Система геомагнитного азимутального кругового обзора для ориентации устройств направленного бурения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 68652 А 1)5 Е 21 В 47/022 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВТОРСКОМУ ЕТЕЛЬСТВУ овых сква 8-170,нализаторх и газовыхлемеханиости, -М.: СО(21) 4632056/03 (22) 04.01.89 (46) 07.08.91. Бюл.%29 (75) М.Г.Эскин (53) 622.242 (088,8) (56)Калинин А.Г.Искривление бу жин.-М.: Гостоптехздат,1963,с,1Ворожбитов М.И, и др. Си направленного бурения нефтяны скважин. Сер. Автоматизация и т зация нефтяной промышленн РНТС ВНИИОЭНТ, 1976 М 5(54) СИСТЕМА ГЕОМАГНИТНОГО АЗИМУТАЛЬНОГО КРУГОВОГО ОБЗОРА ДЛЯ ОРИЕНТАЦИИ УСТРОЙСТВ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ (57) Изобретение относится к технике бурения скважин и позволяет повысить точность ориентации устройств направленного бурения в скважинах с неограниченным в сторону уменьшения зенитным углом. Система включает бурильную колонну с отклонителем 1 и немагнитными трубами в виде пере 2 В еводнике 2 установлены1668652 Мрот иг. ставитель А,Цветковхред М.Моргентал Корректо едактор О.Хрипта ндр оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 2639 ВНИИПИ Г Тиражрственного комитета 113035, Москва, Ж Подписноезобретениям и открытиям при ГКНТ СССРРаушская наб., 4/51668652 5 10 20 3035 40 датчик (Д) 3 геомагнитной азимутальной ориентации и глубинный клапан (К) 4, управляемый гидравлическим усилителем (У) 5, В состав системы входят также ротор 7 буровой установки с приводом 8 Д б давления бурового раствора, установленный на входе в бурильную колонну. В корпусе Д 3 на оси вращения размещены силовой магнит и рычаг. Рцчаг жестко связан с осью вращения и расположен между упором и ограничитеИзобретение относится к технике буре ния скважин и предназначено для ориента ции устройств направленного бурения.Цель изобретения - повышение точности ориентации в скважинах с неограниченным в сторону уменьшения зенитным углом.На фиг.1 приведена конструктивная схема системц геомагнитного азимутального кругового обзора для ориентации устройств направленного бурения; на фиг.2 - глубинная часть системы; на фиг.З - датчик ориентации системы; на фиг.4 - то же, вид сверху; на фиг,5 - конструктивная схема усилителя, на фиг.б - схема взаимодействия глубинной и наземной частей системы; на фиг,7 - зависимость момента датчика ориентации от угла поворота отклонителя; на фиг,8 - схема направления сил трения при вращении ротора в сторону вращения долота; на фиг.9 - то же, при остановке ротора,Система геомагнитного азимутального кругового обзора для ориентации устройств направленного бурения содержит бурильнуюколонну с немагнитными трубами, глубинную часть, установленную в призабойной зоне и наружный комплекс, размещенный на устьевой площадке буровой установки.В состав глубинной части входит компоновка низа бурильной колонны (КНБК), включающая наряду с долотом, забойным двигателем и стабилизаторами также отклонитель 1. Внутри немагнитных труб пере- водника 2 над отклонителем 1 расположены глубинный датчик 3 геомагнитной азимутальной ориентации и глубинный клапан 4, управляемый гидравлическим усилителем 5. В состав наружного комплекса входит датчик 6 давления бурового раствора, который установлен на входе в бурильную колонну и предназначен для регистрации сигнала увеличения давления на + Л Р при закрытии клапана 4 от срабатывания датчика 3, Кроме того, наружный комплекс вклюлем, установленным на корпусе Д 3, При этом рычаг размещен на оси вращения с возможностью взаимодействия с входом У 5, При совпадении направляющей грани отклонителя 1 с направлением магнитного севера Д 3 через У 5 воздействует на К 4, При этом К 4 закрывается, что вызывает повышение давления бурового раствора, которое фиксируется Д 6. 9 ил, 1 табл. чает в себя ротор 7 буровой установки с следящим приводом 8, управляемым измерительно-усилительным элементом 9, который обеспечивает два режима работы.