Подземка

минимизируют риски излома рабочей нити. Дальность действия такой системы – около 600м, точность измерения - ±1%.

Место позиционных методов в решении задач подземной навигации. Используя предложенные в лекции №2 аналогии с морской навигацией

целесообразно разделить вышеупомянутые в кратком обзоре методы на относительные и абсолютные. К последним следует отнести локационные измерения, во всех вариантах производимые относительно точек с известными географическими координатами и, в некоторой степени, метод гамма-каротажа (здесь налицо все признаки коррелляционно-экстремальной навигации, однако, в отличие от последней, может отсутствовать предварительная привязка ориентиров, в качестве которых выступают показатели радиоактивности характерных горизонтов). Прочие методы однозначно следует классифицировать как относительные. Они «привязывают» геофизическую обстановку к скважинному прибору, позволяя в совокупности с абсолютными методами навигации последнего, строить объемные модели месторождений, картографированные в земных системах координат. При проводке скважин этими методами, кроме того, решаются задачи аналогичные известным из мореходной практики задачам предотвращения столкновений. Причем, в качестве «целей» в подземной навигации могут быть, например, кровля и подошва продуктивного пласта, разрушение которых при бурении приводит к серьезнейшим материальным потерям, а то и вообще к необходимости глушения скважины.

22

Лекция №3.

Инклинометрические методы навигации. Геомагнитная навигация. Гравитационный метод навигации.

Геомагнитная навигация Для измерения азимута обычно используется трѐхосный феррозонд

(магнитометр), который измеряет проекции вектора напряженности

необсаженных скважинах, построено на этом принципе. Эти приборы не содержат подвижных элементов, отличаются высокой вибро - и

ударостойкостью и работают в широком диапазоне изменения температур.

Точность выработки информации о направлении магнитного меридиана феррозондами могла бы вполне удовлетворить требования потребителей,

заинтересованных в решении задач внутрискважинной навигации, контроля и управления буровым инструментом (ряд моделей феррозондов обеспечивают определение азимута с погрешностью до 0,1град.), если бы сигналы магнитометров не искажались помехами от ферромагнитных элементов конструкции бурильной колонны (стальных труб, электрических машин и т.д.).

Девиации магнитометров вследствие этих помех достигают величин, на порядки превышающих их собственные погрешности. Для снижения влияния этих помех магнитометры располагают достаточно далеко от забойного агрегата и утяжеленных бурильных труб, для чего между забойным агрегатом и инклинометром с феррозондами устанавливается вставка из немагнитных труб длиной до 20 м.

Однако удаление измерительных приборов инклинометра от бурового инструмента на дистанции, сравнимые с размерами продуктивного пласта, в

котором производится направленное бурение, затрудняет решение задач навигации, контроля и управления, поскольку информация о

23

пространственном положении ствола скважины, вырабатываемая чувствительными элементами в месте их установки, не соответствует угловому положению бурового инструмента, отделенного от феррозондов колонной изгибающихся труб большой длины.

Другим очевидным недостатком этого общепринятого метода снижения девиации является усложнение конструкции колонны и высокая стоимость немагнитных труб из специальных сплавов.

Несколько лет назад впервые была поставлена задача разделения в условиях необсаженных скважин в сигналах магнитометров полезных компонент, несущих информацию об азимуте ствола скважины, и помех,

создаваемыми стальными элементами бурильного комплекса [].

Группой исследователей было показано, что величина напряженности поля помехи может быть определена по уровню градиента магнитного поля в измерительном модуле инклинометра, что позволяет ее учесть и использовать для коррекции выходных показаний магнитометров.

Разработка этого, по существу магнитометрического градиентометра,

вышла, в настоящее время, в промышленную фазу, и можно надеяться на его широкое внедрение, однако, не следует выпускать из виду, что геомагнитная навигация в рудных скважинах с повышенной магнитной восприимчивостью,

кимберлитовых трубках, и, что особенно важно, в обсаженных нефтегазовых скважинах, – остается практически невозможной.

При отсутствии возможности точного измерения азимута в обсаженной скважине, при бурении БС до сих пор практикуется технология, при которой специальными фрезами вырезается участок в колонне в интервале 10-20 м и азимутальная корректировка траектории второго ствола осуществляется по показаниям датчиков феррозонда только после выхода бурового инструмента из колонн на расстояние 10-15м, или вырезается целая «свеча» - две трубы,

длиной 18 - 20 метров, и только после этого используются показания феррозонда [].

24

В целом, описанные процедуры ведут к удорожанию эксплуатации каждой скважины на десятки тысяч долларов даже при высоких горизонтах залегания пластов [].

Магнитоизмерительная техника также малопригодна для обеспечения многих современных технологий – кустовом бурении с морских платформ,

траекторных измерениях в линиях магистралей и т. д.

Гравитационый метод навигации Гравитационный метод является альтернативой магнитометрическому

методу и может применяться там, где использование феррозондовых измерителей невозможно.

Гравитационный метод основан на одновременном измерении

проекций вектора ускорения силы тяжести на оси двух, разнесенных вдоль

g

продольной оси скважины, триад акселерометров при условии, что априорно известно расстоянии между ними и одноименные оси этих акселерометров выставлены коллинеарно. Этот метод использует факт изгиба бурильной колонны между двумя триадами акселерометров для измерения приращений азимута, при этом начальное значение азимута определяется на поверхности с помощью традиционных методов – гироскопических или магнитометрических измерений.

Этот метод также может применяться в забойных магнитометрических инклинометрах для уточнения пространственного положения бурового инструмента, для чего вторую тройку акселерометров располагают ближе к долоту.

Метод применим для скважин с зенитными углами в диапазоне – (1- 70)

градусов.

Реализация этого метода принципиально зависит от расстояния между триадами акселерометров. Для обеспечения измерения изгиба бурильной колонны важно, чтобы триады размещались на достаточном расстоянии друг от друга. Минимальное допустимое расстояние определяется размером

25

(диаметром) бурильных труб, интенсивностью искривления скважины и может варьироваться в диапазоне (3-9) м.

Так как метод основан на суммировании приращений азимута, его ошибка имеет накапливающийся характер. Очевидно, что суммарная ошибка будет тем больше, чем чаще проводятся измерения. Не менее очевидно, что для устранения этого противоречия желательно применение точных – навигационного класса – акселерометров (причем их должно быть не менее шести), что, естественно, усложняет и удорожает инклинометр, оставляя его, тем не менее, в классе приборов ограниченного применения. Этот метод рекомендуется применять на глубинах не более 300м, хотя это зависит от допустимой ошибки в каждом конкретном случае бурения.

Подведем некоторые итоги: По большей части приведенные выше методы и средства измерений, включая использование составляющих напряженности магнитного поля Земли для ориентации в ее осях, а также

одновременное измерение проекций вектора ускорения силы тяжести

g

разнесенными акселерометрами, можно рассматривать в совокупности, как комплексную систему навигации по геофизическим полям (КНС ГФП).

В тоже время, в соответствии со сказанным в лекции №2 – это MWD-

системы. Системы MWD можно считать композиционно законченными, самодостаточными информационноизмерительными комплексами – все прочие применения рассмотренных датчиков ГФИ являются их частными случаями (кабельные, автономные и т.д.). При этом функциональная ориентированность MWD-систем на решение задач навигации отличает их от

LWD-систем, которые призваны заменить или сократить до минимума промыслово-геофизические исследования после бурения скважин.

26

Лекция №4

Обзор современного состояния гироскопических систем подземной

навигации

Технически более совершенными и перспективными системами,

позволяющими проводить измерения в любых типах скважин, и

обеспечивать при этом высокую точность ориентирования в азимуте,

являются гироскопические инклинометрические системы.

Различают следующие способы вычисления азимута в гироскопических

инклинометрических системах:

1. Гирокомпасирование (ГК) – это физическое или аналитическое моделирование горизонтальной составляющей вектора угловой скорости

суточного вращения Земли. Режим ГК заключается в измерении на

остановках с помощью чувствительных элементов (гироскопов и акселерометров) проекций двух связанных с Землей векторов – силы тяжести и угловой скорости суточного вращения Земли. На основании выработанной чувствительными элементами информации вычисляется зенитный угол ( ),

угол установки отклонителя ( ) и азимут ( A ). На основании полученных значений A, в каждой точке проведения измерения, а также длины колонны труб или геофизического кабеля определяются координаты траектории скважины. Параметры A, , характеризующие угловое положение продольной оси СП инклинометра относительно географической системы координат ENh, таким образом, определяют и положение оси скважины относительно той же системы координат – в этом заключается сущность процесса инклинометрии, для осуществления которого продольная ось охранного кожуха СП должна быть ориентирована по касательной к оси симметрии ствола скважины в каждой точке проведения измерений .

Инклинометры компасного типа распространены наиболее широко.

Причиной этого является простой и физически «прозрачный» принцип измерения, а также высокая инструментальная точность. Компасные инклинометры еще называют точечными, что отражает дискретный характер

27

проведения измерений ─ в точках, где СП неподвижен. В инклинометрии скважин малого диаметра используется преимущественно режим аналитического компасирования с опорой на информацию ДУС.

На данном этапе развития гироскопических MWD-систем - это основная схема их работы, поскольку гироскопов нужной точности,

способных работать без остановки бурения, пока нет. Доминирующие сегодня технологии бурения предусматривают остановки для наращивания колонны, примерно через каждые 10 или 20 метров. Длительность остановок вполне достаточна (200 600 сек.) для проведения эффективного компасирования.

Из отечественных инклинометров, работающих в режиме ГК (см.

таблицу 1) можно отметить гироскопическую телесистему "Гирокурсор-45",

которая была разработана в ЗАО "НТ-КУРС" (г. Москва) специально для бурения боковых стволов из обсаженных скважин и доведена до эксплуатационного образца.

С помощью этой системы обеспечивается определение азимута и ориентирование инструмента внутри обсадных колонн в вертикальных и наклонных скважинах. В телесистеме используется кабельный канал связи между забоем и устьем. «Гирокурсор-45» содержит один одноосный гироскоп, расположенный на поворотной платформе. Зенитный угол и угол установки отклонителя измеряются непрерывно в процессе бурения, азимут измеряется только во время остановок.

Измерения угловой скорости производятся в четырѐх положениях платформы, развернутых друг относительно друга на 90°. На базе одного гироскопа, таким образом, создается фактически двухосный ДУС.

Технические характеристики телесистемы "Гирокурсор-45" приведены в таблице 1. ЗАО "НТ-КУРС" было изготовлено три изделия телесистемы

"Гирокурсор-45, которые не продаются, а используется только для оказания сервисных услуг нефтедобывающим компаниям, прежде всего, для ориентации клина-отклонителя при зарезке окна в обсаженных скважинах.

28

Инклинометр ИГМ 36-80/60 (см. таблицу 1), спроектированный НИИ прикладной механики имени академика В.И.Кузнецова (Москва) для работы в режиме ГК, имеющий самый маленький и чрезвычайно востребованный на рынке сервисных услуг в нефтедобыче и добыче рудных ископаемых диаметр (36мм), так и не стал серийным.

Таблица 1

29

ИГМ 36 содержит один двухосный динамически настраиваемый гироскоп

(ДНГ) с расположением вектора кинетического момента по оси скважины и два маятниковых акселерометра компенсационного типа. ДНГ установлен в поворотном механизме, который разворачивает его корпус во время работы на 180 вокруг продольной оси СП, компенсируя тем самым влияние корпусных составляющих ухода ДНГ.

Из зарубежных инклинометров, работающих в режиме ГК можно выделить Keeper High-Speed Gyro Steering System (изготовительScientific Drilling (США)), серию инклинометров фирмы Gyrodata (США) (см. таблицу

2), предназначенных для работы в открытых и обсаженных стволах,

трубопроводах, буровых колоннах RGS-WB (кабельный вариант), RGS-BT

(спускаемый на тросе c системой питания от батарей), RGS-DP

(автономный), RGS-OR (предназначенный для ориентации перфораторов,

каротажных инструментов и т.д., кабельный вариант), RGS-ST

(предназначенный для измерений во время бурения ).

Анализ современных зарубежных гироинклинометров показывает, что наибольшее применение в этих системах нашли ДНГ и поплавковые гироскопы.

Фирма США Scientific Drilling на базе гироскопических систем Finder и Keeper Gyro, чувствительными элементами которых являются поплавковые гироскопы, создала целый ряд инклинометрических систем различного назначения. Finder содержит два одноосных, Keeper Gyro – один двухосный поплавковый ДУС.

В составе Keeper High-Speed Gyro Steering System содержится двухосный поплавковый ДУС, модули температурного каротажа

(Temperature Log) и каротажа (Gamma Ray). Минимальный наружный диаметр компоновки - 1.75 , работает при максимальной температуре - 125 С, давлении -100 МПа, точностные характеристики: азимут- 0.4 ,

зенитный угол - 0.05 (в диапазоне 0-70 ), угол отклонителя - 0.1 .

30