Способ определения зенитного угла и азимута плоскости наклонения скважины и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к геофизическим скважинным измерениям, в частности к определению пространственного положения оси обсаженных буровых скважин. Технической задачей является повышение точности и производительности инклинометрических работ. Для уменьшения ошибок в измерении зенитного угла и азимута плоскости наклонения буровой скважины, вызываемых угловыми движениями скважинного прибора относительно ее стенок, на головке и наконечнике скважинного прибора устанавливаются датчики, измеряющие зазоры между корпусом скважинного прибора и стенкой скважины. Используя информацию с указанных датчиков, рассчитывают пространственный угол отклонения продольной оси скважинного прибора от направления, параллельного оси скважины. Затем, используя значения текущей величины апсидального угла, углов установки датчиков, замеряющих величины зазоров между стенками скважинного прибора и скважины, находят проекции упомянутого выше угла на плоскость наклонения скважины и на горизонтальную плоскость. Определение фактических значений параметров скважины производится алгебраическим вычитанием вертикальной проекции из зенитного угла, а горизонтальной проекции - из азимута плоскости наклонения скважинного прибор. Скважинный прибор инклинометра содержит датчики азимута, зенитного и апсидального углов, блок передачи информации, модули датчиков расстояний, смонтированные в головке и наконечнике скважинного прибора. Диаметрально расположенные группы датчиков расстояний, дифференциально связанные с помощью сумматоров, определяют величины и знаки отклонений центров сечений головки и наконечника от оси скважины. С наземным вычислителем инклинометра связан блок поправок, с помощью которого в вычислитель вводятся величины углов установки модулей датчиков - углов между осями чувствительности указанных датчиков и осями датчика зенитного и апсидального углов. 2 с.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к геофизическим скважинным приборам, преимущественно к скважинным приборам инклинометров, предназначенным для определения пространственного положения оси обсаженных буровых скважин.

Повышение точности и производительности инклинометрических исследований скважин непосредственно связано с типом применяемого инклинометра. В большинстве случаев инклинометр представляет собой комплекс, состоящий из скважинного прибора и наземного вычислителя, соединенных каротажным кабелем. Принцип определения пространственного положения оси скважины основан на допущении, что продольная ось скважинного прибора, перемещаемого по скважине, всегда параллельна оси (касательной к оси) последней. Чувствительные элементы, входящие в состав скважинного прибора, выдают необходимую информацию для расчета наземным вычислителем параметров пространственного положения скважинного прибора в некоторой опорной системе координат, что в конечном итоге позволяет оценить и пространственное положение отдельных участков буровой скважины, в которых производились инклинометрические замеры. В зависимости от режима работы инклинометры подразделяются на точечные и непрерывные. В качестве примера точечного инклинометра можно привести инклинометр, скважинный прибор которого содержит гироскопические датчики угловой скорости (Патент Великобритании N 2009418, НКИ G 1 N , МКИ G 01 C 23/00. Бюлл. "Изобретения стран мира", N 2, 1980 г.). Измерения таким инклинометром производят при неподвижном относительно скважины скважинным прибором. Замеряя компоненты угловой скорости вращения Земли, датчики угловой скорости выдают информацию в наземный вычислитель, где она обрабатывается по соответствующим алгоритмам совместно с информацией датчиков зенитного и апсидального углов. В данном случае неподвижный скважинный прибор лежит на стенке скважины, его продольная ось практически параллельна оси последней, поэтому результаты расчета наземного вычислителя дают достаточно достоверную информацию о пространственном положении исследуемого участка скважины. Несмотря на несомненные достоинства такого инклинометра, в частности автономную привязку к географическому Северу, работа с таким прибором недостаточно производительна, так как каждый цикл измерений требует некоторое время для разгона ротора гироскопического датчика угловой скорости и его торможения после проведения измерения. Существенно более производительны измерения с помощью непрерывных инклинометров, в этом случае текущая информация с чувствительных элементов скважинного прибора поступает в наземный вычислитель при непрерывном перемещении скважинного прибора вдоль скважины. В большинстве случаев скважинные приборы таких инклинометров содержат чувствительные элементы в виде трехстепенного гироскопического прибора, главная ось которого сохраняет неизменным свое положение в пространстве, давая возможность в любой момент времени по информации, снимаемой с датчика угла по внешней оси гироприбора, а также информации датчиков зенитного и апсидального углов рассчитать инклинометрические параметры скважины. Такой способ определения инклинометрических параметров, взятый в качестве прототипа, изложен при описании работы инклинометра (Патент России N 2004786 "Инклинометр", МКИ 5 E 21 B 47/02. Бюлл. N 45-46, 1993 г.).

