Кафедра загальної та прикладної геофізики
Курсова робота
з геофізичних досліджень свердловин на тему:
Розробка інклінометра з безперервним вимірюванням азимута
Виконав: студент групи 4151
Рижов А. А.
Перевірив: Неретін В.Д.
Дубна, 2005
зміст
Вступ
1. Визначення викривлення свердловин 5
2. Оцінка похибок вимірювання 11
3. ФЕРОЗОНДОВИЙ інклінометри
4. Гіроскопічні інклінометри 8
висновок 36
Список літератур 37
Додаток 1 38
Вступ
Метою курсової роботи є вивчення та порівняння інкліномет- рических датчиків: феррозонда і гіроскопа.
Актуальність теми. Безперервне зростання темпів розвідки і видобутку нафти і газу, збільшення інтенсивності вже знайдених родовищ за рахунок застосування кущового буріння і горизонтальної проводки родовищ зажадало істотного підвищення точності діагностики і активного контролю просторового положення стовбура свердловини.
Як відомо, в буріння похилих свердловин одним з важких і відповідальних завдань є орієнтування отклонітеля для проведення зарезки з вертикального стовбура. Орієнтування отклонітеля пов'язано з можливими помилками, що збільшуються з ростом глибини буріння.
Здійснити зарезку з вертикального стовбура не представляється можливим провести на основі традиційно застосовуваної техніці буріння. Інтервали викривлення характеризуються виникненням ускладнень і прихватов бурильного інструменту.
Це, в свою чергу, призвело до необхідності створення нових, більш досконалих поколінь инклинометрических вимірювальних систем, за допомогою яких здійснюється визначення просторового положення свердловини.
Инклинометр, як вимірювальна система, використовується в найважливішому технологічному процесі - будівництві свердловин. За його свідченнями маркшейдер контролює відповідність профілю і плану свердловини проектного завдання і коригує відповідним чином процес буріння. Тому точність вимірювань, що виконуються і оперативність їх уявлення багато в чому визначають і вартість витрат на побудову свердловини в цілому.
Розробкою таких систем займається ряд спеціалізованих вітчизняних і зарубіжних фірм. Однак вітчизняні інклінометри поступаються зарубіжним за технічними характеристиками, а останні мають дуже високу вартість.
У той же час, аналіз науково - технічних досягнень наших провідних підприємств аерокосмічної і приладобудівної галузей показує, що на базі своїх розробок і науково - технічних напрацювань вони можуть створювати вітчизняні інклінометри, конкурентоспроможні на світовому ринку, як за своїми технічними характеристиками, так і за вартістю .
Однак, незважаючи на великий науковий доробок в області точного приладобудування, використання його для вирішення проблем інклінометрії вимагає додаткового вивчення і дослідження. З цього всі зусилля, спрямовані на розробку инклинометрических систем, є актуальними і своєчасними.
1. Визначення викривлення свердловин
У проектах на буріння проводка свердловин передбачається вертикальної або в заданому напрямку (похило-спрямовані). Направлене буріння проводять в тих випадках, коли покрівлю пласта необхідно розкрити в точках, проекція яких на земну поверхню зміщена щодо гирла свердловини. Це потрібно при кущовий бурінні (рис.1, а) в разі, коли неможливо розмістити обладнання безпосередньо над об'єктом буріння (рис.1, б), при розтині крутопадаючих пластів (рис.1, в) і т. П.
Рис.1. Приклади застосування похило-спрямованого буріння
а - кущова буріння;
б - розтин пласта під перешкодою;
в - розтин крутопадающими пласта під надвигом
Однак і при бурінні вертикальних свердловин за рахунок вигину бурильних триб і розкриття пластів різної твердості, що залягають під деяким кутом до горизонтальної поверхні, відбувається відхилення стовбура від вертикалі, зване викривленням свердловини.
