Способ измерения параметров траектории скважины

 

Изобретение относится к буровой технике, в частности к средствам контроля забойных параметров при бурении и геологических исследованиях скважин. Техническим результатом является повышение точности измерения. Для этого способ основан на измерении по трем взаимно перпендикулярным осям, одна из которых является одновременно продольной осью скважины и бурильного инструмента, датчиками первичной информации (ДПИ) вектора напряженности магнитного поля Земли и вектора ускорения силы тяжести в месте установки измерительной системы относительно системы координат и вычислении по этим измерениям параметров траектории скважины. При этом измерение вектора напряженности магнитного поля Земли и вектора ускорения силы тяжести производят в трех произвольных положениях бурильного инструмента при его вращении вокруг продольной оси и по алгоритму в виде математического выражения, определяют вектор напряженности магнитного поля Земли и вектор ускорения силы тяжести, с коррекцией погрешностей, возникающих в реальных условиях измерения параметров траектории скважины. 2 ил.

Изобретение относится к буровой технике, в частности к средствам контроля забойных параметров при бурении и геологических исследованиях скважин.

Известен способ определения азимута скважины, включающий измерение значения угловой скорости по трем взаимно перпендикулярным осям X, Y и Z в положении корпусов обоих гироскопов 0 и 180^o, а угловую скорость Земли по трем взаимно перпендикулярным осям определяют как полуразность измеренных угловых скоростей при положении корпусов гироскопов 0 и 180^o (см. патент РФ 2030574, кл. Е 21 В 47/02, опубл. 1990 г.).

Недостатком этого способа является наличие специальных устройств, разворачивающих гироскопы, повороты которых необходимо осуществлять на фиксированные углы, и, кроме того, этот способ не может корректировать, например, погрешности сигналов, феррозондов от влияния посторонних магнитных масс в реальных условиях бурения.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ контроля параметров траектории ствола скважины, который реализуется телеметрической системой, защищенной патентом 32110684, кл. Е 21 В 47/12, опубл. 1998 г.).

Указанный способ контроля параметров траектории скважины включает измерение проекций ускорения силы тяжести и напряженности магнитного поля Земли по трем взаимно перпендикулярным осям тремя акселерометрами и тремя феррозондами и вычисление параметров траектории ствола скважины по соответствующим алгоритмам.

Недостатком данного способа является недостаточная точность измерений в реальных условиях бурения.

Целью данного изобретения является повышение точности измерения за счет исключения погрешности от влияния аномальных магнитных масс, возникающих из-за намагничивания немагнитной трубы бурильного инструмента в процессе длительной эксплуатации, постоянного смещения сигналов феррозондов и акселерометров от температуры и т.п.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения параметров траектории скважины, основанном на измерении по трем взаимно перпендикулярным осям, одна из которых является одновременно продольной осью скважины и бурильного инструмента, датчиками первичной информации (ДПИ) вектора напряженности магнитного поля Земли и вектора ускорения силы тяжести в месте установки измерительной системы относительно системы координат, жестко связанной с измерительной системой и бурильным инструментом, и вычисление по этим измерениям параметров траектории скважины, измерение вектора напряженности магнитного поля Земли и вектора ускорения силы тяжести производят в трех произвольных положениях бурильного инструмента при его вращении вокруг продольной оси и по алгоритму X₃ = М1₃ - ΔX, Y₃ = М2₃ - ΔY, Z₃ = М3₃ - ΔZ, при этом определяют вектор напряженности магнитного поля Земли и вектор ускорения силы тяжести с коррекцией погрешностей, возникающих в реальных условиях измерения параметров траектории скважины, где
М1_n - результат измерения ДПИ 1 в положении n,
М2_n - результат измерения ДПИ 2 в положении n,
ΔX - погрешность измерения ДПИ проекции вектора на ось Х измерительной системы,
ΔY - погрешность измерения ДПИ проекции вектора на ось Y измерительной системы,
ΔZ - погрешность измерения ДПИ проекции вектора на ось Z измерительной системы,
Х_n - проекция измеряемого вектора на ось Х измерительной системы в положении n,
Y_n - проекция измеряемого вектора на ось Y измерительной системы в положении n,
Z_n - проекция измеряемого вектора на ось Z измерительной системы в положении n,
n = 1, 2, 3 - номер положения измерительной системы,
S - вектор напряженности измеряемого поля для вектора напряженности магнитного поля Земли S = Н, для вектора ускорения силы тяжести S = G.

Величину S и знак Z₃ определяют при настройке приборов на геофизическом столе перед бурением.

На фиг. 1 и 2 изображены два положения измерительной системы в бурильном инструменте относительно наклонной скважины.

Рассмотрим данный способ, например, при измерении феррозондами вектора напряженности магнитного поля Земли.

Феррозонды 1, 2 и 3 установлены в корпусе 4 измерительной системы, жестко соединенной с бурильным инструментом таким образом, чтобы оси чувствительности датчиков были направлены по осям X, Y и Z измерительной системы соответственно. На фиг. 1 и 2 показана только немагнитная труба 5 бурильного инструмента.

Н - вектор напряженности магнитного поля Земли,
T(ΔX, ΔY, ΔZ) - вектор напряженности поля магнитных аномалий немагнитных труб, создающих погрешности измерения ΔX, ΔY, ΔZ,
α - произвольный угол поворота бурильного инструмента.

Заявленный способ может быть реализован следующим образом.

Для измерения параметров траектории скважины в процессе бурения используют измерение вектора напряженности магнитного поля Земли относительно системы координат, жестко связанной с корпусом 4 измерительной системой. Корпус 4 измерительной системы помещают в немагнитную трубу 5 бурильного инструмента, как можно ближе к месту бурения и жестко фиксируют ее относительно бурильного инструмента в плоскости кривления скважины. Немагнитную трубу 5 используют достаточно длинную для того, чтобы находящаяся в ней измерительная система не испытывала влияния от стальных труб бурильного инструмента, в том числе находящихся сверху и снизу измерительной системы. В процессе эксплуатации немагнитной трубы ее немагнитные свойства могут ухудшаться, что приводит к возникновению погрешности измерения.

Способ может быть предназначен, например, для использования измерительной системы в немагнитной трубе 5 бурильного инструмента с ухудшенными характеристиками немагнитных свойств. При измерении вектора напряженности Н магнитного поля Земли измерительной системой, находящейся в немагнитной трубе 5 с ухудшенными характеристиками, на измерение феррозондов 1-3 накладывается погрешность от включения магнитных аномалий в немагнитную трубу.

Когда корпус 4 измерительной системы находится в немагнитной трубе 5 бурильного инструмента в произвольном положении (см. фиг. 1), три феррозонда 1-3 измеряют проекции вектора напряженности Н магнитного поля Земли и проекции вектора Т напряженности поля магнитных аномалий, создающих погрешности измерения.

Повернем бурильный инструмент относительно оси Z на произвольный угол α. Измерительный инструмент займет новое положение (см. фиг. 2). Направление вектора Н относительно ствола скважины останется прежним, а проекции вектора Н, которые измеряют феррозонды 1-2 по осям Х и Y, изменятся, а по оси Z проекция вектора Н останется постоянной. Вектор Т изменит свое положение относительно скважины, но проекции, которые измеряют феррозонды, останутся теми же, которые были в положении, указанном на фиг 1.

Погрешность феррозондов 1-3 определяется следующим образом.

В положении бурильного инструмента, изображенном на фиг.1, показания феррозонда 1 по оси Х обозначим
М1₁ = X₁ + ΔX,
где X₁ - проекции вектора напряженности магнитного поля Земли на ось Х измерительной системы в положении один,
ΔX - проекции вектора Т на ось Х измерительной системы.

Показания феррозонза 2 по оси Y в положении один обозначим
М2₁ = Y₁ + ΔY,
где Y₁ - проекция вектора напряженности магнитного поля Земли на ось Y измерительной системы в положении один,
ΔY - проекция вектора Т на ось Y измерительной системы.

Производим произвольный поворот бурильного инструмента вокруг оси Z на угол α, тогда показания феррозонда 1 по оси Х в положение два (см фиг. 2) будут равны
М1₂ = X₂ + ΔX,
где Х₂ - проекция вектора напряженности магнитного поля Земли на ось Х измерительной системы в положении два,
ΔX - проекция вектора Т на ось Х измерительной системы.

Показания феррозонда 2 по оси Y в положении два (см. фиг. 2) будут равны
М2₂ = Y₂+ΔY,
где Y₂ - проекция вектора напряженности магнитного поля Земли на ось Y измерительной системы в положении два,
ΔY - проекция вектора напряженности вектора Т на ось Y.

Рассмотрим следующие выражения для результатов измерений феррозондов:
Для положения один бурильного инструмента
(M1₁)² + (M2₁)² = (R₁)²,
тогда
(R₁)² = (X₁ + ΔX)² + (Y₁ + ΔY)² = (X₁)² + 2X₁(ΔX)² + (ΔX)² + (Y₁)² + 2Y₁ΔY + (ΔY)².

Для положения два бурильного инструмента
(M1₂)² + (M2₂)² = (R₂)²,
тогда
(X₂ + ΔX)² + (Y₂ + ΔY)² = (X₂)² + 2X₂ΔX + ΔX² + (Y₂)² + 2Y₂ΔX + (ΔY)² = (R₂)²,
далее рассмотрим разность R₁ ² - R₂ ²
R₁ ² - R₂ ² = X₁ ² + 2X₁ΔX + (ΔX)² + Y₁ ² + 2Y₁ΔY + (ΔY)² - X₂ ² - 2X₂ΔX - (ΔX)² - Y₂ ² - 2Y₂ΔY - (ΔY)₂.

Сокращая одинаковые члены, получим
R₁ ² - R₂ ² = X₁ ² + 2X₁ΔX + Y₁ ² + 2Y₁ΔY - X₂ - 2X₂ΔX - Y₂ ² - 2Y₂ΔY. Рассмотрим выражения:
X₁ ² + Y₁ ² и X₂ ² + Y₂ ².

Для любого положения измерительной системы значение вектора Н напряженности магнитного поля Земли будет равно
X² + Y² + Z² = H,
т к. при Z₁ = Z₂ = const, то
X₁ ² + Y₁ ² = X₂ ² + Y₂ ²,
учитывая это, получим
R₁ ² - R₂ ² = 2(X₁ - X₂)ΔX + 2(Y₁ - Y₂)ΔY.

Для выражения X₁ - Х₂ и Y₁ - Y₂ рассмотрим
M1₁ - M1₂ и M2₁ - M2₂,
M1₁ - M1₂ = X₁ + ΔX - X₂ - ΔX = X₁ - X₂,
M2₁ - M2₂ = Y₁ + ΔY - Y₂ - ΔY = Y₁ - Y₂.

Тогда подставляя в R₁ ² и R₂ ² их значения, имеем
M1₁ ² + M2₁ ² - M1₂ ² - M2₂ ² = 2(M1₁ - M1₂)ΔX + 2(M2₁ - M2₂)ΔY.

Это алгебраическое уравнение с двумя неизвестными ΔX и ΔY, для определения которых необходимо второе уравнение. Его получаем за счет еще одного поворота бурильного инструмента на другой произвольный угол и измерение показаний феррозондов в третьем положении (можно использовать для получения второго уравнения дополнительно два независимых поворота).

Таким образом, используя методику, указанную выше, имеем второе уравнение с этими же двумя неизвестными, которые образуют систему из двух уравнений
M1₁ ² + M2₁ ² - M1₂ ² - M2₂ ² = 2(M1₁ - M1₂)ΔX + 2(M2₁ - M2₂)ΔY,
M1₁ ² + M2₁ ² - M1₃ ² - M2₃ ² = 2(M1₁ - M1₃)ΔX + 2(M2₁ - M2₃)ΔY.

Решая уравнения относительно ΔX и ΔY, находим:


и окончательно имеем
X₃ = M1₃ - ΔX,
Y₃ = M2₃ - ΔY.

Для определения Z₃ воспользуемся формулой
.

Величина Н и знак Z₃ определяются при настройке приборов на геофизическом столе перед бурением.

Аналогичный способ можно применить к различным видам ДПИ, например акселерометрам, датчикам угловой скорости, основанным на различных физических принципах, например, гироскопических.

В данном случае одновременно с определением погрешностей феррозондов от влияния аномальных магнитных масс определяются погрешности акселерометров, установленных по тем же осям, что и феррозонды, измеряемые сигналы которых могут иметь постоянное смещение, например, от температуры.

Предложенный способ не может быть использован для положения, при котором ось Z измерительной системы направлена вдоль измеряемого вектора. Например, для акселерометров ось Z измерительной системы не должна быть вертикальной, т. к. в этом случае акселерометры, расположенные по осям Х и Y, не участвуют в измерении, т. к. ускорения силы тяжести на эти оси равны нулю.

Этот способ применяется по отдельности к блоку феррозондов и блоку акселерометров.

Формула изобретения

Способ измерения параметров траектории скважины, основанный на измерении по трем взаимно перпендикулярным осям, одна из которых является одновременно продольной осью скважины и бурильного инструмента, датчиками первичной информации (ДПИ) вектора напряженности магнитного поля Земли и вектора ускорения силы тяжести в месте установки измерительной системы относительно системы координат и вычислении по этим измерениям параметров траектории скважины, отличающийся тем, что измерение вектора напряженности магнитного поля Земли и вектора ускорения силы тяжести производят в трех произвольных положениях бурильного инструмента при его вращении вокруг продольной оси и по алгоритму
Х₃=М1₃-ΔХ
Y₃=М2₃-ΔY
Z₃=М3₃-ΔZ


при этом
где М1_n - результат измерения ДПИ 1 в положении n;
М2_n - результат измерения ДПИ 2 в положении n;
ΔХ - погрешность измерения ДПИ проекции вектора на ось Х измерительной системы;
ΔY - погрешность измерения ДПИ проекции вектора на ось Y измерительной системы;
ΔZ - погрешность измерения ДПИ проекции вектора на ось Z измерительной системы;
Х_n - проекция измеряемого вектора на ось Х измерительной системы в положении n;
Y_n- проекция измеряемого вектора на ось Y измерительной системы в положении n;
Z_n - проекция измеряемого вектора на ось Z измерительной системы в положении n;
n =1,2,3 - номер положения измерительной системы;
S - вектор напряженности, измеряемого поля, для вектора напряженности магнитного поля Земли S=H, для вектора ускорения силы тяжести S=G,
определяют вектор напряженности магнитного поля Земли и вектор ускорения силы тяжести, с коррекцией погрешностей, возникающих в реальных условиях измерения параметров траектории скважины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2