Первый режим управления углом урот положения ротора относительно сторон света, задаваемым установкой ррот 3 Для этого используется датчик угла положения ротора, например, сельсинного типа.Второй режим управления частотой прот, вращения ротора, задаваемой установкой частоты прот.з. вращения, причем прот. = прот.з. Для этого случая используется датчик частоты вращения ротора. В случае применения следящего привода, включающего исполнительный двигатель постоянного тока, режим прот =%рот,з. обеспечивается и в отсутствии датчика частоты.В переводнике 2 (фиг.2) размещены также элемент 10 управления усилителем 5 и гидравлический переключатель 11,Датчик 3 геомагнитной азимутальной ориентации(фиг.З и 4) выполнен в виде статора-корпуса 12, на котором установлены упор 13, ограничитель 14 и кронштейны 15, Корпус 12 жестко связан с переводником 2, На одном из кронштейнов 15 закреплен один конец плоской пружины 16, В корпусе 12 расположен ротор в виде силового магнита 17, который размещен на оси 18 вращения, установленной в упорах 19. С осью 18 жестко связан рычаг 20, котррый расположен между упором 13 и ограничителем 14. К рычагу 20 прикреплен второй конец пружины 16, причем сам рычаг 20 размещен на оси 18 с воэможностью взаимодействия с входом гидравлического усилителя 5 через элемент 10 управления. Пространство между статором-корпусом 12 и ротором-магнитом 17 заполнено демпфирующей жидкостью 21, необходимой для уменьшения колебаний динамической системы ро 1668652тор-статор датчика при колебаниях КНБК в процессе бурения.При повороте магнита 17 относительно горизонтальной компоненты геомагнитного поля управляющее усилие Гу от рычага 20, (фиг.4) передается на вход гидравлического усилителя (фиг,5), на выходе которого развивается перестановочное усилие Гп, необходимое для прикрытия глубинного клапана 4, Усилие Гп в зависимости от конструкции усилителя может быть равным 300 - 500 кгс и даже нескольким единицам кгс, например, при использовании разгруженного дифференциального клапана, Наиболее простой, но менее чувствительный усилитель, использующий гидравлическую энергию прокачиваемого раствора, содержит три каскада усиления (фиг.5), При этом шток22 оконечного каскада 23 усилителя связан с глубинным (основным) клапаном 4, а шток 24 промежуточного каскада 25 и шток предварительного каскада 26 связаны с соответствующими промежуточными клапанами.В результате работы трех каскадов усилителя во много раз уменьшается усилие Гу чувствительного элемента датчика, требуемое для закрытия входного отверстия 27 камеры предварительного каскада 26 усилителя,Коэффициент усиления каждого каскада такого усилителя, определяемый отношением выходного усилия к входному, может достигать 80 - 100, Поэтому даже для получения перестановочного усилия Ги, равного 500 кгс,требуемое усилие от чувствительного элемента при трех каскадах усиления равноГу "0,5 гс.Возможно использование более чувствительного, но и более сложного усилителя, использующего энергию, вырабатываемую автономным турбонасосом, работающим на автономной жидкости, отделенной от бурового раствора, и приводимым в движениеавтономнойтурбиной, через которую проходит поток бурового раствора,Глубинный клапан управляется оконечным каскадом - гидравлическим усилителем аналогично тому, как в усилителе (фиг.5).Возможно использование еще более чувствительного, но и более сложного усилителя с электрогидравлическим усилением и турбонасосным автономным агрегатом,При этом глубинный клапан также управляется оконечным каскадом - гидравлическим усилителем аналогично тому, как в усилителе (фиг.5).Однако чувствительный элемент датчика с усилием Гу устанавливает лишь включе 5 10 15 20 25 30 35 4 О 45 50 55 нием электромагнитного клапана, в частности, через какое-нибудь реле, что позволяет свести требуемое усилие Гу управления до долей гс и резко увеличить чувствительность устройства.