Способ определения угловой ориентации скважин

 

Использование: в технической физике, в частности в способе определения угловой ориентации скважин, пробуренных в ферромагнитных средах или имеющих ферромагнитные обсадные трубы. Сущность изобретения: способ предусматривает измерение двух проекций вектора абсолютной угловой скорости вращения Земли на оси системы координат инклинометра, ортогональных его продольной оси, а также проекции вектора ускорения силы тяжести на оси указанной системы координат, по результатам измерений определяют значения зенитного угла, угла отклонителя и направления географического меридиана. Измерение ведут с помощью гигроскопического инклинометра, установленного в скважине.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении угловой ориентации скважин, пробуренных в ферромагнитных средах или имеющих ферромагнитные обсадные трубы.

Определение ориентации скважин осуществляется по показаниям специальных приборов гироскопических инклинометров, отпускаемых в скважины. При этом полагается, что продольная ось симметрии цилиндрического корпуса инклинометра совпадает с продольной осью скважины в месте расположения инклинометра и по положению корпуса относительно горизонтальной географической системы координат судят об ориентации скважины в данной точке.

Известны способы построения инклинометров, использующие гироскопический эффект быстровращающихся тел для сохранения заданного в пространстве направления. Например, в известных чехословацких гироскопических инклинометрах ИГ-70, ИГ-50, ИГ-36 используется гироскопический эффект ротора с горизонтальной осью вращения для сохранения направления, заданного перед погружением инклинометра в скважину. Угловое положение инклинометра относительно вертикального направления определяется устройствами, использующими принцип физического маятника.

Аналогичны способы построения известных отечественных гироскопических инклинометров. По принципу действия эти инклинометры являются хранителями заданного заранее азимутального направления. Перед опусканием инклинометра в скважину осуществляются соответствующее его ориентирование, запуск гироскопа, наблюдение его дрейфа и компенсация этого дрейфа. Весь этот процесс достаточно трудоемок. При работе инклинометра в скважине вследствие неточности компенсации дрейфа и его непостоянства будет нарастать со временем накопления погрешность в определении азимутального направления. Для характерных для таких инклинометров неучтенных дрейфов гироскопов в 4-5^о/ч допустимое время его работы в скважине с момента его калибровки на поверхности составляет около часа. Часто этого времени оказывается мало, особенно для глубоких скважин. Невозможно также создать на таком принципе инклинометрические средства для длительного пребывания в скважине при периодическом использовании таких средств.

Конструктивно гироскопический хранитель азимутального направления и физиче- ские маятники достаточно сложны и громоздки и эти сложности серьезно возрастают при увеличении допустимых зенитных углов скважин. Эти обстоятельства при заданных диаметрах скважин ограничивают применение инклинометров рассматриваемого принципа действия зенитными углами в 30^о и в отдельных случаях углами в 60^о.

В связи с возникшей потребностью бурения скважин с большими зенитными углами, необходимостью работы инклинометра в скважине на длительных интервалах времени и при периодическом его включении без извлечения каждый раз из скважины на поверхность, а также в связи с существенными прогрессом в области методов и средств пространственной ориентации различных объектов появилась необходимость и возможность настоящего изобретения.

Для определения угловой ориентации скважин с помощью гироскопического инклинометра, размещенного в скважине, определяют зенитный угол и угол отклонителя по результатам измерения проекций вектора силы тяжести на ортогональные оси системы координат инклинометра, а направление географического меридиана в скважине определяют по результатам измерения в инклинометре не менее двух проекций вектора абсолютной угловой скорости вращения Земли на эти оси.

В предложенном способе гироскопические средства используются не для хранения азимутального направления, а для определения угловой ориентации оси вращения Земли относительно продольной оси Z инклинометра и плоскости горизонта.

Гироскопические средства при этом используются для определения абсолютных угловых скоростей ω_x, ω_y, ω_z поворота относительно инерциального пространства системы координат Х, Y, Z, связанной с корпусом инклинометра. Для неподвижного относительно данной точки скважины инклинометра значения ω_x, ω_y ω_z равны соответствующим проекциям на оси X, Y, Z вектора угловой скорости U вращения Земли, что позволяет определить угловое положение этого вектора относительно продольной оси Z инклинометра.

Во многих случаях для решения задачи достаточно измерить две угловые скорости ω_x, ω_y из трех.

Одновременно тем или иным способом производится определение положения вектора g ускорения силы тяжести относительно системы координат инклинометра. Например, для этой цели могут быть использованы три ортогонально ориентированных акселерометра, измеряющих соответствующие проекции a_X, a_Y, a_Z вектора g. В этом случае угол χ между осью Z и направлением местной вертикали, называемый зенитным, а также поворот вокруг осей X, Y на угол δ относительно вертикальной плоскости, называемый углом отклонителя, находится из очевидных соотношений a_X -gsin χ sin δ, a_Y gsin χ cos δ a_Z gcos χ.

Для случая измерения двух проекций ω_x, ω_y угловой скорости вращения Земли азимутальный угол Ψ между вертикальной плоскостью, в которой лежит ось Z, и плоскостью меридиана определяется из соотношений, вытекающих из формул тригонометрии ω_x= ω₁ cos δ -ω₂ sin δ, ω_y= ω₁ sin δ + ω₂ cos δ, ω₁= Ucos Ψ cos χ + Usin ϕ sin χ, ω₂= Ucosϕ sin Ψ, где ϕ- географическая широта; U угловая скорость вращения Земли; ω₁,ω₂- проекции вектора U на оси промежуточной системы координат.

При этом в вертикальной плоскости, лежащей в направлении Восток-Запад, допустимы зенитные углы скважины в пределах от 0 до 70^о и от 110^о до 180^о, а в плоскости Север-Юг без ограничений. Такая модификация способа представляет практический интерес, так как приводит к существенному упрощению его аппаратурной реализации и в то же время обеспечивает достаточно широкое применение. Для сравнения отметим, что упомянутые ранее инклинометры ИГ допускают работу при зенитных углах до 60^о, при этом для углов больше 25^о существенно возрастает ошибка в определении азимута.

Если измеряются все три проекции угловой скорости вращения Земли, то не накладывается каких-либо ограничений на ориентации скважины, а расчетные соотношения, соответственно, усложняются. Вид указанных соотношений для определения ориентации скважин зависит от выбора исходной, промежуточной и конечной систем координат, а также от количества используемых акселерометров и гироскопов, а также их ориентации относительно корпуса.

Поскольку способ предусматривает определение взаимной ориентации векторов, измеренных по их проекциям, то при погрешности измерения проекций угловой скорости вращения Земли, например, в 1% от абсолютного значения этой угловой скорости возникает ошибка в ориентации векторов 0,01 рад ≈ 0,5^о, что вполне допустимо для определения направления географического меридиана в интересах буровой техники. Так как угловая скорость вращения Земли относительно инерциального пространства составляет 15^о/ч, то погрешность измерения проекции этой скорости на координатные оси инклинометра не должна превышать 0,15^о/ч. Такая инструментальная точность измерения вполне достижима для современных малогабаритных гироскопических средств.

Измерение проекций ускорения силы тяжести на координатные оси инклинометра может осуществляться, например, с помощью современных акселерометрических средств с погрешностями, значительно меньшими, чем 1% от максимального значения измеряемой величины.

Таким образом, современный уровень развития приборостроительной техники позволяет практически реализовать предложенный способ в конкретных конструкциях инклинометрических устройств.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОЙ ОРИЕНТАЦИИ СКВАЖИН, заключающийся в определении зенитного угла и угла отклонителя с помощью гироскопического инклинометра, размещенного в скважине, отличающийся тем, что зенитный угол и угол отклонителя определяют по результатам измерения проекций вектора силы тяжести на ортогональные оси системы координат инклинометра и дополнительно определяют направление географического меридиана в скважине по результатам измерения в инклинометре не менее двух проекций вектора абсолютной угловой скорости вращения Земли на эти оси.