Подземка

Лекция № 13.

Диаметральная схема гироинклинометра: компасирование, инвариантное

к пусковым погрешностям ДУС

XГ

Ввыражениях (1) - (3): – угловая скорость суточного вращения Земли;

– широта места объекта; g ускорение свободного падения; X Г , YГ –

выходные сигналы измерительных каналов ДУС; nx0 , n y0 , nz0 составляющие кажущегося ускорения, измеряемые блоком акселерометров; X , Y –

составляющие скорости ухода ДУС, не зависящие от ускорения (корпусные);

X , Y - составляющие скорости ухода ДУС, пропорциональные проекциям ускорения на оси чувствительности измерительных каналов (дебаланс); X , Y

– составляющие скорости ухода ДУС, пропорциональные проекциям

92

ускорения на оси, ортогональные к осям чувствительности измерительных каналов (квадратурные составляющие).

Определитель системы уравнений имеет вид:

Адаптивности к траектории, т.е. определения азимута при любом его значении с одной и той же точностью можно добиться при достижении

max, когда выполняется условие:

В диаметральной схеме может быть реализован режим инвариантного компасирования. Поясним этот термин. В силу особенностей режима точечного компасирования, связанного, прежде всего, с необходимостью включения ДУС в каждом цикле измерения и относительно короткой его продолжительностью, пусковая погрешность однозначно превалирует над нестабильностью в пуске и определяет точность этого режима. В

диаметральной схеме в каждом цикле измерения азимута могут быть откалиброваны практически все составляющие ухода ДУС с помощью управления углами разворотов и (рис.2) и, таким образом, обеспечена их последующая компенсация при проведении компасирования. Вычисление коэффициентов ухода ДУС в такой постановке, является только промежуточным этапом, который может быть сокращен, например, за счет установки измерительных осей ДУС в положения, в которых отдельные составляющие его ухода, зависящие от вектора перегрузки, автоматически обнуляются. Такой режим, характеризующийся минимизацией числа установок корпуса ДУС и, соответственно (что наиболее важно),

минимизацией общего времени цикла измерения (по сравнению с режимом калибровки), будем называть режимом инвариантного компасирования.

93

(9)

(10)

При использовании этих положений составляющие дрейфа,

пропорциональные проекциям ускорения - осевой дебаланс ротора ДУС и квадратурные составляющие скорости ухода, являющиеся для механического носителя вектора кинетического момента основными возмущающими факторами, не оказывают влияния на точность компасирования. Влияние же составляющих корпусного ухода ДУС, обусловленных взаимодействием вращающегося ротора с неподвижными частями корпуса гироскопа,

исключается при вычислении тригонометрических функций угла азимута:

2 cos

Режим инвариантного компасирования диаметральной схемы в условиях уменьшения диапазона разворота по углу («усеченная

диаметральная схема»)

В силу сложности размещения применяемого ДУС вместе с токоподводами в прочном корпусе СП требуемого диаметра, конструктивная реализация в диаметральной схеме полного разворота главной оси ДУС на углы (в диапазоне ±180 ) представляется проблематичной. В связи с этим целесообразно проанализировать, с точки зрения сохранения эффективности диаметральной схемы, возможность уменьшения диапазона угла прокачки по углу , что, в свою очередь, позволит:

95

-уменьшить наружный диаметр СП (если это требуется), либо увеличить толщину стенок его корпуса, что, соответственно, повышает термобарические характеристики СП;

-существенно упростить конструкцию и увеличить надежность узла разворота ДУС в диаметральной плоскости, что особенно актуально в условиях скважин арктического шельфа.

Как показывают конструктивные расчеты ГИ на ДНГ

инклинометрического класса, построенного по диаметральной схеме,

(превалирующим диаметром аппаратурных модулей при наиболее «ходовом» сегодня диаметре бурильной трубы - 89мм). При этом существенно упрощается сам привод разворота ДНГ, а также снижается стоимость изготовления деталей и трудоемкость сборки модуля ориентации СП.

Очевидно, что для участков скважины с зенитными углами 45

можно воспользоваться теми же самыми измерениями, которые описаны выражениями (7)-(10), и, соответственно, получить алгоритм вычисления

азимута - (11), (12).

Рассмотрим возможность обеспечения режима инвариантного компасирования при уменьшении угла прокачки по ( 0 = ±45 ). Очевидно,

что теперь (4), как непрерывная функция, область значений которой

ограничена окрестностью локального экстремума ( ) принимает

максимальные (минимальные) значения на краях интервала ограничения. Это означает, что максимальное значение определителя системы по прежнему

С учетом вышеизложенного выражения (2) и (3) будут иметь вид:

96

0 , arccos(tg 0ctg ) и, используя получившиеся при этом значения

выражений (14) и (15), имеем:

Как и следовало ожидать, при неограниченном угле прокачки

выражения (16) и (17) обращаются соответственно в (11) и (12). В то же время следует обратить внимание на то, что при существенном отличии от

0 , тригонометрические функции угла A становятся неравноточными.

Завершая краткий анализ возможностей обеспечения инвариантного компасирования в «усеченной диаметральной схеме», можно сделать вывод о том, что ее серьезные конструктивно-технические преимущества, подробный анализ которых выходит за рамки данной работы, без сомнения превалирует над известными алгоритмическими трудностями.

97

Лекция № 14.

Общие принципы построения непрерывных гироинклинометров

Необходимость повышения рентабельности геологоразведочных работ, разработка труднодоступных месторождений и месторождений с трудно извлекаемыми запасами определяет необходимость создания новых технических средств и применения более эффективных технологий, в том числе, обеспечения системы оценки и мониторинга пространственного положения скважины на всех стадиях разработки и освоения месторождений.

Такая система, в частности, должна обеспечить попадание ствола скважины в заданный геологический объект, управлять проводкой ствола внутри пласта, предотвращать возможность столкновения скважин. Ведущее место при реализации этих задач занимает инклинометрия.

Значимость проведения инклинометрических измерений для оценки точности позиционирования скважин в современной практике бурения стала таковой, что несколько лет назад был создан международный комитет по контролю точности инклинометрической съемки (Industry Steering Committee on Well bore Survey Accuracy — ISCWSA, подразделение SPE). На сегодняшний день этим комитетом разработаны международные промышленные стандарты для определения и учета погрешностей положения скважины при проведении съемки.

В соответствии с этими стандартами для подтверждения заявленной точности позиционирования скважины (или ее участка) (полученной,

например, при ее проводке MWD - системой) требуется проведение повторной съемки другим высокоточным средством. Как правило, ISCWSA

рекомендует использовать для этого гироскопический инклинометр (ГИ),

работающий в непрерывном режиме.

Необходимое условие, обуславливающее этот выбор – очевидно – способность ГИ работать с высокой точностью в любых стволах - открытых,

обсаженных и т. д.;

98

Достаточным условием является принципиальная возможность обеспечения «непрерывным» инклинометром съемки скважины с высокой частотой измерения параметров ориентации, позволяющих более точно выявить истинный характер ее траектории.

Здесь следует отметить, что применение современной техники и технологий направленного бурения, характеризующихся высокой скоростью изменения кривизны скважин, может вызывать появление участков ствола с большими изломами, извилистостью и кручением. Для обнаружения такого рода особенностей необходимо проведение съемки с высокой частотой измерений, в противном случае применение традиционных методов интерполяции траектории между редкими точками замеров может привести к большим погрешностям вычисления координат.

Более того, принципиальным является использование для проведения съемки ГИ либо тонкого каротажного кабеля, либо гибких труб (Coiled tube),

позволяющих в отличие от бурильных труб, обнаруживать искривленность скважины с большой степенью разрешения.

Потребность в высокопроизводительной прецизионной инклинометрической съемке возникает как на этапах строительства,

эксплуатации и ремонта скважин, так и их проектирования. Последнее, в

свою очередь базируется на данных геологической модели месторождения,

при построении которой и интерпретации данных 3D сейсморазведки также используется точная информация о координатах скважин и, прежде всего,

глубине ствола по вертикали (TVD), позволяющая выработать абсолютные отметки пластопересечений.

Выявление особенностей траектории, участков изгибов и большой кривизны при строительстве, эксплуатации, а также ремонте скважин позволяет решать важнейшие задачи, связанные, в частности:

- с предотвращением серьезных осложнений, вызванных заклиниванием труб, неправильной обсадкой и т. д.;

99

- с установкой скважинного оборудования (пакеры, погружные насосы,

погружные приборы) в оптимальных точках скважины, что, в свою очередь,

существенно повышает эффективность и время работы устанавливаемого оборудования.

Кроме того, нельзя забывать и об экономическом аспекте: помимо того,

что непрерывная съемка – это всегда снижение времени и, соответственно,

стоимости проведения инклинометрических работ, знание точного позиционирования скважин и характера траекторий, полученное при съемке,

позволяет существенно сократить многочисленные статьи вынужденных расходов.

В нашей стране востребованность в проведении измерений ГИ,

работающем в непрерывном режиме, особенно высока, что, прежде всего,

обусловлено качеством данных старой инклинометрии (20 – 40 летней давности), в большинстве случаев не удовлетворяющей современным требованиям в части, как геологического моделирования, так и обеспечения безопасности (например, при ремонте скважин). В результате на первый план выходит задача проведения повторных инклинометрических измерений скважин ранее разбуренных месторождений.

Неоспоримые преимущества и возможности непрерывной гироинклинометрической съемки - высокая производительность,

практически любое, наперед заданное, пространственное разрешение траектории и отсутствие методических ошибок ее построения в сочетании с возможностями достижения более низкого, по сравнению с режимом точечного компасирования, уровня инструментальных ошибок, - в течение последнего десятилетия являются стимулом для разработки и внедрения новых типов непрерывных гироинклинометрических (ГИ) систем. Это коренным образом отличает нынешний этап их развития от начального,

характеризовавшегося заимствованием идеологии построения и отдельных технических решений, использующихся в навигации подвижных объектов.

100