Способ инклинометрии обсаженной скважины

 

Используется для контроля за положением в пространстве оси обсаженной скважины в нефтяной и газовой промышленности. Сущность изобретения: способ инклинометрии обсаженной скважины содержит центрирование и стабилизацию перед спуском в скважину скважинного прибора инклинометра от азимутального проворота посредством подпружиненных элементов, расположенных на поверхности корпуса инклинометра с образованием контакта подпружиненных элементов с внутренней поверхности труб, размер которого вдоль оси труб максимален. За точку отсчета азимута скважины принимают азимутально стабилизированный корпус скважинного прибора инклинометра. В качестве датчика азимутального угла используют датчик угла поворота корпуса инклинометра вокруг его продольной оси, перед спуском определяют азимутальную направленность датчика угла поворота корпуса инклинометра. Величину азимутального угла в процессе спуска определяют замером угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра вокруг его продольной оси, возникающего при азимутальном отклонении оси скважины. 3 ил.

Изобретение относится к геофизической технике и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности для контроля за положением в пространстве оси обсаженной скважины.

Известен способ инклинометрии скважины, включающий спуск автономного скважинного прибора инклинометра в скважину, определение величин требуемых параметров, подъем скважинного прибора и считывание параметров.

Известный способ не позволяет определять параметры в процессе спуска скважинного прибора, а только после его подъема на поверхность. Кроме того, точность инклинометрии невысока.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ инклинометрии скважин, включающий спуск в скважину скважинного прибора инклинометра, определение величин зенитного и азимутального углов скважины по мере спуска скважинного прибора и их считывание с наземного устройства (см. источник).

Известный способ позволяет провести инклинометрию всей скважины, однако точность инклинометрии остается невысокой вследствие того, что в открытом стволе скважины датчики азимутального угла используют меняющееся в силу различных причин магнитное поле Земли, а в обсаженных скважинах точкой отсчета для датчиков азимутального угла является направление главной оси гироскопической системы, на постоянство азимутального направления которой в скважине влияют факторы, устранение которых приводит к значительному усложнению и удорожанию процесса инклинометрии.

В предложенном изобретении решается задача увеличения точности инклинометрии обсаженной скважины.

Задача решается тем, что в способе инклинометрии обсаженной скважины, включающем спуск в скважину скважинного прибора инклинометра, определение величин зенитного и азимутального углов скважины датчиками скважинного прибора инклинометра и считывание зенитного и азимутального углов скважины с наземного устройства, центрируют скважинный прибор инклинометра, стабилизируют корпус скважинного прибора инклинометра от азимутального проворота, за точку отсчета азимутального угла принимают азимутально стабилизированный корпус скважинного прибора инклинометра, перед спуском определяют азимутальную направленность датчика угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра вокруг его продольной оси, а величину азимутального угла в процессе спуска определяют замером угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра вокруг его продольной оси, возникающего при азимутальном отклонении оси скважины.

Отсутствие данных о пространственном положении осей обсаженных скважин, эксплуатирующихся в настоящее время, и о точном расположении их забоев в плане разрабатываемых месторождений не позволяет осуществлять разработку месторождений на требуемом технологическом уровне. Обсаженность стволов указанного фонда скважин не позволяет использовать инклинометрические системы, использующие при замерах азимутальных углов осей скважин магнитное поле Земли. Сложность конструкций, дороговизна и недостаточная точность гироскопических систем инклинометров не позволяет в достаточном объеме решить указанную проблему. Для решения этой задачи разработан предлагаемый способ инклинометрии обсаженных скважин.

Сущность изобретения заключается в том, что скважинный прибор инклинометра центрируют относительно оси скважины на упругих элементах, что повышает точность производимых им замеров, вследствие снижения динамических нагрузок. В процессе спуска скважинного прибора инклинометра его корпус сохраняет азимутальную направленность, приданную ему на устье скважины, вплоть до достижения забоя.

Подобная азимутальная стабилизация корпуса скважинного прибора инклинометра достигается размещением на его внешней поверхности подпружиненных элементов, которые скользят по внутренней поверхности колонны труб, являясь одновременно и центраторами скважинного прибора инклинометра. Конструкция подпружиненного элемента обеспечивает форму площади его контакта с трубами, размер которой вдоль оси колонны труб имеет максимальное значение. Такой характер контакта исключает азимутальный проворот корпуса скважинного прибора инклинометра в процессе спуска. Количество рядов подпружиненных элементов на поверхности корпуса скважинного прибора инклинометра, а также их количество в рядах определяется степенью необходимой точности азимутальной стабилизации.

При невозможности размещения подпружиненных элементов на поверхности корпуса скважинного прибора инклинометра вследствие малого зазора между внутренней поверхностью труб и поверхностью корпуса указанные подпружиненные элементы располагают на стержне подходящего диаметра, соединение которого с корпусом скважинного прибора инклинометра исключает их проворот относительно друг друга, что позволяет судить о достижении азимутальной стабилизации корпуса скважинного прибора инклинометра. Для центрирования скважинного прибора инклинометра в соответствии с осью скважины в этом случае на его концах располагают упругие элементы, поддерживающие корпус скважинного прибора инклинометра в требуемом положении.

Конструктивное исполнение стабилизирующих подпружиненных элементов и центрирующих упругих элементов может быть различным. Однако любое конструктивное решение указанных элементов должно с необходимостью удовлетворять предъявляемым к ним и описанным выше требованиям, например, в виде подпружиненных коньков и т.п.

Для преодоления силы трения возникающей в местах контакта подпружиненных элементов с внутренней поверхностью труб, а также для плавного перемещения скважинного прибора инклинометра по наклонным участкам скважины и, как следствие, снижения динамических нагрузок скважинный прибор инклинометра может быть дополнительно снабжен утяжелителем.

Азимутально стабилизированный корпус скважинного прибора инклинометра является точкой отсчета азимутальных углов оси скважины, подобно тому как в инклинометрических системаХ6 работающих в открытых стволах скважин, точкой отсчета азимутальных углов является магнитная стрелка буссоли, а в гироскопических инклинометрических системах главная ось гироскопической системы.

Азимутальное отклонение оси скважины вызывает поворот азимутально стабилизированного корпуса скважинного прибора инклинометра вокруг его продольной оси на величину угла, равную углу азимутального отклонения оси скважины. Другими словами, угол поворота азимутально стабилизированного корпуса скважинного прибора инклинометра является косвенным параметром угла азимутального отклонения оси скважины.

Определение азимутального направления нулевого значения датчика угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра вокруг его продольной оси при фиксированном азимутальном положении последнего позволяет принять такое азимутальное направление за точку отсчета азимутальных углов оси скважины, которые в процессе спуска скважинного прибора инклинометра определяют замером угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра вокруг его продольной оси.

Таким образом, азимутальная стабилизация корпуса скважинного прибора инклинометра и наличие в скважинном приборе инклинометра датчиков зенитного угла и угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра вокруг его продольной оси позволяют провести инклинометрию обсаженной скважины.

Предлагаемый способ инклинометрии обсаженной скважины может иметь различное конструктивное исполнение. На фиг. 1, 2 и 3 представлен один из вариантов возможного конструктивного решения.

На корпусе скважинного прибора инклинометра 1 жестко закреплен один конец 2 подпружиненных дугообразных элементов 3, другой конец 4 размещен в пазу 5 с возможностью продольного перемещения. Сверху корпус скважинного прибора инклинометра 1 посредством кабельной головки 6 соединен с каротажным кабелем 7 и наземным устройством 8. Снизу к корпусу скважинного прибора инклинометра 1 присоединен утяжелитель 9.

На фиг. 2 представлен вариант скважинного прибора инклинометра, когда подпружиненные дугообразные элементы 3 располагаются на отдельном металлическом стержне 10, соединенном с корпусом скважинного прибора инклинометра 1 посредством карданного шарнира 11. На концах корпуса скважинного прибора инклинометра 1 расположены центрирующие подпружиненные дугообразные элементы 12. Металлический стержень 10 соединен с утяжелителем 9. Подпружиненные дугообразные элементы контактируют с внутренней поверхностью колонны труб 13 в скважине 14.

На фиг. 3 представлена кинематическая схема датчика зенитного угла и угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра вокруг его продольной оси. Внутри корпуса скважинного прибора инклинометра 1 расположена наружная карданная рамка 15 с эксцентрично установленным грузом 16 и осью вращения 17, соосной продольной оси скважинного прибора инклинометра. В нижней части наружная карданная рамка 15 снабжена токосъемом 18, контактирующим с реохордом 19, жестко связанным с корпусом скважинного прибора инклинометра 1. В плоскости наружной карданной рамки 15 перпендикулярно к ее оси вращения 17 расположена ось вращения 20 внутренней рамки 21, имеющей смещенный центр тяжести за счет груза 22. На оси вращения 20 размещен токосъем 23, контактирующий с реохордом 24, жестко закрепленным на наружной карданной рамке 15. Наружная карданная рамка 15 с эксцентрично установленным грузом 16 осью вращения 17, токосъемом 18 и реохордом 19 составляет датчик угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра 1 вокруг его продольной оси. Внутренняя рамка 21 с осью вращения 20, грузом 20, токосъемом 23 и реохордом 24 составляют датчик зенитного угла.

