Устройство для определения пространственного положения глубоких скважин

 

Изобретение касается бурения нефтяных и газовых скважин (С) и позволяет повысить точность измерений и расширить их диапазон. Устр-во содержит три тороидальных датчика (ТД) 1, 2 и 3, выполненных из диэлектрического материала. Оси подвеса ТД I, 2 и 3 расположены по диаметру торов и шарнирно закреплены в корпусе 4 в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом ТД 1, 2 и 3 наполовину заполнены электропроводящей жидкостью 8 и имеют по два высокоомных кольцевых реохорда 9 и 10 Они размещены по окружностям наибольшего и наименьшего влутренних диаметров тора и имеют разрывы а-в и б-г. На каждом ТД 1, 2 и 3 противоположно разръшам а-в и б-г по диаметру тора, перпендикулярному оси подвеса, укреплен груз i1. Предварительно ориентируют устр-вс на устье С. На заданном интервале измереии снимают одновременно показания ТД 1, 2 и 3 и замеряют глубину С. Изменение угла наклона оси подвеса ТД 1, 2 и 3 приводит к перемещению поверхности контакта электропроводящей жидкости внутри тора. Изменяется длина рабочих участков реохордов 9 и 10 при постоянном сопротивлении их плеч. Зная глубину С, угол наклона и азимутальное отклонение ее оси от начального направления, строят план и профиль С. 6 ил. а . о S (Л С ю г эо :о 35 4 1 / V 1 /й X //

СО(ОЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) (Я) 4 Е 21 В 47 022

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3882535/22-03 (22) 09.04,85 (46) 23.03.87. Бюл. 9 11 (71) Криворожский горно-рудный институт (72) В.А.Корж, П.Д.Петренко, П.С.Хуторной и Г.И,Иороз

" (53) 622.243.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 981599, кл. Е 21 В 47/022, 1980.

Авторское свидетельство СССР

В 889836, кл. Е 21 В 47/022, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ГЛУБОКИХ

СКВАЖИН (57) Изобретение касается бурения нефтяных и газовых скважин (С) и позволяет повысить точность измерений и расширить их диапазон. Устр-во содержит три тороидальных датчика (ТД) 1,:2 и 3, выполненных из диэлектрического материала. Оси подвеса

ТД 1, 2 и 3 расположены по диаметру

Ф торов и шарнирно закреплены в корпусе 4 в трех взаимно перпендикулярных

Р плоскостях. При этом ТД 1, 2 и 3 наполовину заполнены электропроводящей жидкостью 8 н имеют по два высокоомных кольцевых реохорда 9 и 10.

Они размещены по окружностям наибольшего и наименьшего внутренних диаметров тора и имеют разрывы а-в и б-г.

На каждом ТД 1, 2 и 3 противоположно разрывам а-в и б-r по диаметру тора, перпендикулярному оси подвеса, укреплен груз 11. Предварительно ориентируют устр-Hd на устье С. На каждом заданном интервале иэмерени . снимают одновременно показания

ТД 1, 2 и 3 и замеряют глубину С.

Изменение угла наклона оси подвеса

ТД 1, 2 и 3 приводит к перемещению поверхности контакта электропроводящей жидкости внутри тора. Изменяется длина рабочих участков реохордов

9 и 10 при постоянном сопротивлении их плеч. Зная глубину С, угол наклона и азимутальное отклонение ее оси от начального направления,-строят план и профиль С. 6 ил.

1 12

Изобретение относится к технике бурения и предназначено для определения пространственного положения глубоких скважин при добыче и разведке полезных ископаемых подземным и открытым способами, а также может быть использовано для определения пространственного положения объектов или ориентации их н пространстве, Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение диапазона измерений, На фиг, 1 приведено устройство для определения пространственного положения глубоких скважин; на фиг. 2 — разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — расположение осей подвеса датчиков в трех взаимно перпендикулярных плоскостях; на фиг. 4 — вертикальный разрез тороидального датчика; на фиг, 5 — пример плоскостного искривления.оси скважиН; на фиг. б — пример пространственного искривления скважины.

Устройство для измерения угловых отклонений скважины содержит три " одинаковых тороидальных датчика 1-3, оси подвеса которых шарнирно закреплены в корпусе 4 (фиг. 1 и 2). Датчики выполнены из диэлектрического материала.

