Подземка

производителями электронных устройств специально разрабатываются электронные элементы и датчики, способные работать при температуре

125 С, 150 С и даже более 200 С. Фирма Honeywell International, например,

разработала новую технологию Silicon On Isulator(SOI), созданная на ее основе линия электронных устройств HTMOS способна работать при температурах 225 С и выше. Среди продуктов HTMOS имеются операционные усилители, источники эталонного напряжения, аналого-

цифровые преобразователи, регуляторы напряжения, элементы памяти,

микроконтроллеры и другие, аналоговые и цифровые устройства и датчики.

Для энергетического обеспечения опускаемой в скважину аппаратуры широко применяются встроенные электрические батареи, сохраняющие работоспособность при высоких температурах в забое (до 200 С и выше).

Гидростатическое давление, определяемое глубиной скважины (от 2 до

7км) и плотностью бурового раствора (от 1 до 2 г/см3), варьируется от 20 до

150 МПа. При этом, во время бурения скважин давление, воздействующее на СП превышает гидростатическое давление столба бурового раствора на давление, создаваемое буровыми насосами, обеспечивающими прокачку раствора.

Понятно, что влияние избыточного давления на СП парируется его конструктивным и материальным исполнением и этот фактор скорее следует отнести к группе, определяющей требования к массогабаритным характеристикам гироинклинометров.

Одной из важнейших проблем при конструировании забойных телесистем (MWD/LWD – систем) является их защита от перегрузок,

возникающих от вибраций и ударов при бурении.

Колонна бурильных труб представляет собой сложную пространственную систему с распределенными параметрами. Ее нельзя считать жестким стержнем, скорее в физическом смысле колонна является

«гибкой нитью», так как отношение ее длины к диаметру может достигать

106. В колонне бурильных труб внутри и снаружи циркулирует промывочная

41

жидкость под воздействием неравномерного давления, развиваемого одним или двумя насосами.

Долото контактирует с горными породами разной твердости, ударяясь зубьями о неровности забоя, причем зубья значительно срабатываются во времени, изменяя параметры вибрации. Все это вызывает достаточно сложные колебания и удары. Так, вибрация буровой вышки и пульсация насосов вызывает инфранизкочастотные колебания до 1.5 Гц, перекатывание шарошек по рейке забоя и биение вала гидравлического забойного двигателя

– низкочастотные (до 10 Гц), средняя частота (до 300 Гц) обуславливается ударами зубьев шарошек о забой при их перекатывании и, наконец,

высокочастотные - вызваны кавитацией и турбулентным движением

промывочной жидкости (частотой до 3000 Гц).

Исследования, выполненные рядом авторов, показали, что уровень вибрации часто превышает 20-30g в диапазоне частот от единиц герц до

десятков и даже сотен герц.

Автономные инклинометры и приборы, сбрасываемые внутрь бурильных труб или доставляемые на забой прокачиваемым буровым раствором и проводящие измерения при подъеме бурильных труб, а также кабельные промерочные инклинометры менее подвержены воздействию

вибраций и ударов (см. таблицу 1).

Виброударные воздействия следует признать определяющими для выбора акселерометров и гироскопов с той лишь оговоркой, какую

позволяют конструктивные возможности размещения устройства

амортизации (всецело определяющиеся опять-таки габаритами СП, но на условность разделения на группы различных факторов, влияющих на его конструктивный облик уже указывалось).

Наиболее распространенными гироскопическими чувствительными

элементами в мировой практике при создании инклинометрических систем являются ДНГ и поплавковые ДУС, хотя и они не отвечают всем требованиям, поскольку гироскопы с механическим носителем

42

кинетического момента весьма чувствительны к воздействию ударов,

вибрации и перепадам температур (см. таблицу 4). Тенденции совершенствования гироскопических инклинометрических систем направлены на использование в этих системах гироскопов, в которых отсутствуют быстровращающиеся инерционные тела: волоконно-оптических

(ВОГ), твердотельных волновых (ТВГ), лазерных (ЛГ).

Однако существующие точные ВОГ не удовлетворяют требованиям инклинометрии, прежде всего, по габаритам, хотя вероятность того, что в ближайшее время на свободном рынке появится ВОГ с требуемыми параметрами, достаточно велика.

По мнению ведущих отечественных и зарубежных специалистов, ТВГ является идеальным гироскопом для инклинометрических систем.

Действительно, ТВГ конструктивно достаточно прост, имеет большую механическую прочность, может работать при очень высокой температуре,

малочувствителен к внешним вибрационным и линейным нагрузкам при сохранении высокой точности, допускает прерывание питания, имеет малое время готовности. Однако применение ТВГ в промышленности сдерживается из-за проблем, связанных с реализацией списывания выходного сигнала,

вопросов метрологии, балансировки полусферических резонаторов и создания оборудования для этих целей, проблем поддержания высокого вакуума в полости прибора.

