Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анализ установок метрологического обеспечения скважинной инклинометрической аппаратуры 14
1.1. Обзор и критический анализ метрологических установок пространственной ориентации ИА, их характеристики .18
1.2. Обзор уровней вариаций ГМП 29
1.2.1. Вариации естественного ГМП 29
1.2.2.Техногенные вариаций ГМП 32
1.2.3. Обзор причин стационарных неоднородностеи геомагнитного поля 35
1.2.4. Обзор и критический анализ метрологического оборудования
измерения вариаций ГМП 38
1.3.Постановка задач исследований 45
ГЛАВА 2. Концептуальные вопросы компоновки автоматизированной установки пространственной ориентации иа 51
2.1. Обоснование технических решений при разработке установки пространственной ориентации ИА 51
2.2. Описание кинематической схемы установки УАК-СИ 61
2.3. Описание конструкции установки УАК-СИ 68
2.4. Методика настройки установки УАК-СИ 70
Результаты и выводы 77
ГЛАВА 3. Анализ влияний вариаций геомагнитного поля на погрешности метрологического оборудования 79
3.1 Анализ влияний вариаций естественного ГМП на погрешности метрологического оборудования 79
3.1.1 Методика анализа суточных вариаций ГМП 79
3.1.2 Результаты анализа 80
3.2 Анализ влияний техногенных вариаций ГМП на погрешности метрологического оборудования 89
3.2.1 Методика исследования техногенных вариаций ГМП 89
3.2.2 Результаты исследований и выводы 90
3.3 Исследования стационарных неоднородностей МПЗ при выборе площадки под участок инклинометрии 94
3.3.1 Методика исследования стационарных неоднородностей МПЗ в рабочей зоне ИА 99
Результаты и выводы 112
ГЛАВА 4. Разработка устройства для измерения вариаций ГМП 115
4.1 Статическая математическая модель влияния вариаций гео
магнитного поля на метрологические параметры инклинометрической аппаратуры 115
4.1.1 Общий подход и постановка задачи математического моделирования ИА с феррозондовыми датчиками в условиях вариаций ГМП 115
4.1.2 Статическая математическая модель ИА с расположением феррозондов по кинематической схеме карданового подвеса 124
4.13 Статическая математическая модель ИА с расположения феррозондов по кинематической схеме двух кардановых рамок 129
4.1.4 Статическая математическая модель трёхкомпонентного феррозондового геомагнитометра 131
4.2 Обоснование метрологических требований к устройству для измерения вариаций ГМП 135
4.3 Описание устройства для измерения вариаций ГМП 138
4.4 Градуировка устройства УИВ-ГМП 142
4.5 Методика коррекции азимутальных углов по вариациям геомагнитного поля 143
Выводы по результатам разработки устройства 143
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования метрологических параметров автоматизированной установки уак-си в условиях влияния вариаций естественного ГМП 145
5.1. Экспериментальные исследования метрологических параметров установки УАК-СИ 145
5.2. Экспериментальные исследования погрешностей калибровки скважинной ИА в условиях влияния вариаций естественного ГМП
154
5.3.Экспериментальные исследования погрешностей калибровки скважинной ИА на установке УАК-СИ в условиях влияния стационарных неоднородностей МПЗ 157
Результаты и выводы 164
Заключение 166
Список литературы
- Обзор уровней вариаций ГМП
- Описание конструкции установки УАК-СИ
- Анализ влияний техногенных вариаций ГМП на погрешности метрологического оборудования
- Статическая математическая модель ИА с расположением феррозондов по кинематической схеме карданового подвеса
Введение к работе
Актуальность. Одним из важнейших проблемных аспектов при бурении нефтегазовых скважин является получение достоверной и оперативной информации о комплексе параметров искривления скважин, необходимых для их проводки в заданный «круг допуска» или продуктивный пласт. Особую актуальность данные аспекты приобретают при горизонтальном бурении в пластах толщиной 1^-2 м. Точность проводки нефтегазовых скважин по заданной траектории и последующий их контроль при геофизических исследованиях во многом зависит от метрологических характеристик забойной и скважинной инклинометрической аппаратуры. Инструментальные погрешности скважинной инклинометрической аппаратуры в значительной степени определяется качеством метрологического обеспечения на установках пространственной ориентации [14,22, 74, 76, 78, 85,45].
В области создания метрологических установок пространственной ориентации проделан большой объём работ по улучшению метрологических характеристик. Весомый вклад в развитие метрологических установок внесли: Ковшов Г.Н., Молчанов А.А., СаловЕ.А., Козыряцкий Н.Г., Калистра-тов Г.А., Миловзоров Г.В., Бачманов Н.А., Бушугин И.А., Рябинов М.Н., Галета В.О., Коноваленко М.М., Найгорин А.С, Воронцов А.И., Лобанков В.М., Султанов С.Ф. В последние годы в направлении повышения точности определения углового положения осей установок были достигнуты определённые положительные результаты, связанные с внедрением датчиков углового положения пространственных осей УПИ-1М, УПИ-ЗМ, УАПИ-1 [49, 66, 134] Но использование датчиков углового положения не уменьшило инструментальные погрешности воспроизведения пространственных углов в метрологических установках.
Погрешности воспроизведения азимутальных углов в установках пространственной ориентации при метрологическом контроле забойной и скважинной инклинометрической аппаратуры больше других углов подвержены
7 влияниям внешних факторов. Наименее изученным из факторов влияния являются вариации геомагнитного поля естественного и техногенного характера.
Таким образом, для обеспечения метрологических характеристик современной забойной и скважинной инклинометрическои аппаратуры в условиях воздействия вариаций напряжённости геомагнитного поля естественного и техногенного характера и его магнитной неоднородности, дальнейшее повышение точности метрологических установок является актуальным и крайне необходимым [2(Н22].
Цель работы; Разработка научно обоснованных технических и методических решений, обеспечивающих повышенную точность воспроизведения пространственных углов в метрологических установках пространственной ориентации забойной и скважинной инклинометрическои аппаратуры в условиях вариаций полного вектора напряжённости геомагнитного поля.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие задачи:
Обзор и критический анализ известных работ и технических решений в области разработки и создания установок метрологических пространственной ориентации и определение наиболее перспективных путей их развития.
Обзор естественных, техногенных вариаций и неоднородностей ГМП и анализ их влияния на метрологическое обеспечение скважинной ИА.
Разработка научно обоснованных технических решений в области создания метрологических установок пространственной ориентации скважинной ИА, обеспечивающих повышение их точности и адаптацию к вариациям геомагнитного поля естественного и техногенного характера.
Разработка и анализ статических математических моделей типовых структур скважинной ИА с магниточувствительными датчиками при их метрологическом контроле в установке пространственной ориентации в условиях влияния вариаций полного вектора напряжённости геомагнитного поля.
Разработка и апробация методического обеспечения метрологической
8 установки пространственной ориентации скважинной ИА и средств измерения естественных, техногенных вариаций и неоднородностеи ГМП, а также учёта и коррекции воспроизводимых азимутальных углов при метрологическом обеспечении ИА.
6. Проведение исследований параметров метрологической установки и исследований влияния вариаций и неоднородностеи геомагнитного поля на погрешности калибровки скважинной ИА.
Объект исследований; установки пространственной ориентации забойной и скважинной инклинометрической аппаратуры, естественные и техногенные вариации и неоднородности геомагнитного поля.
Предмет исследования; погрешности воспроизведения пространственных углов в условиях воздействия естественные и техногенные вариации и неоднородности геомагнитного поля.
Методы исследования; при создании метрологических установок пространственной ориентации ИА использованы методы кинематического анализа, автоматизированного проектирования и программные пакеты Integer и AutoCAD; математическое моделирование проводилось с применением векторно-матричного аппарата, вычислительной математики и пакетов прикладных программ МайаЬ, VBA и Microsoft Excel; при экспериментальных исследованиях использованы методы статистической обработки результатов измерений и программные продукты Statistica, VBA и GetData; обобщение и анализ полученных материалов; апробация разработанного метрологического оборудования и их методического обеспечения; оценка эффективности найденных решений путём сопоставления с метрологическими характеристиками других установок пространственной ориентации.
Научная новизна. 1. По результатам анализа известных работ и обобщения технических решений установлены кинематические и конструктивные особенности метрологических установок пространственной ориентации скважинной ИА, оказывающие влияние на погрешности воспроизведения пространственных уг-
9 лов, и определены наиболее перспективные пути развития метрологических установок, направленные на повышение их точности и адаптацию к вариациям геомагнитного поля.
Выявлен источник погрешности воспроизведения азимутальных углов, обусловленный вариациями геомагнитного поля естественного и техногенного характера, обоснована необходимость коррекции этой погрешности при метрологическом контроле скважинной ИА.
Разработаны принципиально новые технические решения усовершенствования опор главных осей метрологической установки пространственной ориентации скважинной ИА, расположения их приводов, функционального взаимодействия узлов, прецизионного регулирования узлов главных осей, которые исключают погрешности субъективного характера, обеспечивают повышенную точность настройки и воспроизведения задаваемых пространственных углов (Патент РФ № 2249689).
Разработаны статические математические модели типовых структур скважинной ИА с магниточувствительными датчиками при их метрологическом контроле в установке пространственной ориентации в условиях влияния вариаций полного вектора напряжённости геомагнитного поля.
Предложены методика и средства контроля естественных и техногенных вариаций геомагнитного поля.
Основные защищаемые научные положения:
Кинематические и конструктивные особенности метрологических установок пространственной ориентации скважинной ИА, оказывающие влияние на погрешности воспроизведения пространственных углов и наиболее перспективные пути их развития.
Результаты анализа степени влияния вариаций естественных, техногенных вариаций и неоднородностей геомагнитного поля на метрологические характеристики скважинной ИА при её метрологическом контроле.
Научно обоснованные технические решения в области создания метрологических установок скважинной ИА, обеспечивающие повышение их точности, исключение субъективного фактора и адаптацию к вариациям ГМП естественного и техногенного характера.
Статические математические модели типовых структур с магниточув-ствительными датчиками при их метрологическом контроле в установке пространственной ориентации в условиях влияния вариаций полного вектора напряжённости геомагнитного поля.
Методическое обеспечение метрологической установки пространственной ориентации скважинной ИА и средств измерения естественных, техногенных вариаций и неоднородностей геомагнитного поля, а также учёта и коррекции воспроизводимых азимутальных углов при метрологическом обеспечении ИА.
Результаты исследований параметров метрологической установки, влияния вариаций естественных вариаций и неоднородностей геомагнитного поля на погрешности калибровки скважинной ИА.
Практическая ценность. Применение разработанных кинематических схем узлов установки пространственной ориентации и научно-обоснованных конструктивных решений позволило создать программно-управляемую установку автоматизированной калибровки скважинных инклинометров (УАК-СИ) с устройством для измерения и автоматической коррекции вариационной погрешности воспроизведения азимутального угла, которая:
устраняет влияние субъективного фактора на точность калибровки скважинных инклинометров;
адаптирована к вариациям напряжённости геомагнитного поля естественного и техногенного характера;
обладает повышенной точностью метрологического обеспечения скважинных инклинометров и соответствует требованиям калибровочной схемы скважинных инклинометров по пределам основных абсолютных погрешностей воспроизведения пространственных углов;
сокращает время калибровки скважинных инклинометров с 5-^-8 часов до 1-М ,2 часа;
снижает квалификационные требования к метрологам до уровня оператора персонального компьютера, что особенно важно для удалённых территориально геофизических предприятий с ограниченным числом персонала;
даёт средство объективного контроля метрологической исправности скважинных инклинометров;
повышает точность метрологического обеспечения инклинометриче-ских измерений в нефтегазовых скважинах за счёт использования исправной и качественно откалиброванной инклинометрической аппаратуры.
Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы внедрены и практически используются при создании установок для автоматической калибровки скважинных инклинометров УАК-СИ, УК-СИ-АЗВ, УАК-СИ-АЗВ, которые производятся на государственном унитарном предприятии Центр метрологических исследований ГУП ЦМИ «Урал-Гео» (г. Уфа). Эти автоматизированные установки внедрены на следующих предприятиях: Уфимском управлении геофизических работ (УТР) ОАО «Башнефтегеофизика» (г. Уфа); ОАО «Сибнефть-Ноябрьскнефтегазгеофизика» (г. Ноябрьск); ОАО «ЮганскНефтегеофизика-Геофимп» (г. Нефтеюганск); ОАО «Узбекгеофизика» (г. Ташкент, г. Нукус, г. Касан); Полазненском УТР ОАО «Пермнефтегеофизика» (г. Полазна); ООО «Горизонт» (г. Октябрьский); ОАО «Поморнефтегеофизика» (г. Нарьян-Мар).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 научных трудов, в том числе 4 статьи, 6 докладов и 1 патент на изобретение.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной текст изложен на 179 страницах, содержит 56 рисунков, 20 таблиц. Список литературы включает 144 наименования.
Содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав,
12 заключения, списка литературы и приложений.
В первой главе выполнен обзор современного состояния в области развития установок метрологического обеспечения скважинной инклинометри-ческой аппаратуры. Выявлены кинематические и конструктивные факторы, сдерживающие повышение точности метрологических установок пространственной ориентации скважинных инклинометров, и наиболее перспективные пути их развития. Сформулированы задачи исследований.
Во второй главе проведено обоснование технических решений, использованных при разработке автоматизированной установки пространственной ориентации инклинометрической аппаратуры. Описаны кинематические схемы расположения узлов крепления осей, расположения электрических приводов, трансмиссий и датчиков угловых положений, прецизионной настройки осей установки. Приведены научно-обоснованные конструктивные решения, позволяющие автоматизировать установку. Представлена методика настройки установки.
В третьей главе проведены исследования уровней естественных и техногенных вариаций, оказывающих влияние на погрешности калибровки ИА. Представлено разработанное устройство для исследования стационарных не-однородностей ГМП и представлена методика их определения в рабочей зоне автоматизированной установки. Показаны результаты исследований их влияния на погрешности калибровки скважинных инклинометров на нескольких геофизических предприятиях.
В четвёртой главе разработаны статические математические модели влияния составляющих полного вектора напряжённости геомагнитного поля на типовые структуры скважинной инклинометрической аппаратуры с маг-ниточувствительными датчиками, при их метрологическом контроле в установке пространственной ориентации. Разработано устройство для измерения и автоматической коррекции вариационной погрешности воспроизведения азимутального угла в метрологической установке и разработаны методики его настройки и градуировки.
Пятая глава посвящена результатам исследований метрологических параметров автоматизированной установки УАК-СИ, исследований влияния вариаций угла магнитного склонения и стационарной неоднородности ГМП на качество калибровки инклинометрической аппаратуры.
В приложениях представлена классификация инклинометрической аппаратуры (Приложение 1), её метрологические характеристики (Приложение 2), диаграммы вариаций азимутального угла по времени воздействия техногенных источников ГМП, полученные в результате исследований (Приложение 3), внешний вид некоторых метрологических установок (Приложение 4).
Диссертация выполнена на государственном унитарном предприятии Центр Метрологических Исследований «Урал-Гео» (ГУП ЦМИ «Урал-Гео») под научным руководством к.т.н. Лобанкова В.М., которому автор выражает признательность. Автор выражает благодарность специалистам Центра метрологических исследований ГУП ЦМИ «Урал-Гео», которые в разные годы привлекались к разработкам автоматизированных установок для калибровки скважинных инклинометров. Автор также благодарен заведующему отделом ОАО НПФ «Геофизика» Салову Е.А. и главному геофизику ОАО «Башнеф-тегеофизика» к.т.н. Коровину В.М. за помощь при исследованиях стационарных неоднородностей геомагнитного поля на территории Уфимского УГР ОАО «Башнефтегеофизика».
Обзор уровней вариаций ГМП
Под естественными вариациями геомагнитного поля понимают непрерывные изменения параметров магнитного поля Земли во времени. Магнитные вариации характеризуются отклонением составляющих геомагнитного поля (горизонтальной Н, вертикальной Z и склонения магнитного D) от конкретного значения в месте наблюдений. Величина и форма вариаций геомагнитного поля зависят от широты места наблюдений, времени года и солнечной активности. Основным космическим источником возмущений геомагнитного поля являются процессы, происходящие на поверхности Солнца. Существуют периодические годовые вариации ГМП [109, 140] с напряжённостью магнитного поля (5-10 3-10-4 Э) (/ эрстед = 79,6 А/м) и солнечносу-точные (до 7-Ю Э), обусловленные изменением условий освещённости Земли при её орбитальном движении и вращением Земли вокруг оси. Наиболее сильные вариации ГМП возникают под влиянием солнечного ветра - потока заряженных частиц. Эти частицы, создавая системы электрических токов на границе магнитосферы Земли, в её внешнем радиационном поясе и ионосфе зоре, вызывают магнитные бури (с амплитудами до 5-Ю" Э), во время которых наблюдаются иррегулярные (1-Ю" 4-4-10" Э), солнечносуточные (ЬКИ-й-Ю Э), апериодические (1-10 2-10-3 Э) вариации ГМП. Резонансные колебания магнитосферы под действием солнечного ветра проявляются в виде устойчивых короткопериодических вариации ГМП (Ы0"т-3-10 Э). Короткопериодические иррегулярные вариации ГМП возникают в результате вторжения заряженных частиц в ионосферу. Также, одной из космических причин возникновения вариаций ГМП могут служить периодические лунно-суточные вариации, составляющие (1 -г5)-10 Э.
Магнитные бури длятся от нескольких часов до нескольких суток и наблюдаются одновременно на всей Земле. С наибольшей интенсивностью (до 5-Ю" Э) они проявляются в высоких широтах. Это в 1000 раз больше периодических годовых вариаций ГМП. В средних широтах изменения напряжённости геомагнитного поля во время магнитных бурь колеблются в преде-л ах (0,1-И) а/м (— (1-Ю" -5-1-10" Э) (в 30 -200 раз больше периодических годовых вариаций ГМП) [4, 144]. Магнитные суббури вызываются заряженными частицами солнечного ветра, не достигших ионосферы и носят локальный характер. Магнитные суббури вызывают различные оптические явления в атмосфере, в том числе и северные сияния.
Влияний вариаций естественного геомагнитного поля представляют особый интерес для северных регионов. Наибольшие осложнения при работе с ИА оказывают вариации ГМП вызванные магнитными бурями, которые происходят во время полярных сияний. В высоких широтах интенсивно проявляются местные возмущения, не распространяющиеся на большие площади, вследствие чего в пределах сотни километров изменения ГМП могут существенно отличаться. Большой угол (70-ь75) полного вектора магнитного наклонения уменьшает горизонтальную составляющую вектора напряженности магнитного поля Земли. Поэтому вариации ГМП оказывают существенное влияние на стабильность вектора магнитного склонения. На фоне имеющегося постоянного градиента магнитного склонения по территории нашей страны, составляющего (-13+-28) и годовых изменений (-174-8) [79], суточные вариации могут повышаться до 130 . В соответствии с классификацией вариаций ГМП [16] по скорости и интенсивности их изменения, короткопериодные вариации с периодом от (0,2-7-5) с до 30 минут имеют амплитуду напряжённости магнитного поля (0,5-гЮ)нТл. Суточные вариации могут изменяться в широких пределах -(10-гбО) нТл, что может соответствовать вариациям угла магнитного склонения (20-7-150) или (0,3-7-2,5). При магнитных бурях суточные вариации могут увеличиваться в 3-Й раза.
Примером регистрирования в высоких широтах переменной составляющей напряженности магнитного поля Земли может служить проведение градиентной съёмки на акватории Баренцева и Карского морей [30], в течение которой временные вариации ГМП достигали значений в сотни нанотесл, что может соответствовать вариациям магнитного склонения более 2. Измерения, выполненные во время другой магнитной бури в Радиофизической обсерватории Харьковского национального университета [24] при помощи высокочувствительного магнитометра-флюксметра с высоким временным разрешением, показали, что магнитометрические сигналы увеличивались по амплитуде в 50-S-60 раз.
Следует заметить, что даже магнитные короткопериодные микробури продолжительностью от нескольких секунд до 5-И 0 минут успевают оказать значительное влияние на качество МО ИА и каротажа при ГИС. Магнитные бури могут продолжаться несколько часов и суток и накладывать своё влияние также на погрешности измерений в скважинах [79].
Описание конструкции установки УАК-СИ
Внешний вид разработанной установки УАК-СИ приведён на рис.2.8 и рис.2.9. Стойка установки выполнена одноопорной, ферменной конструкции. Стойка предназначена для обеспечения связи верхней (5) и нижней (4) опор азимутальной оси, крепления азимутального (7) и зенитного (15) приводов, датчика и лимба азимутальных углов (9). Стойка изготовлена из трех сварных узлов: нижней опорной (1), средней (2) и верхней (3) рам. Нижняя опорная рама крепится к полу немагнитными анкерными болтами. Конструкция стойки позволяет компактно размещать установку на участке инклиномет-рии.
Азимутальная поворотная рама (6) выполнена из проката марки Діб с рёбрами жёсткости в радиальном направлении относительно азимутальной оси. Высота рамы позволяет производить калибровку во всём диапазоне пространственных углов. С одной стороны поворотной рамы расположен зенитный привод (12, 13, 14, 15), с другой - датчик положения зенитной оси (11).
