2.3 Плановый контроль кривизны скважины

Плановый контроль кривизны скважины выполняется каротажным отрядом по вызову буровой бригады. В отличие от оперативного контроля кривизны, выполняемого в одной точке скважины, плановый контроль производится в ряде точек или по всему стволу. Для этой цели используются инклинометры, которые к зависимости от условий измерения азимута делятся на два типа – приборы для измерения кривизны скважин, пробуренных в слабомагнитных породах, и инклинометры для сильномагнитных пород. В обоих типах приборов измерение зенитных углов скважин основывается в большинстве случаев на принципе отвеса.

Отличительной особенностью этих приборов является способ измерения азимутов.

Инклинометры для слабомагнитных сред

В геологоразведочной практике широкое применение для измерения кривизны скважин нашел инклинометр УМИ – 25. Этот прибор пригоден для скважин практически всех диаметров (до 36мм включительно), проходимых с поверхности, а также для скважин подземного бурения.

Инклинометр УМИ – 25 состоит из прибора - датчика, спускаемого в скважину, удлинителей и наземного пульта управления. Электрической связью между ними служит одножильный бронированный или трехжильный каротажный кабель, на котором прибор – датчик спускается в скважину.

Спуск прибора–датчика осуществляется при помощи лебедки автоматической каротажной станции или самоходного каротажного подъемника. Инклинометр УМИ–25 позволяет производить измерения зенитных углов скважины, ее азимутов, а также ориентировать искусственные отклонители.

Прибор – датчик, собственно инклинометр УМИ–25, кинематическая схема которого показана на рисунке 2.8, состоит из металлического герметически закрытого кожуха, внутри которого находится цилиндрическая рамка с эксцентрично расположенным грузом 9 , имеющая возможность вращаться в подшипниках 1 и 10 вокруг своей оси, совпадающей с герметической осью инклинометра. Внутри рамки помещен чувствительный элемент зенитных углов в виде отвеса 7 со стрелкой 6.

В момент измерения рамка прижимается к реохорду 8 , расположенному в плоскости наклона скважины. Чувствительный элемент азимута представлен магнитной стрелкой 4, прижимающейся в момент измерения к кольцевому реохорду 5, начало обмотки которого совмещено с плоскостью наклона скважины. Щетка 3 – чувствительный элемент визира, при помощи которого осуществляется ориентация искусственных отклонителей, неподвижно закреплена относительно корпуса инклинометра и реостата 2, расположенного на верхнем торце цилиндрической рамки. В момент измерения щетка визира прижимается к обмотке реостата.

В чувствительный элемент визира входит также свинцовая печать на нижнем конце гильзы инклинометра. Численные значения зенитных углов и азимутов скважины определяются по величине электрического сопротивления соответствующих реохордов от их начала до контакта со стрелкой 6 (зенитные углы) или магнитной стрелкой (азимуты). Положение искусственного отклонителя в скважине определяется по следу ножа на свинцовой печати, установленного внутри труб над отклонителем, и величине сопротивления реостата визира между его началом и контактом со щеткой 3.Значение измеряемых параметров кривизны скважины и положения отклонителя указываются на пульте управления. Отсчет значений ведется по трем шкалам: азимута – по верхней шкале, зенитного угла по средней и ориентации отклонителя – по нижней. При транспортировках чувствительные элементы зенитного угла, азимута и ориентации отклонителя должны быть арретированы (закреплены неподвижно).

Внешнее соединение измерительной схемы инклинометра производится следующим образом. К гнезду панели «ЦЖК» присоединяется провод от центральной жилы кабеля, а к гнезду «ОК» - от брони кабеля. К гнездам питания присоединяется источник тока. Спуск прибора в скважину производится при арретированных чувствительных элементах. Для выполнения измерений в одной точке скважины необходимо произвести шесть переключений. Технические параметры инклинометра приведены в таблице 2.2.

Рисунок 2.8 Кинематическая схема инклинометра УМИ-25

1- подшипник; 2 - реостат; 3 – чувствительный элемент; 4 – магнитная стрелка; 5 – кольцевой реохорд; 6 – стрелка отвеса; 7 –отвес; 8 – реохорд;

9 – груз; 10 – подшипник.

