Способ определения магнитного азимута в скважинном инклинометре в процессе бурения



Способ определения магнитного азимута в скважинном инклинометре в процессе бурения

 


Владельцы патента RU 2586341:

Закрытое акционерное общество "Специальное конструкторское бюро приборов подземной навигации" (ЗАО "СКБ ПН") (RU)

Изобретение относится к области инклинометрии и может быть использовано в нефте- и газопромысловой геофизике. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей инклинометра за счет более высокой точности выработки азимута и обеспечения работоспособности инклинометра в условиях произвольного характера распределения поля в зоне считывания. Способ основан на использовании показаний проекций HX3, HY3, hZ3 классической триады феррозондов и двух дополнительных датчиков поля, пространственно разнесенных вдоль продольной оси Z инклинометра. В качестве дополнительных феррозондов используют одноосные с направленными вдоль оси Z осями чувствительности датчики поля, вырабатывающие соответственно текущие значения проекций суммарного поля hZ1=HZ3+HP1 и hZ2=HZ3+HP2, где HZ3 - проекция поля Земли на ось Z инклинометра, a HP1, HP2 - напряженности поля помехи, фиксируемые дополнительными датчиками 1 и 2, и затем производят вычисление величин HZ(1), HZ(2), HZ(3), представляющих собой три независимые реализации одного и того же значения проекции HZ3, очищенной от влияния магнитных помех, в соответствии с выражениями:

HZ(1)=hZ1-(hZ1-hZ3)/1-K31,

HZ(2)=hZ2-(hZ2-hZ3)/1-K32,

HZ(3)=hZ1-(hZ1-hZ2)/1-K21,

где (hzi-hzj) характеризует разность показаний первичных измерителей, ответственных за локальный градиент поля между датчиками i и j, а величины - масштабные коэффициенты, являющиеся постоянными величинами на всем протяжении времени проводки скважины и которые экспериментально определяют на начальном этапе проведения буровых работ, для чего колонну в собранном виде устанавливают в вертикальное положение со значением зенитного угла в диапазоне (0÷15)° и опускают на такую глубину, при которой приращение разности показаний δ(hZ1-hZ3) в процессе движения колонны вниз не превышает одной-двух отсчетных единиц. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области инклинометрии и может быть использовано в нефте- и газопромысловой геофизике.

Известен способ устранения ошибок определения магнитного азимута, возникающих при работе инклинометра в условиях, когда магнитное поле Земли искажено наличием внешних магнитных возмущений со стороны ферромагнитных масс элементов конструкции буровой колонны (патент США №4761889, E21B 47/022). Согласно патенту выходные данные магнитометров представляют собой алгебраическую сумму проекций полезного сигнала, связанного с полем Земли, и поля магнитной помехи на соответствующие оси координат. Выделение полезного сигнала производится путем сравнения уровня выходных сигналов магнитометров, измеренных в буровой колонне для некоторых текущих значений зенитного угла, угла отклонителя и возмущенного значения азимута с теми величинами проекций поля, которые получаются при аналитическом проецировании вектора поля Земли известной для данной местности величины на соответствующие оси с теми же значениями угловых координат. Полученные результаты в форме набора последовательных по времени поправок вычитают из соответствующих исходных выходных данных магнитометров и таким образом итерационным способом получают уточненное значение азимутального угла.

Недостатком изложенного подхода является наличие итерационного процесса, который при зенитных углах, близких к 90°, и магнитных азимутах, приближающихся к 90° или 270°, занимает достаточно продолжительное время, что самым негативным образом сказывается на быстродействии инклинометра.

Кроме этого в излагаемом методе используется процедура учета влияния поперечных компонент поля возмущения буровой колонны на показания азимута. Однако прямые эксперименты показывают, что эта процедура является излишней при условии, если соответствующие датчики расположены аксиально по отношению к оси буровой колонны и на разумно близком расстоянии ~(200÷400) мм от ее магнитной кромки (см. Биндер Я.И., Клюшкин П.А., Тихонов А.Г. Экспериментальное исследование магнитометрической системы ориентации ствола скважины с компенсацией магнитных помех // НТВ Каротажник, 2010, Вып. 1, С. 61-67).