Інформацію про фактичний стан стовбура свердловини необхідно мати насамперед технологам, з тим щоб запобігти значні відхилення стовбура від вертикалі або заданого напрямку. Необхідно виявляти ділянки з різкими викривленнями, в яких може утворитися система жолобів, що призводять до ускладнень при бурінні, проведенні геофізичних досліджень, при спуско-підйомах бурового інструменту, спусках обсадних колон, фільтрів. Крім того, дані про викривленнях необхідно враховувати при геологічних побудовах, при визначенні місця розташування забою, абсолютних відміток розкриваються пластів і їх нормальної потужності. Просторове положення будь-якої точки стовбура свердловини характеризується двома кутами: кутом викривлення δ (кривизни свердловини) - відхиленням осі свердловини від вертикалі (рис.2, а) і дирекційний кутом β (рис.2, б) - кутом між горизонтальною проекцією елемента осі свердловини, взятої в напрямку збільшення глибини свердловини, і географічним меридіаном.
Рис.2 Проекція ділянки стовбура свердловини на вертикальну (а) і горизонтальну (б) площині.
Зазвичай замість дирекційного кута користуються магнітним азимутом φ, т. Е. Кутом, відлічуваним по ходу годинникової стрілки між напрямком на магнітну північ Див і горизонтальною проекцією елемента осі свердловини.
Визначення викривлення свердловини зводиться до вимірів положення в просторі осі свердловини, наступним один за іншим. Причому в межах кожного відрізка вісь свердловини ототожнюють з прямою лінією. Вимірювання в свердловинах виконують по точках. У вертикальних свердловинах відстань між точками спостереження l (крок вимірювання) приймають рівним 25м, в похило-спрямованих - 5 м.
При визначенні проекції стовбура свердловини умовно приймають, що кути δ і φ, отримані в нижній точці інтервалу дослідження, залишаються постійними до наступної точки вимірювання. Площина, що проходить через вертикаль, і пряму лінію, прийняту в даному інтервалі за вісь свердловини, називають площиною викривлення. Справжні значення кута відхилення δ, а також величину горизонтальної проекції заданого інтервалу глибин визначають в площині викривлення.
Проекцію інтервалів стовбура свердловини на вертикальну площину (рис.2, а) визначають як
(1)
де 
і 
- глибина нижньої і верхньої точок вимірювання.
Для визначення абсолютної позначки розкривається i-го шару 
обчислюють суму вертикальних проекцій від гирла свердловини до досліджуваного інтервалу:
(2)
Горизонтальна проекція i-го інтервалу свердловини 
, Відхиленого на кут 
(Рис. 2, б),
(3)
За даними виміряних кутів і обчислених значень горизонтальних проекцій будують інклінограмму - проекцію осі свердловини на горизонтальну площину (рис. 3). Інклінограмму отримують шляхом послідовного побудови всіх обчислених значень , Починаючи з найменшої глибини, і відкладають їх у напрямку виміряного кута φ. Поєднавши початкову точку першого інтервалу з кінцевою точкою останнього, здобувають загальну зміщення осі свердловини від вертикалі α на досліджуваній ділянці. Величину зміщення і його напрямок вказують на плані. Інклінограмми будують, як правило, в масштабі 1: 200.
Рис.3 Приклад побудови інклінограмми - горизонтальної проекції стовбура свердловини
Кути і азимути відхилення в свердловинах вимірюють спеціальними свердловинними приладами - інклінометр. Залежно від системи вимірювання все інклінометри можна об'єднати в три групи.
Перша група об'єднує прилади, в яких для вимірювання азимута служить магнітна стрілка (бусоль), а датчиком кута є схил. Показання датчиків за допомогою градуйованих опорів (потенціометрів) перетворюються в електричні сигнали і по жилі кабелю передаються на поверхню (інклінометр на опорах).
До другої групи належать фотоінклінометри. Як покажчика азимута служить бусоль, покажчика кута - сферичне скло з нанесеною сіткою кутів нахилу і кулька, вільно переміщається по цій сферичної поверхні. Заміри проводять по точках. Реєстрація здійснюється в свердловину приладі шляхів фотографування показників датчиків на кіноплівку.
Третя група - це гіроскопічні інклінометри. Як датчик азимута використовують гіроскоп, який при обертанні зберігає заданий напрямок осі в просторі. Датчиком вугіллі викривлення служить схил. Вимірювання виконують безперервно по 6 стовбура свердловини.
Приладами, в яких датчиком азимута служить бусоль, вимірювання азимута можна проводити тільки у відкритому стовбурі свердловини Гіроскопічні інклінометри дозволяють вимірювати азимут в свердловинах, обсаджених металевої колоною, а також в розрізах, в яких природне магнітне поле Землі аномально спотворено місцевими полями.
