Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современного состояния и проблем развития непрерывной гироинклинометрической съёмки 15
1.1 Инклинометрия скважин. Методы и технические средства . 15
1.2 Обзор гироскопических инклинометров 23
1.3 Проблемы непрерывной гироинклинометрической съёмки. Постановка задачи исследования 44
Глава 2 Автокомпенсация дрейфов ДУС гироинклинометра, построенного по продольной схеме 53
2.1 Алгоритмы идеальной работы и погрешности гироинклинометра, построенного по продольной схеме. Автокомпенсация дрейфов при непрерывной съёмке скважин 53
2.2 Разработка режимов автокомпенсации корпусных дрейфов ДУС 67
2.3 Исследование эффективности метода управляемых дискретных разворотов в условиях произвольного вращения гироинклинометра 83
2.4 Выводы по главе 92
Глава 3 Разработка модифицированной продольной схемы со структурной избыточностью 93
3.1 Схемы построения и алгоритмы идеальной работы непрерывных ГИ, анализ их погрешностей на участках скважин близких к вертикали 93
3.2 Модифицированная продольная схема гироинклинометра со структурной избыточностью 106
3.3 Погрешности модифицированной продольной схемы гироинклинометра 115
3.4 Выводы по главе 122
Глава 4 Результаты скважинных испытаний и эксплуатации непрерывного гироинклинометра 124
4.1 Практические результаты внедрения метода управляемых дискретных разворотов 125
4.2 Проведение экспериментальных исследований модифицированной продольной схемы гироинклинометра. Результаты эксплуатации 133
4.3 Выводы по главе . 140
Заключение 141
Список сокращений 145
Список литературы 146
Список работ автора 155
Приложение А (обязательное). Определение характеристик угловой скорости вращения гироинклинометра при его движении по стволу скважины 159
- Обзор гироскопических инклинометров
- Разработка режимов автокомпенсации корпусных дрейфов ДУС
- Модифицированная продольная схема гироинклинометра со структурной избыточностью
- Проведение экспериментальных исследований модифицированной продольной схемы гироинклинометра. Результаты эксплуатации
Введение к работе
Актуальность темы. Потребности мировой экономики в углеводородном сырье стимулируют интенсивное развитие технологий строительства скважин различного назначения и профиля (наклонно-направленных, горизонтальных и т. д.). При этом резко возрастает значимость контроля их пространственного положения, осуществляемого с помощью инклинометров. Это обусловлено, например, при кустовом бурении, необходимостью предотвращения возможного пересечения стволов, а также целым рядом других причин. Основным показателем качества проведения инклинометрических измерений в скважине является точность определения декартовых координат точек её траектории. Разработчик самой совершенной системы непрерывной гироинкли-нометрической съёмки – Gyrodata (USA) в 2010г. впервые позиционировал свой гироинклинометр (ГИ), как изделие, предназначенное именно для траекторных измерений («3-D trajectory profiles for oil and gas wells»).
Для построения траектории скважины используются магнитные инклинометры, применяемые только в открытых (необсаженных) стволах скважин, и ГИ, обычно, классифицируемые по режимам использования: точечный – гирокомпасирование (ГК) в дискретных точках траектории на остановках, непрерывный – съёмка скважины в процессе движения по ней прибора. Алгоритмы непрерывного режима реализуют бесплатформенные схемы (в зависимости от комплектации) либо гироскопа направления (ГН), либо инерциальной навигационной системы. Как и в любой рационально спроектированной системе на базе гироскопов (обычно датчиков угловой скорости, ДУС) точность ГИ должна в основном определяться именно их погрешностями. Среди источников последних особое место, в силу большого диапазона глубин, и, соответственно, термобарических условий в процессе эксплуатации, занимает температурная чувствительность.
Лабораторные опыты (во всяком случае, применительно к динамически настраиваемому гироскопу (ДНГ), по-прежнему являющемуся наиболее употребимым для ГИ) указывают на повышенную температурную зависимость так называемых корпусных (т.е. не зависящих от перегрузки) составляющих дрейфа. Эти наблюдения позволяют рассчитывать на весьма развитые в прикладной гироскопии приборные методы повышения точности, объединяемые понятием «автокомпенсация». Однако её традиционные решения в ГИ неэффективны, т. к. единственная ось существенного вращения чувствительных элементов (ЧЭ) совпадает с осью основного вращательного движения корпуса.
Наряду с устойчивостью точностных характеристик к температуре, важнейшим требованием к ГИ является независимость погрешности построения траектории скважины от её ориентации. Диапазон зенитных углов для современных скважин может определяться как вертикальным «за-буриванием», так и горизонтальным «заканчиванием» (как правило – на шельфе и в сланцах, но и в целом ряде других случаев материкового бурения). Скважина может иметь и восходящий участок ствола с зенитными углами до 150. В целях решения этой проблемы мировые лидеры в области ГИ, к которым, наряду с Gyrodata, следует отнести SEG, Sperry Drilling Servies и ряд других, стали использовать полный набор инерциальных ЧЭ (под таким набором будем понимать триаду равноточных ДУС и измеритель ускорений (ИУ) на базе трёх акселерометров). Преимущество такого выбора кажется очевидным, однако стоимость этого технического решения отнюдь не масштабируется количеством осей чувствительности. Такие ГИ практически недоступны для большинства потенциальных потребителей. В диссертации сравнительный анализ практически всех серьёзных технических решений для непрерывных ГИ (как с полным, так и усечённым набором ЧЭ) заканчивается выводом о принципиальной предпочтительности так называемой продольной (или XY – по ориентации осей чувствительности двухосного ДУС в поперечной плоскости прибора) схемы, с алгоритмами бесплатформенного ГН. Однако при этом отмечаются и факторы, ограничивающие её использование при приближении ствола к вертикали.
Таким образом, следует признать актуальными: разработку эффективного метода автокомпенсации, учитывающего специфику вращательного движения ГИ, построенного по продольной схеме, а также его модификацию и разработку алгоритмов работы для вертикальных участков скважин.
Целью диссертационной работы является повышение точности непрерывного ГИ, построенного по продольной схеме, во всём диапазоне зенитных углов.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
анализ традиционных методов автокомпенсации в условиях естественного вращения ГИ на кабеле;
разработка метода автокомпенсации корпусных дрейфов ДУС для ГИ с учётом специфики его вращательного движения;
анализ схем построения ГИ и их погрешностей на вертикальных участках скважин;
разработка модифицированной продольной схемы ГИ со структурной избыточностью за счёт введения ММГ;
разработка модели погрешностей модифицированной продольной схемы ГИ;
разработка алгоритма работы модифицированной продольной схемы ГИ на вертикальных участках скважин;
апробация на экспериментальных данных разработанных метода автокомпенсации, модифицированной продольной схемы ГИ и её алгоритма работы.
Научная новизна
Предложен метод автокомпенсации уходов датчика угловой скорости, не зависящих от ускорения, позволяющий за счёт управления дискретными положениями его корпуса и интервалами времени постоянства ограничить среднеквадратическое отклонение соответствующей составляющей погрешности азимута заданным наперёд значением. Новизна удостоверяется полученным патентом.
Впервые предложена модифицированная продольная схема гироинклинометра с дополнительным микромеханическим гироскопом, обеспечивающая за счёт структурной избыточности возможность съёмки вертикальных участков скважин.
Предложен алгоритм оценивания дрейфов микромеханического гироскопа для модифицированной продольной схемы гироинклинометра, основанный на использовании имеющейся в схеме структурной избыточности и позволяющий обеспечить требуемую точность съёмки скважин произвольной ориентации.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработанный метод автокомпенсации уходов датчика угловой скорости, не зависящих от ускорения, позволяющий свести их влияние на погрешность съёмки практически к нулю, может быть использован при построении любых навигационных комплексов для подвижных объектов независимо от применённых в них типов гироскопов.
Разработанная модифицированная продольная схема гироинклинометра с дополнительным микромеханическим гироскопом позволяет производить непрерывную съёмку вертикальных участков скважин.
Разработанный алгоритм вычисления параметров ориентации для модифицированной продольной схемы гироинклинометра, используемый совместно с автокомпенсацией, обеспечивает требуемую точность съёмки скважин произвольной ориентации.
Информация о среднеквадратическом отклонении погрешностей плановых координат, вырабатываемая ковариационным каналом, позволяет принять решение о времени, а также необходимости проведения остановки и гирокомпасирования.
