СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИНКЛИНОМЕТРИИ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR INCREASING THE INCLINOMETRY ACCURACY IN PROCESS OF DRILLING OIL-AND-GAS WELLS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к сопутствующим геофизическим исследованиям и работам в скважинах для добычи на нефти и газа [Е21В 47/022, G01V1/44].
Процесс инклинометрии - определение пространственного точного положения ствола бурящейся скважины путём непрерывного измерения отклонений направления скважины от магнитного севера (азимут) и угла её наклона с помощью инклинометров.
Работа основной группы скважинных инклинометров, применяемых в процессе бурения наклонно-направленных скважин, основана на принципе измерения параметров магнитной индукции измерительных соленоидов при воздействии вектора магнитного поля Земли.
На качество измерения оказывают влияние присутствие вблизи измерительного датчика массивных магнитных комплексов с высокими значениями магнитной проницаемости, вибрация бурильного инструмента и другие причины.
Из уровня техники известен СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИНКЛИНОМЕТРИИ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН НА НЕФТЬ И ГАЗ [2005121778/28, опубл. 11.07.2005 г.], заключающийся в проведении системы последовательных операций преобразования компонент гравитационного и магнитного поля Земли в пропорциональные электрические сигналы с помощью гравитационных датчиков  -  сигналы с помощью трехосных акселерометров и магнетометров, усиления и масштабирования сигналов датчиков, интегрирующего аналого-цифрового преобразования электрических сигналов, определения трех компонент гравитационного и магнитного полей по измеренным выходным сигналам геонавигационных датчиков, определения инклинометрических параметров забоя скважины по измеренным компонентам геофизических полей, отличающийся тем, что, с целью повышения точности инклиметрических измерений в процессе бурения скважин, в условиях воздействия вибраций от работы породоразрушающего инструмента, измерении параметры вибрационной помехи, определении необходимого объема исходной выборки выходных сигналов акселерометров, произведении ограничения исходной выборки с использованием корреляционного анализа и определении истинных значений выходных сигналов акселерометров в результате итерационной процедуры обработки сформированной выборки указанных выходных сигналов.
Также из уровня техники известен МЕТОД «КОРОТКОГО УБТ – УТЯЖЕЛЕННОЙ БУРИЛЬНОЙ ТРУБЫ» - математический метод снижения азимутальных ошибок, вызванных магнитным влиянием составляющих компонент забойной компоновки низа бурильной колонны (КНБК), при котором во время снятия инклинометрического замерав расчет принимается абсолютный азимут, который является расчетным.
Основа технологии заключается «в невозможности использования достаточного количества НУБТ (немагнитных УБТ), при наличии которых возникают помехи по оси Bz, расположенной вдоль оси инструмента. Для решения этой проблемы в формулу расчета азимута вносят рассчитанные перед началом бурения Dip (угол, на который отклоняется стрелка под действием магнитного поля Земли в вертикальной плоскости) и Be (значение напряженности магнитного поля Земли в точке устья скважины) и исключают составляющую Bz».
Применение данного способа по физической сути представляет собой полуавтоматическое введение в измеренную компоненту Вz поправки, вычисляемой в зависимости от геометрических параметров КНБК и, в частности, от расположения в составе КНБК ферромагнитных компонент.
Недостатком аналогов является то, что они учитывают и устраняют только один тип помех, а именно помехи, создаваемые самоиндукцией в комплексе инклинометрических датчиков при вибрации в процессе бурения.
Также недостатком второго аналога является то, что метод учитывает только одну ортогональную компоненту Bz, а значит допускает априорную практически не учитываемую погрешность в других составляющих, измеряемых при инклинометрии.
Наиболее близким по технической сущности является СПОСОБ, ОСНОВАННЫЙ НА КОМПЕНСАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ КОРАБЛЯ [http://www.radioland.mrezha.ru/statia/mor_electr_01/mor_electr_01.htm, опубл. 17.09.2019 г.], характеризующийся тем, что за счет распределенной по палубе корабля системы соленоидов или специального кабеля, который кладут на палубу или подвешивают с наружной стороны бортов, пропуская по нему электрический ток, создается искусственное магнитное поле, противоположное полю корабля.
Различают обмоточное и безобмоточное размагничивание корабля. В первом случае на корабле стационарно устанавливают несколько кабельных обмоток и создаютв них магнитное поле, компенсирующее магнитное поле корабля. В случае безобмоточного размагничивания корабль подвергают воздействию внешнего магнитного поля на стационарных или подвижных станциях размагничивания.
