Автоматизированное рабочее место маркшейдера

PROНЕФТЬ. Профессионально о нефти. – 2019 - № 4(14). – С. 74-80

УДК 658.012.011.56

Е.А. Горбунов
ООО «Газпромнефть-ГЕО»
А.А. Большаков, Д.А. Степанов
Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»)

Электронные адреса: bolshakov.aa@gazpromneft-ntc.ru, Stepanov.DA@gazpromneft-ntc.ru, Gorbunov.EAl@gazprom-neft.ru

Ключевые слова: автоматизация маркшейдерской деятельности, пересчет координат, расчет инклинометрии, магнитного склонения, направлений на цели, хранение результатов маркшейдерских расчетов, загрузка данных инклинометрии

Целью создания программы автоматизированного рабочего места маркшейдера (АРММ) была автоматизация выполнения маркшейдерских расчетов и маркшейдерского контроля, в том числе расчета направления бурения скважин, проектных и фактических инклинометрий. А также создание единого хранилища данных и расчетного инструментария для маркшейдерских служб компании в соответствии с принятыми методическими документами.
АРММ автоматизирует все задачи, связанные с расчетом местоположения скважин. Программа позволяет загружать траекторию ствола скважины, координаты устья скважины, проектные цели непосредственно через интерфейсные формы и из файлов формата XLS. Для загрузки инклинометрии в геологическую базу данных используются форматы LST, XLS, GRS, LAS, CSV, DEV и т.д. Расчеты в программе позволяют решать прямую и обратную геодезические задачи. Расчет магнитного склонения на устье скважины выполняется на основе магнитной модели IGRF. АРММ позволяет работать с различными системами координат (географическими и прямоугольными), принятыми в компании. Расчет координат оси ствола скважины осуществляется на основе стандартных методик, рекомендованных в отраслевой нормативной документации.
Контроль доступа пользователей к данным осуществляется как на уровне базы данных, так и на уровне пользовательского интерфейса. Проверка при входе в систему осуществляется по профилю пользователя, состоящему из уровня доступа и перечня доступных месторождений. Система имеет единую витрину данных, содержащую пространственную и атрибутивную информацию, с разделением доступа по доменной учетной записи для работы геодезических служб дочерних обществ с помощью любых «толстых» клиентов (ArcGIS, QGIS и т.д.).

Automated workplace of a surveyor

PRONEFT''. Professional'no o nefti, 2019, no. 4(14), pp. 74-80

E.A. Gorbunov
Gazpromneft-GEO LLC, RF, Saint-Petersburg
A.A. Bolshakov, D.A. Stepanov
Gazpromneft NTC LLC, RF, Saint-Petersburg

E-mail: bolshakov.aa@gazpromneft-ntc.ru, Stepanov.DA@gazpromneft-ntc.ru, Gorbunov.EAl@gazprom-neft.ru

Keywords: automate the performance of surveying, calculation of inclinometry, calculation of magnetic declination, calculation of the direction of drilling, storage of surveying calculations, upload of inclinometry data

The purpose of creating the program of the automated workplace of a surveyor (AWS) was to automate the performance of surveying calculations and conduct surveying control in calculating the direction of drilling wells, project and actual inclinometers. Creation of a unified corporate database and calculation tools for surveying services of the company in accordance with accepted methodological documents. AWS automates all tasks related to manage locations of the well. The program allows to load the trajectory of wellbore, wellhead coordinates, project targets directly through interface forms and from .xls files. To upload the survey to the geodatabase, AWS uses data in the formats .lst, .xls, .grs, .las, .csv, .dev, etc. Calculations in the program allow solving a direct and reverse geodetic task. Calculation of magnetic declination at the wellhead is performed on the basis of the magnetic model IGRF. It is possible to work with various coordinate systems (geographic and projections) adopted by the company. The calculation of the coordinates of the axis of the wellbore is carried out on the basis of standard methods recommended in the industry normative documentation. Controlling user access to the service information can be performed both in the geodatabase and in the user interface. Verification at system login by user profile which consists of the access level and list of available fields. The system has a single data mart containing spatial and attributive information with access sharing by the AD user for the work of surveying services of various operators with the help of any thick clients (ArcGis, QGIS etc.).

