Способ определения искривления буровой скважины

Союз Советскик Социалистическик Республик(22) Заявлено. 13. 03. 78 (21) 2590222/22-03 (51) М. Кл. с присоединением заявки йо Е 21 В 47/22 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(23) Приоритет Опубликовано 301280, бюллетень Мо 48 Дата опубликования описания 30, 12. 80(72) Авторы изобретения А. В. Солдатов и Г. В. Рогоцкий Центральная научно-исследовательская лаборатория производственного объединения Оренбургнефть"(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИСКРИВЛЕНИЯ БУРОВОИ СКВАЖИНЫИзобретение относится к бурениюнаклонно направленных и вертикальных скважин.Известен способ определения координат забоя скважин методом изме рения времени запаздывания упругой волны, фиксируемой сейсмоприемниками на поверхности, относительно момента ее возникновения при ударе падающего с заданной высоты долота о забой 11, 10Недостатками способа являются сложность операций и неточность в определении скорости распространений волны, которая приводит к ошибкам при измерении положения забоя, и необхо димость останавливать бурение и проводить операцию удара долота о забой.Также известен способ определения искривления буровой скважины путем измерения упругих волн, возникающих 20 при работе долота, с.помощью сеймопрйемников, установленных на устье скважины 2 .Целью изобретения является повышение точности определения координат 25 забоя путем устранения ложных сигналов.На фиг. 1 показан принцип использования направленных сеймоприемников для пеленгации забоя, на Фиг. 2 изо бражена Функциональная схема суммарно-разностной обработки сигналов при пеленгации забоя; на фиг. 3 изображены суммарная и разностная диаграммы направленности с сейсмоприемников; наФиг. 4 показаны эпюры напряжений на входе и выходе суммарно-раэностного устройства, на фиг. 5 - пеленгационная характеристика системы.Для осуществления этого способавертикальные сейсмоприемники располагаются на поверхности земли или в углубленных вблизи устья скважин попарно под углом сох вертикали в двух взаимо перпендикулярных плоскостях МОЕ и тОХ)В результате в каждой плоскости создается пара диаграмм направленности РЫ) и ГЫ), которые некоторойчастью перекрывают друг друга. Выбирая угол 4 о смещения диаграмм таким, чтобы они пересеклись в области высокой крутизны, можно получить высокую точность пеленгования забоя. Однако слишком большой угол - о выбирать нельзя, так как снижается глубина действия сеймоприемников, Оптимальный вариант сс,о = 45оИз нормированных диаграмм г 1(1) и Р (А), построенных в полярных координатах, видно, что максимума диагРамм и с смещены на угол +Ио=45 от разносигнального направлеония РСН), где" Равносигнальное направление совпадает с вертикальной осью Е.Известно, что направление перемещения корпуса сейсмоприемника определяется смещением почвы, на которой он установлен, его чувствительность к истинному смещению почвы О является функцией угла с и определяется уравнением;О совА(1)Эта зависимость чувствительностисейсмоприемников от направления смещений почвы показана на Фиг, 1 ввиде полярных диаграмм направленности Р(А) и РЫ)При вращении долота на забоескважины возникают упругие волны, которые, распространяясь по породе,доходят до поверхности и возбуждаютсейсмоприемникиСигналы на выходахпервого и второгосейсмоприемниковсм. Фиг. 1) соответственно равны:О =КГ(йо+ ) сов (ю2ОС=.К Т (Йо-фС 05(вФ ) (2)где к - коэффициент пропорциональ-ности,"Г(А)- нормированная диаграмма направленности;ф- угол отклонения забоя отравносигнального направления(вертикали),дЭ - собственная частота сейсмоприемников,Для реализации суммарно-разностного метода применяем систему, функциональная схема которой показана 40на фиг. 2Для измерения одной координаты Хили У система имеет два канала: суммарный и раэностный.Сейсмоприемники 1 и 2, симметрично 4смещенные относительноустья скварны и наклоненные под углом ов= 45относительно вертикали, подключаютсядо входа в усилитель к суммарно-раэностномуустройству Э, которов вы- у.полнено по специальной трансформаторной схеме (возможна и другая схема . С суммарного выхода 2 снимаетсясу а напряжений свйсмопривмников 1 и2ОС + 0, причем зависимостьу Усуммарного напряжения от угла рассогласования у аналогична суммарной диаграмме, изображенной на фиг. Эа. Сраэностного выхода Ь снимается разность напряжений Од ф О-ОСЗависимость напряжения от угла рассогла 49сования ф представляет разностнуюдиаграмму, изображенную на фиг. Эб.На фиг. 4 показаны эпюры напряжений, действующие на входе и выходесуммарно-разностного устройства. уПри отсутствии рассогласования (= О), когда направление на забой совпадает с разносигнальным направлением, системы, принятые сейсмоприемниками сигналы Оси Ос равны, вследЛствие этого разностное напряжение М 4 равно нулю. Фаза разностного напряжения ( зависит от направления отклонения забоя от РСН от знака) и может либо совпадать с фазой суммарного напряжения 01, либо быть с ним в противофазе. Это хорошо видно на эпюрах фиг, 4Таким образом, сигнальным напряжением, которое несет полезную информацию о положении забоя относительно равносигнального направления, т.е. вертикали, является напряженйе ОНапряжение Оц и 04 поступает на вход суммарного и разностного каналов, которые состоят из усилителей 4,5 (см. Фиг. 2). Выходным устройством, где вырабатывается напряжениепропорциональное координате Х (в другой плоскости - У),является фазовый детектор б. Опорным напряжением на фазовом детекторе является суммарное напряжение О, а сиг-, нальными - разностное напряжение 04, Режим детектирования устанавливается квадратичным, чтобы выходное напряжение О было пропорционально произведению входных напряжений д ОД .ОСд-ЦдььпО О +Одсе са(4) гдв к - коэффициент пропорциональности.Величина напряжения Онпропорциональна угловому рассогласованию у (см. Фиг. 5), а знак зависит от направления забоя по отношению к РСН где к " коэффициент передачи Фазового детектора.Для исключения влияния изменения амплитуды сигнала на крутизну пеленгационной характеристики системы (Ьм. Фиг. 5) применена автоматическая регулировка усиления (АРУ) 7. Поскольку информацию о направлении на цель несет разностный сигнал, то во избежание демодуляции его схема АРУ, 7 управляется только суммарным каналом, а выход схемы АРУ подключен к усилителям обоих каналов 4 и 5. В результате амплитуда напряжения Оподдерживается постоянной, а амплитуда напряжения О 4- обратно пропорциональной суммарному сигналу. Вместе с тем напряжение О независимо от АРУ прямо пропорционально разностному сигналу 04 . В таких условиях напряжение О и О оказывается пропорциональным отйношению напряжений, т.е.791958, вертикали). Напряжения 9 Фазовых детекторов в каждой из плоскостей пропорциональны координатам Х и У.После усиления в усилителях постоянного тока 8 (см. Фиг. 2) напряжения 08 поступают в счетно-решающее устройство 9, где с помощью решающих следящих систем малой мощности, состоящих иэ усилителей постоянного тока, функциональных потенциометров, сервоусилителей,и исполнительных двигателей, кинематически связанных с движками.потенциометров, ,решаются уравнения:М соа Ъ-х Мп )Ъ= оа. Мьр+хеоэйц 51 Ь с с =Мсэ 1 в с Ь,где- направление отклонения забоя фскважины азимут) фС - угол наклона скважины зенитный угол);Р " отклонение линейное забоя отустьЮ скважиныф 21 ю - длина скважины в метраж. Этавеличина снимается с датчиков . и вводится в счетно-решающее. Устройст-. во 9.Результаты решения уравнений от(- 39 бражаются на шкалах индикаторов , , а. Координаты Х и У отображаются непрерывно на приборах, подключенных к выходам фазовых детекторов б на шкалах, проградуированных в метрах.Суммарный сигнал 0)используется не только как опорный в фазовом детекторе, но и для индикации волн, генерируемых вращающимся на забое долотом, на индикаторе 10Кроме того, 4 О это напряжение 01 может быть записано на магнитную ленту в запоминающем устройстве 11.Для оценки основных свойств рассматриваемой систевы находитзависимость напряжения 9 на выходе фазо вого детектора от угла рассогласо-. ванияи параметров аппаратуры.Сигналы на выходах первого и второго сейсмоприемннков 1 и 2 соответственно равны 30Напряжение на выходе сумчирующегоустройства0=, РЫофЭ)+ 6 Ао-у)1 соьсвФ,. С 7)Напряжение на выходе вычитающегоустройства0 =%Р йо+у)-Г (Йе-Д со% е(9) После усиления сигналов,в усилителя)симеетц=И Моф 7)+ Г (д о- )1 соз(а 1+ Ч,); 19)Оь 1 Ыо+) -ГЬо)сов а+Ч), Оо)где к и к - коэффициенты передачиприемных каналов (усилителей)по амплитудек 1 включен в к 2 иК)Я и Ч - фазовые сдвиги в усилителях каналов.На выходе фазового детектора ФД)имеет произведение сигналов,О иц , т.е,й4,.Подставив выражения 9) и (10) вформулу 1 1) уимеемОщщ =2%р К гЕ(Ю -)1 совй,Ч,). В выражении 112) представлен только низкочастотный член выходного напряжения, так как все высокочастотные составлякщие отфильтровываются фильтром фазового детектора.Если разложить Функции Р Яо+ф и ГЫО") к входящие в формулу (12) в ряд Тейлора, то получимЯ,СЫ)=Р,Ив)1=,Г-/4 фАнализируя Уравнение (13), можно сделать следующие выводы:1. Нулевое пеленгационное направление не зависит от амплитудных н Фазовых характеристик трактов ОЭЫр0 при ;О). Это основное достоинство амплитудного суммарно-раэностного метода пеленгации забоя скважины.2. Изменение амплитудных к и къ) и Фазовых(91 и Ч) характеристик трактов приводит лишь к некоторому изменению крутизны пеленгационной характеристики (см. Фиг. 5) .Установка сейсмоприемннков под углом к вертикали обеспечивает работу системы на участке с большой крутизной пеленгационной характеристики, а суюерно-разностная обработка сигналов до усилительных каналов обеспечивает исключение влияния неидентнчности усилителей на выходное напряже- ние, пропорциональное координатам забоя. Применяемая в данном способесистема пеленгации не реагирует напомехи, исходящие из одной точкипространства, так как они полностьюкомпенсируются при вычитании сигналов.Преимущество указанного способасостоит также в том, что он значительно меньше восприимчив к амплитудным флуктуациям упругих волн. Аппаратура для реализации данного способа дешевле в изготовлении и прощев эксплуатации. Система обеспечиваетболее высокую точность измерения координат,Применение данного сцособа не вносит каких-либо технологических изме.нений в процесс бурения, не требуетего остановки, повышается экономичность бурения, так как устраняютсявсе инклинометрические измерения,проводиьне силами геологической партии, Способ позволяет оперативно выводить забой скважины в заданные ко-.ординаты. Времени на измерение одного и того:же объекта затрачивается впять раз меньше, чем в прототипе. Этоособенно важно при проводке наклоннонаправленных скважин.Проведенные экспврименты показали,что при подборе сеймоприемников можно получить симметричную пелвнгационную характеристику с высокой чувст" вительностью на изменение угловых координат источника колебаний.Следует отметить особую перспективность предлагаемого способа при внедрении АСУ ТП бурения, так как координаты забоя скважин вырабатываются в этом случае автоматически. формула изобретенияОСпособ определения искривлениябуровой скважины путем измерения упругих волн, возникающих при работедолота, с помощью сейсмоприемников,установленных на устье скважины, о т- З л и ч а ю щ и й с я тем, что, с це,лью повышения точности определениякоординат забоя путем устраненияложных сигналов, сейсмоприемники устанавливают наклонно на одинаковом 3) расстоянии от устья скважины в диаметрально противоположных направлениях,в двух взаимно перпендикулярных плоскостях./2 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США 9 381345,кл. Е 21 В 47/02, опублик. 1974. 2. Авторское свидетельство СССР, 9 286890, кл. Е 21 В 47/02, 1969.791958 оставител ехред а а актор Д. Павло Филиал ППП фПатентф, г. Уигород, ул, Проектная,аказ 9435/34 Тираа 626 ВНИИПИ Государственного к по делам изобретений и 113035, Москва, З, РаущИ. арбачинскаяКорректор И. Мус Подлнснотета СССРкрытыйая наб., д. 4/5