Разработка инклинометра с непрерывным измерением азимута

Кафедра общей и прикладной геофизики

Курсовая работа

по геофизическим исследованиям скважин на тему:

Разработка инклинометра с непрерывным измерением азимута

Выполнил: студент группы 4151

Рыжов А. А.

Проверил: Неретин В.Д.

Дубна, 2005

Содержание

Введение

1. Определение искривления скважин 5

2. Оценка погрешностей измерения 11

3. Феррозондовые инклинометры

4. Гироскопические инклинометры 8

Заключение 36

Список литератур 37

Приложение 1 38

Введение

Целью курсовой работы является изучение и сравнение инклиномет- рических датчиков: феррозонда и гироскопа.

Актуальность темы. Непрерывный рост темпов разведки и добычи нефти и газа, увеличение интенсивности уже найденных месторождений за счёт применения кустового бурения и горизонтальной проводки месторождений потребовало существенного повышения точности диагностики и активного контроля пространственного положения ствола скважины.

Как известно, в бурение наклонных скважин одним из трудных и ответственных задач является ориентирование отклонителя для проведения зарезки с вертикального ствола. Ориентирование отклонителя связано с возможными ошибками, увеличивающимися с ростом глубины бурения.

Осуществить зарезку с вертикального ствола не представляется возможным провести на основе традиционно применяемой технике бурения. Интервалы искривления характеризуются возникновением осложнений и прихватов бурильного инструмента.

Это, в свою очередь, привело к необходимости создания новых, более совершенных поколений инклинометрических измерительных систем, с помощью которых осуществляется определения пространственного положения скважины.

Инклинометр, как измерительная система, используется в важнейшем технологическом процессе – строительстве скважин. По его показаниям маркшейдер контролирует соответствие профиля и плана скважины проектному заданию и корректирует соответствующим образом процесс бурения. Поэтому точность производимых измерений и оперативность их представления во многом определяют и стоимость затрат на построение скважины в целом.

Разработкой таких систем занимается ряд специализированных отечественных и зарубежных фирм. Однако отечественные инклинометры уступают зарубежным по техническим характеристикам, а последние имеют очень высокую стоимость.

В то же время, анализ научно – технических достижений наших ведущих предприятий аэрокосмической и приборостроительной отраслей показывает, что на базе своих разработок и научно – технических заделов они могут создавать отечественные инклинометры, конкурентоспособные на мировом рынке, как по своим техническим характеристикам, так и по стоимости.

Однако, несмотря на большой научный задел в области точного приборостроения, использование его для решения проблем инклинометрии требует дополнительного изучения и исследования. По этому все усилия, направленные на разработку инклинометрических систем, являются актуальными и своевременными.

1. Определение искривления скважин

В проектах на бурение проводка скважин предусматривается вертикальной или в заданном направлении (наклонно-направленные). Направленное бурение проводят в тех случаях, когда кровлю пласта необходимо вскрыть в точках, проекция которых на земную поверхность смещена относительно устья скважины. Это требуется при кустовом бурении (рис.1,а) в случае, когда невозможно разместить оборудование непосредственно над объектом бурения (рис.1,б), при вскрытии крутопадающих пластов (рис.1,в) и т. п.

Рис.1. Примеры применения наклонно-направленного бурения

а – кустовое бурение;

б – вскрытие пласта под препятствием;

в – вскрытие крутопадающего пласта под надвигом

Однако и при бурении вертикальных скважин за счет изгиба бурильных триб и вскрытия пластов различной твердости, залегающих под некоторым углом к горизонтальной поверхности, происходит отклонение ствола от вертикали, называемое искривлением скважины.

Информацию о фактическом положении ствола скважины необходимо иметь прежде всего технологам, с тем чтобы предотвратить значительные отклонения ствола от вертикали или заданного направления. Необходимо выявлять участки с резкими искривлениями, в которых может образоваться система желобов, приводящих к осложнениям при бурении, проведении геофизических исследований, при спуско-подъемах бурового инструмента, спусках обсадных колонн, фильтров. Кроме того, данные об искривлениях необходимо учитывать при геологических построениях, при определении месторасположения забоя, абсолютных отметок вскрываемых пластов и их нормальной мощности. Пространственное положение любой точки ствола скважины характеризуется двумя углами: углом искривления δ (кривизны скважины) – отклонением оси скважины от вертикали (рис.2,а) и дирекционным углом β (рис.2,б)– углом между горизонтальной проекцией элемента оси скважины, взятой в направлении увеличения глубины скважины, и географическим меридианом.

Рис.2 Проекция участка ствола скважины на вертикальную (а) и горизонтальную (б) плоскости.

Обычно вместо дирекционного угла пользуются магнитным азимутом φ, т. е. углом, отсчитываемым по ходу часовой стрелки между направлением на магнитный север См и горизонтальной проекцией элемента оси скважины.

Определение искривления скважины сводится к замерам положения в пространстве оси скважины, следующим один за другим. Причем в пределах каждого отрезка ось скважины отождествляют с прямой линией. Измерения в скважинах выполняют по точкам. В вертикальных скважинах расстояние между точками наблюдения l (шаг измерения) принимают равным 25м, в наклонно-направленных – 5 м.

При определении проекции ствола скважины условно принимают, что углы δ и φ, полученные в нижней точке интервала исследования, остаются постоянными до следующей точки измерения. Плоскость, проходящую через вертикаль, и прямую линию, принимаемую в данном интервале за ось скважины, называют плоскостью искривления. Истинные значения угла отклонения δ, а также величину горизонтальной проекции заданного интервала глубин определяют в плоскости искривления.

Проекцию интервалов ствола скважины на вертикальную плоскость (рис.2, а) определяют как

(1)

где и – глубина нижней и верхней точек измерения.

Для определения абсолютной отметки вскрываемого i-го пласта вычисляют сумму вертикальных проекций от устья скважины до изучаемого интервала:

(2)

Горизонтальная проекция i-го интервала скважины , отклоненного на угол (рис. 2, б),

(3)

По данным измеренных углов и вычисленных значений горизонтальных проекций строят инклинограмму – проекцию оси скважины на горизонтальную плоскость (рис. 3). Инклинограмму получают путем последовательного построения всех вычисленных значений , начиная с наименьшей глубины, и откладывают их в направлении измеренного угла φ. Соединив начальную точку первого интервала с конечной точкой последнего, получают общее смещение оси скважины от вертикали α на исследуемом участке. Величину смещения и его направление указывают на плане. Инклинограммы строят, как правило, в масштабе 1:200.

Рис.3 Пример построения инклинограммы – горизонтальной проекции ствола скважины

Углы и азимуты отклонения в скважинах измеряют специальными скважинными приборами – инклинометрами. В зависимости от системы измерения все инклинометры можно объединить в три группы.

Первая группа объединяет приборы, в которых для измерения азимута служит магнитная стрелка (буссоль), а датчиком угла является отвес. Показания датчиков с помощью градуированных сопротивлений (потенциометров) преобразуются в электрические сигналы и по жиле кабеля передаются на поверхность (инклинометр на сопротивлениях).

Во вторую группу входят фотоинклинометры. В качестве указателя азимута служит буссоль, указателя угла – сферическое стекло с нанесенной сеткой углов наклона и шарик, свободно перемещающийся по этой сферической поверхности. Замеры проводят по точкам. Регистрация осуществляется в скважинном приборе путей фотографирования показаний датчиков на кинопленку.

Третья группа – это гироскопические инклинометры. В качестве датчика азимута используют гироскоп, который при вращении сохраняет заданное направление оси в пространстве. Датчиком угле искривления служит отвес. Измерения выполняют непрерывно по 6 стволу скважины.

Приборами, в которых датчиком азимута служит буссоль, измерения азимута можно проводить только в открытом стволе скважины Гироскопические инклинометры позволяют измерять азимут в скважинах, обсаженных металлической колонной, а также в разрезах, в которых естественное магнитное поле Земли аномально искажено местными полями.

В практике геологоразведочных работ на нефть и газ наиболее широко применяются инклинометры с дистанционным электрическим измерением, в которых датчиками служат градуированные электрические сопротивления.

Основная часть инклинометра – вращающаяся рамка, кинематическая схема которой показана на рис. 4. Центр тяжести рамки смещён, в результате чего при положении скважинного прибора в пространстве плоскость рамки устанавливается перпендикулярно к плоскости искривления скважины. В рамке размещен указатель азимута и угла. Указатель азимута состоит из магнитной стрелки 1 и градуированного электрического сопротивления 2 (кругового реохорда).

Рис. 4 Схема конструкции измерительной части инклинометра на сопротивлениях

Круговой реохорд смонтирован на изоляционной панели и установлен под магнитной стрелкой. Магнитная стрелка выполнена из двух намагниченных стерженьков, которые закреплены в дюралюминиевом колпачке с агатовым подшипником. Подшипник насажен на острие оси 5. Стрелка снабжена изолированными от нее пружинными контактами 4.

Корпус, в котором смонтирован указатель азимута, закреплен на двух полуосях и под действием груза 5 занимает положение, при котором ось магнитной стрелки всегда ориентирована вертикально.

Датчик угла искривления состоит из отвеса 6, стрелки 7 и градуированного электрического сопротивления (углового реохорда) 8. Плоскость качания отвеса перпендикулярна к плоскости рамки и совпадает с плоскостью искривления скважины.

В инклинометре установлен электромагнит, который по команде с поверхности фиксирует или освобождает магнитную стрелку и отвес. С помощью коллектора с тремя контактными кольцами 9 и двумя парами щеток 10 к измерительной цепи подключаются с помощью переключателя П (рис. 5) либо реохорд угла наклона, либо датчик азимута.

Рис.5. Принципиальная электрическая схема инклинометра

При изменении азимута магнитная стрелка пружинными контактами 4 закорачивает часть реохорда. Сопротивление незамкнутой части пропорционально азимуту φ. При измерении угла стрелка указателя угла отклонения, жестко скрепленная с отвесом, переместится на дугу δ и закоротит реохорд. Сопротивление незакороченного участка реохорда пропорционально углу δ.

ЦЖК – центральная жила кабеля; ОК – оплётка кабеля.

Углы отклонения измеряют при фиксированном положении всех чувствительных элементов. Для замеров и используют мостовую схему.

Три плеча моста имеют постоянное сопротивление и установлен! на поверхности в панели управления. Сопротивления и включаются при измерении углов, сопротивления и – при измерении азимута; – общее сопротивление моста. Четвертое плечо слагается из сопротивления жилы кабеля, переменного сопротивление , предназначенного для компенсации изменения сопротивление жилы кабеля, и сопротивлений реохорда угла наклона или магнитной буссоли .

В одну диагональ моста АВ подключен источник тока Е, в другую диагональ моста MN – гальванометр G. Переменное сопротивление служит для компенсации моста при измерении или .

В настоящее время выпускаются инклинометры как для использования на одножильном кабеле, так и сбрасываемые в бурильную колонну (извлечение производится после подъема бурильной колонны либо с помощью овершота съёмной грунтоноски).

2. Оценка погрешностей измерения

Погрешности инклинометрических исследований обусловлены в общем случае принятой методикой расчета координат оси ствола скважины, погрешностями измерения глубины, шагом измерения для точечных и квантования для непрерывных инклинометров (методическими погрешностями), погрешностями, вызываемыми непараллельной установкой скважинного прибора относительно оси скважины и заметной кривизной ее ствола на длине прибора (установочными погрешностями), а также погрешностями, вызванными конечной точностью измерения углов искривления скважин (так называемыми инструментальными погрешностями).

Методические погрешности, независимо от принятой методики расчета координат, определяются выбранным шагом измерений, интенсивностью искривления оси скважин, характером искривления (постоянная интенсивность, меняющаяся с глубиной интенсивность и т.д.).

Установочные погрешности не зависят от шага измерений и погрешностей инклинометра и определяются, в первую очередь, геометрическими параметрами - соотношением диаметров ствола скважины и охранного кожуха прибора, его длиной, наличием и характером кавернозности ствола, местом привязки данных инклинометрии по глубине относительно скважинного прибора и т.д., а также параметрами искривления оси скважины.

В непрерывных инклинометрах установочные погрешности менее существенны, в точечных они могут быть снижены или вовсе исключены путем отбраковки замеров в точках, где установочные погрешности превышают допустимые значения.

Из практики инклинометрии скважин следует, что при малых интенсивностях искривления (до 0,02 град/м) превалирующее значение имеют инструментальные погрешности, с которыми при увеличении интенсивности искривления становятся соизмеримы погрешности установочные.

При значительных интенсивностях искривления и сложном характере искривления оси скважины преобладающими становятся методические и установочные погрешности.

Снижение погрешностей инклинометров не может однозначно обеспечить снижение суммарных погрешностей инклинометрических исследований, равно как не решает эту задачу и только усовершенствование методики расчета координат.

Существенный вклад в суммарную погрешность могут вносить также дополнительные погрешности, входящие в состав суммарной инструментальной, а именно: от температуры, влияющей на линейные размеры и электрические параметры преобразователей в скважинном приборе, нестабильности источников питания, изменения сопротивления кабеля и утечек, механических колебаний скважинного прибора после установки его на точку измерений за счет упругих свойств кабеля большой длины и т.д.

