автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Информационно-измерительное устройство для систем управления бурением и проколами

На правах рукописи

РГб од

- 4 ЯНВ

Горбунов Александр Иванович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ БУРЕНИЕМ И ПРОКОЛАМИ

Специальность 05.13.05. - Элементы и устройства вычислительной техники и

систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск 2000

Работа выполнена в Южно-Российском государственном техническом

университете (Новочеркасском политехническом институте). <

Нау^йые руководители - доктор технических наук, профессор

Щепетков С.А. заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, Загороднюк В.Т.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор, лауреат

премии Совета Министров СССР Фандеев Е.И. - доктор технических наук, профессор Дровников А.Н.

Ведущее предприятие: - Институт горного дела им. Скочинского

Защита состоится " " 2000 года в_час. на заседании

диссертационного совета Д.063.30.04. при Южно - Российском государственном техническом университете (Новочеркасский политехнический институт) по адресу: 346400 г. Новочеркасск Ростовской обл., ГСП-1, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно - Российского государственного университета

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета . _

Кандидат технических наук, доцент А.Н Иванченко

mi.ni.096-5-0%,о

Актуальность темы. Вхождение угледобывающих отраслей стран СНГ в рыночные отношения привело к сокращению объемов добычи угля и снижению

темпов ведения вскрывающих и подготовительных работ. В этих условиях не------обходимо применение принципиально новых технических, технологических и

экономических решений для организации процессов разведку, г^>дгот§вки и добычи угля. Выполнить часть этих требований позволит сокращение затрат на ведение буровых работ, связанных с прохождением разведочных, дегазационных, вентиляционных и иных скважин.

Фактором, также способствующим решению перечисленных задач, является сокращение числа подземных рабочих за счет внедрения новой техники для безлюдной или малолюдной выемки угля на тонких и весьма тонких пластах методом выбуривания. Решение этого вопроса одновременно способствует продлению сроков эксплуатации действующих шахт Донбасса, отрабатывающих свиты, в которых имеются такие пласты.

Одним из факторов, повышающих эффективность работы угледобывающей отрасли, является внедрение способов, обеспечивающих направленное бурение скважин, т.к. традиционные способы бурения скважин жесткими ставами или штангами сегодня практически не обеспечивают заданное направление скважин. Основной причиной бурения скважин с отклонением от заданного направления является отсутствие эффективных методов контроля над направлением их бурения по заданной траектории.

В связи с этим решаемая в настоящей работе задача создания информационно-измерительного устройства для систем управления бурением и проколами скважин является весьма актуальной как в научном, так и в техническом плане.

Цель работы. Целью диссертационной работы является дальнейшее совершенствование технологии проходки скважин путем создания и внедрения мехатронного информационно - измерительного устройства для системы управления бурением и проколами, обеспечивающего заданную точность направления скважины.

Научная идея работы. Координаты головного звена бурового става и траектория оси скважины определяются по последовательному перемещению двух пар смежных звеньев, пространственное положение которых определяется оперативными измерениями угла наклона, дирезсционного угла и угла закручивания универсальными мехатронными датчиками, а также числом находящихся в скважине буровых звеньев.

Научные положения, вынесенные на защиту и их новизна.

-метод счисления траектории оси скважины в процессе бурения, ос ванный на использовании информации специального устройства и позвол. щий осуществлять непрерывный контроль и регистрацию, а также оценив отклонения трассы проходки скважины от заданного направления;

-новый принцип построения информационно-измерительного устр ства (ИИУ) параметров скважины, обеспечивающий оптимальное соотноша между необходимым количеством информации, точностью проходки и слож! стыо технической реализации ИИУ ;

-методики измерения дирекционного угла и угла наклона, характе зующих пространственное положение смежных звеньев бурового става, а, в ] нечном счете, и направление оси бурового става, базирующиеся на установж ных автором взаимосвязях указанных углов и информационных сигналов д чиков ИИУ;

-математическая модель ИИУ, описывающая связи между его констр; тивными параметрами, характером поступающих от датчиков сигналов и 31 чением измеренных величин, позволяющая спроектировать рациональную кс струкцию и оценить метрологические свойства устройства;

-алгоритмы и программное обеспечение устройств обработки и отобр жения результатов измерений;

-методика тарировки датчиков по специально разработанным подщ граммам и результаты физического моделирования процессов измерения па{ метров скважины информационно-измерительным устройством.