DOI: 10.24887/2587-7399-2019-4-74-80

Введение

При проектировании, строительстве и эксплуатации скважин одними из важнейших маркшейдерских работ являются: – расчет направлений на проектные геологические цели от положения проектного и фактического устьев скважины; – контроль расположения геологических целей в пределах границ горного отвода и лицензионного участка; – контроль проводки ствола скважины по проектной траектории с оценкой отклонений фактического положения пробуренного ствола от проектного направления; – оценка положения забоя скважины относительно круга допуска заданной геологической цели.
Если в результате расчета траектории скважины оказывается, что проектное решение не может быть реализовано в силу техникотехнологических ограничений, то маркшейдерские расчеты повторяются с новыми исходными данными.
Особенностью данных расчетов является выполнение их с использованием определенных картографических проекций, систем координат и моделей магнитного поля Земли (закрепленных стандартом компании «Газпром нефть») [1].
В рамках проекта LEANиЯ, направленного на оптимизацию существующих бизнес-процессов, было разработано программное обеспечение (ПО) «Автоматизированное рабочее место маркшейдера» (АРММ). Целью создания ПО АРММ была автоматизация выполнения маркшейдерских расчетов направлений бурения и маркшейдерского контроля проводки ствола скважины. Одна из задач проекта заключалась в создании единого ресурса хранения геологической информации, материалов ее обработки и расчетов, итоговых данных, переданных в бурение, и других сведений, поступающих в маркшейдерскую службу, а также обеспечение сотрудников всех производственных служб актуальной маркшейдерской информацией.
Имеющееся на рынке ПО, как правило, подходит для выполнения какой-то одной из перечисленных работ либо предполагает дополнительную доработку (или написание макросов). Ведение при этом базы данных (БД) расчетов, координат проектных и фактических целей, устьев скважин является отдельной задачей и в коммерческих предложениях стоит обособленно.

Структура и функционал программного обеспечения

Интерфейс ПО АРММ основан на принципе выделения блоков и взаимосвязей между ними (рис. 1):
– проектные геологические цели бурения;
– маркшейдерские расчеты направлений бурения скважин;
– рачет траектории ствола скважин по элементам пространственного положения.
Блок маркшейдерских расчетов при проектировании направлений бурения скважин включает следующие модули:
– загрузки и корректировки геологических целей: позволяет вносить проектный фонд, используемый в дальнейшем для расчета направлений и контроля расположения внутри границ горного отвода и лицензионного участка;
– загрузки, редактирования координат кустовых площадок, буровых станков и позиций бурения;
– расчета направлений бурения: определяются дирекционный угол направления на цель от устья скважины, азимуты (истинный и магнитный) с вычислением актуального магнитного склонения на заданную дату;
– контрольного расчета проектной инклинометрии методом средних углов и наименьшего радиуса кривизны с вычислением отходов от проектных целей. Блок маркшейдерских расчетов при строительстве скважин включает модули:
– загрузки маркшейдерских привязок буровых станков и устьев скважин;
– контрольного расчета фактической инклинометрии с возможностью задания даты выполнения каждого замера с целью вычисления актуального магнитного склонения на дату замера и вычислением отходов от проектной цели. 

44.PNG

Платформой для организации хранения данных ПО АРММ выбрана система ГеоБД – корпоративное хранилище геолого-геофизической информации Научно-Технического Центра «Газпром нефти» на основе СУБД Oracle.

Блок маркшейдерских расчетов при проектировании бурения скважин

Специалистами геологической службы задаются геологические цели, которые в дальнейшем передаются в маркшейдерскую службу для кустования скважин и расчетов проектного направления бурения. Одновременно специалисты выполняют контроль расположения геологических целей в установленных границах горного отвода и лицензионного участка. В блоке проектных целей ПО АРММ происходят загрузка и корректировка заданных геологический целей. Загрузка проводится при обязательном внесении документа, подтверждающего происхождение целей. Для каждой из целей могут быть заданы видимость, актуальность и подпись, используемые для автоматизации их отображения на цифровом дежурном маркшейдерском плане. Для документа в целом может быть задана актуальность, которая влияет на все цели данного документа (рис. 2). Для всех проектных расчетов вводится понятие позиции бурения. Позиция может задаваться координатами, а также автоматически рассчитываться по значению сдвижки и направлению движения станка от предыдущей скважины. В маркшейдерской службе выполняется маркшейдерский расчет направлений бурения от положения первой скважины на проектные цели. В ходе расчетов определяются: – горизонтальное проложение от устья до проектной цели D; – дирекционный угол направления на цель от устья скважины a; – геодезический (истинный) азимут направления на цель AИ; – магнитный азимут направления на цель АM; – значение сближения меридианов g; – значение магнитного склонения δ на установленную дату расчета. Связь между магнитным, истинным азимутами и дирекционным углом определяется уравнением 

45.PNG

Значение магнитного склонения определяется с использованием актуальной модели геомагнитного поля Земли IGRF (International Geomagnetic Reference Field). IGRF представляет собой серию математических моделей главного магнитного поля Земли и его вековой вариации. Каждая модель описывается набором сферических гармонических (или гауссовых) коэффициентов (g и h), полученных в результате разложения по сферическим гармоникам геомагнитного потенциала. Модель IGRF насчитывает 12 поколений, последнее утвержденное относится к 2015 г. и использует уже разложение на сферические гармоники с глубиной вплоть до функций Лежандра 13-й степени и порядка [2]. 

46.PNG

47.PNG

48.PNG

где а – средний радиус Земли (6371,2 км); r – радиальное расстояние от центра Земли; λ – восточная долгота по Гринвичу; θ – геоцентрическая широта; P – присоединенные полиномы Лежандра степени i и порядка j, нормированные в соответствии с правилом Шмидта; G – наибольшее значение степени разложения. В программной реализации определения магнитного склонения по модели IGRF была написана библиотека на языке Си, скомпилирована и подключена как внешняя функция к БД Oracle. Этот способ позволяет определять значение магнитного склонения непосредственно в запросах к БД (рис. 3). По материалам расчета направления бурения специалисты службы сопровождения бурения рассчитывают проектную траекторию ствола скважины, определяющую положение ствола проектной скважины в пространстве. По результатам расчета формируется файл проектной инклинометрии ствола скважины в формате xls. Проектная инклинометрия направляется в маркшейдерскую службу дочернего общества (ДО) компании «Газпром нефть» для маркшейдерского контроля соответствия проектного забоя скважины проектной геологической цели. В маркшейдерской службе выполняется контроль проектной инклинометрии, а именно проверяются: – угол сближения меридианов; – магнитное склонение на дату расчета; – приращения трехмерных координат к координатам устья и альтитуде ротора (рис. 4).
В ПО АРММ расчет инклинометрии может проводиться двумя методами: средних углов и минимальной кривизны. При вычислении методом средних углов исследуемый участок ствола скважины между двумя точками замера представляется отрезком прямой. Однако зенитный угол и азимут на протяжении участка интерполяции принимаются равными средним арифметическим соответствующих углов, измеренных в начале и конце интервала. 

2. Метод минимальной кривизны (а также метод кольцевых дуг, формулы которого идентичны и отличаются лишь их выводом) – это модификация метода расчета по радиусу кривизны, одного из наиболее точных. В расчете по минимуму кривизны исследуемый участок представляется в виде дуги. При построении траектории ствола пространственная кривая сглаживается с использованием относительного коэффициента, величина которого зависит от кривизны исследуемого участка ствола скважины. За счет сглаживания сводится к минимуму общая кривизна дуги в пределах исследуемого участка. Приращение трехмерных координат к координатам устья и альтитуде ротора определяются следующим образом (см. рис. 4) [3]:

49.PNG

50.PNG

51.PNG

D = accos(sina1 ⋅ sinϕ1 ⋅ sina2⋅ sinϕ2 ⋅ sina1× × cosϕ1 ⋅ sina2 ⋅ cosϕ2 ⋅ cosa1⋅ cosa2); a1, a2 – зенитный угол соответственно в верхней и нижней точках измерения; ϕ1, ϕ2 – азимут соответственно в верхней и нижней точках измерения; Δl – расстояние по стволу скважины между точками замера. Перевычисленные координаты точек ствола скважины инклинометрии, сравниваются с соответствующими точками проектной инклинометрии и определяется численное значение отклонения. Значения отклонений проектного забоя скважины на заданную геологическую цель указываются специалистом маркшейдерской службы в проекте ствола скважины (рис. 5). В случае представления координат позиций и целей в различных системах координат для корректного определения отклонения осуществляется преобразование координат из одной системы в другую с использованием следующих формул (ГОСТ Р 32453-2013. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек):

53.PNG

где L – геодезическая долгота; ΔB, ΔL – поправки к геодезической широте, долготе; Δx, Δy, Δz – линейные элементы трансформирования при переходе из системы А в систему Б; ωx , ωy , ωz – угловые элементы трансформирования при переходе из системы А в систему Б; m – масштабный коэффициент трансформирования при переходе из системы А в систему Б;