На рис.2.8 показана установка УАК-СИ с азимутальной поворотной рамой ферменной конструкции и усиленной стойкой. Такая конст- рукция позволяет проводить метрологический контроль скважинной инклинометриче-ской аппаратуры весом до 150 кг. Внешний вид установки УАК-СИ.
Внешний вид установки УАК-СИ: 1 - нижняя опорная рама; 2 - средняя опорная рама; 3 - верхняя опорная рама; 4 - нижняя опора азимутальной поворотной рамы; 5 - верхняя опора азимутальной поворотной рамы; 6 - азимутальная поворотная рама; 7 - азимутальный привод; 8 - предохранительная муфта азимутального привода с барабаном; 9 - датчик положения азимутальной оси; 10 - зенитная поворотная рама; 11 - датчик положения зенитной оси; 12 - предохранительная муфта зенитного привода; 13 -червячный редуктор зенитного привода; 14 - торсион зенитного привода с муфтами; 15 - зенитный привод; 16 - передняя опора визирной оси; 17 - задняя опора визирной оси; 18 - кронштейн визирного привода; 19 - узел привода и датчика положения визирной оси; 20 - противовес; 21 - скважинный инклинометр; 22 - устройство укладки кабеля установки. Нижняя опора (4) (рис.2.9) азимутальной поворотной рамы закрыта кожухом и имеет лимб с разрешением 0,1 с фиксаторами через 30. Верхняя опора (5) азимутальной поворотной рамы содержит микроэлектродвигатели азимутального и зенитного привода с электронными блоками. Для связи с приводами и датчиками на предохранительной муфте азимутального привода (8) установлен барабан для укладки кабеля устройством (22). На верхней опоре расположен червячный редуктор азимутального привода в соответствии с кинематической схемой (рис.2.5).
Зенитная поворотная рама (10) ферменной конструкции выполняет функции прочной на изгиб зенитной оси, является корпусом опор визирной оси и содержит все регулировочные винты подшипниковых узлов и призм крепления инклинометрической аппаратуры и содержит кронштейн (18) визирного привода и датчика положения визирных углов. Конструкция зенитной поворотной рамы позволяет закреплять инклинометрическую аппаратуру диаметром от 028 мм до 073 мм. Противовес (20) служит для балансировки кронштейна визирного привода. Сбалансированное расположение инклинометрической аппаратуры в призменных узлах крепления создаёт устойчивость всей установки.
Установка полностью выполнена из немагнитных материалов.
Таким образом, конструктивные решения, внедрённые в разработанную установку, позволяют размещать электропривод пространственных осей на достаточном расстоянии от блока датчиков инклинометрической аппаратуры. Компактность исполнения установки упрощает её размещение на участке инклинометрии. Полная автоматизация работы установки повышает точность метрологического контроля ИА за счёт устранения погрешностей субъективного характера.
Анализ влияний техногенных вариаций ГМП на погрешности метрологического оборудования
Критерием оценки результатов влияния техногенных вариаций геомагнитного поля на показания инклинометрической аппаратуры при его метрологическом обслуживании является превышение основной погрешности измерения азимутального угла ИА над допустимым пределом при условии учёта текущих суточных вариации естественного ГМП и стационарной магнитной неравномерности в рабочей зоне метрологической установки ориентации инклинометрической аппаратуры.
Для выполнения анализа влияния техногенных возмущений на качество метрологического обслуживания инклинометрической аппаратуры были проведены исследования наиболее вероятных в использовании промышленных источников техногенных вариаций геомагнитного поля - электроинструментов и силового электродвигателя.
Промышленные источники искажения естественного магнитного поля Земли можно классифицировать по следующим признакам: - мощности электромагнитного источника; - типу электрической машины; - удалённости от исследуемой ИА.
Исследования производились в условиях работы оборудования с электродвигателями мощностью 0,6 кВт, 1,2 кВт, 12 кВт, которые были использованы в качестве источников внешних магнитных полей, оказывающих влияние на феррозондовый преобразователь (ФП). Первые два источника в виде электроинструмента со щёточными электродвигателями располагались на расстоянии 3+5 метров от ФП. Третьим источником являлся воздушный компрессор с асинхронным электродвигателем мощностью 12 кВт, который располагался на расстоянии 7-ми метров от ФП.
Исследования проводились с помощью разработанного специализированного устройства измерения вариаций геомагнитного поля на территории ГУП ЦМИ «Урал-Гео».