Результаты работы внедрены в универсальный гироскопический инклинометр УГИ-42.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Метод автокомпенсации с помощью управляемых дискретных разворотов (МУДР) позволяет свести влияние уходов датчика угловой скорости, не зависящих от ускорения, на погрешность съёмки практически к нулю при минимальных, по сравнению с известными методами автокомпенсации, ресурсных затратах.
-
Модифицированная продольная схема гироинклинометра с дополнительным микромеханическим гироскопом позволяет производить непрерывную съёмку вертикальных участков скважин.
-
Алгоритм вычисления параметров ориентации в модифицированной продольной схеме гироинклинометра, используемый совместно с автокомпенсацией, обеспечивает требуемую точность съёмки скважин произвольной ориентации.
Теоретико-методологическую основу диссертационного исследования составляют методы решения дифференциальных уравнений, алгебры матриц, основы теории вероятностей, теории оптимального оценивания и фильтрации. При анализе использовались методы статистических испытаний и математического моделирования.
Достоверность научных положений основана на корректной постановке задач исследования, подтверждена математическим моделированием с использованием пакета прикладных программ MatLab и известных теоретических положений. Результаты моделирования подтверждаются стендовыми и скважинными испытаниями.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением», С.-Петербург, Россия: XI (2009 г.), XIII (2011 г.), XIV (2012 г.), XVI (2014 г.);
XLI научной и учебно-методической конференции Национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, С.-Петербург, Россия (2012г.);
XIX международной конференции по интегрированным навигационным системам, С.-Петербург, Россия (2012г.);
67-й Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭ-ТУ, С.-Петербург, Россия (2014г.);
XXVIII (2012г.) и XXIX (2014г.) конференциях памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н. Н. Острякова, С.-Петербург, Россия.
Объектом исследования является гироскопический инклинометр, построенный по продольной схеме.
Внедрение результатов. Разработанный метод автокомпенсации для непрерывной съёмки скважин гироинклинометром, построенным по продольной схеме, а также модификация последнего за счёт введения дополнительного ММГ и разработки алгоритма, использующего созданную таким образом структурную избыточность для обеспечения работоспособности в скважинах произвольной ориентации, полностью внедрены в изделиях УГИ-42.03, УГИ-42.05.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, среди которых 4 статьи в научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК, и 4 публикации в изданиях, индексируемых в международных базах данных Web of Science или Scopus, 10 – в трудах конференций, получен 1 патент на изобретение.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и приложения, изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков и 19 таблиц, список цитированной литературы содержит 75 наименований.
Обзор гироскопических инклинометров
Несмотря на то, что, как уже было сказано в параграфе 1.1, потребности съёмки обсаженных скважин стали ощущаться еще на стыке XIX и XX веков, реальная история разработки и внедрения ГИ за рубежом начинается в предвоенные годы. Что же до отечественных разработок, то, при всей серьёзности развития в СССР гироскопического приборостроения, геофизические исследования скважин никогда не были для него приоритетом. Известны некоторое количество изобретений ([1], так и не приблизившихся к приборному воплощению, и единственная серийная практическая разработка, выполненная ленинградским ВНИМИ (Всесоюзным научно-исследовательским маркшейдерским институтом) в интересах угольной отрасли [30]. В рамках СЭВ (Совета экономической взаимопомощи) – организации, планировавшей и осуществлявшей кооперацию и разделение труда между социалистическими странами в народнохозяйственных отраслях – ГИ для нефтегазовой промышленности в конце 60-х – начале 70-х годов прошлого века было поручено разработать в Чехословакии (ИГ-70, ИГ-50 и ИГ-36) [1]. Несколько десятков таких приборов доработали в Советском Союзе до конца его существования. Их тактико-технические характеристики были невысоки даже по меркам того времени, и по мере перехода к открытому рынку они оказались на нем неконкурентоспособны. Принцип работы – точечный и непрерывный. Схемное решение – трехстепенной гироскоп на поворотной платформе. В качестве примера, технические характеристики ИГ-36 представлены в таблице 1.1.
