научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ДОПУСК ТРАЕКТОРИИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ДОПУСК ТРАЕКТОРИИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ»

ВЛИЯНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ДОПУСК ТРАЕКТОРИИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ

А. РОПЯНОЙ, В. СКОБЛО, ЗАО «НТ-КУРС

Один из показателей качества направленного бурения — попадание в заданный круг допуска, причем чем меньше планируемая мишень, тем выше качественная оценка. Очевидно, что достижение этой цели напрямую связано с измерительными средствами, используемыми при бурении скважины для измерения ее траектории. Здесь наиболее существенна основная техническая характеристика измерительного средства — погрешность измерения. Интуитивно понятно, что размер мишени, куда должен попасть забой скважины, и погрешность измерения траектории должны быть согласованы. Это особенно важно при направленном бурении, когда процесс измерения параметров траектории скважины неразрывно связан с управлением траекторией. С этой точки зрения рассматриваемая в настоящей статье связь между размерами мишени и погрешностью используемых при бурении измерительных средств и методик представляет практический интерес, причем не только для проектировщиков, но и для буровиков-технологов.

Точностные требования к средствам измерения траектории бурящейся скважины при направленном бурении определяются в основном размерами мишени — чем меньше размер мишени, тем более точными должны быть измерительные системы. Чтобы количественно оценить эту связь рассмотрим влияние погрешности измерения угла наклона и азимута ствола скважины на погрешность определения точки забоя (или любой точки траектории скважины) в пространстве.

На рис. 1 показана траектория наклонно-направленной скважины ОоОм, построенной по результатам измерений инклинометром и представленной в двух проекциях — в плане и вертикальном разрезе. Из-за погрешности инклинометра измеренная траектория может не совпадать с реальной. Если погрешность измерения азимута нормируется как wiaз, то реальная траектория в плане будет располагаться внутри некоторой области по обе стороны от измеренной траектории (эту область называют «конус неопределен-

Рис.1. Траектория наклонно-направленной скважины

ности»), причем ее границами будут траектории О0О1 и О0О2, измеренные с максимальной ошибкой +iaз и минимальной Чаз. То же справедливо и для вертикальной проекции траектории, — реальная проекция траектории будет располагаться внутри конуса неопределенности, границами которой будут проекции О0О3 и О0О4, измеренные с максимальной и минимальной Ни ошибкой измерения угла наклона.

Из-за этих ошибок нельзя рассматривать забой скважины как точку в пространстве. Можно лишь утверждать, что он располагается в некоторой замкнутой области, размер которой зависит от погрешности средств, использующихся при измерении параметров траектории скважины. На рис. 2 показана ситуация «попадания» забоя скважины в мишень, в виде «круга допуска» с радиусом Я.

Область, в которой из-за погреш-

ности измерения может быть расположена точка забоя скважины (назовем ее «область неопределенности»), показана также в виде круга радиусом г. На рис. 2, а точка забоя, построенная по результатам измерений, «попала» в мишень, однако с учетом погрешности измерений, точка забоя может располагаться по всей площади круга г, в частности, и за пределами мишени. Очевидно, что ситуация на рис. 2, а будет свидетельствовать о том, что мишень не поражена. «Попадание» точки забоя скважины в мишень может быть признано только в том случае, если вся область неопределенности располагается внутри мишени, как показано на рис. 2, б. Таким образом, чтобы попасть в мишень, точка забоя измеряемой траектории скважины должна располагаться на расстоянии от центра мишени не более чем на Я-г. Можно утверждать, что реальный размер ми-

>-----ч Ом/) ^------

/ V

С" ) V ) V )

/ а) б)

Рис. 2. Попадание в круг допуска по результатам замера: а) — мишень не поражена; б) — мишень поражена

Рис. 3. К расчету смещения траектории скважины из-за систематической составляющей погрешности измерения

Ых)

Рис. 4. К расчету смещения траектории скважины из-за случайной составляющей погрешности измерения

шени зависит от погрешности измерительных средств, т. е. чем больше погрешность, тем меньше должна быть реальная мишень, тем ближе к центру мишени должна попасть точка забоя измеренной траектории скважины, чтобы поразить мишень. Для количественной оценки необходимо определить конфигурацию и размер области неопределенности. Существенным фактором здесь является природа погрешности, т. е. является ли она систематической ошибкой измерения, т. е. обусловлена конкретными (неслучайными) причинами и неизменна в процессе измерения; либо ошибка имеет случайный характер, т. е. зависит от неконтролируемых причин и подчиняется статистическим закономерностям. Чтобы рассчитать область неопределенности, необходимо проанализировать алгоритм построения траектории скважины по результатам измерений. Для вывода основных соотношений достаточно рассмотреть плоскую задачу, когда траектория лежит в одной плоскости и представляется в виде прямой. Расчет области неопределенности, обусловленной систематической ошибкой измерения, иллюстрируется на рис. 3, а.

Если бы не было ошибок измерения угла, то траектория скважины была бы прямой ОоОп; в точках О; производятся измерения угла, которые имеют погрешность wiфd. В результате при каждом измерении точка траектории отклоняется от истинной на расстояние:

iS=iфd.iL, (1)

где ^ — расстояние между двумя последовательными замерами.