Инклинометрию скважины проводят следующим образом. Перед спуском в скважину скважинного прибора инклинометра 1 определяют азимутальную направленность датчика угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра вокруг его продольной оси 17. Для этого корпус скважинного прибора инклинометра 1 располагают под углом 45 к поверхности Земли, причем нижний конец прибора обращен к магнитному Северу Земли, а верхний конец к магнитному Югу. Вращают корпус скважинного прибора инклинометра 1 до положения, конда датчик угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра покажет нулевое значение. При этом наружная карданная рамка 15, вращаясь на оси 17 за счет эксцентрично установленного груза 16, займет положение перпендикулярное апсидальной плоскости, т.е. плоскости, образованной вертикалью и направлением зенитного угла. Реохорд 19, вращаясь вместе с корпусом скважинного прибора инклинометра 1, встает своим нулевым положением относительно токосъема 18. Не меняя полученной азимутальной направленности корпуса скважинного прибора инклинометра 1, его вставляют в колонну труб 3, предварительно подсоединив к нему утяжелитель 9, при этом подпружиненные дугообразные элементы 3 сжимаются, перемещаясь свободным концом в пазу 5. В результате выполнения указанных операций нулевое значение датчика угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра соответствует азимутальному отклонению оси скважины на магнитный Север, а прижатие дугообразных подпружиненных элементов 3 к поверхности труб обеспечивает центрирование скважинного прибора инклинометра и азимутальную стабилизацию его корпуса 1 за счет формы контакта подпружиненных элементов с трубами вытянутой вдоль оси труб.

Спускают азимутально стабилизированный скважинный прибор инклинометра в скважину, азимутальное отклонение оси которой вызывает вращение корпуса скважинного прибора инклинометра 1 вокруг его продольной оси 17. В процессе спуска производят замеры зенитного и азимутального узлов оси скважины, считывая значения с датчиков зенитного угла и угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра 1 вокруг его продольной оси 17, обработанная информация с которых передается по каротажному кабелю 7 и отображается на наземном устройстве 8.

Отличие работы скважинного оборудования представленного на фиг. 2 от описанной выше состоит только в определении азимутальной направленности датчика угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра вокруг его продольной оси.

В колонну труб вставляется металлический стержень 10 с расположенными на его поверхности подпружиненными элементами 12 и подсоединенным к нему внизу утяжелителем 9. Подпружиненные элементы 12 сжимаются и обеспечивают азимутальную стабилизацию металлического стержня 10, как это было описано в предыдущем случае. Посредством карданного шарнира 11 корпус скважинного прибора инклинометра 1 с расположенными на его концах центрирующими упругими элементами 12 соединяется с металлическим стержнем 10. Карданный шарнир 11 предотвращает проворот корпуса скважинного прибора инклинометра 1 и металлического стержня 10 относительно друг друга. Таким образом, корпус скважинного прибора инклинометра 1, еще находясь вне колонны труб 13, становится азимутально стабилизированным. Это обеспечивает его вращение вокруг продольной оси 17 при круговом перемещении верхнего его конца. Азимутальное направление продольной оси 17 скважинного прибора инклинометра, при котором датчик угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра показывает нулевое значение, является точкой отсчета замеров азимутальных углов оси скважины в процессе спуска скважинного прибора инклинометра в скважину. Зафиксировав данное азимутальное направление, скважинный прибор инклинометра вводят в колонну труб 13, при этом центрирующие упругие элементы 12 сжимаются и, касаясь внутренней поверхности труб 13, центрируют скважинный прибор инклинометра.

Пример 1. В обсаженной скважине 14 глубиной 2560 м проводят инклинометрию ее оси с целью расчета положения ее забоя в плане разрабатываемого нефтяного месторождения. В скважину опускают колонну труб 13 с внутренним диаметром 85 мм. Статический уровень жидкости в скважине составляет 1150 м.