В данном случае определяют проекции ускорения силы тяжести, рассчитывают зенитный и апсидальный углы, и с учетом последних, измерив угол поворота наружной рамки гироскопа, рассчитывают азимут плоскости наклонения скважины. Инклинометр содержит наземный вычислитель и скважинный прибор, связанные каротажным кабелем. Исходная информация с блока чувствительных элементов скважинного прибора по кабельному каналу связи поступает на вход наземного вычислителя, производящего по заданным алгоритмам расчет инклинометрических параметров. Однако в действительности скважинный прибор, подвешенный на каротажном кабеле и перемещаемый вдоль скважины, совершают угловые движения относительно последней.

Нетрудно показать, что при этом угол отклонения продольной оси скважинного прибора от оси скважины может достигнуть величины δ ≈ arcsin{(D-d)/L}, (1) где D - внутренний диаметр скважины; d - диаметр скважинного прибора; L - длина скважинного прибора.

Естественно, что в этом случае результаты инклинометрических измерений (определения азимута плоскости наклонения и зенитного угла скважины) не будут иметь достаточную точность.

Актуальность решения задачи сочетания повышения точности инклинометрических замеров и их производительности возрастает в настоящее время. Это объясняется тем, что придается приоритет требованию уменьшения диаметра скважинного прибора, что должно позволить производить измерения бурящихся скважин без подъема колонны буровых труб. Однако, если таким скважинным прибором проводить ревизию парка ранее пробуренных скважин, имеющих больший внутренний диаметр обсадных труб, то возрастает погрешность измерений, обусловленная увеличением возможного зазора (D-d) между скважинным прибором и внутренней поверхностью скважины, что следует из (1).

Задача, решаемая данным изобретением, - повышение производительности инклинометрических работ без снижения их точности.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения зенитного угла и азимута плоскости наклонения скважины, заключающемся в измерении текущих значений азимута, зенитного и апсидального углов с помощью скважинного прибора инклинометра и вычислении по результатам измерений фактических параметров положения оси скважины, определяют положение центров поперечных сечений наконечника и головки скважинного прибора относительно стенки скважины, рассчитывают пространственный угол отклонения продольной оси скважинного прибора от оси скважины, определяют проекции этого угла, лежащие в плоскости наклонения скважины и в горизонтальной плоскости, а фактические параметры положения оси скважины определяют путем алгебраического вычитания величины первой из проекций из величины зенитного угла, а второй - из величины азимута плоскости наклонения скважинного прибора. Устройство для осуществления данного способа, содержащее скважинный прибор, включающий блок чувствительных элементов, подключенный к первому и второму входам блока канала передачи информации, выход которого посредством каротажного кабеля связан с первым входом наземного вычислителя, дополнительно снабжено соединенным со вторым входом наземного вычислителя блоком поправок, двумя модулями датчиков расстояний, смонтированными соответственно в наконечнике и головке скважинного прибора, и расположенными там же попарно четырьмя сумматорами, причем каждый из модулей датчиков расстояний содержит четыре датчика, установленные равномерно по периферии модуля, выходы каждой пары диаметрально-противоположно установленных датчиков обоих модулей связаны со входами сумматоров, а выходы сумматоров соединены с третьим, четвертым, пятым и шестым входами блока канала передачи информации.

Такой способ проведения инклинометрических работ позволяет одновременно определять положения скважинного прибора как в опорной системе координат, связанной с земными ориентирами, так и относительно системы координат, связанной со стенками скважины. При этом действительное положение оси скважины в опорной системе координат является результатом геометрического суммирования двух упомянутых выше положений. Информация о положении в скважине скважинного прибора может быть получена с помощью установки на корпусе последнего дополнительных чувствительных элементов - датчиков величины зазора между корпусом скважинного прибора и стенками скважины. Выходные сигналы этих датчиков, поступающие по каналу передачи информации в наземный вычислитель и обработанные им по соответствующим алгоритмам, позволяют произвести коррекцию результатов инклинометрических исследований.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что с помощью традиционного набора чувствительных элементов инклинометра (датчиков вертикали, азимутального и апсидального углов) определяют положение скважинного прибора в опорной (горизонтальной) системе координат, т.е. его зенитный угол и азимут его плоскости наклонения. Одновременно с этим при помощи датчиков, измеряющих расстояния между боковыми поверхностями головки и наконечника скважинного прибора и стенками скважины, определяют угол между продольной осью скважинного прибора и текущим направлением оси скважины (направлением касательной к этой оси в точке текущего положения геометрического центра скважинного прибора). Затем используя информацию с датчика апсидального угла, находят проекции угла между осями скважины и скважинного прибора, лежащие в горизонтальной плоскости и в вертикальной плоскости наклонения скважины. Фактические значения параметров положения оси скважины - азимут плоскости наклонения и зенитный угол - получают вычитанием соответственно горизонтальной проекции из величины азимута плоскости наклонения скважинного прибора, а вертикальной проекции - из величины зенитного угла скважинного прибора.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведено положение оси скважины в опорной системе координат, на фиг. 2 представлена плоскость сечения скважины, ось OZ направлена перпендикулярно плоскости чертежа вверх, на фиг. 3 представлены проекции точек центров сечений наконечника и головки скважинного прибора на плоскость сечения скважины, на фиг. 4 представлено устройство для определения зенитного угла и азимута плоскости наклонения скважины, а на фиг. 5 - взаимное положение осей чувствительности модулей датчиков расстояний и блока чувствительных элементов в плоскости сечения скважины.

