Panoramica della misurazione durante la perforazione (MWD).
I metodi di telemetria avevano difficoltà a far fronte ai grandi volumi di dati del fondo pozzo, quindi la definizione di MWD è stata ampliata per includere i dati archiviati nella memoria dello strumento e recuperati quando lo strumento veniva riportato in superficie. Tutti i sistemi MWD hanno tipicamente tre sottocomponenti principali:
- Sistema di alimentazione
- Sistema di telemetria
- Sensore direzionale
Sistemi di alimentazione
I sistemi di alimentazione nella MWD generalmente possono essere classificati in due tipi: batteria o turbina. Entrambi i tipi di sistemi di potere presentano vantaggi e svantaggi intrinseci. In molti sistemi MWD, una combinazione di questi due tipi di sistemi di alimentazione viene utilizzata per fornire energia allo strumento MWD in modo che l'alimentazione non venga interrotta durante le condizioni di flusso del fluido di perforazione intermittente-. Le batterie possono fornire questa energia indipendentemente dalla-circolazione del fluido di perforazione e sono necessarie se si verifica un disboscamento durante l'entrata o l'uscita dal foro.
Sistemi di batterie
Le batterie al litio-cloruro di tionile sono comunemente utilizzate nei sistemi MWD per la loro eccellente combinazione di elevata-densità di energia e prestazioni superiori alle temperature di servizio MWD. Forniscono una fonte di tensione stabile fino alla fine della loro vita utile e non richiedono componenti elettronici complessi per condizionare l'alimentazione. Queste batterie, tuttavia, hanno una produzione di energia istantanea limitata e potrebbero non essere adatte per applicazioni che richiedono un consumo di corrente elevato. Sebbene queste batterie siano sicure a temperature più basse, se riscaldate oltre i 180 gradi, possono subire una reazione violenta e accelerata ed esplodere con forza significativa. Di conseguenza, sono previste restrizioni sulla spedizione di batterie al litio-cloruro di tionile negli aerei passeggeri. Anche se queste batterie sono molto efficienti durante la loro vita utile, non sono ricaricabili e il loro smaltimento è soggetto a rigide normative ambientali.
Sistemi a turbina
La seconda fonte di abbondante produzione di energia, l'energia delle turbine, utilizza il flusso dei fluidi di perforazione-della piattaforma. La forza di rotazione viene trasmessa dal rotore di una turbina a un alternatore attraverso un albero comune, generando una corrente alternata (CA) trifase di frequenza variabile. I circuiti elettronici rettificano la corrente alternata in corrente continua utilizzabile (CC). I rotori della turbina per questa attrezzatura devono accettare un'ampia gamma di portate per soddisfare tutte le possibili condizioni di pompaggio del fango-. Allo stesso modo, i rotori devono essere in grado di tollerare notevoli quantità di detriti e materiale perso in circolazione (LCM) trascinati nel fluido di perforazione.
Sistemi di telemetria
La telemetria degli impulsi del fango- è il metodo standard nei sistemi MWD commerciali e nei sistemi di registrazione durante la perforazione (LWD). I sistemi acustici che trasmettono lungo il tubo di perforazione subiscono un'attenuazione di circa 150 dB per 1000 m nel fluido di perforazione.[1]Sono stati fatti diversi tentativi per costruire aste di perforazione speciali con un filo metallico integrale. Sebbene offra velocità dati eccezionalmente elevate, il metodo di telemetria cablata integrale richiede:
- Tubo di perforazione speciale costoso
- Movimentazione speciale
- Centinaia di collegamenti elettrici che devono restare affidabili anche in condizioni difficili
L’esplosione delle misurazioni downhole ha stimolato nuovi lavori in questo settore,[2]e sono state dimostrate velocità di dati superiori a 2.000.000 di bit/secondo.
La trasmissione elettromagnetica a bassa-frequenza ha un uso commerciale limitato nei sistemi MWD e LWD. A volte viene utilizzato quando si utilizza aria o schiuma come fluido di perforazione. La profondità dalla quale può essere trasmessa la telemetria elettromagnetica è limitata dalla conduttività e dallo spessore delle formazioni sovrastanti. Ripetitori o amplificatori di segnale posizionati nella corda di perforazione estendono la profondità dalla quale i sistemi elettromagnetici possono trasmettere in modo affidabile.
Sono disponibili tre sistemi di telemetria a impulsi-fango: sistemi a impulsi-positivi, a impulsi-negativi e a onde-continue. Questi sistemi prendono il nome dal modo in cui i loro impulsi si propagano nel volume del fango. I sistemi a impulso-negativo creano un impulso di pressione inferiore a quello del volume del fango scaricando una piccola quantità di fango della corda di perforazione ad alta-pressione dal tubo di perforazione all'anello. I sistemi a impulsi-positivi creano una momentanea restrizione del flusso (pressione maggiore rispetto al volume del-fango di perforazione) nel tubo di perforazione. I sistemi a onde continue-creano una frequenza portante che viene trasmessa attraverso il fango e codificano i dati utilizzando gli sfasamenti della portante. Vengono utilizzati molti sistemi di codifica dei dati-diversi, spesso progettati per ottimizzare la durata e l'affidabilità del generatore di impulsi, poiché deve sopravvivere al contatto diretto con il flusso di fango abrasivo e ad alta-pressione.
Il rilevamento del segnale di telemetria- viene eseguito da uno o più trasduttori posizionati sul tubo di livello dell'impianto. I dati vengono estratti dai segnali da apparecchiature informatiche di superficie alloggiate in un'unità skid o sul pavimento della perforazione. La riuscita della decodifica dei dati dipende fortemente dal rapporto segnale-rispetto-rumore.
Esiste una stretta correlazione tra la dimensione del segnale e la velocità dei dati di telemetria; maggiore è la velocità dei dati, minore diventa la dimensione dell'impulso. La maggior parte dei sistemi moderni ha la capacità di riprogrammare i parametri di telemetria dello strumento e rallentare la velocità di trasmissione dei dati-senza inciampare; tuttavia, il rallentamento della velocità dei dati influisce negativamente sulla densità dei dati di log-.
Rumore del segnale
Le fonti più importanti di rumore del segnale sono le pompe di fango, che spesso creano un rumore a frequenza relativamente alta-. L'interferenza tra le frequenze della pompa porta alla formazione di armoniche, ma questi rumori di fondo possono essere filtrati con tecniche analogiche. I sensori di velocità della pompa-possono essere un metodo molto efficace per identificare e rimuovere il rumore della pompa dal segnale telemetrico grezzo. Il rumore a frequenza-bassa nel volume del fango è spesso generato dai motori di perforazione. Anche la profondità del pozzo e il tipo di fango influiscono sull'ampiezza e sulla larghezza del segnale ricevuto-. In generale, i fanghi a base di petrolio-(OBM) e i fanghi a base di pseudo-olio-sono più comprimibili dei fanghi a base di acqua-; pertanto, provocano le maggiori perdite di segnale. Tuttavia, i segnali sono stati recuperati senza problemi significativi da una profondità di quasi 9.144 m (30.000 piedi) in fluidi comprimibili.
Sensori direzionali
Lo stato dell'arte nella tecnologia dei sensori direzionali- è una serie di tre magnetometri fluxgate ortogonali e tre accelerometri. Sebbene in circostanze normali i sensori direzionali standard forniscano rilievi accettabili, qualsiasi applicazione in cui esiste incertezza sulla posizione del fondo pozzo può essere problematica. Le recenti tendenze a perforare pozzi più lunghi e più complessi hanno focalizzato l’attenzione sulla necessità di un modello di errore standard.
Il lavoro svolto dall'Industry Steering Committee on Wellbore Accuracy (ISCWA) mirava a fornire un metodo standard per quantificare le incertezze posizionali con i livelli di confidenza associati. Le principali fonti di errore sono state classificate:
- Errori del sensore
- Interferenza magnetica dal BHA
- Disallineamento dell'utensile
- Incertezza del campo-magnetico
Insieme alle incertezze nella profondità misurata, le incertezze dell'indagine di fondo pozzo contribuiscono agli errori nella profondità assoluta. Tieni presente che tutti i metodi di correzione dell'azimut in tempo reale-richiedono la trasmissione di dati grezzi alla superficie, il che impone un carico sul canale di telemetria.
Lo sviluppo del giroscopio (giroscopio)-MWD per la navigazione offre vantaggi significativi rispetto ai sensori di navigazione esistenti. Oltre ad una maggiore precisione, i giroscopi non sono suscettibili alle interferenze dei campi magnetici. L'attuale tecnologia giroscopica è incentrata sull'integrazione della robustezza meccanica, sulla riduzione al minimo del diametro esterno e sul superamento della sensibilità alla temperatura. L'applicazione principale della tecnologia consiste nel risparmiare il tempo impiegato dai giroscopi wireline durante l'esecuzione dei kickoff da aree interessate da interferenze magnetiche.
Ambiente operativo e affidabilità dello strumento
I sistemi MWD sono utilizzati negli ambienti operativi più difficili. Condizioni evidenti come alta pressione e temperatura sono fin troppo familiari a ingegneri e progettisti. L’industria della telefonia fissa ha una lunga storia di successo nel superare queste condizioni.
Temperatura
La maggior parte degli strumenti MWD può funzionare continuamente a temperature fino a 150 gradi, con alcuni sensori disponibili con valori nominali fino a 175 gradi. Le temperature degli strumenti MWD- possono essere di 20 gradi inferiori rispetto alle temperature di formazione misurate dai tronchi wireline, a causa dell'effetto di raffreddamento della circolazione del fango, quindi le temperature più elevate incontrate dagli strumenti MWD sono quelle misurate durante l'esecuzione in un foro in cui il volume del fluido di perforazione-non è stato fatto circolare per un periodo prolungato. In questi casi è consigliabile interrompere periodicamente la circolazione durante la corsa in buca. L'uso di un pallone Dewar per proteggere i sensori e l'elettronica dalle alte temperature è comune nelle linee cablate, dove i tempi di esposizione nel pozzo sono generalmente brevi, ma l'uso di palloni per la protezione della temperatura non è pratico in MWD a causa dei lunghi tempi di esposizione alle alte temperature che devono essere sopportati.
Pressione
La pressione del fondo pozzo è meno un problema della temperatura per i sistemi MWD. La maggior parte degli strumenti è progettata per resistere fino a 20.000 psi, con strumenti specialistici classificati fino a 25.000 psi. La combinazione di pressione idrostatica e contropressione del sistema raramente si avvicina a questo limite.
Urti e vibrazioni nel fondo pozzo
Gli urti e le vibrazioni del fondo pozzo pongono i sistemi MWD di fronte alle sfide più gravi. Contrariamente alle aspettative, i primi test effettuati utilizzando sistemi di fondo pozzo strumentati hanno dimostrato che l'entità degli shock laterali (da-a-lato) è notevolmente maggiore degli shock assiali durante la normale perforazione. Gli strumenti MWD moderni sono generalmente progettati per resistere a shock di circa 500 G per 0,5 ms su una durata di 100.000 cicli. Anche lo shock torsionale, prodotto dalle accelerazioni torsionali stick/slip, può essere significativo. Se sottoposti a ripetuti attacchi/scivolamenti, è probabile che gli strumenti si guastino.
Statistiche sull'affidabilità degli strumenti
Il lavoro iniziale svolto per standardizzare la misurazione e il reporting delle statistiche sull'affidabilità dello strumento MWD- si concentrava sulla definizione di un guasto e sulla divisione del numero aggregato di ore circolanti con successo per il numero aggregato di guasti. Questo lavoro ha prodotto un numero di -tempo-tra-guasti (MTBF) medio. Se i dati venissero accumulati in un periodo statisticamente significativo (in genere 2.000 ore), si potrebbero ricavare tendenze significative dell'analisi dei guasti-. Tuttavia, man mano che gli strumenti per il downhole sono diventati più complessi, l’International Association of Drilling Contractors (IADC) ha pubblicato raccomandazioni sull’acquisizione e il calcolo delle statistiche MTBF.
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