ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра геофизики ОТЧЕТ по геофизическим исследованиям скважин Лабораторная работа № 1 «Имитация инклинометрии скважины» Выполнил: студент гр. РФ-20 __________ (подпись) Проверил: доцент __________ (должность) (подпись) Санкт-Петербург, 2024 год / Порохина Е.А. / (Ф.И.О.) / Данильева Н.П / (Ф.И.О.) Цель работы: изучить метод инлинометрии и провести имитацию спуска инклинометра в скважину с изменением азимутального и зенитного углов. Задачи 1. Ознакомиться с методологией проведения инклинометрии скважины. 2. Собрать и проверить работоспособность лабораторного стенда «Инклинометрия». 3. Произвести имитацию спуска инклинометра в скважину, меняя на калибровочном столе стенда азимутальный и зенитные углы. Теоретические основы Инклинометрия – метод определения пространственных координат скважины, позволяющий установить правильность бурения в заданном направлении. Основной задачей инклинометрии является контроль за положением в пространстве оси ствола наклонно направленной скважины. Инклинометр – это прибор, с помощью которого измеряются зенитный угол и азимут в отдельных точках ствола скважины, а инклинометрия – процесс замера с использованием инклинометра и последующее определение пространственных координат ствола. В процессе бурения скважины возникает необходимость определять координаты ствола скважины для точного попадания скважины в продуктивный горизонт и исключения пересечения соседних скважин. Поэтому еще на стадии проектирования скважины рассчитываются ее координаты в прямоугольной системе координат, где ось х – касательная к магнитному меридиану, у – направлена на магнитный восток, z – вертикально вниз. При этом учитываются угол конвергенции и магнитное склонение. Магнитное склонение – угол между магнитным и географическим меридианами в данной точке земной поверхности. Зенитный угол – угол, измеряемый в градусах, под которым ствол скважины или ось исследовательского прибора отклоняется от линии истиной вертикали. Зенитный угол 0 град представляет направление по истинной вертикали, а зенитный угол 90 град горизонтальное направление. Азимутальное направление скважины – угол горизонтальной составляющей траектории скважины или оси исследовательского прибора относительно известного направления на север, принятого за начало отсчёта. Измерения могут производиться относительно направления на истиный север, магнитный север либо север координатной сетки, как общепринято, по часовой стрелке. Азимутальное направление скважины измеряется в градусах и выражается через азимут (от 0 до 360°) или в квадрантной форме (северо-восток, юго-восток, северо- запад, юго-запад). Бурение скважины всегда сопровождается проведение инклинометрии. Определение точных координат ствола скважины необходимо для следующих целей: соблюдение проекта строительства скважины; соблюдения определенного угла входа в продуктивный пласт; контроль для исключения случаем пересечения ствола скважины с соседними стволами при кустовом или встречном бурении. Инклинометры подразделяют на электрические (магнитные) и гироскопические. Гироскопические применяются в любых скважинах, электрические, в силу использования магнитных датчиков, только в необсаженных. В данной лабораторной работе используется 2 магнитный инклинометр ИММН-42, в котором зенитный угол измеряется с помощью отвеса от вертикали, магнитный азимут – с помощью магнитной стрелки от направления на магнитный север (необходим учет магнитного склонения). При бурении скважины ее глубина рассчитывается относительно устья (стола ротора), вертикальная координата Z которого определяется от поверхности геоида. Для расчета траектории скважины необходимо знать координаты устья скважины (X, Y, Z), тип применяемого инклинометра и величину магнитного склонения. Ось X направляется на север (истинный или магнитный), Y – на восток, Z – вертикально вниз. Расчет траектории скважины заключается в определении прямоугольных координат точек измерения относительно устья на основе записанных значений длины ствола скважины, зенитного угла и азимута в них и сводится к расчету приращений координат в вертикальной и горизонтальной проекциях. Ход работы Путем имитации спуска магнитного инклинометра ИММН-42 в скважину на глубину 800 м (по стволу скважины) произведено измерение зенитных углов и магнитных азимутов с шагом 10 см, запись значений оператором вручную производилась с шагом 100 м по стволу скважины. Согласно выданному заданию при проведении спуска путем поворота прибора зенитный угол изменялся каждые 100 м (начиная с отметки 100 м) на 5º по часовой стрелке, азимут – на 5º против часовой стрелки. В результате произведенных измерений зафиксированы следующие значения (таблица 1). Таблица 1 – Зафиксированные в ходе имитации спуска значения № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Н, м a, град ϕ,град 0 100 200 300 400 500 600 700 750 0 2.9 8.2 11.4 16.1 21.6 26.4 31.4 35.8 0 172.5 154.938 148 142 135.857 130.5 124.5 118.5 Приращения координат по методу среднего угла, [м]: 𝛼 +𝛼 𝜑 +𝜑 𝛼 +𝛼 𝜑 +𝜑 Δ𝑥 = 𝐿1−2 sin ( 1 2 2 ) ∙ sin ( 1 2 2) Δ𝑦 = 𝐿1−2 sin ( 1 2 2 ) ∙ cos ( 1 2 2) 𝛼 +𝛼 Δ𝑧 = 𝐿1−2 sin ( 1 2 2 ) (1) (2) (3) Этот метод предполагает усреднение углов, а именно, зенитного угла и азимута в двух последовательных точках замера. Кроме того, предполагают, что интервал (L1-2) ствола скважины между соседними точками измерений представляется отрезком прямой. 