Таким образом, можно констатировать, что к концу 80-х годов XX века в СССР/России отсутствовал опыт разработки, производства и внедрения гироинклинометрической техники, не были развиты теория, подходы к стандартизации и методология применения, специфичные для этой подотрасли. Ситуация, казалось бы, изменилась в начале 90-х, когда лицом к рынку ГИ повернулись лидеры отечественного приборостроения, традиционно занимавшие нишу технических средств навигации и управления движением для объектов военного назначения. Однако, несмотря на бесспорный научно–технический потенциал и позитивный опыт этих предприятий по разработке и внедрению серьезных приборов и систем, революции в оснащении отечественной нефтегазовой отрасли не произошло. Причин этому несколько, но в качестве основной следовало бы отметить то, что СП предъявили требования слишком специфические (о которых было немало сказано в предыдущем параграфе) и, к тому же, несмежные с опытом, имевшимся у разработчиков морской, авиационной и ракетно-космической техники. А для создания фундамента новой технической культуры, соизмеримого с имеющимся в традиционных отраслях, в новых экономических условиях не оказалось ни времени, ни капиталовложений.
В НИИ прикладной механики имени академика В.И.Кузнецова (Москва) был спроектирован ряд ГИ, среди которых необходимо отметить две модели: ИГМ-36-80/60 и ИГМ-36С [31, 32]. Многоточечный инклинометр ИГМ 36-80/60 (общепринятый порядок обозначений в инклинометрии следующий: наружный диаметр, мм – в данном случае – 36; предельная температура эксплуатации, C– 80; предельное давление, МПа – 60) был предназначен для определения зенитного угла и азимута в контрольных точках ствола наклонно-направленной скважины и имел серьезные ограничения по ориентации ствола. Точность работы ГИ при зенитных углах более 60 резко снижалась.
В 2006 г. для замены этой модели в НИИ ПМ разработана модель ИГМ-36С с улучшенными техническими характеристиками. Существенно уменьшены вес и габариты при неплохих (заявляемых) точностных характеристиках. За счёт применения микромеханических акселерометров удалось существенно снизить себестоимость ГИ. Принцип работы – точечный. Схемное решение – продольная схема (здесь и далее под термином «продольная» понимается схема ГИ, в состав которой входит двухосный ДУС (или два одноосных), вектор кинетического момента которого параллелен продольной оси СП, а оси чувствительности расположены в плоскости поперечного сечения). В качестве двухосного (трёхстепенного) ДУС в ИГМ-36С используется ДНГ. Основные технические характеристики ИГМ-36С представлены в таблице 1.2.
ИГМ-36С, как и предыдущие разработки НИИ ПМ, рассчитан на работу только в режиме точечного компасирования, хотя и в этом режиме не обеспечивается выработка азимута с высокой точностью в скважинах близких к горизонту (при зенитных углах более 75 градусов). И всё-таки, главным недостатком и его, и всех приборов этой серии является «хрупкость» применяемого гироскопа, не приспособленного для скважинной эксплуатации, что, в свою очередь, является оборотной стороной попыток добиться точностных преимуществ.
В настоящее время выпущено не более десятка приборов обеих модификаций, эксплуатация которых осуществляется силами разработчиков. Информации о планах по их реализации в будущем не предоставляется.
ФГУП «Ижевский механический завод» (ФГУП «ИМЗ») на сегодняшний день заявляет о выпуске двух типов ГИ (ИГМ-73-120/60 и ИГМ-42-85/60). Эти изделия также построены по продольной схеме и предназначены для измерения в режиме точечного компасирования зенитного угла, азимута, угла установки отклонителя бурильного инструмента [33].
Как и для ранее рассмотренного случая хотелось бы обратить внимание на низкие допустимые значения температуры, которые и так были не очень интересны потребителям, а сейчас просто явственно выпадают из современного тренда (см., например, [3]). Эта серия приборов базируется на использовании магнитосферических гироскопов с резонансным подвесом (МСГ). Достоверная информация как об их поведении в эксплуатации – надежности и точностных характеристиках – так и об объеме продаж отсутствует. Основные технические характеристики ИГМ-73-120/60 и ИГМ-42-85/60 представлены в таблице 1.3.
В стадии ОКР находится разработка более термоустойчивого прибора с малым диаметром ИГМ-42-120/60. Его планируют применять в составе стандартных каротажных станций при геофизических исследованиях скважин любого типа: наклонных, наклонно-горизонтальных, горизонтальных, обсаженных, необсаженных, а также скважин, бурящихся в породах с ферромагнитными включениями. Измерения будут производиться как при спуске, так и при подъеме СП в реальном масштабе времени. Инклинометр должен сохранять точностные характеристики до широты 82, устойчиво определять азимут наклона оси скважины начиная с зенитного угла 0,3, что обеспечивает безаварийность бурения при высокой плотности расположения скважин (отметим здесь спорность этого заявления разработчиков, поскольку в точечном режиме в этих целях совершенно необязательно вырабатывать именно азимутальный угол при малых зенитных углах), не имеет ограничений по времени работы в скважине, не требует предварительной выставки в меридиан в устье скважины. Перед началом работы гироинклинометра в скважине контроль его точностных характеристик на стенде занимает не более 5 мин.
Отметим, что аналогичная схема построения гироинклинометра ИГМ-77-80/60 с одним гироскопом-акселерометром на МСГ [34 ,35] была применена в АОЗТ «Момент Ltd», С.-Петербург, также имеющим права на этот ЧЭ. Такое построение гироприборов, конечно, минимизирует количество измерительных устройств и позволяет уменьшить габариты и, за счет расширения функциональных возможностей, несколько снизить стоимость. Однако гироскопы с магнитным подвесом описываются очень сложной моделью уходов, содержащей большое количество коэффициентов, которые, в свою очередь обладают значительной погрешностью от пуска к пуску, что диктует необходимость соответствующих калибровок. Заметим также, что, как и во всех точечных ГИ с продольной компоновкой, использование только одного трехстепенного гироскопа (двухосного ДУС) приводит к резкому снижению точности такой системы в случае горизонтальной скважины, расположенной вблизи направления Восток – Запад.
Рассмотренные выше разработки предназначены для точечной съемки ранее пробуренных обсаженных скважин, т.е. в соответствии с изложенным в первом параграфе данной главы – это промерочные ГИ. В ОАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» сделана попытка построить gMWD-систему для обеспечения достижения продуктивных пластов с горизонтами 1500 – 5000 м и мощностью 0,5 – 1,0 м [36]. Для решения этой весьма претенциозной задачи разрабатывается забойный ГИ на базе ДНГ ПИКВ 05-001 и маятниковых акселерометров ДА-9. Декларируемая в этих целях схема реализации классического трехосного гиростабилизатора вызывает вопросы, поскольку и сегодняшние, и ожидающиеся в среднесрочной перспективе скорости проходки стволов не предъявляют требований непрерывности определения забойной ориентации. Однако, какая-либо информация о продвижении разработки на сегодня отсутствует.
Разработка режимов автокомпенсации корпусных дрейфов ДУС
Для исследования сравнительных характеристик различных модуляционных движений проведем анализ погрешности угла азимута (напомним, что низкочастотная составляющая погрешности зенитного угла определяется ИУ), вызванной корпусными дрейфами ДУС при движении ГИ по стволу скважины. При этом будут рассмотрены следующие случаи:
- отсутствие автокомпенсации;
- автокомпенсация методом принудительного вращения корпуса гироскопа вокруг оси параллельной вектору кинетического момента с постоянной угловой скоростью со;
- «быстрые» повороты с паузами в фиксированных положениях 0 и 180 (изменение угла установки рамки по закону [90 - 90 sign(sin со/)], здесь сог=2ж/Тг, где Тг - время цикла автокомпенсации).
Для продольной схемы (XY) запишем (2.8) через кинематические уравнения в углах Эйлера
Т. к. в схеме отсутствует третий ДУС, то угол установки отклонителя у/ определим по выходным сигналам ИУ (2.7).
Варьируя первое уравнение (2.24), получим выражение для погрешности
Данная глава посвящена автокомпенсации дрейфов ДУС, для исследования которой нам необходимо удержать в (2.25) слагаемые, обусловленные его соответствующими уходами. Более общий анализ структуры погрешности АА будет проведён в третьей главе диссертационной работы. Полагая Атх=тх и Am = т , представим (2.25) в следующем виде
Здесь следует обратить внимание также на то, что при автокомпенсации дрейфов ДУС дополнительно будет выполняться автокомпенсация смещений нулей акселерометров Апх,Апу ИУ, которые, в свою очередь, входят в уравнения для Ai// и Ав .