Перед началом исследований с помощь буссоли была проведена юстировка ФП по нулевому направлению азимута полного вектора напряжённости Т магнитного поля Земли в проекции Но на плоскость OXQYQ. Градуиро-вочная характеристика ФП устройства приведена на рис.4.12 (глава 4). Измерения проводились относительно установленного нулевого направления устройства по азимуту. Запись данных велась в файловой форме.
Для накопления данных запись изменения вариаций азимутального угла ФП производилась в течение 4-х месяцев - с января по апрель 2006 г. Наиболее характерные осциллограммы вариаций азимутального угла приведены на рис.1. Приложения 3.
Результаты обработки данных по амплитудам вариаций от источников техногенных магнитных полей по номерам графиков приведены в Таблице 4. На рис. 3.9 показаны зависимости отклонения азимута от мощности источников техногенных магнитных полей.
Проведённые исследования показали следующие результаты. 1. Техногенные источники геомагнитного поля в виде электродвигателей электроинструмента оказывают влияние на изменение азимутального угла инклинометрической аппаратуры.
Источники внешних магнитных полей в виде щёточных электродвигателей мощностью 0,6 кВт изменяют угол магнитного склонения незначительно - от 0,13 (осциллограмма № 13) до 2,3 (осциллограмма № 8) (рис.1. Приложение 2.). Вариации угол магнитного склонения при данном воздействии носят в основном колебательный характер (осциллограммы № 1, № 2, №5-1, №5, №7,
№9-ИЗ, № 16-1, № 16-2), но на осциллограммах (№ 8, № 15, № 16-3) видны фазы включения и выключения электроинструмента с выбросами по амплитуде (0,2-Ю,8) . На осциллограммах (№ 2, № 9, № 13) видны вариации сигнала феррозондового преобразователя во второй гармонике с амплитудой (0,07-Ю, 1) , которые можно отнести к его внутренним шумам.
2. Наиболее распространённые источники техногенного магнитного поля в виде электроинструмента со щёточными электродвигателями мощностью 1,2 кВт вносят искажения азимутального угла в диапазоне (4н-20) . На осциллограммах (№ 3, № 4, № 6, № 14) видны фазы работы электроинструмента.
3. Источник техногенного магнитного поля в виде асинхронного электродвигателя оказывает незначительное влияние на изменение азимутального угла - до 1,8 угловых минут. По внешнему виду временной осциллограммы (№ 17-1) (рис.1. Приложения 3.) по первой гармонике выходного сигнала с ФП видны фазы разгона ротора асинхронного двигателя мощностью 12 кВт, его работы под нагрузкой, фаза выключения и фаза выбега ротора (№ 17-1-1). Общий перепад искажения азимутального угла составляет « 1,8 . Колебания сигнала ФП по второй гармонике (« 0,5 ) можно отнести к фоновым магнитным полям, создаваемым лабораторными приборами и компьютерами в здании. Колебания сигнала ФП по третьей гармонике (« 0,05 ) можно отнести на шумы самого ФП.
4. При аппроксимации данных из графика зависимости отклонения азимута от мощности источников техногенных магнитных молей, приведённого на рис.3.9, увеличение мощности источника магнитного поля в два раза (2,4 кВт) может повлечь увеличение отклонение азимута в три раза - до (60- 80) . При мощности источника магнитного поля ниже 0,6 кВт влияния на вариации азимутального угла незначительны.
Статическая математическая модель ИА с расположением феррозондов по кинематической схеме карданового подвеса
Исследования стационарных неоднородностей геомагнитного поля в рабочей зоне инклинометрической аппаратуры также возможно с использованием эталонной скважинной ИА с требуемым уровнем вариаций выходного сигнала, составляющим ±10 . Эталонный скважинный инклинометр закрепляется в посадочных местах установки и в автоматическом режиме калибруется по всем рабочим точкам несколько раз. По результатам калибровки вычисляется разница между эталонными значениями азимутальных углов и углов, полученных данных со скважинного инклинометра и формируется таблица поправок.
Имеющиеся в широкой эксплуатации скважинные инклинометры отечественного производства не пригодны для применения в качестве эталонного средства измерения. Они имеют относительные вариации выходного сигнала по каналу азимута в диапазоне ±(0,5-И) с допускаемым пределом основной абсолютной погрешности измерения азимута +(1,5+2).