Известен способ, в котором величина помехи определяется путем компенсации разности текущих значений модуля суммарного поля, измеряемого феррозондом, размещенным в буровой колонне, и модуля поля Земли, измеренного или известного заранее в месте проведения буровых работ (патент РФ №2387827, E21B 47/022).

Основным недостатком способа является необходимость увеличения (более чем на порядок) точности измерения величины модуля возмущенного поля, поскольку его значения при любых возможных ориентациях инклинометра в пространстве меняются в весьма узких пределах относительно исходного модуля поля Земли.

Другим очевидным недостатком способа является то, что полезный сигнал при используемом подходе в принципе определяется лишь по абсолютной величине, в то время как для определения его знака дополнительно требуется, как минимум, знание или использование предыстории измерений.

Известен другой способ учета влияния магнитных возмущений со стороны магнитного окружения буровой колонны на показания магнитного азимута (патент РФ №2290673, пункт 1 формулы изобретения), взятый далее за прототип. Данный способ основан на том, что в зоне считывания помимо классической триады магнитометров, вырабатывающих величины напряженностей суммарного поля hX3, hY3, hZ3, на некотором расстоянии от источника магнитных помех размещают вдоль продольной оси инклинометра набор разнесенных в пространстве дополнительных (минимум двух) датчиков напряженности магнитного поля, посредством которых определяют коэффициенты аппроксимации зависимости интенсивности магнитной помехи в функции расстояния, после чего вычисляют значение помехи в показаниях магнитометров и вводят поправки на ее величины в выходные сигналы.

Недостатком способа-прототипа является достаточно узкая область его применения, ограниченная, в частности, случаем, когда поле компенсируемых инклинометром магнитных помех создается одним-единственным источником магнитных возмущений, например паразитным полем забойного двигателя. В случае же, если допустить, что колонна собрана из элементов конструкции, являющихся в магнитном отношении совокупностью элементарных N-S диполей, то дополнительным ограничением метода является требование, чтобы при сборке в единую компоновку указанные N-S диполи включались друг относительно друга последовательно. В математическом отношении это связано с тем, что только при выполнении этих условий функция распределения поля в зоне считывания магнитометров носит сравнительно монотонный характер и не содержит каких-либо локальных максимумов или минимумов, которые в принципе и являются основным источником ошибок при вычислении коэффициентов аппроксимации. Технически реализация указанного требования согласного включения элементарных N-S диполей на практике представляется достаточно проблематичной, поскольку различные узлы указанной компоновки изготавливаются, как правило, разными исполнителями, а процедура принудительного перемагничивания названных узлов в необходимом направлении выглядит достаточно затратной.

Кроме того, наличие в составе буровой колонны таких локальных источников паразитных магнитных помех, как аккумуляторные батареи в телесистеме, переводники и пр. при их достаточно близком расположении к феррозондам также может приводить к искажению результатов вычисления магнитного азимута (см. Биндер Я.И., Денисов В.М., Клюшкин П.А., Тихонов А.Г., Бенедик Р.Г. Экспериментальное исследование инклинометра с компенсацией магнитных помех в составе серийной компоновки низа буровой колонны при малом значении параметра приближения к двигателю забойного агрегата // НТВ Каротажник, 2011, Вып. 1, С. 29-33). Все вышеперечисленное свидетельствует о том, что подход, основанный на аппроксимации зависимости поля помехи квадратичной гиперболой, имеет ограниченное применение в решении задач компенсации поля помехи, а для ряда конфигураций буровой колонны с произвольным характером распределения поля в зоне считывания феррозондов он оказывается вообще неприемлемым.

Кроме того, в прототипе в качестве дополнительных датчиков поля используются трехосные первичные преобразователи. Однако экспериментально обнаружено, что если разместить магнитные центры первичных датчиков в зоне считывания строго на геометрической оси общей компоновки буровой колонны, то показания поперечных датчиков поля при этом оказываются практически не возмущаемыми полем помехи, и, следовательно, их показания совпадают с соответствующими проекциями HX3, HY3 поля Земли, т.е. всегда hX3=HX3 и hY3=HY3. Это означает, что единственным источником ошибок в вычислении азимута является продольная составляющая намагниченности буровой колонны и, следовательно, для ее учета в качестве двух дополнительных датчиков достаточно использовать одноосные преобразователи с осью чувствительности, совпадающей по направлению с продольной осью компоновки буровой колонны.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка метода компенсации магнитных возмущений со стороны элементов конструкции буровой колонны в феррозондовом инклинометре в условиях, когда распределение интенсивности магнитных помех в зоне считывания магнитометров носит произвольный характер.

Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей инклинометра за счет более высокой точности выработки азимута и обеспечения работоспособности инклинометра в условиях произвольного характера распределения поля в зоне считывания.

Технический результат достигается тем, что в качестве дополнительных феррозондов используют одноосные с направленными вдоль оси Z осями чувствительности датчики поля, вырабатывающие соответственно текущие значения проекций суммарного поля hZ1=HZ3+HP1 и hZ2=HZ3+HP2, где HZ3 - проекция поля Земли на ось Z инклинометра, a HP1, HP2 - напряженности поля помехи, фиксируемые дополнительными датчиками 1 и 2, и затем производят вычисление величин Hz(1), HZ(2), HZ(3), представляющих собой три независимые реализации одного и того же значения проекции HZ3, очищенной от влияния магнитных помех, в соответствии с выражениями HZ(1)=hZ1-(hZ1-hZ3)/1-K31, HZ(2)=hZ2-(hZ2-hZ3)/1-K32, HZ(3)=hZ1-(hZ1-hZ2)/1-K21, где (hzi-hzj) характеризует разность показаний первичных измерителей, ответственных за локальный градиент поля между датчиками i и j, а величины Kij - масштабные коэффициенты, являющиеся постоянными величинами на всем протяжении времени проводки скважины и которые экспериментально определяют на начальном этапе проведения буровых работ, для чего колонну в собранном виде устанавливают в вертикальное положение со значением зенитного угла в диапазоне (0÷15)° и опускают на такую глубину, при которой приращение разности показаний δ(hZ1-hZ3) в процессе движения колонны вниз не превышает одной-двух отсчетных единиц, после чего находят коэффициенты в форме выражений

K 31 = h Z 3 H Z 0 h Z 1 H Z 0 , K 32 = h Z 3 H Z 0 h Z 2 H Z 0 , K 21 = h Z 2 H Z 0 h Z 1 H Z 0 , где

H Z 0 = ( H 0 2 H x 2 H y 2 ) 1 2 - проекция поля Земли на ось Z инклинометра в режиме калибровки,

H0 - модуль поля Земли в месте проведения испытаний, и затем искомую проекцию HZ3 определяют как среднее из величин H(1), H(2), H(3), которое затем наряду с данными измерений проекций HX3 и HY3 подставляют в известную формулу вычисления магнитного азимута.

Физический принцип, который положен в основу предлагаемого способа, базируется на использовании того очевидного факта, что проекции поля HX3, HY3, HZ3, связанные с полем Земли, естественным образом являются однородными по координате, тогда как поле помехи, напротив, является существенно неоднородным и представляет собой функцию, достаточно быстро убывающую с расстоянием от источника магнитных возмущений. В таком случае, если измерить локальный градиент поля между любой парой точек наблюдения, то по его уровню можно судить о величине собственно паразитного магнитного поля и, следовательно, оказывается возможным из суммарного сигнала выделить составляющую проекции поля Земли HZ3, очищенную от влияния магнетизма носителя.

В математическом отношении это может быть выражено в виде трех следующих равенств для вычисления соответственно трех независимых реализаций значения проекций поля Земли Hz(1), HZ(2), HZ(3), свободных от влияния магнитных помех Hz(1)=hZ1-(hZ1-hZ3)/1-K31, HZ(2)=hZ2-(hZ2-hZ3)/1-K32, HZ(3)=hZ1-(hZ1-hZ2)/1-K21, где Kij=Hpi/Hpj представляет собой отношение интенсивностей помехи, фиксируемых феррозондами i и j, а выражения в круглых скобках характеризует разность показаний магнитометров при вычислении локальных градиентов поля между точками наблюдения 1-3, 1-2, 2-3 зоны считывания. Поскольку все три полученные величины Hz(l) основаны на данных измерений от трех датчиков, находящихся, в принципе, в условиях одновременного воздействия магнитных помех со стороны всех элементов сборки буровой колонны, то, очевидно, наилучшим по точности результатом обработки данных будет среднее из измеренных величин, т.е..

В процессе производства буровых работ суммарный магнитный момент сборки, а следовательно, и абсолютная величина помех Hpi может меняться в весьма широких пределах в зависимости от многих причин: пространственной ориентации буровой колонны относительно плоскости магнитного меридиана, температуры окружающей среды, уровня механических напряжений, возникающих в элементах конструкции буровой колонны при ее движении в толще Земли. Однако отношение интенсивностей помех Kij=Hpi/Hpj остается при этом неизменным. Это связано с тем, что при фиксированном расстоянии между датчиками величины измеряемой напряженности поля помехи для каждого из них являются линейными функциями суммарного магнитного момента сборки.

Наиболее просто коэффициенты Kij могут быть определены на начальном этапе производства работ в условиях, когда колонну в собранном состоянии устанавливают в положение с зенитным углом (0÷±15)°. С целью исключения влияния магнитного окружения буровой платформы на показания датчиков инклинометра hZ1, hZ2, hZ3 осевой проекции поля (и автоматически на показания поперечных компонент HX3, HY3) буровая колонна погружается минимально на такую глубину, при которой приращения разности величин δ|hz1-hz3| при движении колонны вниз не будет превышать одной или двух отсчетных единиц. После этого, имея данные измерений hZ1, hZ2, hZ3, определяют величины напряженности магнитного поля помех в соответствии с очевидными выражениями Hpi=hzi-Hz0, (i=1, 2, 3) и соответственно вычисляют коэффициенты Kij

K 31 = h Z 3 H Z 0 h Z 1 H Z 0 , K 32 = h Z 3 H Z 0 h Z 2 H Z 0 , K 21 = h Z 2 H Z 0 h Z 1 H Z 0 .

Данный способ был реализован на экспериментальном образце инклинометра, работающего в условиях воздействия магнитных помех со стороны забойного двигателя. Поскольку помеха присутствовала только с одной стороны инклинометра, то при расчетах использовались данные только одного дополнительного датчика Z-проекции магнитного поля. Измерения проводились при позиционировании сборки приблизительно в плоскости горизонта на восьми наперед заданных значениях магнитного азимута A0. Погрешности определения азимута представлены ниже в таблице, где для сравнения приведены данные измерения ошибок, вычисляемых по способу, описанному в прототипе.

Из сопоставления данных следует, что по сравнению с прототипом предлагаемым способом достигается более высокая точность выработки азимута и достигается заявленный технический результат.

1. Способ измерения магнитного азимута в скважинном инклинометре, работающем в условиях воздействия магнитных помех со стороны магнитного окружения буровой колонны, основанный на использовании показаний проекций HX3, HY3, hZ3 классической триады феррозондов и двух дополнительных датчиков поля, пространственно разнесенных вдоль продольной оси Z инклинометра, отличающийся тем, что в качестве дополнительных феррозондов используют одноосные с направленными вдоль оси Z осями чувствительности датчики поля, вырабатывающие соответственно текущие значения проекций суммарного поля hZ1=HZ3+HP1 и hZ2=HZ3+HP2, где HZ3 - проекция поля Земли на ось Z инклинометра, a HP1, HP2 - напряженности поля помехи, фиксируемые дополнительными датчиками 1 и 2, и затем производят вычисление величин HZ(1), HZ(2), HZ(3), представляющих собой три независимые реализации одного и того же значения проекции HZ3, очищенной от влияния магнитных помех, в соответствии с выражениями HZ(1)=hZ1-(hZ1-hZ3)/1-К31, HZ(2)=hZ2-(hZ2-hZ3)/1-К32, HZ(3)=hZ1-(hZ1-hZ2)/1-K21, где (hZi-hZj) характеризует разность показаний первичных измерителей, характеризующих локальный градиент поля между датчиками i и j, а величина Kij - масштабные коэффициенты, являющиеся постоянными величинами на всем протяжении времени проводки скважины и которые экспериментально определяют на начальном этапе проведения буровых работ, для чего колонну в собранном виде устанавливают в вертикальное положение со значением зенитного угла в диапазоне (0÷15)° и опускают на такую глубину, при которой приращение разности показаний δ(hΖ1-hΖ3) магнитометров в телесистеме при движении колонны вниз не превышает одной-двух отсчетных единиц, после чего находят коэффициенты в форме выражений
K 31 = h Z 3 H Z 0 h Z 1 H Z 0 , K 32 = h Z 3 H Z 0 h Z 2 H Z 0 , K 21 = h Z 2 H Z 0 h Z 1 H Z 0 ,
где
H Z 0 = ( H 0 2 H x 2 H y 2 ) 1 / 2 - проекция поля Земли на ось Z инклинометра в режиме калибровки,
Н0 - модуль поля Земли в месте проведения испытаний,
и затем искомую проекцию HZ3 определяют как среднее из величин Н(1), Н(2), Н(3), которое затем наряду с данными измерений проекций HX3 и HY3 и подставляют в известную формулу вычисления магнитного азимута.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определении коэффициентов Kij колонну погружают на такую глубину, при которой приращение модуля возмущенного значения поля при движении колонны вниз не превышает одной-двух отсчетных единиц.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к направленному бурению скважин, в частности к средствам каротажа удельного сопротивления пород в реальном времени. Техническим результатом является повышение точности и информативности о наборе слоев перед буровым долотом по мере перемещения компоновки низа бурильной колонны, что обеспечивает более точное управление направленным бурением.

Изобретение относится к средствам для выполнения скважинного каротажа. Техническим результатом является повышение чувствительности и точности информации в процессе измерений в скважине.

Изобретение относится к ориентирующей системе, предназначенной для направления движения бурового наконечника так, чтобы избежать столкновения с обсадной трубой в первом стволе скважины или ввести его в столкновение с ней.

Изобретение относится к направленному бурению скважин. Техническим результатом является повышение точности проводки ствола скважины в пределах продуктивного пласта.

Изобретение относится к средствам для геонавигации в процессе бурения наклонно-направленных или горизонтальных скважин для разведки нефти и газа. Техническим результатом является повышение точности определения направления скважин в процессе бурения по заданной траектории наклонно-направленных или горизонтальных скважин.
Изобретение относится к области геофизических исследований скважин, в частности к инклинометрическим измерениям в процессе бурения. Техническим результатом является повышение точности определения параметров скважины при значительном уровне вибраций и наличии постороннего влияния магнитных масс.

Изобретение относится к картированию и бурению скважин. Техническим результатом является повышение точности определения траектории скважины между пунктами инклинометрии и расчета положения скважины.

Изобретение относится к области бурения наклонно-направленных скважин, преимущественно кустовым способом с использованием телеметрической системы. Техническим результатом является повышение точности определения относительного положения забоя бурящейся скважины (БС) относительно неограниченного количества эксплуатационных колонн (ЭК) ранее пробуренных скважин (ПС) с идентификацией номеров этих скважин.

Изобретение относится к устройствам для выверки и, в частности, к устройствам, которые могут быть использованы для выверки буровых установок с обеспечением правильного азимута бурения.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при проведении акустического каротажа при бурении подземных формаций. Способ проведения измерений акустического каротажа включает группирование полученных форм акустических сигналов в одну из множества групп.

Изобретение относится к средствам передачи информации из скважины на поверхность. Техническим результатом является повышение эффективности использования поплавкового клапана и снижение затрат энергии на передачу информации по давлению на поверхность. Предложена система для передачи скважинной информации по стволу скважины на поверхность, включающая: переводник на конце бурильной колонны; детектор, расположенный на упомянутом месте на поверхности и взаимодействующий с жидкостью, проходящей через переводник, для предоставления на упомянутое место на поверхности величины измерения, коррелированной со временем между изменениями давления жидкости в бурильной колонне; и скважинный электронный модуль, расположенный в переводнике. При этом скважинный электронный модуль содержит поплавковый клапан для создания ограничения потока для жидкости, проходящей через переводник. Причем поплавковый клапан управляет падением давления бурового раствора в переводнике и включает корпус, керамическую оболочку седла, размещенную в отверстии корпуса, тарелку, выполненную с возможностью аксиального сдвига в корпусе и наружу от керамического седла, шток поршня, соединенный с тарелкой и выходящий наружу из корпуса, и верхнюю и нижнюю втулки для аксиального направления штока поршня в корпусе. Кроме того, система содержит датчик, расположенный в переводнике, для отслеживания состояния в стволе скважины и тормоз, взаимодействующий со штоком поршня, для фиксации тарелки по меньшей мере в двух статических положениях во время начала потока бурового раствора через переводник и во время открывания поплавкового клапана. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 10 ил.
Наверх