У практиці геологорозвідувальних робіт на нафту і газ найбільш широко застосовуються інклінометри з дистанційним електричним вимірюванням, в яких датчиками служать градуйовані електричні опори.
Основна частина інклінометра - обертається рамка, кінематична схема якої показана на рис. 4. Центр ваги рамки зміщений, в результаті чого при положенні свердловинного приладу в просторі площину рамки встановлюється перпендикулярно до площини викривлення свердловини. У рамці розміщений покажчик азимута і кута. Покажчик азимута складається з магнітної стрілки 1 і градуйованого електричного опору 2 (кругового реохорда).
Мал. 4 Схема конструкції вимірювальної частини інклінометра на опорах
Круговий реохорд змонтований на ізоляційної панелі і встановлений під магнітною стрілкою. Магнітна стрілка виконана з двох намагнічених стерженьков, які закріплені в дюралюмінієва ковпачку з агатовим підшипником. Підшипник насаджений на вістрі осі 5. Стрілка забезпечена ізольованими від неї пружинними контактами 4.
Корпус, в якому змонтований покажчик азимуту, закріплений на двох півосях і під дією вантажу 5 займає положення, при якому вісь магнітної стрілки завжди орієнтована вертикально.
Датчик кута викривлення складається з схилу 6, стрілки 7 і градуйованого електричного опору (кутового реохорда) 8. Площина коливання схилу перпендикулярна до площини рамки і збігається з площиною викривлення свердловини.
У інклінометр встановлений електромагніт, який по команді з поверхні фіксує або звільняє магнітну стрілку і схил. За допомогою колектора з трьома контактними кільцями 9 і двома парами щіток 10 до вимірювального ланцюга підключаються за допомогою перемикача П (рис. 5) або реохорд кута нахилу, або датчик азимута.
Рис.5. Принципова електрична схема інклінометра
При зміні азимута магнітна стрілка пружинними контактами 4 закорачивает частина реохорда. Опір незамкненою частини 
пропорційно азимуту φ. При вимірюванні кута стрілка покажчика кута відхилення, жорстко скріплена з схилом, переміститься на дугу δ і закоротити реохорд. Опір незакороченного ділянки реохорда 
пропорційно кутку δ.
ЦЖК - центральна жила кабелю; ОК - обплетення кабелю.
Кути відхилення вимірюють при фіксованому положенні всіх чутливих елементів. для вимірів і використовують бруківку схему.
Три плеча моста мають постійний опір і встановлено! на поверхні в панелі управління. опору 
і 
включаються при вимірюванні кутів, опору 
і 
- при вимірюванні азимута; 
- загальний опір моста. Четверте плече складається з опору жили кабелю, змінного опір 
, Призначеного для компенсації зміни опір жили кабелю, і опорів реохорда кута нахилу 
або магнітної буссоли 
.
В одну діагональ моста АВ підключений джерело струму Е, в іншу діагональ моста MN - гальванометр G. Змінний опір 
служить для компенсації моста при вимірюванні або .
В даний час випускаються інклінометри як для використання на одножильному кабелі, так і скидаються в бурильну колону (витяг проводиться після підйому бурильної колони або за допомогою овершот знімною грунтоноска).
2. Оцінка похибок вимірювання
Похибки инклинометрических досліджень обумовлені в загальному випадку прийнятої методики розрахунку координат осі стовбура свердловини, похибками вимірювання глибини, кроком вимірювання для точкових і квантування для безперервних інклінометров (методичними похибками), похибками, викликаними непараллельной установкою свердловинного приладу щодо осі свердловини і помітною кривизною її стовбура на довжині приладу (установочними похибками), а також похибками, викликаними кінцевою точністю вимірювання кутів викривлення свердловин ( так званими інструментальними похибками).
Методичні похибки, незалежно від прийнятої методики розрахунку координат, визначаються обраним кроком вимірювань, інтенсивністю викривлення осі свердловин, характером викривлення (постійна інтенсивність, змінюється з глибиною інтенсивність і т.д.).
