что такое магнитное склонение в бурении

Что такое магнитное склонение в бурении

Если говорить о геологии нефти и газа, то нельзя не рассказать о глубине скважины, ее траектории, то есть тех геометрических параметрах, которые в итоге дают положение точек под землей — по сути, единственной относительно конкретной информации о пласте.

Скважина — вертикальная горная выработка, длина которой во много раз больше ширины. Так, по крайней мере, нас учили.
Надо сказать, что скважины бывают строго вертикальными очень редко. Вкратце они делятся на вертикальные, наклонно-направленные и горизонтальные. Глубина нефтяной/газовой скважины — от 200-500 м до 4 км (в среднем), но есть и рекордсмены по 12-13 километров. Стандартный диаметр на входе в пласт — приблизительно 0,2 м.

Поскольку строго вертикальной скважину назвать трудно, возникает вопрос: как и от чего измерять глубину? Тут всё довольно просто.
Можно измерять длину вдоль ствола скважины (по длине кабеля геофизического прибора, спускаемого в нее). Естественно, нужно учитывать растяжение кабеля.
Такая длина будет называться измеренной глубиной, или глубиной по стволу, или MD — measured depth.

Можно измерять глубину от стола ротора — места, где в скважину при бурении спускаются трубы. Такая глубина будет называться вертикальной или TVD — true vertical depth.

Но если мы хотим учесть неровность поверхности Земли, разную высоту скважин относительно уровня мирового океана, то мы используем абсолютные отметки, они же TVDSS — true vertical depth sub sea.
TVD и TVDSS связаны между собой альтитудой. Альтитуда, по сути, и равна высоте устья скважины (стола ротора) над уровнем моря. В пакетах для геологического моделирования альтитуда обозначается буквами KB — kelly bushing, в переводе — тот самый стол ротора.

Есть один нюанс: MD всегда положителен, TVD бывает положительным или отрицательным, в зависимости от желания инженера по траектории (или кто там считал ту траекторию), TVDSS здорового человека начинается с положительных значений и заканчивается отрицательными, потому что это по сути координата Z.

В следующий приступ вдохновения я расскажу, как может задаваться инклинометрия скважины (ее положение в пространстве), что такое магнитное склонение, зачем нужен отход и что вызывает недоумение в Petrel 2016.

Источник

Что такое магнитное склонение в бурении

11.Системы передачи информации в процессе бурения.

Ø Кабельные системы.

«+» максимальная информативность, быстрота получения сигнала, помехоустойчивость, 2-х сторонняя связь, источник энергии на поверхности, работа с воздухом и аэрированными пром. жидк.

«-» наличие кабеля в (на) колонне, невозможность вращения колонны и закрытия ПВО.

Ø Электромагнитный канал.

«+» высокая информативность, низкая стоимость систем

«-» дальность зависит от глубины перемежаемости пород, низкая помехоустойчивость.

Ø Гидравлический канал :

— система на «+» импульсах (регистрируется ↑ давл. внутри бурильных труб).

— система непрерывных волн.

«+» применение без нарушения технологических процессов, независимость от глубины и пород.

«-» низкая скорость сигнала, низкая помехоустойчивость, необходимость в забойном источнике питания, невозможность работы с воздухом и аэрированными пром. жидк

12.Методы вычисления результатов измерений.

13.Устройство и принцип работы датчиков (магнитометры, акселерометры):

Магнитометры – состоят из двух параллельно расположенных катушек на которые подается напряжение определенной величины, в зависимости от расположения по отношению к магнитному полю земли скорость намагничивания катушек меняется, эти показания снимаются и переводятся в значения азимута скважины.

Акселерометр (Равновесный) – внутри корпуса с внешней обмоткой, в жидкости, находится магнит который удерживается в центральной позиции переменным током, при отклонении от горизонтального расположения корпуса акселерометра, магнит начинает перемещение и величина тока изменяется. Эти показания снимаются и переводятся в значении зенитного угла.

Акселерометр (Кварцевый стержневой) – магнит прикреплен на тонких подвесах к корпусу, переменный ток используется для удержания магнита в центральной позиции, при отклонении от горизонтального расположения корпуса акселерометра, магнит начинает перемещение и величина тока изменяется. Изменение отклика выходного напряжения переводятся в значении зенитного угла.

14.Установка датчика давления – датчик давления располагается в манифольдной линии или на стояке, на достаточном удалении от буровых насосов, мест резких перегибов направления линии высокого давления (для уменьшить вероятность возникновения помех) лучше в тёплом помещении.

Накачка компенсатора (гаситель пульсации) 30-40% от рабочего давления.

15.Промывочные жидкости: (параметры, единицы, физический смысл)

В – водоотдача (см3/30 мин.) Количество жидкой фазы отфильтровывающееся в стенки скважины из ПЖ.

ρ – удельный вес (г/см3). Вес единицы объема бурового раствора.

λ – липкость (град.) фрикционные свойства промывочной жидкости на сопротивление движению инструмента по поверхности фильтрационной корки.

П – содержание песка (%). Влияет на абразивные свойства бурового раствора.

СНС – статическое напряжение сдвига (мПа*с). Усилие для перевода ПЖ из состояния геля в жидкость.

ДНС – динамическое напряжение сдвига (сП). Усилие в промывочной жидкости при ее протекании.

Источник

Новейший метод инклинометрических измерений: усовершенствованная геомагнитная привязка

Advanced downhole surveying technique: enhanced geomagnetic referencing

R. Rakhmangulov, Schlumberger

В направленном бурении сегодня широко применяются телесистемы, выполняющие инклиномертические измерения скважины в режиме реального времени. В статье описывается новейший способ уменьшения погрешностей таких измерений путем использования метода усовершенствованной геомагнитной привязки. Он позволяет поразить минимальные геологические цели и существенно снизить риски пересечений скважин.

Today, MWD tools are widely used in directional drilling for accurate well placement in real-time. In this article, the author describes an advanced surveying technique which helps to eliminate the errors associated with magnetic surveying through the application of enhanced geomantic referencing. This method significantly increases drilling targets and minimizes the risk of well to well collision.

В настоящее время добывающими компаниями осуществляется множество проектов по разработке месторождений с трудноизвлекаемыми запасами, где геологические цели становятся все меньше, в то время как сетка разработки все более уплотненной, и расстояния между стволами скважин минимизируются. Также для наиболее эффективного извлечения углеводородов производится бурение горизонтальных скважин, отходы от устья которых достигают 10 км.
Данные проекты требуют высокой точности определения положения скважин в пространстве и, соответственно, совершенно нового подхода к выполнению инклинометрических измерений.

Определение положения скважины

Для геометрического расчета положения ствола скважины необходимо знать зенитный угол и азимут для определенной глубины по стволу. Как только прибор оказался в скважине, кроме неточности калибровки инклинометра на измерения начинает воздействовать множество внешних факторов, которые не имеют эффекта на поверхности. Эти факторы представляют собой неоднородность магнитного поля, нарушения соосности между прибором и скважиной, температуру, колебания КНБК во время снятия замера и т.д. Также появляются погрешности определения глубины по стволу для замера, вызванные растяжением инструмента под действием собственного веса и температуры.
Все эти ошибки накапливаются от замера к замеру, поэтому помимо геометрического расчета необходимо осуществлять вероятностный расчет.
В современном программном обеспечении при проектировании скважин существует возможность рассчитывать вероятностное положение скважин. Результатом этого расчета является некий объем вокруг геометрической траектории, или Эллипс Неопределенности (EOU), учитывающий все возможные положения ствола скважины с учетом погрешностей с достоверностью до 99%. На базе этих расчетов ведется оценка рисков пересечений и определяются вероятности попадания в заданные заказчиком геологические цели (рис. 1).
Для каждого инклинометрического прибора существует стандартная модель ошибок, которая включает все возможные погрешности и определяет принцип их накопления. В промышленности стандартные модели ошибок утверждаются группой экспертов комитета ISCWSA*, в которую входят представители ведущих добывающих и сервисных компаний.

Принцип работы магнитных приборов

Инклинометр с магнитными датчиками определяет свою ориентацию в пространстве путем измерения вектора напряженности магнитного поля Земли, поэтому основная часть погрешностей напрямую связана с непостоянством геомагнитного поля.
Для навигации используется известное свойство магнитного поля Земли: его горизонтальная компонента всегда направлена на магнитный северный полюс, то есть инклинометр работает по принципу компаса, только в скважинных условиях.

Основное магнитное поле по своей природе непостоянно и изменяет свойства с течением времени. Поэтому, чтобы избежать «блуждающего» ориентира, при бурении применяется поправка на постоянный географический север, представляющая собой разницу между направлениями на географический и магнитный северный полюс для определенного местоположения скважины и определенного времени. Эта разница называется магнитным склонением. Для определения магнитного склонения и остальных свойств геомагнитного поля в индустрии используются геомагнитные модели, которые создаются на основе измерений, полученных со спутника, оснащенного магнитными датчиками. Модели обновляются, в среднем, один раз в год (рис. 2, 3).

Дополнительные погрешности

и их последствия

Стандартные модели не могут учитывать резких изменений свойств магнитного поля, вызванных такими непредсказуемыми явлениями, как местные магнитные аномалии и магнитные бури.
Магнитные аномалии — области на поверхности Земли, в которых значение и направление вектора магнитного поля Земли существенно отличается от нормальных значений, определяемых моделью.

Некоторые горные породы способны «запоминать» свою намагниченность и сохранять ее в течение длительного времени, что вызывает избыточную намагниченность земной коры в районах бурения. Так как локальная намагниченность ввиду своих небольших размеров не может быть учтена при использовании обычных спутниковых данных из-за отдаленности спутника от поверхности Земли, то во время бурения неучтенные отклонения будут существенно снижать качество данных измерений (рис. 4).
Другим фактором, оказывающим наибольшее влияние на северных географических широтах, где находится значительная часть месторождений России, является наличие магнитных бурь, вызванных повышенной солнечной активностью.
Солнечные вспышки создают миллиарды заряженных частиц, движущихся с огромной скоростью в космическом пространстве. Это явление называется солнечным ветром. При достижении магнитосферы Земли солнечный ветер существенно изменяет поле, влияя на его параметры и впоследствии создавая элект­рические токи в ионосфере, ответственные за возмущение геомагнитного поля вблизи полюсов (рис. 5).
В результате под действием геомагнитных бурь отклонения магнитных параметров от прогнозов геомагнитных моделей могут достигать огромных значений. Одно только магнитное склонение может изменяться на пять-десять градусов, вызывая соответствующую ошибку скважинных измерений (рис. 6).
Под влиянием магнитных аномалий и геомагнитных бурь точность определения положения скважин существенно снижается, ошибки аккумулируется намного быстрее. Размеры Эллипса Неопределенности достигают 300 – 400 м, что ведет к таким проблемам, как повышенные риски пересечений, невозможность бурения разгрузочных скважин, геологические неопределенности, нарушение сетки разработки месторождений и выходы за границы лицензионных участков.

