ДАТЧИК ОТКЛОНЕНИЯ СКВАЖИНЫ ОТ ГОРИЗОНТАЛИ Российский патент 1997 года по МПК G01C9/00 E21B47/22 

Предлагаемый датчик относится к области горного дела, конкретнее, к устройствам для измерения искривления скважин горизонтального бурения.

Бурение горизонтальных скважин приобретает в настоящее время все большее распространение на месторождениях нефти и газа, поскольку обеспечивает более эффективное вскрытие продуктивных пластов, чем обычные скважины вертикального или наклонного бурения. Горизонтальные скважины задают также при разведке трудных месторождений, используя для их заложения горные выработки. При проходке горизонтальных скважин очень важно контролировать их положение в вертикальной плоскости, т.к. даже при небольших отклонениях от горизонтали они быстро выходят за пределы мощности продуктивного пласта и продолжение бурения в этом случае теряет смысл.

В настоящее время для измерения углов искривления горизонтальных скважин на производстве применяют инклинометры, оснащенные датчиками угла наклона в виде отвеса, положение которого либо измеряют дистанционно с помощью реостатного преобразователя, либо фиксируют внутри скважинного снаряда и считывают визуально после извлечения датчика на поверхность. Примером инклинометра последнего типа может быть "одноразовый" инклинометр ОК-4ОУ /1/. Недостаток такого инклинометра низкая производительность, связанная с дискретным способом измерения. Более производительны датчики угла наклона, в которых в качестве чувствительного элемента используется на отвес, а уровень жидкости, положение которого преобразуется в электрический сигнал с помощью фотоэлектрического, омического, емкостного или даже радиационного преобразователя. Общий недостаток всех перечисленных датчиков низкая точность при измерении малых углов отклонения скважины от горизонтали.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является "Датчик зенитного угла буровой скважины" /2/. Этот датчик содержит цилиндрический внешний корпус с измерительной камерой, частично заполненной электропроводной жидкостью, и реостат, размещенный на внутренней поверхности измерительной камеры и подсоединенный к измерительной схеме. Подвижным контактом реостата служит уровень электропроводной жидкости.

Недостаток этого датчика заключается в низкой точности измерения малых углов отклонения скважины от горизонтали. Его абсолютная погрешность составляет не менее +1^o-2^o.

Изобретение направлено на повышение точности измерения малых углов отклонения скважины от горизонтали. Это достигается тем, что датчик, содержащий внешний цилиндрический корпус с измерительной камерой, частично заполненной электропроводной жидкостью, и реостатом, размещенным на внутренней поверхности измерительной камеры и подключенным к измерительной схеме, снабжен идентичной измерительной камерой с реостатом, частично заполненной электропроводной жидкостью и соединенной трубчатой перемычкой с основной камерой, и двенадцатью вспомогательными камерами, также частично заполненными электропроводной жидкостью, причем электропроводная жидкость заполняет каждую из двух измерительных камер не менее чем на 240^o ее окружности, а реостат выполнен в виде кольца, расчлененного через 120^o на три равные дуги с электрическими выводами от каждой трети; вспомогательные камеры размещены по шесть с каждой стороны от измерительных камер на одной оси с ними и выполнены в виде полых дисков, каждый из которых не менее чем на одну треть заполнен электропроводной жидкостью и снабжен парой электрических контактов, положение которых по угловой координате смещено на 60^o относительно разрывов кольцевого реостата, так что каждому из разрывов соответствует положение контактов в двух вспомогательных камерах, причем один из пары контактов в каждой вспомогательной камере соединен со своей дугой реостата, вывод которой смещен по угловой координате относительно этого контакта на 180^o, а другой контакт пары соединен с аналогичными контактами еще двух пар и подведен к измерительной схеме. Измерительная схема выполнена в виде дифференциального измерительного моста сопротивлений, а обе измерительные и двенадцать вспомогательных камер осесимметрично размещены внутри промежуточного корпуса, имеющего форму трехгранной призмы, поперечное сечение которой представляет собой равносторонний треугольник, радиус описанной окружности которого меньше внутреннего радиуса цилиндрического внешнего корпуса датчика, причем каждая вершина треугольника располагается напротив своего разрыва кольцевого реостата.

На фиг. 1 изображен продольный разрез датчика; на фиг. 2 его поперечный разрез по линии А-А; на фиг. 3 -схема электрических соединений датчика; на фиг. 4 поперечный разрез через датчик по линии А-А в момент измерения; на фиг. 5 схема измерительного моста, в который включен датчик.

Датчик содержит основную измерительную камеру 1, имеющую форму полого барабана или диска, поставленного на бок. Камера 1 соединяется с совершенно идентичной измерительной камерой 2 при помощи трубчатой перемычки 3, образуя фигуру в виде гантели. Обе измерительные камеры 1 и 2 частично заполнены электропроводной жидкостью 4 таким образом, чтобы жидкость занимала не менее 240^o из окружности. Та же жидкость заполняет и перемычку 3. По окружности каждой измерительной камеры располагается реостат 5, выполненный в виде кольца из высокоомной неизолированной проволоки, расчлененного через 120^o на три равных дуги с электрическими выводами 6-7, 8-9, 10-11 из камеры 1 и 6'-7', 8'-9', 10'-11' из камеры 2. Угловые координаты одноименных выводов из камер 1 и 2 совпадают. На продолжении продольной оси 00' "гантели" размещены вспомогательные камеры, по шесть штук с каждой стороны: камера А, Б, В, Г, Д, Е со стороны измерительной камеры 1 и А', Б', В', Г', Д', Е' со стороны камеры 2. Все вспомогательные камеры имеют совершенно идентичную конструкцию. Они представляют из себя полые цилиндрические барабаны или диски, также частично, не менее чем на 1/3, заполненные такой же электропроводной жидкостью 4. Внутри каждой вспомогательной камеры, вдоль ее образующей на небольшом расстоянии друг от друга размещены пара электрических контактов, цепь между которыми может быть замкнута через электропроводную жидкость 4. Вспомогательные камеры необходимы для того, чтобы обеспечить подключение к измерительной схеме тех выводов реостатов в измерительных камерах 1 и 2, которые не закорочены через электропроводную жидкость 4, и размыкание выводов, идущих от участков реостата, закороченных через эту жидкость. По этой причине местоположение контактов во вспомогательных камерах смещено на 60^o относительно положения ближайших выводов от реостата 5, причем контакты 6а-12а в камере А и 7б-13б имеют одинаковые положение, они смещены на 60^o по часовой стрелке относительно выводов 8 и 9 реостата 5 и, таким образом, повернуты на 180^o относительно выводов 6 и 7, с которыми они имеют электрическое соединение. Контакты 8в-12в в камере В совпадают по положению с контактами 9г-13г в камере Г, они смещены на 60^o по часовой стрелке относительно выводов 10 и 11 и, следовательно, повернуты на 180^o относительно контактов 8 и 9, с которыми они соединяются. Контакты 10д-12д в камере Д совпадают по положению с контактами 11е-13е в камере Е, они смещены на 60^o по часовой стрелке относительно выводов 6 и 7 реостата и сдвинуты на 180^o по отношению к выводам 10 и 11, с которыми они соединяются.

Совершенно аналогично размещены контакты в камерах А'-Е' относительно выводов реостата 5', установленного в измерительной камере 2.

Таким образом, когда датчик повернут относительно продольной оси так, что самое высокое положение занимают выводы 6 и 7, как показано на фиг. 3, соединенные с ними контакты 6а и 7б оказываются внизу, поэтому они замыкаются через электропроводную жидкость 4 с контактами 12а и 13б соответственно и через них подключаются к точкам 12 и 13 мостовой измерительной схемы (фиг. 5). В то же время выводы реостата 8-9 и 10-11 оказываются отсоединенными от измерительной схемы за счет разомкнутых контактов 8в-12в, 9г-13г и 10д-12д, 11е-13е.

Аналогичным образом к выводам моста 12' и 13' подключаются выводы 6' и 7' реостата 5' из камеры 2.

Как следует из фиг. 3, номера выводов от реостата 5 совпадают с номерами контактов во вспомогательных камерах, с которыми они имеют соединение. Соответственно каждый свободный от соединения с реостатом контакт вспомогательной камеры имеет номер 12 или 13 с соответствующим буквенным индексом (а-е) в зависимости от того, к какому выводу измерительного моста он подключен.

Описанная конструкция датчика и схема его электрических соединений обеспечивает подключение к измерительной мостовой схеме аналогичных частей реостатов 5 и 5' при любом угле поворота датчика относительно продольной оси 00'.

Чтобы обеспечить устойчивое положение датчика внутри горизонтальной скважины, измерительные и вспомогательные камеры размещены внутри промежуточного корпуса 14 (см. фиг. 2), имеющего поперечное сечение в форме равностороннего треугольника, по отношению к которому сечение измерительных камер представляет из себя вписанные окружности. Вместе с промежуточным корпусом 14 датчик помещен во внешний цилиндрический корпус 15, внутренний диаметр которого несколько (примерно на 5%) превышает диаметр окружности 16, описанной около треугольника 14. При этом датчик внутри трехгранного промежуточного корпуса размещается так, чтобы выводы от участков реостата 5 и 5' располагались напротив его ребер (в сечении напротив вершин равностороннего треугольника).

Введение трехгранного промежуточного корпуса 14 в конструкцию датчика вызвано необходимостью предотвратить тот редкий, но возможный случай, изображенный на фиг. 2, когда датчик занимает совершенно симметричное в поперечном разрезе положение относительно вертикальной плоскости, проходящей через его продольную ось, при котором невозможно измерить его сопротивление.

При помещении датчика в трехгранный корпус такое положение будет неустойчивым из-за того, что центр масс будет располагаться выше точки опоры (точнее, линии опоры) и датчик всегда отклонится от вертикальной плоскости вправо или влево, как это изображено на фиг. 5.

Для повышения быстродействия датчика его промежуточный корпус может быть заполнен изоляционной жидкостью (например, трансформаторным или веретенным маслом) и снабжен компенсатором давления (на чертеже не показан), а внешний корпус 15 выполнен сообщающимся со скважинной жидкостью.

При горизонтальном положении оси 00' уровень электропроводной жидкости в измерительных камерах 1 и 2 одинаков, поэтому одинаково и сопротивление участков реостатов 5 и 5', подключенных к мостовой измерительной схеме. Мостовая схема балансируется с помощью подстроечного переменного сопротивления 17 таким образом, чтобы регистрирующий прибор 18 давал нулевые показания. При отключении оси датчика 00' от горизонтали уровень электропроводной жидкости в одной камере (опущенной) повышается и сопротивление реостата в ней уменьшается, в другой камере (приподнятой) уровень понижается, а сопротивление в ней увеличивается, баланс моста нарушается, и измерительный прибор 18 дает показания, отличающиеся от нуля тем больше, чем больше отклонение датчика от горизонтали.

Поскольку в предложенном датчике осуществляется дифференциальное подключение реостатов к мостовой схеме (одновременное уменьшение сопротивления одного и увеличение сопротивления другого смежного плеча), это обеспечивает высокую чувствительность и точность измерительной схемы.

Очевидно также, что чувствительность и точность датчика будет тем выше, чем больше его длина, точнее, расстояние между измерительными камерами 1 и 2.

Элементарные расчеты показывают, что при длине датчика 20 см и чувствительности измерительного прибора 18 в 5% может быть получена абсолютная погрешность измерений, не превышающая ±0,25^o.

И еще одно преимущество предложенного датчика заключается в том, что при питании измерительного моста от источника постоянного тока 19 по знаку сигнала, зарегистрированного измерительным прибором 18, можно определить, в какую сторону происходит отклонение датчика от горизонтали, т.е. опускается или поднимается забой скважины.

Датчик работает следующим образом. Выводы 12, 13 и 13' из корпуса датчика подключают к трем жилам каротажного кабеля, а через них к измерительной мостовой схеме, находящейся на поверхности.

Корпус датчика закрепляют в установочном инклинометрическом столе и придают ему горизонтальное направление (ось 00' горизонтальна). Балансируют измерительный мост, устанавливая нулевые показания регистрирующего прибора 18 с помощью переменного сопротивления 17.

Далее выполняют градуировку датчика, придавая ему углы отклонения от горизонтали в пределах от 0,25^o до 10^o в ту и другую стороны и беря отсчеты по регистрирующему прибору 18.

Затем доставляют датчик к горизонтальному участку скважины с помощью гибких пластиковых труб, бурового снаряда, устройства типа "самолаза" или любым другим способом. При движении датчика как по наклонному, так и по горизонтальному участку скважины происходят его незакономерные повороты вокруг продольной оси 00', однако конструкция датчика гарантирует, что при достижении горизонтального (или субгоризонтального) участка датчик займет такое положение, чтобы одна из пар выводов реостатов 5 и 5' была расположена выше двух оставшихся, что обеспечивает подключение к измерительному мосту соответствующих участков этих реостатов. По измерительному прибору 18 берут отсчет при остановках датчика в скважине через определенные интервалы, либо регистрируют непрерывно его показания в виде диаграммы при медленном перемещении датчика по стволу скважины. С помощью градуировочных графиков переходят от отсчетов измерительного прибора 18 к углам отклонения скважины от горизонтали. Результаты измерений используют для коррекции направления ствола скважины.

Использование: горное дело, датчик содержит две измерительные камеры, частично заполненные электропроводной жидкостью и соединенные трубчатой перемычкой наподобие гантели. На внутренней поверхности каждой камеры размещен реостат, выполненный в виде кольца, расчлененного на три равных дуги с электрическими выводами от каждой трети. На продолжении оси "гантели" размещено по шесть вспомогательных камер, также частично заполненных электропроводной жидкостью и снабженных парой электрических контактов. Посредством контактов во вспомогательных камерах осуществляется подключение к измерительному мосту той части реостата, которая не перекрыта электропроводной жидкостью, и отключение частей реостата, замкнутых ею, при любом повороте датчика относительно его продольной оси. Аналогичные части реостатов в обоих измерительных камерах подключаются в качестве плеч к дифференциальному измерительному мосту. Обе измерительных и все вспомогательные камеры помещены в промежуточный корпус, имеющий форму трехгранной призмы, причем ребра призмы располагаются напротив от дуг реостатов. 2 з.п. ф-лы. 5 ил.

1. Датчик отклонения скважины от горизонтали, содержащий внешний цилиндрический корпус с измерительной камерой, частично заполненной электропроводной жидкостью, и реостатом, размещенным на внутренней поверхности измерительной камеры и подключенным к измерительной схеме, отличающийся тем, что он снабжен идентичной дополнительной измерительной камерой с реостатом, частично заполненной электропроводной жидкостью и соединенной трубчатой перемычкой с основной измерительной камерой, и двенадцатью вспомогательными камерами, также частично заполненными электропроводной жидкостью, причем электропроводная жидкость заполняет каждую из двух измерительных камер не менее чем 240^o ее окружности, а реостаты выполнены в виде кольца, расчлененного через 120^o на три равных дуги с разрывами между ними и электрическими выводами от каждой трети, вспомогательные камеры размещены по шесть с каждой стороны от измерительных камер на одной оси с ними и выполнены в виде полых дисков, каждый из которых не менее чем на одну треть заполнен электропроводной жидкостью и снабжен парой электрических контактов, положение которых по угловой координате смещено на 60^o относительно разрывов кольцевого реостата так, что каждому из разрывов соответствует положение контактов в двух вспомогательных камерах, причем один из пары контактов в каждой вспомогательной камере соединен со своей дугой реостата, вывод которой смещен по угловой координате относительно этого контакта на 180^o, а другой контакт пары соединен с аналогичными контактами еще двух пар и подведен к измерительной схеме. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что его измерительная схема выполнена в виде дифференциального измерительного моста сопротивлений. 3. Датчик по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что обе измерительных и двенадцать вспомогательных камер осесимметрично размещены внутри промежуточного корпуса, имеющего форму трехгранной призмы, поперечное сечение которой представляет собой равносторонний треугольник, радиус описанной окружности которого меньше внутреннего радиуса цилиндрического внешнего корпуса датчика, причем каждая вершина треугольника располагается напротив своего разрыва кольцевого реостата.