Установчі похибка не залежать від кроку вимірювань і похибок інклінометра і визначаються, в першу чергу, геометричними параметрами - співвідношенням діаметрів стовбура свердловини і охоронного кожуха приладу, його довжиною, наявністю і характером кавернозному стовбура, місцем прив'язки даних інклінометрії по глибині щодо свердловинного приладу і т. д., а також параметрами викривлення осі свердловини.
У безперервних інклінометр установчі похибки менш істотні, в точкових вони можуть бути знижені або зовсім виключені шляхом відбраковування вимірів в точках, де установочні похибки перевищують допустимі значення.
З практики інклінометрії свердловин слід, що при малих інтенсивностях викривлення (до 0,02 град / м) переважаюче значення мають інструментальні похибки, з якими при збільшенні інтенсивності викривлення стають порівнянними похибки установчі.
При значних інтенсивностях викривлення і складний характер викривлення осі свердловини переважаючими стають методичні та установчі похибки.
Зниження похибок інклінометров не може однозначно забезпечити зниження сумарних похибок инклинометрических досліджень, так само як не вирішує цю задачу і тільки удосконалення методики розрахунку координат.
Істотний внесок в сумарну похибку можуть вносити також додаткові похибки, що входять до складу сумарної інструментальної, а саме: від температури, що впливає на лінійні розміри і електричні параметри перетворювачів в свердловину приладі, нестабільності джерел харчування, зміни опору кабелю і витоків, механічних коливань свердловинного приладу після установки його на точку вимірювань за рахунок пружних властивостей кабелю великої довжини і т.д.
Аналіз методичних і настановних похибок результатів инклинометрических вимірювань повинен виконуватися в процесі атестації методик вимірювань з метою визначення їх кількісних значень, а також з метою встановлення обмежень застосовності цих методик.
Відомча повірочна схема для інклінометров і орієнтатор, що встановлює порядок передачі розміру одиниці плоского кута (азимута, зенітного і апсідальной кутів) приведена в додаток 1.
В якості вихідних зразкових засобів вимірювань в перевірочній схемі передбачено використання зразкових багатогранних призм 4-го розряду і автоколіматори 3-го розряду з державної повірочної схеми по ГОСТ 8.061-80 з похибкою 
10 ".
В якості зразкових засобів вимірювань використовуються атестовані теодоліти і оптичні квадранти з похибкою 30 ", спеціальні засоби перевірки (яка орієнтує приставка« Курс », установчий стіл УСІ-2 і т. П.) І установки повірки інклінометров і орієнтатор (УПСП, УПН, УОП-2, УПМ і т. П.).
Зразкові засоби вимірювань застосовуються для градуювання і повірки робочих засобів вимірювальної техніки (інклінометров і орієнтатор) методом прямих вимірювань.
Для забезпечення заданих критеріїв якості повірки ( 
= 0,15 і 
= 1,1) співвідношення між межами основної похибки вихідних зразкових засобів вимірювань, запозичених з державної повірочної схеми і зразкових засобів вимірювань не повинна перевищувати 1: 3.
В якості робочих засобів вимірювань застосовують інклінометри (ГОСТ 24151-87 (СТ РЕВ 1460-86)) та орієнтатори.
Співвідношення між межами основної похибки зразкових і робочих засобів вимірювань не повинна перевищувати 1: 3 при забезпеченні заданих критеріїв якості повірки = 0,2 і = 1,15.
При градуюванні інклінометров вихідним сигналам по кожному з вимірювальних каналів (зенітний кут, азимут) комплекту свердловинний прилад - наземна панель ставлять у відповідність значення зенітних кутів і азимутів, що задаються свердловин приладу на зразковою повірочної установки.
При перевірці інклінометра порівнюють значення зенітних кутів і азимутів (для інклінометров, що мають канал вимірювання візирного кута - також і значення візирного кута), отриманих відградуйовану комплектом, зі значеннями тих же величин, прийнятих за «справжні», що задаються повірочної установкою, і визначають характеристики інструментальної похибки.
Обсяг операцій при визначенні метрологічних характеристик і приємним для цих цілей технічні засоби в залежності від меж основної похибки вивіреного інклінометра представлені в таблиці 1.