В последнее время стали появляться предложения по созданию инклинометрических систем на базе микромеханических гироскопов.

Применение механических измерителей, обладающих высокой устойчивостью к внешним воздействиям, малыми массой и габаритами,

малым энергопотреблением, способствует повышению надежности, однако класс точности таких гироскопов пока не может соответствовать требуемым точностям и задачам гироинклинометров (случайный дрейф - 80-100

град/час). Характеристики рассмотренных типов гироскопов приведены в таблице 2.

43

Таблица 2

Массогабаритные характеристики гироинклинометров

Среди факторов, влияющих на массогабаритные характеристики гироинклинометров, определяющим является диаметр скважины.

Диаметр гироинклинометров, в зависимости от назначения СП определяется либо диаметром обсаженной, или открытой скважины (для кабельных инклинометров), либо выбираются из расчета создания минимального сопротивления прокачке бурового раствора через внутреннее сечение бурильной колонны в месте установки телесистемы (практически не более 0.2 - 0.5 МПа) (для забойных и спускаемых на трубах).

В настоящее время при бурении нефтегазовых скважин превалирующий диаметр аппаратурных модулей - 1 3 4 ll , при диаметре утяжеленной бурильной трубы - 3 12 ll . При бурении разведочных скважин для рудных ископаемых требуются еще меньшие диаметры - 1 12 . Естественно, при бурении нефтегазовых скважин востребованы и бурильные колонны

44

большого диаметра (бурение первых горизонтальных стволов), а также кабельные компоновки для промерных работ в обсаженных скважинах диаметром - до 5 58 ll .

Диаметр имеет определяющее влияние практически на все тактико-

технические характеристики гироинклинометров, прежде всего на его кинематическую схему, диктуя внедрение бесплатформенных систем. Их преимущества в данном случае оказываются решающими: отсутствие стабилизированной платформы, малые габариты и энергопотребление,

надежность, технологичность и т.д.

Однако тенденция уменьшения диаметра скважин не позволяет разместить в трубном корпусе систему полноценного трехосного измерения вектора абсолютной угловой скорости СП, поэтому приходится применять неполные схемы бесплатформенных гироинклинометров. Наиболее известна схема гироинклинометра, построенного на одном двухосном или двух одноосных ДУС c расположением вектора кинетического момента по оси скважины (продольная схема). Применение этой схемы в режиме точечного компасирования имеет ряд ограничений, связанных с промером скважин определенной ориентации.

Ограничения, присущие продольной схеме, обусловили важность задачи поиска схемно-конструктивных решений, позволяющих в рамках наиболее востребованных диаметров и использования одного двухосного ДУС обеспечить компасирование в скважинах любой ориентации. Так появились поперечная и диаметральная схемы бесплатформенных гироинклинометров,

о которых речь пойдет в последующих лекциях.

Необходимость размещения скважинной аппаратуры забойных телесистем внутри бурильных труб, ограниченных их наружным диаметром,

приводит к необходимости увеличения длины СП. Для компоновок забойных телесистем с большим числом измерителей общая длина СП достигает 1020м. Исполнение такой компоновки в виде единой жесткой конструкции может привести к поломке аппаратуры при проходе криволинейного участка

45

наклонно-направленной скважины, поэтому использование гибкой связи между отдельными модуля является обязательным, особенно в скважинах с малым радиусом кривизны.

Радиус кривизны при забуривании ГС из старого фонда через эксплуатационную колонну достигает иногда 25-30м. Естественно, что применяемая при этом телесистема должна «вписаться» в этот радиус и не получить дополнительных вибрационных ускорений под действием изгибающих усилий.

Ограничения по длине также иногда накладываются и на размеры промерочных гироинклинометров, хотя значительно реже. Очевидно, что такие ограничения возникают при решении задач исследования магистралей,

имеющих малые радиусы кривизны на каких-то участках траектории.

Ограничения эти вряд ли можно считать проблемными: современная элементная база позволяет создавать законченные компоновки, при необходимости соединяемые гибкими связями (например, с помощью сильфона как на рис.1).

Рис.1

46

Лекция № 6.

Скважинные системы координат, уравнения траекторий и их погрешности.

В качестве основной системы координат, в которой задается траектория скважины (трубопровода), обычно принимается географическая система координат oNEh (рис.1) с началом в устье скважины и осями расположенными соответственно на север, восток и по вертикали места

(обычно, вниз).

h

Рис.1

При построении траектории скважины по выходным данным магнитоизмерительных инклинометров может использоваться система координат, связанная с направлением не географического, а магнитного меридиана, в этом случае переход к oNEh осуществляется с помощью известного магнитного склонения.

