СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО БЕСКОНТАКТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ, КАРОТАЖА ПОРОД И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СНАРЯДА В БУРОВОЙ СКВАЖИНЕ
METHOD FOR REMOTE CONTACTLESS PROBING, LOGGING OF ROCKS AND POSITIONING OF MISSILE IN DRILL WELL

Изобретение относится к области геофизики, геологической разведки и может быть использовано при пробном, поисковом и эксплуатационном бурении скважин в нефтегазодобывающей промышленности.
Известны способы дистанционного каротажа пород и позиционирования снаряда, находящегося в составе бурильной колонны в бурильной скважине, основанные на получении и обработке информации с измерительных комплексов, расположенных на самом снаряде (Молчанов А.А. Измерение геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин. - М.: Недра, 1983).
Многомерная информация о свойствах прилегаемых к буровой скважине пород и многомерная информация о пространственном положении снаряда в буровой скважине накапливается в процессе бурения на носителях информации измерительной аппаратуры, размещаемой на самом снаряде, и периодически в дискретные моменты времени используется при подъеме снаряда на поверхность Земли в режиме пост-обработки (при камеральной обработке) на поверхности Земли. Эта операция выполняется с целью идентификации проходимых и прилегаемых пород и их каротажа, оценки текущего пространственного положения ствола бурильной скважины и формирования прогноза о траектории дальнейшего движения снаряда в составе бурильной колонны.
Однако такой способ получения и использования информации о положении снаряда в буровой скважине снижает эффективность процесса бурения и повышает материальные, временные и экономические затраты, связанные с необходимостью периодической остановки процесса бурения, последующего подъема на поверхность Земли снаряда и бурового инструмента. Время проводки скважины при этом увеличивается в 2-4 раза по сравнению со способом непрерывного бурения без подъема буровой колонны на поверхность Земли, что приводит к увеличению стоимости работ.
Известны также способы дистанционного каротажа пород и позиционирования снаряда в бурильной скважине, основанные на получении с помощью измерительных комплексов снаряда многомерной информации о физических свойствах пород и текущем положении снаряда в буровой скважине с последующей передачей в реальном масштабе времени (в режиме online) текущей или периодически накапливаемой информации на поверхность Земли ( 2132948, МПК Е21В 47/12, от 30.06.98; Молчанов А.А., Абрамов Г.С. Бескабельные системы для исследований нефтегазовых скважин (теория и практика) - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2003; Пат. RU 2426878, приор. 02.02.2010).
Недостатком таких способов дистанционного каротажа пород и позиционирования снаряда в буровой скважине является необходимость организации и реализации каналов непрерывной или дискретной передачи информации от снаряда на поверхность Земли (проводных или беспроводных - электрических, магнитных, электромагнитных, гидравлических, акустических). Это усложняет устройство формирования информации и технологию передачи информации на поверхность Земли, что в конечном счете сказывается на повышении себестоимости системы каротажа и позиционирования, на снижении точности решения задач идентификации пород и снаряда, ухудшении показателей помехоустойчивости, надежности и долговечности работы оборудования.
Известен электромагнитный способ наземной, воздушной и морской магниторазведки, широко применяемый на практике с середины XX века, обеспечивающий решение задачи дистанционного зондирования пород в подстилающем приповерхностном слое Земли, выполняемого с наземных, плавающих или летательных аппаратов - носителей источников дипольного электромагнитного излучения (Магниторазведка: Справочник геофизика, 2-е изд. - М.: Недра, 1990. - 470 с.).
Однако этот способ имеет существенные недостатки:
- невозможность зондирования глубинных пород и их каротаж в связи с тем, что источники и приемники электромагнитных излучений находятся над поверхностью Земли, мощности излучения и приема электромагнитных волн ограничены, энергия электромагнитного излучения значительно рассеивается над поверхностью Земли;
- невозможность решения задачи позиционирования и взаимной ориентации источника и приемника относительно друг друга автономным путем при гибкой связи приемника с источником (на тросе);
- необходимость использования дополнительной информации (спутниковой, лазерной, инерциальной) для полномасштабного решения задач позиционирования и ориентации приемника относительно источника электромагнитного излучения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению способом, принимаемым за прототип, является способ аэромагниторазведки с автономным определением параметров относительно положения приемника и источника электромагнитного излучения автономным магнитным путем (Павлов Б.В., Волковицкий А.К., Каршаков Е.В. Низкочастотная электромагнитная система относительной навигации и ориентации // Гироскопия и навигация. - 2010. - №1(68). - с.3-14).
