способ контроля искривления скважины и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1.Способ контроля искривления скважины, включающий перемещение в стволе скважины на каротажном кабеле скважинного прибора с чувствительными элементами и передачу с него информации в блок обработки сигнала наземной аппаратуры, отличающийся тем, что перемещают скважинный прибор вдоль скважины таким образом, чтобы его ось занимала положение эквидистантно оси ствола скважины, в процессе перемещения замеряют глубину спуска, при этом в качестве чувствительных элементов скважинного прибора используют оптическое волокно, а в качестве каротажного кабеля - волоконно-оптический кабель, посредством которого подают от размещенного в наземной аппаратуре источника излучения свет на чувствительные элементы скважинного прибора и фиксируют изменения параметров оптического излучения, вызванные механическими деформациями чувствительных элементов, при этом свет от источника излучения частично отражают расположенным на входе скважинного прибора полупрозрачным зеркалом, а частично пропускают через чувствительные элементы к непрозрачному зеркалу, расположенному в торце скважинного прибора, отраженный свет через волоконно-оптический каротажный кабель подают на фотоэлектрический преобразователь, установленный в наземной аппаратуре и связанный с блоком обработки сигнала, в процессе подъема скважинного прибора производят повторные измерения.

2. Устройство для контроля искривления скважины, содержащее скважинный прибор с чувствительными элементами, центрирующие элементы, наземную аппаратуру, содержащую устройство обработки сигнала и каротажный кабель, отличающееся тем, что наземная аппаратура снабжена оптическим излучателем и фотоэлектрическим преобразователем, корпус скважинного прибора выполнен гибким и на нем размещены центрирующие элементы, имеющие продольные прорези, на входе скважинного прибора размещено полупрозрачное зеркало, а в торце скважинного прибора размещено непрозрачное зеркало, каротажный кабель выполнен в виде трех оптических волокон, одно из которых предназначено для передачи излучения от источника излучения к скважинному прибору, а два других предназначены для приема отраженного излучения от непрозрачного и полупрозрачного зеркал и передачи его на фотоэлектрический преобразователь, связанный с блоком обработки сигнала, при этом чувствительные элементы выполнены в виде двух оптических волокон для прямого и обратного прохождения света, имеющих более высокий коэффициент потерь при механических деформациях, чем оптическое волокно каротажного кабеля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам исследования буровых скважин, а в частности к определению наклона или направления буровой скважины.

Известен способ обнаружения места искривления и определения кривизны скважины с обсадными трубами, при котором размещают в стволе скважины измерительный элемент и фиксируют его взаиморасположение со стволом, причем в качестве измерительного элемента используют набор цилиндров различной длины и диаметра, которые поочередно опускают в ствол скважины до их заклинивания (Авт. св. СССР №1021771, Е 21 В 47/022, опубл. 06.07.81).

Недостатками этого способа являются: повышенные затраты времени, связанные с большим количеством спускоподъемных операций, а также зависимость точности измерений от степени износа измерительных цилиндров, что в свою очередь требует изготовления цилиндров с высокой точностью и дополнительной обработки их поверхностей для уменьшения износа в абразивной среде. Также недостатками являются зависимость точности измерений от температурных деформаций измерительных элементов и невозможность применения данного способа ниже сильно искривленного фрагмента ствола скважины.

Существует также способ контроля искривления ствола скважины (Патент РФ №2055178, Е 21 В 47/00, опубл. 27.02.1996). Сущность данного способа заключается в том, что в качестве измерительных элементов используются датчики прогиба, выполненные в виде выдвижных элементов, которые устанавливают на корпусе скважинного прибора. Скважинный прибор на кабеле спускают внутрь колонны бурильных труб. Концы скважинного прибора центрируют внутри трубы. Выдвигая датчики прогиба до упора в стенку бурильных труб, определяют расстояние от середины корпуса скважинного прибора до стенки бурильной трубы. По величине максимального выдвижения датчиков прогиба вычисляют параметры искривления.

