CC BY
97
УДК 550.832
А.А. Гуськов
канд. тех. наук, доцент, кафедра «Авиационные приборы и устройства»,
Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
И.В. Норинская аспирант, кафедра «Авиационные приборы
и устройства»,
Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Н.В. Здор
магистрант, кафедра «Авиационные приборы
и устройства»,
Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
АЛГОРИТМ НАЧАЛЬНОЙ АЗИМУТАЛЬНОЙ ОРИЕНТАЦИИ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО ИНКЛИНОМЕТРА
Аннотация. Разработан алгоритм повышения точности начальной азимутальной ориентации гироскопического инклинометра ИГН73-100/80 на устье скважины, позволяющий повысить качество инклинометрии нефтегазовых скважин. Начальная азимутальная ориентация реализуется при непрерывном измерении горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли с помощью двухкомпонентного трехстепенного гироскопа. При чем гироскоп расположен таким образом, что ось его кинетического момента совпадает с продольной осью скважинного прибора, а две оси чувствительности взаимно перпендикулярны к продольной оси и друг к другу.
Ключевые слова: гироскопический непрерывный инклинометр, начальная азимутальная ориентация, фазовый метод.
A.A. Guskov, Nizhni Novgorod State Technical University (Arzamas Branch)
I.V. Norinskaya, Nizhni Novgorod State Technical University (Arzamas Branch)
N.V. Zdor, Nizhni Novgorod State Technical University (Arzamas Branch)
ALGORITHM OF INITIAL AZIMUTHAL ORIENTATION GYROSCOPIC INCLINOMETERS
Abstract. The algorithm developed of improving the accuracy of the initial azimuth orientation of gyroscopic inclinometer IGN73-100/80 on the mouth of a well, which helps to improve the quality of the directional oil and gas wells. Initial azimuth orientation is implemented under the continuous measurement of the horizontal component of the angular velocity of rotation of the Earth using two-component threefold gyroscope. What gyroscope is located so that its axis of the kinetic moment coincides with the longitudinal axis of the downhole tool and the two sensitivity axes are perpendicular to the longitudinal axis and each other.
Keywords: gyroscopic continuous inclinometer, initial azimuth orientation, phases method.
Постановка задачи
Объектом исследования является гироинклинометр ИГН 73-100/80 и алгоритмы его работы [1, 2]. Значительный опыт эксплуатации прибора позволяет сделать вывод о том, что доля погрешности начальной выставки (начальной азимутальной ориентации) в суммарной погрешности определения траектории скважины может достигать 80 процентов. Это объясняет актуальность работ, направленных на минимизацию погрешности начальной выставки. Целью данной работы является разработка алгоритма начальной азимутальной ориентации (НАО) гироинклинометра, позволяющего повысить ее точность.
Блок датчиков информации инклинометра представляет собой гироплатформу, на которой установлены: два акселерометра; двухкомпонентный трехстепенной гироскоп, ось кинетического момента которого перпендикулярна плоскости гироплатформы; синусно-косинусный трансформатор (СКТ) для определения углового положения гироплатформы, относительно корпуса скважинного прибора.
Целью НАО является определение угла поворота системы координат, связанной с блоком датчиков информации, относительно географической системы координат (направления на север).
В процессе начальной выставки платформа с установленными на ней датчиками совершает два полных оборота вокруг продольной оси прибора с постоянной угловой скоростью. При этом один из каналов гироскопа работает в режиме датчика угловой скорости (ДУС) и измеряет проекцию горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли на собственную ось чувствительности. Зависимость
измеренной угловой скорости от времени представляет собой сигнал, близкий к гармоническому, фаза которого определяется начальным разворотом осей платформы относительно направления на север.
Искомый угол НАО определяется фазовым методом [1], т.е. методом минимизации фазового сдвига между измеренным сигналом ДУС и эталонным гармоническим сигналом. Для повышения достоверности результатов измерения проводится несколько циклов начальной выставки.
Увеличить объем измеренной информации за один цикл начальной выставки можно, измеряя горизонтальную составляющую угловой скорости вращения Земли одновременно по двум каналам ДУС. Для этого необходимо изменить положение гироскопа, развернув его на 90 градусов и совместив главную ось гироскопа с продольной осью скважинного прибора. То есть установить в датчике информации второй гироскоп таким образом, чтобы ось кинетического момента совпадала с продольной осью скважинного прибора. Увеличение количества измерительной информации за один цикл начальной выставки позволит сократить время и увеличить точность начальной азимутальной ориентации.
Алгоритм начальной азимутальной ориентации
Алгоритм начальной азимутальной ориентации с использованием информации со второго гироскопа можно представить следующей последовательностью действий.
- Устанавливают прибор на устье скважины.
- Подают напряжение питания на датчик информации.
- Подают сигнал управления на управляющий двигатель, и платформа с установленным на ней гироскопом разворачивается вокруг главной оси гироскопа с постоянной угловой скоростью на заданный угол, равный целому количеству оборотов платформы, что необходимо для корректного выполнения дальнейших расчетов.
- Во время кругового движения, с помощью обоих каналов датчика угловой скорости непрерывно измеряют горизонтальную составляющую угловой скорости вращения Земли: 0ЗГ .
Вращение измерительных осей ДУС вызывает модуляцию горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли. При этом сигналы с обоих каналов ДУС имеют гармонический характер, причем разность фаз сигналов составляет 90 градусов вследствие ортогонального расположения измерительных осей каналов ДУС. В результате формируется информация о горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли в проекциях на измерительные оси ДУС: <ах,ту .
Север
Рисунок 1 - К определению начальной азимутальной ориентации
- При вращении платформы по сигналу СКТ однозначно определяют положение платформы относительно корпуса гироблока - угол а (см. рис. 1).
- После завершения разворота платформы, используя фазовый метод [1], определяют фазы сигналов <ах^), ®у ^). В результате формируются массивы углов Fcdx,Fcdy между измерительными
осями ДУС и направлением на географический север в каждый момент времени поворота платформы с гироскопом.
- По измеренным массивам сигналов первого и второго канала ДУС - <ах^), соу^) осуществляют выборку участков стабильности по критерию минимального отклонения от истинного значения измеренной
величины, т.е. горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли 0ЗГ.
Для этого итерационным алгоритмом определяют «участки стабильности», представляющие собой два однозначно сопоставленных друг другу отрезка кривых из массивов первого и второго канала ДУС - <ах^),а ^), на которых выполняется условие:
\2 / ч 2
+ f 1«ЗГ
< Е
(1)
где 81 - допустимая величина погрешности определения горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли.
Значения массивов cox и соу, соответствующие участкам стабильности, используют для определения фазовым методом [1] углов Fcdx, Fcdy между измерительными осями ДУС и направлением на север.
- По массивам углов между измерительными осями ДУС первого и второго канала и направлением на север Fcdx, Fcdy, полученных на предыдущем этапе обработки измеренной информации, осуществляют выборку участков стабильности по критерию минимального отклонения друг от друга рассчитанных значений.
Для этого итерационным алгоритмом определяют интервалы, на которых наилучшим образом выполняется основное тригонометрическое тождество. Критерием выбора интервалов служит условие (2):
|sin2 (Fcdxk) + cos2 (Fcdyk - 90) -1| £е2 , (2)
где 82 - допустимая величина погрешности определения углов между измерительными осями ДУС и направлением на север.
Дальнейшие расчеты ведут по массивам Fcdx, Fcdy, соответствующим участкам стабильности.
- Определяют массивы значений угла между измерительной осью акселерометра и направлением на север по формулам (3):
Faxi = Fcdxi + а,
X! X! ' / О \
Fay¡ = Fcdy¡ + а- 90. (
- Объединяют массивы Fax и Fay и, используя методы статистической обработки [3], определяют истинный угол между осью корпуса прибора и направлением на географический север - Fa.
Апробация алгоритма
С целью апробации разработанного алгоритма азимутальной ориентации измерительных осей гироблока были проведены экспериментальные исследования макета устройства для начальной азимутальной ориентации с вертикально расположенным вектором кинетического момента гироскопа. В эксперименте известными методами [1, 3] определялись углы ориентации гироплатформы по результатам обработки сигналов каждого канала ДУС независимо друг от друга, а затем проводилась выборка экспериментальных данных в соответствии с описанным выше алгоритмом, и рассчитывалось новое значение угла ориентации.
Макет устройства для начальной азимутальной ориентации был зафиксирован вертикально в зажимах установки поверочной инклинометрической УПИ-1. Угол разворота корпуса скважинного прибора относительно направления на север был установлен равным а = 156° c точностью ± 25 угловых минут.
Рисунок 2 - Сигналы с датчиков информации 1 - сигнал с первого канала ДУС, 2 - сигнал со 2 канала ДУС: а) сигнал с ДУС, б) сигнал с СКТ
-1
Согласно предлагаемому алгоритму начальной азимутальной ориентации, по завершению вращения платформы получены сигналы с двух каналов ДУС, которые представлены на рисунке 2 (а). Амплитуда сигнала соответствует горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли на широте Арзамаса. Разница фаз между сигналами составляет 90 градусов.
На рисунке 2 (б) представлен сигнал с выхода СКТ.
Для измеренных сигналов Юх(0, Юу(0, используя фазовый метод [1] и метод статистической обработки [3], определили массивы значений угла между измерительной осью акселерометра и направлением
на север Fax
Faxi, Fayi.
Fay,.. На рисунке 3 представлены диаграммы статистического распределения значений углов
Рисунок 3 - Диаграммы распределения углов Faxi, Fay, до обработки
Применяя методы статистической обработки информации [3], получили следующие значения угла Fa, и среднее квадратическое отклонение а (СКО):
- с первого канала ДУС: Fax= 156,43°; ах = 0,15°;
- со второго канала ДУС: Fay= 155,90°; ay =0,12°.
По описанному выше алгоритму провели обработку полученных при измерении массивов сох и coy, по
формуле (3) определили массивы значений угла между осью корпуса и направлением на север Fax, Fay.
На рисунке 4 представлены диаграммы статистического распределения значений углов Faxi, Fay, для каждого из каналов независимо друг от друга.
Рисунок 4 - Диаграммы распределения углов Faxi, Fayi после обработки
Из рисунка 4 видно, что диаграммы распределения углов Fax¡, Fay¡ сдвинуты относительно друг друга. Это объясняется неортогональностью осей чувствительности обоих каналов ДУС, что может быть обусловлено технологическими причинами.
В результате статистической обработки, получили следующие значения угла Fa и СКО:
- с первого канала ДУС: Fаx= 156,08°, ст = 0,102°;
- со второго канала ДУС: Fay= 156,20°, Сту = 0,083°.
Ошибка относительно заданного значения угла между осью корпуса и направлением на географический север составила:
Dx = 156,08-156 = 0,08°;
Dy = 156,20-156 = 0,20°.
Выводы
- Применение гироскопа в качестве двухкомпонентного ДУС с вертикально направленным вектором кинетического момента при проведении начальной выставки гироинклинометра дает возможность исключить влияние небаланса ротора гироскопа, и как следствие уменьшить шумовую составляющую в сигнале ДУС по обоим каналам. Это выражается в уменьшении случайной погрешности определения азимутального угла (СКО по каждому каналу составило 0,1...0,15 градусов, что в 3...5 раз меньше СКО азимутального угла при горизонтально направленном векторе кинетического момента гироскопа).
- Предлагаемый алгоритм совместной обработки данных по обоим каналам ДУС позволяет уменьшить случайную погрешность определения азимутального угла за счет дополнительной выборки измеренных значений (в конкретном эксперименте СКО уменьшилось почти в 1,5 раза).
- Предлагаемый алгоритм позволяет определить угол неортогональности осей чувствительности каналов ДУС за счет разделения диаграмм распределения азимутальных углов, определенных для каждого из каналов ДУС, и скомпенсировать значение этого угла математически.
- Одновременное использование двух каналов ДУС для измерения горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли сокращает время начальной выставки и повышает точность начальной азимутальной ориентации (в конкретном эксперименте погрешность начальной азимутальной ориентации составила не более 0,2 градуса, что не превышает погрешности технологической установки).
Список литературы:
1. Пат. № 2100594 Российская Федерация, МПК7 Е 21 В 47/02, G 01 C 19/00. Способ определения азимута и зенитного угла скважины и гироскопический инклинометр / Порубилкин Е.А.; заявитель и патентообладатель; Малое инновационное предприятие «Арас». - № 96103393/03; заявл. 09.02.1996; опубл. 27.12.1997. - 20 с.: ил.
2. Гироскопический инклинометр ИГН 73-100/80 / НТВ «Каротажник». - Тверь: Изд. АИС, 2003. -Вып. 107. - С. 142-147.
3. Гуськов А.А., Цыбряева И.В. Метод повышения точности начальной азимутальной ориентации гироскопического инклинометра // XVIII Туполевские чтения: междунар. молодеж. науч. конф., 26-28 мая 2010 г.: материалы конф. - Казань: КГТУ, 2010. - Т. IV. - С. 614-616.