Достоверность результатов обеспечивается:

-корректным использованием фундаментальных законов физики, мате» тики, теории машин и механизмов, теории электрических измерений, теор информационно-измерительных систем; применением математического мо/ лирования физических процессов для первичных преобразователей измерен; углов; достаточным объемом испытаний первичных преобразователей и и формационно-измерительного устройства для систем управления бурением проколами на полноразмерном стенде с использованием ЭВМ; применен» общепризнанных методик обработки данных и методик расчета метрология ских характеристик измерительных устройств; удовлетворительн сходимостью результатов исследований на физических и математических м делях при расхождении результатов 10-11%.

Научное значение работы состоит:

-в определении минимально необходимого объема информации, который требуется оперативно получить из скважины и построение на его основе траектории оси;

-------------в разработке математических основ метода счисления траектории оси -

скважины, базирующихся на оперативных измерениях параметров скважины;

-в решении задачи выбора оптимального состава измерений и необходимого количества датчиков, обеспечивающих предложенный метод счисления;

-в разработке способов измерения дирекционного угла и угла наклона первичным преобразователем, некритичным к своему положению в пространстве, за один измерительный цикл с использованием опорного сигнала или локальных максимумов и минимумов синусоиды.

Практическое значение работы заключается:

-в разработке методики измерения параметров скважины и способа построения ее оси по результатам этих измерений;

-в разработке конструкции универсального мехатронного датчика измерения углов для информационно-измерительного устройства систем управления бурением и проколами;

-в создании комплекса первичных преобразователей, работающих по единому алгоритму и обеспечивающих измерение параметров скважины, определение координат головного звена и построение траектории ее оси без извлечения преобразователей из скважины;

- в разработке и осуществлении программной реализации алгоритма определения пространственного положения бурового снаряда.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы,

выполненной в плане научных направлений «Теория и принципы построения машин-автоматов, роботов и ГАП» ЮРГТУ (НПИ), а также в соответствии с тематикой по единому заказ-наряду Министерства образования РФ «Теория и принципы построения лазерных и мехатронных систем оптимального управления мобильными робототехническими комплексами» №41.95, внедрены в ГО-АО НИПИ "Углеавтоматизация" г. Луганск, (Украина), и на угольных предприятиях Донбасса.

Методика проектирования первичного преобразователя измерения углов и математические модели первичных датчиков используются в учебном процессе в ЮРГТУ.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывалис и обсуждались на: Всероссийской научно-технической конференции «Новь технологии управления робототехническими и автотранспортными объектам! (Ставрополь, 1997), Первой международной научно-технической конференод «Новые технологии управления движением технических объектов» (Ставр поль, 1998), Второй международной научно-технической конференции «Новь технологии управления движением технических объектов» (Новоче касск,1999), международной научно - практической конференции "Теория, м< тоды и средства измерений, контроля и диагностики" (Новочеркасск, 2000 Международной научно - практической конференции "Интеллеюуальные эле1 тромеханические устройства, системы и комплексы" (Новочеркасск, 2000), н учных семинарах кафедры «Электрификация и автоматизация подземных го ных работ» ШИ НГТУ 1994-1997гг.,45 научно-технической конференции Ша: тинского института НГТУ , 1996 г., ежегодных конференциях НГТУ с 1995 г 1999 годы.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовав 15 печатных работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех ра делов и заключения, изложенных на 208 страницах машинописного текста, с< держит 52 рисунка, 13 таблиц, список литературы из 112 наименований и приложения.

Содержание работы.

В первой главе приводится классификация буримых в шахте скважин г их целевому назначению, а также проводится сравнительный анализ применя мых для этого средств направленного бурения и контроля искривления скв жин.