Очевидно, что при отсутствии вращения (у/ = const; положим также для простоты зенитный угол в = const, а дрейфы тх и тy случайными константами с дисперсиями а2), СКО погрешности азимута будет безгранично расти во времени
Следовательно, СКО погрешности азимута в любой момент времени меньше л/2сгт r/2sin0 - величины отклонения за время одного полуцикла (смотри рис. 2.7). Через определенные промежутки времени nTr, п = 1,2,3..., погрешность азимута равна нулю, при этом постоянные уходы вместо функции неограниченно-растущей во времени вновь порождают периодические процессы.
Перейдём к случаю работы автокомпенсации при наличии собственного постоянного вращения СП. Очевидно, что при этом произойдет сложение двух движений:
- собственного (за счет вращения корпуса ГИ) с вращением с угловой скоростью cow,
- вызванного работой автокомпенсации с угловой скоростью сог.
Соотношение для СКО погрешности азимута в случае противоположно направленных вращений будет иметь следующий вид
В (2.32) действующим значением угловой скорости автокомпенсации является разность частот Асо =cow-cor, следовательно, при cow cor (см. (2.33)), снижается эффективность работы автокомпенсации, что приводит росту погрешности азимута.
Для исследования на качественном уровне случая автокомпенсации при произвольном характере собственного вращения СП, проведем моделирование погрешности азимута. При этом в целях анализа влияния вращения ГИ в широком диапазоне частот зададим его период Tw, изменяющимся по линейному закону, от 300 до 50 с (отметим, что подобный характер вращения СП достаточно распространен при непрерывной съемке скважин). Угловая скорость вращения СП будет определяться следующим соотношением
Результаты моделирования представлены на рис. 2.8. На верхнем графике показан заданный закон изменения угла установки отклонителя, на нижнем – кривые погрешностей азимута от времени, а как следствие и от периода вращения, так как последний задан как функция, линейно-растущая во времени (см. рис. 2.9).
Из экспериментально полученных кривых погрешностей азимута следует, что при осуществлении модуляции как по закону [90 - 90 sign(sin со rt)] (зелёная кривая на рис. 2.8), так и при постоянном вращении (чёрная кривая на рис. 2.8), амплитуда колебаний погрешностей азимута возрастает (по отношению к случаю отсутствия автокомпенсации) на интервале, где угловые скорости вращения прибора и работы автокомпенсации близки по величине (cor cow), что подтверждается зависимостью (2.25). В случае cor cow (см. рис. 2.8 - на сороковой минуте работы частоты собственного вращения СП и работы автокомпенсации совпадают, то есть т =ТГ= 200с) погрешность азимута начинает расти во времени по закону, близкому к линейному, что подтверждается полученным выражением (2.26).
По этим причинам рассмотренные способы автокомпенсации будут эффективны при a r » a w, то есть необходимо выполнить условие по разнесению частот. Однако, вращение СП при его движении по стволу скважины имеет большой диапазон угловых скоростей, начинающийся от нуля и достигающий значений десятки градусов в секунду (рис. 2.9).
Анализ (2.31), (2.32) и графиков на рисунке 2.8 показывает, что для уменьшения амплитуды гармонических колебаний погрешности азимута необходимо обеспечить как можно большую скорость принудительного вращения корпуса ДУС (аА -0 при юг оо), что в свою очередь сопровождается снижением ресурсов, как механических узлов системы вращения, так и необходимых в этом случае токоподводов. И в то же время, это во многом обесценивается на практике, поскольку модуляции подвергаются существенные, но далеко не единственные составляющие дрейфов, так как - повторимся - любой тип автокомпенсации предназначен для существенного подавления только корпусных составляющих уходов ДУС. Соответственно величина допустимой погрешности, вызванной корпусными дрейфами ДУС, определяется, с одной стороны, «разрешенной» остаточной долей суммарной допустимой погрешности азимута, а с другой - ограниченной из инженерных соображений скоростью вращения (или частотой реверсирования).
Модифицированная продольная схема гироинклинометра со структурной избыточностью
Для придания адаптивности схеме XY предлагается дополнить её ММГ, в результате чего, в соответствии с терминологией, введенной в разделе 2.1, появляется схема XYz (малость последнего символа z подчёркивает вспомогательную функцию и простоту внедрения ММГ в конструкцию СП). Очевидно, само по себе применение ММГ, доступного на открытом рынке, при его автономном использовании по схеме z (т. е. в диапазоне зенитных углов до 5) не решает проблемы устойчивого соответствия заданным требованиям к ГИ.