Усовершенствованная геомагнитная привязка

Самым современным способом минимизации погрешностей при использовании стандартных телесистем с магнитными датчиками является метод усовершенствованной геомагнитной привязки*.
Минимизация погрешностей достигается путем создания и использования усовершенствованных геомагнитных моделей, совмещенных с измерениями вариаций поля на поверхности.
Метод может состоять из двух или трех частей (третья часть необходима при бурении на высоких географических широтах).
а) Первая часть. Новая модель основного геомагнитного поля
Вместо применения стандартных моделей (BGGM и IGRF) для прогнозирования основного поля предлагается использовать геомагнитную модель высокого разрешения (HDGM)**. Высокая точность моделирования реализуется с помощью использования измерений, полученных с низкоорбитального спутника CHAMP, оснащенного магнитометрами. Разрешение удалось увеличить за счет более близкого расстояния спутника к поверхности Земли (до 295 км).
б) Вторая часть. Моделирование локальных магнитных аномалий
Аэромагнитная съемка является частью геологоразведочных работ, проводимых на ранних стадиях, до начала разведочного бурения. Выполнение съемки производится на постоянной высоте и очень близком расстоянии к поверхности земли (от 50 до 500 м). Точность такой съемки достигает 1 нТл. Кроме основного применения в геологических целях данные, полученные во время съемки, могут использоваться для улучшения качества инклинометрических измерений. На основании результатов аэромагнитной съемки модель основного поля дополняется данными о локальных намагниченностях земной коры. Это позволяет смоделировать так называемый магнитный куб, который способен прогнозировать параметры поля не только на поверхности, но и под поверхностью Земли. Обычно размеры куба задаются площадью месторождения и максимальными абсолютными глубинами планируемых скважин. Наличие магнитного куба дает возможность очень точно рассчитать в программном обеспечении магнитное склонение и другие магнитные параметры для каждой точки замера в режиме реального времени и существенно снизить погрешности (рис. 7, 8).
в) Третья часть. Эксплуатация магнитной обсерватории
В северных районах кроме необходимости создания точной магнитной модели (магнитного куба) для компенсации воздействия магнитных бурь необходимо использование магнитной обсерватории. Это специальное сооружение, изготовленное из полностью немагнитного материала с механизмом поддержания постоянной температуры, устанавливается в радиусе не более 100 км от места проведения буровых работ. В обсерватории располагается набор высокоточных магнитометров, позволяющих с точностью, превышающей точность инклинометров в сотни раз, определять изменения свойств магнитного поля в районе бурения. Обсерватория производит абсолютные измерения, т.е. измеряет все параметры поля, включая магнитное склонение и его вариации. В режиме реального времени данные с обсерватории передаются на буровую. Путем синхронизации данных по времени, получаемых со скважинного прибора и обсерватории, происходит компенсация ошибок (рис. 9, 10).

Выводы
Огромным плюсом метода усовершенствованной геомагнитной привязки является достижение точности, превышающей точность гироскопических приборов без использования дополнительного скважинного оборудования.
Благодаря использованию метода, путем компенсации основных ошибок, достигается уменьшение погрешностей до 70%, по сравнению со стандартными измерениями (рис. 11).
Метод уже нашел широкое применение за рубежом, охватывая сотни проектов бурения скважин с большими отходами от вертикали, а также успешно используется в России.
Усовершенствованная геомагнитная привязка – это:
– возможность бурить скважины ближе друг к другу без рисков пересечений;
– точное позиционирование скважин в реальном времени при использовании классических телесистем;
– отсутствие затрат времени и средств на гироскопические измерения.

Источник

СИСТЕМА ОРИЕНТАЦИИ ЗАБОЙНОГО ИНКЛИНОМЕТРА

Цель работы – построить на основе МЭМС-акселерометров и магнитометра на основе магниторезисторов систему ориентации забойного инклинометра с параметрами, соответствующими современным требованиям

В процессе исследования проводились расчет и вывод уравнений для определения местоположения скважинного прибора на основе выбранных чувствительных элементов

Степень внедрения: стадия разработки технического предложения

Область применения: направленное бурение газовых и нефтяных скважин

Экономическая эффективность значимость работы повышение надежности и снижение стоимости модуля инклинометрического

Введение

Направленное бурение (рис. 1.) постепенно становится основным видом бурения, как на суше, так и на море при проходке скважин со стационарных морских платформ. Однако существуют требования к точности бурения забоя скважин в заданную точку и к соблюдению проектного профиля скважины.

Рис. 1. Бурение наклонно – направленной скважины

Увеличение производительности труда в бурении и сроков строительства скважины, ставит перед создателями инклинометрических приборов и систем задачу повышения не только точности к измерительной аппаратуре, но и оперативности получения инклинометрической информации, а также сокращения затрат времени при проведении инклинометрических работ. Это привело к разработке новых приборов и информационно-измерительных систем с использованием последних научно-технических достижений.