Большой вклад в развитие техники и технологии направленного бурен» разведочных скважин внесли ученые Московского геологоразведочного инсти тута, Днепропетровского и Свердловского горных институтов. Решению вопр< сов бурения направленных внутришахтных скважин, а также созданию и с< вершенствованию буровых станков, бурильных машин и установок, их автом: газации внесли ученые ИГД ИМ. A.A. Скочинского, ДонУГИ, Донгипроуга маша, Гипроуглемаша, Автоматгормаша, Московского горного института, Д< нецкого политехнического института, ЮРГТУ (НПИ).

Этим проблемам посвящены работы П.М. Алабужева, A.A. Алейникова, Д.Н. Башкатова, Г.М. Водяника, В.М. Гончарова, А.Н. Дровникова, В.Т. Заго-

роднюка, Д.М. Крапивина, A.B. Марамзина, Б.П. Притчина, С.С. Сулакшина, П.Н. Торского.Ф.А.Шамшева, С.А. Щепеткова, A.A. Анисимова, A.A. Павловой и других.

Отмечено, что не смотря на высокую стоимость и большую трудоемкость процесса бурения скважин, потребность в них при разработке подземных месторождений полезных ископаемых всегда была большой. Так, только на шахтах Кузбасса в течение 1985 и 1986 годов было пройдено 350 и 345 км соответственно сбоечных скважин диаметром от 500 до 1300 мм и 158,5 км технических скважин диаметром от 45 до 100 мм.

В настоящее время использование скважин в процессе добычи угля сдерживается из-за отсутствия бурового оборудования, обеспечивающего заданную направленность скважин. В связи с чем искривлению подвержены, в большей или меньшей степени, практически все скважины при любом методе бурения. Следовательно, обеспечение их направленности в процессе производства буровых работ выдвигается на первое место.

Анализ причин произвольного отклонения бурового снаряда позволяет утверждать, что искривление скважины связано с одновременным влиянием многих факторов. При этом влияние каждого из них на общий закон искривления настолько индивидуально, что пользоваться общими данными или какими то универсальными методиками, разработанными на базе этих данных в тех или иных конкретных условиях, не представляется возможным.

Следовательно, для эффективного управления процессом бурения скважины в заданном направлении, необходимо использовать достоверную оперативную информацию о параметрах искривления в сочетании с возможностью сразу же вносить коррекцию в процесс бурения по результатам измерений. Эту задачу способно решить информационно-измерительное устройство (ИИУ) при совместной работе с буровым снарядом с изменяемой геометрией.

Обзор конструкций шахтных буровых станков, производимых ведущими фирмами "Тамрок" (Финляндия), "Атлас Копко" (Швеция), "Гарднер Денвер" (США), БШК "Буран" (Украина) показывает, что среди них нет установок с буровыми снарядами с изменяемой геометрией. Контроль направления буримой скважины осуществляется, как правило, посредством отслеживания положения бурового станка в пространстве и заданием координат устья скважины с последующим ее инклинометрированием.

Из - за отсутствия у существующих установок БУГ-3 средств контроля: направлением бурения и управления буровым ставом, не все скважины дост; гают проектной длины. Так, анализ работы показал, что только 38,5% скважи достигали проектной глубины 34,4 м без отклонения от заданного направлени В 61,5% случаев длина пробуренной скважины не превышала длины в 30 : Проектная глубина буримых скважин при этом, как правило, не превышает 4С 50м.

Анализ применяемых технических средств контроля искривления скв жин показывает, что наибольшее практическое применение получили прибор для измерения кривизны вертикальных или близких к ним по наклону скважи опускаемые в скважину после извлечения из нее бурового става. Готовых ра работок, способных обеспечить оперативно контролируемое бурение напра] ленных скважин с углом наклона к горизонту ±45°, в настоящее время нет.

Требования к ИИУ для контроля бурения направленных скважин в шах" бурошнековыми установками формулируются следующим образом:

1. Устройство должно соответствовать требованиям Правил безопасност для угольных и сланцевых шахт.