Сущность предлагаемой модификации - создание структурной избыточности: реализации схемы XYz, корректируемой по показаниям ИУ пх и пу.
В схеме XYz могут одновременно поддерживаться два режима: одноосная (z) на акселерометрах и ММГ и трёхосная схема (XYz). Дрейф z-гироскопа влияет на погрешности этих схем по-разному, что позволяет принципиально поставить задачу автономной оценки этого дрейфа в разностном сигнале. Можно показать, что такая возможность следует из отмеченной выше «теоретической» ограниченности погрешностей схемы XY в построении траектории при в -»0.
Представим указанные алгоритмы через кинематические уравнения в углах Эйлера v, /и и Ф (рисунок 3.2): Для того, чтобы на качественном уровне показать возможность оценки смещения нуля ММГ в рассматриваемой схеме XYz, упростим дальнейшие выкладки и, с этой целью проварьируем выражения (3.22) и (3.23) относительно Acoz, считая углы д., v - малыми и пренебрегая составляющими coE,coN,coh
Анализ (3.25) и (3.26) подтверждает, что влияние, оказываемое погрешностью Acoz на Av и Ац различно. Разностные измерения для оценки смещения нуля ММГ Acoz имеют вид
Кроме того, что влияние этих погрешностей следует понизить методами аппаратными и/или оптимальной обработки, необходима оценка ошибок координат в режиме реального времени для принятия решения об остановке и проведении компасирования в целях коррекции скорости роста этих ошибок (практически неизбежное увеличение этой скорости даже при ограниченной азимутальной погрешности имеет место за счёт дальнейшего отхода ствола скважины от вертикали).
Для решения указанных задач используется алгоритм оптимального фильтра Калмана (ОФК).
О составляющей Ап]в в данном случае следует сказать особо. Прочие источники погрешностей определяются характеристиками ЧЭ и, так или иначе, описываются поставщиками последних (во всяком случае, от них это ожидается). В данной же ситуации, представление характера и параметров возмущающего воздействия целиком оказывается «в зоне ответственности» разработчика ГИ, при том, что линейная вибрация, многократно возрастающая в процессе движения СП по стволу скважины, существенно влияет на точность съёмки (как это вполне подтверждается материалами следующего раздела). Для адекватной оценки статистических характеристик работы ГИ, эта составляющая, играющая, в данном случае, роль измерительного шума, должна быть надежно идентифицирована.
Примем во внимание, что продольной схеме, являющейся основным предметом исследования в диссертации, изначально присуща избыточность информации, используемой для определения зенитного угла. Он может быть вычислен либо по данным всех трёх (если не накладывать ограничений на ориентацию скважины) акселерометров из (2.7), либо - путём решения дифференциального уравнения (2.24). В первом случае (см. рис. 3.6), мы имеем достаточно точное определение низкочастотной составляющей ва с высоким уровнем зашумленности.
Благодаря этому за несколько лет в распоряжении разработчиков оказалось большое количество реализаций вибрационного фона, сопровождающего СПО кабельного ГИ. Следует также принять во внимание априорно достаточно устойчивый (повторяемый) характер линейного движения СП, обусловленный узким диапазоном скоростей, малым разбросом длин труб и характеристик состояния их внутренней поверхности. В результате, очень легко удаётся добиться типизации статистических характеристик вибрационного фона Ап]в, воспользовавшись, например, встроенными m-функциями в пакете Matlab [56] для обработки каждой реализации. Типичный пример обработки одной из них представлен на рис.3.7.
Внешний вид оценок выборочных корреляционных функций и спектральных плотностей процессов Ап]в (рис. 3.7) в наибольшей степени соответствует недифференцируемому узкополосному марковскому второго порядка
Проведение экспериментальных исследований модифицированной продольной схемы гироинклинометра. Результаты эксплуатации
Стендовые исследования и испытания модифицированной продольной схемы гироинклинометра УГИ-42.03 проводились на установке поворотной инклинометрической УПИ-4 (рис.4.3). В ходе испытаний задавался участок близкий к вертикали, участок набора зенитного угла и изменения азимута и наклонно-постоянный участок. В процессе испытаний имитировалось движение СП с постоянной скоростью V, составляющей V = 0,85 м/с. Для оценки погрешностей координат использовались следующие выражения:
На верхнем графике рис.4.11 в качестве примера приведены заданные в процессе одного из испытаний, значения азимутальных А и зенитных углов 6. На нижнем графике - полученные для данного эксперимента значения относительных погрешностей координат.