Таблица 2.2 – Техническая характеристика УМИ - 25

Диапазон измерения зенитных углов, град.	0-50
Точность измерения, град. зенитных углов азимутов (при зенитных углах 50 и более) ориентации отклонителя	±0,5 ±5 ±5
Напряжения питания, В: переменный ток постоянный ток	220 180-200
Ток в цепи электромагнита, а	0,7-0,8
Габаритные размеры инклинометра, мм: наружный диаметр длина без удлинителя	25 1110
Вес инклинометра без удлинителя, кг	2,5

Инклинометры для сильномагнитных сред

Изменение состава различных по магнитным свойствам горных пород, пересекаемых скважиной, незакономерно искажает магнитное поле по стволу скважины. Вследствие этого становится невозможным применение в инклинометрах магнитной стрелки в качестве указателя азимута.

Измерение азимутов скважин, пробуренных в сильномагнитных породах, производится следующими методами: а) гироскопическим; б) последовательных ходов; в) ориентированным спуском на колонне специальных или бурильных труб.

Гироскопом называется быстро вращающийся маховик в карданном подвесе. Гироскоп обладает свойством сохранять заданное положение оси вращения независимо от перемещения основания, на котором он установлен. Это свойство гироскопа используется в инклинометрах как база для отсчета азимутов скважины. Измерение зенитных углов скважин гироскопическими инклинометрами производится обычным способом при помощи отвеса.

Для измерения кривизны скважин диаметром 76мм и более, пробуренных в сильномагнитных средах, применяется гироскопический инклинометр ИГ–70. В комплект измерения входит собственно гироскопический инклинометр ИГ– 70, пульт управления и вспомогательная аппаратура (кабель и направляющий ролик).

Чувствительный элемент зенитных углов инклинометра (рис.2.9) состоит из рамки 5, которая снабжена эксцентрично расположенным грузом и установлена на шарикоподшипниках, что позволяет ей вращаться вокруг оси, совпадающей с осью прибора. Внутри рамки на оси, перпендикулярной к ее оси вращения, расположен круговой реостат 3, снабженный отвесом 4.

Изменение положения щетки 6 относительно реостата 3 фиксируется на пульте управления как значение зенитного угла.

Чувствительный элемент азимутов состоит из гироскопа 1, на оси наружной рамки которого укреплены щетки 7 и круговой реостат 2, установленный на верхнем торце рамки 5. В процессе измерений реостат 3 под действием отвеса 4 сохраняет неизменное положение, а щетка 6 перемещается по его обмотке на величину, пропорциональную зенитному углу скважины.

Гироскоп 1 в процессе измерений сохраняет неизменное положение, а реостат 2 под действием эксцентрично расположенного груза вместе с рамкой 5 устанавливается фиксированно относительно плоскости наклона скважины. Сопротивление обмотки реостата 2 между ее началом и щеткой 7 пропорционально азимутальному углу скважины. Показания инклинометра ИГ – 70 по трехжильному каротажному кабелю, на котором прибор спускается в скважину, передаются на пульт управления, где регистрируются оператором.

Рисунок 2.9 Чувствительный элемент гироинклинометра ИГ-70

1 – гироскоп; 2 – круговой реостат; 3 – реостат; 4 – отвес; 5 – рамка; 6 – обмотка щетки; 7 – щетка;

Таблица 2.3 – Техническая характеристика ИГ – 70

Диапазон измерения зенитных углов, град.	0-60
Точность измерения, град.: - зенитных углов; - азимутов (при зенитных углах 30 и более)	±0,5 ±5
Максимальная глубина измерений, м	1000
Максимальная допустимая температура, при которой прибор нормально работает, 0С	+60
Габаритные размеры инклинометра, мм: наружный диаметр длина	70 1810
Вес инклинометра, кг	17,5

Метод последовательных ходов основан на измерении приращений азимутов, которые затем алгебраически суммируются по стволу скважины. Метод пригоден для измерения скважин, стволы которых имеют отклонения от вертикали на 5⁰ и более. Инклинометр «Зенит IV-40» автоматически измеряет приращение азимута скважины и непрерывно фиксирует их значения на диаграммной ленте в виде кривой. Запись показаний производится самописцем ПАСК – 8 на ленте, движущейся синхронно с перемещающимся в скважине инклинометром. Одновременно или поочередно с измерением приращения азимутов производится запись показаний зенитных углов. Инклинометр «Зенит IV-40» применяется в комплекте с автоматической электронной каротажной станцией АЭКС – 1500 или АЭКС – 900 в зависимости от глубин измеряемых скважин.