2.Условия применения устройства должны совпадать с технический данными буровых установок и областью их применения: длина бурового ста! изменяется дискретно при наращивании и укорачивании бурового става на 1. м в диапазоне от 1,5 до 60 м, скорость вращения шпинделя 45 об/мин.

3. Пространственное положение датчиков ИИУ, находящихся в скважин не должно влиять на их работоспособность, а общее отклонение оси скважин от заданного направления не должно превышать 3% от длины скважины.

4.0бработка данных должна осуществляться при помощи средств комш ютерной техники, а результаты обработки представляться в цифровой и граф] ческой форме. Следовательно, ИИУ должно организовываться на микропроцес сорной основе, содержать кабельные линии связи для обмена информацией передачи команд управления, а также средства отображения информации в в! де дисплеев.

С учетом перечисленных требований задачи работы, решение которы необходимо для достижения поставленной в диссертации цели, заключаются следующем:

-обеспечить необходимые для реализации процесса измерения параме] ров направленного бурения функциональные связи между находящимися в 63 ровом ставе датчиками и расположенными на буровой установке ИИУ и САУ, также управляемыми ими механизмами и устройствами;

-разработать математические основы счисления траектории оси скважины, базирующиеся на данных, полученных при оперативных измерениях параметров скважины;

-решить задачу выбора оптимального состава измерений и необходимого количества датчиков с целью определения минимально необходимого объема информации для счисления траектории скважины;

- теоретически обосновать и разработать конструкцию универсального датчика для измерения параметров скважины при управляемом бурении и проколе.

-разработать и осуществить программную реализацию алгоритма определения пространственного положения бурового снаряда;

-исследовать способы передачи информации с измерительных датчиков в форме, удобной для обработки на ЭВМ;

-разработать метод отображения параметров скважины в графической форме на дисплее ЭВМ;

-исследовать работоспособность информационно-измерительного устройства и определить погрешности измерения параметров скважины.

Во второй главе произведен анализ применяемых при бурении измерительных координат и на его основе в качестве базовой выбрана правая система координат OXYZ, в которой ось 7, направлена вертикально вверх, а ось У расположена горизонтально и совпадает с направлением оси первого звена бурового става. Эта система является абсолютной, ее оси в процессе проходки скважины не переориентируются, а точка начала координатных осей не переносится. На каждом последующем шаге продвижки бурового снаряда после первого необходимо применять вспомогательную локальную систему координат параллельную абсолютной системе ОХУХ и расположенную в ней. Локальная система координат может иметь свое начало как в точке соединения бурового снаряда с буровым ставом, так и в точках соединения звеньев бурового става между собой (рис. 1).

Учитывая параллельность систем, пересчет осуществляется путем суммирования известных координат абсолютной системы и вычисленных координат локальной системы: ОХв=ОХа+АХв; ОУв=ОУа+АУв; 0Ев=02а+А2в; где ОХд, О Уд, 07А-координаты точки А в абсолютной системе координат; АХв, АУВ, А2в-координаты точки В локальной системе координат. В качестве отрезка определенной длины принята длина звена Ь бурового става. Тогда координаты точки в системе координат OXYZ определяются по аналити

Рис. 1 Измерительные координаты, ческим выражениям: OXA=L-smP-sina; OYA=LcosP; OZA=L-sinP cosa, где ] длина звена бурового става, а- дирекционный угол, градус; Р- угол наклон градус.

Для графического отображения результатов счисления предложен мете

последовательного геометрического построения, при котором ось скважин

изображается на двух плоскостях: вертикальной V и горизонтальной Н. Прое

ции на эти плоскости определяются соответственно по аналитическим выраж

__. о _sinfi-„cosa у0__. о . _ sin В-sinа , г>

ниям: tg pvi —-—-— ; ZPvi=arctgPvi; tgahl=— o ; Zahi=arctgcXhi. В

COS P COS ¡i

я

личина угла наклона на N-ом шаге измерения равна: Pn = Pi±

i

Координаты точки N в абсолютной системе координат описываются следу! щими аналитическими выражениями:

Хм = Xi ± • sin(a, ±y, )• sin (3¡;

л

Zn = Zi • sin p¡ ■ cosía, ±y¡)\

Yn= Y i +2>COS/9,;

Где Хь У], Ъ\ - координаты точки первого замера; а;, - измеренные нарастающим итогом значения дирекционного угла и угла наклона; у; - велич! на поправки в значение дирекционного угла, вносимая датчиком вертикали.

