به منظور فراهم آوردن مانيتورينگ موقعيت و جهت در حفاری جهتدار قعر زمین ابزار اندازه گیری حین حفاری mwd بکار میرود. اطلاع دقیق از موقعیت فضایی میزان شیب(Inclination) و قوس افقی(Azimuth) یک امر حیاتی در حفاری جهتدار چاههای نفت میباشد که این امر در ابزار MWD تحقق مییابد. Inclination میزان انحراف از جهت قائم (زاويه ي بين خط قائم و مسير حفاري چاه در نقطه ي مورد نظر) و Azimuth میزان انحراف از جهت شمال در صفحه ي افقی (زاويه ي بين تصوير افقي مسير چاه و شمال مغناطيسي) می باشد. برای اندازه گیری این زوایا از شتاب سنج ها و مغناطیس سنج های MEMS ) Microelectromechanical Systems ) استفاده میشود. MEMS فنآوری سیستمهای بسیار کوچک در ابعاد میکرومتر است که در واقع ترکیب فنآوری میکروالکترونیک (مدارهای مجتمع الکترونیکی) با ماشینکاری میکرونی و سیستم های مکانیکی پیچیده و الکترومکانیکی می باشد. به این ترتیب که قسمتهایی از ویفر سیلیکان برداشته شده و لایه های جدیدی به آن اضافه میشود. مدارهای مجتمع پیوسته (IC) میتوانند به عنوان مغز متفکر این سیستمها باشند که با اضافه کردن چشم و بازو میتوانند محیط اطرافشان را حس کرده و کنترل نمایند. استفاده از این سیستم-ها باعث مصرف انرژی کم، هزینه کم، حجم و وزن کم، کاهش خطا، بالا بردن دقت، افزایش قابلیت اطمینان و افزایش سرعت می گردد. امروزه تمامی سنسورها و ابزارآلات موجود در صنعت حفاری جهتدار وارداتی بوده که برای کالیبراسیون باید به شرکت های مربوطه ارسال گردد که این امر هزینه بر است. متأسفانه در ایران سابقه ی چنداني در رابطه با کالیبراسیون سنسورهای صنعت حفاری جهتدار وجود ندارد و به دلیل تجاری بودن این قبیل پروژه ها دسترسی به منابع خارجی نیز به سادگی امکانپذیر نیست. ميدانيم ايران كشوري نفت خيز مي باشد و ابزار اندازه گيري حين حفاري به منظور حفاري جهتدار چاههاي نفت به شدت مورد استفاده قرار مي گيرند. از آنجايي كه سنسورهاي شتابسنج و مغناطيس سنج جزء اصلي اين ابزار به حساب مي آيند لذا براي بالابردن دقت آنها، اين سنسورها نیازمند کالیبره شدن میباشند. فرايند كاليبراسيون باعث افزايش دقت و صحت اندازه گيري سنسور شده و قابليت اصمينان آن را بالا ميبرد. بطوري كه در بازه ي گسترده اي از دما قابل استفاده بوده و خطاي حس كردن را تا نزديك سطح نويز باقيمانده اتفاقي كاهش ميدهد. در حقيقت با اين كار خطاهاي احتمالي را توسط فرمولهاي رياضي در نظر گرفته و آنها را در مدل سنسور وارد ميكنيم به طوري كه مثلا بردار خروجي سنسور شتاب با شتاب گرانش تنظيم میشود. به همین دلیل کالیبراسیون سنسورهای موجود در این صنعت اهمیت می یابد.

 

به‌طورکلی سیستم MWD از سه بخش اصلی ساخته شده است که عبارت‌اند از:

  • بخش درون‌چاهی MWD که شامل: ۱. منبع تغذیه ۲. سنسورها ۳. ابزار ارسال سیگنال (transmitter) و ۴. سیستم کنترلی است
  • بخش انتقال داده‎ها (MPT) که در حقیقت همان ستون گل در چاه است و پالس‎های فشاری از طریق آن به سطح منتقل می‎شوند.
  • بخش سطحی که پالس‎های فشاری را دریافت و رمزگشایی می‌کند و نتایج را به‌صورت عدد و نمودار نمایش می‎دهد.

 

منبع تغذیه

با توجه به اینکه انرژی ابزار درون‌چاهی MWD (نصب‌شده بر روی لوله حفاری) توسط تجهیزات سطحی تأمین نمی‌شود، این انرژی باید در درون چاه تولید شود. دو نوع منبع تغذیه در ابزار درون‌چاهی MWD عبارت‌اند از: ۱- باتری‎های لیتیومی (با ظرفیت ۸۰۰ آمپرساعت) و ۲- توربین‎های ژنراتور. در ابزار درون‌چاهی MWD که مجهز به سیستم پالس منفی هستند انرژی کمتری مورد نیاز است و از باتری به‌عنوان منبع تغذیه استفاده می‎شود درحالی‌که در سیستم‎های پالس‎ساز مثبت و فرکانسی که انرژی بیشتری مصرف می‎کنند، از توربین‎های ژنراتور به‌عنوان منبع تغذیه استفاده می‎شود. از طرف دیگر، در سیستم‎هایی که سنسورهای بیشتری نصب شده‎اند و حجم بیشتری از اطلاعات ارسال می‎شود، انرژی بیشتری مورد نیاز است و حتی در سیستم‎های پالس منفی نیز به‌جای استفاده از باتری، از توربین ژنراتور استفاده می‎شود. همچنین در سازندهای با دمای بالا که استفاده از باتری امکان‌پذیر نیست، توربین‎ها از اولویت برخوردارند. گرچه توربین‎ها مزایای بیشتری نسبت به باتری‎ها دارند، اما بیشتر در معرض صدمات مکانیکی هستند. برای محافظت توربین‎ها از کنده‎های حفاری که در گل حفاری معلق هستند و باعث بروز خسارت در پره‎های آن می‎شوند، از صفحات فیلتر استفاده می‌گردد.

سنسورهای موقعیت‌یاب سیستم MWD

تقریباً در تمامی سیستم‎های MWD از سنسورهای موقعیت‎یاب یکسانی برای محاسبه inclination، آزیموت و جهت BHA استفاده می‎شود. این سنسورها شامل سه جاذبه‏سنج (accelerometer) عمود بر یکدیگر و سه مغناطیس‎سنج (magnetometer) عمود بر هم می‎باشند.

هر جاذبه سنج، مؤلفه میدان جاذبه زمین را در طول محور خود اندازه‎گیری می‎کند. شکل (۴) تصویر عملکرد و اجزای سازنده یک جاذبه سنج نوعی را به‌صورت شماتیک نشان می‎دهد. یک قطعه با اتصال به لولا در یک جهت قابل حرکت بوده و با شیب به یک سمت، به‌وسیله نیروی جاذبه به پایین کشیده شده و متقابلاً جریان عبوری از یک سیم‌پیچ روی آن افزایش می‌بابد تا با ایجاد حالت مغناطیسی درون بوبین، مجدداً آن وزنه را در موقعیت سابق خود قرار دهد. مقدار ولتاژ الکتریکی مصرف شده برای غلبه بر نیروی جاذبه، ثبت و گزارش می‎گردد. تلفیق نتایج هر سه جاذبه سنج که در محورهای سه گانه نصب شده‎اند، نه‌تنها برای محاسبه زاویه inclination بلکه برای محاسبه زاویه آزیموت و همچنین جهت BHA به کار می‎روند.

هر سنسور مغناطیس‌ سنج، مؤلفه میدان مغناطیسی را در طول یک محور اندازه‌گیری می‎کند. هنگامی‌که بوبین حلقوی (toroid) در میدان مغناطیسی خارجی قرار می‎گیرد، یک جریان الکتریکی در سیم‌پیچ آن القا می‎شود که شدت آن به سطح مؤثر سیم‌پیچ در میدان مغناطیسی یا همان زاویه بوبین حلقوی بستگی دارد؛ مانند سنسور جاذبه‎سنج، در این سنسور نیز ولتاژ دو سر مدار الکتریکی آن اندازه‌گیری می‎شود. برخلاف سنسور جاذبه سنج، تلفیق ولتاژ خروجی هر سه مغناطیس‌سنج در محورهای سه‌گانه فقط برای محاسبه زاویه آزیموت مورد استفاده قرار می‎گیرند.

