устройство для определения углов искривления скважины

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.

Описание изобретения к патенту

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 угла установки отклонителя , магнитного _m и географического _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 = a₁b₁ + a₂b₂ + a₃b₃



b^* = c₁ b₁ + c₂b₂ + 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.