Итоговое отклонение забоя скважины будет суммой отклонений на каждом участке замера:

кП^п^^.^чф1, (2)

где: п — число замеров;

L — длина траектории.

Поскольку измерения траектории происходят в двух плоскостях — угол азимута измеряется в горизонтальной плоскости, а угол наклона — в вертикальной, то и отклонение точки забоя скважины будет векторной суммой двух взаимно перпендикулярных отклонений, одно из которых обусловлено погрешностью измерения азимута, а другое — погрешностью измерения угла наклона. Конфигурация области неопределенности для систематической ошибки измерения показана на рис. 3, б. Она представляет собой прямоугольник, стороны кото-

рого равны удвоенным величинам:

каз=^фЙаз,

кИ=:ыфИ,

(3)

(4)

где: iфaз — систематическая ошибка измерения угла азимута;

iфH — систематическая ошибка измерения угла наклона;

X — длина траектории скважины в плане. Из-за такой области неопределенности площадь, куда должен попасть реальный забой скважины, построенный по результатам замеров (рис. 3, в), будет находиться внутри круга допуска и ее конфигурация — эллипс, полуоси которого составят:

(5)

Чтобы определить, достаточно вычислить плотность вероятности в точке х = 0:

л/2т1-а

Вероятность «попадания» траектории при (п-1)-м замере в точку с координатой х составляет:

р —ехр п"1 л/2тгс7п_1

1 X"

2

• ах.

Если бы (п-1)-й замер производился в этой точке, то плотность вероятности при п-м замере имела бы максимум с координатой х, а в точке х = 0 плотность вероятности составила бы:

(6)

Расчет области неопределенности, обусловленной случайной составляющей иллюстрируется на рис. 4, а. Так же, как и в расчете для систематической составляющей, рассматривается плоская задача и прямолинейная траектория. Данные ограничения не принципиальны и не отражаются на конечном результате расчета.

Если погрешность измерения угла iфRявляется случайной величиной, то отклонение iS также будет случайным:

^(х=0) = Р„.1(хК](х) =

л/2яа„_, Ч 2 ст.2 I \ л/2л-а, Ч 2 ст.2.

Суммируя значения Гх(х=0)для всех значений х от (-у) до (+у), получим искомое:

? (* = °)= I -пг---ехР

_юл/271-а„_

( , л

1 _X

а

V

л/2п *<

- • ехр

т 2

2ст,

Их.

iS=iфR.iL.

(7)

Учитывая, что:

Примем, что случайные величины и распределены по нормальному закону. Тогда функция распределения плотности вероятности смещения траектории от истинного значения в точке О1 будет представлена выражением:

где 01 — дисперсия функции распределения плотности вероятности смещения, зависящая от дисперсии функции распределения плотности вероятности ошибки измерения угла Оф:

01=0ф.^.

(8)

Если принять, что в каждой точке замера О} функция плотности распределения вероятности £(х) имеет нормальный вид, то рассчет области погрешности сводится к определению дисперсии Оп функции распределения ^(х), где х — смещение забоя от истинного, обусловленного случайной погрешностью, измерения. Для нахождения величины рассмотрим два последовательных замера — (п-1)-й и п-й. Функция распределения плотности вероятности смещения х выражается формулами:

Для (п-1)-го замера:

Для п-го замера:

л[2п -а ;

|ехр

ч 2а у

• ёх = 1,

п осле преобразований получим:

Оп=°п-1+О1

или окончательно:

Поскольку 01=0фчЬ, а п = — ,

то

(9)

(10)

Область неопределенности при одновременном воздействии случайных составляющих ошибок измерения угла наклона и азимута будет описываться двухкоординатной функцией распределения вероятности:

(11)

Поскольку случайную составляющую погрешности, плотность вероятности которой распределена нормально, обычно нормируют значением 3о, то конфигурация об-

ласти неопределенности (11) будет представлена в виде эллипса, большая и малая полуоси которого равны (рис. 4, б):

3о =к* и 3он=кН .

(12)

Реальный круг допуска (рис. 4, в) будет представлять собой эллипс с полуосями:

а=Я-кн ,

Ъ=Я-к:

(13)

Ь = л/(20)2 - (8,5)2 -8,5

Юм.

т. е. практически круг радиусом г = 10 м.

Расчет показывает, что из-за систематической погрешности реальный радиус круга допуска мишени уменьшается вдвое, с 20 до 10 м. Если же погрешность телесистемы является случайной величиной, то ее влияние снижается с увеличением числа замеров. В соответствии с (10) и (12) для рассматриваемого конкретного примера получим размеры области неопределенности:

В сравнении с систематической, случайная составляющая отклонения забоя составит:

(14)

т. е. она снижается с увеличением числа точек замеров траектории скважины.

Оценить реальное значение области неопределенности траектории можно на конкретном примере. Предположим, глубина скважины по инструменту Ь=2000 м, отход от вертикали Х=500 м, радиус круга допуска

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком