CC BY
124
'Въотпьк, ЯАТ£\Оу£\А
Уфа : УГАТУ. 2013________________________________^¿______________________________Т. 17, № 1 (54). С. 158-162
ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
УДК 622.243:531.383
Г. А. Иванова
ИНТЕГРИРОВАННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Предложена схема комплексного использования магнитометрических и гироскопических модулей, позволяющая расширить функциональные возможности, повысить точность и надежность измерительной системы. Системы подземной навигации; магнитометрические, гироскопические инклинометрические системы
Топливно-энергетический комплекс (ТЭК), и в особенности его нефтегазовый сектор, играет важную роль в экономике нашей страны. Разработка нефтяных, газовых и рудных месторождений в тяжелых климатических условиях, уменьшение потерь на различных стадиях работы, сокращение расходов и увеличение качества продукции требуют ускорения развития научнотехнического прогресса и совершенствования приборной базы [1].
В условиях интенсивного развития наклонно-направленного и горизонтального бурения все больше возрастают требования к точности определения пространственного положения оси ствола скважины.
Современная задача подземной ориентации решается при помощи инклинометрических систем (ИС), представляющих собой информационно-измерительный комплекс, состоящий из технических средств, методического и математического обеспечения [2].
В статье рассмотрены варианты реализации интегрированной инклинометрической системы, позволяющие проводить измерения в обсаженных и не обсаженных скважинах, повысить надежность измерительной системы за счет совместного применения феррозондов, акселерометров и гироскопов. С целью повышения точности инклинометрической системы предложена процедура начальной оценки погрешности измерений, а также компенсация дрейфа гироскопических датчиков с привлечением информации от спутниковых навигационных систем.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
Классификация ИС представляет собой многоуровневую систему. По принципу возможности совмещения с процессом бурения ИС делят на забойные и промерочные. Первые
Контактная информация: 8(347)273-07-27
встраивают в бурильную колонну и используют для контроля пространственного положения в процессе бурения. Вторые применяют для измерения уже пробуренных участков скважин, или коррекции траектории при остановке бурения. В рамках данной статьи рассматриваются промерочные ИС.
По принципу работы датчика азимута принято различать магнитометрические и гироскопические инклинометры [2].
В магнитометрических инклинометрах (МИ) в качестве датчика азимута используют феррозонды, измеряющие проекции напряженности магнитного поля Земли. В гироскопических инклинометрах (ГИ) - датчики угловых скоростей (ДУС), измеряющие проекции угловой скорости Земли на оси, связанные с корпусом прибора. Современные МИ получили большее распространение благодаря высокой вибро-и ударостойкости, приемлемой стоимости
и возможности работы в широком диапазоне температур. Однако точность измерения азимута МИ существенно зависит от наличия намагниченных масс - бурильных труб, обсадных колонн и т. д.
Необходимость определения параметров ориентации скважин, пробуренных в средах с аномальными магнитными свойствами, обсаженных стальными трубами, при восстановлении старых месторождений, при исследовании рудных скважин, контроле трубопроводов, проложенных в труднодоступных местах, и строительстве различных подземных объектов приводит к целесообразности применения гироскопических инклинометров. Из недостатков ГИ следует отметить более высокую стоимость и габариты чем у МИ. При измерении азимута в таких системах необходимо учитывать величину накапливающейся ошибки ДУС (дрейфа гироскопов).
Из зарубежных фирм производителей МИ и ГИ можно отметить Sperry Sun (Великобрита-
ния), Azinbee (Франция), Smith international (США), Gyrodata (США), Фирма SEG (Германия).
Известны также отечественные разработки ИС, выполняемые в рамках научных школ и коллективов: ООО «Тренд» (г. Миасс), ОАО НПФ «Геофизика» (г. Уфа), ООО «Аркон» (г. Арзамас), НИИ прикладной механики им. академика В.И. Кузнецова (г. Москва), ОАО «Арзамаское научно-производственное предприятие «Темп-Авиа» (г. Арзамас), НИИ «Пилот» (г. Уфа), НПП Азимут (Украина), ЦНИИ «Электроприбор» (г. Санкт - Петербург) и др.