Рисунок 2.10 Инклинометр «Зенит – IV (40)»

1 - верхний удлинитель; 2 – свечной мост; 3 – шарикоподшипник;

4 – груз; 5 – шарикоподшипник; 6 – зенитный реостат; 7 – малый отвес; 8 – реостатный датчик; 9 – апсидальный реостат; 10 – игла;

11 – защитная гильза; 12 – резиновая манжета; 13 – пружины;

14 – нижний удлинитель

Инклинометр, показанный на рисунке 2.10, состоит из защитной гильзы 11, верхнего удлинителя 1 и щупа (нижнего удлинителя) 14. Измерительный прибор состоит из двух частей, гибко сочлененных между собой резиновой манжетой 12. В нижней части прибора жестко закреплена игла 10, а в верхней, на шарикоподшипниках 3, 5 установлен тяжелый груз 4. На выступающей оси груза закреплен реостатный датчик 8, содержащий два реостата - зенитный 6, расположенный в вертикальной плоскости, и апсидальный 9, установленный в горизонтальной плоскости. Зенитный реостат имеет токосъемную щетку, снабженную малым отвесом 7. Роль токосъемной щетки апсидального реостата выполняет игла, свободный конец которой при изгибе прибора в месте сочленения перемещается в горизонтальной плоскости, скользя по его обмотке. Малый отвес фиксирует токосъемную щетку относительно вертикали, тогда как зенитный реостат при изгибе прибора перемещается в вертикальной плоскости относительно щетки. Сочлененная часть прибора герметизирована резиновыми сальниками и заполнена внутри трансформаторным маслом.

В верхней части прибора расположен свечной мост 2, предназначенный для крепления прибора к кабелю и служащий электрическим выводом из инклинометра. Верхний удлинитель и щуп имеют плоские пружины 13, прижимающие инклинометр во время спуска к «лежачей» стенке скважины.

При спуске в искривленную скважину между осями прибора и щупа образуется угол, равный приращению азимута скважины на участке измерения, соответствующем длине инклинометра. При этом свободный конец иглы перемещается по обмотке апсидального реостата на величину, пропорциональную величине приращения азимута. Положение токосъемной щетки на обмотке зенитного реостата соответствует зенитному углу скважины в точке измерения.

Апсидальный и зенитный реостаты являются рабочими плечами двух равновесных мостов Вестона. Остальные плечи которых находятся в автоматическом потенциометре ПАСК-8. Основные параметры инклинометра приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 – Техническая характеристика «Зенит IV (40)»

Диапазон измерения зенитных углов, град.	0-70
Порог чувствительности, град.	3
Величина перемещения нижнего конца щупа, мм	135
Электропитание постоянным током	24В, 0,2а
Габаритные размеры, мм: наружный диаметр длина	40 6000
Вес, кг	35

Измерение кривизны геологоразведочных скважин, пробуренных в сильномагнитных породах, инклинометром МИА-IIIМ основывается на методе последовательных ходов по точкам. При измерении используются два инклинометра МИА-IIIМ, ориентированно соединенных между собой колонной специальных штанг, внутри которых проложен электрический провод. Компоновка, состоящая из двух приборов и колонны штанг, спускается в скважину на каротажном кабеле. Регистрация показаний инклинометров МИА-IIIM производится на наземном пульте управления. Принцип действия инклинометра МИА-IIIM основан на измерении силы тока в цепи электромагнита, сердечник которого в момент измерения притягивает головку маятника, качающегося в одной плоскости. Посредством поворотного механизма ось качания маятника поворачивается в плоскости, перпендикулярной к оси инклинометра, на угол 15⁰ за один импульс поданного в обмотку электромагнитного тока. В зависимости от положения плоскости качания маятника сила электромагнитного притяжения, а следовательно, и ток в цепи электромагнита изменяются. При качании маятника в плоскости наклона скважины ток составляет максимальную, а при качании в плоскости перпендикулярной – минимальную величину. Значение максимальной величины тока пропорционально зенитному углу скважины.

По значениям силы тока при различных положениях плоскости качания маятника на данной глубине скважины графически строится в прямоугольной системе координат кривая, имеющая форму синусоиды. Максимальная ордината кривой, измеренная в соответствующем масштабе, соответствует зенитному углу скважины, а значение абциссы от начала координат до максимальной ординаты соответствует апсидальному углу скважины.

Конструкция инклинометра МИА- IIIM позволяет производить измерения скважин с зенитными углами менее 5⁰. В этом случае используется один инклинометр, ориентированно спускаемый в скважину на специальной колонне штанг.

Инклинометры, позволяющие многократно производить измерения зенитного и азимутального углов

Инклинометры данного типа используются в основном при поведении планового каротажа геофизической службой. Применяются три группы инклинометров:

- электромеханические инклинометры с магнитной стрелкой и отвесом, спускаемые в скважину на каротажном кабеле (ИШ-3, ИК-2, И-7, ИК-2, ОК-40У И др.)

- электромеханические инклинометры с гироскопом и маятником-отвесом, спускаемые в скважину на каротажном кабеле (ИГ-50, ИГ-70 и др.)

- фотоинклинометры с магнитной стрелкой и отвесом (с шариком в чаше, прозрачная полусфера, заполненная жидкостью с пузырьком), спускаемые на кабеле или тросе (МТ-1-40 ВИТР, Россия; фирмы «Atlas Copco», Швеция и «Istmen», США).

В основе первой группы инклинометров используется следующая конструкция. Инклинометр состоит из скважинного прибора с датчиками и измерительной панели.

Скважинный прибор включает:

- реостатные датчики зенитного и азимутального углов;

- реле времени;

- передаточный механизм;

- электрическую схему.

Все узлы смонтированы в гильзе из немагнитного металла, который заполняется смесью моторного масла с керосином.

На рис. 2.11 даны электрическая и механическая схемы инклинометра ИШ, которые дают основное представление об устройстве электромеханических инклинометров.

В корпусе прибора на полуосях 1 установлена свободно вращающаяся рамка 2, на которой смонтированы буссоль 3 для определения азимута и отвес 4 для определения зенитного угла скважины. Центр тяжести рамки с помощью груза 5 смещен с оси ее вращения и расположен в плоскости, совпадающей с плоскостью вращения отвеса 4. При такой конструкции плоскость вращения отвеса всегда совпадает с апсидальной плоскостью, т.е плоскостью искривления скважины. Угол, образованный осью рамки с вертикальной прямой, проходящей через точку 6 закрепления отвеса, соответствует зенитному углу скважины в точке измерения.

Отвес снабжен контактной стрелкой, прижимаемой в момент измерения к дугообразному реохорду 8 зенитного угла 7 (реостатный датчик). При наклоненном приборе величина включенной части сопротивления реохорда пропорциональна величине зенитного угла.

Буссоль 3 снабжена круговым (азимутальным) реохордом 9. Начало реохорда находится в плоскости, в которой расположен центр тяжести рамки. При измерении азимута стрелка 10, прижимаясь к реохорду 9, оставляет включенным его часть с сопротивлением, пропорциональным азимуту скважины.

Измерение сопротивлений производится по схеме электрического моста, в одно из плеч которого включается сопротивление реохорда буссоли (при измерении азимута) или сопротивление реохорда отвеса (при измерении зенитного угла). Отсчет упомянутых углов, а также управление релейным механизмом Р, осуществляющим переход от измерений зенитного угла к измерения азимута, производится с панели управления ПУ.

Инклинометры подобного типа имеют погрешности измерения зенитного угла ±0,5⁰, а азимутального угла ±4-5⁰.

Для выполнения работ в наклонных скважинах диапазон измерения зенитного угла составляет 0-50⁰ или 60⁰ (инклинометры ИК-2, ИШ-3, УМИ-25, И-7 и др.).

Рисунок 2.11 Электрическая (а) и механическая (б) схемы инклинометра типа ИШ

Фотоинклинометр МТ-1-40 (ВИТР) предназначен для контроля пространственного положения скважин в слабомагнитной среде, поскольку оснащен магнитной стрелкой и отвесом, показания которых в момент измерений фиксируются на фотопленку. Работа инклинометра управляется полуавтоматически по команде реле времени. Все узлы инклинометра питаются от автономного источника электрического тока, что позволяет спускать прибор на тросе или на бурильных трубах. За один спуск на фотопленку может быть зафиксирован интервал до 100 замеров. Программное устройство, запускающее пленкопротяжный механизм и лампу подсвечивания, включается от реле времени. При автоматическом режиме работы инклинометра показания датчиков фотографируются через каждые 2,5мин, а в режиме ускорения - через заданные интервалы в пределах 1 мин.

Инклинометр МТ предназначен для использования силами буровой бригады с целью оперативного проведения работ по определению параметров искривления скважины.

Кроме инклинометра МТ, широко применяются фотоинклинометры типа ИФ, которые имеют диаметр корпуса 86мм, в качестве датчика зенитного угла – подвижный шарик в полусферической чаше, а также буссоль с магнитной стрелкой для определения азимутального угла.

В зарубежной практике автономные инклинометры применяются достаточно широко и представлены разнообразными вариантами конструкций.

В зависимости от применяемых датчиков измерения углов они подразделяются на индикаторы зенитных углов, инклинометры с магнитными стрелками и инклинометры с гироскопами.

В комплекте к приборам прилагается большое количество датчиков с подразделением их на достаточно узкие диапазоны измерений зенитных углов, нередко в 2-6⁰ и 10-20⁰. По методу регистрации показаний они разделяются на приборы с механической регистрацией путем перфорации бумажного или фольгированного диска (измеряется одна точка зенитного угла), путем фото – или кинорегистрации. Последние используются существенно чаще. Например, инклинометры NPR фирмы “Fridrich Leiter” (Германия), обеспечивают измерение зенитного угла (фото - кинорегистрации) в диапазонах 0-10⁰, 0-20⁰, 17-130⁰ с погрешностью соответственно ±0,1⁰, ±0,25⁰, ±0,5⁰ и азимута с погрешностью не более ±0,1, диаметр прибора 45мм.

Инклинометры фирмы «Caster», США (Singl Shot и Malti Shot) диаметром 32,45,54,76 и 89мм и имеют фото – (первый) и кинорегистрирующие устройства (второй) в диапазоне значений зенитного угла 0-3⁰, 0-10⁰, 0-20⁰, 0-30⁰, 0-80⁰ и близкие к вышеуказанным погрешности измерения зенитного и азимутального углов. Последний измеряется или магнитной стрелкой или гироскопом.

При производстве работ могут использоваться многоточечные фотоинклинометры таких известных фирм как «Atlas Copco» (Швеция), «Istmen» и «Totco» (США). Это приборы автономного питания, отличаются высокой точностью измерений зенитного и азимутального углов и по своим размерам подходят для работы в скважинах разведочного бурения.

Приборы, средства и методы инклинометрии в горизонтальных, восстающих и пологонаклонных скважинах

Для горизонтальных, восстающих и пологонаклонных скважин диапазон измерения зенитного угла должен быть у инклинометров расширен до 180⁰. К таким приборам можно отнести инклинометры ОК-40У, ИШИ-1 «Донбасс», ИШИ-2Ц, ИОК-42, МИ-42У, МИ-30У и др. Два последних инклинометра выполнены взрывобезопасными, что необходимо при выполнении работ в горных выроботках, опасных по газу и пыли. Это, прежде всего, угольные шахты.

Все названные инклинометры являются электромеханическими и оснащены датчиками для измерения азимута – магнитной стрелкой, зенита – отвесом. Для измерений в условиях магнитных сред можно использовать рассмотренные выше инклинометры типа «Зенит», которые являются взрывобезопасными.

Инклинометр ОК-40У является прибором с автономным питанием от аккумулятора, его диаметр 40мм. Прибор может спускаться в скважину на тросе. Принцип действия инклинометра заключается в фиксации положения магнитной стрелки и отвеса в момент нахождения прибора на заданной глубине. Поэтому за один спуск можно получить измерение только в одной точке.

Точность измерения зенитного угла ±1⁰, азимутального ±5⁰, а диапазон значений зенитного угла, доступный для измерений – 0-178⁰.

Искробезопасный шахтный инклинометр ИШИ-1 «Донбасс» предназначен для измерения углов наклона и азимута скважин подземного бурения любой ориентировки. Диаметр снаряда 50мм. Точность измерения зенитного угла ±5⁰, азимута ±2⁰. При работе прибора используется слаботочное электромеханическое устройство, работающее от аккумулятора в сочетании с приводом от пружинного механизма. Энергии привода хватает на 80-100 измерений за один спуск. Инклинометр рекомендован для использования в скважинах длиной до 300м.

Инклинометр ИШИ – 2Ц имеет диаметр корпуса 32мм, рекомендован для использования в скважинах длиной до 100м. Остальные параметры прибора близки к параметрам инклинометра ИШИ-1.

Скважинные приборы в вертикальные и наклонные скважины доставляются только под действием собственного веса, иногда увеличенного за счет утяжелителей. В слабонаклонные, горизонтальные и тем более в восстающие скважины скважинные приборы, и в том числе инклинометры, могут доставляться только с помощью каких либо дополнительных средств принудительной доставки.

Известно большое количество способов доставки скважинных приборов, из которых можно выделить следующие:

- на легких дюралюминиевых штангах - вручную;

- на бурильных трубах - с использованием механической подачи с приводом от бурового станка;

- с размещением на забое скважинного блока с тросиком;

- с помощью самолазов - механических средств, способных перемещаться по стволу скважины в задаваемом режиме;

- гидравлические способы доставки направленным потоком жидкости.

Доставка на легких штангах вручную – наиболее простой и надежный способ, поэтому он широко применяется в практике каротажа субгоризонтальных скважин подземного бурения. При этом способе доставка кабель связи с пультом управления может располагаться как внутри штанг, так и вне их.

Размещение кабеля внутри штанг обеспечивает его надежную защиту от механических воздействий. Кроме того, этот вариант доставки позволяет производить исследования скважин диаметром 46мм. Для реализации данного варианта доставки инклинометра потребуется колонна труб из сплава Д16Т с продольным разрезом корпуса для оперативного размещения кабеля внутри труб (рис. 2.12). Внутри труб 1 кабель 2 удерживается упругими резиновыми кольцевыми манжетами 3, предварительно размещенных на кабеле на расстоянии 0,5-1,0м. Такую технологию доставки инклинометра в скважину целесообразно использовать в скважинах длиной до 100м.

Рисунок 2.12 Схема размещения кабеля внутри труб при доставке инклинометра в горизонтальную скважину.

При размещении кабеля вне штанг для доставки обычно используют легкосплавные бурильные трубы, которые можно подавать в скважину или вручную или с помощью лебедки бурового станка. В последнем случае возможная для каротажа длина скважины ограничивается только возможностями бурового станка, но при этом существуют ограничения по диаметру скважины. Для уменьшения сил сопротивления перемещению скважинного прибора с кабелем целесообразно использовать легкий бронированный кабель или наносить на бурильные трубы и кабель смазку, например, солидол.

На бурильных трубах наиболее удобно подавать в скважину инклинометры с автономным питанием. В этом случае доставка приборов на забой скважины аналогична спуску бурового инструмента.

Общим недостатком доставки приборов в скважину на трубах является низкая производительность, поэтому эти способы применяются в случае выполнения отдельных измерений, например, только инклинометрии. В случае проведения комплекса геофизических исследований различными зондами целесообразно использование более производительных способов доставки приборов к забою.

Наиболее простым из них представляется способ доставки приборов с помощью скважинного анкерного блочка, который раскрепляется на забое скважины бурильными трубами. Через блочок пропускается трос, которым и осуществляют подачу и извлечение приборов из скважины.

Другие перечисленные выше способы целесообразны при значительном объеме геофизических работ в скважинах и применяются достаточно редко.

Технические средства контроля над искривлением ствола в процессе бурения

Телеметрические системы являются самыми современными средствами бурения скважин заданного направления.

Задачу автоматизации процесса бурения успешно решает информационно-технологический навигационный буровой комплекс, который включает в себя как наземную аппаратуру, так и датчики, приближенные с помощью телеметрической системы к забою скважины. В него входят также устройства сбора информации, ее преобразования, передачи и программной обработки для принятия оперативного решения и вывода технологических рекомендаций на пульт бурильщика, и в автоматических исполнительных устройствах.

Телеметрическая система, входящая в состав геонавигационного комплекса, предназначена для определения пространственной ориентации компоновки низа бурильной колонны, а также забойных параметров, необходимых для оптимизации процесса бурения. Скважинный прибор телеметрической системы обеспечивает ориентацию отклонителя на забое, а также непрерывную передачу и индикацию на поверхности азимута, зенитного угла скважины в процессе турбинного бурения в геологических средах, не имеющих магнитных аномалий.

Телеметрическая система работает следующим образом.

Поток промывочной жидкости приводит в действия турбину генератора проточного типа, который и вырабатывает электроэнергию, питающий электронный блок скважинного прибора. Информация от датчиков преобразуется в кодовую последовательность, которая передается в зависимости от условий бурения и наличия соответствующих модулей по электромагнитному или гидравлическому каналам связи. На поверхности сигнал принимается антенной, удаленной на 30-50м от буровой или датчиком-преобразователем, установленным в нагнетательной линии насосов. В приемном устройстве принятый сигнал декодируется и вводится в компьютер для обработки.

Скважинная часть телеметрической системы имеет модульную конструкцию. Функциональные возможности телеметрической системы зависят от состава входящих в нее модулей, который, в свою очередь, определяется технологической необходимостью.

Основные параметры и характеристики телеметрической системы НПФ «Самарские горизонты»:

Диапазон измерения: зенитного угла – 0-102°; азимутального угла 0-360°.

Погрешность измерения: зенитного угла - ±0,15°; азимутного угла - ±2°; угла установки отклонителя ±2°.

Размеры скважинного прибора: диаметр не более 172мм; длина 3000мм.

Характеристика генератора питания скважинной аппаратуры: частота вращения турбины генератора 2000 ±500об/мин; напряжение 18-70 В.

Характеристика источника питания наземной аппаратуры: переменный ток, частота – 50Гц, напряжение – 220-240 В.

Для решения задачи предупреждения искривления ствола скважины в НЦП «Кольская сверхглубокая» разработаны и успешно эксплуатировались при бурении СГ-3 – сигнализатор предельного зенитного угла и автономные индикаторы кривизны.

На рисунке 2.13 представлена принципиальная схема сигнализатора – индикатора предельного зенитного угла СПЗУ – 1, предназначенного для получения оперативной информации о достижении заданного предельного угла отклонения ствола скважины от вертикали в процессе бурения. Одновременно это устройство может использоваться в качестве автономного индикатора зенитного угла искривления.

Индикатор-сигнализатор содержит корпус 1, установленный в контейнере 2, диск 3 со сферической вогнутой поверхностью, на котором расположен стальной шар 4, поршень 5, имеющий в нижней части цилиндрический выступ и жестко соединенный штоком 6 с затвором 7, седло 8, установленное на перегородке 9, имеющий боковые отверстия Б для прохода бурового раствора, возвратную силовую пружину 10.

Верхняя часть корпуса 1 имеет перегородку, в которой выполнены промывочные отверстия А. Полость корпуса сигнализатора заполняется рабочей жидкостью и изолируется уплотнительными элементами 11 и 12.