Датчик 1 со своей осью 5 подвеса совпадающей с продольной осью корпуса 4 устройства и расположенной с горизонтальной плоскости ХОУ (фиг. 3), предназначен для измерения углов наклона оси скважины Зс.

Датчик 2 со своей осью б подвеЪ са, расположенной в вертикальной плоскости УОЕ перпендикулярно оси

5 подвеса, предназначен для измерения угла проворота (g корпуса 4 устройства вокруг собственной продольной оси.

Датчик 3 с осью 7 подвеса, расположенной в вертикальной плоскости

X0Z перпендикулярно осям 5 и 6 подвеса, предназначен для измерения угла наклона к горизонту плоскости скважины 3 пс, совпадающей с плоскостью, проходящей через оси датчиков 1 и 2.

Оси подвеса всех датчиков расположены по диаметру торов, которые наполовину заполнены электропроводящей жидкостью 8. Кольцевые реохорды

9 и 10 тороидальных датчиков вылолне ны из высокоомного материала, размещены по окружностям наибольшего и

98364

55 наименьшего внутренних диаметрон тора и имеют разрывы: а-в, б-г, Участок реохорда 9 от вывода а (фиг. 4) через злектропронодящую жидкость к выводу о реохорда 10, включен в схему, как одно плечо измерительного моста. Другим плечом измерительного моста является участок реохорда 9, от вывода 6 через электропронодящую жидкость к выводу

2 реохорда 10. Четыре вывода а, б, н и г реохордон каждого тороидального датчика подключены к измерительной схеме„ позволяющей фиксировать изменения электрического сопротивления плеч моста, обусловленного изменением рабочей длины реохордон, замыкаемых токопронодящей жидкостью при изменении угла наклона оси подвеса тороидального датчика, вызванного искривлением скважины.

На каждом торе укреплен груз 11 для обеспечения постоянного ориентирования датчика в вертикальной плоскости при выполнении измерений. Груз

11 укреплен на торе диаметрально противоположно разрывам (а-в, б-г) реохордов по диаметру тора, перпендикулярному оси подвеса (фиг. 4).

Устройство для определения про-. странственного положения скважин работает следующим образом.

Перед осуществлением измерений оно центрируется с помощью какоголибо приспособления для центрирования скважинных приборов и путем направленной подачи досылается в скважину. В устье скважины измерительное устройство предварительно ориентируется таким образом, чтобы показания тороидального датчика 2 измеряющего угол проворота корпуса

4 измерительного устройства вокруг собственной продольной оси, были равны нулю. Одновременно снимаются также показания тороидального датчика 1, измеряющего угол наклона начального напранления оси скважины, и тороидального датчика 3, измеряющего в устье скважины угол наклона плоскости забуринания. Под плоскостью забуринания скважины понимают плоскость, образованную осью скважины в ее устье и нормалями к оси скважины, расположенными горизонтально.

После выполнения предварительной ориентировки измерительного устройства в устье скнажины плоскость, 1298364 сопротивление плеч измерительного

t ã3ñ

cos а.= -"-- 83пс проходящая через оси подвеса тороидальных датчиков 1 и 2, совпадает с плоскостью забуриванн i.

В исходном положении углы наклона, определяемые по показаниям тороидальных датчиков 1 и 3, совпадают.

В дальнейшем., осуществляя направленную подачу, на каждом заданном интервале измерений снимают одновременно показания тороидальных датчи- 10 ков 1-3 и измеряют глубину скважины. Искривление скважины приводит к изменению пространственного положения корпуса 4 измерительного устройства и изменению показаний торо- 15 идального датчика 1, фиксирующего угол наклона оси скважины Çc на участке замера, тороидального датчика

2, фиксирующего угол проворота д корпуса 4 измерительного устройства вокруг собственной продольной оси и тороидального датчика 3, измеряющего угол наклона плоскости скважины

3 пс на участке замера. Под плоскостью скважины на участке замера по- 25 нимают плоскость, проходящую через ось скважины на этом участке и пересекающуюся с плоскостью забуривания по горизонтали, расположенной перпендикулярно начальному направле- gg нию оси скважины при забуривании. В устье скважины плоскость скважины совпадает с плоскостью забуривания.

Проворот .корпуса 4 измерительного устройства вокруг собственной про-35 дольной оси при его направленной подаче в скважину происходит, как показано моделирование, за счет изменения зенитного и азимутального направления скважины. При этом плоскость40 проходящая через оси 5 и б подвеса тороидальных датчиков 1 и 2, не изменяет своей начальной ориентировки относительно плоскости скважины. Следовательно, в любой точке замера 45 плоскость, проходящая через оси 5 и б подвеса тороидальных датчиков 1 и

2, совпадает с плоскостью скважины в случае, если ось корпуса 4 устройства совпадает с осью скважины, или же параллельна плоскости скважины при параллельном расположении этих осей.

Таким образом, углы, измеряемые тороидальными датчиками 1-3, оказываются взаимосвязанными с углом наклона и азимутальным углом скважины.

1Парнирная подвеска тороидальных датчиков обеспечивает постоянную и минимальную площадь поверхности зеркала электропроводящей жидкости, что позвопяет получить прямолинейную зависимость между углом наклона и изменением сопротивления реэистивных элементов в любом диапазоне измерений.

Изменение угла наклона оси подвеса тороидального датчика приводит к перемещению поверхности контакта электропроводящей жидкости внутри тора. В результате этого длина рабочих участков реохордов 9 и 10, включенных в соответствующие плечи измерительного моста, изменяется, причем сопротивление одного иэ плеч моста по мере уменьшения длины рабочего участка реохорда уменьшается, а сопротивление другого плеча ровно на столько же увеличивается. Суммарное моста, образованных реохордами, остается при этом величиной постоянной, независимо от угла проворота оси подвеса тороидального датчика. Указанное равенство изменений величин сопротивлений противоположных плеч моста, а также постоянство их суммарного сопротивления при любом наклоне скважины позволяет упростить контроль исправности работы устройства, На основании показаний измерительного моста, подключенного к тороидальному датчику 1, определяют по тарировочным графикам HJIH таблицам направление отклонения, угол наклона оси скважины Зс и направление отклонения (вверх или вниз). Аналогично по показаниям измерительного моста, поочередно подклю чаемого к тороидальным датчикам 2 и 3, определяют угол проворота q Jи направление (по часовой или против часовой стрелки) корпуса 4 измерительного устройства вмесТе с тороидальными датчиками вокруг собственной продольной оси и угол наклона плоскости скважины Зпс к горизонту.

Азимутальное отклонение оси скважины от начального направления (направления забуривания) определяют по формулам (1) или (2) cos а= Зс (2)

tg (arcs ings in 3c+s in q

1298364 где а — азимутальное отклонение оси скважины от начального направления в месте замера, град;

Çc — угол наклона оси скважины в месте замера, град;

Зпс — угол наклона плоскости скважины на участке замера к горизонту, град;

Ц! — угол проворота корпуса иэ- 10 мерительного устройства вокруг собственной продольной оси в месте замера, град.

Для вывода указанных формул воспользуем ся фиг.5,где приняты следующие обо- 15 значения: Π— точка искривления оси скважины; FOOI1I — фактическое положение оси скважины; ОООΠ— начальное направление оси скважины; Г— горизонтальная плоскость; Н - наклон. 20 ная плоскость, в которой расположена ось скважины; Зпс †. угол наклона плоскости скважины; Çc — угол наклона оси скважины на участке ООР, ! а=! ВО — азимутальный угол откло- 25 нения оси скважины от начального направления, т.е, угол между горизонтальными проекциями начального направления оси скважины FOÎ, и фактического положения оси скважины 00!Р.

После искривления скважины в точке О (фиг, 5) и отклонения ее оси от.. начального направления F00 на угол скважина принимает новое направление ООР. Точка замеРа угловых величин, расположенная на оси скважины, переместилась при этом из полоI жения А в положение А таким образом, что плоскость поперечного осевого сеI чения аа с с корпуса 4 (фиг, 1) из- 40 мерительного устройства остается,как ° это было установлено опытным путем, параллельной и совпадающей с плос - . костью скважины Н. Поэтому из пря/ I моугольного треугольника ОВ А, расположенного в вертикальной плоскости, следует, что

А Р h

sin3c- =— — —, (3)

OA 1 ! l (с l

50 где h =А В =DC, 1I=OA =ÎA,  — проI екция точки А на горизонтальную плоскость Г, Учитывая, что точки D и С представляют собой проекции точек А и

I)

В соответственно, на начальное направление ЕООд оси скважины и его горизонтальную проекцию ОВ, иэ прямоугольного треугольника OCD распо-, ложенного в вертикальной плоскости, попучают

DC з". пЗпс= или DC=OD ° s in3nc

1" cosH з1пЗпс

sin3c- -з1пЗпс cosP.(4)

В результате искривления .скважины происходит, как этс фыдо установлено опытным путем, пр ворот размещенного в ней корпуса 4 с тороидальными датчиками 1-3 (фиг. 1) вокруг собственной прогольной оси, совпадающей с осью скважины. Угол проворота Ч корпуса 4 с тороидальными датчиками в точке замера А .равен<у

1

= И К Е. Его численное значение определяют с учетом установленного опытным путем того факта, что нормаль ИК к оси скважины F000, совпадающая с плоскостью продольного осеI I вого сечения аа с с (фиг. 5), после искривления скважины в точке 0 эаниI мает положение И К, перпендикулярное новому направлению ОО, и находится в плоскости Н оси скважины.

Опытным путем на основании результатов многочисленных экспериментов, часть которых приведена в таблице, установлено, что

sing= (5) Уравнение (5) описывает условие искривления оси скважины в начальной плоскости Н.

Из прямоугольного треугольника

OCD следует, что

OC=OD ° соэЗпс=1еоз Р созЗпс.

Из прямоугольного треугольника

ОВ А получают

ОВ =OA cosÇc=l cosÇc.

Аэимутальное отклонение q ocu скважины 00 от ее начального направления 00 после искривления в точке О получают из прямоугольного

I треугольника ОСВ

ОС 1создсозЗпс созЗпс — в -- =сов/3 — — — -

ОВ 1cosÇc созЗс

Но иэ прямоугольного треугольника

0DA, расположенного в плоскости скважини Н, следует что OD=OA ° ense=1»

xcosP, поэтому

DC=h 1cosP з1пЗпс. !

Подставив значение h в выражение (3),получают.7

12983б4 скважины. Следовательно, если рассматривать отрезок ОА в качестве расчетного начального направления скважины, то плоскость Р, проходящую через точки О, А О и Л, можно рассматривать -как промежуточную плоскость с углом наклона Зпс. Тогда в соответствии с полученной опытным путем формулой (5) для промежуточf0 ной расчетной плоскости P можно записать, что угол проворота корпуса

4 .измерительного устройства с тороидальными датчиками 1-3

f5

sill (f =sltl Зпс-s 1Il Зс. (б) Зпс=агсздп

Подставляя в это выражение значение

cos p согласно формуле (4), окончательно получают формулу (1) °

Таким образом, в рассмотренном частном случае искривления оси скважины в плоскости Н (фиг. 5) аэимутальное отклонение д оси скважины от начального направления ООО определяют по формуле (1).

В общем случае пространственного искривления аси скважины на фиг.б приняты следующие обозначения: О— точка искривления оси скважины;

F00o — начальное направление оси скважины; FOO — фактическое положение оси скважины после ее искривления; à — горизонтальная плоскость;

Н вЂ” наклонная плоскость, в которой была расположена .ось скважины до искривления; P — наклонная плоскость, gp в которой расположена ось скважины после искривления; З вЂ” угол наклона плоскости Н.(он же является начальным углом наклона оси скважины);

Зпс — угол наклона плоскости Р, в 25 которой .расположен участок оси скважины после ее искривления; Зс — угол наклона оси скважины на участке искривления ОО, а — азимутальный угол отклонения оси скважины от начально- Зр го направления, отсчитанный в горизонтальной плоскости.

Взаимосвязь между углом проворота корпуса 4 измерительного устройства с углом наклона 3с оси скважины ООт и азимутальным отклонением

0 оси скважины ОО,Р от начального направления FOO> в общем случае пространственного искривления устанавливают следующим образом, Ось скважи40 ны, имеющая начальное направление

F00<, искривляется в точке 0 таким образом, что выбранная на ней точка

А попадает не в точку А, как было ! в предьфущем случае (фиг, 5) а в

II

° j 45 точку А . При этом ось скважины изменяет азимутальное направление на угол а, опустившись одновременно по вертикали на угол АЗ и переходит из плоскости Н в другую плоскость P (фиг. 6), 50 (По отношению к точке А всегда можно найти точку А, равноудаленную от точки О, которая будет расположена в той же наклонной плоскости Р

