По метрологии (стандартизации, сертификации) указать в зависимости от темы

Реферат

«Измерения глубин. Методы измерения. Разметка кабеля»

Выполнил: Никифоров Владимир Сергеевич _______

Студент группы ГИ-10-4 Подпись

Проверил: доцент Олег Васильевич Горбатюк _______

Подпись

Сдан на проверку ________

Дата защиты ________ Оценка _________

Москва – 2012

Задача определения глубины скважины имеет два основных аспекта: аппаратурный и методический. За последние 25 лет основное внимание уделялось созданию современных средств измерения глубин, внедрение которых в геофизическую практику позволило развивать и совершенствовать методические работы.

Способы измерения глубин скважин:

механический: с мерным роликом, с датчиком оборотов лебедки, кронблока, с мерным тросом;

магнитный: с метками, индукционный, индуктивный;

инерциальный: с гироскопическими акселерометрами, с акселерометрами другого типа;

корреляционный: по разрезу скважины, по кабелю, трубам (оптический, акустический)

волновой: акустический, оптический, электромагнитный;

прочие: с мерным шлангом, по числу труб, с радиоактивными метками, по давлению столба жидкости, по расходу жидкости.

МЕХАНИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИНЫ СКВАЖИН

Механический способ определения глубины скважины заключается в измерении с поверхности длины кабеля или колонны труб, спускаемых в скважину, и осуществляется в двух вариантах: с использованием мерного ролика и с использованием датчика оборотов лебедки или крон-блока.

При первом варианте используется фрикционная связь между объектом измерения, в качестве которого служит каротажный кабель, талевый канат или колонна труб, и мерным роликом, прижимаемым к измеряемому объекту и вращающимся при его движении. По числу оборотов калибровочного мерного ролика, пропорциональному длине протянутого каротажного кабеля (или талевого каната), судят о глубине скважины.

Для передачи вращения мерного ролика в измерительный блок используются различные механические передачи: цепные, зубчатые, гибкий вал, следящие системы типа электрического вала и др. Кодирование числа оборотов осуществляется механическими, оптическими, электромеханическими, электромагнитными, электромашинными и другими устройствами.

В общем случае устройства измерения глубин с мерным роликом включают опорную раму, на которой смонтированы ролики на подвижных осях, мерный ролик на рычаге. Масштабный мерный ролик имеет упругий обод с разрезом, величина которого регулируется микрометрическим винтом. Между роликами и мерным роликом пропущен кабель. Один конец рычага закреплен на шарнире, другой связан с плунжером гидравлического датчика натяжения, который в свою очередь связан с индикатором натяжения трубопроводом. Подвижный мерный ролик установлен таким образом, что угол охвата его кабелем постоянен и увеличен настолько, что проскальзывание кабелем исключается, а сам ролик делается разрезным, регулируемым по длине окружности.

Устройство работает следующим образом. Микрометрическим винтом регулируется длина окружности мерного ролика под тип кабеля так, чтобы один оборот ролика соответствовал перемещению одного метра кабеля. Кабель, стремясь выпрямиться, давит на мерный ролик, который через рычаг передает усилие на плунжер и по гибкому трубопроводу на индикатор натяжения. В связи с тем, что перемещение мерного ролика по вертикали мало, угол между направлениями сил натяжения не меняется, т.е. результирующая сила прямо пропорциональна нагрузке на кабель и шкала индикатора натяжения практически линейна. С помощью рычага плунжер перемещается с удвоенной амплитудой, что повышает чувствительность измерений усилий натяжения.

Результаты измерений натяжения кабеля позволяют учесть величину его удлинения в скважине и уточнить глубины скважинных замеров. С этой целью измеряют натяжение кабеля как на поверхности, так и в месте соединения его со скважинным прибором. Полученные данные вводятся в специальное устройство, которое по разработанному алгоритму оперативно вводит поправки в регистрируемые при каротаже глубины.

Для измерения глубины скважины по длине спускаемой в нее колонны бурильных труб применяются ряд устройств, в частности, с использованием мерного ролика, связанного фрикционно с квадратом буровой установки. Устройство для измерения глубины скважины в процессе бурения содержит измерительный ролик, прижимные ролики, размещенные в пазах корпуса, опирающегося на подшипник шаровой подвески и вращающегося вместе с квадратом буровой, узел включения в цепи сельсинов, редуктор, счетчик и скребок под измерительным роликом. В процессе бурения вращение квадрата через измерительный и прижимные ролики передается на корпус, который вращается синхронно с квадратом на подшипнике подвески. По мере углубления забоя буровой инструмент вместе с квадратом погружается в скважину. Перемещение квадрата вызывает вращение измерительного ролика, которое с помощью механической передачи, сельсинов и редуктора передается на счетчик, фиксирующий глубину погружения бурового инструмента. Перед проведением спуско-подъемных операций электрическая цепь сельсинов размыкается с помощью узла включения и счетчик сохраняет показания текущей глубины скважины. После замены инструмента и спуска его в скважину в момент начала бурения электрическая цепь сельсинов замыкается с помощью узла включения и процесс измерения процесс измерения повторяется.

При измерении глубин посредством мерного ролика (шкива) известного диаметра ошибки образуются в основном за счет проскальзывания каната (кабеля) относительно ролика, износа ролика и из-за того, что измеряемый кабель не всегда охватывает ролик (эллипсность). Достижимая точность измерений оценивается в 0.5 %.

Устройства для измерения оборотов буровой лебедки относится к другой группе механических устройств определения глубин. Одни из них соединяются с ее валом, другие имеют фрикционную связь с ребордой барабана лебедки. Основная часть датчиков глубин измеряет число оборотов лебедки, которое пересчитывается затем в длину смотанного с нее кабеля. Принципы измерения различны и включают применение тахогенераторов, различных импульсных преобразовательных устройств, в том числе оптических, с герконами и др. Измерение глубины проводится при смотке кабеля с барабана, что соответствует углублению скважины. Для учета изменения намотки талевого каната на барабан лебедки применяются различные средства, в первую очередь. Механические вариаторы в виде конусных или цилиндрических роликов, в виде кулачков или в виде многоступенчатой зубчатой передачи.

Другой способ повышения точности измерений глубин скважины датчиком оборотов буровой лебедки заключается в применении модели барабана лебедки.

Наряду с усложнением кинематической схемы датчика оборотов лебедки, связанным с применением различных вариаторов или моделей все более четко определяется тенденция возложения функций коррекции погрешности на средства вычислительной техники – за счет упрощения самого датчика глубин усложняется электронная схема аппаратуры.

По сравнению с мерным роликом датчик обладает более высокой надежностью в связи с отсутствием механического износа от трения, использованием электромагнитных детекторов вместо электрических контактных, с защитой от влияния внешних условий (температуры, давления, ветра, масла, пыли и т.д.) за счет герметического изготовления, не ограничен практически по скорости перемещений и не имеет проскальзывания каната относительно датчика. Разрешающая способность датчика 1 см при скорости перемещения крюка до 10 м/с.

Необходимо отметить, что применительно к датчикам оборотов лебедки изобретены различные средства, позволяющие учесть холостые ходы талевого блока при различных вспомогательных операциях на буровой.

Аналогично по принципу действия и составу устройств могут быть применены и для измерения перемещения талевого блока буровой по числу оборотов ролика крон-блока.

Устройства с датчиками числа оборотов лебедки или крон-блока не имеют мерного ролика, а потому лишены такого недостатка, как погрешность от проскальзывания. Вместе с тем, за счет неточности определения длины витка в слое (из-за отклонений диаметра барабана от номинального вдоль своей оси и его эллипсности), неравномерной укладки витков в слое и одного слоя на другой, а также прочих факторов, точность измерений глубин с помощью датчика оборотов лебедки оказывается не намного выше, чем у устройств с мерным роликом.

В целом механический способ измерения глубин скважины не обеспечивает необходимую точность измерений глубин, которая исходя из требований к промыслово-геофизическим исследованиям скважин, должна быть не более 0.001, поэтому он или комплектуется с другими методами измерений, например, магнитным, или его данные корректируются по результатам более точных замеров глубин скважин.

МАГНИТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИН СКВАЖИН

Магнитный способ измерения глубин основан на использовании магнитных свойств перемещаемого объекта. В преимущественно распространенном варианте состоит в нанесении на кабель магнитных меток, представляющих собой участки с наведенной остаточной намагниченностью. Расстояние между метками определяется длиной выбранной мерной базы. Зарегистрированное число меток с учетом масштаба измерений соответствует длине кабеля.

Для автоматизации процесса разметки кабеля на концах мерной базы по движению объекта последовательно располагают считывающую (датчик меток) и записывающую магнитные головки, соединенные схемой обратной связи. Посредством записывающей головки на измеряемый объект предварительно наносится магнитная метка. При движении происходит последовательное считывание и переустановка магнитных меток, чем достигается разметка кабеля. Учет реверса обеспечивается комбинацией из трех и более магнитных головок, записывающих и считывающих. Для предотвращения повторного считывания одних и тех же меток при реверсе применяют специальное включение стирающей или считывающих головок, обычно расположенных по краям установки переноса метки.

Для защиты от внешних помех и устранения влияния поля Земли на результаты измерений считывающее устройство выполняют в виде двух магниточувствительных элементов, включенных встречно или по схеме дискриминатора, а также применяют различные пороговые устройства.

Во всех устройствах для разметки каротажного кабеля магнитными метками имеется цепь переноса сигнала метки от считывающего устройства к намагничивающему устройству. При этом при скорости движения размечаемого объекта, отличной от нулевой, расстояние между последовательно нанесенными магнитными метками отлично от расстояния между намагничивающим и считывающим устройствами (мерная база) на величину произведения скорости движения объекта на значение постоянной времени цепи переноса. Так как обычно скорость перемещения бурильного инструмента или каротажного зонда в скважине меняется в широких пределах, то исключение учета указанного смещения магнитных меток может привести к существенным погрешностям в измерениях глубин. Данную погрешность учитывают методами цифровой и аналоговой коррекции.

Следует отметить, что как бы тщательно ни проводилась разметка на поверхности, все-таки не представляется возможным учесть все многообразие факторов, воздействующих в скважине на кабель. В связи с этим представляет интерес способ определения глубины, осуществленный путем разметки колонны, спущенной в скважину. Бурильная колонна последовательно размечается одинаковыми отрезками, равными длине выбранной мерной базы, и число этих отрезков, фиксируемое в счетчике, является кодом глубины. За счет измерения длины колонны труб, спущенной в скважину, и, следовательно, претерпевшей деформацию, существенно увеличивается точность определения глубины скважины.

Для измерения линейных перемещений также используется индукционные измерители линейной скорости и длины. Их работа основана на том, что при движении металлического объекта в постоянном или переменном поле в нем индуцируются вихревые токи, пропорциональные скорости движения. Совокупное магнитное поле воздействует на измерительную катушку и наводит эдс. Путем интегрирования сигнала в катушке находят величину перемещения. Точность измерения, достигнутая индукционными устройствами, составляет 0,1. Поэтому такой способ измерения в принципе может быть применен и при измерениях глубин по кабелю (трубам). На индукционном способе измерений основано устройство, содержащее постоянный магнит и диэлектрический объект измерений (например, неметаллический канат) с навитой на него обмоткой, которая подключена к регистрирующему блоку. При перемещении каната в обмотке индуцируется эдс, величина которой пропорциональна скорости перемещения. Такое устройство может быть использовано в качестве измерительного блока глубиномеров. Определяющих вертикальные перемещения вертлюга с помощью тросиковых датчиков.

Известен также элекромеханический датчик для измерения угловых и линейных перемещений, имеющий сердечник с двумя полюсами, охватывающими измеряемый объект, и один полюс обнаружения, равноудаленный от этих двух полюсов. Два полюса снабжены катушками, подключенными к источнику переменного тока, а полюс обнаружения содержит катушку, связанную со схемой обнаружения.

