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.

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%.


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.

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.


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.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Рахмангулов Р.Р.

    Рахмангулов Р.Р.

    инженер по бурению

    Schlumberger Company

    Просмотров статьи: 13672

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru