Система геомагнитного азимутального кругового обзора для ориентации устройств направленного бурения

 

Изобретение относится к технике бурения скважин и позволяет повысить точность ориентации устройств направленного бурения в скважинах с неограниченным в сторону уменьшения зенитным углом. Система включает бурильную колонну с отклонителем 1 и немагнитными трубами в виде переводника 2. В переводнике 2 установлены датчик (Д) 3 геомагнитной азимутальной ориентации и глубинный клапан (К) 4, управляемый гидравлическим усилителем (У) 5. В состав системы входят также ротор 7 буровой установки с приводом 8 и Д 6 давления бурового раствора, установленный на входе в бурильную колонну. В корпусе Д3 на оси вращения размещены силовой магнит и рычаг. Рычаг жестко связан с осью вращения и расположен между упором и ограничителем, установленным на корпусе Д 3. При этом рычаг размещен на оси вращения с возможностью взаимодействия со входом У 5. При совпадении направляющей грани отклонителя 1 с направлением магнитного севера Д 3 через У 5 воздействует на К 4. При этом К 4 закрывается, что вызывает повышение давления бурового раствора, которое фиксируется Д 6. 9 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s Е 21 В 47/022

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

r.з

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4632056/03 (22) 04.01.89 (46) 07.08.91. Бюл.%29 (75) M.Ã.Ýñêèí (53) 622.242 (088,8) (56)Калинин А.Г.Искривление буровых скважин.-М.: Гостоптехздат,1963,с.168-170, Ворожбитов М.И, и др. Сигнализатор направленного бурения нефтяных и газовых скважин. Сер. Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности, — М.:

PHTC ВНИИОЭНТ, 1976 М5,, Ж,, 1668652 А1 (54) СИСТЕМА ГЕОМАГНИТНОГО АЗИМУТАЛЬНОГО КРУГОВОГО ОБЗОРА ДЛЯ

ОРИЕНТАЦИИ УСТРОЙСТВ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ (57) Изобретение относится к технике бурения скважин и позволяет повысить точность ориентации устройств направленного бурения в скважинах с неограниченным в сторону уменьшения зенитным углом. Система включает бурильную колонну с отклонителем 1 и немагнитными трубами в виде пере2 В еводнике 2 установлены

1668652

10

25

40

45 датчик (Д) 3 геомагнитной азимутальной ориентации и глубинный клапан (К) 4, управляемый гидравлическим усилителем (Y) 5. В состав системы входят также ротор 7 буровой установки с приводом 8 Д 6 давления бурового раствора, установленный на входе в бурильную колонну. В корпусе Д 3 на оси вращения размещены силовой магнит и рычаг. Рычаг жестко связан с осью вращения и расположен между упором и ограничитеИзобретение относится к технике буре ния скважин и предназначено для ориента ции устройств направленного бурения.

Цель изобретения — повышение точности ориентации в скважинах с неограниченным в сторону уменьшения зенитным углом.

На фиг.1 приведена конструктивная схема системы геомагнитного азимутального кругового обзора для ориентации устройств направленного бурения; на фиг.2— глубинная часть системы; на фиг.3 — датчик ориентации системы; на фиг.4 — то же, вид сверху; на фиг,5 — конструктивная схема усилителя, на фиг.б — схема взаимодействия глубинной и наземной частей системы; на фиг,7 — зависимость момента датчика ориентации от угла поворота отклонителя; на фиг,8 — схема направления сил трения при вращении ротора в сторону вращения долота; на фиг.9 — то же, при остановке ротора.

Система геомагнитного азимутального кругового обзора для ориентации устройств направленного бурения содержит бурильную колонну с немагнитными трубами, глубинную часть, установленную в призабойной зоне и наружный комплекс, размещенный на устьевой площадке буровой установки.

В состав глубинной части входит компоновка низа бурильной колонны (КНБК), включающая наряду с долотом, забойным двигателем и стабилизаторами также отклонитель 1. Внутри немагнитных труб переводника 2 над отклонителем 1 расположены глубинный датчик 3 геомагнитной азимутальной ориентации и глубинный клапан 4, управляемый гидравлическим усилителем 5.