Анализ отечественных и зарубежных работ, отражающих вопросы создания МИ показывает, что наиболее перспективным направлением является построение скважного прибора на основе трех ортогональных феррозондов и акселерометров неподвижно закрепленных относительно корпуса.
Рис. 1. Компоновка первичных датчиков в скважном модуле ИС
В отечественных и зарубежных ГИ нашли наибольшее применение динамически настраиваемые (ДНГ) и поплавковые гироскопы. Одно из направлений дальнейшего развития ГИ связано с возможностью включения в скважный модуль современных гироскопов, построенных на различных физических принципах: волоконно-оптических (ВОГ), волновых твердотельных (ВТГ) и микромеханических гироскопов.
С целью обоснования вышесказанного в работах [3, 4] рассматривалось влияние относительной погрешности масштабного коэффициента и величины случайного дрейфа ДУС на точность определения азимута. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования в измерительном модуле приборов, относительная погрешность масштабного коэф-
фициента и случайный дрейф которых не превышает 5 % и 0,4 град/час соответственно. Таки образом, был сделан вывод о перспективности использования в качестве датчиков азимута ВОГ и ВТГ.
Следует отметить, что высокоточные гироскопические датчики обладают достаточно большими габаритами и стоимостью. Например, ВОГ инерциального класса точности с величиной дрейфа 0,01 град/час имеют диаметр катушки от 100 мм и выше. Диаметр ВОГ среднего класса точности, удовлетворяющих по точности требованиям, предъявляемым ИС, составляет от 50 мм и выше. При этом стоимость датчиков составляет от 100 тыс. руб. и выше. По этой причине, как было отмечено ранее, ГИ проигрывают МИ по таким показателям как стоимость и габариты.
На сегодняшний день намечаются тенденции к комплексному использованию МИ и ГИ. Справедливо ожидать, что две системы, обладающие ошибками разного характера, при совместном применении будут дополнять и корректировать друг друга.
Таким образом, цель представленной работы заключалась в следующем: предложить универсальную инклинометрическую систему на базе гироскопических, грави- и магнитометрических модулей, позволяющую проводить измерения в обсаженных и открытых скважинах, повысить надежность подземных измерительных систем.
2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ РЕШЕНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ИС И ИХ НЕДОСТАТКИ
Первые упоминания о так называемых гибридных или интегрированных ИС можно встретить в работах [5, 6], где рассматривается возможность алгоритмического и аппаратного резервирования ИС при совместном использовании разных типов первичных датчиков.
В работе [6] за основу берется упомянутая выше схема магнитометрической инклиномет-рической системы на основе триады ортогональных феррозондов и акселерометров и дополняется триадой гироскопов (рис. 1).
Фактически в схеме блок гироскопических датчиков используется для измерения географического азимута при спуске в обсаженную скважину, после чего блок отключается, и измерение азимута ведется при помощи блока феррозондов.
Недостаток предложенной ИС заключается в следующем. Включение в состав измеритель-
ного модуля трех или двух одноосных гироскопических датчиков (ДНГ, ВОГ, ВТГ) приводит к увеличению стоимости и габаритов системы, что в свою очередь ограничивает возможность применения ИС при бурении скважин малого диаметра (38-42 мм). Использование же точных и дорогостоящих гироскопов только на начальном этапе измерений (при спуске в обсаженную скважину) нерационально с экономической точки зрения.
Количественная оценка увеличения стоимости МИ при условии внедрения в его состав гироскопических датчиков приводит к следующим результатам. При средней стоимости МИ 500 тыс. руб., включение в состав гироскопов средней точности вызовет увеличение стоимости измерительного блока на 30-50 %.
Принимая во внимание все вышесказанное, сделан вывод о продуктивности использования блока гироскопических датчиков на всем этапе работы с целью расширения возможных областей применения ИС и реализации резервирования измерительной системы. В свою очередь, при использовании в составе измерительного модуля точных гироскопических датчиков, правильнее говорить о резервировании ГИ магнитометрическим модулем. В этом случае помимо основной задачи определения пространственной ориентации нефтяных и газовых скважин можно предложить использовать интегрированную ИС для решения геологических задач. Например, осуществлять поиск полезных ископаемых, фиксируя наличие объектов повышенной магнитной восприимчивости.
