Комплекс инклинометрической скважинной аппаратуры и способ определения траектории скважин

 

Комплекс предназначен для измерения и исследования траекторий нефтяных, газовых, геотермальных, железорудных и других скважин. Измеряют проекции составляющих угловой скорости вращения Земли на две оси чувствительности азимутального датчика и проекцию ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра. Предварительно проводят юстировку инклинометра в стационарных условиях на широте места испытаний. Данные заносят в память компьютера. При проведении натурных испытаний полученные значения сравниваются с данными, занесенными в память компьютера, после чего вычисляются истинные значения азимутального и зенитного углов в каждой измерительной точке скважины в функции глубины. Точность измерения повышается за счет того, что при вычислении истинных азимутальных углов принимаются во внимание только линейные части выходных характеристик азимутального датчика, а нелинейные участки используются только для определения однозначности полученных результатов. 2 с.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области исследования геофизических параметров скважин, например измерения траекторий нефтяных, газовых, геотермальных, железорудных и других скважин.

Известны устройства [1] гироскопического типа, в которых гироскопы измеряют составляющие проекции угловой скорости Земли, а акселерометры - проекции ускорения силы тяжести.

Результаты измерения обрабатываются с помощью ПЭВМ, определяется истинное значение зенитного и азимутального углов исследуемого участка скважины в функции глубины.

Наиболее близким техническим решением является устройство [2]. Устройство содержит гироскопический двухосный датчик, акселерометр, датчик углового положения подвижной части устройства, привод подвижной части устройства, блоки электронных устройств, коллектор, корпус устройства.

Суть способа этого устройства заключается в том, что сначала разгоняют гироскоп, включают систему электрического арретирования, устанавливают подвижную часть устройства в исходное положение, отключают систему электрического арретирования и снимают показания с датчиков углов гироскопа и акселерометра, причем измерения проводятся в ориентациях гироскопа и акселерометра на апсидальных углах 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270 и 315^o, выделяют систематическую составляющую погрешности гироскопа, находят положение апсидальной плоскости, устанавливают одну из осей гироскопа и ось чувствительности акселерометра в эту плоскость, определяют зенитный и промежуточный азимутальный угол.

Затем по алгоритму Аист=2 arctg t_1,2 вычисляют истинный азимут, где Причем А - проекция азимутального угла на торцевую плоскость гироскопа; Q - зенитный угол; λ - широта места испытаний.

Наличие двух решений и квадратных значений входящих аргументов свидетельствует о нелинейной функции, график которой представлен на фиг.1.

Из графика фиг. 1 видно, что в нелинейной зоне "m" при незначительных изменениях А значение Аист может изменяться от 45^o до 80^o (для Q=35^o).

Таким образом, основным недостатком устройства и способа для его осуществления [2] является недопустимо большая погрешность в существенно нелинейных зонах выходной характеристики азимутального датчика. Причем, чем выше широта места испытаний, тем больше погрешность измерения.

Наличие двух решений свидетельствует о двух полученных значениях азимута для одного положения инклинометра, что существенно ограничивает и затрудняет практическое применение способа и устройства для его реализации.

Другим недостатком устройства является слабая защита от возможных виброударов чувствительных элементов инклинометра. Натурные испытания показывают, что вероятность виброударов очень высока, что приводит не только к ухудшению точностных параметров, но и к нарушению работоспособности инклинометра.

Технический результат изобретения заключается в том, чтобы существенно улучшить эксплуатационные возможности гироинклинометра, т.е. повысить точность измеряемых параметров и виброударостойкость прибора.

Указанный результат достигается следующим образом.

1. Механическая часть инклинометра, содержащая чувствительные элементы, устанавливается в трехосный юстировочный стенд УПИ-95 (фиг.5) и подвергается предварительной сеточной эталонировке на месте испытаний.

УПИ-95 состоит из механической части, на которой установлены измерительные датчики ПТ (поворотные трансформаторы), ДПУ (двигатели поворотного устройства - бесколлекторные двигатели постоянного тока) и блока электроники, обеспечивающего съем и преобразование сигналов с датчиков и выработку управляющих воздействий на приводы. Общая структурная схема УПИ-95 представлена на фиг.6.

Блок электроники выполнен в виде отдельного устройства, подключаемого к УПИ-95 посредством кабеля. Он выполнен в виде двух относительно независимых подсистем: кодового преобразователя угла (КПУ), обеспечивающего съем информации и формирующего цифровой код, соответствующий текущему угловому положению установки и системы управления приводом, обеспечивающего приведение установки в заданную угловую ориентацию.