В состав наружного комплекса входит датчик 6 давления бурового раствора, который установлен на входе в бурильную колонну и предназначен для регистрации сигнала увеличения давления на + Л Р при закрытии клапана 4 от срабатывания датчика 3, Кроме того, наружный комплекс вклюлем, установленным на корпусе Д 3, При этом рычаг размещен на оси вращения с возможностью взаимодействия с входом У

5. При совпадении направляющей грани отклонителя 1 с направлением магнитного севера Д 3 через У 5 воздействует на К 4, При этом К4 закрывается, что вызывает повышение давления бурового раствора, которое фиксируется Д 6. 9 ил, 1 табл. чает в себя ротор 7 буровой установки с следящим приводом 8, управляемым измерительно-усилительным элементом 9, который обеспечивает два режима работы.

Первый режим управления углом рро> положения ротора относительно сторон света, задаваемым установкой QT 3 Для этого используется датчик угла положения ротора, например, сельсинного типа.

Второй режим управления частотой прот. вращения ротора, задаваемой установкой частоты прот.g, вращения, причем прот. = прот.з. Для этого случая используется датчик частоты вращения ротора. В случае применения следящего привода, включающего исполнительный двигатель постоянного тока, режим прот =грот.з. обеспечивается и в отсутствии датчика частоты.

В переводнике 2 (фиг.2) размещены также элемент 10 управления усилителем 5 и гидравлический переключатель 11, Датчик 3 геомагнитной азимутальной ориентации(фиг.3 и 4) выполнен в виде статора-корпуса 12, на котором установлены упор 13, ограничитель 14 и кронштейны 15, Корпус 12 жестко связан с переводником 2, На одном из кронштейнов 15 закреплен один конец плоской пружины 16, В корпусе

12 расположен ротор в виде силового магнита 17, который размещен на оси 18 вращения, установленной в упорах 19. С осью

18 жестко связан рычаг 20, котррый расположен между упором 13 и ограничителем 14.

К рычагу 20 прикреплен второй конец пружины 16, причем сам рычаг 20 размещен на оси 18 с воэможностью взаимодействия с входом гидравлического усилителя 5 через элемент 10 управления. Пространство между статором-корпусом 12 и ротором-магнитом 17 заполнено демпфирующей жидкостью 21, необходимой для уменьшения колебаний динамической системы ро1668652

20

4О

50

55 тор-статор датчика при колебаниях КНБК в процессе бурения.

При повороте магнита 17 относительно горизонтальной компоненты геомагнитного поля управляющее усилие Ру от рычага 20. (фиг.4) передается на вход гидравлического усилителя (фиг,5), на выходе которого развивается перестановочное усилие F>, необходимое для прикрытия глубинного клапана 4, Усилие Fn в зависимости от конструкции усилителя может быть равным 300 — 500 кгс и даже нескольким единицам кгс, например, при использовании разгруженного дифференциального клапана. Наиболее простой, но менее чувствительный усилитель, использующий гидравлическую энергию прокачиваемого раствора, содержит три каскада усиления (фиг.5), При этом шток

22 оконечного каскада 23 усилителя связак с глубинным (основным) клапаном 4, а шток

24 промежуточного каскада 25 и шток предварительного каскада 26 связаны с соответствующими промежуточными клапанами.

В результате работы трех каскадов усилителя во много раз уменьшается усилие Fy чувствительного элемента датчика, требуемое для закрытия входного отверстия 27 камеры предварительного каскада 26 усилителя.

Коэффициент усиления каждого каскада такого усилителя, определяемый отношением выходного усилия к входному, может достигать 80 — 100, Поэтому даже для получения перестановочного усилия Fh, равного 500 кгс,требуемое усилие от чувствительного элемента при трех каскадах усиления равно

F„ 0,5 гс.

Возможно использование более чувствительного, но и более сложного усилителя, использующего энергию, вырабатываемую автономным турбонасосом, работающим на автономной жидкости, отделенной от бурового раствора, и приводимым в движение автономной турбиной, через которую проходит поток бурового раствора, Глубинный клапан управляется оконечным каскадом — гидравлическим усилителем аналогично тому, как в усилителе (фиг.5).

Возможно использование еще более чувствительного, но и более сложного усилителя с электрогидрэвлическим усилением и турбонасосным автономным агрегатом.