Основной технической проблемой прототипа является низкий уровень компенсации помех, создаваемых крупными ферромагнитными массами из-за того, чтов прототипе используется сложная и не поддающаяся регулярному учету зависимость внешнего наведенного магнитного поля корабля от соотношения оси корабля и полного вектора магнитного поля Земли, из-за чего отсутствует возможность полной компенсации магнитных полей.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение уровня компенсации помех, создаваемых крупными ферромагнитными массами.
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ повышения уровня компенсации помех, создаваемых крупными ферромагнитными массами в процессе бурения нефтегазовых скважин, характеризуется тем, что первоначально осуществляют инклинометрические измерения местоположения забоя скважины системой датчиков, при этом интервал времени проведения измерений инклинометрических датчиков делят на два подинтервала, во время первого подинтервала инклинометрические датчики измеряют предварительные значения угла наклона оси скважины по отношению к вектору магнитного поля Земли и азимута оси скважины относительно горизонтальной составляющей вектора магнитного поля Земли, далее измеренные значения поступают на микропроцессор, далее микропроцессор подает управляющие команды на цифровые потенциометры, далее цифровые потенциометры формируют управляющие сигналы и подают их на рабочие компенсационные соленоиды, в соответствии с управляющими сигналами компенсационные соленоиды создают компенсационное магнитное поле, далее во время второго подинтервала инклинометрические датчики осуществляют повторные измерения угла наклона оси скважины по отношению к вектору магнитного поля Земли и азимута оси скважины относительно горизонтальной составляющей вектора магнитного поля Земли, которые определяют уточненные значения инклинометрии точки забоя.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для повышения уровня компенсации помех, создаваемых крупными ферромагнитными массами в процессе бурения нефтегазовых скважин, состоит из инклинометрических датчиков, размещенных на немагнитных блоках, соединенных с микропроцессором, который соединен с цифровыми потенциометрами, которые соединены с рабочими компенсационными соленоидами, при этом цифровые потенциометры и рабочие компенсационные соленоиды размещаются на ферромагнитных блоках низа бурильной колонны.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показано устройство дляповышения уровня компенсации помех, создаваемых крупными ферромагнитными массами в процессе бурения нефтегазовых скважин.
На фиг. 2 показана иллюстрация процесса измерения угла наклона оси скважины по отношению к вектору магнитного поля Земли.
На фиг. 3 показан пример реализации устройства управления рабочими компенсационными соленоидами.
На фиг. 4 показан график зависимости наведенного магнитного поля от угла между осью скважины и направлением земного магнитного поля.
На фигурах обозначено: 1 – ферромагнитные блоки; 2 – немагнитные блоки; 3 – инклинометрические датчики; 4 – микропроцессор; 5 – цифровой потенциометр; 6 –рабочий компенсационный соленоид.
Осуществление изобретения
Устройство дляповышения уровня компенсации помех, создаваемых крупными ферромагнитными массами в процессе бурения нефтегазовых скважин, состоит из элементов компоновки низа бурильной колонны, которая может в себя включать ферромагнитные блоки 1 и немагнитные блоки 2. При этом на удалении от ферромагнитных блоков 1, расположенных в нижней части бурильной колонны, на немагнитных блоках 2 расположены инклинометрические датчики 3. В одном из вариантов реализации инклинометрические датчики 3 могут размещаться на немагнитных утяжелителях бурильной трубы. В составе одного устройства для повышения уровня компенсации помех, создаваемых крупными ферромагнитными массами в процессе бурения нефтегазовых скважин, может использоваться несколько инклинометрических датчиков 3. При этом инклинометрические датчики 3 выполнены с возможностью измерять угол наклона оси скважины по отношению к вектору магнитного поля Земли и азимут оси скважины относительно горизонтальной составляющей вектора магнитного поля Земли. Инклинометрические датчики 3 соединены с микропроцессором 4. В одном из вариантов реализации инклинометрические датчики 3 соединены с микропроцессором 4 посредством кабеля. Микропроцессор 4, в свою очередь, соединен с цифровыми потенциометрами 5, которые соединены с рабочими компенсационными соленоидами 6. При этом цифровые потенциометры 5 и рабочие компенсационные соленоиды 6 размещаются на ферромагнитных блоках 1 низа бурильной колонны.
Также дополнительно устройство дляповышения уровня компенсации помех, создаваемых крупными ферромагнитными массами в процессе бурения нефтегазовых скважин, может для питания микропроцессора 4, цифровых потенциометров 5 и компенсационных соленоидов 6 быть оснащено элементом питания, в качестве которого может выступать специальная скважная батарея (на фиг. не показана).