سیستمهای سطحی (سیستم دریافت دادهها)

در تمامی سیستم‌های MWD یک آشکارساز فشار در تجهیزات سطحی قرار دارد که به manifold لوله حفاری متصل است. این آشکارساز باید به اندازه کافی حساس به تغییرات باشد تا تغییرات فشاری بسیار ناچیز (در حد psi۱۰۰-۵۰) را در بازه‎های زمانی کمتر از یک ثانیه ثبت نماید. سپس پالس‎های دریافت و رمزگشایی (decoding) می‌شود و اطلاعات مفید آن‌ها نمایش داده می‎شود.

ساده‎ترین سیستم سطحی، آشکارساز پالس‎های مثبت است. هنگامی‌که پالس‎های فشاری مربوط به inclination، آزیموت و جهت BHA به سطح رسیدند، به‌صورت binary رمزگشایی می‎شوند؛ در یک بازه زمانی هر پالس نمایانگر عدد یک و هر پالس نمایانگر عدد صفر است. این سیستم‎های سطحی به حجم زیادی نیاز نداشته و می‎توانند در اتاق کنترل دکل قرار گیرند.

شرح مساله :

سیستم MWD بخش اجتناب‌ناپذیر لوله حفاری و تجهیزات سطحی در شرکت‎های غربی می‌باشد درحالی‌که در شرکت‎های داخلی صرفاً در موارد خاص مورد استفاده قرار می‎گیرد. عدم خرید و بهره‌برداری از این سیستم باعث شده است که نیاز قابل‌توجهی به طراحی و ساخت آن در داخل کشور احساس شود. مزیت عمده سیستم MWD در حفاری، دریافت اطلاعات از موقعیت و جهت BHA در چاه، بدون تداخل با سایر فرایندهای حفاری است. در ساده‎ترین حالت، سیستم MWD مجهز به سنسورهایی است که inclination، آزیموت (azimuth) و جهت BHA را در چاه نشان می‎دهند؛ اما ابزارهای درون‌چاهی پیشرفته‎تر سیستم MWD که به LWD معروف‌اند، به سنسورهای بیشتری مجهز شده‎اند که برخی از آن‌ها عبارت‌اند از: سنسورهای تعیین خواص پتروفیزیکی سازند (تراوایی، تخلخل، توزیع شکاف و غیره) و سنسورهای تعیین اطلاعات حفاری (وزن مته یا WOB و گشتاور مته یا torque). برخی از این سنسورها، دستگاه‌های اشعه گاما و تعیین رسانای الکتریکی سازند می‎باشند و حجم زیادی از داده‎ها از طریق گل به سطح منتقل می‎شوند. همچنین سیستم MWD مجهز به سیستم انتقال داده‎ها از طریق گل حفاری به سطح می‌باشد. داده‎های منتقل‌شده به سطح، رمزگشایی (decoding) می‌شوند و با فرمت عدد و نمودار ارائه می‎گردد. در ضمن، سیستم انتقال داده‎های سنسورهای MWD که بدون کابل و اتصالات الکتریکی است نیز به MPT (Mud pulse telemetry) معروف است. شکل (۶) شماتیکی از سیستم MWD و اجزای آن را نشان می‎دهد. بدون استفاده از سیستم MWD نیز می‎توان موقعیت BHA در چاه را تعیین نمود. در این روش، از ابزار wireline استفاده می‎شود و اجرای آن منوط به راندن (running) ابزار wireline، ثبت داده‎ها و بیرون کشیدن (pooling) آن از لوله حفاری است. به‌طورمعمول، کسب اطلاعات از موقعیت BHA با روش قدیمی wireline حدود ۲-۱ ساعت و با روش MWD حدود ۴ دقیقه به طول می‎انجامد. گرچه اجرای سیستم MWD در حفاری بسیار پرهزینه‌تر از روش قدیمی wireline است اما سرعت دریافت اطلاعات از سیستم MWD و کاهش هدر رفت زمان (time saving) به‌شدت سودآورتر از هزینه اجرای آن است. همچنین عدم استفاده از روش wireline در چاه‎های افقی، به‌عنوان یک محدودیت جدی، شرکت‎های حفاری را به سمت استفاده از سیستم MWD تشویق و مجبور نموده است. لذا ساخت چنین سیستمی به‌عنوان هدف این شرکت مطرح می‎گردد.