способ и устройство контроля азимута угла установки отклонителя в вертикальных стволах скважин

Формула изобретения

1. Способ контроля азимута угла установки отклонителя в процессе бурения, содержащий измерение проекций вектора угловой скорости вращения Земли на горизонтальную плоскость при неподвижном положении скважинного прибора, сочлененного с отклонителем и расположенного вдоль оси ствола скважины, по значениям которых вычисляют азимут угла установки отклонителя в этом положении, отличающийся тем, что, с целью определения азимута угла установки отклонителя в процессе бурения, непрерывно измеряют текущий угол поворота отклонителя относительно неподвижного положения, в котором производились измерения и вычислялся азимут угла его установки, путем интегрирования значений угловой скорости поворота отклонителя, а азимут угла установки отклонителя в процессе бурения определяют как сумму двух углов по формуле:

= (t)+ _o,

где - текущее значение угла поворота отклонителя в процессе бурения;

(t) - текущее значение угловой скорости поворота отклонителя в процессе бурения, вектор которой направлен вдоль оси ствола скважины, оси скважинного прибора и отклонителя;

_о - азимут угла установки отклонителя, измеренный в неподвижном положении отклонителя.

2. Устройство для осуществления способа, содержащее вычислитель азимута угла установки отклонителя, исполнительный механизм с вращающимся валом, расположенный в корпусе устройства так, что ось вала расположена вдоль оси корпуса, а на валу исполнительного механизма размещен датчик угловой скорости, отличающееся тем, что исполнительный механизм выполнен в виде электродвигателя постоянного тока, на валу которого установлен датчик угла поворота вала электродвигателя относительно его корпуса, ось чувствительности датчика угловой скорости совпадает с осью вала электродвигателя, выход датчика угловой скорости через усилитель обратной связи соединен с питающими обмотками электродвигателя, а выход датчика угла поворота вала электродвигателя подключен на вход вычислителя азимута угла установки отклонителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для бурения направленных скважин.

Известен способ контроля азимута угла установки отклонителя на вертикальных участках ствола скважины в процессе бурения [1]. На участках скважины с наклоном менее 3-х градусов, угол установки отклонителя измеряется путем суммирования сигналов датчика азимута и датчика положения отклонителя в горизонтальной плоскости.

Недостатком способа является использование датчиков, основанных на измерении магнитного поля Земли и нанесении специальных магнитных меток. При работе в обсадных стальных колоннах указанные датчики применяться не могут.

Известен способ измерения траектории ствола скважины трехстепенным гироскопом в процессе движения скважинного прибора. Указанный способ основан на измерении проекций угловых скоростей вращения Земли относительно двух взаимно перпендикулярных осей в плоскости, перпендикулярной оси скважины, и на измерении угла поворота скважинного прибора относительно стабилизированного в плоскости горизонта и в азимуте направления [2].

Недостатком способа является невозможность его использования при бурении из-за большого уровня вибраций скважинного прибора, из-за требуемого малого диаметра скважинного прибора и недостаточного ресурса применяемых гиромоторов.

Известен способ измерения траектории ствола скважины в процессе движения скважинного прибора, заключающийся в измерении проекций угловых скоростей на три взаимно перпендикулярные оси датчиками угловых скоростей, измерение проекций ускорений на те же оси с последующей математической обработкой результатов измерений [3].

Недостатком способа является невозможность построения подобного устройства, работающего в процессе бурения скважин, из-за его неприемлемо больших габаритов, недостаточной виброустойчивости, низкой эксплуатационной надежности.

Наиболее близким техническим решением как для способа, так и для устройства является гирокомпас, который состоит из двухстепенного гироскопического датчика угловой скорости, расположенного на поворотной платформе. Датчик угловой скорости устанавливается на платформе таким образом, что его ось чувствительности направлена перпендикулярно оси поворота. Платформу последовательно с помощью исполнительного механизма устанавливают в три положения в горизонтальной плоскости, измеряют проекции угловой скорости вращения Земли в этих положениях и с помощью математической обработки выходных сигналов определяют азимут установки гирокомпаса [4].

Недостатком способа, взятого за прототип, является то, что измерения могут быть произведены только при неподвижном положении прибора.

Целью изобретения является определение азимута угла установки отклонителя в процессе бурения скважины.

Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля азимута угла установки отклонителя в процессе бурения, содержащего измерение проекций вектора угловой скорости вращения Земли при неподвижном положении скважинного прибора, сочлененного с отклонителем и расположенного вдоль оси ствола скважины, по значениям которых вычисляют азимут угла установки отклонителя в этом положении, в дополнение к этому, непрерывно измеряют текущий угол поворота отклонителя относительно неподвижного положения, при котором определялся азимут угла его установки, путем интегрирования значений угловой скорости поворота отклонителя, а азимут угла установки отклонителя в процессе бурения определяют как сумму двух углов по формуле:

, где

- текущее значение угла поворота отклонителя в процессе бурения

(t) - текущее значение угловой скорости поворота отклонителя в процессе бурения, вектор которой направлен вдоль оси ствола скважины, оси скважинного прибора и отклонителя.

_o - азимут угла установки отклонителя, измеренный в неподвижном положении отклонителя.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем вычислитель азимута угла установки отклонителя, исполнительный механизм с вращающимся валом, расположенный в корпусе устройства так, что ось вала расположена вдоль оси корпуса, а на валу исполнительного механизма размещен датчик угловой скорости, при этом исполнительный механизм выполнен в виде электродвигателя постоянного тока, на валу которого установлен датчик угла поворота вала электродвигателя относительно его корпуса, ось чувствительности датчика угловой скорости совпадает с осью вала электродвигателя, выход датчика угловой скорости через усилитель обратной связи соединен с питающими обмотками электродвигателя, а выход датчика угла поворота вала электродвигателя подключен на вход вычислителя азимута угла установки отклонителя.

Сущность изобретения поясняется чертежом на котором изображены: вычислитель 1 азимута угла установки отклонителя, исполнительный механизм, выполненный в виде электродвигателя 2 постоянного тока, корпус 3 устройства, вал 4 электродвигателя, датчик 5 угловой скорости, датчик 6 угла поворота вала электродвигателя, усилитель 7 обратной связи.

При направленном бурении ствола из вертикальной скважины (такими обычно считаются стволы скважин с углом наклона менее 3-х градусов), особенности забойных измерений связаны с тем, что, во-первых, измерения производятся при вертикальном расположении скважинного измерительного прибора, и, во-вторых, ствол скважины в месте проведения замеров, как правило, обсаженный, то есть скважинный прибор располагается внутри стальной трубы - в обсадной колонне.

Вертикальное расположение скважинного прибора в месте замеров делает невозможным измерение угла установки отклонителя при помощи гравитационных датчиков - акселерометров. Их используют для ориентации отклонителя при углах наклона ствола скважины более 3-х градусов, при меньших углах ориентируют отклонитель относительно сторон света, то есть измеряют азимут угла установки отклонителя. Однако обычно используемые для этого магнитные датчики, измеряющие магнитный азимут, не работают внутри стальной трубы, так как она экранирует магнитное поле Земли. Таким образом, для ориентации отклонителя в вертикальной обсаженной скважине могут быть использованы только гироскопические инклинометры.

В отличие от обычных забойных измерительных устройств (магнитных, гравитационных), существующие в настоящее время гироскопические инклинометры не могут работать в условиях вибрации и требуют для проведения замеров полной остановки бурения на время порядка нескольких минут. Невозможность контроля угла установки отклонителя в процессе бурения (то есть, фактически, бурение вслепую) является существенным фактором, снижающим качество буровых работ из-за отклонения траектории скважины от проектной. Предлагаемый способ и устройство позволяют контролировать азимут угла установки отклонителя в процессе бурения. Рассмотрим работу предложенного способа и описание работы устройства.

Пусть в первоначальном неподвижном положении отклонителя на забое, азимут угла установки отклонителя был измерен, например, с использованием способа [4], то есть _o - известно. Перед началом бурения производят спуск скважинного прибора с предлагаемым устройством, стыкуют его с отклонителем и включают. При бурении, датчик 5 угловой скорости измеряет разность между угловыми скоростями поворота вала электродвигателя относительно его корпуса - _в/корп. и поворота самого корпуса электродвигателя, сочлененного с корпусом устройства и отклонителем - (t):

_вала= _в/корп.- (t)

Сигнал с датчика 5, пропорциональный величине _вала подается через усилитель 7 обратной связи на обмотки питания электродвигателя 2 постоянного тока, вращая вал электродвигателя в сторону, обратную вращению отклонителя, с такой угловой скоростью, чтобы сигнал с датчика 5 стал равным 0, т.е.

Датчик 6 угла поворота, расположенный на валу 4 электродвигателя, измеряет угол, на который повернется вал 4 относительно корпуса электродвигателя, т.е. величину

но, поскольку

то этот угол будет равен

т.е. равен текущему значению угла поворота отклонителя в процессе бурения.

Вычислитель 1 азимута угла установки отклонителя суммирует значения (t) и ₀, т.е. вычисляет значение = (t)+ ₀

Компенсационная схема измерений, реализованная в рассматриваемом устройстве с обратной связью, позволяет снизить метрологические требования к гироскопическому датчику 5 угловой скорости, который, работая при угловых скоростях, близких к 0, в этом устройстве фактически является не измерительным средством, а нуль-органом, фиксирующим отклонения сигнала от нулевого уровня. Эта особенность измерительной схемы позволяет использовать в качестве датчиков угловой скорости микромеханические гироскопические датчики, обладающие малыми габаритами и высокой виброустойчивостью, обеспечивая надежное функционирование устройства в качестве скважинного прибора в процессе бурения.

Литература

1. В.Х.Исаченко. Инклинометрия скважин. М.: Недра, 1987 г., стр.122-123.

2. Патент РФ № 2004786, кл. Е21В 47 02.

3. Н.Т.Кузовков. Системы стабилизации летательных аппаратов. М.: Высшая школа, 1976 г., стр.94-97.

4. Гироскопические приборы и системы / Под ред. Д.С.Пельпора. М.: Высшая школа, 1988 г.