Из рис. 4.11 следует, что погрешности координат в данном случае составляют менее 0,2% от глубины.
В рамках целевых испытаний модифицированной продольной схемы УГИ-42.03 была проведена съёмка группы «вертикальных» подземных взрывных скважин, используемых при добыче железной руды в районе Курской магнитной аномалии (АО «КМА-руда», г. Губкин Белгородской обл.). В отличие от нефтегазовых скважин их глубина составляет 55 – 60 м, однако и требования к абсолютным величинам погрешности исчисляются единицами сантиметров. Отличает также эти измерения и то, что в ряде случаев они допускают контроль координат забоев по данным маркшейдерской съёмки. Измерения проводились в шахте на горизонте 320м, камера №3.
Результаты испытаний приведены в табл. 4.3, а на рис. 4.12 показаны горизонтальные проекции траекторий скважин, полученные при проведении съемки скважин гироинклинометра УГИ-42.03 (зав. №1108) с модифицированной продольной схемой.
Сравнение координат забоев скважин, полученных путём измерений с использованием модифицированной продольной схемы гироинклинометра УГИ-42.03 и маркшейдерской съёмки, показало максимальную невязку 17 см (см. табл. 4.3), т. е. относительную погрешность 0,31% от глубины скважины (глубина 55 м).
Модифицированная продольная схема гироинклинометра УГИ-42.03 (зав. №№ 2912, 3012, 3212) на скважинах с большей, чем в предыдущем примере, протяженностью была использована для контроля положения группы замораживающих скважин при строительстве вертикальных стволов шахты на Гремячинском месторождении калийных солей Волгоградской обл. принадлежащих АО «ЕвроХим-ВолгаКалий». Строгий контроль взаимного положения таких скважин требуется для предотвращения протечек и затоплений во время строительства шахты. При этом невозможно эталонирование координат забоя скважин, поэтому косвенным критерием точности могут быть только невязки координат между двумя съёмками ASm = 100% .
На рис. 4.13 приведены графики, измеренных при проведении съёмки зенитных углов и плановых координат одной из замораживающих скважин в функции от вертикальной глубины.
Несмотря на то, что (рис. 4.13 а)) средние значения зенитного угла не превышают 0,35 (для ГИ, построенного по продольной схеме эту скважину можно считать вертикальной), на глубине 810 м невязка между двумя съёмками (рис. 4.13 б)) оставляет всего 17 см для восточной координаты, и 13 см - для северной. Значение ASEN составляет менее 0,03%.
В табл. 4.4 приведены результаты испытаний 13 близких к вертикали замораживающих скважин, из которой видно, что значение ASEN не превышает 0,14% (L= 814м) (напомним, что стандартные требования для погрешности плановых координат составляют 0,4% от L).
Завершая изложение, приведём лишь некоторые результаты эксплуатации изделий УГИ-42.03 зав. №№ 2510 и 2610 при проведении съёмки траекторий скважин на месторождениях Западной Сибири:
- Дружное (№ скв. 884, № скв. 38-4568);
- Повховское (№ скв. 4032Н-8);
- Ю-Харампурское (№ скв. 892, № скв. 666).
Все скважины начинаются с участка близкого к вертикали, далее следует участок набора зенитного угла и наклонно-постоянный участок (см. рис. 4.14 б)).
На рис. 4.14 приведены результаты измерения в процессе съёмки азимутального (а)) и зенитного углов (б)) и плановых координат (в)) скважины №884 гироинклинометром УГИ-42.03 зав. № 2510. На рис. 4.14 г) приведены невязки плановых координат между двумя съёмками, относительная разница координат не превышает 0,35% от глубины.
В табл. 4.5 приведены результаты испытаний 5 указанных выше нефтегазовых скважин Из табл. 4.5 видно, что значение ASEN не превышает 0,34%, что соответствует стандартным требованиям для погрешности плановых координат (0,4% от L).