Способ повышения уровня компенсации помех, создаваемых крупными ферромагнитными массами в процессе бурения нефтегазовых скважин, характеризуется тем, что первоначально инклинометрические датчики 3 осуществляют процесс измерения угла наклона оси скважины по отношению к вектору магнитного поля Земли и азимута оси скважины относительно горизонтальной составляющей вектора магнитного поля Земли.
Интервал времени проведения измерений инклинометрических датчиков 3 делится на два основных подинтервала, при этом длительность основного временного интервала измерений является величиной постоянной и не меняется.
Во время первого временного подинтервала инклинометрические датчики 3 осуществляют предварительные измерения угла наклона оси скважины по отношению к вектору магнитного поля Земли и азимута оси скважины относительно горизонтальной составляющей вектора магнитного поля Земли. При этом под предварительными измерениями понимаются измерения, включающие помехи, вызванные наличием магнитного поля от ферромагнитных блоков 1. Далее предварительные измерения поступают для обработки на микропроцессор 4. После этого микропроцессор 4, получив предварительные данные от инклинометрических датчиков 3, формирует команду на управление напряжением, подаваемым на цифровой потенциометр 5, который формирует сигнал на рабочий компенсационный соленоид 6, размещенный на каждом ферромагнитном блоке 1 для создания магнитного поля с целью постоянной компенсации помехи.
Во время второго временного подинтервала инклинометрические датчики 3 осуществляют повторные измерения угла наклона оси скважины по отношению к вектору магнитного поля Земли и азимута оси скважины относительно горизонтальной составляющей вектора магнитного поля Земли. При этом повторные измерения характеризуются тем, что в них учитываются поправки на влияние крупных ферромагнитных масс ферромагнитных блоков 1, вычисленные во время первого подинтервала. Таким образом, данные, полученные от инклинометрических датчиков 3 во время второго подинтервала, определяют реальные значения инклинометрии точки забоя.
Реализация измерений во время второго подинтервала позволяет априорно сократить количество дополнительных математических операций по введению различного рода поправок для измерения инклинометрических данных в процессе бурения нефтегазовых скважин.
Отдельно стоит отметить, что для реализации заявленного способа используют микропроцессор 4 достаточной вычислительной мощности, чтобы провести требуемое количество вычислительных операций за время интервала измерений без временной задержки поступления данных.
Рассмотрим вариант достижения технического результата.
0
Первоначально инклинометрические датчики 3 размещают на немагнитных блоках 2 низа бурильной колонны. При этом для наглядности примера будем считать, что магнитный азимут оси скважины β равен нулю. В таком случае положение ферромагнитных блоков 1 (оси скважины) и вектора магнитного поля Земли проиллюстрировано на фиг. 2. При этом α - угол между осью скважины и вектором магнитного поля Земли. Введем еще одно приближение: пусть внутренняя намагниченность ферромагнитных блоков 1 является величиной постоянной (H = const) и равна земному магнитному полю H (без учета неоднородного намагничивания тела). Для приближенной оценки возьмем типовые параметры L = 10.6 м (длинна ферромагнитных блоков 1), h = 8.5 м (расстояние между ферромагнитными блоками 1 и точкой измерения (инклинометрическими датчиками 3)), угол α от 0 до 90°;
;
0
0
0
х
х
модуль Н = 40 А/м, S=πD/4, где D - диаметр стержня = 0.17 м, В = 50 нТл (где В - ортогональная компонента магнитной индукции, действующая на ферромагнитные блоки 1).
2
0
На практике зачастую используются более точные расчеты результирующего поля, например, численные методы решения системы интегральных уравнений с помощью программного обеспечения 3D-MAGNIT. Результаты расчета для схожих исходных данных: L = 10 м, h = 10 м, S = 0.01 м, Н = 40 А/м приведены на фиг. 4.
Анализ фиг. 4 позволяет сделать выводы о том, что при любом угле между осью стержня (ферромагнитными блоками 1 компоновки низа бурильной колонны (КНБК)), расположенного на оси скважины, и силовыми линиями магнитного поля Земли появляется помеха, требующая учета при фиксировании параметров инклинометрии положения забоя бурящейся скважины.
Важное значение имеет фактическое расстояние между ферромагнитными блоками 1 КНБК и точкой измерения данных инклинометрии (расположения инклинометрических датчиков 3), а также реальная длина каждого ферромагнитного блока 1. К примеру, перемещение такого блока с расстояния 10.6 метра до 3.7 метра (в три раза) приведёт к резкому повышению создаваемого магнитным блоком мешающего магнитного поля в пять раз. Вопрос определения расстояния между ферромагнитными блоками 1 КНБК и точкой измерения данных инклинометрии не относится к сути рассматриваемого технического решения, данный вопрос решается в зависимости от габаритов функциональных элементов КНБК на стадии ее проектирования.