При этом глубинный клапан также управляется оконечным каскадом — гидравлическим усилителем аналогично тому, как в усилителе (фиг.5).

Однако чувствительный элемент датчика с усилием Fy устанавливает лишь включением электромагнитного клапана, в частности, через какое-нибудь реле, что позволяет свести требуемое усилие F> управления до долей гс и резко увеличить чувствительность устройства.

Работа системы обепечивается автономным электротурбонасосным агрегатом (не показан), состоящим из автономной турбины, приводящей насос и электрический генератор, обеспечивающий питанием электрическую часть усилителя.

В состав наружного комплекса системы входят также блоки (не показаны), выполненные на основе вычислительно-дисплейной техники: блок вычисления для режимагеомагнитного азимутального кругового обзора (БУО); блок вычисления для режима стабилизации и управления положением направляющей грани отклонителя (БУС); блок отображения информации об углах ф„и р т поворота относительно сторон света (геомагнитных координат) отклонителя и ротора (БОИУ); блок отображения информации режима бурения таких параметров, как момекта Мд на долоте, скорости Vn подачи и др. (БОИР); пульт управления режимом ориентирования устройства направленного бурения и режимом бурения (ПУ).

Блок БУО работает только в режиме геомагнитного азимутального кругового обзора и предназначен для вычислений угла р, визирования и угла рз закручивания бурильной колонны, Угол р, визирования представляет собой разность между углом ро>, поворота направляющей грани отклонителя от начальной координаты. отсчета, например, магнитного севера и соответствующим углом pqp7.Q поворота выбранной грани на роторе при отсутствии крутильных напряжений во всех элементах, составляющих бурильную колонну

Ps = Ът.с фрот.с (1)

Угол визирования зависит от числа труб,их свинчивания, закрепления в резьбовых соединениях, и расчетным путем его определить нельзя.

Угол гр,а, закручивания данной бурильной колонны определяется разностью углом поворота ротора и отклонителя подобно описанному выше для угла визировакия, но при действии реактивного момента на статоре забойного двигателя, равного в статическом режиме момекту Мд на долоте базак. = фрот.с фот.с (2)

Угол ф зк. закручивания зависит от мо мента Мд на долоте, моментов трения кола кы о стенки скважины, крутильной жесткосп отдельных участков бурильной колонки, 1668652 поэтому определение угла грз х. встречает большие трудности.

Блок БУС работает только в режиме стабилизации (управления) угла фь . поворота направляющей грани отклонителя и пред- 5 назначен для проведения вычислений в процессе долбления и определения установки угла рр0 .З положения ротора, при котором

; стабилизируется (управляется) задаваемое значение угла р,,з относительно сторон света. С этой целью на вход БУС подается

: значение момента Мд на долоте и значение угла р визирования, определяемое блоком БУО во время геомагнитного аэимутального обзора, а также другие величины.

Блок БОИУ отображения информации служит для визуального наблюдения за из . менением во времени t и пространстве, определяемом глубиной I< по стволу ! скважины, углов /or. (т,lc) и ppor. (t,lc) поло- 20 жения относительно сторон света направляющей грани отклоняющего устройства и направляющей грани (выбранной точки отсчета) ротора, Блок БОИР отображения информации

| служит для визуального наблюдения за параметрами режима бурения во времени и пространстве, в том числе для оценки состо, яния долота.

Пульт ПУ служит для управления режи- ЗО

1 мом проведения геомагнитного азимуталь, ного кругового обзора, задавая значения

1 д>0 .-., и режимом стабилизации (управле1 ния) углом направляющей грани отклоните, ля, задавая блоку БОИУ значения установок З5 уЪт.з, а также для управления режимом бурения, задавая значения установок его па раметров. .Работа системы основана на следующих положениях.