3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И ПРИНЦИП РАБОТЫ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ИС
Принцип работы предлагаемой интегрированной ИС следующий. Скважный модуль устанавливается в устье скважины. Проекции напряженности магнитного поля Земли, ускорения свободного падения и угловой скорости Земли, измеренные соответственно феррозондами, акселерометрами и гироскопами поступают на коммутатор (рис. 2). Далее происходит преобразование аналоговых сигналов в цифровой вид в АЦП и передача в наземное устройство (рис. 2, 3). В наземном устройстве происходит вычисление углов ориентации по формулам:
аи = Аг^
(д а - в2 а)^/ А+а2+А2
А3 (-О^Л^ + .В,Л2 + В3Лз ) —
-Д( л2+А+А2)
ак = Агс^
(я1 а2 — н 2 а)7 а12 + а2 + а2 А3 (н 1 Аі + Н 2 А2 + Н2 Л3 ) —
—Н з( А12 + А + Аз2)
0 = агс® -и л2+а2 , ф = аг^
_ Аз _ V
А
А1
V = аге8іп
Н^ + Н 2 А2 + Нз А3
-ч/а12 + а2 + лз2 л/н12 + н22+Н
, (1)
где аш, ай - азимут, рассчитанным соответственно по сигналам с гироскопов и феррозондов, 0 -зенитный угол, ф - визирный угол, й - угол магнитного склонения, V - угол магнитного наклонения, А, Н, Д- - сигналы с акселерометров, феррозондов и гироскопов.
В запоминающем устройстве фиксируются полученные опорные значения углов V и й
(рис. з).
В процессе измерений сигналы с блока феррозондов, гироскопов и акселерометров, через коммутатор поступают в АЦП и далее через блок связи по каналу связи передаются в блок приема и дешифрации информации (рис. 2). Обработанная информация поступает на вход блока обработки информации. Показания с первичных датчиков после коррекции поступают в вычислитель (рис. 3). Здесь происходит расчет углов ориентации и углов V и й по формулам (1). Далее полученные значения передаются в блок сравнения, где сравниваются с опорными значениями, хранящимися в запоминающем устройстве (рис. 3). В процессе измерений в необ-саженной скважине рассчитанные углы V и й совпадают с опорными или величина расхождения не превышает допустимое значение, и в результате сравнения на экран оператора выводится значение азимута, рассчитанное по результатам измерений феррозондов и акселерометров.
В обратном случае на экране оператора отображается значение азимута, рассчитанное по результатам измерений гироскопических датчиков и акселерометров.
Интеграция гироскопических датчиков в МИ с целью работоспособности последней при спуске в обсаженную скважину (для случаев кратковременной неработоспособности феррозондов) обоснована только в том случае, если в качестве ДУС используются дешевые и малогабаритные гироскопы, к примеру - мик-ромеханические гироскопы (ММГ).
Л
Приемник СНС
Три ортогональных I ^^^еррозонд^^^у
|Три ортогональных I гироскопа 2|
Три ортогональных I
^^шселером^р^^|
Коммутатор
АЦП
Блок питания
Блок связи
I
Канал связи
N—
Скважный модуль
Блок приема и дешифрации
Блок обра-
Дисплей
формации
Наземное устройство
Рис. 2. Структурная схема интегрированной инклинометрической системы
ММГ были разработаны для применения в устройствах, где время автономной работы ДУС достаточно мало, поскольку дрейф этих гироскопов составляет порядка 10 град/час. Однако ММГ обладают рядом преимуществ перед другими типами ДУС, такими как: малые габариты и масса, низкое энергопотребление, устойчивость к ударам и вибрациям, надежность, низкая стоимость. На сегодняшний день ММГ активно применяют для решения задач навигации различных объектов. Перечисленные факторы позволяют говорить о перспективности включения ММГ в состав ИС.
Таким образом, можно предложить еще один вариант интегрированной ИС на базе феррозондов, акселерометров и ММГ. В этом случае блок ММГ выполняет резервную функцию и позволяет измерять азимут при временной неработоспособности блока феррозондов, т. е. при спуске в обсаженную скважину или в случае прохождения участка с магнитными аномалиями.