Задача построения траектории оси ствола скважины (трубопровода)

состоит в определении координат его отдельных точек в системе oNEh на основании рассчитанных с помощью инклинометра параметров ориентации оси скважины в соответствующих точках, а также глубины ствола,

измеренной по длине колонны труб или геофизического кабеля.

Положение касательной к оси скважины в точке измерений, которое в первом приближении можно считать совпадающим с направлением

47

продольной оси СП инклинометра, может быть охарактеризовано единичным вектором r : r i rE jrN krh , где i , j, k - единичные векторы, направленные вдоль осей oN, oE, oh соответственно.

Для определения ориентации вектора r вводится связанная с корпусом СП система координат o x0 y0 z0 , оси которой ориентированы следующим образом: ось o z0 расположена вдоль продольной оси СП, а оси ox0 , oy0 лежат в плоскости его поперечного сечения и образуют правый ортогональный трехгранник (рис.1). Плоскость, проходящую через ось o z0 и вектор k , в

инклинометрии называют апсидальной.

Вобщем случае понятие ориентации связано с вращательным движением твердых тел, а задача определения ориентации сводится к нахождению некоторых параметров, которые однозначно задают жестко связанную с твердым телом ортогональную систему координат по отношению к некоторой, заранее заданной или выбранной.

Винклинометрии в качестве параметров ориентации традиционно применяются углы Эйлера, при использовании которых положение связанной с СП системы координат o x0 y0 z0 относительно географического

трехгранника oNEh задается тремя углами: азимутом

и углом поворота корпуса СП вокруг оси o z0 (рис. 1).

Азимут A - это угол между плоскостью географического меридиана в точке измерения и апсидальной плоскостью. Зенитный угол - угол между осью o z0 и вектором k . Угол поворота корпуса СП - это угол между

главной полуплоскостью инклинометра, проходящей через оси o z0 и o x0 , и

апсидальной плоскостью. Приняты и другие названия для угла : визирный угол, угол установки отклонителя. Последнее название связано с тем, что инклинометр или телеметрическая система контролируют направление действия отклонителя. Углом установки отклонителя называется угол между апсидальной плоскостью и плоскостью действия отклонителя. В

48

дальнейшем будем считать термины угол поворота корпуса СП и угол установки отклонителя тождественными и использовать последний.

В ряде случаев, наиболее адаптированными к построению траекторий скважин (например, близких к вертикальным, как будет показано в дальнейшем) являются не углы Эйлера, а направляющие косинусы.

Матрица направляющих косинусов Coh , характеризующих ориентацию oNEh (h) относительно трехгранника (0), определяется следующим образом:

Для построения пространственной траектории оси скважины по результатам инклинометрической съемки разработано и исследовано достаточно большое число методов [ ], которые отличаются друг от друга по сложности реализации и достигаемой точности. Сущность всех методов сводится к выбору той или иной функции для аппроксимации исследуемого интервала искривленного ствола скважины. Как правило, для этого используются один или несколько прямолинейных отрезков, дуга окружности или несколько дуг, а также комбинация дуг и отрезков прямых.

Описание и анализ эффективности всех существующих методов выходит за рамки настоящей работы, однако остановимся на некоторых из них,

являющихся самыми распространенными в отечественной промыслово-

49

геофизической практике: тангенциальном, балансном тангенциальном и усреднения углов.

В тангенциальном методе приращения координат на исследуемом интервале ствола l определяются по значениям зенитного угла и азимута,

измеренным в нижней точке интервала l , либо по значениям столбца

В балансном тангенциальном методе исследуемый интервал l

разбивается на два участка одинаковой длины: верхний и нижний. Каждый участок аппроксимируется отрезком прямой, причем в качестве исходных данных для построения верхнего и нижнего участков используются значения зенитных углов и азимутов, либо соответствующие значения направляющих косинусов, измеренные соответственно в верхней и нижней точках l .

Приращение координат для каждого из участков определяется тангенциальным методом, а результирующие приращения на интервале l

находятся как сумма соответствующих приращений на участках (см. таблицу

1).

В методе усреднения углов интервал l между двумя точками замера представляется отрезком прямой, при этом зенитный угол и азимут на протяжении l принимаются равными средним арифметическим соответствующих углов, измеренных на концах l (см. таблицу 1). Метод усреднения углов очень прост и в тоже время отличается достаточно высокой точностью. Этот метод является самым востребованным в отечественной практике.

Анализ погрешностей расчета плановых координат скважины указанными выше методами, проведенный многими авторами , показал, что эти погрешности возрастают с увеличением, как шага измерений, так и

50