3 При условии сравнительно небольшого расстояния между точками замера при сопоставлении с кривизной ствола, данный метод позволяет довольно легко, и, к тому же с достаточной степенью точности вычислить координаты ствола скважины. В этом методе используются средние значения зенитного угла и азимута в качестве уклона и направления ствола скважины, также принимают исследуемый интервал за касательную к среднему углу. XY 200 150 y, м 100 50 0 -300 -250 -200 -150 -100 x, м -50 -50 0 50 Рисунок 1 – Проекция траектории скважины на горизонтальную плоскость, рассчитанная с помощью метода средних углов Рисунок 2 – Проекция траектории скважины на горизонтальную плоскость, рассчитанная в ПО Gintel с помощью метода средних углов 4 XZ 100 0 -300 -250 -200 -150 -100 -50 -100 0 50 -200 z,м -300 -400 -500 -600 -700 x, м -800 Рисунок 3 – Проекция траектории скважины на широтном разрезе (С-Ю), рассчитанная с помощью метода средних углов Рисунок 4 – Проекция траектории скважины на широтном разрезе (С-Ю), рассчитанная в ПО Gintelс помощью метода средних углов. 5 YZ 100 0 -50 -100 0 50 100 150 200 z, м -200 -300 -400 -500 -600 -700 -800 y, м Рисунок 5 – Проекция траектории скважины на меридиональном разрезе (З-В), рассчитанная с помощью метода средних углов Рисунок 6 – Проекция траектории скважины на широтном разрезе (З-В), рассчитанная в ПО Gintelс помощью метода средних углов. Метод минимальной кривизны и кольцевых дуг Приращения координат по методу минимальной кривизны, [м]: Δ𝑥 = 𝑇(sin𝛼1 ∙ sin𝜑1 + sin𝛼2 ∙ sin𝜑2 ) (4) Δ𝑦 = 𝑇(sin𝛼1 ∙ cos𝜑1 + sin𝛼2 ∙ cos𝜑2 ) (5) Δ𝑧 = 𝑇(cos𝛼1 + cos𝛼2 ) (6) 𝐷 = arccos(sin𝛼1 ∙ sin𝜑1 ∙ sin𝛼2 ∙ sin𝜑2 + sin𝛼1 ∙ cos𝜑1 ∙ sin𝛼2 ∙ cos𝜑2 + cos𝛼1 + cos𝛼2 ), где (7) 6 𝛼1 , 𝛼2 – зенитные углы в верхней и нижней точке измерения соответственно, град; 𝜙1 , 𝜙2 – азимут в верхней и нижней точке измерения соответственно, град. 𝑇= 𝐷 2 180∙𝐿1−2 ∙𝑡𝑔( ) 𝜋∙𝐷 , где (8) 𝐿1−2 – интервал между соседними точками, принятый за прямую, [м] В методе расчёта по минимуму кривизны интервал ствола скважины между точками измерений представляется в виде пространственно расположенной дуги окружности. При построении траектории ствола пространственная кривая сглаживается с использованием относительного коэффициента, величина которого зависит от кривизны исследуемого участка ствола. За счёт такого сглаживания сводится к минимуму общая кривизна дуги в пределах интервала ствола между точками измерений. Этот метод является одним из наиболее точных среди всех применяемых при определении координат ствола скважины. Метод кольцевых дуг обеспечивает более плавную стыковку участков траектории ствола. Исключаются скачкообразные изменения направления касательного вектора скорости V в точках измерения. Положение плоскости, в которой расположена дуга окружности, определяется известными зенитными азимутальными углами в точках измерения. Радиус дуги определяют из условия равенства длины дуги и ствола скважины между точками измерения. При этом каждый интервал измерения определен ориентацией наклонной плоскости, в которой расположена дуга окружности, аппроксимирующая данный интервал, и радиус кривизны последней. y, м XY -160 -140 -120 -100 -80 x, м -60 -40 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -20 0 Рисунок 7 – Проекция траектории скважины на горизонтальную плоскость, рассчитанная с помощью метода минимума кривизны 7 XZ z, м 800 700 600 500 400 300 200 100 0 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 x, м Рисунок 8 – Проекция траектории скважины на широтном разрезе (С-Ю), рассчитанная с помощью метода минимума кривизны z, м YZ -20 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 y, м Рисунок 9 – Проекция траектории скважины на меридиональном разрезе (З-В), рассчитанная с помощью метода минимума кривизны Вывод: в результате лабораторной работы были произведены расчеты траекторий скважины методами среднего угла и минимальной кривизны в зависимости от изменения зенитного угла и азимута. Было выяснено, что для скважины с пространственным искривлением, при расчётах предпочтительнее применять метод минимальной кривизны, как наиболее приближенно описывающий траекторию ствола скважины, в качестве искривленных участков в виде сферических дуг, что свидетельствует о более высокой точности, по сравнению с методом среднего угла, в котором траектория скважины рассматривается как совокупность отрезков прямых линий. 8