При отсутствии потока бурового раствора прижимной элемент – поршень 5 и шток 6 под действием предварительно сжатой пружины 10 будет находится в крайнем верхнем положении. При этом шар 4 под действием силы тяжести займет на сферической поверхности диска 3 определенное положение, соответствующее углу наклонна прибора (зенитному углу искривления скважины). Отклонение r шара 4 от оси прибора зависит от значений зенитного угла θ и радиуса R сферической поверхности диска 3:

(2.2)

Предельный зенитный угол θ_пред, при котором должен сработать сигнализатор, будет определяться диаметром диска прижимного элемента 5.

При наличии потока бурового раствора в отверстиях А образуется перепад давления, действующий через отверстие В в корпусе 1 на прижимной элемент 5, который, преодолевая усилие сжатия пружины 10, опустится вниз. Если угол наклона прибора будет меньше предельного зенитного угла, прижимной элемент 5 дойдет до упора в шар 4 и зафиксирует его на диске 3. При этом на поверхности диска 3 останется след от прижатия шара 4, место которого будет характеризовать текущий зенитный угол:

. (2.3)

Рисунок 2.13 Схема сигнализатора – индикатора зенитного угла искривления ствола скважины СПЗУ – 1

Если шар 4 окажется в положении когда θ>θ_пред, прижимной элемент 5 будет иметь возможность опуститься в крайнее нижнее положение, при котором затвор 7 дойдет до упора в седло 8 и перекроет его отверстие. При этом весь поток бурового раствора направиться в отверстие Б, а шар 4 будет свободно находиться в кольцевом пространстве между цилиндрическим выступом прижимного элемента 5, внутренней стенкой корпуса 1 и диском 3. Так как суммарная площадь отверстий Б выбрана существенно меньшей, чем площадь отверстия в седле 8, при закрытии последнего затвором 7 резко возрастает давление прокачиваемого бурового раствора, что служит сигналом о достижении установленного предельного зенитного угла.

Для предотвращения ложных срабатываний сигнализатора, вызванных перемещением шара 4 в предельное положение из-за действия центробежных сил при вращении забойного двигателя вращаться до гарантированной фиксации шара 4 прижимным элементом 5. Для этого усилие сжатия F_пр пружины 10 должно выбираться из условия:

, (2.4)

где S_пор – площадь поршня прижимного элемента 5; ∆p_min – перепад давления в отверстиях А, соответствующий минимальному расходу бурового раствора, при котором вал забойного двигателя еще не начал вращение.

Прижимной элемент 5 и сферический диск 3 выполнены съемными и имеют различный диаметры и радиусы сферы, чтобы обеспечить срабатывание прибора при заданном предельном угле и необходимый диапазон измерения.

Сигнализатор-индикатор зенитного угла устанавливается в КНБК в нижней ее части, как правило, сразу перед забойным двигателем. Его использование позволяет эффективно контролировать предельное отклонение ствола скважины от вертикального положения.

Оперативный контроль искривления скважин и особенно на интервале искусственного искривления может успешно осуществляться специальными индикаторами, входящими в состав буровой компоновки. Например, подобная многофункциональная компоновка МФК-76 создана в КазИМСе (Казахстан). В состав буровой компоновки входит отклонитель ОГМ, индикатор кривизны, обеспечивающий измерение кривизны скважины в нескольких точках на чувствительном сферическом элементе и ориентирующее устройство для установки отклонителя в заданное для реализации искривления положение.

При использовании данной компоновки процесс искривления скважины отклонителем сопровождается измерением угловых параметров положения забоя при остановке процесса бурения. В дальнейшем производят повторное ориентирование отклонителя в заданном направлении искривления и продолжают набор кривизны.

После завершения процесса искривления скважины и извлечения из скважины расшифровывают показания датчика индикатора кривизны и оперативно определяют положение забоя скважины после искривления, а также параметры ее кривизны.

Контрольные вопросы к разделу 2

1. Принцип измерения зенитного угла скважины пробиркой с плавиковой кислотой

2. Принцип работы инклинометра МИГ-47L

3. Принцип работы и область применения гироскопического инклинометра

4. Принцип работы телеметрических систем контроля пространственного положения скважины

5. Принцип работы многоточечного фотоинклинометра.