Разработка инклинометра с непрерывным измерением азимута
38
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 3
- 1. Определение искривления скважин 5
- 2. Оценка погрешностей измерения 11
- 3. Феррозондовые инклинометры 23
- 4. Гироскопические инклинометры 28
- 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 д (кривизны скважины) - отклонением оси скважины от вертикали (рис.2,а) и дирекционным углом в (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 ц, 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 д и ц, 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 д, 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 ц. Соединив начальную точку первого интервала с конечной точкой последнего, получают общее смещение оси скважины от вертикали б 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 ц. При измерении угла стрелка указателя угла отклонения, жестко скрепленная с отвесом, переместится на дугу д и закоротит реохорд. Сопротивление незакороченного участка реохорда пропорционально углу д.
- 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
- 10; 15
- Поверочное приспособление для задания азимута от 0 до 360° и зенитного угла в диапазоне измерений инклинометром, квадрант оптический с допустимой погрешностью не более
- Определение основной погрешности измерения
- 1; 2
- Поверочное приспособление для задания углов, теодолит с допустимой погрешностью не более 30 и ориентир буссоль с допустимой погрешностью не более
- Стол УСИ, установки УОП-2, УПМ, УПИ
Операция | Предел основной погрешности поверяемого инклинометра | Средства поверки и их характеристики | |
Определение основной погрешности измерения зенитных углов, сек | 30; 40 | Стол УСИ, установки УОП-2, УПМ, УПН или поверочное приспособление для задания углов и угломер-квадрант с допустимой погрешностью не более | |
азимута, градус | 4; 6 | или поверочное приспособление для задания углов и буссоль с допускаемой погрешностью не более | |
Определение курсового ухода гироскопа во времени (для гироскопических инклинометров), градусы за 30 мин | 5 - 10 | Стол УСИ, установки УОП-2, УПМ, УПН, угломер-квадрант с допустимой погрешностью не более 6' буссоль с допустимой погрешностью не более 1°, секундомер с диапазоном измерений не менее 0-30 мин |
Страницы: 1, 2