Введение к работе
Актуальность работы. Развитие наклонно-направленного и горизонтального бурения требует контроля пространственного положения ствола скважины. Точная навигация требуется и при бурении в продуктивном пласте. В этом случае допустимая погрешность проводки определяется параметрами месторождения, главным образом толщиной горизонтального пласта (от 2 до 30м), и его протяженностью (3-5 км) и составляет не более (0,5...1) м. Применение указанных методов бурения предопределило актуальность разработки и исследования инклинометрических систем, способных с указанной выше точностью решать задачу скважинной навигации при широких диапазонах значений углов ориентации, в том числе зенитного угла.
Решение задачи определения углов ориентации скважинного прибора (СП), т.е. практически неограниченных углов азимута, зенита и поворота (угла установки отклонителя), в наилучшей степени достигается на основе бесплатформенных инерциальных систем ориентации и навигации (БИСОН). Эти системы при прочих равных условиях обеспечивают достижение минимальных габаритов и высокой надежности при заданной точности. Элементной базой являются волновые твердотельные гироскопы, динамически настраиваемые, волоконно-оптические, электростатические и другие современные гироскопы, а также кварцевые, микромеханические и другие типы компенсационных акселерометров, малогабаритные магнитометры компенсационного типа и современные микроЭВМ или микропроцессорные устройства.
Цель работы: разработка вопросов теории и экспериментальная апробация схем и алгоритмов функционирования широкодиапазонного бесплатформенного гироинклинометра (БГИ), позволяющего определять пространственное положение оси ствола обсаженной скважины без ограничений на величины углов его ориентации.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
анализ современного состояния теории и практики инклинометров;
разработка функциональной схемы и построение реконфигурируемых алгоритмов работы широкодиапазонного БГИ на основе корректируемых кинематических уравнений Эйлера;
вывод и анализ уравнений ошибок с учетом погрешностей датчиков первичной информации (ДЛИ), вывод условий асимптотической устойчивости алгоритмов функционирования БГИ и условий их настройки на частоту Шулера;
проведение математического моделирования и экспериментальных исследований макетов БГИ.
Научная новизна работы заключается:
г»й герцы широкодиапазон
- В разработке Теории И фунуттипняпьнпй герцы птирокпттаяпячоннпгп ПО
углам ориентации БГИ;
в применении к решению задач ориентации с неограниченными углами поворотов СП кинематических уравнений Эйлера с введенными в них членами горизонтальной и азимутальной позиционной и интегральной коррекции по сигналам акселерометров и магнитометров с автоматическим выбором в качестве параметров ориентации углов Эйлера или углов Эйлера-Крылова в зависимости от текущей ориентации СП;
в применении многоступенчатых кватернионных корректируемых кинематических уравнений для решения этой же задачи без переключения алгоритмов;
в построении упрощенных алгоритмов позиционирования координат ствола скважины автономным и интегрированным БГИ (в том числе с GPS) с учетом эллипсоидальной модели Земли, обеспечивающих заданную точность;
в проведении анализа устойчивости собственных движений БГИ, условий Шулера, погрешностей БГИ по выведенным полным и упрощенным уравнениям ошибок функционирования БГИ;
в математическом моделировании процесса функционирования БГИ при больших зенитных углах;
в разработке методики и алгоритмов калибровки постоянных смещений и нестабильностей угловых скоростей дрейфов гироскопов по данным выставки во время остановок СП и решения навигационной задачи с известными краевыми условиями;
в реализации и экспериментальных исследованиях макетных образцов БГИ.
Достоверность результатов обеспечивается корректностью постановки задач, строгостью применяемых методов решений, совпадением результатов теоретических исследований с результатами математического моделирования и экспериментальных исследований.
Практическая ценность. Разработаны функциональная схема и алгоритмы функционирования широкодиапазонного по углам ориентации БГИ. Показаны эффективность применения построенных реконфигурируемых алгоритмов ориентации и способа компенсации влияния нестабильности угловых скоростей дрейфов гироскопов на точность БГИ по данным выставки во время остановок СП и решения навигационной задачи с известными краевыми условиями.
Полученные схемные решения, элементы конструкции, алгоритмы функционирования использованы в макетном образце БГИ, положены в основу вновь разрабатываемых бесплатформенных гироинклинометров типа ИГН73-100Ш на предприятии ООО «АРAC-ПЛЮС», а также в учебном процессе в рамках курса «Инерциальные и интегрированные навигационные системы» для студентов специальности «Приборостроение» Саратовского государственного техниЧКЖогр университета (СГТУ).
4 j ,„ *» ^
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных симпозиумах в Германии (Gyro Technology 1995, 2000, 2003, Stuttgart; IV-th Turkish-German Joint Geodetic Days, Berlin, 2001), на XXII научно-технической конференции памяти Н.Н.Острякова (С.-Петербург, 2000), на научной конференции ИПТМУ РАН (г.Саратов), на XI МНК по интегрированным навигационным системам (СПб, ЦНИИ "Электроприбор", 2003), на ежегодных конференциях СГТУ (1996-2004), на научных семинарах кафедры "Приборостроение" СГТУ.
На защиту выносятся:
функциональная схема широкодиапазонного по углам ориентации БГИ и алгоритмы его функционирования;
математические модели БГИ в виде реконфигурируемых корректируемых кинематических уравнений Эйлера и кватернионных корректируемых кинематических уравнений;
результаты анализа устойчивости собственных движений БГИ, условий Шулера, погрешностей БГИ по выведенным полным и упрощенным уравнениям ошибок функционирования БГИ;
методика и алгоритмы калибровки постоянных смещений и нестабильно-стей угловых скоростей дрейфов гироскопов по данным решения навигационной задачи с известными краевыми условиями;
результаты математического моделирования и экспериментальных исследований БГИ на основе микромеханических датчиков (ММД) и ВОГ, ДЛУММ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 2 статьи в центральной печати, 4 статьи в Германии, получены 4 патента на изобретения.
Личный вклад состоит в разработке теории и функциональной схемы широкодиапазонного бескарданного гироинклинометра, разработке алгоритмов его функционирования, анализе математической модели, проведении математического моделирования по полученным алгоритмам и экспериментов.
Большую помощь в постановке задачи и анализе результатов оказал д.т.н, профессор П.К. Плотников
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 172 страницы. Список использованной литературы включает 88 наименований.