Устройство для определения пространственного положения глубоких скважин

(191 ( 9 4 Е 21 В 47 02 ОМИТЕТ СССРНИЙ И ОТНРЫТИИ ОСУДАРСТВЕННЫИПО ДЕЛАМ ИЗОБР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССРУ 981599, кл. Е 21 В 47/022, 1980.Авторское свидетельство СССРВ 889836, кл, Е 21 В 47/022, 1979,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ГЛУБОКИХСКВАЖИН(57) Изобретение касается бурениянефтяных и газовых скважин (С) и поэволяет повысить точность измерений и расширить их диапазон. Устр-всодержит три тороидальных датчика(ТД) 1,:2 и 3, выполненных из диэлетрического материала. Оси подвесаТД 1, 2 и 3 расположены по диаметру9торов и шарнирно закреплены в корпусе 4 в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом ТД 1, 2 и 3 наполовину заполнены электропроводящей жидкостью 8 н имеют по два высокоомных кольцевых реохорда 9 и 10. Они размещены по окружностям наибольшего и наименьшего внутренних диаметров тора и имеют разрывы а-в и б-г. На каждом ТД 1, 2 и 3 противоположно разрывам а-в и б-г по диаметру тора, перпендикулярному оси подвеса, укреплен груз 11, Предварительно ориентируют устр-вс на устье С, На каждом заданном интервале иэмерени. снимают одновременно показания ТД 1, 2 и 3 и замеряют глубину С. Изменение угла наклона оси подвесаТД 1, 2 и 3 приводит к перемещению поверхности контакта электропроводящей жидкости внутри тора. Изменяется длина рабочих участков реохордов 9 и 10 при постоянном сопротивлении их плеч. Зная глубину С, угол наклона и азимутальное отклонение ее оси от начального направления,.строятан и профиль С. 6 ил.1 12Изобретение относится к техникебурения и предназначено для определения пространственного положенияглубоких скважин при добыче и разведке полезных ископаемых подземными открытым способами, а также можетбыть использовано для определенияпространственного положения объектовили ориентации их в пространстве,Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение диапазона измерений,На Фиг, 1 приведено устройстводля определения пространственногоположения глубоких скважин; наФиг. 2 - разрез А-А на Фиг. 1; наФиг. 3 - расположение осей подвесадатчиков в трех взаимно перпендикулярных плоскостях; на Фиг. 4 - вертикальный разрез тороидального датчика; на фиг, 5 - пример плоскостного искривления оси скважиН; наФиг, б - пример пространственногоискривления скважины.Устройство для измерения угловыхотклонений скважины содержит три "одинаковых тороидальных датчика 1-3,оси подвеса которых шарнирно закреплены в корпусе 4 (Фиг. 1 и 2), Датчики выполнены из диэлектрическогоматериала.Датчик 1 со своей осью 5 подвеса, совпадающей с продольной осьюкорпуса 4 устройства и расположенной с горизонтальной плоскости ХОУ(Фиг. 3), предназначен для измеренияуглов наклона оси скважины Зс.Датчик 2 со своей осью б подвеЪса, расположенной в вертикальнойплоскости УОЕ перпендикулярно оси5 подвеса, предназначен для измерения угла проворота ( корпуса 4 устройства вокруг собственной продольной оси,Датчик 3 с осью 7 подвеса, расположенной в вертикальной плоскостиХОЕ перпендикулярно осям 5 и 6 подвеса, предназначен для измерения угла наклона к горизонту плоскостискважины 3 пс, совпадающей с плоскостью, проходящей через оси датчиков 1 и 2.