Магнитный способ является наиболее точным из известных способов измерения глубины скважин и широко применяется при разметке каротажного кабеля.

ИНЕРЦИАЛЬНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИН СКВАЖИН

Инерциальный способ измерения глубин скважин основан на фиксации ускорения скважинного прибора с последующим двойным интегрированием для получения пройденного пути в функции времени.

В инерциальной системе для исследования скважин применены три линейных акселерометра и, по меньшей мере, два гироскопа, образующих три оси наивысшей чувствительности. Сигналы этих приборов передаются по кабелю на поверхность, где ЭВМ непрерывно рассчитывает и записывает положение зонда с погрешностью 1 м на 1000 м глубины.

В ряде приборов для определения пространственного положения скважины используются датчики линейного ускорения, которые дают информацию, достаточную для определения величины перемещения прибора в скважине, откуда может быть рассчитана и ее глубина.

Разработаны различные принципы построения датчиков акселерометров, способы кодирования и обработки данных об ускорении.

Инерциальные устройства обеспечивают требуемую точность измерений глубин, но являются сложными как по используемым датчикам, так и по средствам обработки получаемых с них данных.

КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИНЫ СКВАЖИН

В этом способе определения глубин скважины используются корреляционные свойства сигналов, возникающих либо при измерениях характеристик пород в скважине, либо при фиксации неоднородностей поверхности объекта, движущегося в скважине (трубы, кабель).

В первом случае проводят исследование естественного или наведенного поля двумя идентичными датчиками, разнесенными на базовое расстояние. Известно устройство, состоящее из двух детекторов, двух схем, размещенных на фиксированном расстоянии друг от друга, которые при перемещении измеряемого объекта относительно детекторов выполняют квантование по времени информации, полученной от этих детекторов, и схемы вычисления коэффициента корреляции между квантованными сигналами. Определяется интервал времени, для которого коэффициент корреляции принимает максимальное значение, откуда с учетом расстояния между детекторами рассчитывается средняя скорость перемещения объекта между детекторами. В зависимости от величины средней скорости регулируется интервал квантования сигналов с детекторов по времени. Интегрированием скорости может быть получена величина перемещения, то есть длина или глубина объекта.

Известен способ согласования данных при каротаже, основанный на определении мгновенной скорости движения зонда по максимальному значению взаимной корреляционной функции измерений от двух идентичных геофизических приборов, которые сдвинуты один относительного другого на постоянную базу. Глубина погружения геофизического зонда определяется посредством интегрирования во времени мгновенной скорости его движения.

При определении глубин по однородности перемещаемого объекта принцип измерений не меняется, только вместо сигналов, характеризующих разрез скважины, используются либо световые волны, отраженные от поверхности каната или кабеля, либо акустический шум, возникающий в оболочке движущегося объекта. В принципе могут быть использованы магнитные и другие эффекты.

Существенным недостатком этого способа является низкая надежность, вызванная тем, что при недостаточной дифференциации сигналов, связь между ними при обработке может быть вообще утеряна.

ВОЛНОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИН СКВАЖИН

Волновой способ определения глубин скважин состоит в измерении времени распространения волны той или иной физической породы от устья скважины до забоя (или обратно). Произведение полученного времени на скорость распространения волны в среде дает искомую глубину скважины.

Наиболее разработанным является акустический метод, использующий упругие колебания, проходящие через колонну труб в горные породы.

Способ определения координат забоя скважины при турбинном бурении заключается в следующем. В процессе бурения горных пород возникают упругие колебания долота, распространяющиеся в окружающей среде. Эти колебания модулируют путем подачи в систему промывки скважин импульсов давления с заданными амплитудами и временными параметрами посредством насоса с клапаном и изменения осевой нагрузки на долото за счет разгрузки колонны на забое. Интервал следования импульсов должен быть не менее времени распространения сигнала от точки возбуждения их до наиболее удаленного приемника колебаний. Длительность импульса и его амплитуда выбираются из амплитудно-частотных свойств разреза и глубины скважины. Промоделированные колебания регистрируются приемниками колебаний, положение которых в принятой системе координат известно. При достижении максимального уровня модуляции колебаний измеряют время распространения колебаний от забоя до приемников по известным значениям длины колонны, скорости звука в промывочной жидкости, фиксированным моментам посылок модулирующих импульсов давления, создаваемых на устье скважины, и моментам их приема. Затем по измеренному времени распространения сигналов от забоя до приемников колебаний и известной скорости распространения звука в горных породах определяют расстояния от забоя до приемников колебаний, после чего определяют координаты забоя.

