О допустимости магнитной инклинометрии относительно геомагнитной активности в высоких широтах

Современные технологии наклоннонаправленного бурения предъявляют все более жесткие требования к точности пространственного позиционирования траектории скважин, особенно в условиях более плотной сетки скважин и разработки сложнопрофильных объектов. Одним из ключевых инструментов обеспечения заданной траектории выступает инклинометрический контроль, основанный на обработке данных, получаемых с помощью телеметрических систем, измеряющих параметры магнитного и гравитационного полей Земли.

Особую актуальность проблема точности инклинометрии приобретает в условиях бурения на морском шельфе и в высокоширотных регионах, где пространственная изоляция, ограниченные возможности оператив- ной коррекции, а также высокий уровень экономических и экологических рисков требуют максимальной надежности измерений. В таких условиях даже незначительное отклонение от проектной траектории может привести к недопустимым последствиям, включая потенциальные аварии, пересечения скважин и нарушение регламентов безопасной эксплуатации.

Одним из наиболее значимых внешних факторов, влияющих на точность измерений, выступает состояние геомагнитной обстановки, формируемое под воздействием космической погоды. Особенно выражено это влияние в Арктической зоне Российской Федерации (АЗРФ) и в областях, расположенных вблизи аврорального овала, где горизонтальная составляющая геомагнитного поля снижается, а вариации усиливаются (Воробьев и др., 2022). Это делает магнитную ин-

Работа лицензирована в соответствии с CC BY 4.0. Чтобы просмотреть копию

этой лицензии, посетите

клинометрию в таких регионах крайне чувствительной как к экстремальным событиям (магнитным бурям), так и к регулярным сезонным и суточным вариациям геомагнитного поля.

Значительный вклад в изучение влияния геомагнитной активности на точность навигационных и инклинометрических измерений внесли российские ученые Гвишиани А.Д. (Гвишиани, Лукьянова, 2018), Соловьев А.А. (Сидоров, Соловьев и др., 2022; Соловьев, Киричек, 2021; Соловьев, Сидоров, 2020), Лукьянова Р.Ю., Пилипенко В.А. (Пилипенко и др., 2021), Воробьев А.В. (Воробьев и др., 2017) и их коллеги. В их работах обоснованы ключевые физические механизмы и выявлены устойчивые закономерности сезонных и суточных колебаний геомагнитного поля, оказывающих влияние на точность позиционирования при бурении. Вместе с тем вектор дальнейших исследований смещается в сторону практикоориентированных решений, включая интеграцию мониторинговых данных с фактическими результатами инклинометрических замеров, а также разработку формализованных индексов, способных оперативно оценивать допустимость применения измерительных систем в конкретных условиях.

Влияние геомагнитной активности на погрешность инклинометрических систем

Инклинометрические измерения, применяемые при наклонно-направленном бурении, основаны на определении пространственной ориентации буровой колонны с использованием данных о компонентах магнитного и гравитационного поля (Теплухин и др., 2021). Погрешность таких измерений складывается из основной (инструментальной) и дополнительной составляющих, последняя из которых обусловлена воздействием внешних факторов, в том числе геомагнитной обстановки. Существенное влияние на дополнительную погрешность оказывают как кратковременные возмущения (магнитные бури и суббури), так и регулярные суточные и сезонные вариации.

Геомагнитные вариации, возникающие в результате солнечно-земных взаимодей- ствий, проявляются как в виде устойчивых циклических изменений (суточных, сезонных и 11-летних), так и в форме кратковременных возмущений (магнитные бури, суббури). Наиболее существенное влияние на точность навигационных решений оказывают отклонения магнитного склонения (ΔD) и наклонения (ΔI) от референсных значений, определяемых по глобальным моделям геомагнитного поля, таким как IGRF. Превышение указанных отклонений пороговых значений приводит к увеличению суммарной (интегральной) погрешности инклинометрии.

В высокоширотных регионах, включая Арктическую зону и континентальный шельф, снижение горизонтальной компоненты геомагнитного поля повышает чувствительность измерительных систем к внешним возмущениям. Это обусловливает рост дополнительной погрешности и снижение надежности позиционирования буровой колонны. Суточная и сезонная динамика значений ΔD и ΔI, подтвержденная данными геомагнитных станций и модельными расчетами, указывает на наличие устойчивых периодов повышенного риска получения недостоверных измерений, в частности, в вечернее и ночное время, а также в переходные сезоны (март и октябрь).

Дополнительная погрешность, обусловленная геомагнитной активностью, может составлять до нескольких градусов по азимуту и превышать метрологические допуски, установленные нормативными документами (например, ±2° для азимута согласно ГОСТ 8.395–80). Так, согласно оценкам на основе данных станции LOZ (67,97°N, 35,02°E) за 2015 г., отклонения магнитного склонения во время бурь достигали 6,75° при индексе геомагнитной активности Kp = 8, а в ряде случаев превышали 3,0° уже при умеренной активности (Kp = 5–6) (Ковалев, 2024). Такие значения сопоставимы или превышают допустимые отклонения, установленные для магнитных инклинометров (табл. 1).

Также был проведен анализ среднесуточных и сезонных вариаций ГМА на основе данных со станции STF (Kangerlussuaq) (67°00′31″N / 50°41′21″W) в Гренландии за 2 квазисолнечных цикла (2002–2024 гг.).

Таблица 1. Сопоставление дат геомагнитных бурь со значениями вариаций магнитного склонения в эти дни

Дата геомагнитной бури	Kp max	Вариация магнитного склонения	Магнитное склонение по модели IGRF	Максимальное отклонение от модели
17.03.2015 - 18.03.2015	8-	14,46° ... 22,85°	16,1°	6,75°
19.03.2015	5	14,46° ... 20,92°	16,1°	4,82°
10.04.2015	5+	14,78° ... 19,30°	16,11°	3,19°
15.04.2015 - 17.04.2015	6	14,03° ... 23,15°	16,12°	7,03°
13.05.2015	6	15,30° ... 19,75°	16,13°	3,62°
18.05.2015	5+	15,96° ... 19,44°	16,14°	3,3°
22.06.2015 - 23.06.2015	8+	14,46° ... 19,76°	16,16°	3,6°
04.07.2015 - 05.07.2015	5+	15,69° ... 19,97°	16,17°	3,8°
13.07.2015	6-	15,37° ... 19,29°	16,17°	3,12°
05.10.2015	5	15,50° ... 20,82°	16,23°	4,59°
07.10.2015 - 08.10.2015	7+	15,22° ... 20,66°	16,23°	4,43°
12.10.2015	5	15,70° ... 19,51°	16,23°	3,28°
03.11.2015 - 04.11.2015	5+	14,91° ... 19,72°	16,25°	3,47°
10.11.2015	5+	15,28° ... 19,42°	16,25°	3,17°
20.12.2015 - 21.12.2015	7-	15,18° ... 20,83°	16,28°	4,55°
31.12.2015	6-	14,93° ... 19,58°	16,28°	3,3°

В результате была подтверждена закономерность распределения среднесуточных и сезонных вариаций значений AI и AD, а так же подтверждено существенное влияние ГМА на инклинометрические измерения даже в «Спокойное» время. (рис. 1-2).

Рис. 1. Среднесуточные изменения значений ΔI и ΔD

Рис. 2. Сезонная вариация среднемаксимальных значений ΔI и ΔD

Обобщение результатов, полученных в ходе численного моделирования и анализа временных рядов отклонений геомагнитных параметров, позволяет сформулировать следующие выводы:

• 1.    Максимальные значения отклонений магнитного склонения (ΔD) и магнитного наклонения (ΔI) демонстрируют выраженную суточную зависимость. Наибольшие амплитуды наблюдаются в вечерние и ночные часы (в интервале 20:00–02:00 MLT), тогда как минимальные значения регистрируются в дневное время (12:00–16:00 MLT). Указанная динамика обусловлена воздействием солнечного ветра на магнитосферу Земли и связанным с ним перераспределением напряженности магнитного поля в области магнитного хвоста на ночной стороне планеты;

• 2.    Зафиксирована сезонная периодичность в характере вариаций геомагнитных параметров. Наибольшие значения ΔD и ΔI наблюдаются в марте и октябре, что связано с изменением ориентации южной компоненты межпланетного магнитного поля в геоцентрической солнечно-магнитосферной системе координат относительно солнечноэклиптической системы. Указанное явление известно как эффект Рассела-Макферрона (Candela at al, 2020; Zhao, Zong, 2015);

• 3.    В целях минимизации дополнительной погрешности при использовании магниточувствительного измерительного оборудования целесообразно проводить анализ текущей и прогнозируемой геомагнитной активности как до, так и после выполнения инклинометрических исследований. В случаях, когда индекс геомагнитной активности Kp достигает значения 5 и выше, рекомендуется проведение дополнительной верификации данных MWD (measurement while drilling). При значениях Kp > 7 вероятность возникновения необходимости в повторном проведении измерений возрастает до критически высокого уровня.

Эмпирическая проверка на производственных данных

Для установления практической значимости влияния геомагнитной активности на достоверность инклинометрических измерений был выполнен анализ производственных данных, полученных в процессе выполнения геофизических исследований скважин на территории Российской Федерации в период 2022–2024 гг. В качестве основного источника информации использовались акты оценки качества материалов инклинометрических замеров, подготовленные специалистами АО «Башнефтегеофизика».