52.PNG

Блок маркшейдерских расчетов при строительстве скважин

После определения фактических координат устья скважины, находящейся в бурении (когда перемещение бурового станка более не планируется), повторно выполняется маркшейдерский расчет направления бурения на заданную геологическую цель по уточненным координатам устья скважины.
По результатам расчета оформляется маркшейдерская справка на скважину, а также утверждается и наносится на дежурный маркшейдерский план окончательная проектная инклинометрия скважины. По окончании бурения скважины специалист маркшейдерской службы проводит контроль фактической инклинометрии. Фактическая инклинометрия может состоять из нескольких замеров, выполненных в разное время, для чего указываются даты замеров в каждом интервале и соответственно рассчитываются значения магнитного склонения отдельно для каждого участка.
Маркшейдерский контроль фактической инклинометрии позволяет определить отклонение забоя пробуренного ствола скважины от проектных геологических целей с учетом осей эллипса неопределенности, проверить расположение пробуренного ствола скважины в границах горного отвода и лицензионного участка. По результатам контроля дается заключение о положении забоя скважины относительного заданного круга допуска. Фактическая траектория скважины отражается на дежурном маркшейдерском плане. Для этого создана витрина пространственных данных в БД Oracle с возможностью подключения геоинформационных систем и отображения маркшейдерских данных отдельными слоями. Набор данных, выдаваемых в слой, ограничивается территориально, на основании прав доступа пользователя, подключенного к витрине (рис. 6).

 

54.PNG

После окончания бурения всех скважин кустовой площадки маркшейдерская служба проводит уточнение координат устьев скважин. Скважины, по которым отсутствуют данные оценки точности полученных координат и высот устья, уточняются по результатам маркшейдерской привязки. Кроме того, маркшейдерская привязка выполняется повторно при наличии ошибок в измерениях и сомнений в полученных результатах.
Результаты всех маркшейдерских привязок фактических устьев скважин оформляются в виде отчетов. При внесении в ПО АРММ к фактическому устью скважины либо группы скважин прикрепляется документ выполненной маркшейдерской привязки. При этом координаты загруженных устьев автоматически попадают в единое хранилище системы ГеоБД, становясь при этом доступными для пользователей системы. При загрузке данных фактической инклинометрии в ГеоБД ответственным в ДО маркшейдерам автоматически приходит оповещение о необходимости оперативного контроля загруженных данных. Маркшейдер получает информацию о магнитном склонении, альтитуде и других данных из базы ГеоБД и файла инклинометрии. Автоматически проводится расчет координат оси ствола скважины и сравнение его результатов с координатами, приведенными в файле (рис. 7). ПО АРММ дает возможность выполнять автоматизированный контроль корректности расчетов, используя сравнение внесенных и эталонных поправок, а также имеющегося расчета с расчетом по алгоритму программы.

55.PNG

Заключение

ПО АРММ позволило автоматизировать маркшейдерские расчеты направлений бурения и маркшейдерский контроль при планировании, строительстве и эксплуатации скважин, а также систематизировать и интегрировать в едином хранилище данных исходную информацию и результаты расчетов. Примененный подход и разработанный продукт имеют следующие преимущества:
– быстрый, удобный, авторизированный webдоступ к маркшейдерской информации: результатам маркшейдерских привязок, расчетов направлений, проектной и фактической инклинометрии;
– единый инструмент для работы и централизация пространственной информации о скважинах и ее пространственного контроля на местности, новый уровень организации маркшейдерского контроля пространственного положения скважин, повышение качества исходных данных, используемых при моделировании месторождений;
– созданная витрина пространственных данных с разграничением доступа позволяет интегрировать данные в различные геоинформационные системы ДО компании «Газпром нефть»;
– программа АРММ дает возможность проводить расчеты в различных системах координат, принятых в компании «Газпром нефть».
– результаты маркшейдерских работ на скважинах доступны специалистам геологической службы в режиме реального времени и хранятся в ГеоБД.

Список литературы

    1. М-01.06-06. Методические указания по производству маркшейдерских работ при строительстве скважин. ПАО «Газпром нефть». – 72 с.
    2. Магнитная модель IGRF. – https://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/home.html
    3. Расчет и корректирование траектории скважины при бурении. Методические указания. – Ухта: УГТУ, 2014.

    Reference

    1. M-01.06-06. Metodicheskie ukazaniya po proizvodstvu marksheyderskikh rabot pri stroitel'stve skvazhin. PAO “Gazprom neft'” (Guidelines for the production of surveying work in the construction of wells. Gazprom Neft PJSC).
    2. URL: https://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/home.html
    3. Raschet i korrektirovanie traektorii skvazhiny pri burenii. Metodicheskie ukazaniya (Guidelines: Calculation and correction of the trajectory of the well during drilling), Ukhta: Publ. of USTGU, 2014.


Возврат к списку