CC BY
61
УДК 528.02
ТЕСТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ МАГНИТНОГО СКЛОНЕНИЯ
Эдуард Лидиянович Ким
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, тел. (383)361-03-56, e-mail: [email protected]
Михаил Николаевич Кузнецов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. (913)740-32-87, e-mail: [email protected]
Выполнен анализ существующих программных продуктов по определению магнитного склонения, основанных на различных моделях геомагнитного поля, по возможности их применения при пространственном ориентировании скважин. Предложена методика определения магнитного склонения геодезическим способом. Выполнена оценка точности определения значения магнитного склонения по предлагаемой методике. Проведено сравнение значения магнитного склонения, полученного калькуляторами магнитного склонения, которые основаны на моделях геомагнитного поля Земли, и измеренного с помощью теодолита с ориентир-буссолью на эталонном базисе. Установлено, что расхождение вычисленных и инструментально измеренных значений магнитного склонения находится в допуске, предъявляемом к точности его определения для ориентирования скважин. Выявлен недостаток в конструкции ориентир-буссоли, сформулированы предложения по улучшению конструкции ориентир-буссоли для повышения точности измерений.
Ключевые слова: магнитное склонение, месторождение нефти и газа, ориентирование скважин в пространстве, теодолит, буссоль, анализ программных продуктов, геомагнитное поле.
В связи с разработкой месторождений нефти и газа с небольшой мощностью продуктивных горизонтов возникает проблема более точного учета воздействия геологических структур на величину магнитного склонения, которое учитывается при бурении скважин [1].
В работах З. Г. Гарейшина, Р. Р. Рахмангулова основное внимание уделено взаимосвязи влияния особенностей тектонического строения месторождений и геомагнитного поля [2-6]. Так, в работе [2] установлено, что геомагнитные возмущения выявляются в 10-15 % рабочего времени и вызывают погрешности азимутального угла на 25-250 %, которые связаны в большей степени с широтой местности. Причем в северных широтах вариации геомагнитного поля оказывают наибольшее воздействие на погрешности скважинных измерений, по сравнению со средними широтами. Самыми малоизученными влияниями являются изменения геомагнитного поля естественного и техногенного характера.
В работе [7] показано, что магнитное поле Земли является суммой нескольких магнитных полей, индуцированных разными источниками. Почти 90 % геомагнитного поля порождается жидкой внешней короной ядра Земли. Важнейшими источниками также являются: намагниченные горные породы в земной коре; поле, возникающее вне земного шара в ионосфере и магнитосфере; магнитное поле, порождаемое токами, текущими в земной коре под влиянием внешних вариационных полей; магнитные эффекты океанского тока.
В работе [6] установлено, что в результате воздействия магнитных бурь магнитное склонение может изменяться как минимум на 5-10 градусов, что снижает точность определения положения скважин.
Таким образом, возникает необходимость контроля за изменением значения магнитного склонения. Для обеспечения точного ориентирования скважин в пространстве, в процессе бурения рекомендуется выполнять контрольные определения магнитного склонения, при изменении состояния геомагнитного поля, магнитных бурях на Солнце и при возникновении полярного сияния.
По общепринятому определению магнитным склонением считается угол между географическим и магнитным меридианами в точке земной поверхности [8, 9]. Положительное магнитное склонение определяется, если северный конец стрелки компаса отклонен к востоку от географического меридиана, а отрицательное магнитное склонение - если стрелка магнита отклонена к западу от географического меридиана (рис. 1).
Рис. 1. Склонение магнитной стрелки
В настоящее время существуют различные математические модели магнитного поля. Они позволяют рассчитывать только вековые изменения, а краткосрочные возмущения, вызываемые солнечной активностью, этими моделями не учитываются. Но поскольку вековым изменениям подвержены как раз самые значимые элементы, точность моделей очень высокая. Но некоторые участки земной поверхности, представляющие из себя земные магнитные аномалии, не вписываются в глобальные модели, но их процент не велик и определение склонений на их территории имеет специфический характер.
Современные методы определения магнитного склонения представлены моделями геомагнитного поля Земли [10-12] и калькуляторами: калькулятором Канадского геологического центра исследования магнетизма [13], калькулятором магнитного склонения от Национального центра геофизических данных (США) [14], калькулятором на сайте Института земного магнетизма, ионосферы распространения радиоволн [15], калькулятором Британского геологоразведочного общества [16]. Для определения магнитного склонения необходимо ввести в соответствующие колонки калькуляторов географические координаты и интересующую нас дату.
Современные инструменты позволяют определять точность магнитного склонения 1,5 градуса [17], в связи с этим данные продукты имеют необходимую точность. Несмотря на это, результаты вычисления магнитного склонения по представленным калькуляторам являются обобщенными, так как не полностью учитывают локальные возмущения магнитного поля. Для более точного определения величины магнитного склонения на конкретной точке земной поверхности рекомендуется выполнять контрольные инструментальные определения магнитного склонения, которые позволят учитывать эти локальные возмущения для пространственной ориентировки скважины.
Контрольные определения магнитного склонения с применением геодезических приборов рекомендуется выполнять по следующей методике.
Для того чтобы на точке земной поверхности выполнить определение магнитного склонения, необходимо иметь геодезические пункты с известным ди-рекционным углом или истинным азимутом между ними. Дирекционный угол определяется путем решения обратной геодезической задачи [18]. Для перехода от дирекционного угла к истинному азимуту необходимо ввести поправку за сближение меридианов [19].
Определение координат в системе WGS-84 позволяет сразу получать геодезические координаты исходных пунктов. Путем решения обратной задачи мы получаем значение истинного азимута. Так же можно определить истинный азимут астрономическими методами: по часовому углу солнца или по часовому углу полярной звезды.
Для определения магнитного склонения на конкретном участке местности необходимо заложить два репера (рис. 2), на расстоянии не менее 300-500 м друг от друга и определить координаты реперов в системе WGS-84 с точностью
до первых десятков сантиметров. Из решения обратной задачи можно получить значение истинного азимута между реперами.
Для определения (контроля) магнитного склонения на них необходимо выполнить серию наблюдений:
1) установить над одним из реперов теодолит (тахеометр) с закрепленной на нем ориентир-буссолью;
2) навести зрительную трубу теодолита (тахеометра) на визирную марку, установленную над другим репером;
3) сориентировать прибор по истинному меридиану. Для этого на отсчет-ном приспособлении теодолита (тахеометра) установить значение истинного азимута направления;
4) совместить северный конец магнитной стрелки ориентир-буссоли с риской, нанесенной на корпусе ориентир-буссоли;
5) по отсчетному приспособлению снять отсчет по горизонтальному кругу прибора.
При этом получаем величину магнитного склонения на репере с учетом всех возмущающих факторов на конкретное время и дату.
А Репер 1
Рис. 2. Схема расположения реперов на площадке для контроля
магнитного склонения
Инструментальное определение значения магнитного склонения по предлагаемой методике было выполнено на эталонном базисе «Полигон геодезический эталонный: ПГЭ-СГГА» 23 августа в период с 13:30 до 16:00, за это время было выполнено два сеанса измерений.
Для измерения магнитного склонения на эталонном полигоне использовался теодолит 3Т2КП. Сведения о технических характеристиках, комплектации
приборов приведены в паспортах, технических описаниях и инструкциях по эксплуатации.
До начала полевых работ теодолит 3Т2КП прошел государственную метрологическую поверку и аттестацию в лаборатории СГУГиТ, имеющей сертификат на право поверки средств измерений, которая подтвердила паспортные характеристики аппаратуры по определению магнитного азимута при обеспечении требуемых условий измерений [20, 21]. Теодолит 3Т2КП признан пригодным для выполнения измерений магнитного склонения.
Перед началом измерений по известным координатам пунктов эталонного базиса был вычислен истинный азимут, с пункта В110 на пункт В114 в программе ТптЫеВшБпеБвСеПж версии 3.50. Снаружи пункты эталонного полигона представляют собой толстостенную металлическую трубу диаметром 500 мм с приспособлением для принудительного центрирования прибора. Они создают локальные аномалии, поэтому измерения выполнялись с выносной точки В110-1, которая стояла в створе базисной линии, в 20 м от пункта В110. Прибор устанавливался над точкой В110-1, и после наведения на пункт В114 на лимбе прибора устанавливалось значение полученного истинного азимута. Значение магнитного склонения считывалось по оптическому микрометру после совмещения северного конца магнитной стрелки с риской ориентир-буссоли. Схема сети представлена на рис. 3.
Рис 3. Схема сети
В таблице приведены результаты измерений.
N Время 5 Д5(') Д52(')
1 сеанс
1 13 43 +8° 38,1' 1,86 3,44
2 13 46 +8° 41,5' -1,54 2,39
3 13 50 +8° 44,2' -4,24 18,02
Окончание табл.
N Время 5 Д5(') Д52(')
4 13 53 +8° 45,1' -5,14 26,47
5 13 56 +8° 44,3' -4,34 18,87
6 14 03 +8° 30,9' 9,06 82,00
7 14 06 +8° 46,0' -6,04 36,54
8 14 08 +8° 41,2' -1,24 1,55
9 14 13 +8° 39,8°' 0,16 0,02
10 14 16 +8° 44,1' -4,14 17,18
11 14 17 +8° 32,5' 7,46 55,59
12 14 18 +8° 37,0' 2,96 8,74
13 14 19 +8° 43,2' -3,24 10,53
14 14 21 +8° 37,1' 2,86 8,15
15 14 24 +8° 40,9' -0,94 0,89
16 14 27 +8° 32,0' 7,96 63,29
17 14 30 +8° 44,3' -4,34 18,87
18 14 31 +8° 37,0' 2,96 8,74
2 сеанс
1 15 26 +8° 55,0' -4,21 17,75
2 15 28 +8° 40,0' 10,79 116,35
3 15 33 +8° 49,1' 1,69 2,84
4 15 36 +8° 49,0' 1,79 3,19
5 15 37 +8° 56,5' -5,71 32,64
6 15 39 +8° 43,7' 7,09 50,22
7 15 40 +8° 56,9' -6,11 37,37
8 15 42 +8° 52,0' -1,21 1,47
9 15 46 +8° 42,9' 7,89 62,20
10 15 47 +8° 40,8' 9,99 99,73
11 15 48 +8° 57,3' -6,51 42,42
12 15 51 +8° 52,0' -1,21 1,47
13 15 52 +8° 51,2' -0,41 0,17
14 15 53 +8° 58,0' -7,21 52,03
15 15 54 +8° 57,4' -6,61 43,74
Вычисленные значения магнитного склонения с использованием всех представленных программ на дату их определения для точки В110-1 составили одну и ту же величину, равную +8,6°, что равняется 8° 36'.
Средняя квадратическая ошибка определения магнитного склонения, вычисленная по отклонениям от среднеарифметического измеренного ее значения, составила в первом сеансе ± 4,74', во второй серии ± 6,34'.
Расхождения определенного значения склонения магнитной стрелки с ее значением, вычисленным по программным продуктам, составило в первом сеансе 4', а во втором сеансе 15'.
Заключение
В результате тестирования программных продуктов по вычислению магнитного склонения установлено, что расхождение вычисленных и инструментально измеренных значений магнитного склонения находится в допуске, предъявляемом к точности ее определения для ориентирования скважин [17]. Для определения магнитного склонения можно применять любой из них.
В то же время результаты вычисления магнитного склонения по представленным калькуляторам являются обобщенными и не полностью учитывают локальные возмущения магнитного поля.
Для более точного определения величины магнитного склонения на конкретной точке земной поверхности рекомендуется выполнять контрольные инструментальные определения магнитного склонения, которые позволят учитывать эти локальные возмущения при пространственной ориентировке скважины.
В результате работ по тестированию выявлен недостаток способа, заключающийся в трудности однозначного совмещения северного конца магнитной стрелки с направлением на север в виде риски на корпусе буссоли, который вызвал разброс отсчетов в пределах 25,5'. Улучшение качества измерений можно достичь за счет нанесения биссектора на корпусе буссоли вместо риски и более заостренного северного конца магнитной стрелки. При этом окно ориентир-буссоли должно иметь приспособление, увеличивающее изображение конца стрелки и биссектора.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Исследование отклонений геомагнитной оси гироинклометра в азимуте при построении нефтегазовых скважин / Г. А. Цветков, И. Р. Юшков, О. И. Вяткин, Н. Ю. Балуева // Вестник ПНИПУ. - 2014. - № 10.
2. Гарейшин З. Г. Совершенствование метрологического обеспечения инклинометрии нефтегазовых скважин : автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Уфа : БГУ, 2006.
3. Гарейшин З. Г., Каротажник И. А. Анализ влияний вариаций геомагнитного поля на инструментальные погрешности // Вестник ГЕО. - 2006. - № 6 (147). - С. 19-30.
4. Гарейшин З. Г. Концептуальные вопросы компоновки метрологических установок пространственной ориентации скважинной инклинометрической аппаратуры // Нефтегазовое дело. - 2006. - Т. 4. - С. 102-130.
5. Гарейшин З. Г. Математическое моделирование влияния вариаций геомагнитного поля на метрологические параметры инклинометрической аппаратуры с магниточувстви-тельными датчиками // Нефтегазовое дело. - 2006. - Т. 4. - С. 175-204.
6. Рахмангулов Р. Р. Новейший метод инклинометрических измерений: усовершенствованная геомагнитная привязка. «Бурение и нефть» июнь 2015 г. [Электронный ресурс]. -Режим доступа : http://burneft.ru/archive/issues/2015-06/43.
7. Кузнецов В. В. Физика Земли : учебник-монография. - Новосибирск, 2011. - 840 с.
8. Карабцова З. М. Геодезия : учеб. пособие. - Владивосток : ДВГУ, 2002. - 151 с.
9. Передерин В. М., Чухарева Н. В., Антропова Н. А. Основы геодезии и топографии : учеб. пособие. - Томск, 2010. - 126 с.
10. International Geomagnetic Reference Field [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html.
11. National Centers for Environmental Information [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html.
12. British Geological Survey [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.geomag.bgs.ac.uk.
13. Natural Resources Canada. Magnetic declination calculator. [Электронный ресурс]. -Режим доступа : http://geomag.nrcan.gc.ca/apps/mdcal- eng.php .
14. National Centers for Environmental Information. National Oceanic and Atmospheric Administration. Magnetic Field Calculator [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.ngdc.noaa.gov/geomag- web.
15. IZMIRAN Geomagnetic Data. [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://serv. izmiran.ru/.
16. British Geological Survey. Geomagnetic Coordinate Calculator. [Электронный ресурс]. -Режим доступа : http://www.geomag.bgs.ac.uk/data_service/models_compass/coord_calc.html.
17. РД 153-39.0-072-01. Техническая инструкция по проведению геофизических исследований и работ приборами на кабеле в нефтяных и газовых скважинах (Утвержден приказом Минэнерго России от 7 мая 2001 г. № 134. Согласовано Федеральным горным и промышленным надзором России 25 мая 2000 года Министерством природных ресурсов России 4 мая 2001 года) [Электронный ресурс]. - Доступ из справ.-правовой системы «Консультант-Плюс»
18. Черепнин В. И., Соловьев А. Н. Прикладные вопросы инженерной геодезии. Инженерно-графические работы по топогеодезической карте (плане) : учеб. пособие для студентов всех спец. - СПбГЛТА, 2006. - 85 с.
19. Дьяков Б. Н. Геодезия. Общий курс : учеб. пособие для вузов. - Новосибирск, 1993. - 171 с.
20. Об утверждении «Порядка проведения поверки средств измерений» : приказ Госстандарта России от 18.07.1994 № 125 (с изменениями) [Электронный ресурс]. - Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
21. Инструкция по проведению технологической поверки геодезических приборов (ГКИНП (ГНТА) 17-195-99 [Электронный ресурс]. - Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
Получено 18.01.2017
© Э. Л. Ким, М. Н. Кузнецов, 2017
TESTING OF SOFTWARE PRODUCTS BY DEFINITION OF MAGNETIC DECLINATION
Eduard L. Kim
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., tel. (383)361-03-56, e-mail: [email protected]
Mikhail N. Kuznetsov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk 630108, Master student, Department of Physical Geodesy and Remote Sensing, tel. (913)740-32-87, e-mail: [email protected]
Performed analysis of existing software for determining magnetic declination, based on different models of the geomagnetic field for their application in spatial orientation of boreholes. Proposed the technique of determining magnetic declination geodetic method. Estimated the accurate
Вестник CTyTuT, Tom 22, № 1, 2017
determining of the values of magnetic declination with the proposed method. Compared the values of magnetic declination obtained with magnetic calculators, it is based on models of geomagnetic field of the Earth, and is measured with a theodolite with a landmark-circumferentor on the reference basis. It is established that the discrepancy between the calculated and measured instrumental values of magnetic declination is acceptable in terms of accuracy for determining the orientation of boreholes. Identified deficiency in the design landmark-circumferentor, and formulated proposals for improving the design landmark-circumferentor to improve the accuracy of measurements.
Key words: magnetic declination, oil and gas field, orientation of the borehole, theodolite, circumferentor, analysis of software products, geomagnetic field.
REFERENCES
1. Tsvetkov, G. A., Iushkov, I. R., Viatkin, O. I., & Balueva, N. I. (2014). Research of variation of geomagnetic axis of gyroscopic inclinometer in azimuth without taking into account changes of variations of the geomagnetic field. VestnikPNIPU[VestnikPNRPU], 10 [in Russian].
2. Gareyshin, Z. G. (2006). Sovershenstvovanie metrologicheskogo obespecheniya inklinometrii neftegazovykh skvazhin [Improvement of metrological maintenance of oil and gas boreholes inclinometry. Extended abstract of candidate's thesis. Ufa: BGU [in Russian].
3. Gareyshin, Z. G., & Karotazhnik, I. A. (2006). Analysis of the effects of variations of the geomagnetic field on the instrument errors. Vestnik GEO [Vestnik GEO], 6, 19-30 [in Russian].
4. Gareyshin, Z. G. (2006). Conceptual issues linking the spatial orientation of borehole inclinometer instrumentation metrology systems. Neftegazovoe delo UNGTU [Oil and Gas Business UNGTU], 4, 102-130 [in Russian].
5. Gareyshin Z. G. (2006). Mathematical modeling of the effect of variations of the geomagnetic field on the metrological parameters inclinometer instrumentation with magnetosensetive sensors. Neftegazovoe delo UNGTU [Oil and Gas Business UNGTU], 4, 175-204 [in Russian].
6. Rakhmangulov, R. R. (2015). Advanced downhole surveying technique: enhanced geomagnetic referencing. «Burenie i neft'» [Drilling and Oil], 6. Retrieved from http://burneft.ru/archive/issues/2015-06/43. [in Russian].
7. Kuznetsov, V. V. (2011). Fizika Zemli [Physics of the Earth]. Novosibirsk [in Russian].
8. Karabtsova, Z. M. (2002). Geodeziya [Geodesy]. Vladivostok: DVGU [in Russian].
9. Perederin, V. M., CHukhareva, N. V., & Antropova, N. A. (2010). Osnovy geodezii i topografii [Basics of geodesy and topography]. Tomsk [in Russian].
10. International Geomagnetic Reference Field. (n. d.). Retrieved from: http://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html .
11. National Centers for Environmental Information. (n. d.). Retrieved from: http://www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html .
12. British Geological Survey. (n. d.). Retrieved from: http://www.geomag.bgs.ac.uk.
13. Natural Resources Canada. Magnetic declination calculator. (n. d.). Retrieved from http://geomag.nrcan.gc.ca/apps/mdcal-eng.php.
14. National Centers for Environmental Information. National Oceanic and Atmospheric Administration. Magnetic Field Calculator. (n. d.). Retrieved from: http://www.ngdc.noaa.gov/geomag- web.
15. IZMIRAN Geomagnetic Data. (n. d.). Retrieved from: http://serv.izmiran.ru/.
16. British Geological Survey. Geomagnetic Coordinate Calculator. (n. d.). Retrieved from http://www.geomag.bgs.ac.uk/data_service/models_compass/coord_calc.html.
17. Technical instruction. (2001). Technical instruction for conducting geophysical surveys and works with devices on the cable in oil and gas boreholes (RD 153-39.0-072-01). Approved by Order of RF Ministry of Energy of May 7, 2001 No. 134. Coordinated Federal Mining and Industri-
al Supervision of Russia of May 25, 2000 by the Ministry of Natural Resources of Russia on 4 may 2001. Retrieved from ConsultantPlus online database [In Russian].
18. Herepnin, V. I. (2006). Prikladnye voprosy inzhenernoy geodezii. Inzhenerno-graficheskie raboty po topogeodezicheskoy karte (plane) [Applied problems of engineering geodesy. Engineering graphics work on the topographic map (plan)]. Saint-Petersburg: SPbFTU [in Russian].
19. D'yakov, B. N. (1993). Geodeziya [Geodesy]. Novosibirsk [in Russian].
20. Order of Gosstandart of Russia of July 18, 1994 No. 125. Ob utverzhdenii "Poryadka provedeniya poverki sredstv izmereniy" [About approval "Procedure for a verification of means of measurement"]. Retrieved from ConsultantPlus online database [in Russian].
21. Technical instruction. (1999). Instruktsiya po provedeniyu tekhnologicheskoy poverki geodezicheskikh priborov (GKINP (GNTA) 17-195-99) [Instruction for conducting technological testing of surveying instruments (GCYP (GNTA) 17-195-99)]. Retrieved from ConsultantPlus online database [in Russian].
Received 18.01.2017
© E. L. Kim, M. N. Kuznetsov, 2017