Для измерения угла наклона достаточно использовать трёхосный акселерометр, который измеряет проекции ускорения свободного падения g на три взаимно перпендикулярные пространственные оси. Для измерения азимута обычно используется трёхосный магнитометр, который, по аналогии с акселерометром, измеряет проекции напряженности магнитного поля земли на три взаимно перпендикулярные пространственные оси. На основании этих данных, после соответствующих вычислений, получают значение азимута и угла наклона в любой точке ствола скважины и его пространственную траекторию.

1. Глоссарий

Азимутальный угол (азимут плоскости наклонения касательной к оси скважины) – угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от опорного направления (на магнитный Север, истинный Север или Север координатной сетки) до горизонтальной проекции касательной к оси скважины в данной точке, по часовой стрелке, если смотреть сверху. Азимут плоскости наклонения может принимать значения от 0 до 360°.

Акселерометр –прибор, измеряющий кажущееся ускорение (разность между абсолютным линейным ускорением движения корпуса акселерометра вдоль его оси чувствительности и проекции на эту ось гравитационного ускорения).

Апсидальный угол (угол поворота, угол установки отклонителя) – третий (кроме азимута плоскости наклонения и зенитного угла) угол, характеризующий угловое пространственное положение скважинного прибора. Это угол в поперечной плоскости скважинного прибора, характеризующий положение скважинного прибора относительно апсидальной плоскости. Отсчитывается от прямой, перпендикулярной продольной оси скважинного прибора и при этом лежащей в вертикальной плоскости наклонения прибора (апсидальной плоскости), к выбранной определенным образом в приборе и привязанной к нему поперечной прямой. Апсидальный угол может принимать значения в диапазоне от 0 до 360°. При значении угла, равного нулю или 180° (скважинный прибор занимает строго вертикальное положение) понятие «апсидальный угол» теряет смысл, поскольку исчезает понятие «плоскость наклонения» или «апсидальная плоскость».

Апсидальная плоскость – вертикальная плоскость, содержащая в себе продольную ось скважинного прибора; другими словами, это плоскость наклонения скважинного прибора. При значении угла, равном 0 или 180° (скважинный прибор занимает строго вертикальное положение) понятия «апсидальная плоскость», «плоскость наклонения» теряют свой смысл.

Вектор магнитной индукции – вектор, являющийся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на движущиеся заряженные частицы) в данной точке пространства.

Забойный инклинометр – скважинный инклинометр, предназначенный для определения ориентации забойных устройств с целью осуществления управления наклонно-направленным, в том числе горизонтальным бурением, а также определения траектории скважины.

Забой скважины – самая нижняя часть ствола скважины, находящейся в бурении или эксплуатации.

Зенитный угол – угол в вертикальной плоскости между вертикалью места и касательной к оси скважины (продольной оси скважинного прибора). Сторонами угла являются: отрезок вертикали, направленной вниз, и отрезок касательной к оси скважины от конца, обращенного к устью скважины к концу, обращенному в сторону забоя. При зенитном угле, равном 0° скважина на данном отрезке вертикальна, при угле, равном 90° – горизонтальна. Зенитный угол может принимать значения от 0 до 180°.

Инклинометрические работы – работы, которые позволяют определить и уточнить пространственное положение ствола скважин как в необсаженном стволе, так и в колонне.

Инклинометр – прибор, предназначенный для измерения угла наклона различных объектов относительно вертикали места. В горном деле инклинометры определяют, кроме величины отклонения от вертикали (зенитного угла) ещё и направление этого отклонения (азимут плоскости отклонения). В некоторых случаях инклинометры определяют и третий угол (апсидальный), характеризующий положение скважинного прибора по отношению к апсидальной плоскости.

Магнитометр – прибор для измерения напряжённости магнитного поля (в основном постоянных или медленно меняющихся).

Магнитное склонение – угол в горизонтальной плоскости между направлением плоскости истинного меридиана и горизонтальной проекцией вектора напряженности магнитного поля Земли в данной точке. Отсчитывается от направления на истинный (географический) Север к направлению на магнитный Север по часовой стрелке, если смотреть сверху. Поэтому магнитное склонение считается положительным, если направление на магнитный Север отклонено на Восток (восточное склонение), и отрицательным, если на Запад (западное склонение).