Во-первых, при использовании следящего привода 8 ротора 7 следует учесть возможность отворачивания труб при вращении ротора 7 против часовой стрелки на угол - Ape, даже существенно меньший угла рз х закручивания колонны, зависящего от действующего момента и крутильной жесткости бурильной колонны, Поэтому система слежения должна обеспечиваться 5 вращением ротора 7 неограниченного по

50 часовой стрелке+ рр0 и ограниченно против часовой стрелки. р на угол (р 0 )

< Лфрст.пред,, где h, ррот.пред, предельное значение угла, задаваемое в зависимости от 55 состава бурильной колонны. Это условиеобеспечиваетлогическая схема измерител ьно-усилительного элемента 9, Во-вторых, в системе используется датчик момента Мр т() на роторе. В качестве датчика момента можно использовать как измерители усилий в силовой цепи ротора различного вида, так и в случае применения энергоотзывчивого привода ротора. в частности привода постоянного тока, электрические величины, отражающие момент потребляемый на валу: ток в цепи якоря, мощность (с учетом потерь).

В-третьих, буровая установка оборудована устройством, обеспечивающим плавную подачу верхнего конца бурильной колонны в диапазоне скоростей V> подачи, превышающем диапазон скоростей Ve бурения, а желательно и подъем (скорость V> < О).

В качестве устройств подачи можно использовать выпускаемые отечественной промышленностью устройства (например, типа

РПДЭ, которые могут работать в режимах задаваемой скорости V>.3 подачи, осевой нагрузки Он.з момента Мд, на долоте, частоты пт.э. вращения турбобура.

В-четвертых, буровая установка укомплектована насосным агрегатом для подачи бурового раствора, желательно с возможностью управления, например поршневым насосом с регулируемым и риводом постоянного тока, Для включения в работу и выключения глубинной части системы служит гидравлический переключатель, состоящий из глубинного элемента, входящего в датчик 3, и наземного элемента, воздействующего на устройство управления насосным агрегатом (изменение расхода). Переключатель управляется с пульта управления, имеющего две позиции "Включено" для режима геомагнитного кругового обзора и "Выключено" для наиболее длительного режима стабилизации или - управления положением направляющей грани отклонителя.

В-пятых, бурильная колонна рассматривается как составной стержень в упругом поведении, Влияние инерционных сил ввиду малых ускорений не учитывается.

При выполнении этого условия зависимость между углом rp«поворота направляющей грани отклонителя относительно сторон света, отсчитываемого по часовой стрелке относительно магнитного севера, и углом рр0т поворота выбранной грани ротора, отсчытываемого относительно магнитного севера, будет иметь вид фст = фрот + фЪ Ъак ° (3) где р — угол визирования, определяемый согласно (1).

По своей природе уЪ может иметь различные значения по величине и знаку, изменяясь для каждой трубы, при этом общий угол визирования будет всегда в пределах

О < Ъ < 2

1668652

10 (paa — угол закручивания, равный сумме (4) базак — paar Ë

Система геометрического азимутального.кругового обзора для ориентации устройств направленного бурения работает следующим образом.

ГДЕ Paa<.l — УГОЛ ЗаКРУЧИВаНИЯ i-ГО УЧаСтка при разбивке колонны на и участков одинаковой крутильной жесткости и действии на этом участке одного 1-го закручивающего момента Мзак.l.

32 1

Д э к 1 = — ° 4 ll ™sax.l (5) (di - 1 ) где Maa l - закручивающий момент, кг см;

)1 — длина участка, см; б — наружный диаметр труб, см;

d1i — внутренний диаметр труб, см;

G — модуль упругости при сдвиге, кг/см

2 для стали повышенного качества G = 8,1 кг/см, для высокосортной и специальной стали G = 8,5 кг/см .

Для нашего случая на всех i-x участках колонны действуют различные моменты

Мзак.i, так как помимо момента Мд на долоте вдоль колонны распределены силы трениЯ, созДаюЩие моменты Мт1 тРениЯ íà i-м участке колонны о стенки скважины.

Наличие различных случайных факторов не дает возможности точно определить угол уЪ визирования.

Неопределенность моментов Мд на долоте, моментов Мт1 трения колонны о стенки скважины, разностенность труб, наличие в составе колонн участков с различными геометрическими параметрами делают невозможным более или менее точное определение угла paar расчетным путем.

В то же время, величина реальных значений угла уЪ к достаточно велика. Ориентировочные значения угла закручивания колонны бурильных труб от реактивного момента турбобура при проводке наклонных скважин в Западной Сибири в зависимости от глубины бурения представлены в таблице.