Другой способ определения координат генерации упругих волн в Земле, первую очередь забоя бурящихся скважин, осуществляется как в процессе бурения, так и при наращивании труб использованием бурильной колонны, наполненной промывочной жидкостью и спущенной до забоя скважины. Ударные волны возбуждаются в бурильной колонне или над вертлюгом посредством импульса давления, полученного взрывом твердого или газообразного материала, либо другими средствами. Ударная волна высокого давления образуется в камере, размещенной в верхней части бурильной колонны и открытой внутрь бурильных труб. То есть тем самым связанной с поверхностью жидкости. Ударная волна по столбу промывочной жидкости доходит до бурильного инструмента, а далее распространяется в затрубном пространстве и в горных породах. На поверхности Земли для регистрации волн, прошедших через породы, устанавливается ряд датчиков. Время прохождения волн через породы определяется из времени фиксации их на поверхности и времени прохождения до забоя, определяемого по отраженной волне, возвратившейся на устье по промывочной жидкости в затрубном пространстве или по трубам.

Помимо акустического предложен также оптический способ определения глубин. Схема, реализующая данный способ, включает в себя отражатель (зеркало) оптических сигналов в скважинном приборе или вблизи его, электрооптический каротажный кабель, блок возбуждения сигналов с боковой поверхности кабеля, коллектор на барабане лебедки подъемника, приспособленный для приема, ввода оптических сигналов, дополнительный оптический кабель и блок, состоящий из передающей и приемной систем, а также систему обработки данных.

В кабель от лазера поступает сигнал наносекундной длительности, который отражается в скважине и возвращается на поверхность. По времени его прохождения определяют длину всего кабеля в данный момент времени. Второй сигнал возбуждают в световодах кабеля около устья скважины. Если кабель бронированный и способом возбуждения сигналов выбрано воздействие на кабель высокочастотного звука или воздействие теплового импульса, то первый сигнал одновременно вызывает второй в виде слабого рассеяния света, который поступает на приемник. В зависимости от мощности лазера, затухания волокон и т.п. в качестве приемника может быть использован лавинный фотодиод или фотоумножитель. По поступившим сигналам определяют глубину в скважине и ее значения передают на каротажную станцию и каротажно-перфорационный приемник.

Если кабель не бронированный и, кроме того, в кабеле применены люминесцентные волокна, дающие возбуждать достаточно интенсивную вспышку света, то применение сигнала с коллектора лебедки необязательно. Глубину определяют по времени распространения от устья двух сигналов – одного в скважину и обратно до коллектора, другого – до коллектора. Для пропускания оптических сигналов могут использоваться одно или несколько волокон с активаторами или без них – в зависимости от характеристики применяемых волокон, конструкции кабеля и т.д.

При реализации волнового способа измерения глубин возможно применение электромагнитных колебаний, распространяющихся по колонне труб или каротажному кабелю, как по электрической линии связи с распределенными параметрами.

Волновой способ используется в различных вариантах исполнения для определения либо траектории скважины с помощью датчиков, размещенных на забое и устье, либо непосредственно координат забоя скважины независимо от траектории проложения самой скважины с помощью датчиков, расположенных на поверхности Земли. Волновой способ дает возможность измерять собственно глубину скважины как расстояние от забоя до поверхности, отмеренное по вертикали, что является характерной особенностью и преимуществом этого способа. Данные о точности измерения глубин в вышеперечисленных способах не приводятся, что говорит об отсутствии опыта практического использования волнового способа.

Методика определения глубин скважин автономными приборами

Особенностью методики исследований скважин автономными приборами является отсутствие информационного канала связи с поверхностью. Поэтому обычные способы привязки результатов скважинных измерений к глубине, применяемые при каротаже на кабеле или газовом каротаже, заключающиеся в параллельной регистрации на поверхности забойных параметров и соответствующих им глубин, в этом случае не могут быть реализованы.

Методы привязки к глубине данных каротажа автономными приборами делятся на автономные и неавтономные.

К первым относятся такие способы, которые могут быть реализованы непосредственно в скважинном приборе. Это могут быть корреляционный, инерциальный способы и способ промера колонны труб подвижной разметочной установкой. При этом запись измеряемых параметров в автономном приборе может быть непосредственно осуществлена по сигналам, формируемым блоками измерения глубин автономных приборов. Возможна также параллельная запись автономным прибором параметров и глубин в функции времени, с последующей расшифровкой информации на поверхности для построения зависимости параметров от глубины.

При неавтономных способах определение местоположения автономного прибора в скважине производится с поверхности любым из описанных методов измерения глубин по кабелю, канату или колонне бурильных труб, с которыми скомпонован автономный прибор.

Полученные результаты измерений глубин могут быть использованы для периодической посылки с поверхности в автономный скважинный прибор сигналов телеуправления, по которым производится снятие дискретных отсчетов забойных параметров через определенные интервалы по стволу скважины. Для передачи сигналов телеуправления используются естественные каналы связи, лучшим из которых с точки зрения надежности и дальности действия является гидравлический канал связи. Результаты скважинных измерений консервируются в автономном приборе до подъема его на поверхность, где воспроизводится диаграмма забойных параметров в функции глубины скважины.

В другом случае результаты измерений глубин записываются на поверхности в функции времени, с одновременной записью в функции времени забойных параметров в автономном приборе.

Погрешность привязки к глубине данных каротажа в процессе бурения автономными приборами в основном определяется погрешностью используемого способа измерения глубин. Что касается дополнительной погрешности, возникающей в процессе перезаписи, то для современных технических средств не существует принципиальных ограничений, чтобы сделать ее, по крайней мере, на порядок ниже основной погрешности.

ПРОЧИЕ СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИН

Определение глубины по числу бурильных труб (или свечей) может быть определено на поверхности или в скважине с использованием локатора муфт. При этом практически не учитывают ни отклонения размеров труб от номинальных, ни деформации колонны труб в скважине, поэтому погрешность измерений обычно велика.

При промере небольших углублений (шурфов) для закладки взрывчатых веществ используется мерный шланг.

Ранее предлагалось наносить на канат (кабель) вместо магнитных меток радиоактивные метки. Такой способ имел малую разрешающую способность по глубине, связанную со значительной шириной метки, и был неудовлетворителен с точки зрения техники безопасности.

Глубина скважины приближенно может быть определена и по давлению столба бурового раствора в скважине. Устройства, основанные на этом принципе, иногда используются для включения автономных скважинных приборов.

Известны также некоторые способы определения глубин по расходу промывочной жидкости. Например, глубину залегания проявляющегося пласта определяют путем измерения от начала прокачки расхода жидкости и времени появления на поверхности разбавленного пластовым флюидом бурового раствора.

При газовом каротаже для введения поправок по глубине на отставание газо-нефтепроявлений используется специальное устройство, содержащее носитель записи, головку нанесения на него меток глубин и считывающую головку. Расстояние между головками пропорционально объему затрубного пространства скважины, а сам носитель перемещается в функции объема бурового раствора, эвакуированного из скважины. Полученные результаты являются приближенными.

Предложен способ определения глубины скважины, по которому измеряют вес колонны бурильных труб. С учетом потери веса труб, погруженных в промывочную жидкость, и разгрузки из-за трения труб о стенки скважины, определяют средневзвешенный вес единицы длины колонны труб. По отношению веса колонны труб к средневзвешенному весу единицы длины труб судят о глубине скважины. Данный способ может быть использован для приближенных расчетов при отсутствии данных о кривизне скважины.

Дата добавления: 2015-06-27