2. Принцип построения системы инклинометрической буровой системы

2.1. Инклинометрия скважин

Инклинометрия может быть определена как метод, используемый для определения положения скважины [1]. Инклинометрия позволяет определить текущее положение забоя скважины, графически отобразить траекторию скважины до текущего момента (рис. 2), планировать направление скважины, обеспечивать ориентационную информацию для спуска других скважинных инструментов.

Рис. 2. Траектории скважин

Инклинометрия скважин преследует следующие цели:

Определите точного местоположения забоя скважины. Осуществление контроля за траекторией скважины в процессе бурения, чтобы быть уверенным в достижении конечной цели.

Правильная ориентация инструментов (таких как компоновки направленного бурения), обеспечивающих изменение траектории бурения скважины в нужном направлении при выполнении коррекции.

Недопущение пересечения пробуриваемой скважины с уже существующими скважинами.

Расчёт глубины по вертикали залегания различных формаций для точного построения геологических карт.

Предупреждение бурильщика, ведущего направленное бурения о потенциальных проблемах при бурении скважины (резкое искривление ствола скважины).

Выполнение предписания контролирующих органов.

При выбросах и возгораниях рабочих скважин инклинометрия скважины может способствовать определению возможности бурения отводной скважины до пересечения с забоем скважины, из которой произошел выброс, с целью закачивания воды или раствора в скважину, и управления ею.

С появлением направленного бурения инклинометрия стала играть более важную роль, чем это было при бурении традиционно вертикальных скважин. Путем измерения зенитного угла и азимута ствола скважины на разных глубинах исследование позволяет добиться направления бурения скважины в нужную точку. Исследование может выполняться как в процессе бурения, так и после его завершения.

2.2. Инклинометрия во время бурения

Одноточечные (разовые) замеры могут производиться в процессе бурения для определения зенитного угла и азимутального направления ствола скважины. При направленном бурении с помощью разовых замеров можно ориентировать инструмент, используемый для изменения направления бурения. Это производится путем временного прекращения бурения, спуском исследовательских приборов до забоя скважины и проведением исследования. Исследование может также быть проведено во время наращивания бурового инструмента (добавления свечи) с помощью системы измерений в процессе бурения (MWD), включённой в состав забойной компоновки. В зависимости от типа используемого прибора, информация о зенитном угле и азимуте ствола скважины может регистрироваться и храниться на пленке или в памяти компьютера в условиях скважины или передаваться на поверхность. На поверхности полученная информация обрабатывается и используется для подготовки фактической диаграммы данных замеров. Исследование в процессе бурения позволяет бурильщику определить текущее положение ствола скважины и изменить зенитный угол и азимут, если это необходимо.

Принцип действия системы инклинометрической буровой основан на измерении в скважине в трех направлениях значений проекции вектора силы тяжести на ось чувствительности акселерометров G_x, G_y, G_z, ортогонально установленных на шасси ПC и измерении в трех направлениях проекции вектора напряженности естественного магнитного поля Земли на ось чувствительности магнитометров М_х, М_у, М_z, ортогонально установленных на шасси ПC (рис.3) 2]. В результате математической обработки шести измеренных промежуточных параметров вычисляются следующие параметры: зенитный угол, азимут, положение отклонителя.

Рис. 3. Схема расположения магнитометров Мх, Му, Мz, и акселерометров Gx, Gy, Gz по осям OXYZ связанной системы координат скважинного прибора

2.3. Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как можно помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.

Рис. 4. Схема магнитного поля Земли

Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Южный полюс магнитного диполя находится на географическом Северном полюсе (рис.4), а северный, соответственно, на Южном.

На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по «направлению». Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса 1]. Из-за того, что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический.

2.4. Магнитное наклонение

Обычные силовые линии магнитного поля будут исходить из такого магнитного стержня, образуя структуру с северным и южным магнитным полюсами, при этом силовые линии (линии потока) будут располагаться вертикально или под углом 90° к поверхности Земли, а на магнитном экваторе силовые линии будут горизонтальными или расположенными под углом 0° к поверхности Земли (рис.5). В любой точке Земли можно обнаружить магнитное поле. Наблюдаемое магнитное поле характеризуется величиной и направлением (является вектором). Величина его называется индукцией и измеряется в единицах Тесла.