Недостатками данного способа являются: низкая надежность выполнения измерений из-за наличия движущихся механических частей и их быстрого износа в абразивной среде. Также недостатком является необходимость использования для осуществления данного способа устройств измерения механического перемещения датчиков, которые вносят дополнительные погрешности в результат измерения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ контроля искривления скважины, включающий перемещение в стволе скважины на каротажном кабеле скважинного прибора с чувствительными элементами и передачу с него информации в блок обработки сигнала наземной аппаратуры (см. SU 1719631 А1, кл. Е 21 В 47/022, 15.03.1992, 4 с.).

Недостатком этого способа является низкая надежность работы вследствие того, что оптические излучатели, приемники и блоки преобразования сигнала размещают внутри скважинного прибора, а в качестве канала передачи информации используют обладающий слабой помехозащищенностью сигнальный кабель, передающий электрический сигнал.

Существует устройство для реализации способа контроля искривления ствола скважины (Патент РФ №2055178, Е 21 В 47/00, опубл. 27.02.1996), приведенное в описании.

Недостатки этого устройства являются следствием описанных выше недостатков способа - это низкая надежность работы из-за наличия движущихся механических частей и их быстрого износа в абразивной среде. Также недостатком является необходимость использования в данном устройстве приспособлений для измерения механического перемещения датчиков, которые вносят дополнительные погрешности в результат измерения. Наличие в устройстве выдвижных механических датчиков прогиба приводит к возникновению опасности их заклинивания и повреждения при движении, что делает невозможной эксплуатацию устройства в процессе проведения спускоподъемных операций и таким образом приводит к существенной дискретности измерений.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для контроля кривизны скважины, содержащее скважинный прибор с чувствительными элементами, центрирующие элементы, наземную аппаратуру, содержащую устройство обработки сигнала, и каротажный кабель (см. SU 1719631 A1, кл. Е 21 В 47/022, 15.03.1992, 4 с.).

Недостатки этого устройства являются следствием описанных выше недостатков способа - это низкая надежность работы из-за размещения оптических излучателей, приемников и блоков преобразования сигнала внутри скважинного прибора, а также использования обладающего слабой помехозащищенностью канала передачи информации, представляющего собой сигнальный кабель, передающий электрический сигнал.

Предлагаемым изобретением решаются следующие технические задачи: повышение надежности работы, обеспечение помехоустойчивости и повышение качества контроля искривления ствола скважины.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе контроля искривления скважины, включающем перемещение в стволе скважины на каротажном кабеле скважинного прибора с чувствительными элементами и передачу с него информации в блок обработки сигнала наземной аппаратуры, перемещают скважинный прибор вдоль скважины таким образом, чтобы его ось занимала положение эквидистантно оси ствола скважины, в процессе перемещения замеряют глубину спуска, при этом в качестве чувствительных элементов скважинного прибора используют оптическое волокно, а в качестве каротажного кабеля - волоконно-оптический кабель, посредством которого подают от размещенного в наземной аппаратуре источника излучения свет на чувствительные элементы скважинного прибора и фиксируют изменения параметров оптического излучения, вызванные механическими деформациями чувствительных элементов, при этом свет от источника излучения частично отражают расположенным на входе скважинного прибора полупрозрачным зеркалом, а частично пропускают через чувствительные элементы к непрозрачному зеркалу, расположенному в торце скважинного прибора, отраженный свет через волоконно-оптический каротажный кабель подают на фотоэлектрический преобразователь, установленный в наземной аппаратуре и связанный с блоком обработки сигнала, в процессе подъема скважинного прибора производят повторные измерения.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, что в качестве каротажного кабеля используют волоконно-оптический кабель, посредством которого подают свет от размещенного в наземной аппаратуре источника излучения на чувствительные элементы скважинного прибора и фиксируют изменения параметров оптического излучения, вызванные механическими деформациями чувствительных элементов, при этом свет от источника излучения частично отражают расположенным на входе скважинного прибора полупрозрачным зеркалом, а частично пропускают через чувствительные элементы к непрозрачному зеркалу, расположенному в торце скважинного прибора, отраженный от него свет через волоконно-оптический каротажный кабель подают на фотоэлектрический преобразователь, установленный в наземной аппаратуре и связанный с блоком обработки сигнала, в процессе подъема скважинного прибора производят повторные измерения.