Оси подвеса всех датчиков расположены по диаметру торов, которыенаполовину заполнены электропроводящей жидкостью 8. Кольцевые реохорды9 и 10 тороидальных датчиков вылолнены из высокоомного материала, размещены по окружностям наибольшего и98364 5 10 15 2025 30 35 40 45 5055 наименьшего внутренних диаметров тора и имеют разрывы: а-в, б-г,Участок реохорда 9 от вывода а(Фиг. 4) через злектропроводящуюжидкость к выводу о реохорда 10,включен в схему, как одно плечо измерительного моста, Другим плечомизмерительного моста является участок реохорда 9, от вывода 6 черезэлектропроводящую жидкость к выводу2 реохорда 10. Четыре вывода а, б,в и г реохордов каждого тороидального датчика подключены к измерительной схеме позволяющей Фиксироватьизменения электрического сопротивления плеч моста, обусловленного изменением рабочей длины реохордовзамыкаемых токопроводящей жидкостьюпри изменении угла наклона оси подвеса тороидального датчика, вызванного искривлением скважины,На каждом торе укреплен груз 11для обеспечения постоянного ориентирования датчика в вертикальной плос.кости при выполнении измерений, Груз11 укреплен на торе диаметрально противоположно разрывам (а-в, б-г) реохордов по диаметру тора, перпендикулярному оси подвеса (фиг. 4).Устройство для определения пространственного положения скважин работает следующим образом,Перед осуществлением измеренийоно центрируется с помощью какоголибо приспособления для центрирования скважинных приборов и путемнаправленной подачи досылается вскважину. В устье скважины измерительное устройство предварительноориентируется таким образом, чтобыпоказания тороидального датчика 2измеряющего угол проворота корпуса4 измерительного устройства вокругсобственной продольной оси, былиравны нулю. Одновременно снимаютсятакже показания тороидального датчика 1, измеряющего угол наклона начального направления оси скважины,и тороидального датчика 3, измеряющего в устье скважины угол наклонаплоскости забуривания. Под плоскостью забуривания скважины понимаютплоскость, образованную осью скважины в ее устье и нормалями к осискважины, расположенными горизонтально.После выполнения предварительной ориентировки измерительного устройства в устье скважины плоскость,1298364сопротивление плеч измерительного йяЗс соз а= -" е 83 пс проходящая через оси подвеса тороидальных датчиков 1 и 2, совпадаетс плоскостью забуриваннч.В исходном положении углы наклона, определяемые по показаниям тороидальных датчиков 1 и 3 совпадают.В дальнейшем., осуществляя направленную подачу, на каждом заданноминтервале измерений снимают одновременно показания тороидальных датчиков 1-3 и измеряют глубину скважины. Искривление скважины приводит кизменению пространственного положения корпуса 4 измерительного устройства и изменению показаний тороидального датчика 1, фиксирующегоугол наклона оси скважины Зс на участке замера, тороидального датчика2, фиксирующего угол проворота дкорпуса 4 измерительного устройствавокруг собственной продольной оси итороидального датчика 3, измеряющего угол наклона плоскости скважины3 пс на участке замера, Под плоскостью скважины на участке замера понимают плоскость, проходящую черезось скважины на этом участке и пересекающуюся с плоскостью забуриванияпо горизонтали, расположенной перпендикулярно начальному направле- ЗОнию оси скважины при забуривании. Вустье скважины плоскость скважинысовпадает с плоскостью забуривания,Проворот .корпуса 4 измерительного устройства вокруг собственной про дольной оси при его направленной подаче в скважину происходит, как показано моделирование, за счет измене.ния зенитного и азимутального направления скважины. При этом плоскость 40проходящая через оси 5 и б подвесатороидальных датчиков 1 и 2, не изменяет своей начальной ориентировкиотносительно плоскости скважины. Следовательно в любой точке замера 45плоскость, проходящая через оси 5 и6 подвеса тороидальных датчиков 1 и2, совпадает с плоскостью скважины вслучае, если ось корпуса 4 устройства совпадает с осью скважины, или жепараллельна плоскости скважины припараллельном расположении этих осей.Таким образом, углы, измеряемые тороидальными датчиками 1-3, оказываютсявзаимосвязанными с углом наклона иазимутальным углом скважины,1 Парнирная подвеска тороидальныхдатчиков обеспечивает постоянную иминимальную площадь поверхности зеркала электропроводящей жидкости,что позвопяет получить прямолинейнуюзависимость между углом наклона и изменением сопротивления реэистивныхэлементов в любом диапазоне измерений,Изменение угла наклона оси подвеса тороидального датчика приводит кперемещению поверхности контактаэлектропроводящей жидкости внутритора. В результате этого длина рабочих участков реохордов 9 и 1 О, включенных в соответствующие плечи измерительного моста, изменяется, причемсопротивление одного иэ плеч мостапо мере уменьшения длины рабочегоучастка реохорда уменьшается, а сопротивление другого плеча ровно настолько же увеличивается, Суммарное моста, образованных реохордами, остается при этом величиной постоянной,независимо от угла проворота осиподвеса тороидального датчика. Указанное равенство изменений величинсопротивлений противоположных плечмоста, а также постоянство их суммарного сопротивления при любом наклоне скважины позволяет упроститьконтроль исправности работы устройства,На основании показаний измерительного моста, подключенного к тороидальному датчику 1, определяют потарировочным графикам или таблицамнаправление отклонения, угол наклона оси скважины Зс и направление отклонения (вверх или вниз). Аналогично по показаниям измерительного моста, поочередно подклю чаемого к торо.идальным датчикам 2 и 3, определяютугол проворота у и направление (почасовой или против часовой стрелки)корпуса 4 измерительного устройствавмесТе с тороидальными датчиками вокруг собственной продольной оси иугол наклона плоскости скважины Зпск горизонту,Азимутальное отклонение оси скважины от начального направления (направления забуривания) определяют по формулам (1) или (2) соз а=СЗс1298364 ение (5) ния оси кости Н, ямоуголь Урав скривл ой пло писываетважины в н словиеальИз и ОС 0 слеого треугольник и, сле у что чт ОС=00 соИз прямВ А получ ядп с=гдето =А В екция точки плоскость Г сояЗс=1 сояЗс,ное отклонение а В =ОА Аэимутальскважины 00правления Оточке 0 полутреугольникаОСсова= Учитывая, ставляют собо В соответст правление РОО о чки 0 иС кции точек на началь скважины и кцию ОВ, и ьника ОС 0, т ее начально ред А и ое наа о после искривлениячают из прямоугольно ОСВ нно и г ризонтальную про угольного треуго оярсоя с- =со сояЗпссояЗс аспо соя Зс где а - азимутальное отклонение оси скважины от начального направления в месте замера,град;Зс - угол наклона оси скважиныв месте замера, град;Зпс - угол наклона плоскостискважины на участке замерак горизонту, град;- угол проворота корпуса иэмерительного устройства вокруг собственной продольнойоси в месте замера, град,Для вывода указанных формул воспользуемся фиг.5,где приняты следующие обозначения: 0 - точка искривления осискважины; РОО - фактическое полохение оси скважины; РООО - начальное направление оси скважины; Г -горизонтальная плоскость; Н - наклон. 2 Оная плоскость, в которой расположена ось скважины; Зпс в . угол наклона плоскости скваяины; Зс - уголнаклона оси скважины на участке ОО,Р,а=1 ВОВ - азимутальный угол отклонения оси скважины от начального направления, т.е, угол между горизонтальными проекциями начального направления оси скважины РОО, и фактического положения оси скважины ООР.После искривления скважины в точке О (фиг 5) и отклонения ее оси от. начального направления РОО, на уголскважина принимает новое направление ООР. Точка замера угловых величин, расположенная на оси скважины, переместилась при этом иэ поло/жения А в положение А таким образом, что плоскость поперечного осевого се )чения аа с с корпуса 4 (фиг, 1) из мерительного устройства остается,какэто было установлено опытным путем, параллельной и совпадающей с плос . костью скважины Н. Поэтому из пря/моугольного треугольника ОВ А , рас положенного в вертикальной плоскосс /ложенного в вертикальной плоскости, попучают 0 Ся."