Скважинный прибор инклинометра имеет металлический корпус 1 диаметром 48 мм и длиной 1200 мм. На корпусе 1 высверлены отверстия диаметром 2 мм и глубиной 5 мм, куда вставлен неподвижный конец 2 подпружиненного элемента 3, и выполнены пазы 5 глубиной 3 мм, шириной 2,2 мм и длиной 60 мм, в которых скользит подогнутый свободный конец 4 подпружиненного элемента 3 при его сжатии. Отверстия и пазы размещены по семь штук четырьмя рядами в двух взаимно перпендикулярных плоскостях вдоль оси корпуса 1. Подпружиненные элементы 3 выполнены из нормализованной пружинной проволоки диаметром 2 мм и длиной 150 мм. Общее количество подпружиненных элементов 3 равно 28. Они размещены на поверхности корпуса скважинного прибора инклинометра 1 четырьмя симметричными рядами, по семь штук в каждом ряду, что позволяет обеспечить требуемую степень точности азимутальной стабилизации и центрирования корпуса скважинного прибора инклинометра 1. Внутри корпуса скважинного прибора инклинометра 1 расположены датчики зенитного угла и угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра вокруг его продольной оси, представляющие собой синусно-косинусные трансформаторы СКТ-220-1-2Д, внешний диаметр которых составляет 32 мм, а также электронные схемы обработки сигналов, поступающих с датчиков, и схемы передачи обработанных сигналов к наземному устройству 8, которое соединено со скважинным прибором посредством одножильного каротажного кабеля 7 и кабельной головки 6.

К нижней части скважинного прибора инклинометра присоединен посредством резьбового соединения полый стальной утяжелитель 9 диаметром 60 мм, длиной 1500 мм, заполненный свинцовой дробью.

Наземное устройство 8 принимает, преобразует и отображает информацию со скважинного прибора.

На устье скважины 14 вращают корпус скважинного прибора инклинометра 1 до нулевого положения датчика угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра 1, вставляют корпус скважинного прибора инклинометра 1 в колонну труб 13, предварительно подсоединив к нему утяжелитель 9. При этом подпружиненные дугообразные элементы 3 сжимаются, центрируют и стабилизируют от проворота корпус скважинного прибора инклинометра 1. Спускают корпус скважинного инклинометра 1 внутри колонны труб 13 в скважину 14. При спуске через каждые 10 м замеряют значения, посылаемые с реохордов 19 и 24 через токосъемы 18 и 23, каротажный кабель 7 на наземное устройство 8, замеряя угол поворота корпуса скважинного прибора инклинометра 1 вокруг его продольной оси 17 и т.о. азимутальный угол и зенитный угол.

Инклинометрию скважины проводят четыре раза последовательно и по результатам замеров строят пространственную ось скважины 14 и рассчитывают местоположение забоя в плане месторождения. Пространственное положение точек оси скважины определяют с погрешностью меньшей 0,3 м на каждые 500 м глубины, а разброс положения забоя не превышает 5 м.

Пример 2. В обсаженной нефтяной скважине 14 глубиной 2340 м проводят инклинометрию ее оси с целью расчета положения ее забоя в плане разрабатываемого месторождения. В скважину опускают колонну труб 13 с внутренним диаметром 62 мм. Статический уровень жидкости в скважине составляет 1100 м.

Скважинный прибор инклинометра тот же, что был использован в примере 1. Его внешний диаметр составляет 48 мм, а длина 1200 мм. На его концах располагаются восемь центрирующих упругих элемента 12 (по четыре на каждом конце), выполненные из нормализованной пружинной проволоки диаметром 2 мм. Их конструкция и способ размещения аналогичны конструкции и способу размещения стабилизирующих подпружиненных элементов.

Вследствие малого зазора между внутренней поверхностью колонны труб 13 и корпусом скважинного прибора инклинометра 1 подпружиненные элементы 3 располагают на металлическом стержне 10 диаметром 25 мм и длиной 1200 мм, который посредством карданного шарнира 11 соединен с корпусом скважинного прибора инклинометра 1.

Конструкция, металл и способ размещения подпружиненных элементов 3 на поверхности металлического стержня 10 аналогичны описанным в примере 1.

Инклинометрию скважины проводят следующим образом. На устье колонны труб размещают металлический стержень 10 с расположенными на его поверхности стабилизирующими подпружиненными элементами 3 и подсоединенным к его низу утяжелителем 9. При помощи карданного шарнира 11 к верхней части металлического стержня 10 присоединяют корпус скважинного прибора инклинометра 1, который пока находится вне труб 13. Вращают верхний конец корпуса скважинного прибора инклинометра 1, сохраняя наклон его продольной оси к поверхности Земли, равный 45^oC и фиксируют азимутальное направление продольной оси корпуса скважинного прибора инклинометра 1, при котором датчик угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра показывает нулевое значение. Вводят корпус скважинного прибора инклинометра 1 в колонну труб 13 и производят его спуск, в процессе которого осуществляют замеры зенитного и азимутального углов скважины через каждые 15 м глубины, считывая их значения с наземного устройства 8.

В остальном методика и полученная погрешность инклинометрии не отличается заметным образом от методики и погрешности показанной в примере 1.

Пример 3. В обсаженной нефтяной скважине глубиной 2480 м проводят инклинометрию ее оси с целью расчета положения ее забоя в плане разрабатываемого месторождения. В скважину спускают колонну труб 13 с внутренним диаметром 75 мм. Статический уровень жидкости в скважине составляет 1050 м.

В качестве скважинного прибора используют магнитный инклинометр КИТ, диаметр скважинного прибора которого составляет 60 мм. На концах скважинного прибора инклинометра размещают центрирующие упругие элементы согласно примеру 2. Корпус скважинного прибора инклинометра 1 посредством карданного шарнира 11 соединен с металлическим стержнем 10 диаметром 38 мм и длиной 1200 мм, на поверхности которого размещены стабилизирующие подпружиненные элементы 3 по аналогии с примером 2.

На корпусе скважинного прибора инклинометра КИТ помещают узконаправленный постоянный магнит, привязывающий магнитную стрелку буссоли к корпусу скважинного прибора инклинометра. Это позволяет трансформировать магнитный азимутальный датчик КИТа в датчик угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра вокруг его продольной оси.

В остальном методика и полученная погрешность инклинометрии не отличается от методики и погрешности, показанной в примере 2.

Пример 4. В обсаженной нефтяной скважине глубиной 2630 м проводят инклинометрию ее оси с целью расчета положения ее забоя в плане разрабатываемого месторождения. В скважину спускают колонну труб 13 с внутренним диаметром 75 мм. Статический уровень жидкости в скважине составляет 1180 м.

В качестве скважинного прибора используют гироскопический инклинометр ИГ-36, диаметр скважинного прибора которого составляет 36 мм.

На поверхности корпуса скважинного прибора инклинометра размещают дугообразные подпружиненные элементы 3 аналогично примеру 1, а внешнюю карданную рамку гироскопа крепят механически к корпусу скважинного прибора инклинометра, что позволяет трансформировать датчик азимутального угла гироскопического инклинометра в датчик угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра вокруг его продольной оси.

В остальном методика и полученная погрешность инклинометрии не отличаются заметным образом от методики и погрешности, показанной в примере 1.

Необходимо отметить, что показанные примеры не исчерпывают варианты конструктивного исполнения предлагаемого способа инклинометрии обсаженных скважин, а в описанных примерах практического исполнения отмечается существенное уменьшение времени, необходимого для успокоения датчиков скважинного прибора инклинометров за счет снижения вибрационных и ударных нагрузок, что значительно ускоряет процесс инклинометрии.

Предлагаемый способ инклинометрии обсаженных скважин может быть использован не только в уже эксплуатирующихся скважинах, но и в процессе бурения скважин, путем спуска скважинного прибора инклинометра в колонну буровых труб без извлечения последних из скважины, что позволяет вести постоянный контроль за пространственным положением оси строящейся наклонно направленной скважины в процесс ее бурения. Это может существенно ускорить процесс строительства таких скважин и повысить точность их проводки. Это также снизит затраты на строительство наклонно направленных скважин за счет дешивизны предлагаемого способа инклинометрии обсаженных скважин.

Формула изобретения

Способ инклинометрии обсаженной скважины, включающий спуск в скважину скважинного прибора инклинометра, определение величин зенитного и азимутального углов скважины датчиками скважинного прибора инклинометра и считывание зенитного и азимутального углов с наземного устройства, отличающийся тем, что центрируют и стабилизируют корпус скважинного прибора инклинометра от азимутального проворота посредством расположенных на поверхности корпуса скважинного прибора инклинометра подпружиненных элементов с образованием контакта последних с внутренней поверхностью труб, размер которого вдоль оси труб максимален, за точку отсчета азимута скважины принимают азимутально стабилизированный корпус скважинного прибора инклинометра, в качестве датчика азимутального угла используют датчик угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра вокруг его продольной оси, определяют перед спуском азимутальную направленность последнего, а величину азимутального угла в процессе спуска определяют замером угла поворота корпуса скважинного прибора инклинометра вокруг его продольной оси, возникающего при азимутальном отклонении оси скважины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3