После размещения инклинометрических датчиков 3 на немагнитных блоках 2 низа бурильной колонны реализуются измерения на первом временном подинтервале. Микропроцессор 4 получает данные по углу наклона оси скважины по отношению к вектору магнитного поля Земли (α) и азимуту оси скважины относительно горизонтальной составляющей вектора магнитного поля Земли (β). Далее микропроцессор 4 реализует следующие операции: вычисляет ортогональные компоненты магнитной индукции, действующие на ферромагнитные блоки 1, по следующим соотношениям:
0
х
0
В = В cos β cos α;
0
y
0
В = В cos β sin α,
где α и β – значения, поступающие с инклинометрических датчиков 3,
0
В – индукция магнитного поля Земли (является величиной постоянной).
Известно следующее соотношение для наведенного магнитного поля ферромагнитного блока 1:
0
В = µ µN (I/L),
где µ – относительная магнитная проницаемость среды рабочего компенсационного соленоида 6 (зависит от типа рабочего компенсационного соленоида 6, к примеру 50),
0
-7
µ – магнитная постоянная – является величиной постоянной 4 π 10  (Гн/м),
L – длина рабочего компенсационного соленоида 6, м,
N – число витков рабочего компенсационного соленоида 6.
Используя приведенное соотношение, микропроцессор 4 рассчитывает значение рабочего тока:
0
I = В / µ µ n,
где n – число витков на единицу длины рабочего компенсационного соленоида 6.
Рассчитав направление и амплитуда рабочего тока I (к примеру, «+» или «-»), формируют направление и амплитуду наведенного магнитного поля, равного создаваемому составляющей наведенного магнитного поля ферромагнитного блока 1 под воздействием эффективной составляющей магнитного поля Земли, тем самым практически компенсируя его.
Далее реализуются измерения на втором временном подинтервале: инклинометрические датчики 3 осуществляют повторные измерения параметров α и β, которые определяют реальные значения инклинометрии точки забоя.
1
Пример реализации управления рабочими компенсационными соленоидами 6 показан на фиг. 3. Согласно данной схемы, микропроцессор 4 вычисляет напряжение, которое необходимо подать между точками W и C для создания условий протекания компенсационного тока через сопротивление R рабочего компенсационного соленоида длиной L. Для установки цифрового потенциометра в нужное положение для создания заданного напряжения необходимо с микропроцессора 4 отправить последовательность импульсов по цифровому интерфейсу (SPI или I2C). В период отсутствия такой последовательности потенциометр установлен в среднее положение (спящий режим). В период создания рабочего напряжения 5 V необходимо отправить последовательность импульсов для установки потенциометра в крайнее верхнее положение (фиг. 4): например, для установки в верхнее положение потенциометра с 256 ступенями необходимо отправить значение 255.
Технический результат изобретения достигается за счет того, что на немагнитных блоках 2 расположены инклинометрические датчики 3, выполненные с возможностью измерять угол наклона оси скважины по отношению к вектору магнитного поля Земли и азимут оси скважины относительно горизонтальной составляющей вектора магнитного поля Земли. Инклинометрические датчики 3 соединены с микропроцессором 4. Микропроцессор 4, в свою очередь, соединен с цифровыми потенциометрами 5, которые соединены с рабочими компенсационными соленоидами 6. При этом цифровые потенциометры 5 и рабочие компенсационные соленоиды 6 размещаются на нижних ферромагнитных блоках 1 низа бурильной колонны. Благодаря наличию микропроцессора 4 реализуется возможность управления компенсационными соленоидами 6, которые создают магнитное поле с целью постоянной компенсации помехи. При этом постоянная компенсация помех реализуется благодаря тому, что интервал времени проведения измерений инклинометрических датчиков 3 делится на два подинтервала. Во время первого подинтервала реализуют предварительные измерения угла наклона оси скважины по отношению к вектору магнитного поля Земли и азимута оси скважины относительно горизонтальной составляющей вектора магнитного поля Земли, после чего рабочие компенсационные соленоиды 6 создают магнитное поле с целью постоянной компенсации помехи. Во время второго подинтервала после компенсации помехи определяют уточненные значения инклинометрии точки забоя. При этом за счет того, что во время второго подинтервала учитываются поправки на влияние крупных ферромагнитных масс ферромагнитных блоков 1, существенно повышается уровень компенсации помех, создаваемых этими массами.
Заявителем было разработано устройство и реализован заявленный способ, апробация и тестирование которого подтвердили достижение заявленного технического результата. Повышение уровня компенсации помех, создаваемых крупными ферромагнитными массами, составило порядка 30 %.