Анализ методических и установочных погрешностей результатов инклинометрических измерений должен выполняться в процессе аттестации методик измерений с целью определения их количественных значений, а также с целью установления ограничений применимости этих методик.

Ведомственная поверочная схема для инклинометров и ориентаторов, устанавливающая порядок передачи размера единицы плоского угла (азимута, зенитного и апсидального углов) приведена в приложение 1.

В качестве исходных образцовых средств измерений в поверочной схеме предусмотрено использование образцовых многогранных призм 4-го разряда и автоколлиматоров 3-го разряда из государственной поверочной схемы по ГОСТ 8.061-80 с погрешностью 10".

В качестве образцовых средств измерений используются аттестованные теодолиты и оптические квадранты с погрешностью 30", специальные средства поверки (ориентирующая приставка «Курс», установочный стол УСИ-2 и т. п.) и установки поверки инклинометров и ориентаторов (УПСП, УПН, УОП-2, УПМ и т. п.).

Образцовые средства измерений применяются для градуировки и поверки рабочих средств измерений (инклинометров и ориентаторов) методом прямых измерений.

Для обеспечения заданных критериев качества поверки (= 0,15 и =1,1) соотношение между пределами основной погрешности исходных образцовых средств измерений, заимствованных из государственной поверочной схемы и образцовых средств измерений не должно превышать 1:3.

В качестве рабочих средств измерений применяют инклинометры (ГОСТ 24151-87 (СТ СЭВ 1460-86)) и ориентаторы.

Соотношение между пределами допускаемой основной погрешности образцовых и рабочих средств измерений не должно превышать 1:3 при обеспечении заданных критериев качества поверки = 0,2 и =1,15.

При градуировке инклинометров выходным сигналам по каждому из измерительных каналов (зенитный угол, азимут) комплекта скважинный прибор - наземная панель ставят в соответствие значения зенитных углов и азимутов, задаваемых скважинному прибору на образцовой поверочной установке.

При поверке инклинометра сравнивают значения зенитных углов и азимутов (для инклинометров, имеющих канал измерения визирного угла - также и значения визирного угла), полученных отградуированным комплектом, со значениями тех же величин, принимаемых за «истинные», задаваемых поверочной установкой, и определяют характеристики инструментальной погрешности.

Объем операций при определении метрологических характеристик и применяемые для этих целей технические средства в зависимости от пределов основной погрешности поверяемого инклинометра представлены в таблице1.

Вблизи помещения и в помещении, где проводят поверку инклинометров (кроме гироскопических), должны отсутствовать мощные источники электрических, магнитных и электромагнитных полей, в зоне поверки необходимо оценить однородность магнитного поля и провести определение оптимального положения корпуса инклинометра в зажимном устройстве поверочной установки.

Таблица 1

Операции поверки и технические средства поверки

Однородность магнитного поля в диапазоне воспроизводимых при поверке положений чувствительных элементов канала измерений азимута поверяемого инклинометра оценивают с помощью поверочного приспособления с теодолитом, буссолью и немагнитного имитатора скважинного прибора (рис.6).

Имитатор скважинной части инклинометра устанавливают при помощи поверочного приспособления в положение, отклоненное от вертикали на 3-4°, буссоль закрепляют на имитаторе в горизонтальном положении и, разворачивая имитатор по азимуту, конец стрелки буссоли совмещают с нулем шкалы буссоли.

1-буссоль, 2-инклинометр (немагнитный имитатор), 3-теодолит, 4-реперная метка, 5-поверочное приспособление.

Рис.6 Установка для проверки инклинометров

Оптическую ось зрительной трубы теодолита совмещают с реперной точкой, которая должна находиться не ближе 3 м. от теодолита. Смещение вертикальной оси теодолита относительно вертикальной оси поверочной установки или поверочного приспособления при этом не должно превышать см. Горизонтальную шкалу теодолита устанавливают на нуль, поверочную установку (поверочное приспособление) разворачивают на 30°, контролируя угол поворота по шкале буссоли.

Оптическую ось зрительной трубы теодолита поворотом теодолита совмещают с реперной точкой и снимают показания с горизонтальной шкалы теодолита. Разность показаний теодолита и буссоли характеризует искажение магнитного поля в данной точке.

Задавая имитатору последовательно азимуты 60°, 90° и т.д., по показаниям буссоли через каждые 30° оценивают однородность магнитного поля во всем диапазоне азимутов.

Указанные операции повторяют для двух значений отклонения имитатора от вертикали, соответствующих зенитным углам, при которых поверяют инклинометр по азимуту.

Магнитное поле в зоне поверки инклинометра считается однородным, если отклонения направления горизонтальной составляющей магнитного вектора не превышают основной допускаемой погрешности буссоли.

Для определения оптимального положения корпуса инклинометра в зажимном устройстве поверочной установки используют специальное приспособление в виде кольца со стопором, на боковой поверхности которого сделана разметка (проведены образующие) через каждые 30° с погрешностью, не превышающей 5, (рис. 7). Приспособление устанавливается на охранный кожух прибора инклинометра, установленного в поверочную установку. На торце зажимного устройства поверочной установки ставится метка. Скважинному прибору инклинометра при помощи поверочной установки задается минимальный зенитный угол, при котором в технической документации на него нормируется погрешность измерения азимута (например, 4° для инклинометра типа КИТ, КИТ-А, МИР-36, 3° для инклинометра типа ИН-1-721, 2° для инклинометра типа ИГ-36 и т.д.).

Рис.7 Вспомогательное кольцо.

При любом значении азимута, заданном на поверочной установке (например 30°) скважинный прибор инклинометра устанавливается таким образом, чтобы отметка «0» на приспособлении совпадала с меткой на торце зажимного устройства поверочной установки. Выполняется не менее четырех измерений установленного азимута при подходе к заданному азимуту со стороны меньших и больших значений. Скважинный прибор инклинометра поворачивают вокруг собственной оси на 30° (до следующей отметки на приспособлении) и снова четыре раза измеряют азимут, заданный на поверочной установке. Измерив таким образом установленный азимут при различных положениях скважинного прибора относительно отметки на торце зажимного устройства через каждые 30° в диапазоне 0-360°, т. е. при полном обороте скважинного прибора инклинометра относительно своей оси, строят график зависимости систематической составляющей погрешности измерения азимута (α) от положения охранного кожуха скважинного прибора инклинометра относительно апсидальной плоскости скважинного прибора (ψ) (рис. 8). По полученному графику определяют положение охранного кожуха скважинного прибора инклинометра относительно метки на торце зажимного устройства поверочной установки, при котором систематическая составляющая погрешности измерения азимута имеет максимальные значения со знаком «плюс» или «минус», и отмечается на приспособлении.

Рис.8 График зависимости систематической составляющей погрешности измерения азимута от положения охранного кожуха.

Основную погрешность инклинометра по зенитному углу определяют в начале, конце и в трех-пяти промежуточных точках диапазона измерений.

В каждой точке заданный зенитный угол измеряют не менее двух раз при приближении к заданному зенитному углу со стороны больших и меньших значений, при этом при установке прибора в поверочную установку корпус скважинного прибора инклинометра необходимо развернуть на 90° вокруг своей оси относительно метки на вспомогательном кольце (см. рис. 8), соответствующей одному из максимальных значений систематической составляющей погрешности измерения азимута. Выполнив два измерения зенитного угла, корпус прибора разворачивают относительно своей оси на 180° и измерения повторяют.

Основную погрешность инклинометра при измерении азимута определяют, выполняя не менее двух измерений при положении скважинного прибора, соответствующем максимальному значению систематической составляющей погрешности азимута со знаком «плюс» и не менее двух - со знаком «минус».

Скважинному прибору, помещенному в поверочную установку (приспособление) задается наименьшее значение зенитного угла, для которого в технической документации на конкретный тип инклинометра нормируется погрешность измерения азимута.

Азимут измеряют при значениях азимута 5, 30, 60, 90, ..., 330, 355° и задании их со стороны меньших и больших значений. Аналогично находят азимуты при других зенитных углах (включая максимальное его значение, соответствующее середине диапазона измерения).

Основную погрешность измерения визирного угла определяют при минимальном зенитном угле, для которого в технической документации на конкретный тип инклинометра нормируется погрешность измерения визирного угла.

Прибору задают значения визирных углов, равные 0, 30,..., 60° и т. д., причем в каждой задаваемой точке выполняют не менее четырех измерений при задании визирного угла со стороны больших и меньших значений.

Систематическую составляющую основной погрешности инклинометра для каждого -го значения установленного угла (зенитного, азимута или визирного) () определяют по формуле

(4)

где m - число измерений заданного угла (m 4); показания инклинометра при j - ом измерении k - гo значения установленного угла (зенитного, азимута или визирного), где j = 1, 2, 3, ..., m; - действительное значение задаваемого k-го угла