Блок электроники посредством интерфейса RS-232 подключается к PC-совместимому компьютеру.

Общий алгоритм работы установки следующий: - управляющая программа, работающая на IBM PC, задает блоку электроники код необходимой угловой ориентации, эта информация поступает в систему управления приводом в качестве уставки; - одновременно на систему управления приводом поступает код текущей угловой ориентации УПИ-95 от КПУ, по разнице между уставкой и текущим положением вырабатывается управляющее воздействие таким образом, чтобы уменьшить эту разницу, при этом установка приводится в требуемое угловое положение.

Алгоритм юстировки измерительного прибора работает следующим образом: - в компьютер с определенной периодичностью поступают данные о текущем угловом положении установки в качестве эталонной величины; - поверяемый прибор, жестко закрепленный на установке, также передает в компьютер свое текущее угловое положение, измеренное с помощью инерциальных датчиков, которое сравнивается с эталонной величиной, поступающей с УПИ-95; - разница между эталонной и поверяемой величиной записывается в таблицу корректировки, по результатам измерений в различных угловых положениях формируется полная таблица корректировки, которая включается в паспорт поверяемого прибора.

Режим юстировки проходит автоматически, т.е. оператор заранее формирует таблицу определенных установочных сочетаний углов азимута, зенита и положения подвижной части инклинометра относительно его корпуса (апсидальный угол), на которых должна быть проведена поверка прибора, а затем система приведения УПИ-95 согласно программе отработает заданные угловые положения.

Установка позволяет в заданной последовательности задавать углы азимута, зенита и положения подвижной части прибора относительно его корпуса. Результаты заносятся в ОЗУ ПЭВМ, которые затем при натурных испытаниях сравниваются с полученными значениями. Вычисляются истинные значения азимутальных и зенитных углов положения исследуемого участка траектории скважины.

Характеристики сигналов с измерительных осей азимутального датчика α и β имеют вид, показанный на фиг.2.

Ось β азимутального датчика всегда устанавливается в горизонтальную плоскость и поэтому не зависит от зенитного угла (Qi). Следовательно, характеристика будет иметь один и тот же вид при различных зенитных углах установки инклинометра.

Напротив, характеристика сигнала с канала α азимутального датчика зависит от угла наклона оси α к плоскости горизонта. Из фиг.2 видно, что при Q1<Q2<Q3<Q4 характеристика α опускается вниз и имеет тенденцию к выпрямлению (cм.Q≈85^o).

Характеристики U_α и U_β состоят из условно линейных и нелинейных частей. С целью повышения точности измерений выделяются линейные зоны U_α или U_β. Нелинейная часть характеристик используется для определения однозначности решаемой задачи.

Таким образом, все измерительное поле разбивается на зоны α₁, α₂, β₁, β₂. 2. Исключение из алгоритма задачи необходимости решать квадратное уравнение позволяет однозначно определять истинный азимут в каждой исследуемой точке скважины.

3. Инклинометр снабжается системой тройной защиты от виброударных перегрузок.

Во-первых, азимутальный датчик (например, динамически настраиваемый гироскоп) устанавливается на базовую площадку через амортизирующий виброударный клей.

Во-вторых, инклинометр помещается в защитную трубу таким образом, что по продольной оси инклинометра в головной части и в хвостовой части устанавливаются амортизаторы из пористой резины.

В-третьих, защитная труба по продольной оси снабжена внешними амортизаторами из пористой резины.

Схема устройства с системой тройной виброударной защиты показана на фиг. 3, где 1 - наружный амортизатор, 2 - внутренний амортизатор, 3 - защитный кожух, 4 - гироинклинометр, 5 - защитный виброударный клей, 6 - блок датчиков, 7 - геофизический каротажный кабель.

В результате принятых мер виброударостойкость прибора повысилась с 10 до 30 g.

Инклинометрический измерительный комплекс состоит из трехосного юстировочного стенда и гироскопического инклинометра.

Трехосный юстировочный стенд состоит из
- трехосного карданного подвеса,
- трех датчиков углового положения по каждой из осей подвеса,
- трех двигателей по каждой из осей подвеса,
- усилителей-преобразователей (см. фиг.6)
Гироскопический инклинометр состоит из:
- из двухстепенного азимутального датчика, оси чувствительности α и β которого взаимно ортогональны и располагаются в плоскости, перпендикулярной продольной оси скважинного прибора;
- акселерометра, ось чувствительности которого совпадает с направлением оси α гироскопа;
- из датчиков углового положения и двигателя поворотной части платформы, соосных с продольной осью скважинного прибора;
- блоков электронных устройств;
- трехступенчатой системой виброударной защиты и защитной трубы.