пЗпс=или ОС=00 ядпЗпс. 00 Но иэ прямоугольного треугольника 00 А , расположенного в плоскости скважины Н, следует что 00=01 соя(3=ф соя 3, поэтому0 С=Ь 1 сояр ядпЗпс,Подставив значение Ь в выражение (3),получают 1 созе ядпЗпсядпЗс- -ядпЗпс соя,(4)1 В результате искривления скважины происходит, как этцфыло установлено опытным путем, пр 1 ворот размещенного в ней корпуса 4 с тороидальными датчиками 1-3 (фиг. 1) вокруг собственной прогольной оси, совпадающей с осью скважины. Угол п 1 оворота ( корпуса 4 с тороидальными датчиками в точке замера А .равен(у1=И К Е. Его численное значение определяют с учетом установленного опытным путем того факта, что нормаль ИК к оси скважины РООО, совпадающая с плоскостью продольного осе 1вого сечения аа с с (фиг. 5), после искривления скважины в точке О эанимает положение И К , перпендикулярное новому направлению ОО, и находится в плоскости Н оси скважины.Опытным путем на основании результатов многочисленных экспериментов, часть которых приведена в таблице, установлено, что пс=1 еоя 13 сояЗпс. гольного треугольникачке А всегда равноудаленн будет располож й плоскости Р,В то же времй расположена в ти, проходящей авление РООО осшению к т можно от то наитички О,той жеи точкиа А доликальной оторая аклонни А в 55 ч на быт лоскос ерез начальное напр Подставляя в это выражение значение совсогласно Формуле (4), окончательно получают Формулу (1).Таким образом, в рассмотренном частном случае искривления оси скважины в плоскости Н (Фиг. 5) аэимутальное отклонение а оси скважины от начального направления ООО определяют по Формуле (1).В общем случае пространственного 10 искривления оси скважины на Фиг.б приняты следующие обозначения: 0 - точка искривления оси скважины; РООО - начальное направление оси скважины; РОО - фактическое поло жение оси скважины после ее искривления; Г - горизонтальная плоскость; Н - наклонная плоскость, в которой была расположена .ось скважины до искривления; Р - наклонная плоскость, 20 в которой расположена ось скважины после искривления; З - угол наклона плоскости Н.(он же является начальным углом наклона оси скважины); Зпс - угол наклона плоскости Р, в 25 которой.расположен участок оси скважины после ее искривления; Зс - угол наклона оси скважины на участке искривления ОО, а - азимутальный угол отклонения оси скважины от начально- Зр го направления, отсчитанный в горизонтальной плоскости.Взаимосвязь между углом проворотакорпуса 4 измерительного устройства с углом наклона Зс оси скважины ООт и азимутальным отклонением35 а оси 1 скважины ОО,Р от начального направления РООО в общем случае пространственного искривления устанавливают следующим образом, Ось скважи"40 ны, имеющая начальное направление РООО, искривляется в точке О таким образом, что выбранная на ней точка А попадает не в точку А , как былов предьЩущем случае (Фиг, 5) а в145 точку А . При этом ось скважины изменяет азимутальное направление на угол а, опустившись одновременно по вертикали на угол АЗ и переходит из плоскости Н в другую плоскость Р (Фиг. 6),50По отно тоскважины. Следовательно, если рассматривать отрезок ОА в качестве расчетного начального направления скважины, то плоскость Р, проходящую через точки О, Аи Л, можно рассматривать как промежуточную плоскость с углом наклона Зпс. Тогда в соответствии с полученной опытным путем Формулой (5) для промежуточной расчетной плоскости Р можно записать, что угол проворота корпуса 4 измерительного устройства с тороидальными датчиками 1-32вп=в 1 п Зпс-в 1.п Зс. (б) Откуда угол наклона Зпс промежуточной расчетной плоскости Р равен гсв 1 п Результаты расчетов по формулам (1) и (2) должны быть одинаковыми.В случае, когда скважина искривляется только в вертикальной плоскости, т,е, изменяется только ее зенитный угол, то показания датчика 2 постоянно равны нулю. Датчик 1 п казывает зенитный угол оси скважины Зс, а датчик 3 - зенитный угол плоскости скважины Зпс на каждом участке замера, Углы, определенные по показаниям датчиков 1 и 3, равны в этом случае друг другу, Второй частный случай, когда скважина искривляется только в плоскости забуривания, При этом показания датчика 2 изменяются и по ним определяют величину и направление отклонения скважины. Изменяется угол наклона оси скважины Зс к горизонтальной плоскости, постоянными остаются только показания датчика 3, определяющего угол наклона плоскости скважины Зпс над горизонтом, так как он в данном случае не меняется. В общем случае, когда скважина произвольно изменяо Заменив в формуле (1) угол Зпс наклона начальной плоскости Н скважины РОО, на угол наклона Зпс промежуточной расчетной плоскости Р, в которой располагается ось скважины РОО после ее искривления в точке О, получают формулу (2), по которой определяют азимутальное отклонение а оси скважины РОО от начального направления РОО . Указанная Формула применима как при плоскостном, так и при пространственном искривлении оси скважины.1298364 20 Угол наАзимутальвое отклонение оси скважины, град. 5 60 клонаплоскости скваживы Эпс гол наклона освкважннц, Эс 0 0 0 0 Угол проворотаустройства,( О, 0 Угол наклона оскважины, Эс 10,5 7,5 4,5 1 Угол проворотаустройства,ц 5 3,0 14,0 1 35 70 10 9,0 26,5 22 гол наклона осикваживы Зс 5 Угол проворотаустройства,30 9,5 24,5 2 7,0 13 Угол наклона осскважины, Зс 1,0 35 26,5 14,5 0 45 45 44 Угол прбворот устройства,Азимут клонескважи 45 4,5 33 5 15 альное отние осв ны, а,град,90 0 9 90 9 Угол наклона осскважины, Эпс,град 60 45 3 Угол провороустройствадград. 45 6 0 15 ет свое направление, одновременно изменяя азимутальное отклонение и угол наклона над горизонтом, изменяются показания всех трех датчиков,Эная глубину скважины, угол накло на Зс и азимутальное отклонение а оси скважины РОО от начального нафправления РОО 0, рассчитывают координаты точек замера и строят по ним план и профиль скважины, Ю Формула изобретения Устройство для определения пространственного положения глубоких скважин, включающее корпус, внутри которого установлены два тороидальных датчика угловых перемещений, каждый из которых содержит электропроводную жидкость и один высокоомный кольцевой реохорд, размещенный поокружности наибольшего диаметра тока,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с цег.ью повышения точности измерений и расширения диапазона измерений,оно снабжено третьим тороидальнымдатчиком, при этом торы заполненыэлектропроводящей жидкостью наполовину, имеют вто 1 йй высокоомный кольцевой реохорд, груз и оси подвеса ккорпусу, которые расположены по диаметру торов и укреплены шарнирнов корпусе в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, причем второйкольцевой реохорд размещен по окружности наименьшего диаметра тора, агруз укреплен на торе диаметральнопротивоположно разрывам реохордовпо диаметру тора, перпендикулярномук оси подвеса.1298364 Составитель А.Цветковедактор А,Ворович Техред Л С ердюкова орректор М.Самборска аказ 870/32 11303 Производственно-полиг аграфическое предприятие Уг. жгород Проектная, 4 Тираж 533 И Государственного делам изобретений Москва, Ж, Рауш Подписноекомитета СССРи открытийкая наб д. 4/