / В.М. Коровин, И.З. Кадраков,
С.А. Селезнев; патентообладатель АО НПФ "Геофизика".
– № 2018136396; заявл. 15.10.2018; опубл. 03.09.2019,
Бюл. № 25.
14. Bowler A.L., Pound M.P., Watson N.J. A review of ultrasonic
sensing and machine learning methods to monitor industrial
processes // Ultrasonics. – 2022. – Vol. 124. – P. 106776. –
DOI: 10.1016/j.ultras.2022.106776
15. Khare S.K. Machine vision for drill string slip status
detection // Petroleum Research. – 2022. – Vol. 7, Issue 1. –
P. 115–122. – DOI: 10.1016/j.ptlrs.2021.08.001
16. Пат. 2714167 Рос. Федерация, МПК E21B 47/04, E21B
47/08, E21B 19/00. Способ измерения технологических
параметров колонны труб, спускаемой в скважину,
и устройство для его осуществления / А.В. Бардин,
С.И. Буравлев, Д.М. Мухаметшин [и др.];
патентообладатель ООО "Деловой центр". –
№ 2019118579; заявл. 14.06.2019; опубл. 12.02.2020,
Бюл. № 5.
17. Пат. 2753907 Рос. Федерация, МПК E21B 47/04. Способ
измерения длины колонны труб, спускаемых в скважину, и
устройство для его осуществления / Е.В. Задорожный,
П.П. Кушнарёв. – № 2020141900; заявл. 17.12.2020; опубл.
24.08.2021, Бюл. № 24.
18. Пат. 2692330 Рос. Федерация, МПК E21B 47/09,
G01B 7/04. Устройство определения длины и скорости
колонны труб при проведении спускоподъемных операций
на скважине / А.В. Попов, М.М. Комарницкий, Е.В. Антипин
[и др.]. – № 2019105472; заявл. 26.02.2019; опубл.
24.06.2019, Бюл. № 18.
18
19. Intelligent Drilling Depth Monitoring System for
Geotechnical Site Investigation / Huang Man, Chen Zhangwei,
Hong Chenjie [et al.] // Shock and Vibration. – 2022. – Article
ID 6730484. – DOI: 10.1155/2022/6730484
20. Patent US 11966002 B2, Int. Cl. G01V 1/50, E21B 44/00.
Systems and methods for downhole determination of drilling
characteristics / H. Mathiszik; Current Assignee: Baker Hughes
Holdings LLC. – Application: 16/221,670; Filed: Dec. 17,
2018; Date of Patent: Apr. 23, 2024.
SPISOK ISTOChNIKOV
1. Itogi nauchno-prakticheskoy konferentsii "Sovremennye
tekhnicheskie sredstva upravleniya traektoriey skvazhin;
Karotazh v protsesse bureniya LWD. Razvitie GTI s vnedreniem
tsifrovykh tekhnologiy; Kompleksirovanie GTI i LWD. Novye
otechestvennye razrabotki apparatury i oborudovaniya dlya
GIS (v ramkakh programmy importozameshcheniya)". –
M.: MOO EAGO, 2023. – URL:
https://eago.ru/f/itogi_konferencii_gis_2023.pdf
(data obrashcheniya 10.10.2024).
2. Prawira A.Y. Logging while drilling operation // Engineering
Solid Mechanics. – 2019. – Vol. 7, Issue 3. – P. 163–178. –
DOI: 10.5267/j.esm.2019.6.001
3. Shmelev V.A. Avtomatizirovannye sistemy upravleniya
bureniem neftyanykh i gazovykh skvazhin, osobennosti ikh
postroeniya i funktsionirovaniya // Avtomatizatsiya,
telemekhanizatsiya i svyaz' v neftyanoy prom-sti. – 2021. –
№ 11(580). – S. 24–34. – DOI: 10.33285/0132-2222-202111(580)-24-34
4. Razrabotka sovremennykh sistem izmereniya glubiny
pogruzheniya buril'noy kolonny v protsesse karotazha na
buril'nykh trubakh / P.V. Pereverzin, A.P. Pereverzin,
V.S. Fetisov, D.G. Milovzorov // Elektrotekhn. i inform.
kompleksy i sistemy. – 2024. – T. 20, № 3. – S. 135–144. –
DOI: 10.17122/1999-5458-2024-20-3-135-144
5. Brazhnikov V.A., Kuznetsov V.A. Informatsionnye ustroystva
dlya opredeleniya effektivnosti upravleniya protsessom
bureniya. – M.: Nedra, 1978. – 108 s.
6. Vasil'ev S.I., Lapushova L.A. Datchiki sistem avtomatizatsii
tekhnologicheskikh protsessov bureniya neftyanykh i gazovykh
skvazhin: sprav. posobie. – M.: Izdat. dom Akademii
Estestvoznaniya, 2016. – 138 s.
7. Pat. 2715769 Ros. Federatsiya, MPK E21B 47/04,
G01B 7/30. Datchik kontrolya peremeshcheniya instrumenta
/ I.P. Osipchuk, Yu.V. Remizov; patentoobladatel' OOO NPK
"Geoelektronika servis". – № 2019137736; zayavl. 22.11.2019;
opubl. 03.03.2020, Byul № 7.
8. Datchik kontrolya peremeshcheniya instrumenta DKPI-310
("Glubinomer"). – URL:https://gelstver.ru/datchikkontrolya-peremeshheniya-instrumenta-dkpi-310(%E2%80%9Dglubinomer%E2%80%9D).html
(data obrashcheniya 10.10.2024).
Автоматизация и информатизация ТЭК 2(619)•2025
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ, АВТОМАТИЗАЦИИ, ТЕЛЕМЕХАНИЗАЦИИ И СВЯЗИ
9. Datchik kontrolya peremeshcheniya instrumenta DKPI-310.
Rukovodstvo po ekspluatatsii. – URL:
https://geosensor.ru/int/site/products/sensor/position/dkpi/RE_D
KPI_310.pdf (data obrashcheniya 10.10.2024).
10. Pat. 2779700 Ros. Federatsiya, MPK G01B 7/30. Sposob
izmereniya ugla povorota vala i komplekt ustroystv dlya ego
realizatsii / P.V. Pereverzin. – № 2021130778; zayavl.
22.10.2021; opubl. 12.09.2022, Byul. № 26.
11. Akselerometry. – URL: https://mplab.ru/products/accelerometers/ (data obrashcheniya
10.10.2024).
12. Datchik vrashcheniya vala burovoy lebedki na
akselerometrakh / A.G. Shakirov, P.V. Pereverzin,
T.R. Khusainov, U.F. Iskhakov // Karotazhnik. – 2024. –
№ 4(330). – S. 121–131.
13. Pat. № 2699095 Ros. Federatsiya, MPK E21B 47/00.
Sposob opredeleniya glubiny pogruzheniya skvazhinnogo
oborudovaniya na trubakh / V.M. Korovin, I.Z. Kadrakov,
S.A. Seleznev; patentoobladatel' AO NPF "Geofizika". –
№ 2018136396; zayavl. 15.10.2018; opubl. 03.09.2019, Byul.
№ 25.
14. Bowler A.L., Pound M.P., Watson N.J. A review of ultrasonic
sensing and machine learning methods to monitor industrial
processes // Ultrasonics. – 2022. – Vol. 124. – P. 106776. –
DOI: 10.1016/j.ultras.2022.106776
15. Khare S.K. Machine vision for drill string slip status
detection // Petroleum Research. – 2022. – Vol. 7, Issue 1. –
P. 115–122. – DOI: 10.1016/j.ptlrs.2021.08.001
16. Pat. 2714167 Ros. Federatsiya, MPK E21B 47/04,
E21B 47/08, E21B 19/00. Sposob izmereniya
tekhnologicheskikh parametrov kolonny trub, spuskaemoy v
skvazhinu, i ustroystvo dlya ego osushchestvleniya
/ A.V. Bardin, S.I. Buravlev,
D.M. Mukhametshin [i dr.]; patentoobladatel' OOO "Delovoy
tsentr". – № 2019118579; zayavl. 14.06.2019; opubl.
12.02.2020, Byul. № 5.
17. Pat. 2753907 Ros. Federatsiya, MPK E21B 47/04. Sposob
izmereniya dliny kolonny trub, spuskaemykh v skvazhinu, i
ustroystvo dlya ego osushchestvleniya / E.V. Zadorozhnyy,
P.P. Kushnarev. – № 2020141900; zayavl. 17.12.2020; opubl.
24.08.2021, Byul. № 24.
18. Pat. 2692330 Ros. Federatsiya, MPK E21B 47/09,
G01B 7/04. Ustroystvo opredeleniya dliny i skorosti kolonny
trub pri provedenii spuskopod"emnykh operatsiy na skvazhine
/ A.V. Popov, M.M. Komarnitskiy, E.V. Antipin [i dr.]. –
№ 2019105472; zayavl. 26.02.2019; opubl. 24.06.2019,
Byul. № 18.
19. Intelligent Drilling Depth Monitoring System for
Geotechnical Site Investigation / Huang Man, Chen Zhangwei,
Hong Chenjie [et al.] // Shock and Vibration. – 2022. – Article
ID 6730484. – DOI: 10.1155/2022/6730484
20. Patent US 11966002 B2, Int. Cl. G01V 1/50, E21B 44/00.
Systems and methods for downhole determination of drilling
characteristics / H. Mathiszik; Current Assignee: Baker Hughes
Holdings LLC. – Application: 16/221,670; Filed: Dec. 17,
2018; Date of Patent: Apr. 23, 2024.
Информация об авторах:
Information about the authors:
Павел Владимирович Переверзин, зав. сектором
Pavel V. Pereverzin, Head of the Sector
Владимир Станиславович Фетисов, д-р техн. наук,
профессор
Vladimir S. Fetisov, DSc (engineering), Professor
Дмитрий Георгиевич Миловзоров, канд. техн. наук, доцент
Dmitry G. Milovzorov, PhD (engineering), associate professor
Статья поступила в редакцию 28.12.2024 г.; одобрена после рецензирования 16.01.2025 г.; принята к публикации 20.01.2025 г.
Automation and informatization of the fuel and energy complex 2(619)•2025
19