Устройство для контроля положения забоя

 

Использование: определение и контроль положения забоя при направленном бурении нефтяных и газовых скважин. Цель - повышение точности и надежности за счет исключения возможных единичных ошибок измерений и сбоев измерительных каналов. Сущность изобретения: устройство содержит измерительные преобразователи угла установки отклонителя, зенитного и азимутального углов, наклонной глубины скважины, блок контроля входной информации, блок пересчета координат, блок дискретизации, блок сравнения и блок регистрации. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к технике бурения наклонно-направленных скважин и может быть использовано для оперативного контроля положения забоя.

Известно устройство для ориентирования отклонителя, осуществляющее контроль положения забоя, содержащее телеметрическую систему, включающую забойные датчики и наземный пульт с регистраторами угла установки отклонителя, азимутального угла и зенитного угла, блок сравнения, блок задания угла установки отклонителя, исполнительный механизм поворота бурильной колонны, преобразователь рассогласования углов установки отклонителя, регулятор подачи бурового инструмента [1] Недостатками известного устройства являются его низкие точность и надежность, обусловленные незащищенностью от сбоев и отказов в телеметрической системе.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является устройство для контроля положения забоя, содержащее измерительные преобразователи азимутального, зенитного углов и наклонной глубины скважины, включающие датчики и аналого-цифровые преобразователи, и последовательно соединенные блок пересчета координат, запоминающий блок, анализатор координат, и блок регистрации, причем выход блока пересчета координат соединен также с вторым входом анализатора координат, второй выход которого соединен с вторым входом запоминающего блока [2] Недостатками известного устройства являются низкие точность надежность, обусловленные его незащищенностью от сбоев и отказов датчиков угловых координат.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются повышение точности и надежности контроля за счет увеличения помехоустойчивости устройства.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, исключение влияния на результаты работы единичных ошибок и сбоев системы.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройство для контроля положения забоя, содержащее измерительные преобразователи азимутального, зенитного углов и наклонной глубины скважины, блок пересчета координат, запоминающее устройство и блок регистрации, дополнительно введены блок контроля входной информации, блок дискретизации, блок сравнения и измерительный преобразователь угла установки отклонителя,причем выходы измерительных преобразователей угла установки отклонителя, зенитного и азимутального углов соединены с первым, вторым и третьим входами запоминающего устройства блока контроля входной информации соответственно, выход измерительного преобразователя наклонной глубины скважины соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока дискретизации, а управляющий выход соединен с четвертым входом запоминающего устройства блока контроля входной информации,соединен с входами блока пересчета координат, выход которого соединен с входом блока регистрации.

Блок контроля входной информации содержит запоминающее устройство, входы которого являются входами блока контроля входной информации, вычислитель зенитного угла, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами запоминающего устройства, а третий вход с выходом задающего элемента, вычислитель азимутального угла, первый вход которого соединен с выходом вычислителя зенитного угла, второй и третий входы - соответственно с первым и третьим выходами запоминающего устройства, а четвертый вход с выходом задающего элемента, первый элемент сравнения, вычитающий вход которого соединен с выходом вычислителя зенитного угла, суммирующий вход с четвертым выходом запоминающего устройства, а выход с входом первого порогового элемента, второй элемент сравнения, вычитающий вход которого соединен с выходом вычислителя азимутального угла, суммирующий вход - с пятым выходом запоминающего устройства, а выход с входом второго порогового элемента, логический элемент, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго пороговых элементов, первый управляемый ключ, первый информационный вход которого соединен с выходом вычислителя азимутального угла, второй информационный вход с пятым входом запоминающего устройства, управляющий вход с первым выходом логического элемента, а выход с первым выходом блока контроля входной информации, второй управляемый ключ, первый информационный вход которого соединен с выходом вычислителя зенитного угла, второй информационный вход с четвертым выходом запоминающего устройства, управляющий вход с вторым выходом логического элемента, а выход соединен с вторым выходом блока контроля входной информации.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для контроля положения забоя; на фиг. 2 функциональная схема блока контроля входной информации; на фиг. 3 примеры практической реализации измерительных преобразователей соответственно азимутального угла и наклонной глубины.

Устройство для контроля положения забоя (фиг. 1) содержит измерительные преобразователи угла установки отклонителя 1, зенитного угла 2, азимутального угла 3, выходы которых соединены соответственно с первым, вторым, третьим входами блока контроля входной информации 4, блок пересчета координат 5, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока контроля входной информации 4, а выход с входом блока регистрации 6, блок сравнения 7, первый вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя наклонной глубины 8, второй вход с выходом блока дискретизации 9, а выход с четвертым входом блока контроля входной информации 4 и входом блока дискретизации 9.

Блок контроля входной информации 4 содержит запоминающее устройство 10, первый, второй, третий и четвертый входы которого являются входами блока соответственно; вычислитель зенитного угла 11, первый и второй входя которого соединены с первым и вторым выходами запоминающего устройства 10 соответственно, а третий вход с выходом задающего элемента 12, вычислитель азимутального угла 13, первый вход которого соединен с выходом вычислителя зенитного угла 11, второй и третий входы с первым и третьим выходами запоминающего устройства 10 соответственно, четвертый вход с выходом задающего элемента 12, первый элемент сравнения 14, вычитающий вход которого соединен с выходом запоминающего устройства 10, а выход с входом первого порогового элемента 15, второй элемент сравнения 16, вычитающий вход которого соединен с выходом вычислителя азимутального угла 13, суммирующий вход соединен с пятым выходом запоминающего устройства, а выход с входом второго порогового элемента 17, логический элемент 18, входы которого соединены с выходами первого и второго пороговых элементов соответственно, первый управляемый ключ 19, первый и второй информационные входы которого соединены с выходом вычислителя азимутального угла 13 и с пятым выходом запоминающего устройства 10 соответственно, управляющий вход с первым выходом логического устройства 18, а выход является первым выходом блока контроля входной информации, второй управляемый ключ 20, первый и второй информационные входы которого соединены с выходом вычислителя зенитного угла 11 и с четвертым выходом запоминающего устройства 10 соответственно, управляющий вход с вторым выходом логического элемента 18, а выход является вторым выходом блока контроля входной информации.

На фиг. 3 показана функциональная схема измерительного преобразователя азимутального угла 3, который содержит последовательно соединенные первичный преобразователь азимутального угла 21 и аналого-цифровой преобразователь 22. В качестве первичного преобразователя азимутального угла может использоваться, например, инклинометрический преобразователь феррозондового типа, а аналого-цифровой преобразователь может быть выполнен на основе интегральной микросхемы К572ПВ1.

Измерительный преобразователь зенитного угла 2 и измерительный преобразователь угла установки отклонителя 1 могут быть выполнены по функциональной схеме, аналогичной приведенной на фиг.3.

На фиг. 4 показана функциональная схема измерительного преобразователя наклонной глубины 8, который содержит последовательно соединенные первичный преобразователь наклонной глубины скважины 23 и аналого-цифровой преобразователь 24. В качестве первичного преобразователя наклонной глубины скважины может использоваться, например, измеритель, входящий в состав комплекса средств наземного контроля и управления процессом бурения нефтяных и газовых скважин СКУБ-М1, а АЦП микросхема К572ПВ1.

Функции блока контроля входной информации 4, блока пересчета координат 5, блока регистрации 6, блока сравнения 7, блока дискретизации 9 могут быть реализованы на базе стандартной микроЭВМ типа ЕС-1841.

Устройство работает следующим образом. При включении устройства измеренные значения угла установки отклонителя ϕ зенитного q и азимутального a углов с измерительных преобразователей 1, 2, 3 поступает на соответствующие входы блока запоминания углов 10 блока контроля входной информации 4, на выходе блока дискретизации 9 устанавливается значение длины DI₁, соответствующее концу первого интервала измерения, которое подается на второй вход блока сравнения 7, на первый вход которого поступает измеренное значение наклонной глубины скважины. В момент совпадения этих значений на выходе блока сравнения 7 появляется управляющий сигнал, поступающий на вход блока дискретизации 9, по которому на его выходе устанавливается значение длины, соответствующее концу второго интервала измерения ΔI₂ и на четвертый вход блока запоминания углов 10. По этому сигналу в блоке контроля входной информации 4 производится обработка измеренных значений углов α,Θ и v сравнение их вычисленных значений с измеренными, допусковый контроль, анализ ошибок и сбоев в измерительных преобразователях и передача истинных значений азимутального a и зенитного q углов в блок пересчета координат 5, где по значениям углов в начале и конце интервала дискретизации определяются координаты бурящейся скважины в заданном сечении, которые заносятся в блок регистрации 6. В дальнейшем циклы измерения, обработки и регистрации повторяются.

Пересчет координат в блоке пересчета координат 5 производится балансовым тангенциальным методом где x_i, y_i, z_i координаты скважины в i-ом сечении, Δx_i, Δy_i, Δz_i приращения координат, рассчитываемые по формулам: где α_i, Θ_i азимутальный и зенитный углы в i-том сечении скважины, ΔI_i шаг дискретизации траектории по длине между i-м и (i+1)-м измерениями.

Блок контроля входной информации (фиг. 2) работает следующим образом.

Сигналы, соответствующие измеренным азимутальному α зенитному q углам и углу установки отклонителя v, поступают на соответствующие входы запоминающего устройства 10, где осуществляется хранение их текущих значений и значений, измеренных на предыдущем шаге дискретизации. Запись новых значений углов в запоминающее устройство 10 осуществляется по сигналу управления, поступающему на управляющий вход запоминающего устройства с выхода блока сравнения 7 (фиг.1). С выходов запоминающего устройства 10 сигналы, соответствующие значениям углов на предыдущем шаге дискретизации,поступают на соответствующие входы вычислителей зенитного и азимутального углов 11, 13, в которых осуществляется косвенное вычисление текущих значений зенитного и азимутального углов. Вычисления осуществляются последующим формулам:
где косвенно вычисленные значения текущих зенитного и азимутального углов;
ϕ_i текущий измеренный угол установки отклонителя;
Θ_i-1, α_i-1, ϕ_i-1 значение зенитного, азимутального углов и угла установки отклонителя, измеренные на предыдущем шаге дискретизации;
ΔI_i шаг дискретизации по длине;
I интенсивность пространственного искривления скважины.

Значение интенсивности I поступает в вычислители 11, 13 с выхода задающего элемента 12, в котором хранится ее предварительно вычисленное значение. Интенсивность I может вычислена по формуле:

где ν угол отклонителя;
L длина направляющей части компоновки низа бурильной колонны.

С выхода вычислителей 11, 13 косвенно вычисленные значения азимутального и зенитного углов поступают на вычитывающие входы соответственно первого и второго элементов сравнения 14, 16, где осуществляется их сравнение с текущими измеренными значениями углов, поступающими на суммирующие входы элементов сравнения. Сравнение осуществляется по формулам:

где ΔΘ,Δα разностные значения между вычисленными и измеренными значениями соответственно зенитного и азимутального углов.

Разностные значения Dq и Da поступают на входы соответственно первого и второго пороговых элементов 15, 17, где осуществляется их допусковый контроль. При этом используются следующие соотношения:

где К1, К2 логические переменные, формируемые на выходе соответственно первого и второго пороговых элементов, 15, 17;
Δα_g, ΔΘ_g допустимые величины различий между вычисленными и измеренными значениями углов.

Величины допусков Δα_g, ΔΘ_g определяются точностью используемой математической модели (формулы 3, 4), которая в данном случае может быть оценена следующим образом:

где a,Θ реальные значения зенитного и азимутального углов;
d_α, δ_Θ отклонения вычисленных значений азимутального и зенитного углов от реальных, получаемых в результате того, что применяемая математическая модель не учитывает естественного ухода азимутального угла и падения зенитного угла;
I_α, I_Θ интенсивность естественного ухода азимутального угла и падение зенитного угла (явл.ется характеристиками конкретного района бурения).

Степень точности модели, а, следовательно, и величины Da_g, ΔΘ_g может уточняться в процессе бурения и обработки статистической информации о ранее пробуренных скважинах.

Значения логических переменных К1, К2 поступают на входы логического элемента 18, в соответствии с которыми на его выходах формируются логические уровни, управляющие состояниями первого и второго управляемых ключей 19, 20. На информационные входы управляемых ключей 19, 20 поступают вычисленные и измеренные значения соответственно азимутального и зенитного углов. Таким образом, первый управляемый ключ 19 осуществляет передачу на первый выход блока контроля входной информации либо измеренного, либо вычисленного значения азимутального угла, а второй управляемый ключ 20 передачу на второй выход блока контроля входной информации либо измеренного, либо вычисленного значения зенитного угла в соответствии со значениями логических переменных К1, К2.

При этом:
1) К1= 0, К2=0 соответствует отсутствию неисправностей и сбоев в измерительных преобразователях, т.к. все вычисленные углы соответствуют их измеренным значениям (формулы 7, 8). При этом на обоих выходах логического элемента 18 устанавливаются уровни логического "0", а управление ключи 19, 20 передают на выходы блока контроля входной информации измеренные значения зенитного и азимутального углов.

2) К1=1, К2=0 соответствует неисправности или сбою в измерительном преобразователе зенитного угла 2, т.к. во-первых, вычисленное значение зенитного угла на соответствует измеренному (формулы 7), что может быть вызвано либо неверным измерением угла установки отклонителя ϕ_i (формула 3), либо неверным измерением зенитного угла Θ_i
Во-вторых, вычисленное значение азимутального угла соответствует измеренному значению (формулы 8), что означает правильность вычисленного значения зенитного угла (формула 4), а, следовательно, и правильному измерению угла установки отклонителя (формула 3). Таким образом, делается вывод, что несоответствие измеренного и вычисленного значений зенитного угла вызвано его неверным измерением.

При этом на первом выходе логического элемента 19 формируется уровень логической "1", а на втором выходе уровень логического "0", что обеспечивает передачу на первый выход блока контроля входной информации вычисленного значения зенитного углов, а на второй выход измеренного значения азимутального угла
3) К1= 0, К2= 1 соответствует неисправности или сбою в измерительном преобразователе азимутального угла 3, т.к. при этом вычисленное значение зенитного угла соответствует измеренному, что означает правильность измерения зенитного угла и угла установки отклонителя (формулы 7, 3), а вычисленное значение азимутального угла не соответствует измеренному, что в силу вышесказанного может быть вызвано только его неверным измерением. При этом на первом выходе логического элемента 18 формирются уровни логического "0", а на втором уровень логической "1", что обеспечивает передачу на первый выход блока контроля входной информации измеренного значения зенитного угла, а на второй выход вычисленного значения азимутального угла.

4) К1=1, К2=1 соответствует неисправности или сбою в измерительном преобразователе угла установки отклонителя, т.к. одновременное несоответствие измеренных и вычисленных значений зенитного и азимутального углов (формулы 7, 8) может быть вызвано только неверным значением измеренного угла установки отклонителя (формулы 3, 4). При этом на обоих выходах логического элемента 18 формируются уровни логического "0", что обеспечивает передачу на выходы блока контроля входной информации измеренных значений зенитного и азимутального углов.

Таким образом, в случае отказа или сбоя в одном из измерительных преобразователей на соответствующий выход блока контроля входной информации передается не измеренное, а вычисленное значение соответствующего угла. Тем самым обеспечивается устойчивость к единичному отказам и сбоям в измерительных преобразователях, а следовательно, повышается его точность и надежность.

Формула изобретения

1. Устройство для контроля положения забоя, содержащее измерительные преобразователи азимутального, зенитного углов и наклонной глубины скважины, блок пересчета координат, блок памяти и блок регистрации, отличающееся тем, что в него введены блок контроля входной информации, включающий блок памяти, блок дискретизации, блок сравнения и измерительный преобразователь угла установки отклонителя, при этом выходы измерительных преобразователей угла установки отклонителя, зенитного и азимутального углов соединены с первым, вторым и третьим входами блока памяти, блока контроля входной информации соответственно, выход измерительного преобразователя наклонной глубины скважины соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока дискретизации, а управляющий выход соединен с четвертым входом запоминающего устройства блока контроля входной информация и с входом блока дискретизации, выходы блока контроля входной информации соединены с входами блока пересчета координат, выход которого соединен с входом блока регистрации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок контроля входной информации с блоком памяти, входы которого являются соответствующими входами блока контроля входной информации, дополнительно содержит вычислитель зенитного угла, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока памяти, а третий вход с выходом задающего элемента, вычислитель азимутального угла, первый вход которого соединен с выходом вычислителя зенитного угла, второй и третий входы соответственно с первым и третьим выходами блока памяти, а четвертый вход с выходом задающего элемента, первый элемент сравнения, вычитающий вход которого соединен с выходом вычислителя зенитного угла, суммирующий вход с четвертым выходом блока запоминания углов, а выход с входом первого порогового элемента, второй элемент сравнения, вычитающий вход которого соединен с выходом вычислителя азимутального угла, суммирующий вход с пятым выходом блока запоминания углов, а выход соединен с входом второго порогового элемента, логический элемент, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго пороговых элементов, первый управляемый ключ, первый информационный вход которого соединен с выходом вычислителя азимутального угла, второй информационный вход с пятым выходом блока запоминания углов, управляющий вход с первым выходом логического элемента, а выход является первым выходом блока контроля входной информации, второй управляющий ключ, первый информационный вход которого соединен с выходом вычислителя зенитного угла, второй информационный вход с четвертым выходом блока запоминания углов, управляющий вход с вторым выходом логического элемента, а выход является вторым выходом блока контроля входной информации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4