Для применения в качестве эталонного средства измерения оказалась пригодной забойная телеметрическая система Sperry-Sun на буровом инструменте [80] с вариациями выходного сигнала по каналу азимута ±15 . Результаты исследований приведены нарис.3.21.
Используя разработанную методику исследования стационарных неод-нородностей геомагнитного поля, были проведены исследования на нескольких предприятииях. Результаты исследования стационарных неоднородно-стей МПЗ в рабочей зоне калибровки ИА на предприятиях УУГР ОАО «Башнефтегеофизика» (г. Уфа), ОАО «ЮганскНГФ-Геофимп» (г. Нефтеюганск) и ПУГР ОАО «Пермнефтегеофизика» (г. Полазна) приведены на рис.3.18+-рис.3.21.
1. На рис.3.18 приведены диаграммы кругового распределения магнитной неоднородности в рабочей зоне калибровки ИА, полученных при исследованиях 10+20.02.2004 г. в УУГР ОАО «Башнефтегеофизика» для расстояний от центра установки УАК-СИ до буссоли теодолита равных 600 мм и 1150 мм. Азимутальное направление «0» соответствует направлению на «магнитный север» N (рис.3.12).
Как видно из рис.3.18 при расстояниях от центра установки УАК-СИ до буссоли теодолита R=600 мм и R=l 150 мм магнитная неоднородность в рабочей зоне скважинного прибора находится соответственно в диапазонах Аа60 г(-0,22-й),36)0 или Аа60(г(-13+21) и АаИ5(г(-0,27-Н),40)0 или Аац5(г=(-18+23) . При АУ=( 180+240) прослеживается влияние забора ДОбоо, 1150=(18+20) расположенного на расстоянии 5+6 метров от установки
Следует обратить внимание на то, что при проведении предварительной магнитосъёмки с использованием протонного магнитометра ММП-203 влияние забора осталось незамеченным (диаграмма распределения магнитной индукции ГМП - рис.3.13). При АУ=(60-420) и ЗУ=120 магнитная неоднородность в рабочей зоне составляет Лосвоо, 115 (20+25) что свидетельствует о наличии магнитных масс в конструкции потолка или крыши здания.
2. На рис.3.20 приведены диаграммы кругового распределения магнитной неоднородности в рабочей зоне калибровки ИА, полученных при исследованиях в октябре 2004 г. в ПУГР ОАО «Пермнефтегеофизика» для расстояния R=l 150 мм от центра установки УАК-СИ до буссоли теодолита. Азимутальное направление «0» соответствует направлению на «магнитный север» N (рис.3.11).
По диаграмме рис.3.20 можно сделать следующие выводы: - неоднородность МПЗ в рабочей зоне установки составляет (-0,7-г+0,5); - неоднородность МПЗ на азимутах (30 -210), выявленная при зе нитном углах (30-5-90), может быть вызвана близостью подземных коммуни каций.
3. На рис.3.19 приведены диаграммы кругового распределения магнитной неоднородности в рабочей зоне калибровки ИА, полученных при исследова ниях 25 мая 2005 г. в ОАО «ЮганскНГФ-Геофимп» на радиусе 1350 мм от центра установки УАК-СИ до буссоли теодолита.
По диаграмме рис.3.19 можно сделать следующие выводы: неоднородность МПЗ в рабочей зоне установки находится в диапазоне (-2,6 -І- +1,7) и превышает предел основной погрешности ИА - 1,5 (Таблица 3.3); - неоднородность МПЗ на азимутах 60, 150, 210 и 330, выявлен ная при зенитном угле 90, могла быть вызвана близостью железобетонных свай, на которых установлено здание участка инклинометрии. 4. На рис.3.21 приведена диаграмма кругового распределения магнитной неоднородности в рабочей зоне калибровки ИА, полученной при исследова ниях в Уфимском УГР ОАО «Башнефтегеофизика» с использованием забой ной телеметрической системы Sperry-Sun в качестве эталонного инклиномет ра. Проведённые результаты исследований оказались близкими к данным, полученным с помощью теодолита Т-15 (рис.3.18).
Данный способ аттестации неоднородностей магнитного поля в рабочей зоне калибровки ИА является наименее трудоёмким по времени получения результатов (1,5 часа против 8-И 0-ти) и отсутствия ручного труда, по сравнению с методикой, использующей теодолит. Несмотря на это, использование теодолита обходится дешевле и получаемые результаты точнее.