Работа системы обепечивается автономным электротурбонасосным агрегатом (не показан), состоящим из автономной турбины, приводящей насос и электрический генератор, обеспечивающий питанием электрическую часть усилителя.В состав наружного комплекса системы входят также блоки (не показаны), выполненные на основе вычислительно-дисплейной техники: блок вычисления для режима геомагнитного азимутального кругового обзора (БУО); блок вычисления для режима стабилизации и управления положением направляющей грани отклонителя (БУС); блок отобРажениЯ инфоРмации об Углах гРэт и Ррот поворота относительно сторон света (геомагнитных координат) отклонителя и ротора (БОИУ); блок отображения информации режима бурения таких параметров, как момента Мд на долоте, скорости Чп подачи и др. (БОИР); пульт управления режимом ориентирования устройства направленного бурения и режимом бурения (ПУ).Блок БУО работает только в режиме геомагнитного азимутального кругового обзора и предназначен для вычислений угла р, визирования и угла базак закручивания бурильной колонны,Угол Ъ визирования представляет собой разность между углом уЪт.с поворота направляющей грани отклонителя от начальной координаты. отсчета, например, магнитного севера и соответствующим углом ррот.с поворота выбранной грани на роторе при отсутствии крутильных напряжений во всех элементах, составляющих бурильную колонну9 Ъ = ЪТ,С - фРОТ,С (1)Угол визирования зависит от числа труб,их свинчивания, закрепления в резьбовых соединениях, и расчетным путем его определить нельзя,Угол 1 а, закручивания данной бурильной колонны определяется разностью углом поворота ротора и отклонителя подобно описанному выше для угла визирования, но при действии реактивного момента на статоре забойного двигателя, равного в статическом режиме моменту Мд на долоте 9 ЪЗК = ЯЭОТ С - фОТ С (2)Угол Ъзк, закручивания зависит от мо мента Мд на долоте, моментов трения кола ны о стенки скважины, крутильной жесткосп отдельных участков бурильной колонны, 1668652поэтомУ опРеДелениЕ Угла дЪзк. встРечаетбольшие трудности.Блок БУС работает только в режиме стабилизации (управления) угла бы, поворотанаправляющей грани отклонителя и предназначен для проведения вычислений в процессе долбления и определения установкиугла ррот,з положения ротора, при котором, стабилизируется (управляется) задаваемоезначение угла уЬт,з относительно сторон 10света. С этой целью на вход БУС подаетсязначение момента Мд на долоте и значениеугла р визирования, определяемое блоком БУО во время геомагнитного аэимутального обзора, а также другие величины,Блок БОИУ отображения информациислужит для визуального наблюдения за из менением во времени 1 и пространстве, определяемом глубиной 1 с по стволускважины, углов Ът. (1,с) и рвот. (Ос) положения относительно сторон света направляющей грани отклоняющего устройства инаправляющей грани (выбранной точки от счета) ротора,Блок БОИР отображения информации 25служит для визуального наблюдения за параметрами режима бурения во времени ипространстве, в том числе для оценки состояния долота.Пульт ПУ служит для управления режи- З 0мом проведения геомагнитного азимуталь, ного кругового обзора, задавая значениядзот.з, и режимом стабилизации (управления) углом направляющей грани отклоните, ля, задавая блоку БОИУ значения установок З 5Ът.з, а также для управления режимом бурения, задавая значения установок его па раметров,Работа системы основана на следующих положениях,40Во-первых, при использовании следящего привода 8 ротора 7 следует учесть возможность отворачивания труб привращении ротора 7 против часовой стрелкина угол - Л гаррот, даже существенно меньшийугла р,зк закручивания колонны, зависящего от действующего момента и крутильнойжесткости бурильной колонны, Поэтому система слежения должна обеспечиваться 5вращением ротора 7 неограниченного по50часовой стрелке+ орот и ограниченно против часовой стрелки. .ррот на угол (гаррот)Ласт,пред где Л ррот,пред, предельноезначение угла, задаваемое в зависимости от 55состава бурильной колонны. Это условиеобеспечиваетлогическая схема измерител ьно-усилительного элемента 9,Во-вторых, в системе используется датчик момента Мрот(т) на роторе. В качестве датчика момента можно использовать как измерители усилий в силовой цепи ротора различного вида, так и в случае применения энергоотзывчивого привода ротора, в частности привода постоянного тока, электрические величины, отражающие момент потребляемый на валу: ток в цепи якоря, мощность (с учетом потерь),В-третьих, буровая установка оборудована устройством, обеспечивающим плавную подачу верхнего конца бурильной колонны в диапазоне скоростей Нп подачи, превышающем диапазон скоростей Чб бурения, а желательно и подъем (скорость ЧО). В качестве устройств подачи можно использовать выпускаемые отечественной промышленностью устройства (например, типа РПДЭ, которые могут работать в режимах задаваемой скорости Чл.з подачи, осевой нагрузки Он.з момента Мд.з на долоте, частоты пт.з, вращения турбобура.В-четвертых, буровая установка укомплектована насосным агрегатом для подачи бурового раствора, желательно с возможностью управления, например поршневым насосом с регулируемым и риводом постоянного тока, Для включения в работу и выключения глубинной части системы служит гидравлический переключатель, состоящий из глубинного элемента, входящего в датчик 3, и наземного элемента, воздействующего на устройство управления насосным агрегатом (изменение расхода). Переключатель управляется с пульта управления, имеющего две позиции "Включено" для режима геомагнитного кругового обзора и "Выключено" для наиболее длительного режима стабилизации или управления положением направляющей грани отклонителя.В-пятых, бурильная колонна рассматривается как составной стержень в упругом поведении, Влияние инерционных сил ввиду малых ускорений не учитывается,При выполнении этого условия зависимость между углом от поворота направляющей грани отклонителя относительно сторон света, отсчитываемого по часовой стрелке относительно магнитного севера, и углом ррот поворота выбранной грани ротора, отсчытываемого относительно магнитного севера, будет иметь видфст = фрот + фЪ Ъак(3) где уЪ - угол визирования, определяемый согласно (1).По своей природе уЪ может иметь различные значения по величине и знаку, изменяясь для каждой трубы, при этом общий угол визирования будет всегда в пределах ОЪ2 т(уЬзк - угол закручивания, равный сумме Ъак = фзакЛ(4) Система геометрического азимутального.кругового обзора для ориентации устройств направленного бурения работает следующим образом. где дЪзк. - угол закручивания 1-го участка при разбивке колонны на и участков одинаковой крутильной жесткости и действии на этом участке одного 1-го закручивающего МОМЕНта Мззк.1,32, 1фззкл - 4 411Мзак.3 (5)Л(б - 011 )где Мззкл - закручивающий момент, кг см;1 - длина участка, см;б - наружный диаметр труб, см;б 1 - внутренний диаметр труб, см;0 - модуль упругости при сдвиге, кг/см для стали повышенного качества 6 = 8,1 кг/см, для высокосортной и специальной стали 6 = 8,5 кг/см,Для нашего случая на всех 1-х участках колонны действуют различные моменты Мзак.1, так как помимо момента Мд на долоте вдоль колонны распределены силы трения, создающие моменты М трения на 1-м участке колонны о стенки скважины.Наличие различных случайных факторов не дает возможности точно определить угол уЪ визирования.Неопределенность моментов Мд на долоте, моментов М трения колонны о стенки скважины, разностенность труб, наличие в составе колонн участков с различными геометрическими параметрами делают невозможным более или менее точное определение угла рззк расчетным путем.В то же время, величина реальных значений угла рзак достаточно велика. Ориентировочные значения угла закручивания колонны бурильных труб от реактивного момента турбобура при проводке наклонных скважин в Западной Сибири в зависимости от глубины бурения представлены в таблице.Флуктуация величины угла Ьзк под влиянием случайных факторов при больших значениях самого угла уЬзк делает задачу его определения важной, но трудной. Поэтому актуальным является определение угла уЬзк закручивания и угла уЪ визирования и их использование для управления углом Ът поворота направляющей грани отклонителя,Устанавливают какой-т 1 ибо регламентированный режим бурения в пульте управления режимами, при котором скорость Чп подачи равна скорости Чь бурения, 5 Переключателем включают в работу глубинную часть системы.С пульта управления ориентацией задают, медленно увеличивая, последовательно различные значения уставки уот.з через 10 интервалы, равные 2 л (фиг.6), Благодаряналичию следящего привода 8 и элемента 9 ротор 7 буровой установки будет, поворачиваясь по часовой стрелке, занимать последовательно контролируемые блоком БУО 15 положенияЯют.о, фот 1 = (фото + 2 Л;й)от 2 = урот 1 + 2 лЩютп = фрот(п - ) + 2 Л, (6)где рното - первое положение ротора,при котором выбранная грань ротора совпала с магнитным севером.УКаэаННЫЕ ЗНаЧЕНИя люто рот 1фротппередаются от датчика угла ротора на блоквычисления БУО и фиксируются средствамипамяти.В ходе проводимой операции обзорапутем поворота ротора через некоторыеприращения угла Лфо, поворота ротораот датчика 6 давления на блок БУО будутпоступать сигналы фронта повышения давления + Ь Р (фиг.7), сигнализирующие о совПадЕНИИ ПОЛОжЕНИй Ът 1, Дот 2,", фэтпнаправляющей грани отклонителя 1 с магнитным севером, каждому из которых соответствует значение угла поворота роторафот 1 = 1 фот 1 фЬТ 1)фрот 2 = рот 2(фот 2),фротп, = фотп (фотп)к(7)При взаимодействии глубинного датчика 3 ориентации и наземного датчика 6 давления (фиг.6) на вычислительный блок БУО 45 поступают сигналы (показаны пунктирными линиями), соответствующие последовательностям:фрот 1 фрот 2, фотЗ фротпЯют 1, фот 2, фротз,", фротп, (8) 50 при этом разности углов)к)с 4(Ьфот (2-1) = рот 2 фрот 1Любют (З) = фротЗ фот 255 Лфрот и - (п), = (фотп - фро 1 (и) (9)эа счет наличия изменяющихся углов закручивания могут быть не равными один другому, флуктуируя относительно среднего значения Лф = 2 л, 1668652 1210 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Получение сигналов, равных+ ЛР, датчиком 6 давления, при которых положения фотт, фот 2 ", уЪтп направляющей грани отклонителя совпадают с направлением магнитного севера, обеспечивается действиями глубинной части системы (фиг 2 - 5), работающей следующим образом.Ротор датчика 3, который представляет собой силовой магнит 17, поворачивается в упорах 19 вокруг оси 18; расположенной вдоль оси скважины, причем проворачивание ротора и рычага 20 ограничено упором 13 и ограничителем 14. С рычагом 20 совмещен вход, например, клапан или реле, предварительного каскада 26, усилителя 5, для управления которым требуется усилие Ру, направленное против часовой стрелки относительно статора, если смотреть от устья скважины, и принятое отрицательным.Силовой магнит 17 стремится занять положение, при котором его магнитная ось (горизонтальная составляющая) была бы направлена вдоль горизонтальной компоненты геомагнитного поля Нг,При отклонении от указанного направления на угол а возникает вращающийся момент Мдат датчика, изменяющийся по синусоидальному закону (фиг.7).Так как зазор между упором 13 и ограничителем 14 небольшой, то можно считать, что угол а поворота силового момента 17 примерно равен углу от поворота отклонителя, отсчитываемому по часовой стрелке, если смотреть с устья скважины,При работе датчика 3 геомагнитной азимутальной ориентации момент Мдат, развиваемый ротором-магнитом 17 относительно статора-корпуса 12, изменяет свой знак. Этот момент Мдт положителен, если направлен по часовой стрелке (рычаг 20 прижат к упору 13) или отрицателем, если он направлен против часовой стрелки (рычаг 20 прижат к ограничителю 14). При этом развивается требуемое усилие Ру на закрытие глубинного клапана 4. Учитывая сказанное, зависимость момента Мдат, развиваемое между ротором и статором датчика 3, можно представить в виде синусоиды (фиг.7), где значение угла уЪт = 0 соответствует направлению магнитной оси магнита 17 и, следовательно, направляющей грани отклонителя 1 на магнитный север.На линии Мо задается величина момента пружины 16, прижимающей рычаг 20 к упору 13, т.е, действующей на открытие глубинного клапана 4,Закрытие клапана 4 вызывает повышение давления на величину+ Ь Р при значе(1 0) где Мпр - момент, развиваемый прижимающей пружиной, направленный в сторону открытия глубинного клапана;Мтр - момент, обусловленный трением в упорах 19;М(Еу) - момент, требуемый для создания управляющего усилия.Так как значения моментов МпрО, Мтр О, М(Гу)0 препятствуют закрытию глубинного клапана, то для выполнения условия (10) момент, развиваемый силовым магнитом (момент датчика Мдт), должен бйть отрицательным по знаку и равным по абсолютному значению величинеМдатМпр+ Мтр+ М(Ру) (11) что и определяет угол закрытия рт , при которомзакрывается глубинный клапан, вызывая приращение давления на величину + ЬР(фиг,7),При остальных значениях угла от, при которых согласно (10) МдэтО и рычаг 20 прижат к упору 13, глубинный клапан открыт и приращение давления (+ ) Л Р = О.Иэ сказанного следует, что чувствительность датчика тем больше, чем больше отношениеМцхет. макс где Мдат.макс - амплитудное значение момента МдатДля увеличения и требуется уменьшение трения в упорах 19, задаваемого усилием Гу управления, и увеличение момента, развиваемого силовым магнитом при повороте в геомагнитном поле,По величине р можно определить точность ( дат ) определения величины угла тЪт в сиСтемЕ геомагнитных кооРДинат по совпадению направляющей грани отклонителя с магнитным севером. При.этом наблюдается закрытие глубинного клапана и появление фронта волны давления (+ Л Р), передаваемого по буровому раствору наземному датчику 6 давления.В итоге значение,и определяет точность искомой координаты магнитного севеРа величины Угла УЪт повоРота направляющей грани отклонителя, величины урот поворота направляющей грани ротора и значений нии угла рот, соответствующем отрицательному суммарному моменту Мдат датчика, т.е. при движении рычага 20 к ограничителю 14, при котором развивается достаточная величина управляющего усилия Ру, Это характеризуется величиной момента датчика, равнойМдат = Мпр+ Мтр + М(Ру)О,Я)от 1 (ГЪт 1),Я)от 2 (Дот 2) ".,фрото Ътп), Н Е- обходимых для работы системы геомагнитного обзора,Задача возможного уменьшения момента М(Еу) рассматривалась при описании и анализе возможных конструктивных схем выполнения усилителей.Задача уменьшения момента Мтр трения в упорах 19 (фиг.3) может быть решена с учетом специфики конструкции датчика 3, у которого ротор не вращается относительно статора, а только имеет возможность поворачиваться на небольшой угол относительно статора.Для того, чтобы это сопровождалось малой затратой момента на трение в упорах, можно использовать различные конструктивные решения, такие как установку торца оси на шарик, компенсацию гравитационной силы, действующей на массивный магнитный ротор, плавучестью в жидкостной среде, заполняющей пространство между ротором и статором. Можно исключить трение в упорах 19, используя различные варианты подвеса ротора - аналоги подвеса на упругой нити (с установкой направляющих для удержания направления оси). Возможны и другие конструктивные варианты.Проведенный анализ и расчет показали, что при расположении оси ротора силового магнита вдоль оси скважины величина момента Мдат, развиваемого ротором, представляющим магнит, выполненный в форме параллелепипеда с размерами по оси, направленной вдоль скважины, 1 м и квадратным сечением площадью Зм, изготовленный из редкоземельных материалов с остаточной индукцией Вгм =4000 Гс коэрцитивной силой Нсм = 4000 Э, равнаМдат=Нсм 1 м Ям Н, з 1 п,а созО, (13)где Нг - горизонтальная компонента напряженности геомагнитного поля;а - угол между горизонтальной компонентой геомагнитного поля и магнитной осью силового магнита (в данном случае угол а близок к углу уЪт поворота отклонителя);О - зенитный угол в точке траектории ствола скважины.При конструктивно реализуемых размерах магнита с сечением Ям = 4 х 4 см и длиной 1 мсм и величине напряженности геомагнитного поля Нг = 0,5 Э значение Мдат- Лпри гът = - равно Мдат= Мдат.макс =30 гссм.2При указанных размерах и угле рот = 3величина Мдат = 1,6 гс см при малых зенит 50 55 Поэтому обзор путем проворачивания ротора осуществляется шаговым методом с фиксацией, остановкой ротора после каждого шага на определенное время, достаточное для пробега фронта волны давления с забоя к устью( " 1200 - 1300 м/с); величина шага в зоне приближения к магнитному северу с углом Ът должна быть не более 2 - Зо. Зону приближения можно прогнозировать по результатам первых произведенных проворотов на 2 л,47 г и т.д, Необходимость сказанного объясняется влиянием сил тре.- ния отдельных элементов колонны о стенки скважины,ных отклонениях, При соответственно выбранных усилителях такая величина момента достаточна для определенияф)от 1,фот 2,.фотпС тОЧНОСтЬЮ дО 3При использовании датчика при буреКнии скважин с зенитным углом ОвелиЛчина момента уменьшиться в сов д0,7раза, что можно компенсировать, в.частности, выполнением ротора большей осевойдлины 1 м (выражение 13).Горизонтальная компонента Нг геомагнитного поля изменяется в значительных15 пределах на земной поверхности при переходе в более высокие широты,Величина Нг для различных северныхширот составляет Э:0 - 30 Нг = 0,4 - 0,3520 30 - 45 Нг = 0,35 - 0,245 - 60 Нг = 0,2 - 0,1560 - 70 Нг = 0,15 - 0,170 - 75 Нг = 0,1 - 0,05Учитывая, что значения Нг точно геогра 25 фически определены, а уменьшение Нг мож-.но компенсировать размерамиротора-магнита и типом усилителя, даннаясистема может разрабатываться в модификациях, зависящих от района предполагаемого использования.При проведении азимутального кругового обзора необходимо скоординироватьграни магнитного севера отклонителя с углом Ът и ротора с углом ррот втой ситуации, в которой ведется бурение.Бурение наклонно направленных скважин с помощью гидравлических забойныхдвигателей на большинстве участков траектории скважин ведется при невращающем 40бЯются роторе буровой установки (пр,т =- 0).бДля этих случаев координация каждого положения орот(уЪт ) должна соответство 45вать укаэанному условию бурения прот = О,16 1668652 10 25 30 35 40 50 55 фв - угол визирования; На фиг.8 и 9 показаны направления силтрения (моментов Мт) колонны о стенкискважины (для простоты принято равномерное их распределение по длине колонны) иих влияние на величину моментов, закручивающих колонну в различных сечениях дляслучаев вращения ротора в сторону вращеб Флот( - = О). При вращении ротора закручиб ОЪотбтвающие моменты Мрот, определяемые суммой момента Мд на долоте и моментов Мттрения, будут, складываясь, больше, чемпри остановке ротора, когда они будут вычитаться. Это приведет к ошибкам - завышению угла закручивания, определенногопри оО, по сравнению с условиемб 1боотФ,бурения, когдаО,Выполнение предлагаемой методикипроцедуры геомагнитного азимутальногокругового обзора предусматривает запоми нание в вычислительном блоке БУО последовательности и пвр значений углов ррот ифотповорота ротора согласно выражению (8), где и - число циклов полного кругового обзора, осуществляемого поворотомротора.В процессе кругового обзора будет непрерывно наращиваться угол тррот и уголрот, который при работе системы выражен черезпараметрррот т.к. т 4 от= ДатЬЪт )(7)Одновременно будут наращиваться значения угла визирования 1 Ъи угла закручивания уьвк, флуктуирующие относительносредних значений сообразно ситуации бурения (данная колонна, действующий момент Мд на долоте, моменты Мт тренияколонны о стенки скважины),Для определения среднего положенияугла поворота отклонителя суммируют значения всех величин углов, входящих в выражение (3) за и циклов, начиная с= 1,Так как значение Ът выРажено чеРезпаРаметР Уот, то вмеСто УЪт можно поДставить фот и в результате получаютЙ 44 от =дроп + Й ттв -рввкь 14)=1 =1 )=1Для определения среднего значения угла УЪт.