способ измерения магнитного азимута в скважинном инклинометре (варианты) и устройство для их осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения магнитного азимута в скважинном инклинометре, заключающийся в том, что посредством феррозонда, установленного в корпусе и состоящего из триады магнитометров со взаимно перпендикулярными осями чувствительности, и вычислительного устройства, входы которого соединены с выходами магнитометров, производят измерения текущих значений проекций напряженности магнитного поля Земли, по известным алгоритмам определяют величину магнитного азимута, отличающийся тем, что производят измерения с помощью дополнительных феррозондов, идентичных основному, введенных в состав инклинометра, установленных в корпусе на известных расстояниях относительно друг друга с разнесением по оси корпуса и подключенных к дополнительным входам вычислительного устройства, в котором по показаниям магнитометров определяются коэффициенты a, b формульной зависимости помехи от ферромагнитных элементов конструкции забойного агрегата

где Н - проекции текущих значений магнитной помехи;

S - расстояние от источника помехи до магнитометров,

после чего по этой формуле вычисляют значения помехи для каждого магнитометра и вводят поправки в показания магнитометров.

2. Способ измерения магнитного азимута в скважинном инклинометре по п.1, отличающийся тем, что инклинометр устанавливают в бурильном комплексе вблизи забойного агрегата.

3. Способ измерения магнитного азимута в скважинном инклинометре, заключающийся в том, что посредством феррозонда, установленного в корпусе и состоящего из триады магнитометров со взаимно перпендикулярными осями чувствительности, и вычислительного устройства, входы которого соединены с выходами магнитометров, производят измерения текущих значений проекций напряженности магнитного поля Земли, по известным алгоритмам определяют величину магнитного азимута, отличающийся тем, что измерения производят с помощью двух идентичных групп феррозондов, установленных в корпусе инклинометра так, чтобы расстояние между ними превышало наибольший габарит конструкции каждой группы, при этом каждая группа содержит дополнительные феррозонды, идентичные основному, установленные на известных расстояниях относительно друг друга с разнесением по оси корпуса, и подключенные к дополнительным входам вычислительного устройства, в котором по показаниям магнитометров определяются коэффициенты a₁, b₁, a ₂, b₂ формульной зависимости помехи от ферромагнитных элементов конструкции забойного агрегата и колонны труб, расположенных по разные стороны от корпуса инклинометра,

после чего по этой формуле вычисляют значения помехи для каждого магнитометра и вводят поправки в показания магнитометров.

4. Способ измерения магнитного азимута в скважинном инклинометре по п.3, отличающийся тем, что одна группа феррозондов устанавливается в бурильном комплексе рядом с забойным агрегатом, а вторая группа феррозондов - рядом с колонной труб.

5. Скважинный измеритель магнитного азимута, содержащий корпус с размещенным в нем феррозондом, состоящим из магнитометров со взаимно перпендикулярными осями чувствительности, и вычислительным устройством, входы которого подключены к выходам магнитометров, отличающийся тем, что в его состав включены по меньшей мере два дополнительных феррозонда, идентичные основному и размещенные в корпусе на известном расстоянии относительно друг друга с разнесением по оси корпуса, выходы которых соединены с дополнительными входами вычислительного устройства, обеспечивающего определение величины помехи в каждом магнитометре и введение поправок в показания магнитометров для определения магнитного азимута скважины.

6. Скважинный измеритель магнитного азимута по п.5, отличающийся тем, что он содержит дополнительную группу феррозондов, идентичную основной и расположенную относительно нее на расстоянии, превышающем наибольший габарит конструкции каждой группы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области инклинометрии буровых скважин и может быть использовано в нефте- и газопромысловой геофизике для определения пространственного положения ствола скважины: зенитного угла, азимута и угла отклонителя.

Интересы повышения отдачи месторождений нефти и газа вызвали развитие горизонтального и наклонно-горизонтального бурения, когда проходка скважин производится непосредственно в пластах залегания.

Задача инклинометрии (навигации) в этом случае состоит в формировании траектории ствола разбуриваемой скважины с точностью, определяемой параметрами месторождения, главным образом, толщиной пласта и его протяженностью. Обычно эти операции производятся на глубинах 1-2 км при длине горизонтального участка скважины до 3-5 км, а толщина продуктивного пласта, в который должна попасть колонна буровых труб, составляет от 2-х до 30 м. Эти обстоятельства определяют требования к инклинометрии не только по выработке параметров траектории ствола скважины, но и по решению задач контроля и управления процессом бурения.

Источниками информации для решения этих задач являются чувствительные элементы, измеряющие компоненты вектора силы тяжести и вектора напряженности магнитного поля Земли. При этом для определения зенитных углов и угла отклонителя достаточно информации от акселерометров, составляющих триаду приборов с ортогональными осями чувствительности. Но наиболее сложной задачей здесь является определение направления ствола скважины в азимуте. Эта задача решается с помощью блока феррозондов, состоящего из триады магнитометров с ортогональными осями чувствительности и измеряющего компоненты вектора напряженности магнитного поля Земли, величина которых зависит от ориентации блока феррозондов относительно магнитного меридиана. На этом принципе основано подавляющее большинство способов измерений, применяемых при инклинометрии в необсадных скважинах. Методика измерений, приборы, а также алгоритмия обработки их сигналов в вычислительном устройстве достаточно подробно описаны в литературе. Способ, описанный в книге Исаченко В.Х. (Инклинометрия скважин. М.: Недра, 1987, стр.36-40), принимается за прототип данного изобретения.

По точности выработки информации о направлении меридиана при инклинометрии в необсаженных скважинах методы измерений с помощью феррозондов вполне бы устраивали потребителей при решении задач внутрискважинной навигации, контроля и управления буровым агрегатом (ряд моделей феррозондов обеспечивают определение азимута с погрешностью до 0,1 град.), если бы сигналы магнитометров не искажались помехами от ферромагнитных предметов в составе бурильного комплекса (стальных труб, электрических машин и т.д.). Девиации магнитометров вследствие этих помех достигают величин, на порядки превышающих их собственные погрешности. Для снижения влияния этих помех магнитометры приходится располагать достаточно далеко от забойного агрегата и стальных утяжеленных труб. Поэтому технология бурения наклонно направленных скважин предусматривает установку между забойным агрегатом и инклинометром с феррозондами вставки из немагнитных труб длиной несколько метров (иногда до 20 м).

Однако удаление забойного агрегата от измерительных приборов инклинометра на дистанции, сравнимые с размерами продуктивного пласта, в котором производится направленное бурение, затрудняет решение задач навигации, контроля и управления процессом бурения, поскольку информация о пространственном положении ствола скважины, вырабатываемая чувствительными элементами в месте их установки, неадекватна положению в зоне забойного агрегата, удаленного от феррозондов колонной изгибающихся труб большой длины. Это является основным недостатком прототипа.

Другие очевидные недостатки общепринятых способов измерения магнитного азимута с помощью феррозондов, удаленных немагнитными трубами от ферромагнитных элементов забойного агрегата, состоят в громоздкости конструкции системы и высокой стоимости немагнитных труб из специальных сплавов.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений пространственного положения ствола скважин путем определения и компенсации помех, возникающих в магнитометрах, входящих в состав феррозонда, вследствие влияния намагниченных элементов конструкции забойного агрегата. При этом возможно исключение из конструкции бурильного комплекса вставок из немагнитных труб между забойным агрегатом и измерительным модулем инклинометра.

Решение поставленной задачи достигается тем, что измерения производят с помощью дополнительных идентичных феррозондов, введенных в состав инклинометра, и которые устанавливают в корпусе на известные расстояния относительно друг друга, подключают к дополнительным входам вычислительного устройства, в котором по показаниям магнитометров определяются коэффициенты a, b формульной зависимости помехи от ферромагнитных элементов конструкции забойного агрегата:

где Н - проекции текущих значений магнитной помехи;

S - расстояние от источника помехи до магнитометров,

после чего вычисляют значения помехи в показаниях магнитометров и вводят поправки на ее величины в выходные сигналы.

Физический принцип, на котором основан предлагаемый способ, состоит в том, что помеха, индуцированная намагниченными ферромагнитными предметами и искажающая полезный сигнал магнитометра о компонентах магнитного поля Земли, зависит от расстояния между этими предметами и магнитометрами.

Теоретическая зависимость показаний магнитометра от расстояния до генератора помехи выражается функцией (1) вида квадратичной гиперболы, характеризующей распространение в пространстве магнитных полей от локального источника. Следует отметить, однако, что в случае сложной конфигурации элементов конструкции бурильной системы с высокой степенью неоднородности намагничивания ее составных частей генерация поля помехи в окружающем пространстве определяется более сложной закономерностью; то есть теоретическая зависимость показаний магнитометров от их расположения может несколько отличаться от упрощенной модели, описываемой формулой (1), но тенденция изменения реакции магнитометров, различно расположенных в измерительном модуле инклинометра, сохраняется прежней.

Это может быть выявлено экспериментально при калибровке инклинометра, однако в условиях эксплуатации при проходке скважины вследствие магнитострикционных явлений параметры намагниченности элементов конструкции, связанных с забойным агрегатом, могут существенно отличаться от величин, определенных при калибровке в наземных условиях.

Схема с несколькими магнитометрами, разнесенными в конструкции измерительного модуля инклинометра при одинаково ориентированных осях чувствительности, функционально эквивалентна устройству магнитного градиентометра, способного решить эту задачу непосредственно в скважине, поскольку идентификация функции (1) зависимости помехи от расстояния до источника возмущающего магнитного поля путем обработки показаний магнитометров при современных средствах вычислительной техники не представляет трудностей.

Коэффициенты формулы (1) определяются известными методами, например, методом наименьших квадратов или другими методами. Эти методы описаны в литературе (см., например, Бахвалов Н.С., Жидков Н.П. Численные методы. М.: Наука, 1987; Каханер Д., Моулер К. Численные методы и программное обеспечение. М.: Мир, 2001).

Принцип определения коэффициентов формулы (1) основан на идентификации ее коэффициентов по заданным ординатам (показаниям магнитометров) функции в нескольких точках при известных соотношениях между абсциссами этих точек (расстояния между магнитометрами), поскольку последние отражают расположение магнитометров в конструкции измерительного модуля (представленное, например, на сборочном чертеже). Методически эта задача сводится к составлению и решению системы алгебраических уравнений относительно искомых коэффициентов.

Сравнением показаний магнитометров и их дальнейшей обработкой в вычислительном устройстве определяются параметры (а, b) формулы (1) помехи H(s), по этой формуле вычисляется поправка на величину помехи для каждого магнитометра, после чего она вводится в выходные показания инклинометра.

В результате применения одного из вариантов предлагаемого способа измерения магнитного азимута в скважинном инклинометре с помощью группы феррозондов можно приблизить измерительный модуль инклинометра к забойному агрегату, тем самым исключив из состава конструкции бурильного комплекса немагнитные трубы между забойным агрегатом и инклинометром.

Но компенсация магнитных помех со стороны конструкции забойного агрегата снизу от инклинометра с группой феррозондов не устраняет влияния колонны стальных труб бурильного комплекса с другой стороны - сверху от инклинометра. Это определяет постановку задачи устранения влияния магнитных помех при установке инклинометра между двумя источниками.

Решение этой задачи состоит в том, что измерения производят с помощью дополнительной группы феррозондов, аналогичной первой, устанавливая ее так, чтобы расстояние между ними превышало наибольший габарит конструкции каждой группы, подключают ее к вычислительному устройству, в котором по показаниям магнитометров определяются коэффициенты a₁, b₁, a ₂, b₂ формульной зависимости помехи от ферромагнитных элементов конструкции забойного агрегата и колонны труб, расположенных по разные стороны от корпуса инклинометра:

после чего по этой формуле вычисляют значения помехи в показаниях магнитометров и вводят поправки в выходные сигналы.

Поскольку источниками магнитных помех для магнитометров являются ферромагнитные элементы конструкции забойного агрегата с одной стороны и колонны стальных труб - с другой, то показания каждого из магнитометров будут зависеть от их расположения в корпусе инклинометра согласно формуле (2).

В этой формуле коэффициенты а_i и b_i отражают интенсивность распространения магнитных полей, генерируемых ферромагнитными элементами конструкции забойного агрегата и колонны труб, расположенных с разных сторон измерительного модуля инклинометра.

По показаниям магнитометров определяются коэффициенты формулы (2), вычисляется поправка на величину помехи для каждого магнитометра и вводится в их показания для вычисления параметров ориентации ствола буровой скважины по общеизвестным методикам.

В результате применения одного из вариантов этого способа измерения магнитного азимута с помощью двух групп феррозондов можно устанавливать инклинометр вблизи забойного агрегата и колонны труб, тем самым исключив из конструкции бурильного комплекса все немагнитные трубы (кроме корпуса измерительного модуля), как со стороны забойного агрегата, так и со стороны колонны стальных труб.

Известные устройства инклинометров (см., например, измеритель параметров пространственной ориентации по заявке N 95121039 на патент РФ, опубликованный 10.12.97 и выбранный в качестве прототипа предлагаемого изобретения), в которых решается задача определения пространственного положения ствола скважины с помощью магнитометров, измеряющих проекции напряженности магнитного поля Земли, для снижения влияния помех от ферромагнитных элементов конструкции забойного агрегата устанавливаются с помощью вставок из немагнитных труб на достаточно большом удалении от забойного агрегата. Это, как отмечалось выше, затрудняет решение задач контроля и управления процессом бурения скважин, усложняет и удорожает бурильный комплекс.

Этими недостатками не обладает предлагаемое устройство скважинного измерителя магнитного азимута. Этот результат достигается благодаря тому, что в состав измерителя включены по меньшей мере два дополнительных феррозонда, идентичные основному и размещенные в корпусе на известном расстоянии относительно друг друга, выходы которых соединены с дополнительными входами вычислительного устройства.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен пример схемной реализации скважинного измерителя магнитного азимута.