Флуктуация величины угла Ьак под влиянием случайных факторов при больших значениях самого угла уЬак делает задачу его определения важной, но трудной. Поэтому актуальным является определение угла рэа закручивания и угла р, визирования и их использование для управления углом р» поворота направляющей грани отклонителя.

Устанавливают какой-т1ибо регламентированный режим бурения в пульте управления режимами, при котором скорость Vn подачи равна скорости Чь бурения.

5 Переключателем включают в работу глубинную часть системы.

С пульта управления ориентацией задают, медленно увеличивая, последовательно различные значения уставки poor.3 через

10 интервалы, равные 2 л (фиг.6). Благодаря наличию следящего привода 8 и элемента 9 ротор 7 буровой установки будет, поворачиваясь по часовой стрелке, занимать последовательно контролируемые блоком БУО

15 положения

+or.о. +or! =Pporo + 2% or2 =Ppor1+ 2Л,..., pporn = /!рот(п — f) + 2л, (6) где у7ро о — первое положение ротора, при котором выбранная грань ротора совпала с магнитным севером.

УКаэаННЫЕ ЗНаЧЕНИя люто рот1 ... ppor u передаются от датчика угла ротора на блок вычисления БУО и фиксируются средствами памяти.

В ходе проводимой операции обзора путем поворота ротора через некоторые приращения угла Лфо, поворота ротора от датчика 6 давления на блок БУО будут поступать сигналы фронта повышения давления + Л P (фиг.7), сигнализирующие о совПадЕНИИ ПОЛОжЕНИй Ът1, Д от2,", porn

35 направляющей грани отклонителя 1 с магнитным севером, каждому из которых соответствует значение угла поворота ротора

+or! = 1Ррот! (Por1): 1Ррот2 = Ppor2(Por2) .

@porn = @porn (porn) ° к (7)

При взаимодействии глубинного датчика 3 ориентации и наземного датчика 6 давления (фиг.6) на вычислительный блок БУО поступают сигналы (показаны пунктирными линиями), соответствующие последовательностям: фрот! фрот2 фротЗ " фротп

Яют! фот2, фротЗ " фротп, (8)

50 при этом разности углов

3В )(с ф фот (2-1) = / рот2 (Орот! Ððor (З-2) = фротЗ фот2 фрот (и — (n-1),) = фотп +or (и-1) (9) эа счет наличия изменяющихся углов закручивания могут быть не равными один другому, флуктуируя относительно среднего значения Лф = 2 л, 1668652

10

Получение сигналов, равных+ ЛР, датчиком 6 давления, при которых положения фот, boa .,", уЪтп направляющей грани отклонителя совпадают с направлением магнитного севера, обеспечивается действиями глубинной части системы (фиг2 — 5), работающей следующим образом.

Ротор датчика 3, который представляет собой силовой магнит 17, поворачивается в упорах 19 вокруг оси 18; расположенной вдоль оси скважины, причем проворачивание ротора и рычага 20 ограничено упором

13 и ограничителем 14. С рычагом 20 совмещен вход, например, клапан или реле, предварительного каскада 26, усилителя 5, для управления которым требуется усилие Fy, направленное против часовой стрелки относительно статора, если смотреть от устья скважины, и принятое отрицательным.

Силовой магнит 17 стремится занять положение, при котором его магнитная ось (горизонтальная составляющая) была бы направлена вдоль горизонтальной компоненты геомагнитного поля Нт, При отклонении от указанного направления на угол а возникает вращающийся момент Мдат датчика, изменяющийся по синусоидальному закону (фиг.7).

Так как зазор между упором 13 и ограничителем 14 небольшой, то можно считать, что угол а поворота силового момента 17 примерно равен углу от поворота отклонителя, отсчитываемому по часовой стрелке, если смотреть с устья скважины, При работе датчика 3 геомагнитной азимутальной ориентации момент Мдат, развиваемый ротором-магнитом 17 относительно статора-корпуса 12, изменяет свой знак.

Этот момент Мдат положителен, если направлен по часовой стрелке (рычаг 20 прижат к упору 13) или отрицателем, если он направлен против часовой стрелки (рычаг

20 прижат к ограничителю 14). При этом развивается требуемое усилие Fy на закрытие глубинного клапана 4. Учитывая сказанное, зависимость момента Мдат, развиваемое между ротором и статором датчика 3, можно представить в виде синусоиды (фиг.7), где значение угла от = О соответствует направлению магнитной оси магнита 17 и, следовательно, направляющей грани отклонителя 1 на магнитный север.