Оценка проводилась с учетом классификации материалов по признакам расхождения измеренных азимутальных и зенитных углов, а также с учетом отметок о причинах отклонения качества. Из рассмотрения исключались случаи, связанные с техническими неисправностями оборудования или ошибками оператора. В дальнейшем анализ охватывал только данные, полученные с использованием магнитных инклинометров.

Сопоставление временных интервалов выполнения измерений с данными геомагнитного мониторинга позволило выявить устойчивую взаимосвязь между повышением геомагнитной активности и снижением качества инклинометрических материалов. В частности, на основе анализа сезонных и суточных распределений установлено, что увеличенное число замеров, классифицированных как «удовлетворительно» или «брак», приходится на периоды, характеризующиеся повышенными значениями отклонений магнитного склонения (ΔD) и наклонения (ΔI), зарегистрированными в периоды март-апрель и октябрь-ноябрь (рис. 3).

6%

^ 2022 ^^ 2023 ^^ 2024 ^—Среднее значение 5%

E ЖЫЫ

Янв Фев Map Апр Май Июн Июл Авг Сен Окт Ноя Дек

Рис. 3. Отношение низкокачественных материалов («Удовлетворительно» и «Брак») к общему числу инклинометрических исследований.

Указанные интервалы совпадают с пиками геомагнитной активности, обусловленной сезонными особенностями межпланетного магнитного поля.

Элементы методологии прогноза и оценки допустимости измерений.

Установленная зависимость между параметрами геомагнитной обстановки и точностными характеристиками инклинометрических систем требует формализации подхода к оценке пригодности условий проведения измерений. В целях оперативного контроля предлагается использование интегрального индекса допустимости (ИИД), отражающего совокупное влияние ключевых геомагнитных факторов на метрологическую надежность навигационных данных.

В качестве исходных параметров при расчете индекса принимаются: отклонение магнитного склонения ΔD, отклонение магнитного наклонения ΔI, а также значение планетарного индекса геомагнитной активности K p . Референсные значения склонения и наклонения определяются на основе расчетов по модели IGRF. Пороговыми считаются значения, превышающие 3° по ΔD, 1,5° по ΔI и 9 по K p . Это обусловлено допустимыми значениями расхождения азимута и зенита, указанными в РД 153-39.0-072-01 и в методологической инструкции ООО НПЦ «Гео-стра» МИ7.5.1-116-011-16 от 2016 г.

Расчет индекса выполняется по формуле:

ИИД = 1

I AD I

ADKp

|A/|

"'дГ^

где ΔD кр = 3°, ΔI кр = 1,5°, Kp кр = 9, а весовые коэффициенты принимаются равными ω D = 0,4, ω I = 0,3, ω K = 0,3, если иное не обосновано дополнительными условиями.

Значения ИИД интерпретируются следующим образом: при значении индекса 0,85 и выше проведение инклинометрических измерений считается допустимым; при значении от 0,70 до 0,85 – допустимым при условии дополнительного контроля или верификации результатов; при значении ниже 0,70 выполнение измерений строго при постоянном контроле и введении актуальных поправок.

Предлагаемый подход может быть реализован как в виде программного модуля, интегрированного в систему планирования буровых работ, так и как самостоятельный алгоритм оперативной оценки. Методика применима как для ретроспективного анализа качества ранее полученных инклинометрических данных, так и для прогноза допустимости измерений в рамках текущих и планируемых технологических операций. Использование ИИД позволяет обеспечить формализованную интеграцию факторов внешней геомагнитной среды в систему управления точностью пространственной навигации при бурении.

Заключение

Проведенное исследование подтверждает наличие выраженного влияния геомагнитной обстановки на точность магнитных инклинометрических измерений, особенно в условиях высоких широт и шельфовых территорий. Установлено, что отклонения магнитного склонения и наклонения, вызванные как кратковременными бурями, так и регулярными суточными и сезонными вариациями, могут достигать значений, превышающих метрологически допустимые пределы. Существенное ухудшение качества измерений наблюдается в марте и октябре, а также в ночные часы, что согласуется с теоретически обоснованными моделями солнечно-земного взаимодействия.

Анализ производственных данных подтвердил практическую значимость выявленных закономерностей и продемонстрировал рост доли некачественных измерений при повышенных значениях индекса геомагнитной активности. В целях повышения надежности геонавигационного обеспечения предложен интегральный индекс допустимости (ИИД), позволяющий количественно оценивать условия пригодности для выполнения инклинометрии на основе текущих и прогнозируемых параметров геомагнитной среды.

Предложенная методика может быть использована для оперативного контроля и предварительной оценки допустимости проведения измерений, а также для разработки автоматизированных систем поддержки принятия решений при планировании геофизических операций в условиях высокоширотного бурения.

Благодарности: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 2521-00143,