На фиг.1 обозначены:

1-4 - магнитометры феррозондов измерительного модуля инклинометра;

5 - корпус измерительного модуля;

6 - забойный агрегат;

7 - вычислительное устройство.

В приведенной схеме разнесение феррозондов с магнитометрами, оси чувствительности которых ориентированы идентично, выполнено при одинаковых расстояниях г относительно друг друга по оси корпуса измерительного модуля (частный случай). Точкой О обозначена координата эквивалентного точечного источника возмущающей магнитной помехи, генерируемой ферромагнитными элементами конструкции забойного устройства.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Сигналы магнитометров 1-4 поступают в вычислительное устройство инклинометра 7, в котором они подвергаются обработке с целью определения полезной составляющей, содержащей полезную информацию о магнитном азимуте скважины, и величины магнитной помехи в каждом магнитометре. Помехи в сигналах магнитометров зависят от их расположения в конструкции корпуса 5 измерительного модуля инклинометра, поскольку они находятся на разных расстояниях от забойного агрегата 6. Эта зависимость определяется функцией (1) - квадратичной гиперболой, которая идентифицируется в результате обработки их сигналов в вычислительном устройстве. Далее значения помех исключаются из показаний магнитометров и определяется магнитный азимут скважины по общепринятым алгоритмам.

В результате такой компоновки предлагаемого устройства скважинного измерителя магнитного азимута инклинометр может быть установлен в непосредственной близости к забойному агрегату, не требуя наличия вставок из немагнитных труб.

На чертеже показан пример выполнения схемы измерительного модуля, где магнитометры, входящие в состав феррозондов, установлены с разнесением по продольной оси корпуса, то есть имеется в виду случай, когда распространение магнитного поля помехи от ферромагнитных элементов бурильной компоновки (забойного агрегата) имеет преобладающий характер в направлении продольной оси скважины.

В общем случае при сложной конфигурации поля помехи, когда нужно определять не только ее продольную составляющую, но и поперечные, необходимо учитывать для разделения полезного сигнала и помехи также и смещение магнитометров относительно продольной оси корпуса по поперечным координатам. В этом случае координаты, отражающие взаимное расположение магнитометров в корпусе инклинометра по всем направлениям, известны из сборочного чертежа конструкции инклинометра.

Предлагаемое устройство скважинного измерителя магнитного азимута, исключая возмущающее воздействие на магнитометры намагниченных элементов со стороны забойного агрегата (снизу), однако остается подверженным помехам от магнитного поля с другой стороны измерительного модуля инклинометра - со стороны колонны труб бурильного комплекса (сверху инклинометра).

Для снижения влияния помех, генерируемых ферромагнитными элементами как со стороны нижней части бурильного комплекса, так и сверху, в состав предложенного выше устройства скважинного измерителя магнитного азимута вводится дополнительная группа феррозондов, идентичная основной и расположенная относительно нее на расстоянии, превышающем наибольший габарит конструкции каждой группы.

Схемная реализация этого устройства представлена на фиг.2. Здесь общий измерительный модуль размещается в корпусе 5 из немагнитного материала и состоит из двух идентичных групп феррозондов 8 и 9, в каждой из которых содержится несколько феррозондов с магнитометрами 1-4, установленных по оси корпуса на известном расстоянии относительно друг друга. Группы 8 и 9 феррозондов с магнитометрами разнесены относительно друг друга в корпусе 5 измерительного модуля на дистанцию d, составляющую около двух длин конструкции каждой группы. При этом группа феррозондов 8 размещена вблизи забойного агрегата 6, а группа 9 - рядом с колонной труб 10.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Сигналы магнитометров 1-4 каждой из групп 8 и 9 обрабатываются в вычислительном устройстве с целью определения величины помехи в каждом магнитометре, зависящей от их расположения в корпусе 5. В результате обработки определяются коэффициенты a₁ , b₁, a₂, b₂ формулы (2), описывающей зависимость помех в магнитометрах от возмущающего воздействия намагниченных элементов конструкции бурильного комплекса. После идентификации коэффициентов этой формулы производится вычисление величины помехи в каждом магнитометре и коррекция их показаний, по которым далее определяется магнитный азимут скважины общепринятыми методами.

Для проверки эффективности предложенных технических решений были поставлены эксперименты по определению помех в сигналах магнитометров при приближении и удалении ферромагнитных предметов, в том числе стандартных бурильных труб. При этом было установлено соответствие численных величин зависимости помех от расстояния до источника магнитного поля функции вида квадратичной гиперболы. Результаты коррекции показаний магнитометров при выработке магнитного азимута показали, что погрешность в выходных показаниях инклинометра при наличии близкорасположенных стальных бурильных труб уменьшилась более чем на порядок.