На линии Мп задается величина момента пружины 16, прижимающей рычаг 20 к упору 13, т.е. действующей на открытие глубинного клапана 4.

Закрытие клапана 4 вызывает повышеwe давления на величину+ Л Р при значе(10) где Мпр — момент, развиваемый прижимающей пружиной, направленный в сторону открытия глубинного клапана;

MTp — момент, обусловленный трением в упорах 19;

M(Fy) — момент, требуемый для создания управляющего усилия.

Так как значения моментов Mnp > О, Мтр>

>О, M(Fy) > О препятствуют закрытию глубинного клапана, то для выполнения условия (10) момент, развиваемый силовым магнитом (момент датчика Мдат), должен быть отрицательным по знаку и равным по абсолютному значению величине

I Мдат I Мпр+ Мтр+ M(Fy) (1") что и определяет угол закрытия рот „„, при которомзакрывается глубинный клапан, вызывая приращение давления на величину

+ ЛР(фиг,7).

При остальных значениях угла трот, при которых согласно (10) Мдат > О и рычаг 20 прижат к упору 13, глубинный клапан открыт и приращение давления (+) Л P = О.

Иэ сказанного следует, что чувствительность датчика тем больше, чем больше отношение

Чцат. макс где Мдат.макс амплитудное значение момента Мдат.

Для увеличения и требуется уменьшение трения в упорах 19, задаваемого усилием 0У управления, и увеличение момента, развиваемого силовым магнитом при повороте в геомагнитном поле.

По величине р можно определить точность (дельт ) определения величины угла Ът s системе геомагнитных координат по совпадению направляющей грани отклонителя с магнитным севером. При.этом наблюдается закрытие глубинного клапана и появление фронта волны давления (+ Л Р), передаваемого по буровому раствору наземному датчику 5 давления.

В итоге значение,и определяет точность искомой координаты магнитного севера величины угла от поворота направляющей грани отклонителя, величины рвот поворота направляющей грани ротора и значений нии угла этот, соответствующем отрицательному суммарному моменту Мдат датчика, т.е. при движении рычага 20 к ограничителю 14, при котором развивается достаточная величина управляющего усилия Fy, Это характеризуется величиной момента датчика, равной

Мдат = Мпр+ Мтр + M(Fy) О, 13

1668652

Я)от1 (Г Ът1),Ppот2 (Pox2) ".,/porn (Pom), НЕобходимых для работы системы геомагнитного обзора, Задача возможного уменьшения момента M(Fy) рассматривалась при описании и анализе возможных конструктивных схем выполнения усилителей.

Задача уменьшения момента Мтр трения в упорах 19 (фиг.3) может быть решена с учетом специфики конструкции датчика 3, у которого ротор не вращается относительно статора, а только имеет возможность поворачиваться на небольшой угол относительно статора.

Для того, чтобы это сопровождалось малой затратой момента на трение в упорах, можно использовать различные конструктивные решения, такие как установку торца оси на шарик, компенсацию гравитационной силы, действующей на массивный магнитный ротор, плавучестью в жидкостной среде, заполняющей пространство между ротором и статором. Можно исключить трение в упорах 19, используя различные варианты подвеса ротора — аналоги подвеса на упругой нити (с установкой направляющих для удержания направления оси). Возможны и другие конструктивные варианты.

Проведенный анализ и расчет показали, что при расположении оси ротора силового магнита вдоль оси скважины величина момента Мдат, развиваемого ротором, представляющим магнит, выполненный в форме параллелепипеда с размерами по оси, направленной вдоль скважины, 1м и квадратным сечением площадью S, изготовленный из редкоземельных материалов с остаточной индукцией Вгм =4000 Гс коэрцитивной силой HoM = 4000Э, равна

M4» = HcM IM SM Hl sill à созО, (13) где Нг — горизонтальная компонента напряженности геомагнитного поля; а — угол между горизонтальной компонентой геомагнитного поля и магнитной осью силового магнита (в данном случае угол а близок к углу этот поворота отклонителя);

Π— зенитный угол в точке траектории ствола скважины.