Способ контроля искривления ствола скважины основан на известном свойстве оптического волокна изменять параметры проходящего света вследствие механических деформаций (Бусурин Б.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики. Физические основы, вопросы расчета и применения. М.: Энергоатомиздат, 1990). В частности, наиболее эффективно использование явления падения интенсивности света, прошедшего сквозь изогнутое оптическое волокно, вследствие нарушения условий полного внутреннего отражения.

Чтобы исключить использование внутри скважины электрической аппаратуры, оптический излучатель располагают на поверхности, а в качестве каротажного кабеля используют волоконно-оптический кабель. В наземный фотоэлектрический преобразователь подают сигнал, полученный вследствие прохождения через деформированный гибкий чувствительный элемент скважинного прибора и контрольный сигнал, полученный вследствие отражения от полупрозрачного зеркала, размещенного на входе скважинного прибора.

Данный способ позволит отказаться от использования электрической аппаратуры внутри скважины и электрических сигнальных кабелей и, следовательно, повысить надежность и помехозащищенность способа, исключив влияние электромагнитных помех.

Способ может быть использован для непрерывного контроля искривления ствола скважины непосредственно в процессе проведения спускоподъемных операций, что существенно сократит затраты времени на проведение измерений. Дискретность проведения измерений определяется в таком случае скоростью спуска (подъема) скважинного прибора и возможностями наземной аппаратуры.

С целью достижения названного технического результата в устройстве для контроля кривизны скважины, содержащем скважинный прибор с чувствительными элементами, центрирующие элементы, наземную аппаратуру, содержащую устройство обработки сигнала и каротажный кабель, наземная аппаратура снабжена оптическим излучателем и фотоэлектрическим преобразователем, корпус скважинного прибора выполнен гибким и на нем размещены центрирующие элементы, имеющие продольные прорези, на входе скважинного прибора размещено полупрозрачное зеркало, а в торце скважинного прибора размещено непрозрачное зеркало, каротажный кабель выполнен в виде трех оптических волокон, одно из которых предназначено для передачи излучения от источника излучения к скважинному прибору, а два других предназначены для приема отраженного излучения от непрозрачного и полупрозрачного зеркал и передачи его с последнего на фотоэлектрический преобразователь, связанный с блоком обработки сигнала, при этом чувствительные элементы выполнены в виде двух оптических волокон для прямого и обратного прохождения света, имеющих более высокий коэффициент потерь при механических деформациях, чем оптическое волокно каротажного кабеля.

Указанные отличия позволят достичь технического результата, описанного выше.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - схема устройства;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг 1;

на фиг.3 - схема прохождения сигналов в устройстве.

Способ контроля искривления ствола скважины осуществляется следующим образом. Скважинный прибор на каротажном кабеле опускают в ствол исследуемой скважины, замеряют глубину спуска, деформируют скважинный прибор таким образом, чтобы его ось заняла положение эквидистантно оси скважины.

Свет, источник которого размещают в наземной аппаратуре, через волоконно-оптический каротажный кабель подают на вход скважинного прибора, где его частично отражают и частично пропускают к чувствительным элементам скважинного прибора с помощью полупрозрачного зеркала, которое предварительно калибруют для обеспечения возможности компенсации сигналов при неравных коэффициентах отражения и пропускания. Отраженный свет подают через волоконно-оптический каротажный кабель на фотоприемник, который размещают в наземной аппаратуре. Проходящий свет направляют на чувствительные элементы скважинного прибора. На выходе скважинного прибора снимают обработанный сигнал и подают его через каротажный кабель на вход светочувствительной аппаратуры. Повторные измерения производят в процессе подъема скважинного прибора.

Предлагаемое устройство для реализации способа, схема которого показана на фиг.1, состоит из наземной аппаратуры 1, каротажного кабеля 2 и скважинного прибора 3. Наземная аппаратура 1 содержит: источник оптического излучения 4 (например, лазер или светодиод), фотоэлектрический преобразователь 5 и устройство обработки сигнала 6, функции которого может выполнять, например, комплекс из аналого-цифрового преобразователя и компьютера. Скважинный прибор 3 имеет в своем составе полупрозрачное зеркало 7, непрозрачное зеркало 8 в торце прибора.

Поперечный разрез скважинного прибора с центрирующими элементами показан на фиг.2. Например, два гибких чувствительных элемента 9 и 10 (для прямого и обратного прохождения света) скважинного прибора 3 изготавливаются из оптического волокна, имеющего более высокий коэффициент потерь при механических деформациях, чем оптическое волокно каротажного кабеля 2. Корпус 11 скважинного прибора 3 выполнен гибким, на нем размещаются центрирующие элементы 12, имеющие продольные прорези, предназначенные для компенсации разности давлений, создаваемой при движении скважинного прибора внутри ствола скважины, заполненного промывочной жидкостью.

Схема прохождения света в устройстве показана на фиг.3.

Каротажный кабель 2 устройства может быть изготовлен из волоконно-оптического кабеля (например, многожильного с металлическим несущим элементом, используемого при прокладке магистральных сетей, серий ДПМ, ДПК, ДОМ, ДОК, ДПТ, ДПР, ДОТ и других). Для компенсации потерь в каротажном кабеле в нем используются три оптических волокна 13, 14, 15: одно обеспечивает подачу излучения от источника и два - его прием.

Устройство работает следующим образом. При спуске скважинного прибора 3 на каротажном кабеле 2 на поверхности производится замер глубины спуска, а центрирующие элементы 12, расположенные на гибком корпусе 11 скважинного прибора 3, изгибают его эквидистантно оси скважины под действием сил тяжести, трения о стенки скважины (бурильные или обсадные трубы) и сил сопротивления движению прибора, создаваемых промывочной жидкостью в скважине. При этом чувствительные элементы 9 и 10, расположенные внутри корпуса 11 скважинного прибора 3 изгибаются, и вследствие свойств оптического волокна в них происходят потери интенсивности оптического изучения. Свет, переданный от источника 4 в скважинный прибор 3, проходит через чувствительные элементы 9 и 10 дважды: в прямом (по чувствительному элементу 9) и в обратном направлении (по чувствительному элементу 10), после отражения света от зеркала 8, расположенного в торце скважинного прибора 3, при этом происходит удвоение потерь на изгибах оптического волокна, что вдвое повышает чувствительность устройства.

Три оптических волокна 13, 14, 15 каротажного кабеля 2 используются следующим образом: первое волокно 13 предназначено для передачи от источника света к скважинному прибору 3, волокно 14 передает излучение, прошедшее через чувствительные элементы 9 и 10 скважинного прибора, а третье волокно 15 является контрольным, по нему на фотоэлектрический преобразователь 5 передается свет, отраженный от полупрозрачного зеркала 7, размещенного на входе скважинного прибора 3.

Результирующий сигнал, полученный путем преобразования и последующего сравнения сигналов, пришедших по волокнам 14 и 15 каротажного кабеля 2, передается на вход устройства обработки сигнала 6, включающего, например, аналого-цифровой преобразователь и компьютер.

С целью компенсации потерь интенсивности света, которые возникают вследствие конструктивных и технологических недостатков изготовления скважинного прибора и естественных потерь в приборе, перед его использованием он должен быть откалиброван. Для этого необходимо измерить величину потерь света в устройстве при условии, что его чувствительные элементы не подвергаются деформациям.