Способ осуществляется следующим образом.

Положение оси скважины (прямая O₀Z) в опорной системе координат O₀ ζηζ определяется азимутом плоскости наклонения α и зенитным углом β. Линия O₀1 - проекция оси скважины на горизонтальную плоскость ζ O_oη. Направление продольной оси скважинного прибора показано прямой O₀O₁, которая в опорной системе координат O_oζηζ определена азимутом плоскости наклонения скважинного прибора αʹ и его зенитным углом βʹ. Последний находится в плоскости наклонения скважинного прибора ζ O₀2. Прямая O₀2 - проекция продольной оси скважинного прибора на горизонтальную плоскость, а прямая O₀3 - проекция той же оси на плоскость наклонения скважины. Если предположить, что верхняя точка продольной оси скважинного прибора совпадает с точкой O₀ начала опорной системы координат, а нижняя - с точкой O₁, то пространственный угол отклонения продольной оси скважинного прибора от оси скважины определится следующим образом: где OO₁ - линейное отклонение нижней точки оси скважинного прибора от оси скважины; L - эффективная длина скважинного прибора (расстояние между плоскостями установки датчиков).

В данном случае точка O соответствует положению нижней точки скважинного прибора в случае совпадения его продольной оси с осью скважины.

Проекции угла δ на плоскость наклонения скважины и на горизонтальную плоскость представляют собой ошибки определения скважинным прибором соответственно зенитного угла и азимута плоскости наклонения скважины
где Ψ - угол между отрезком OO₁ и осью OX, лежащей в плоскости наклонения скважины и перпендикулярной направлению оси скважины O₀Z.

Следовательно, фактические значения параметров скважины определяются выражениями


В данных выражениях величины βʹ и αʹ являются результатом обработки информации с чувствительных элементов инклинометра (датчиков зенитного, апсидального углов и азимута); смещение OO₁ должно измеряться специальными датчиками расстояний, установленными на обоих концах корпуса скважинного прибора (по соображениям технологичности конструкции датчики желательно устанавливать на съемных элементах скважинного прибора; нижнем - наконечнике и верхнем - головке скважинного прибора); угол Ψ рассчитывается по текущей информации с датчика апсидального угла, датчиков расстояний, измеряющих зазоры между корпусом скважинного прибора и стенками скважины, с учетом характера (способа) установки этих датчиков.

Рассмотрим положение центра O₁ сечения наконечника скважинного прибора в системе координат, связанной с центром O сечения скважины. Оси указанной системы координат направлены следующим образом: OZ - по направлению оси скважины и вниз; OX - лежит в вертикальной плоскости (плоскости наклонения скважины), OY - образует с упомянутыми осями правую систему координат. Предполагаем, что рассматриваемый участок скважины представлен в виде цилиндра, т.е. пренебрегаем искривлением скважины. На фиг. 2 представлена плоскость сечения скважины, ось OZ направлена перпендикулярно плоскости чертежа вверх. В дальнейшем считаем, что поперечные сечения скважины, наконечника и головки скважинного прибора имеют форму круга. На фиг. 2 точка O₁ - центр сечения наконечника скважинного прибора. Оси O₁X₁, O₁Y₁ связаны со скважинным прибором. Угол γ, на который повернуты оси O₁X₁ и O₁Y₁ относительно осей, связанных со скважиной, представляет собой апсидальный угол скважинного прибора. Кроме того, введена система координат O₁X_дY_дZ_д, связанная с модулем датчиков D_X, D_Y, D'_X, D'_Y, определяющих расстояния (I, m, I', m') от корпуса наконечника скважинного прибора до стенок скважины. Оси O₁X_д и O₁Y_д лежат в плоскости сечения наконечника скважинного прибора и совпадают соответственно с осями чувствительности дифференциально включенных датчиков расстояний (D_X - D'_X) и (D_Y - D'_Y). Угол μ между осями O₁X₁ и O₁X_д, O₁Y₁ и O₁Y_д представляет собой угол установки модуля датчиков расстояний. Этот угол зависит от характера сочленения наконечника и корпуса скважинного прибора; его необходимо определять на специальном стенде каждый раз после сборки скважинного прибора. Нетрудно показать, что положение центра O₁ - сечения наконечника скважинного прибора в системе координат OX_д^*Y_д^*, полученной путем параллельного переноса системы координат ₁X_дY_д в центр сечения скважины O, определится следующим образом:

Затем, используя формулы преобразования координат при повороте осей, получим координаты центра O₁ сечения наконечника скважинного прибора в системе координат OXY, связанной со скважиной


Аналогичным образом определяются координаты центра O₂ сечения головки скважинного прибора в случае, если центр этого сечения не лежит на оси скважины.

Спроектируем точки центров сечений наконечника O₁ и головки O₂ скважинного прибора на плоскость сечения скважины OXY (фиг. 3). Угол δ отклонения продольной оси скважинного прибора от направления, параллельного оси скважины, рассчитывается по выражению (2)

где x₁, y₁, x₂, y₂ - координаты проекций центров сечений наконечника и головки скважинного прибора, определяемые по формулам (6).

Необходимо отметить, что входящие в последнее выражение величины x₁, y₁, x₂, y₂ должны незначительно отличаться от величин, рассчитываемых по (6), т. к. последние в свою очередь определяются по выражениям (5), полученным при допущении, что продольная ось скважинного прибора и ось скважины параллельны (отсутствует поворот сечения головки скважинного прибора относительно плоскости поперечного сечения скважины). Максимальное упомянутое выше отличие определяется величиной коэффициента (1/cos δ) и не превышает 0,02-0,05%, что позволяет с достаточной для практических целей точностью пользоваться выражениями (5), (6).

Учитывая (4), (7) и то, что

получаем фактические параметры положения оси скважины - ее зенитный угол и азимут плоскости наклонения


Нахождение ошибок определения инклинометром зенитного угла и азимута плоскости наклонения, появляющихся вследствие непараллельности продольной оси скважинного прибора и оси скважины, и расчет с учетом этих ошибок фактических параметров положения оси скважины можно осуществить при помощи предлагаемого устройства (фиг. 4). Скважинный прибор 1 инклинометра содержит блок чувствительных элементов 2, включающий датчик азимута 3, датчик зенитного и апсидального углов 4. Конструкция крепления блока чувствительных элементов не должна позволять ему изменять свое положение относительно корпуса скважинного прибора в период практической эксплуатации последнего, т. е. между технологическими операциями его сборки и разборки. Выходы блока чувствительных элементов связаны с первым и вторым входами блока канала передачи информации 5, а выход последнего с помощью каротажного кабеля соединен с первым входом наземного вычислителя 6. На съемных наконечнике 7 и головке 8 скважинного прибора смонтированы модули датчиков расстояний 9 и 10, измеряющих величины зазоров между наконечником и головкой скважинного прибора и стенками скважины 11. Каждый модуль датчиков содержит по две пары дифференциально включенных и диаметрально противоположно установленных отдельных датчиков 12, оси чувствительности которых лежат в плоскостях поперечных сечений наконечника 7 и головки 8. Выходы диаметрально противоположно установленных датчиков связаны со входами сумматоров 13, обеспечивающих дифференциальное подключение выходов этих датчиков. Выходы сумматоров 13 соединены с третьим, четвертым, пятым и шестым входами блока канала передачи информации 5. Блок поправок 14, связанный со вторым входом вычислителя 6, предназначен для введения в последний значений углов μ_i установки модулей датчиков расстояний 9 и 10 относительно осей блока чувствительных элементов 2.

Устройство работает следующим образом. С выходов блока чувствительных элементов 2 скважинного прибора через блок канала передачи 5 и каротажный кабель 15 на первый вход наземного вычислителя 6 поступает информация, перерабатываемая последним в параметры, характеризующие положение скважинного прибора в опорной системе координат - его зенитный β и апсидальный γ углы, азимут плоскости наклонения α. Диаметрально противоположно расположенные датчики расстояний 12 определяют величины зазоров между поверхностями наконечника и головки скважинного прибора и стенкой скважины. Выходные сигналы датчиков 12 поступают на входы сумматоров 13, при этом выходная информация последних определяет величины и знаки отклонений центров сечений наконечника и головки от оси скважины, как показано ранее выражениями (5). С выходов сумматоров информация через блок канала передачи 5 и каротажный кабель 15 также поступает в наземный вычислитель 6, где производится расчет координат центров сечений по формулам (6) и фактических параметров положения оси скважины по формулам (8). С помощью блока поправок 14 в наземный вычислитель вводятся величины углов μ_i установки модулей датчиков расстояний 9 и 10 относительно осей блока чувствительных элементов 2. Величины упомянутых углов должны быть предварительно определены в процессе настройки и регулировки инклинометра.

Техническая реализация данного изобретения в основном определяется типом датчиков расстояний, измеряющих зазоры между поверхностью скважинного прибора и стенкой скважины. В качестве таких датчиков могут быть использованы ультразвуковые, индуктивные, трансформаторные и др. Отдельный вопрос, стоящий при реализации данного изобретения - нахождение углов установки модулей датчиков расстояний. Эти углы, определяющие взаимное положение осей чувствительности модулей датчиков расстояний и блока чувствительных элементов, могут существенно изменяться после каждой операции разборки-сборки скважинного прибора. Один из способов определения углов установки приводится ниже. Скважинный прибор после сборки помещается в стенд - часть наклонно установленной обсадной трубы, заполненной для обеспечения реальных условий работы датчиков расстояний буровой жидкостью. Под действием своего веса и (возможно специальных прижимных устройств) скважинный прибор занимает устойчивое положение, при котором его продольная ось и ось трубы стенда будут находиться в одной вертикальной плоскости. Инклинометр переводится в режим определения углов установки μ_i,μ₂ модулей датчиков расстояний соответственно наконечника и головки скважинного прибора. Из фиг. 5 следует, что

где i = 1, 2 - индекс, определяющий соответственно параметры наконечника и головки;
ΔI_i = x_i^*, Δm_i = y_i^* - величины, определяемые выражениями (5).

Учитывая формулу для тангенса суммы двух углов, имеем

Квадрант угла определяется знаками сигналов, снимаемых с датчиков расстояний.

После несложных преобразований получим выражение для экспериментального определения углов установки модулей датчиков
(10)
Кроме того, выражения для определения величины μ_i можно получить, используя соотношения

В данном случае


Данный режим работы инклинометра (режим определения углов установки модулей датчиков расстояний) может быть использован и для контроля качества работы датчиков расстояний; при их нормальной работе должно выполняться равенство

где OO_i - расстояние, для данного стенда и данного инклинометра величина постоянная.

Применение данного изобретения позволит повысить точность и производительность инклинометрических работ.

Формула изобретения

1. Способ определения зенитного угла и азимута плоскости наклонения скважины, заключающийся в измерении текущих значений азимута, зенитного и апсидального углов с помощью скважинного прибора инклинометра и вычислении по результатам измерений фактических параметров положения оси скважины, отличающийся тем, что определяют положение центров поперечных сечений наконечника и головки скважинного прибора относительно стенки скважины, рассчитывают пространственный угол отклонения продольной оси скважинного прибора от оси скважины, определяют проекции этого угла, лежащие в плоскости наклонения скважины и в горизонтальной плоскости, а фактические параметры положения оси скважины определяют путем алгебраического вычитания величины первой из проекций из величины зенитного угла, и величины второй проекции из величины азимута плоскости наклонения скважинного прибора.

2. Устройство для определения зенитного угла и азимута плоскости наклонения скважины, содержащее скважинный прибор, включающий блок чувствительных элементов, подключенный к первому и второму входам блока канала передачи информации, выход которого посредством каротажного кабеля связан с первым входом наземного вычислителя, отличающийся тем, что оно снабжено соединенным со вторым входом наземного вычислителя блоком поправок, двумя модулями датчиков расстояний, смонтированными соответственно в наконечнике и головке скважинного прибора, и расположенными там же попарно четырьмя сумматорами, причем каждый из модулей датчиков расстояний содержит четыре датчика, установленные равномерно по периферии модуля, выходы каждой пары диаметрально-противоположно установленных датчиков обоих модулей связаны со входами сумматоров, а выходы сумматоров соединены с третьим, четвертым, пятым и шестым входами блока канала передачи информации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5