Рис. 5. Зависимость магнитного наклонения от широты

Обычно индукция составляет 60 микротесла 1] на северном магнитном полюсе и 30 микротесла на магнитном экваторе. Направление всегда называется магнитным севером. Однако, хотя направление всегда ориентировано на магнитный север, индукция параллельна поверхности земли на экваторе и направлена тем отвеснее в Землю, чем ближе данная точка расположена к северному полюсу. Угол между вектором и поверхностью Земли называется магнитным наклонением.

2.5. Магнитное склонение

Рис. 6. Магнитное склонение:

а – магнитное склоенение; б – восточное и западное склонение

2.6. Существующие сложности

При пользовании магнитометрическими датчиками необходимо помнить, магнитное склонение зависит от места измерения и медленно меняется во времени. Например, для Москвы магнитное склонение в 2004 году было близко к + 9,3º, то есть истинный полюс находится западнее направления, указываемого компасом, на 9,3º. В начале 1980-х годов магнитное склонение в Москве составляло 8º, а в 2009-м достигло 10º1. Магнитное склонение для любой другой точки Земли можно определить несколькими способами. На сайте Канадского геологического центра исследования геомагнетизма есть калькулятор для определения магнитного склонения по географическим координатам. Другой калькулятор поддерживается Британским геологическим центром при Совете по исследованию природной среды. Приближенно оценить магнитное склонение в различных точках планеты можно по картам, формируемым на сайте Национального центра геофизических данных (США) 2. Пример такой карты на 2010 год показан на рис. 7.

Рис. 7. Карта с магнитными силовыми линиями

В условиях высоких широт существует ряд проблем измерений. Угол магнитного наклонения, на большей части территории России превышает 70 градусов, а в наиболее богатых по углеводородному сырью регионах превышает 78 и даже 80 градусов. Это означает, что горизонтальная составляющая магнитного поля Земли в этих регионах минимальна. Поэтому любые естественные изменения магнитного поля Земли (магнитные бури и аномалии) и создаваемые искусственно сооружениями (наземными и подземными коммуникациями, бурильной и обсадной колоннами, изменениями состояния разреза) оказывают существенное влияние на показания датчика угла магнитного наклонения и создают дополнительную погрешность в показаниях телесистемы, снижение которой является актуальной задачей.

Задача решается за счет параллельного контроля геомагнитной ситуации в зоне ведения буровых работ специальным автономным наземным феррозондовым блоком датчиков и применения специальной методики совместной обработки данных измерений скважинного и наземного измерительных приборов.

3. Проектирование модуля инклинометрического забойной телесистемы

3.1 Структурная схема

На рис. 8 изображена схема скважинного прибора для общего случая компоновки прибора, в различных приборах схема может несколько отличаться от рассмотренной в данном разделе.

Рис. 8. Структурная схема

3.2 Обзор чувствительных элементов для МИ

Для определения углов ориентации скважинного прибора в системах инклинометрических буровых часто используется комплекс из трех акселерометров и трех магнитометров, оси, чувствительности которых совмещены с осями, связанной с прибором системы координат OXYZ.

3.2.1 Акселерометры

Для определения угла наклона с использованием вектора силы тяжести может быть использован MEMS – акселерометр.

MEMS – акселерометр представляют собой трехосевой акселерометр, который состоит из чувствительного элемента и интерфейсного элемента, передающего по последовательным интерфейсам I²C/SPI измеренное ускорение.

Для создания поверхностного микромеханического акселерометра используется запатентованный тех. процесс. Технология позволяет выполнять подвешенные кремниевые структуры, которые соединены с подложкой всего в нескольких точках, называемых якорями. Эти структуры способны свободно перемещаться в направлении распознаваемого ускорения. Для того чтобы обеспечить совместимость с традиционными техниками корпусирования микросхем, специальная крышка, предотвращающая блокирование подвижных частей после фазы отливки пластикового корпуса, помещена над чувствительным элементом.

Когда прикладывается ускорение к сенсору, контрольная масса сдвигается со своей начальной позиции и приводит к разбалансировке емкостного полумоста. Эта разбалансировка измеряется интегрированием заряда, вызванного импульсом напряжения, поданным на чувствительный конденсатор [4].

Так как сила гравитации является постоянной величиной, дополнительные силы, действующие на нее, искажают выходной сигнал и приводят к некорректному вычислению. При обработке выходного сигнала акселерометра, можно снизить ошибки на выходе, но это приведет к задержке при определении актуального значения угла.

3.2.2 Магнитометры

Для измерения угла азимута используются датчики магнитного поля: магнитостатические, индукционные, гальваномагнитные.

Магнитостатические магнитометры

Принцип действия магнитостатических магнитометров основан на измерении механического момента J, действующего на индикаторный магнит прибора в измеряемом поле. Момент J в магнитометрах различной конструкции сравнивается:

1) с моментом кручения кварцевой нити (действующие по этому принципу кварцевые магнитометры и универсальные магнитные вариометры на кварцевой растяжке обладают чувствительностью G

2) с моментом силы тяжести (магнитные весы с G

3) с моментом, действующим на вспомогательный эталонный магнит, установленный в определённом положении (оси индикаторного и вспомогательного магнитов в положении равновесия перпендикулярны). В последнем случае, определяя дополнительно период колебания вспомогательного магнита в поле Hi, можно измерить абсолютную величину Hi (абсолютный метод Гаусса).

Основное назначение магнитостатических магнитометров — измерение компонент и абсолютной величины напряжённости геомагнитного поля, градиента поля, а также магнитных свойств веществ.

Индукционные магнитометры

10−4 Вб/деление); широко применяются магнитоэлектрические веберметры с G

10− 6 Вб/деление, фотоэлектрические веберметры с G

10 − 8 Вб/деление и другие.

2) с периодическим изменением положения (вращением, колебанием) измерительной катушки в измеряемом поле; простейшие тесламетры с катушкой на валу синхронного двигателя обладают G

10 − 8 Тл. У наиболее чувствительных вибрационных магнитометров G

3) с изменением магнитного сопротивления измерительной катушки, что достигается периодическим изменением магнитной проницаемости пермаллоевого сердечника (он периодически намагничивается до насыщения вспомогательным переменным полем возбуждения); действующие по этому принципу феррозондовые магнитометры имеют G

Индукционные магнитометры применяются для измерения земного и космических магнитных полей, технических полей, в магнитобиологии и т.д.

Квантовые магнитометры

Приборы, основанные на свободной прецессии магнитных моментов ядер или электронов во внешнем магнитном поле и других квантовых эффектах (ядерном магнитном резонансе, электронном парамагнитном резонансе). В зависимости от способа создания макроскопического магнитного момента и метода детектирования сигнала различают 6: протонные магнитометры (свободной прецессии, с динамической поляризацией и с синхронной поляризацией), резонансные магнетометры (электронные и ядерные), магнитометры с оптической накачкой. Квантовые магнитометры применяются для измерения напряжённости слабых магнитных полей (в том числе геомагнитного и магнитного поля в космическом пространстве), в геологоразведке и в магнетохимии. Значительно меньшую чувствительность имеют квантовые магнитометры для измерения сильных магнитных полей. Существуют магнитометры следующих типов: протонный магнитометр, гелиевый магнитометр, атомный магнитометр на щелочных металлах с оптической накачкой, атомный магнитометр, свободный от спин-обменного уширения (SERF-магнитометр)

Гальваномагнитные магнитометры

Принцип действия гальваномагнитных магнитометров основан на воздействии магнитного поля на движущийся электрический заряд. На эффекте Холла основано действие различного рода тесламетров для измерения постоянных, переменных и импульсных магнитных полей, градиентометров и приборов для исследования магнитных свойств материалов. Чувствительность тесламетров, работающих на основе эффекта Гаусса, достигает 10 мкВ/Тл; чувствительность электронно-вакуумных М.

Источник