ср. повоРота отклонителЯ, выРаженного через параметр угла положенияротора, следует все члены выражения (14)разделить на п, в результате получают д в в Ь.ср. = фо,ср = - 2, Дют+ , /Ъ - Д 2 ааа, (15) й-= =В этом основном выражении для определения среднего угла положения отклонителя сумма , аротв =271 л,.а остальные=1две суммы совместно определяют из выражения (14) и (15), в результате получают тоьн во 2 та 2 телек = фет -т 4 вет 1 = 1 фот 1 - 2 л . (В) 1 во 1 - 1 1= 1 ов 1 1= Выражение (16) дает среднее значениеугла сноса усн положения направляющей грани отклонителя у забоя, недоступного 15 .непосредственному наблюдению, относительно положения направляющей грани ротора относительно магнитного севера, и доступного для определения у устья скважины.Операции, соответствующие выражениям (15) и (16), выполняет вычислительный блок БУО обзора, выдавая на блок БОИУ отобРажениЯ инфоРмации значениЯ Ът и ррот, При неизменной средней ситуации бурения флуктуации возмущений носят случайный характер, поэтому чем больше число циклов и, тем точнее определение фут.ср.Число циклов и для уменьшения времени, затрачиваемого на обзор, можно ограничить, организовав процедуру стационарности, т,е. определения такого числа циклов и, после которого значение Ът.ср. изменЯЕтсЯ несУщественно. ПРи изменении средней ситуации в бурении (изменение состава колонны, существенных условий бурения) указанную процедуру кругового обзора следует повторять,Дальнейшее развитие данная система может получить при достаточно точном опРеделении текУщего значениЯ Угла 1 Ът (1). поворота направляющей грани отклонителя в процессе механического дробления с учетом всех возможных изменений режимов бурения без частого проведения процедуры обзора, что важно как для стабилизации заДанного значениЯ УЪт, так и ДлЯ его УпРавления по заданной программе в функции глубины 1 с и времени бурения т, когда необходимо выполнять условие 1 Ът =от.э (с 1).Для указанной цели, отправляясь отданной посылки упругого поведения колонны, можно записать выражение для угла грот(1) в видеЪтДаат+ фЪ Сазак (Мрот + Мв), (17) ГдЕ ррот (1) - тЕКущЕЕ ЗНаЧЕНИЕ уГЛа ПОВОРО- та ротора;18 17 1668652 25 и Мроф) - текущее значение момента на роторе;Мв - момент трения в вертлюге;цззк - величина, обратная общей крутильной жесткости бурильной колонны, 5 , град/кгс м,Все операции, связанные с определением величины ЪТ согласно выражению(17),можно реализовать с помощью современной вычислительной техники,Данная система позволяет, по сравнению с известной, получить более высокую точность определения угла положения от клонителя при управлении траекторией скважины с малым зенитным углом (менее Зо), что обеспечивает ориентированный спуск бурильной колонны и определение начального положения отклонителя при забу ривании наклонных участков скважин и исправление кривизны при бурении вертикальных скважин. Формула изобретения Система геомагнитного азимутального кругового обзора для ориентации устройств направленного бурения, содержащая бурильную колонну с немагнитными трубами, ротор буровой установки с приводом, глубинный клапан, управляемый гидравлическим усилителем, расположенным над отклонителем, и датчик давления бурового раствора, установленный на входе в бурильную колонну, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности ориентации в скважинах с неограниченным в сторону уменьшения зенитным углом, она снабжена глубинным датчиком геомагнитной азимутальной ориентации, установленными внутри немагнитных труб и выполненным в виде размещенных в корпусе на оси вращения силового магнита и рычага, жестко связанного с осью вращения и расположенного между упором и ограничителем, установленными на корпусе, при этом рычаг размещен на оси вращения с возможностью взаимодействия с входом гидравлического усилителя.