Описание проекта

Среди комплекса разнообразных задач, решаемых с помощью инклинометрических приборов при геофизических исследованиях и обеспечении бурения нефтегазовых скважин, выделим ориентирование клина-отклонителя при зарезке боковых стволов (ЗБС). ЗБС обычно проводится в преимущественно вертикальных обсаженных скважинах старого фонда и позволяет, в том числе, существенно повысить дебет скважины, обеспечив довыработку первоначально выведенных из эксплуатации месторождений. Данная операция  внутри обсадной колонны обеспечивает ориентацию  инструмента для зарезки окна в её стенке в заданном направлении и при вертикальной ориентации скважины может выполняться только гироскопическим инклинометром (применение феррозондовых - исключается влиянием материала обсадной колонны).

Критическим для существующих гироскопических инклинометров являются сопровождающие выполнение данной операции значительные ударные нагрузки, что в силу недостаточной ударостойкости применяемых гироскопических чувствительных элементов (преимущественно ДНГ), приводит к их постепенной деградации и потере точностных характеристик прибора после некоего ограниченного числа операций. Как следствие – инклинометр теряет точность и не может использоваться при проведении других операций, предусматривающих более высокую по сравнению с ориентированием клина-отклонителя точность, в частности, съемку траектории скважин.

Предложение на отечественном рынке гироскопических инклинометров малого диаметра достаточно ограничено:

Аналог 1

    Малогабаритный гироскопический инклинометр УГИ-42.03 (ТНГИ 44-125), разработки и производства АО «СКБ ПН», Санкт-Петербург, построенный на базе одного двухосного ДУС производства АО «Раменский приборостроительный завод», позволяет проводить высокоточные измерения как в непрерывном режиме (используется при высокопродуктивной съемке траектории скважины), так и в точечном режиме гирокомпасирования (используется в т.ч. и при выставке клина-отлонителя).

Прибор эффективно применяется как в нефтегазовой отрасли, так и в других отраслях (добыча рудных полезных ископаемых, калийных солей, алмазов и др., строительство ПХГ, станций метрополитена и т.п.).

Опыт применения этого инклинометра для выставки клина-отклонителя как собственными силами АО «СКБ ПН» (на подряде у ООО «Бургаз»), так и силами эксплуатирующей организации –АО «Когалымнефтегазгеофизика»  (на скважинах ПАО «Лукойл») полностью подтверждает приведенный выше тезис о его постепенной деградации – по мере роста количества операций выставки клина-отклонителя.

Основные технические характеристики:

Режимы работы – непрерывный точечный

Схема скважинного прибора (СП) – продольная, габариты: D42 х 1700 мм (D44,5 х 1700 мм для ТНГИ-44-125)

          Тип гироскопического ЧЭ –отечественный двухосный ДНГ

Диапазон измерения, угл.град.: зенитного угла – 0…180, азимута -  0…360

Основные погрешности:

          В непрерывном режиме:

- выработки координат в плане – 0,4% от пройденного пути,

- выработки вертикальной координаты (TVD) – 0,1% от пройденного пути,

- измерения зенитного угла – ±5 угл.мин.

В точечном режиме:

- измерения азимута – 0,75 угл.град.хsecφ, где φ-географическая широта места проведения измерения (время определения азимута в точке – 3,5 мин.),

- измерения зенитного угла – ±5 угл.мин.

         Максимальная рабочая температура, °С – 125;

Максимальное давление, МПа – 60 (80 для ТНГИ 44-125).

Аналог 2

Модульный гироскопический инклинометр МИГ-42 разработки и производства АО «Геофизприбор» (Уфа) представляет собой малогабаритный прибор, использующий принцип гирокомпасирования. Измерения производятся при остановках скважинного прибора. Предусмотрена возможность работы как в кабельном варианте через модуль телеметрии и наземный прибор, так и в автономном режиме с питанием от модуля аккумуляторов.

