Оценка влияния геомагнитной активности на дополнительную погрешность инклинометрических систем

При проектировании скважин создается конкретная траектория, по которой должен проходить ствол скважины. Благодаря инклинометрии в процессе бурения определяют пространственное положение ствола скважины, что, в свою очередь, способствует своевременной корректировке направления бурения с целью достижения оптимальной траектории скважины к залежи, а также во избежание пересечений со стволами других скважин. С увеличением плотности сетки скважин разрабатываемых месторождений увеличиваются и требования к траектории, которая должна не только обеспечивать оптимальный путь к залежи, учитывая все геологические условия, но и не иметь вероятности пересечения с траекториями близлежащих скважин.

Для соблюдения данной траектории применяются различные средства геонавигации, которые могут в любой момент времени определить положение ствола в пространстве, что позволяет своевременно корректировать направление долота (Акбулатов и др., 2013).

Точное определение координат траектории скважины имеет чрезвычайную важность в связи с существенными экономическими затратами на бурение скважин и еще большими экономическими и репутационными затратами в случае необходимости ликвидации аварий вследствие пересечений стволов скважин (Козыряцкий, 2013).

Для определения пространственного положения ствола скважины используются инклинометрические системы (MWD), которые рассчитывают значения зенитного и азимутального угла, основываясь на воздействии гравитационного и магнитного полей Земли. В современных реалиях к системам MWD предъявляют ряд существенных требований, благодаря которым появляется возможность обеспечения точности измерений (Ковшов, Коловертнов, 2001).

Краткие сведения о погрешностях инклинометрических систем

Как и любому прибору, инклинометрическим системам свойственны погрешности, которые могут существенно повлиять на конечный результат измерений. Погрешности инклинометрических систем подразделяются на:

Основную погрешность (Инструментальная погрешность) , свойственную любому средству измерения и принимаемую за погрешность при нормальных условиях. Например, погрешности датчиков инклинометра, погрешности в калибровочных установках, нарушение ортогональности вращения узлов прибора и др.

Дополнительную погрешность , вызванную аккумуляцией внешнего воздействия, отличного от нормальных условий, на измерительное оборудование. К таким погрешностям относятся вибрации, изменения температуры, нестабильность напряжения питания оборудования и геомагнитные возмущения. Последние оказывают наибольшее влияние на значение дополнительной погрешности инклинометрических систем (Рахмангулов, 2015).

В общем случае погрешность инклинометра представляет собой совокупность основной и дополнительной погрешности. Согласно ГОСТ 8.395-80, дополнительная погрешность измерительных систем не должна превышать 35 % от основной погрешности. В свою очередь, основная погрешность инклинометрических систем допускается в диапазоне не более ±2° для азимутальных измерений и не более ±0,5° для зенитных измерений (Воробьев и др., 2015).

В связи с тем, что дополнительная погрешность является совокупностью различных факторов, то и противодействовать данным воздействиям необходимо в комплексе. Так, влияние температурных колебаний можно минимизировать благодаря системам климат-контроля; вибрационное влияние - методом статичных замеров; влияние нестабильного напряжения – при помощи стабилизаторов напряжения (Рахмангулов, 2015). Вследствие этого данные, составляющие дополнительную погрешность, станут минимальными и незначительными. Важной задачей остается прогнозирование и оценка негативного влияния геомагнитных возмущений (ГМВ) (Воробьев и др., 2017).

Влияние геомагнитной активности на дополнительную погрешность инклинометрических систем

Геомагнитные вариации представляют собой отклонение наблюдаемой величины напряженности магнитного поля от усредненных значений за определённый промежуток времени и принятых за эталон состояния геомагнитосферы (Воробьев и др., 2015).

Геомагнитные возмущения могут быть следствием множества естественных процессов и явлений, таких как:

• •    вращение Земли вокруг своей оси (суточные вариации). В данном случае возмущения связаны с изменением положения определённой точки Земли относительно солнечномагнитосферной системы координат;

• •    вращение Земли вокруг Солнца (сезонные вариации). Данные вариации являются следствием совпадения плоскостей экваторов Земли и Солнца (во время весеннего и осеннего равноденствия), что, в свою очередь, за счет повышенной солнечной активности в широтах от 10 до 30° вызывает сильные магнитные вариации. В обратном случае (во время летнего и зимнего солнцестояния) данные вариации минимальны;

• •    вращение луны вокруг Земли. Несмотря на то, что луна не имеет своего сильного магнитного поля, она оказывает слабое периодическое воздействие на геомагнитное поле Земли;

• •    вращение Солнца вокруг своей оси (27дневные ГМВ). Вариации связаны с долгоживущими областями солнечной активности, которые выбрасывают солнечную плазму линейно, а не радиально, что, в свою очередь, за счет вращение солнца вокруг своей оси создает наблюдаемую закономерность;

• •    солнечный ветер, представляющий из себя поток ионизированной водородной плазмы из верхнего слоя атмосферы солнца, движущийся со сверхзвуковой скоростью и вызывающий сильные магнитные бури продолжительностью от нескольких секунд до нескольких суток (Beggan et al., 2021);

• •    11-летние вариации геомагнитного поля (солнечный цикл, или цикл Швабе), связанные с периодичностью увеличения и уменьшения солнечных пятен на солнце. Увеличение количества солнечных пятен влечёт за

  собой усиление солнечного излучения, в значительной мере влияющего на геомагнитное поле земли (Гвишиани, Кедров, 2021);

• •    постепенные изменения в жидком ядре приводят к «вековым вариациям», значительно изменяющим среднегодовые показатели геомагнитного поля Земли;

• •    геомагнитные аномалии, представляющие собой области на поверхности Земли, в которых происходит отклонение величины и направления вектора магнитной индукции от среднего значения с данной области вследствие намагниченности верхних слоев Земной коры.

Все представленные выше явления в той или иной степени влияют на состояние геомагнитного поля, что приводит к росту дополнительной погрешности инклинометрических измерений, а в случае сильной геомагнитной активности погрешность измерения становится недопустимо высокой (Гвишиани, Лукьянова, 2018).

Также стоит учитывать, что чем выше северные широты и ближе к магнитному северу, тем меньше горизонтальная компонента вектора напряжённости магнитного поля Земли, вследствие чего ощутимее будет дрифт по азимуту (Poedjono, Beck et al., 2021). В тех же условиях обычно наблюдаются понижение точности и измерение зенитного угла из-за уменьшения в высоких широтах горизонтальной компоненты гравитационного поля Земли – центростремительного Кориолисова ускорения. Два этих фактора приводят к недопустимой погрешности инклинометрических измерений в высокоширотных регионах в условиях высокой геомагнитной активности.

Объекты и методы исследования

В качестве объекта изучения влияния геомагнитной активности на дополнительную погрешность инклинометрических систем были выбраны данные с геофизической станции «Ловозеро» (код: LOV; географические координаты N67.97°, E35.02°) за 2015 г. Данный год выбран в связи с тем, что он являлся годом наибольшей геомагнитной активности в течение последней 11-летней вариации ГМП (24-го солнечного цикла), продолжавшегося с января 2009 (по данным ИЗМИРАН) по декабрь 2019 г. (рис. 1).

■ G4 - Сильная геомагнитная буря [G4 - Extreme geomagnetic storm]

■ G3 - Средняя геомагнитная буря [G3 - Strong geomagnetic storm]

■ G2 - Умеренная геомагнитная буря [G2 - Moderate geomagnetic storm]

G1 - Небольшая геомагнитная буря [Gl - Minor geomagnetic storm]

Рис. 1. График количества дней в году, когда наблюдались геомагнитные бури за 24-й солнечный цикл

В ходе исследования были проанализированы 1-минутные данные, включающие ортогональные составляющие возмущения магнитного поля, на основе которых был проведен расчет вариаций магнитного склонения для дальнейшего сопоставления с эталонными данными магнитного склонения [] (рис. 2).

Рис. 2. График вариаций магнитного склонения за 2015 г., рассчитанных на основе данных геофизи- ческой станции LOV

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

Дата геомагнитной бури	Kp max	Вариация магнитного склонения		Эталон магнитного склонения	Максимальное отклонение от эталона
05.01.2015–07.01.2015	6+	14,73° ...	17,07°	16,05°	1,32°
01.02.2015–02.02.2015	5	15,53° ...	18,03°	16,07°	1,96°
17.02.2015	5	14,79° ...	18,75°	16,08°	2,67°
24.02.2015	5+	15,53° ...	18,89°	16,08°	2,81°
01.03.2015–02.03.2015	5+	15,63° ...	19,01°	16,09°	2,92°
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°
22.03.2015	6+	15,58° ...	18,07°	16,1°	1,97°
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°
06.05.2015	5+	14,73° ...	16,83°	16,13°	1,4°
13.05.2015	6	15,30° ...	19,75°	16,13°	3,62°
18.05.2015	5+	15,96° ...	19,44°	16,14°	3,3°
08.06.2015	6	14,91° ...	17,37°	16,15°	1,24°
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°
23.07.2015	5+	16,04° ...	18,08°	16,18°	1,9°
07.09.2015–09.09.2015	6+	15,87° ...	18,80°	16,21°	2,59°
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°
07.11.2015	6	15,51° ...	19,20°	16,25°	2,95°
10.11.2015	5+	15,28° ...	19,42°	16,25°	3,17°
10.12.2015	5	15,93° ...	18,17°	16,27°	1,9°
14.12.2015	5+	15,66° ...	18,78°	16,27°	2,51°
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°

Анализ показал, что в «спокойное время» колебания магнитного склонения составляют в среднем ±0,5°, что входит в диапазон допустимой дополнительной погрешности для азимутальных измерений, однако многочисленные магнитные бури оказывают уже существенное влияние на точность измерений. В таблице проведено сопоставление дат и силы геомагнитных бурь при значении максимального отклонения расчетных значений магнитного склонения с эталонными значениями.

Результаты

Анализ представленных в таблице данных выявил, что геомагнитные бури оказывают крайне высокое влияние на дополнительную погрешность инклинометрических систем, что приводит к неэффективности калибровок, поверок и эксплуатации приборов. Также при сопоставлении Кр-индекса магнитных бурь и суббурь со значениями максимального отклонения магнитного склонения от эталона не наблюдается четкая связь, которую можно описать функцией. Это связано с неравномерным воздействием космической погоды на геомагнитное поле Земли.

Заключение

Дополнительная погрешность инклинометрических систем является важной темой для научных исследований и практического применения, особенно в высокоширотных регионах, где существенное влияние на инклинометрические исследования оказывают геомагнитные возмущения, связанные с магнитными бурями и суббурями. Понимание и учет этой погрешности помогают улучшить точность измерений и надежность получаемых результатов. В связи с этим возникает задача создания новых, а также совершенствование уже имеющихся методов прогнозирования геомагнитных возмущений с целью минимизации их влияния на средства измерения.