Сущность рассматриваемого способа (прототипа) заключается в том, что приемная антенна и трехосные блоки магнитометров располагаются в гондоле, буксируемой на тросе (l=70-120 м) самолетом-носителем, а на самом носителе размещается передающая антенна, излучающая электромагнитное поле в форме диполя с вертикальной осью симметрии. По многомерной информации, получаемой в гондоле с помощью приемной антенны и блоков магнитометров, алгоритмическим путем вычисляются координаты радиуса-вектора, характеризующего пространственное положение гондолы относительно носителя (решается задача относительной навигации).
К недостаткам этого способа следует отнести следующее:
- невозможность дистанционного зондирования и последующего каротажа глубинных пород, так как источник и приемник электромагнитного излучения находятся над поверхностью Земли;
- полномасштабное решение задачи позиционирования и взаимной ориентации приемника относительно источника электромагнитного излучения для систем с гибкой связью приемника с источником (на тросе) возможно не автономным путем (на основе магнитометрических измерений), а косвенным путем (на основе использования дополнительной информации (спутниковой, лазерной, инерциальной));
- не обеспечиваются условия полной автономности решения задач зондирования, каротажа пород и позиционирования снаряда в буровой скважине на основе использования только магнитометрических измерений;
- при решении задач зондирования и каротажа пород, а также задач позиционирования и ориентации приемника относительно источника электромагнитного излучения используется ряд условий, ограничивающих практическую реализацию способа (предположение о вертикальности вектора магнитного момента m источника, необходимость учета углов эволюции носителя источника в пространстве и др.).
Задача настоящего изобретения заключается в разработке условий получения многомерной информации, алгоритмов обработки этой информации, обеспечивающих практическое решение задач дистанционного электромагнитного зондирования и каротажа глубинных пород, прилегаемых к буровой скважине, а также задач дистанционного позиционирования и ориентации снаряда в буровой скважине, причем реализация этих условий и алгоритмов должна обеспечивать решение поставленных задач автономным магнитным путем без необходимости подъема снаряда на поверхность Земли и без необходимости использования канала передачи информации от снаряда на поверхность Земли.
Для решения поставленной задачи предлагается способ зондирования-каротажа пород и позиционирования снаряда в буровой скважине, включающий определение с помощью спутникового навигатора или средств геодезических измерений координат местоположения и параметров позиционирования контрольных точек наблюдений на поверхности Земли (не менее трех) относительно устья буровой скважины и геомагнитной системы координат, формирование электромагнитного поля с помощью излучающей антенны и магнитного поля с помощью индуктора в виде постоянного магнита или электромагнита, расположенных на снаряде и изолированных от буровых труб с помощью немагнитной вставки, измерение в контрольных точках наблюдений с помощью приемных антенн, трехкомпонентных магнитометров и градиентомеров параметров электромагнитного и магнитного полей, созданных антенной и индуктором снаряда.
Предлагаемый способ отличается тем, что по результатам измерений в контрольных точках наблюдений с помощью приемных антенн, магнитометров и градиентомеров параметров электромагнитного и магнитного полей излучающей антенны и индуктора снаряда вычисляют параметры пород по каналу электромагнитных излучений, а также параметры позиционирования и ориентации снаряда в буровой скважине по каналу формирования постоянного магнитного поля дистанционным бесконтактным путем без подъема снаряда на поверхность Земли и без использования канала передачи информации от снаряда на поверхность Земли.
По аналогии с прототипом (электромагнитным способом дистанционной аэромагниторазведки и дистанционного автономного позиционирования приемника относительно источника электромагнитного излучения) согласно предлагаемому решению предполагается воспроизведение двух каналов измерений:
- электромагнитного канала дистанционного зондирования и каротажа пород, реализуемого с помощью излучающей антенны, установленной на снаряде в составе буровой колонны в буровой скважине, и приемных антенн, установленных в контрольных точках наблюдений на поверхности Земли;
- магнитного канала дистанционного позиционирования и ориентации снаряда, реализуемого с помощью индуктора (постоянного магнита или электромагнита), находящегося на снаряде в буровой скважине, и приемных трехосных магнитометров и градиентомеров, установленных также в контрольных точках наблюдений на поверхности Земли.
Причем обработку многомерной информации, получаемой дистанционно по этим двум каналам в контрольных точках наблюдений, производят по алгоритмам автономной обработки информации только на поверхности Земли без необходимости использования канала передачи информации от снаряда на поверхность Земли.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема, поясняющая получение и обработку многомерной информации, предлагаемым способом. На фиг.2 представлена блок-схема, иллюстрирующая последовательное выполнение операций по алгоритмам обработки многомерной информации.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Способ дистанционного зондирования пород и дистанционного позиционирования снаряда предполагает организацию двух параллельно работающих каналов измерений: электромагнитного и магнитного. Каждый канал дистанционных измерений состоит из двух частей:
- излучающей (генераторной),
- приемной.
Генераторы электромагнитных и магнитных полей выполнены в виде излучающей антенны и индуктора (постоянного магнита или электромагнита), расположенных на снаряде и изолированных от буровых труб с помощью немагнитной вставки. Никакой измерительной аппаратуры на снаряде не предусматривается. Приемники электромагнитного излучения (приемные антенны) и приемники магнитного поля (трехосные магнитометры и градиентомеры) установлены в контрольных точках наблюдения (КТН) на поверхности Земли.
Связь приемников, установленных на поверхности Земли, с источниками электромагнитных и магнитных полей, расположенными на снаряде в буровой скважине, осуществляется дистанционно через энергии электромагнитного и магнитного полей. Электромагнитное поле, передающее дистанционно энергию от излучающей антенны снаряда к приемным антеннам на поверхности Земли, пронизывает глубинные породы, прилегаемые к буровой скважине, и несет в себе информацию о физических свойствах этих пород. Электромагнитный канал работает по известным алгоритмам идентификации пород (алгоритмам каротажа - АК).
Магнитное поле, передающее дистанционно энергию от индуктора снаряда к магнитометрам и градиентомерам, установленным на поверхности Земли, несет в себе геометрическую информацию о позиционировании и ориентации снаряда в буровой скважине. На фиг.1 представлена схема формирования информации и организации двух каналов измерений: канала дистанционного зондирования пород и канала дистанционного позиционирования снаряда.
На основе начальной информации, получаемой при позиционировании контрольных точек наблюдений, с использованием информации, формируемой по одометрическому каналу измерений, обеспечивается начальная выставка измерительного комплекса (алгоритм выставки А1).
1
i
i
i
i
i
<mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1</mn><mo>;</mo><mi>n</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">[</mo><mo>∇</mo><msub><mi>H</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow>
В точках М (x; y, z) (
; n≥3), удаленных от устья буровой скважины А на расстояниях ρ, соизмеримых с глубиной погружения трубы в буровую скважину, производятся магнитные измерения вектора напряженности H магнитного поля диполя m и градиента этого вектора
. Причем
На основе выражений (1) - (2) можно установить, что
Из решения уравнения (3) можно получить алгоритм относительного позиционирования снаряда (А2) (относительно КТН):
Модуль магнитного момента m находится по алгоритму идентификации диполя (A3):
Алгоритм позиционирования снаряда относительно устья буровой скважины связан с решением системы уравнений (А4):
Алгоритм ориентации снаряда в буровой скважине (А5):
i
i
i
i
i
T
где D - квадратная матрица (3×3), элементы которой зависят от координат вектора r=[x y z].
i
i
i
Проверка правильности определения координат позиционирования (x, y; z) и ориентации (α, β) снаряда в буровой скважине проводится по нескольким условиям (алгоритмы проверки А6 и нормировки А7):
i
j
- по условию пересечения плоскостей (r; r) в одной точке;
i
<mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1</mn><mo>;</mo><mi>n</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
- по условию пересечения радиусов-векторов r(
) в одной точке;
k
i
j
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1</mn><mo>;</mo><mi>n</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
- по условию пересечения радиусов-векторов r (
) с плоскостями (r; r) в одной точке;
- по условию ортогональности и коллениарности осей при проверке и нормировке матрицы ориентации А(α,β).
На фиг.2 представлена блок-схема, иллюстрирующая последовательность реализации алгоритмов.
Достигаемым техническим результатом реализации предлагаемого способа является:
- упрощение схемы и устройств измерений и обработки многомерной информации с последующим повышением показателей надежности, отказоустойчивости и долговечности буровой (на снаряде) и станционной (на поверхности Земли) аппаратуры;
- упрощение технологии формирования электромагнитного и магнитного полей, технологии получения многомерной информации и ее обработки, не требующих реализации приемов периодического подъема снаряда на поверхность Земли или операций дистанционной передачи информации по соответствующим каналам;
- значительная экономия материальных, временных и финансовых затрат, связанная с исключением приемов периодической остановки процесса бурения, подъема снаряда на поверхность Земли или обусловленная исключением необходимости организации каналов дистанционной передачи информации от снаряда на поверхность Земли.
Системный анализ указывает на преимущества предлагаемого способа в сравнении с известными способами (аналогами и прототипами) по комплексным показателям эффективности практического применения.