Основные технические характеристики

Режим работы – точечный

Схема СП– продольная, габариты: D42 х 2300 мм               

          Тип гироскопического ЧЭ –импортный двухосный ДНГ

Диапазон измерения, угл.град.: зенитного угла – 1…80, азимута -  0…360

Основные погрешности:

- измерения зенитного угла - ±12 угл.мин.

- измерения азимута – см. табл. 1.

Таблица 1.

Максимальная рабочая температура, °С – 85;

Максимальное давление, МПа – 60.

МИГ-42 представлен на рынке и реально обеспечивает декларируемую точность, благодаря применению достаточно качественного ДНГ. Однако недостаточная  для работы в скважинах ударопрочность примененного ДУС, обуславливает его ограниченную надежность в эксплуатации.

Аналог 3

Шведская компания SPT (Stockholm Precision Tools) предлагает на российском рынке малогабаритный гироскопический инклинометр SPT 007/42.

Основные технические характеристики

Режим работы – точечный

Схема СП– продольная, габариты: D42 х 1500 мм               

          Тип гироскопического ЧЭ – импортный двухосный ДНГ

Диапазон измерения, угл.град.: зенитного угла – 1…70, азимута -  0…360

Основные погрешности:

- измерения зенитного угла- ± 7 угл.мин.,

- измерения азимута – ± 1 угл.град.

Максимальная рабочая температура, °С – 100;

Максимальное давление, МПа – 80.

Высокая точность сочетается с малыми габаритамиСП, однако информация о технических характеристиках применяемого в приборе гироскопического ЧЭ, свидетельствует (аналогично прибору МИГ-42) о недостаточной для работы в скважинах ударопрочности, что  вполне согласуется с результатами их эксплуатации в скважинах.

Аналог 4

Федеральное государственное унитарное предприятие "Ижевский механический завод" (ФГУП "ИМЗ") на сегодняшний день заявляет о выпуске гироскопического инклинометра ИГМ-42-85/60. Гироинклинометр построен по продольной схеме и предназначен для измерения в режиме точечного компасирования азимута, зенитного угла, угла установки отклонителя бурильного инструмента. В таблице 2 приведены его основные технические характеристики. Информация о его поведении в эксплуатации и о наличии на рынке отсутствует.

Таблица 2               

Предлагаемый подход

Таким образом, сегодня на нефтегазовом рынке востребован точечный малогабаритный гироскопический инклинометр, сочетающий в себе достаточно высокие точностные характеристики и устойчивость к ударным воздействиям, что позволяет применять его при проведении операций по постановке клина-отклонителя, без ущерба для дальнейшего технического состояния т.е. обеспечить решение одним прибором всего спектра инклинометрических задач. Возможность практической реализации такого прибора определяется,прежде всего, выбором гироскопического ЧЭ.

В проекте в качестве такого ЧЭ выбран твердотельный ДУС типа Silicon SensingCRS39-03, высокая вибро- и удароустойчивость которого обеспечивается за счет отсутствия в его конструкции подвижных механических частей. При этом последние версии этого гироскопа обладают уже достаточной точностью и для обеспечения задач съемки траектории скважины.

Научная новизна проекта определяется вновь разработанным алгоритмом компасирования с использованием единственного одноосного ДУС, что позволяет удешевить, упростить и снизить массогабаритные характеристики создаваемого ГИ.

Предлагаемый для разработки в рамках проекта ГИ обеспечивает выполнения всего комплекса перечисленных выше требований за счет применения:

-одного одноосного гироскопического ЧЭ типа Silicon SensingCRS39‑03 с осью чувствительности, лежащей в плоскости поперечного сечения скважинного прибора.

- сборки из избыточного числа (4 или 8) микромеханических акселерометров типа ADXL-103, обеспечивающей выработки зенитного угла с точностью, соответственно равной ±0,1°.

Алгоритм аналитического компасирования с помощью одноосного ДУС  основан на применении  итерационной процедуры, позволяющей последовательно уточнять значение рассчитанного азимутального угла при развороте рамки с установленным на ней гироскопическим ЧЭ по углу положения отклонителя в пределах ±180°.