Предложенный метод математического описания траектории скважин возможен при наличии данных о трех углах и числе звеньев бурового става, н; ходящихся в скважине. Необходимые для этого технические средства и их вз имные связи отражены на функциональной схеме ИИУ (рис. 2).

м

две

Рис. 2 Функциональная схема ИИУ

В буровом снаряде БС установлен датчик бурового снаряда ДБС, а на некотором удалении от него - датчик-инклинометр Д-И. Аппаратура управления, состоящая из блока питания БП, блоков автоматического и ручного управления измерительным циклом БАУ и БРУ соответственно, блока коммутации и индикации БКИ, ЭВМ, печатающего устройства ПУ и дисплея ВМ, соединяется с датчиками при помощи наращиваемой в процессе бурения кабельной линии связи ЛС.

В третьей главе предложен способ измерения дирекционного угла и угла наклона при помощи специального устройства, позволяющего воспроизводить

угол наклона внутри звена бурового еггава между поверхностью измерительного диска и плоскостью вращения конца копира (рис.3). В процессе измерения величину угла наклона определяет амплитуда линейного перемещения копира, а дирекционный угол - фаза гармонических колебаний.

Устройство обеспечивает измерение углов как во вращающихся, так и статичных буровых ставах двумя способами.

f

Y

Рис. 3. Сканирующее электромеханическое устройство для измерения дирекционного угла и угла наклона

При измерении углов с использованием опорного сигнала на входы изм рительного устройства подается два синусоидальных сигнала - исследуемый опорный. Причем в одном из каналов фаза опорного сигнала сдвинута othoci тельно исследуемого сигнала на 90°. После перемножения оба сигнала шгте рируются в пределах 0 - 2тс. На выходе устройства, осуществляющего описа] ные преобразования, сигнал пропорционален косинусу сдвига фаз аргументе При отсутствии сдвига фаз (аргументы совпадают) на выходе устройства пр сутствует максимальное значение сигнала

Исследуемый сигнал имеет вид: U(t) = А0- cos (©t - а), где U® - величи; сигнала на выходе датчика; Ао - максимальная амплитуда возврати поступательного движения первичного преобразователя при измерении угло <о - угловая скорость первичного преобразователя; t - время движения перви1 ного преобразователя с начала измерительного цикла; а - дирекционный у го После перемножения сигнала с датчика на опорный сигнал coscat в перво канале и интегрирования полученного выражения имеем:

Vi=U(t)-cosco t=(A i • cosco t+А2- s inco t) • cos® t=

In

0

cosox-cosatdt + f ^ -sinotf -cosoicft = Aj к.

0

Во втором канале перемножается сигнал с датчика на опорный сигнал, сдвинутый относительно первого канала на 90°, т. е. на sincot, и результат интегрируется : V2=U(tysinmt=(Ai-cosot+A2-smcflt)-sinfflt=

2.т 2,т

= J>4j -cosci)i siniu/£//+ sincoi sin=А2 тс.

О О

В результате интегрирования после введения корректирующего коэффициента К возможно выделение в целом виде составляющих А) и А2 на выходах каналов, которые являются проекциями А на оси OZ и ОХ соответственно. Это позволяет определить дирекционный угол а по следующему аналитическому выражению: Za =arctg(A 2 / A i).

Для определения угла наклона (3 необходимо определить амплитуду движения копира: Ао = J А? . Тогда угол наклона (3: Z[3 = А0 /Кд, где Kd -коэффициент пропорциональности датчика. Так как достоверность значений Ао, Аь Аг зависит от многих факторов, выведено точное аналитическое выражение, учитывающее эти факторы и описывающее движение копира:

- tgB-sina _ .

у = —, -Rsmeot +

•Jl + ig'p-si^a -cos/?

/ \

tgfi-cosa

Л cos cot.