Конструктивное исполнение прибора показано на фиг.4, 5.

Сущность изобретения состоит в комплексном решении вопроса при определении траекторных параметров скважин, которое заключается в том, что
повышается точность измерения угловой ориентации скважин, так как измерение проекций угловой скорости вращения Земли проводят одним трехстепенным гироскопом в ортогональных направлениях, перпендикулярных продольной оси инклинометра, а отклонение от вертикали места измеряется одним акселерометром, ось чувствительности которого устанавливают в апсидальную плоскость;
положение апсидальной плоскости находят путем последовательных поворотов подвижной части прибора с шагом 45^o, измеряя в каждом положении сигналы с осей α и β гироскопа и сигнал с датчика угла акселерометра, по результатам измерения выделяют систематическую погрешность гироскопа и акселерометра и определяют положение апсидальной плоскости;
- устанавливают ось чувствительности α гироскопа в эту плоскость, измеряют проекцию угловой скорости Земли и ускорение силы тяжести, а вычисление азимута и зенитного угла производят после сравнения полученных данных и данных, полученных на этапе юстировки инклинометра, с учетом линейных и нелинейных зон азимутальной характеристики прибора и с учетом выделенной систематической погрешности блока датчиков.

Последовательность действий при эксплуатации инклинометрического комплекса следующая.

1. Проводят предварительную сеточную эталонировку комплекта в стационарных условиях на широте места испытаний на юстировочной установке УПИ-95.

2. Помещают инклинометр в защитную трубу, снабженную внутренними и внешними амортизаторами.

3. Опускают инклинометр на заданную глубину, производят включение систем инклинометра и измеряют сигналы с измерительных осей чувствительных элементов.

4. Результаты измерения сравнивают с данными, полученными при юстировке, и определяют истинные значения азимутального и зенитного направлений исследуемого участка скважины.

Существенная новизна инклинометрического комплекса скважинной аппаратуры состоит в следующем:
- прибор проходит сеточную предварительную юстировку в стационарных условиях;
- измерения проводятся блоком датчиков, состоящим из одного гироскопа и одного акселерометра;
- контрольное измерение проводится при установке одной из осей чувствительности гироскопа (α) в апсидальную плоскость;
- в режиме контрольного измерения и вычисления истинного значения азимута и зенитного угла используются только линейные зоны α или β азимутальной характеристики инклинометра.

Полезность устройства состоит в следующем:
- повышается точность измерения во всем диапазоне измерений, так как устраняются погрешности из-за нелинейности азимутальных характеристик;
- автокомпенсируются систематические составляющие погрешностей гироскопа и акселерометра в каждом запуске;
- улучшаются эксплуатационные характеристики прибора благодаря введению трехступенчатой системы виброударной защиты блока датчиков прибора;
- благодаря мобильному портативному юстировочному стенду появляется возможность проводить и уточнять юстировку непосредственно на месте испытаний.

Литература
1. Исаченко В. Х. Инклинометрия скважин. -М.: Недра, 1987г., стр.36, 78-83.

2. RU 2104490 C1, 10.02.1998.

Формула изобретения

1. Способ определения траекторий скважин, основанный на измерении проекций угловой скорости вращения Земли и проекций ускорения силы тяжести на оси, связанные с корпусом инклинометра, выделении систематической составляющей погрешности, которая автокомпенсируется, отличающийся тем, что инклинометру предварительно проводят юстировку в стационарных условиях на широте места испытаний, данные заносят в память компьютера, затем их сравнивают с данными, полученными при натурных испытаниях, используют массив данных с двух взаимно ортогональных измерительных каналов гироскопа, который разбивается на линейные зоны α1, β1, α2, β2 для исключения нелинейных участков характеристик одного измерительного канала, а для исключения неоднозначности результатов измерения используют нелинейную часть другого измерительного канала, и вычисляют углы зенита и азимута.

2. Инклинометрический измерительный комплекс, включающий скважинный прибор, отличающийся тем, что в состав комплекса входит малогабаритный трехосный юстировочный стенд, а инклинометр конструктивно состоит из двух модулей: блока датчиков и блока электроники, причем в юстировочный стенд устанавливают только модуль блока датчиков, а блок электроники находится в неподвижном положении и связан с блоком датчиков гибким технологическим кабелем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6