При конструктивно реализуемых размерах магнита с сечением Ям = 4 х 4 см и длиной IM-10см и величине напряженности геомагнитного поля Hr = 0,5 Э значение Мдат — Л пРи Рот = — Равно Мдат = Мдат.макс = 30 гс GM.

При указанных размерах и угле от =3 величина Мдат = 1,6 rc см при малых зенит50

Поэтому обзор путем проворачивания ротора осуществляется шаговым методом с фиксацией, остановкой ротора после каждого шага на определенное время, достаточное для пробега фронта волны давления с забоя к устью(1200 — 1300 м/с); величина шага в зоне приближения к магнитному северу с углом фот должна быть не более 2—

Зо. Зону приближения можно прогнозировать по результатам первых произведенных проворотов на 2л, 4л и т.д. Необходимость сказанного объясняется влиянием сил тре.ния отдельных элементов колонны о стенки скважины. ных отклонениях, При соответственно выбранных усилителях такая величина момента достаточна для определения фют1 .фот2 ...,фотпс ТОЧНОСТЬЮ ДО 3

При использовании датчика при буреЛ нии скважин с зенитным углом О < велиЛ чина момента уменьшиться в cos д 0 7 раза, что можно компенсировать, в.частности, выполнением ротора большей осевой длины 1м (выражение ?3).

Горизонтальная компонента Нг геомагнитного поля изменяется в значительных

15 пределах на земной поверхности при переходе в более высокие широты, Величина Нг для различных северных широт составляет Э:

0 — 30 Нг = 0,4 — 0,35

30 — 45 Нг = 0,35 — 0,2

45 — 60 Нг = 0,2 — 0,15

60 — 70 Нг = 0,15 — 0,1

70 — 75 Нг = 0,1 — 0,05

Учитывая, что значения Нг точно геогра25 фически определены, а уменьшение Нг мож-. но компенсировать размерами ротора-магнита и типом усилителя, данная система может разрабатываться в модификациях, зависящих от района предполагаемого использования.

При проведении азимутального кругового обзора необходимо скоординировать грани магнитного севера отклонителя с углом po>i и ротора с углом o+I втой ситуации, в которой ведется бурение.

Бурение наклонно направленных скважин с помощью гидравлических забойных двигателей на большинстве участков траектории скважин ведется при невращающем40

< Яют ся роторе буровой установки {прот = - О).

dt

Для этих случаев координация каждого положения д>от (уЪт ) должна соответство45 вать укаэанному условию бурения прот = О, 16

1668652

25

35

45

55 фь — угол визирования;

На фиг.8 и 9 показаны направления сил трения (моментов Мт) колонны о стенки скважины (для простоты принято равномерное их распределение по длине колонны) и их влияние на величину моментов, закручивающих колонну в различных сечениях для

1 случаев вращения ротора в сторону вращеб Фпотт, ния долота (от > О) и остановки ротора

dt (— = О). При вращении ротора закручио ЮЪот

dt вающие моменты Мрот, определяемые суммой момента Мд на долоте и моментов Мт трения, будут, складываясь, больше, чем при остановке ротора, когда они будут вы читаться. Это приведет к ошибкам — завышению угла закручивания, определенного при о > О, по сравнению с условием

dt оя от

dt

, бурения, когда О.

Выполнение предлагаемой методики процедуры геомагнитного азимутального кругового обзора предусматривает запоми нание в вычислительном блоке БУО после довательности и !!ар значений углов ррот} и фот} поворота ротора согласно выражению (8), где п — число циклов полного кругового обзора, осуществляемого поворотом ротора.

В процессе кругового обзора будет непрерывно наращиваться угол урот и угол рот, который при работе системы выражен черезпараметр орот т.к. 1}фот} = урот} (pot} )(7).

Одновременно будут наращиваться значения угла визирования т}}Ъ и угла закручивания уЬ, флуктуирующие относительно средних значений сообразно ситуации бурения (данная колонна, действующий момент Мд на долоте, моменты Мт трения колонны о стенки скважины), Для определения среднего положения угла поворота отклонителя суммируют значения всех величин углов, входящих в выражение (3) за и циклов, начиная с i = 1, Так как значение (}}Ът выРажено чеРез параметр д,от, то вместо р» можно подставить @от и в результате получают

Й ip}0 =g йрой +f у!к(g !Скак!, кк!4)

l=1 l=1 l=1 }=1

Для определения среднего значения угла pn.cp. поворота отклонителя, выраженного через параметр угла положения ротора, следует все члены выражения (14) разделить на и, в результате получают

1 44

П !!

}}ь!.ср. = (фо!.ср = — д }opo!! + ), тул! (уаая . (15) п,2=! =! =1

В этом основном выражении для определения среднего угла положения отклонителя сумма, уалк.i = 2 м n,. e остальные

l =1 две суммы совместно определяют из выражения (14) и (15), в результате получают

Й у!а! — 2 телек! = }!ее!! —, Пкек! =, фек! — 2л. !ь. (}6) ! ь-! .!=! ! 1=!

Выражение (16) дает среднее значение угла сноса у н положения направляющей грани отклонителя у забоя, недоступного

15 .непосредственному наблюдению, относительно положения направляющей грани ротора относительно магнитного севера, и доступного для определения у устья скважины.

Операции, соответствующие выражениям (15) и (16), выполняет вычислительный блок БУО обзора, выдавая на блок БОИУ отобРажениЯ инфоРмации значениЯ (}Ът и утрат. При неизменной средней ситуации бурения флуктуации возмущений носят случайный характер, поэтому чем больше число циклов и, тем точнее опРеделение 1}Ът. р.

Число циклов и для уменьшения времени, затрачиваемого на обзор, можно ограничить, организовав процедуру стационарности, т.е. определения такого числа циклов п, после которого значение рот.ср. изменяется несущественно. При изменении средней ситуации в бурении (изменение состава колонны, существенных условий бурения) указанную процедуру кругового обзора следует повторять, Дальнейшее развитие данная система может получить при достаточно точном onределении текущего значения угла р т (t) . поворота направляющей грани отклонителя в процессе механического дробления с учетом всех возможных изменений режимов бурения без частого проведения процедуры обзора, что важно как для стабилизации заДанного значениЯ УЪт, так и ДлЯ его УпРавления по заданной программе в функции глубины I, и времени бурения t, когда необходимо выполнять условие фот =1}Ът.э (Ic t).

Для указанной цели, отправляясь от данной посылки упругого поведения колонны, можно записать выражение для угл а т}}Ът () в виДе:

Я}Ът (t) Даат (t) + Pl Рзак (Mpot(t) + Мв), (17) где Aот (t) — текущее значение угла поворота ротора;

1668652

Mpogt) — текущее значение момента на роторе;

М вЂ” момент трения в вертлюге;

gaae — величина, обратная общей крутильной жесткости бурильной колонны, град! кгс м.

Все операции, связанные с определением величины Ъ согласно выражению(17), можно реализовать с помощью современной вычислительной техники.

Данная система позволяет, по сравнению с известной, получить более высокую точность определения угла положения отклонителя при управлении траекторией скважины с малым зенитным углом (менее

Зо), что обеспечивает ориентированный спускбурильной колонны и определение начального положения отклонителя при забуривании наклонных участков скважин и исправление кривизны при бурении вертикальных скважин.

Формула изобретения

Система геомагнитного азимутального кругового обзора для ориентации устройств направленного бурения, содержащая бу5 рильную колонну с немагнитными трубами, ротор буровой установки с приводом, глубинный клапан, управляемый гидравлическим усилителем, расположенным над отклонителем, и датчик давления бурового

10 раствора, установленный на входе в бурильную колонну, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности ориентации в скважинах с неограниченным в сторону уменьшения зенитным углом, она снабжена

15 глубинным датчиком геомагнитной азимутальной ориентации, установленными внутри немагнитных труб и выполненным в виде размещенных в корпусе на оси вращения силового магнита и рычага, жестко связан20 ного с осью вращения и расположенного между упором и ограничителем, установленными на корпусе, при этом рычаг размещен на оси вращения с возможностью взаимодействия с входом гидравлического

25 усилителя.

1668652

1668652

Spurn

) ° ° ldg

Риг.У

Ч>иг. д

Составитель А,Цветков

Техред М. Моргентал Корректор О.Кундрик

Редактор О.Хрипта

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2639 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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