Общие принципы построения непрерывных гироинклинометров

Необходимость повышения рентабельности геологоразведочных работ, разработка труднодоступных месторождений и месторождений с трудно извлекаемыми запасами определяет необходимость создания новых технических средств и применения более эффективных технологий, в том числе, обеспечения системы оценки и мониторинга пространственного положения скважины на всех стадиях разработки и освоения месторождений.

Такая система, в частности, должна обеспечить попадание ствола скважины в заданный геологический объект, управлять проводкой ствола внутри пласта, предотвращать возможность столкновения скважин. Ведущее место при реализации этих задач занимает инклинометрия.

Значимость проведения инклинометрических измерений для оценки точности позиционирования скважин в современной практике бурения стала таковой, что несколько лет назад был создан международный комитет по контролю точности инклинометрической съемки (Industry Steering Committee on Well bore Survey Accuracy — ISCWSA, подразделение SPE). На сегодняшний день этим комитетом разработаны международные промышленные стандарты для определения и учета погрешностей положения скважины при проведении съемки.

В соответствии с этими стандартами для подтверждения заявленной точности позиционирования скважины (или ее участка) (полученной, например, при ее проводке MWD - системой) требуется проведение повторной съемки другим высокоточным средством. Как правило, ISCWSA рекомендует использовать для этого гироскопический инклинометр (ГИ), работающий в непрерывном режиме.

Необходимое условие, обуславливающее этот выбор – очевидно – способность ГИ работать с высокой точностью в любых стволах - открытых, обсаженных и т. д.;

Достаточным условием является принципиальная возможность обеспечения «непрерывным» инклинометром съемки скважины с высокой частотой измерения параметров ориентации, позволяющих более точно выявить истинный характер ее траектории.

Здесь следует отметить, что применение современной техники и технологий направленного бурения, характеризующихся высокой скоростью изменения кривизны скважин, может вызывать появление участков ствола с большими изломами, извилистостью и кручением. Для обнаружения такого рода особенностей необходимо проведение съемки с высокой частотой измерений, в противном случае применение традиционных методов интерполяции траектории между редкими точками замеров может привести к большим погрешностям вычисления координат.

Более того, принципиальным является использование для проведения съемки ГИ либо тонкого каротажного кабеля, либо гибких труб (Coiled tube), позволяющих в отличие от бурильных труб, обнаруживать искривленность скважины с большой степенью разрешения.

Потребность в высокопроизводительной прецизионной инклинометрической съемке возникает как на этапах строительства, эксплуатации и ремонта скважин, так и их проектирования. Последнее, в свою очередь базируется на данных геологической модели месторождения, при построении которой и интерпретации данных 3D сейсморазведки также используется точная информация о координатах скважин и, прежде всего, глубине ствола по вертикали (TVD), позволяющая выработать абсолютные отметки пластопересечений.

Выявление особенностей траектории, участков изгибов и большой кривизны при строительстве, эксплуатации, а также ремонте скважин позволяет решать важнейшие задачи, связанные, в частности:

- с предотвращением серьезных осложнений, вызванных заклиниванием труб, неправильной обсадкой и т. д.;

- с установкой скважинного оборудования (пакеры, погружные насосы, погружные приборы) в оптимальных точках скважины, что, в свою очередь, существенно повышает эффективность и время работы устанавливаемого оборудования.

Кроме того, нельзя забывать и об экономическом аспекте: помимо того, что непрерывная съемка – это всегда снижение времени и, соответственно, стоимости проведения инклинометрических работ, знание точного позиционирования скважин и характера траекторий, полученное при съемке, позволяет существенно сократить многочисленные статьи вынужденных расходов.

В нашей стране востребованность в проведении измерений ГИ, работающем в непрерывном режиме, особенно высока, что, прежде всего, обусловлено качеством данных старой инклинометрии (20 – 40 летней давности), в большинстве случаев не удовлетворяющей современным требованиям в части, как геологического моделирования, так и обеспечения безопасности (например, при ремонте скважин). В результате на первый план выходит задача проведения повторных инклинометрических измерений скважин ранее разбуренных месторождений.

Неоспоримые преимущества и возможности непрерывной гироинклинометрической съемки - высокая производительность, практически любое, наперед заданное, пространственное разрешение траектории и отсутствие методических ошибок ее построения в сочетании с возможностями достижения более низкого, по сравнению с режимом точечного компасирования, уровня инструментальных ошибок, - в течение последнего десятилетия являются стимулом для разработки и внедрения новых типов непрерывных гироинклинометрических (ГИ) систем. Это коренным образом отличает нынешний этап их развития от начального, характеризовавшегося заимствованием идеологии построения и отдельных технических решений, использующихся в навигации подвижных объектов.

Сегодня рынок ГИ для нефтегазовых скважин, характеризуется:

- наличием ограниченного количества специализированных разработчиков-изготовителей, замкнутых исключительно (или, во всяком случае, преимущественно) на сегмент промысловой геофизики;

- существенным удельным весом «закрытого» сектора разработок, проводимых гигантами мирового нефтегазового сервиса, интегрировавшими специализированные гироскопические фирмы («Sperry» и т.д.), исключительно для собственных нужд;

- развитой специализированной нормативно-технической базой, поддерживающей развитие и стандартизацию системы тактико-технических требований к методам и средствам подземной навигации.

В течение последних десяти-пятнадцати лет у нескольких крупных зарубежных компаний появились непрерывные ГИ. Наряду с «пионерами» RGS-СТ (Gyrodata, 1996), RIGS (Baker Hughes, 1997-1999гг.) это – Target (SEG, Германия), Keeper (Scientific Drilling, США), а также некоторые другие. Все эти разработки, отличаясь типом, количеством и ориентацией датчиков первичной информации (ДПИ), наличием или отсутствием дополнительных кинематических связей имеют бесплатформенную компоновку и, в основе своей, Ø1,75˝. Их декларируемые точности вычисления координат в зависимости от профиля скважины исчисляются десятыми долями % от ее наклонной глубины.

Итак, выходными параметрами непрерывного ГИ являются декартовы координаты точек траектории скважины. Координаты рассчитываются классическим методом навигационного счисления, при котором приращения показаний одометра (в данном случае – длины геофизического кабеля, троса и т.д.) раскладываются по осям навигационного базиса и затем последовательно суммируются (интегрируются). Для получения искомых проекций на координатные оси инклинометрическая система вырабатывает матрицу направляющих косинусов, характеризующих ориентацию системы координат , связанной со скважинным прибором (СП) относительно географической системы координат :

(1)

На основании известных значений направляющих косинусов (1), определяющих положение продольной оси СП относительно системы координат (рис.1) и информации о приращении длины кабеля в непрерывном ГИ вычисляются искомые координаты траектории скважины:

(2)

Рис.1 Скважинные системы координат

Ошибки вычисления координат определяются погрешностями формирования направляющих косинусов и измерения длины кабеля , которые хотя и заметны, но, конечно, никак не сопоставимы с погрешностями выработки координат методом инерциальной навигации. Обещания реализации ГИ, не использующих информацию о длине каротажного кабеля, конечно, питают надежды эксплуатационников когда-нибудь избавиться от надоевших вопросов с утерей меток, деформацией кабеля и т.д., однако даются явно вне контекста реальных проблем.

Далее, с целью выявления структуры ошибок направляющих косинусов воспользуемся углами Эйлера (рис.1) – зенитным , азимутальным – и поворота корпуса СП вокруг оси - («угол поворота отклонителя»). Можно показать, что при этом

(3)

будет характеризовать суммарный промах в определении местоположения точки траектории.

Ошибка в любых корректно спроектированных ГИ определяется погрешностями измерителя ускорений (ИУ), а наиболее важная и превалирующая компонента погрешности (прежде всего, в плане) характеризуется следующим выражением:

(4)

Лекция № 15.