РЕГУЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СПОСОБОВ И СРЕДСТВ КЕРНОМЕТРИИ
Отдельных деталей и элементарных действий имеется очень много, однако большинство из них имеют вспомогательные функции, не имеют непосредственно технологического содержания. Задача технологического анализа состоит в исследовании ключевых деталей, непосредственно реализующих функции устройств кернометрии (чувствительный элемент ориентатора, резец или сверло маркирующего устройства, затвор замка и т.д.), а также их ключевых параметров — характеристик свойств, определяющих работоспособность деталей и имеющих определенное (чаще всего количественное) выражение.
Регулирование точности ориентации
Точность ориентации — статистическая характеристика возможной погрешности единичного определения параметров пространственного положения керна в скважине до отрыва его от забоя. Она регулируется по-разному в ориентаторах различных типов.
Кольцевой шариковый отвес. Точность регистрации шариком положения апсидальной плоскости зависит от соотношения скатывающей составляющей силы тяжести Т (см. рис. 3.5.) и сил сопротивления покоя. Скатывающая сила Т тем больше, чем больше наклон желоба (чем больше зенитный угол скважины). Силы сопротивления, состоящие из силы трения качения, статического напряжения сдвига, динамического сопротивления движению шарика, в принципе могут быть определены для некоторых заданных идеализированных условий. Это, в свою очередь, требует учета радиусов шарика и окружности желоба.
Рис. 3.5. Схема сил, действующих на шарик в кольцевом шариковом отвесе
Механические ориентаторы основаны на использовании для фиксации апсидальной плоскости эксцентричного груза. Имеется два основных типа: кольцевой шариковый отвес и горизонтальный маятник.
Кольцевой шариковый отвес представляет собой кольцевой желоб, в котором свободно перекатывается шарик. При отсутствии сил трения покоя и динамических воздействий в наклонном желобе шарик устанавливается в нижней точке, фиксируя положение апсидальной плоскости. В реальном процессе на шарик помимо управляющего воздействия скатывающей силы Т (рис. 3.5) (тангенциальной составляющей силы тяжести G) действует сила трения покоя F, величина которой и определяет так называемый |«угол застоя» шарика 6. Факторы, определяющие величину силы трения, многообразны: шероховатость поверхности, материал желоба и шарика,
физико-химические свойства среды и многое другое. Кроме того, положение шарика в конкретный момент зависит от соотношения сил арретации РарР, включения Рвкл и возмущающих воздействий Рвозм.
Принципиально важной характеристикой кольцевого шарикового отвеса, определяющей возможности его применения, является вероятностный характер его работы, особенно при малых зенитных углах (5—10°), где доверительная вероятность допустимой погрешности (±5°) снижается до 0,3, а выскакивающие значения погрешности достигают 60°. В одних случаях (при массовом отборе ориентированного керна) вероятностный характер работы ориентатора не имеет большого значения, а усредненная точность вполне приемлема. В других, более распространенных случаях, когда геологические построения производятся по единичным образцам, вероятностный характер ориентатора неприемлем. Указанный недостаток может быть в значительной мере устранен применением в одном керноориентаторе двух-трех дублирующих ориентаторов.
При разработке способов и устройств для отбораориентированного керна, при выборе технических средств кернометрии необходимо учитывать следующие факторы, определяющие измерительную надежность ориентаторов на основе кольцевого шарикового отвеса:
1. Управляющие воздействия (усилия включения и выключения РУпр и Рарр) по своему характеру и интенсивности аналогичны случайным возмущающим воздействиям, сопровождающим спуско-подъемные и вспомогательные операции: ударам, вибрациям и инерционным нагрузкам.
В связи с этим необходимо применение специальных устройств разделения целенаправленных и случайных воздействий, помех. Примером подобного устройства является зубчатая муфта с переменным шагом. Переменный шаг указанной муфты обеспечивает смыкание ее и, соответственно, раскрепление шарика ориентатора в одном строго определенном положении зубьев, устанавливаемом вращением бурового снаряда. Вертикальные и боковые удары при спуско-подъемных операциях не могут в этом случае привести к раскреплению шарика и сбою показаний ориентатора.
2. Кольцевой шариковый отвес не позволяет различать и выбраковывать грубоошибочные показания ориентатора, в связи, с чем применение его возможно только при многократной ориентации керна в одном рейсе [14], либо при отборе ориентированного керна в двух-трех смежных рейсах.
В работе В. В. Шитихина [5] приведена формула для расчета фактического отклонения шарика от апсидальной плоскости, которое имеет значение, определяемое по кольцевой шкале ориентатора в виде дуги застоя:
где M — сумма моментов сил сопротивления, действующих на шарик; Q—сила тяжести (вес шарика); R— радиус желоба; — зенитный угол скважины.
На рис. 3.5. показана вертикальная проекция профиля желоба со схемой сил, действующих на шарик. Если не учитывать случайные динамические воздействия, то шарик устанавливается в равновесии при равенстве момента скатывающей силы сумме моментов сил сопротивления.
Имеются расчетные формулы, позволяющие учесть, вязкость среды, шероховатость желоба, контактное давление шарика на желоб, а также формулы для расчета необходимого диаметра шарика с учетом всех перечисленных факторов. Формулы эти справедливы и позволяют понять структуру, взаимоотношение и роль отдельных факторов, определяющих точность ориентации. Однако, было бы неправильным рассматривать эти формулы как элемент и метод технологического анализа и проектирования. Формулы содержат множество коэффициентов, которые не всегда возможно определить. Отклонение шарика результат совокупного влияния огромного множества факторов, одни из которых неизвестны (наличие вибраций акустической частоты, формируемых потоком промывочной жидкости), другие трудноопределимы (действие реагента, дабавленного в промывочный раствор) или носят случайный характер. Но каждый из факторов может иметь сколь угодно большое влияние на точность ориентации. В технологическом отношении неверно представлять процесс детерминированным. Системный анализ предлагает иной подход.
В качестве регулируемого ключевого параметра ключевой детали выберем диаметр шарика, так как через него, в конечном счете, реализуют свои свойства механические, реологические и физические факторы. В качестве ключевых условий, определяющих итоговое действие множества факторов, возьмем шероховатость желоба и состав среды. Причем выделим крайние значения, применимые на практике для диаметра шарика (6 мм и 12 мм), шероховатости желоба (токарная чистовая обработка и шлифование поверхности) и среды (воздух, вода, глинистый раствор). Указанные предельные параметры ключевых характеристик отражают практически значимые пределы изменения условий и практически реальные характеристики точности.
Результаты нескольких тысяч лабораторных опытов представлены на графике (рис. 4.1,), которые позволяют оценить пределы точности ориентации S для различных условий при различных углах наклона скважины n.
Рис. 4.1. Графики зависимости погрешности регистратора апсидального направления от угла наклона оси желоба регистратора для различных условий: 1 — водная среда; 2 — глинистый раствор; 3 — воздух; 4 — шарик диаметром 6 мм; 5 — шарик 12 мм.