Для уменьшения величины дрейфа ММГ и обеспечения требуемой точности в схеме реализованы операции начальной оценки погрешности и последующая коррекция гироскопических датчиков. Оценить начальное состояние погрешностей ММГ можно при помощи внешнего курсоуказателя, в качестве которого предлагается использовать спутниковую навигационную систему (СНС), например GPS или Гло-насс [7]. Компенсацию дрейфа предлагается осуществлять, используя информацию от фер-розондовых датчиков (рис. 3).
При таком способе определения углов искривления скважины одной из ключевых задач является необходимость выявления магнитных аномалий или отказа блока феррозондов, и дальнейшее вычисление углов ориентации по соответствующему алгоритму.
Критерием для принятия решения также являются результат сравнения углов й и V с исходными величинами.
Если в результате сравнения рассчитанные углы й и V совпадают с опорными или величина расхождения не превышает допустимое значение, в фильтре Калмана по сигналу с блока управления осуществляется оценка погрешности ММГ с учетом информации от феррозондов и последующая коррекция сигналов гироскопов (рис. 3). Также принимается решение о достоверности значения азимутального угла, рассчитанного по сигналам с феррозондов и акселерометров.
В обратном случае блок управления подает сигнал на фильтр Калмана проводить коррекцию гироскопических датчиков без привлечения информации от феррозондов. Достоверным считается значение азимута, рассчитанного по сигналам с гироскопов и акселерометров.
Процедура начальной оценки погрешности ММГ осуществляется в устье скважины. Для этого блок управления подает управляющий сигнал на приемник СНС и на вычислитель, где происходит вычисление географического азимута по показаниям сигналов с блока микроме-ханических гироскопов, блока акселерометров и приемника СНС.
Информация с блока 1
Информация с блока 2
Информация с блока 3
Рис. 3. Структурная схема блока обработки информации
В фильтр Калмана поступает начальная оценка погрешности ММГ и далее информация о поправке погрешности передается в блок коррекции сигналов гироскопов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложенная схема интегрированной ИС позволяет расширить функциональные возможности за счет проведения измерений в обсаженной и открытой скважинах, повысить точность измерений за счет совместного применения феррозондов и гироскопов, а также компенсации дрейфа последних. Комплексное использование магнитометрического и гироскопического модулей сокращает время измерений, как минимум, в 2 раза и, следовательно, снижает расходы на измерения, а также обеспечивает работоспособность измерительного модуля при отказе одного из блоков первичных датчиков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Развитие нефтяной промышленности России: Взгляд с позиции ЭС-2030 / В. Бушуев [и др.] // Нефтегазовая вертикаль. 2010. № 13-14. С. 4-11.
2. Исаченко В. Х. Инклинометрия скважин. М.: Недра, 1987. 216 с.
3. Терешин В. Г., Иванова Г. А. Перспективы использования волоконно-оптических гироскопов в
инклинометрической технике // Вестник УГАТУ. 2011. № 1. С.70-75.
4. Терешин В. Г., Иванова Г. А. К вопросу выбора динамически настраиваемых и волоконнооптических гироскопов для инклинометрической техники // Вестник УГАТУ. 2012. № 1. С. 62-69.
5. Алимбеков Р. И., Рогатых Н. П., Терешин В. Г. Построение инклинометрических комплексов с использованием инерциальных технологий // Вестник УГАТУ. 2002. № 2. С. 145-149.
6. Патент 2166084 Российская Федерация, МПК7 Е21В47/022. Устройство для определения углов искривления скважины / Г. Н. Ковшов [и др.]; заявитель и патентообладатель Уфимск. гос. нефт. техн. ун-т; заявл. 14.07.2000; опубл. 27.04.2001.
7. Первовский В. С., Биндер Я. И. Азимутальная выставка гироинклинометров для скважин произвольной ориентации с использованием ОР8-компаса // Науч.-техн. вестник С.-Петербургск. гос. ун-та инф. технологий, механики и оптики. 2009. № 57. С. 41-46.
ОБ АВТОРЕ
Иванова Галина Алексеевна, соиск. каф. теорети-ческ. основ электротехники. Дип. инженер по средствам связи с подвижными объектами (УГАТУ, 2006). Готовит дис. по использованию гироскопических приборов в системах ориентации и навигации подвижных объектов.