Л

55 что и точки О и А . В то же времй точка А должна быть расположена в вертикальной плоскости, проходящей через начальное направление FOO ocu о

Откуда угол наклона Зпс промежуточной расчетной плоскости P равен

Заменив в формуле (1) угол Зпс наклона начальной плоскости Н скважины

F0O на угол наклона Зпс промежуточной расчетной плоскости P в которой располагается ось скважины

F0O после ее искривления в тачке

О, получают формулу (2), по которой определяют азимутальное отклонение а оси скважины FOÎ от начального на(р правления FOO . Указанная формула применима как при плоскостном, так и при пространственном искривлении оси скважины.

Результаты расчетов по формулам (1) и (2) должны быть одинаковыми, В случае, когда скважина искривляется только.в вертикальной плоскости, т.е. изменяется только ее зенитный угол, то показания датчика 2 постоянно равны нулю. Датчик 1 показывает зенитный угол оси скважины

Зс, а датчик 3 — зенитный угол плоскости скважины Зпс на каждом участке замера. Углы, определенные по показаниям датчиков 1 и 3, равны в этом случае друг другу. Второй частный случай, когда скважина искривляется только в плоскости забуривания. При этом показания датчика 2 изменяются и по ним определяют величину и направление отклонения скважины. Изменяется угол наклона оси скважины Зс к- горизонтальной плоскости, постоянными остаются только показания датчика 3, определяющего угол наклона плоскости скважины Зпс над горизонтом, так как он в данном случае не меняется. В общем случае, когда скважина произвольно изменя1298364 ет свое направление, одновременно изменяя азимутальное отклонение и угол наклона над горизонтом, изменяются показания всех трех датчиков.

Эная глубину скважины, угол накло- 5 на Зс и азимутальное отклонение а оси скважины FOO от начального на(р правления FOOD, рассчитывают координаты точек замера и строят по ним план и профиль скважины. t0 кольцевой реохорд, размещенный по окружности наибольшего диаметра тока, отличающееся тем, что, с цег.ью повышения точности измерений и расширения диапазона измерений, оно снабжено третьим тороидальным датчиком, при этом торы заполнены электропроводящей жидкостью наполовину, имеют втофЬй высокоомный кольцевой реохорд, груз и оси подвеса к корпусу, которые расположены по диаметру торов и укреплены шарнирно в корпусе в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, причем второй кольцевой реохорд размещен по окружности наименьшего диаметра тора, а груз укреплен на торе диаметрально противоположно разрывам реохордов по диаметру тора, перпендикулярному к оси подвеса.

Формула изобретения

Устройство для определения пространственного положения глубоких скважин, включающее корпус, внутри которого установлены два тороидальных датчика угловых перемещений, каждый из которых содержит электропроводную жидкость и один высокоомный

20

Угол наклона плоскос» ти скважи» нм, Эпс, 1 Рад.

Азимутальвое отклонение оси скважи45 6 О

15 30

90 ны, град„ угол наклона оси скважины, 3с

0 .0 0

0 0

Угол проворота устройства,ц>

Угол наклона оси скважины, Эс

0 15

15 !415 13э0 10е5 7э5 4

Угол проворота устройства,ц

О 3,5 7,0 10, 5 !3,0 . 14,0 15

Угол наклона оси скважины,. Эс

30 29,0 26,5 22 16 8,5 0 30

Угол проворота устройства,(f

0 7,0 13 19,5 24,5 28,5 30

Угол наклона оси скважины, 3с

45 44 41 0 35 26,5 14,5 0 45

Угол пр6ворота устройства, q

0 7 5 15 5 24 5 33 41 5 45

Азимутальное отклонение оси скважины, а, град.

90 90 90 90 90

О 90 90

Угол наклона оси скважины, Эпс, град, 90 75 60 45 30 15

Угол проворота устройствад, I Рад.

45 60 75 90

0 15 30

1298364

12983б4

1298364

Составитель А. Цветков

Техред Л.Сердюкова

Редактор А.Ворович

Корректор H.Ñàìáoðñêàÿ

Заказ 870/32

ВНИИПИ Гос а

Подписное осударственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва Ж11,, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиг а и грачическое предприятие, г. Ужго

r. жгород, ул. Проектная, 4