Поблизу приміщення і в приміщенні, де проводять перевірку інклінометров (крім гироскопических), повинні бути відсутніми потужні джерела електричних, магнітних і електромагнітних полів, в зоні повірки необхідно оцінити однорідність магнітного поля і провести визначення оптимального положення корпуса інклінометра в затискному пристрої повірочної установки.
Таблиця 1
Операції повірки та технічні засоби перевірки
Операція Межа основної похибки вивіреного інклінометра Засоби механізації тваринницьких їх характеристики Визначення основної похибки вимірювання зенітних кутів, сек
10; 15
30; 40
Перевірочне пристосування для завдання азимута від 0 до 360 ° і зенітного кута в діапазоні вимірювань інклінометром, квадрант оптичний з допустимою похибкою не більше 
Стіл УСІ, установки УОП-2, УПМ, УПН або перевірочне пристосування для завдання кутів і кутомір-квадрант з допустимою похибкою не більше
Визначення основної похибки вимірювання
азимута, градус
1; 2
4; 6
Перевірочне пристосування для завдання кутів, теодоліт з допустимою похибкою не більше 
30 і орієнтир буссоль з допустимою похибкою не більше 
Стіл УСІ, установки УОП-2, УПМ, УПІ
або перевірочне пристосування для завдання кутів і бусоль з допустимою похибкою не більше 
Визначення курсового догляду гіроскопа в часі (для гіроскопічних інклінометров), градуси за 30 хв 5 - 10
Стіл УСІ, установки УОП-2, УПМ, УПН, кутомір-квадрант з допустимою похибкою не більше 6 'буссоль з допустимою похибкою не більше 1 °, секундомір з діапазоном вимірювань не менше 0-30 хв
Однорідність магнітного поля в діапазоні відтворюваних при перевірці положень чутливих елементів каналу вимірювань азимута вивіреного інклінометра оцінюють за допомогою піврічного пристосування з теодолітом, буссолью і немагнітного імітатора свердловинного приладу (рис.6).
Імітатор свердловини частини інклінометра встановлюють за допомогою піврічного пристосування в положення, відхилене від вертикалі на 3-4 °, бусоль закріплюють на імітаторі в горизонтальному положенні і, розгортаючи імітатор по азимуту, кінець стрілки бусолі сполучають із нулем шкали бусолі.
1-бусоль, 2-інклінометр (немагнітний імітатор), 3-теодоліт, 4-реперна мітка, 5-перевірочне пристосування.
Рис.6 Установка для перевірки інклінометров
Оптичну вісь зорової труби теодоліта поєднують з реперною точкою, яка повинна знаходитися не ближче 3 м. Від теодоліта. Зсув вертикальної осі теодоліта щодо вертикальної осі повірочної установки або повірочного пристосування при цьому не повинно перевищувати см. Горизонтальну шкалу теодоліта встановлюють на нуль, перевірочну установку (перевірочне пристосування) розгортають на 30 °, контролюючи кут повороту за шкалою буссоли.
Оптичну вісь зорової труби теодоліта поворотом теодоліта поєднують з реперною точкою і знімають показання з горизонтальною шкали теодоліта. Різниця показань теодоліта і буссоли характеризує спотворення магнітного поля в даній точці.
Ставлячи імітаторові послідовно азимути 60 °, 90 ° і т.д., за свідченнями буссоли через кожні 30 ° оцінюють однорідність магнітного поля у всьому діапазоні азимутів.
Зазначені операції повторюють для двох значень відхилення імітатора від вертикалі, відповідних зенітним кутах, при яких перевіряють інклінометр по азимуту.
Магнітне поле в зоні повірки інклінометра вважається однорідним, якщо відхилення напрямку горизонтальної складової магнітного вектора не перевищують основний похибки буссоли.
Для визначення оптимального положення корпуса інклінометра в затискному пристрої повірочної установки використовують спеціальне пристосування у вигляді кільця із стопором, на бічній поверхні якого зроблена розмітка (проведені утворюють) через кожні 30 ° з похибкою, що не перевищує 5, (рис. 7). Пристосування встановлюється на охоронний кожух приладу інклінометра, встановленого в перевірочну установку. На торці затискного пристрою повірочної установки ставиться мітка. Свердловини приладу інклінометра за допомогою повірочної установки задається мінімальний зенітний кут, при якому в технічній документації на нього нормується похибка вимірювання азимута (наприклад, 4 ° для інклінометра типу КІТ, КИТ-А, МИР-36, 3 ° для інклінометра типу ІН-1 721, 2 ° для інклінометра типу ІГ-36 і т.д.).
Рис.7 Допоміжне кільце.
При будь-якому значенні азимута, заданому на повірочної установки (наприклад 30 °) свердловинний прилад інклінометра встановлюється таким чином, щоб позначка «0» на пристосуванні збігалася з міткою на торці затискного пристрою повірочної установки. Виконується не менше чотирьох вимірювань встановленого азимута при підході до заданому азимуту з боку менших і більших значень. Свердловинний прилад інклінометра повертають навколо власної осі на 30 ° (до наступної позначки на пристосуванні) і знову чотири рази вимірюють азимут, заданий на повірочної установки. Вимірявши таким чином встановлений азимут при різних положеннях свердловинного приладу щодо позначки на торці затискного пристрою через кожні 30 ° в діапазоні 0-360 °, т. Е. При повному обороті свердловинного приладу інклінометра щодо своєї осі, будують графік залежності систематичної складової похибки вимірювання азимута 
(Α) від положення охоронного кожуха свердловинного приладу інклінометра щодо апсідальной площині свердловинного приладу (ψ) (рис. 8). За отриманим графіком визначають положення охоронного кожуха свердловинного приладу інклінометра щодо мітки на торці затискного пристрою повірочної установки, при якому систематична складова похибки вимірювання азимута має максимальні значення зі знаком «плюс» чи «мінус», і відзначається на пристосуванні.
Рис.8 Графік залежності систематичної складової похибки вимірювання азимута від положення охоронного кожуха.
Основну похибку інклінометра по зенітному куті визначають на початку, кінці і в трьох-п'яти проміжних точках діапазону вимірювань.
У кожній точці заданий зенітний кут вимірюють не менше двох разів при наближенні до заданого зенітному куті з боку великих і менших значень, при цьому при установці приладу в перевірочну установку корпус свердловинного приладу інклінометра необхідно розгорнути на 90 ° навколо своєї осі щодо мітки на допоміжному кільці ( см. рис. 8), що відповідає одному з максимальних значень систематичної складової похибки вимірювання азимута. Виконавши два вимірювання зенітного кута, корпус приладу розгортають щодо своєї осі на 180 ° і вимірювання повторюють.
Основну похибку інклінометра при вимірюванні азимута визначають, виконуючи не менше двох вимірювань при положенні свердловинного приладу, відповідному максимальному значенню систематичної складової похибки азимута зі знаком «плюс» і не менше двох - зі знаком «мінус».
Свердловини приладу, вміщеної в перевірочну установку (пристосування) задається найменше значення зенітного кута, для якого в технічній документації на конкретний тип інклінометра нормується похибка вимірювання азимута.
Азимут вимірюють при значеннях азимута 5, 30, 60, 90, ..., 330, 355 ° і завданні їх з боку менших і більших значень. Аналогічно знаходять азимути при інших зенітних кутах (включаючи максимальне його значення, відповідне середині діапазону вимірювання).
Основну похибка вимірювання візирного кута визначають при мінімальному зенітному вугіллі, для якого в технічній документації на конкретний тип інклінометра нормується похибка вимірювання візирного кута.
Приладу задають значення візирних кутів, рівні 0, 30, ..., 60 ° і т. Д., Причому в кожної задається точці виконують не менше чотирьох вимірювань при завданні візирного кута з боку великих і менших значень.
Систематичну складову основної похибки інклінометра для кожного 
-го значення встановленого кута (зенітного, азимута або візування) 
( 
) Визначаються за формулою
(4)
де m - число вимірювань заданого кута (m 
4); 
показання інклінометра при j - му вимірі k - гo значення встановленого кута (зенітного, азимута або візування), де j = 1, 2, 3, ..., m; 
- дійсне значення задається k-го кута (зенітного, азимута або візування).
Середнє квадратичне відхилення випадкової складової основної похибки інклінометра для кожного k - го значення встановленого кута 
одно
(5)
Кордон випадкової складової основної похибки інклінометра 
для довірчої ймовірності Р = 0,95 при вимірюванні k - то значення встановленого кута дорівнює
<
