Устройство для определения углов искривления скважины

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для контроля за пространственным положением ствола обсаженных и необсаженных скважин при бурении. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения углов ориентации в процессе бурения и расширение функциональных возможностей. Для этого устройство содержит блоки датчиков азимута на основе трех ортогональных феррозондов, неподвижно закрепленных относительно корпуса устройства, и датчиков угла отклонения в виде трех ортогональных акселерометров, оси чувствительности которых коллинеарны осям чувствительности феррозондов, аналого-цифровой преобразователь и блок коммутаторов. К входам блока коммутаторов подключены выходы феррозондов и акселерометров. Выход блока коммутаторов подключен к наземному блоку через блок телеметрии. Дополнительно устройство снабжено датчиками температуры и давления, блоком телеметрии и блоком гироскопических датчиков азимута на основе одноосных или двухосных датчиков угловой скорости вращения Земли, оси чувствительности которых коллинеарны осям чувствительности феррозондов и акселерометров. Выходы датчиков температуры и давления и гироскопических датчиков угловой скорости подключены к дополнительным входам коммутаторов. 1 ил.

Изобретение относится к контролю за пространственным положением ствола обсаженных и не обсаженных буровых скважин при бурении.

Известны метод и устройства для определения азимутального и зенитного углов. Метод и устройство основаны на измерении трех ортогональных компонент G_x, G_y, G_z гравитационного поля 3^х осевым акселерометром и трех ортогональных компонент H_x, H_y, H_z магнитного поля Земли 3^х осевым магнитометром, информация с которых анализируется на ЭВМ и выдается на дисплей [Патент Великобритании N 2205166, 1988 г.].

Известен метод расчета пространственного расположения скважины по измерениям гравитационного (с помощью акселерометров) и магнитного (с помощью феррозондов) полей Земли. По этим измерениям вычисляют аксиальную компоненту магнитного поля Земли и с учетом компонент ускорения силы тяжести определяют пространственные компоненты скважины [Патент США N 4709486, 1987 г.].

Известен гироскопический датчик ориентации скважин. Датчик может использовать: гироскоп с одной степенью свободы, гироскоп с двумя степенями свободы, вибрационные гироскопы, акселерометры. Однако гироскопические датчики не работоспособны в процессе бурения, т.к. высокие вибрационные и ударные перегрузки, возникающие при бурении, а также угловые колебания бурового инструмента значительно превышают угловые скорости вращения Земли, на измерении которых и основаны перечисленные гироскопические приборы ориентации [Патент США N 4611405, 1986 г., патент США N 4706388, 1986 г.].

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является устройство для определения углов искривления скважин, содержащее датчик азимута с тремя ортогональными феррозондами и датчик угла отклонения в виде двух или трех маятников, оси вращения которых ортогональны и неподвижно закреплены относительно корпуса устройства, выходы которых соединены с входами аналого-цифрового преобразователя [Авт. свид. СССР N 1139835, E 21 В 47/02, Бюл. N 6, 1985 г.].

Недостаток устройства для определения углов искривления скважин на основе феррозондов - невозможность ориентировать отклонитель по магнитному меридиану при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин малого диаметра из обсаженной скважины при восстановлении старых нефтяных и газовых месторождений.

Изобретение решает задачу повышения точности определения углов ориентации в процессе бурения и расширение функциональных возможностей.

Задача решается тем, что устройство для определения углов искривления скважин, содержащее скважинный снаряд, включающий блоки датчиков азимута на основе трех ортогональных феррозондов, неподвижно закрепленных относительно корпуса устройства, и датчиков угла отклонения в виде трех ортогональных акселерометров, оси чувствительности которых коллинеарны осям чувствительности феррозондов, аналого-цифровой преобразователь и блок коммутаторов, к входам которого подключены выходы феррозондов и акселерометров, а выход блока коммутаторов подключен к наземному блоку, согласно изобретению снабжено датчиками температуры и давления, блоком телеметрии и блоком гироскопических датчиков азимута, состоящим из неподвижно закрепленных одноосных или двухосных датчиков угловой скорости вращения Земли, оси чувствительности коллинеарны осям чувствительности феррозондов и акселерометров, причем выходы датчиков температуры и давления и гироскопических датчиков угловой скорости вращения Земли подключены к соответствующим входам блока коммутаторов, выходы которого подключены соответственно к входам аналого-цифрового преобразователя и через блок телеметрии к наземному блоку.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Устройство содержит скважинный снаряд 1, включающий блок датчика азимута 2 на трех взаимно ортогональных феррозондах 3, блок датчиков углов отклонения 4, состоящий из трех взаимно ортогональных акселерометров 5, оси чувствительности которых коллинеарны осям чувствительности феррозондов, блок гироскопических датчиков азимута 6, состоящий: из трех 7 или двух неподвижно закрепленных одноосных гироскопических датчиков угловой скорости вращения Земли или двух или одного двухосного датчика угловой скорости вращения, оси чувствительности которых коллинеарны осям чувствительности соответствующих феррозондов и акселерометров. Датчики содержат встроенные измерительные схемы и другие схемы, необходимые для их работы. Блок коммутаторов 8 включает и блоки управления работой устройства. В скважинном снаряде размещены аналого-цифровой преобразователь 9, блок питания 10 электронных схем и датчиков, блок телеметрии 11, датчики температуры и давления 12. Наземный блок 13 содержит источник питания скважинного снаряда, блоки дешифрации сигналов и связи с ЭВМ 14.

После поступления с наземного блока 13 запускающего импульса на блок коммутаторов 8 подключаются блоки датчиков к аналого-цифровому преобразователю 9, который включается после окончания переходных процессов датчиков. Полученный параллельный код преобразуется в последовательный, и через блок телеметрии 11 и наземный блок 13 поступает в последовательный порт компьютера.

Для измерения зенитного угла, угла установки отклонителя, а также географического азимута используется блок акселерометров 4 и блок гироскопов 6. По ним контролируется выставка отклонителя в обсаженной скважине по заданному направлению. При отходе от скважины на 5-7 метров осуществляются измерения магнитного азимута по показаниям феррозондов 3 и акселерометров 5. При этом гироблок 6 выключается.

Величина зенитного Θ угла установки отклонителя ϕ, магнитного α_m и географического α_г азимута вычисляются ЭВМ 14 согласно формулам [Ковшов Г.Н., Алимбеков Р. И. , Жибер А.В. Инклинометры (Основы теории и проектирования), Уфа, Гилем, 1998 г., 380 с.]: b = a₁·b₁ + a₂·b₂ + a₃·b₃ b^* = c₁ · b₁ + c₂·b₂ + c₃· b₃, где a_i, b_i, c_i, i = 1,2,3 - приведенные безразмерные сигналы с феррозондов, акселерометров и гироскопических датчиков угловой скорости вращения Земли, b, b^* - тангенсы углов магнитного наклонения и географической широты устья скважины. Если используются из трех лишь любые два одностепенных датчиков ориентации, то показания третьего вычисляются из выражений: a₁² + a₂² + a₃² = 1 + c² b₁² + b₂² + b₃² = 1
c₁² + с₂² + c₃² = 1 + b^*2
Каждый гироскопический или магнитный инклинометр имеет свои блоки акселерометров, питания, АЦП, телеметрии, сопряжения с ЭВМ. Объединение датчиков в единую конструкцию устройства позволяет помимо упрощения решать и следующие практические задачи, расширяющие функциональные возможности устройства:
- феррозондовый блок при известном азимуте позволяет вычислять положение отклонителя непосредственно в процессе бурения, т.к. на показания феррозондов не сказываются вибрационные и ударные перегрузки,
- феррозондовый блок при известном азимуте позволяет контролировать критическое приближение к другой обсаженной скважине по измерению угла магнитного наклонения или величине модуля вектора напряженности магнитного поля Земли; это исключает аварийные ситуации,
- феррозондовый блок позволяет наводить буровой снаряд на ствол аварийной (горящей) скважины для ее ликвидации,
- феррозондовый блок при перемещении инклинометра в обсаженной скважине позволяет контролировать стенки обсадных труб, а также их целостность, что особенно актуально при возрождении старых месторождений.

Измерение температуры в скважинном снаряде позволяет непрерывно алгоритмически корректировать посредством ЭВМ показания датчиков ориентации при изменении температуры окружающей среды, чем достигается повышенная точность измерения в широком диапазоне температур от -10^oC до +125^oC.

Датчик гидростатического и гидродинамического давления позволяет при отсутствии прокачки бурового раствора уточнить глубину скважины, а при бурении - наличие зон повышенного или пониженного пластового давления. Недостаточная информация о пластовых давлениях может привести к неправильному выбору плотности промывочных жидкостей, возникновению нефтегазопроявлений при вскрытии пластов с аномально высокими пластовыми давлениями или к поглощению промывочной жидкости при вскрытии пластов с аномально низкими давлениями, что в любом случае приводит к возникновению аварийных ситуаций.

Лабораторные и скважинные испытания устройства показали, что погрешность измерения азимутов бурящейся скважины в широком диапазоне изменения температуры не превышают 2^o, а погрешность измерения угла отклонения 0,2^o.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в нефтегазовой промышленности для измерений при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин, бурящихся из обсаженного ствола при возрождении старых месторождений и месторождений под поймами рек и водоемами.

Формула изобретения

Устройство для определения углов искривления скважин, содержащее скважинный снаряд, включающий блоки датчиков азимута на основе трех ортогональных феррозондов, неподвижно закрепленных относительно корпуса устройства, и датчиков углов отклонения в виде трех ортогональных акселерометров, оси чувствительности которых коллинеарны осям чувствительности феррозондов, аналого-цифровой преобразователь и блок коммутаторов, к входам которого подключены выходы феррозондов и акселерометров, а выходы блока коммутаторов подключен к наземному блоку, отличающееся тем, что оно снабжено датчиками температуры и давления, блоком телеметрии и блоком гироскопических датчиков азимута, состоящим из неподвижно закрепленных одноосных или двухосных датчиков угловой скорости вращения Земли, оси чувствительности которых коллинеарны осям чувствительности феррозондов и акселерометров, причем выходы датчиков температуры и давления и гироскопических датчиков угловой скорости вращения Земли подключены к соответствующим входам блока коммутаторов, выходы которого подключены соответственно к входам аналого-цифрового преобразователя и через блок телеметрии к наземному блоку.

РИСУНКИ

Рисунок 1