Инклинометрические методы навигации. Геомагнитная навигация. Гравитационный метод навигации.

Геомагнитная навигация

Для измерения азимута обычно используется трёхосный феррозонд (магнитометр), который измеряет проекции вектора напряженности магнитного поля Земли на три связанные взаимно- перпендикулярные пространственные оси [].

Подавляющее большинство инклинометров, применяемых в необсаженных скважинах, построено на этом принципе. Эти приборы не содержат подвижных элементов, отличаются высокой вибро - и ударостойкостью и работают в широком диапазоне изменения температур.

Точность выработки информации о направлении магнитного меридиана феррозондами могла бы вполне удовлетворить требования потребителей, заинтересованных в решении задач внутрискважинной навигации, контроля и управления буровым инструментом (ряд моделей феррозондов обеспечивают определение азимута с погрешностью до 0,1град.), если бы сигналы магнитометров не искажались помехами от ферромагнитных элементов конструкции бурильной колонны (стальных труб, электрических машин и т.д.).

Девиации магнитометров вследствие этих помех достигают величин, на порядки превышающих их собственные погрешности. Для снижения влияния этих помех магнитометры располагают достаточно далеко от забойного агрегата и утяжеленных бурильных труб, для чего между забойным агрегатом и инклинометром с феррозондами устанавливается вставка из немагнитных труб длиной до 20 м.

Однако удаление измерительных приборов инклинометра от бурового инструмента на дистанции, сравнимые с размерами продуктивного пласта, в котором производится направленное бурение, затрудняет решение задач навигации, контроля и управления, поскольку информация о пространственном положении ствола скважины, вырабатываемая чувствительными элементами в месте их установки, не соответствует угловому положению бурового инструмента, отделенного от феррозондов колонной изгибающихся труб большой длины.

Другим очевидным недостатком этого общепринятого метода снижения девиации является усложнение конструкции колонны и высокая стоимость немагнитных труб из специальных сплавов.

Несколько лет назад впервые была поставлена задача разделения в условиях необсаженных скважин в сигналах магнитометров полезных компонент, несущих информацию об азимуте ствола скважины, и помех, создаваемыми стальными элементами бурильного комплекса [].

Группой исследователей было показано, что величина напряженности поля помехи может быть определена по уровню градиента магнитного поля в измерительном модуле инклинометра, что позволяет ее учесть и использовать для коррекции выходных показаний магнитометров.

Разработка этого, по существу магнитометрического градиентометра, вышла, в настоящее время, в промышленную фазу, и можно надеяться на его широкое внедрение, однако, не следует выпускать из виду, что геомагнитная навигация в рудных скважинах с повышенной магнитной восприимчивостью, кимберлитовых трубках, и, что особенно важно, в обсаженных нефтегазовых скважинах, – остается практически невозможной.

При отсутствии возможности точного измерения азимута в обсаженной скважине, при бурении БС до сих пор практикуется технология, при которой специальными фрезами вырезается участок в колонне в интервале 10-20 м и азимутальная корректировка траектории второго ствола осуществляется по показаниям датчиков феррозонда только после выхода бурового инструмента из колонн на расстояние 10-15м, или вырезается целая «свеча» - две трубы, длиной 18 - 20 метров, и только после этого используются показания феррозонда [].

В целом, описанные процедуры ведут к удорожанию эксплуатации каждой скважины на десятки тысяч долларов даже при высоких горизонтах залегания пластов [].

Магнитоизмерительная техника также малопригодна для обеспечения многих современных технологий – кустовом бурении с морских платформ, траекторных измерениях в линиях магистралей и т. д.

Гравитационый метод навигации

Гравитационный метод является альтернативой магнитометрическому методу и может применяться там, где использование феррозондовых измерителей невозможно.

Гравитационный метод основан на одновременном измерении проекций вектора ускорения силы тяжести на оси двух, разнесенных вдоль продольной оси скважины, триад акселерометров при условии, что априорно известно расстоянии между ними и одноименные оси этих акселерометров выставлены коллинеарно. Этот метод использует факт изгиба бурильной колонны между двумя триадами акселерометров для измерения приращений азимута, при этом начальное значение азимута определяется на поверхности с помощью традиционных методов – гироскопических или магнитометрических измерений.

Этот метод также может применяться в забойных магнитометрических инклинометрах для уточнения пространственного положения бурового инструмента, для чего вторую тройку акселерометров располагают ближе к долоту.

Метод применим для скважин с зенитными углами в диапазоне – (1- 70) градусов.

Реализация этого метода принципиально зависит от расстояния между триадами акселерометров. Для обеспечения измерения изгиба бурильной колонны важно, чтобы триады размещались на достаточном расстоянии друг от друга. Минимальное допустимое расстояние определяется размером (диаметром) бурильных труб, интенсивностью искривления скважины и может варьироваться в диапазоне (3-9) м.

Так как метод основан на суммировании приращений азимута, его ошибка имеет накапливающийся характер. Очевидно, что суммарная ошибка будет тем больше, чем чаще проводятся измерения. Не менее очевидно, что для устранения этого противоречия желательно применение точных – навигационного класса – акселерометров (причем их должно быть не менее шести), что, естественно, усложняет и удорожает инклинометр, оставляя его, тем не менее, в классе приборов ограниченного применения. Этот метод рекомендуется применять на глубинах не более 300м, хотя это зависит от допустимой ошибки в каждом конкретном случае бурения.

Подведем некоторые итоги: По большей части приведенные выше методы и средства измерений, включая использование составляющих напряженности магнитного поля Земли для ориентации в ее осях, а также одновременное измерение проекций вектора ускорения силы тяжести разнесенными акселерометрами, можно рассматривать в совокупности, как комплексную систему навигации по геофизическим полям (КНС ГФП).

В тоже время, в соответствии со сказанным в лекции №2 – это MWD-системы. Системы MWD можно считать композиционно законченными, самодостаточными информационно- измерительными комплексами – все прочие применения рассмотренных датчиков ГФИ являются их частными случаями (кабельные, автономные и т.д.). При этом функциональная ориентированность MWD-систем на решение задач навигации отличает их от LWD-систем, которые призваны заменить или сократить до минимума промыслово-геофизические исследования после бурения скважин.

Лекция №4