В рамках предлагаемого проекта должен быть создан точечный гироскопический инклинометр на основе одноосного твердотельного датчика угловой скорости» (далее по тексту - Изделие), предназначенный для измерения азимута географического, зенитного угла,  угла установки отклонителя в обсаженных, необсаженных и бурящихся скважинахпроизвольной ориентации, в т.ч. - малого диаметра.

Область применения Изделия:

1) съемка траектории скважины в точечном режиме,

2) ориентирование клина-отклонителя при зарезке боковых стволов в обсаженных нефтегазовых скважинах.

      Отрасли применения Изделия: нефтегазовый сектор, добыча рудных и нерудных твердых полезных ископаемых, строительство.

Способы применения Изделия:

1) в составе каротажной станции (с подачей питания и съеме информации по кабелю),

2) автономно (с батарейным питанием и записью информации в бортовую флеш-память скважинного модуля)

       Особенности применения Изделия:

1) допускает проведение измерений как при спуске, так и подъеме;

2) при бурении вертикальных участков скважин устойчиво определяет азимут наклона оси скважины, начиная с зенитного угла 0,5 угл.градуса, что обеспечивает безопасность (безаварийность) бурения при высокой плотности расположения скважин.

3) не имеет ограничений по времени работы в скважине.

Преимущества Изделия перед известными аналогами:

1) высокая устойчивость к механическим воздействиям, что позволяет применять при выставке клина-отклонителя без последствий, связанных с потерей точности (универсальность по области применения);

2) высокая надежность, связанная с упрощенной по сравнению с аналогами конструкцией;

3) пониженная цена - за счет стоимости гироскопического ЧЭ (в разы - по сравнению с применяемыми в рассмотренных выше аналогах) и упрощенной по сравнению с аналогами конструкцией.

Основные технические характеристики Изделия:

Реализация предлагаемого проекта опирается на почти двадцатилетний опыт работы предприятия в области инклинометрии и практического присутствия на рынке. Благодаря этому предприятие располагает проверенными конструктивными и технологическими решениями проектирования и изготовления скважинных модулей инклинометрических приборов, необходимой производственной базой и сотрудниками соответствующих специальностей, отработанными методиками испытаний.  

Сотрудники предприятия внесли существенный вклад в создание современной теории подземной навигации, результаты которого отражены в многочисленных научных статьях, докладах на профильных научных конференциях, патентах РФ на изобретение, защищенных диссертациях  – см.Приложение 1.

Непосредственно в плане задела по проекту выполнено:

1) сформулирована задача, развитая в техническое задание,

2) проведен анализ рынка гироскопических приборов, пригодных для применения в малогабаритном инклинометре,

3) выбран гироскоп, закуплен образец, проведены его экспериментальные исследования,

4) построена теоретическая модель, проведено математическое моделирование, разработаны алгоритмы  инклинометра на базе одноосного ДУС,

5) разработан эскиз конструкции скважинного прибора.

При проектировании предлагаемого изделия предусмотрена его максимально возможная унификация с находящимся в серийном производстве прибором ТНГИ-44, прежде всего в части:

1) конструкции прочного корпуса скважинного прибора,

2) применения с минимально возможными доработками серийного скважинного модуля связи – составной части скважинного прибора, обеспечивающего прием по кабелю с поверхности и преобразование в надлежащий вид питания и передачу по кабелю на поверхность текущей информации от скважинного модуля ориентации,

3) применения с минимально возможными доработками серийного наземного прибора.

Такой подход позволяет минимизировать затраты как на разработку изделия в рамках настоящего проекта, так и на его серийное производство впоследствии.

Для реализации имеющегося задела в рамках проекта для создания опытного образца точечного гироскопического инклинометра на основе одноосного твердотельного датчика угловой скорости» необходимо:

1) завершить комплекс экспериментальных работ и математического моделирования,

2) разработать конструкторскую документацию опытного образца скважинного прибора,

3) разработать бортовое программное обеспечение,

4) изготовить опытный образец,

5) разработать программу и методику стендовых испытаний опытного образца,

6)  разработать и изготовить оснастку для стендовых испытаний опытного образца,

7) провести стендовые испытания опытного образца.

          Рынок гироскопической инклинометрической техники можно условно разделить на 3 основные группы:

          1. Обеспечение нефтегазовой отрасли - сервисных услуг по контролю траектории нефтегазовых скважин и операций по зарезке боковых стволов (прибл.75% рынка).

Непосредственно на этом рынке потребителями продукции проекта являются специализированные компании по геофизическому сервису при строительстве и ремонте добычных скважин. Таких компаний на отечественном рынке десятки, наиболее крупные из них, как правило, специализируются на оказании услуг конкретным ВИНК (такие, например, как АО «Когалымнефтегазгеофизика», обслуживающая интересы ПАО «Лукойл»).

На этом сегменте рынка продукт проекта будет обладать абсолютным преимуществом за счет своего целевого назначения – универсальности: возможности выполнения операций при зарезке боковых стволов без последующего ухудшения точностных  характеристик для выполнения промерочных инклинометрических операций. Важным конкурентным преимуществом перед указанными выше аналогами будет являться более низкая цена (по крайней мере на 30%).

2. Обеспечение добычи рудных и нерудных полезных ископаемых - контроль траектории технологических скважин различного назначения (прибл.15% рынка).

Основными потребителями являются контрольные службы добывающих предприятий, таких, например, как АО «КМА-руда», Костамукшинский ГОК, ПАО «Алроса» и др.

На этом сегменте рынка Продукт проекта будет обладать ценовыми преимуществами.

3. Обеспечение сложных строительных работ - контроль траектории технологических скважин при строительстве ПХГ, метрополитена и др. аналогичных сооружений.

На этом сегменте рынка Продукт проекта будет обладать ценовыми преимуществами.

С достаточной достоверностью оценивая долю АО «СКБ ПН» в 8-10% от общей емкости рынка и учитывая объем услуг инклинометрического сервиса нашей компанией в 53 млн. руб. в год и продаж на 18,5 млн. руб. в год, можно сделать вывод, что суммарная емкость рынка составляет порядка 700-900 млн. руб.

Основываясь на своем примере по оказанию услуг на 50 млн. руб. в год и продаже приборов на 20 млн. руб. в год и оценивая долю АО «СКБ ПН» в 7-10% общей емкости рынка приходим к выводу что суммарная емкость рынка составляет 715-1020 млн. руб.

 Общая емкость рынка составляет десятки приборов в год. Рынок инклинометрической техники является условно открытым, закупки производятся по преимущественно тендерной схеме (но окончательные контрактные цены, как правило, являются закрытой информацией) поэтому технические и экономические преимущества продукта проекта создают значительные конкурентные перспективы.

В сегменте малогабаритных гироскопических инклинометров (с диаметром скважинного прибора не более 50 мм, что требуется для проведения инклинометрических операций в процессе бурения нефтегазовых скважин, а также для большинства технологических скважин) число предложений ограничено (см. выше п.2.1. в котором приведены данные по аналогам). При этом надо учитывать:

1) прибор МИГ-42 является по-существу клоном прибора SPT-007/42, т.к. АО «Геофизприбор» является дочерней компанией  SPT$

2) прибор ИГМ-42 в течение длительного времени декларируется ФГУП «ИМЗ», однако достоверных данных о его практическом применении нет.

Разрабатываемый продукт по цене имеет серьезные преимущества (как минимум 40-50 %) по сравнению с аналогами.

Данное преимущество обеспечивается за счет:

1) в разы меньшей стоимости гироскопического ЧЭ,

2) более простой конструкции скважинного прибора,

3) обеспечением максимально возможной унификацией разрабатываемого продукта с серийной продукцией предприятия (гироскопическим инклинометром ТНГИ-44).

Пульс