■Jl +tg1fl-eos1 a -cos/)y

Методика измерения дирекционного угла с использованием локального максимума и минимума синусоиды основана на измерении интервалов времени, при помощи которых определяется положение в пространстве вершины положительной волны синусоиды вида у = A sin (fflt +а). Алгоритм определения дирекционного угла может быть представлен основными операторами в следующем виде: C(U=0; U=l) -> troM ->• а -» At -» у а±у ; где соответственно слева направо: логический уровень в порту С; время измерения до смены логического уровня; дирекционный угол; рассогласование на выходе датчика вертикали; угол отклонения от вертикальной плоскости; дирекционный угол с учетом поправки датчика вертикали

В зависимости от начального взаимного положения копира и поверхности измерительного диска обработка результатов измерения описывается следующими логическими уравнениями:

Тп 90' • (4í - Т„)

UE.K. = 0 ; 90° > a S 0; --

4 1ц

T 90" • (4f - T ■)

UEK = 0 troM< —5.; 360° > а £270°; Za=--5Z + 360';

4 T*

Т„ 90' -(4г +Т„)

иЕК=1 > I шм > 0; 270°> а 2: 90°; ¿а =-1-=-^,

4 Тц

где инк." уровень логического сигнала на выходе копира; Хтм - измеренное вр мя, прошедшее с момента начала движения копира до первой смены логичссю го уровня на его выходе; Тц - длительность измерительного цикла, с.

При измерении угла наклона величина хода копира преобразуется в с рию электрических импульсов. Последовательность ключевых действий щ определении угла наклона Р может быть представлена в следующем вид Нлу-М1ц-»К->|3; где .соответственно, слева направо: число логических уровне; число импульсов; коэффициент пропорциональности; угол наклона Для изм рения угла наклона в 1° копир перемещается на расстояние Ьо, обеспечивающс на выходе две смены логического уровня и, таким образом, один импульс: Ь0 г^Р- [к - (к-Соэ!0)]. Число импульсов п в измерительном цикле, период след* вания импульсов Т и их длительность 1„ определяются по следующим аналит ческим выражениям:

г -(Лг-соз!0)!' 2<»[г -(*•«»£)]]' " 4а{г •/^[¿-(¿•соб/?)]]

Установлено, что при изменении угла (3 изменяются все характерно™ последовательности импульсов: частота £ скважность (3, коэффициент запо. нения кз- Поэтому подсчет импульсов осуществляется по числу смен логич ских уровней: п = Ылу/2, где Ылу - подсчитанное число смен логических уро ней в измерительном цикле.

Принцип действия датчика, предназначенного для измерения угла рот; ции, заключается в использовании однозначной зависимости между длителык стью выходного сигнала с уровнем логической единицы на его выходе и вел! чиной сопротивления времязадающего резистора, связанного с осью маятника.

Т (и )

Результатом измерения служит число циклов опроса: N0 = ——; г,

То - длительность выходного сигнала с уровнем логической единицы, с; А^ длительность одного цикла опроса, с. Изменение положения маятника при пс следующих измерениях вызывает изменение числа N и внесение поправки в р< зультат измерения угла а.

Верность принятых теоретических обоснований, а также оценка выбра! ных при проектировании параметров системы была проверена на математич< ской модели ИИУ, функциональная схема которой представлена на рис. 4.

Предложенная модель дала возможность получить: условия устойчивости; метрологические характеристики ИИУ; подтверждение работоспособности

датчиков угла наклона и дирекционного угла в расчетном диапазоне углов; зна------------чение погрешностей при использовании различных алгоритмов обработки результатов измерений, имеющих величину 0,2-1 %.

Рис. 4. Функциональная схема ИИУ. В четвертой главе рассмотрены вопросы технической реализации разработанных устройств ИИУ и подтверждения их работоспособности. Приведены описания следующих узлов и элементов:

-универсального мехатронного датчика, позволяющего осуществлять измерение угла наклона и дирекционного угла между смежными звеньями во вращающихся и статичных буровых ставах

-датчика измерения угла ротации статичного бурового става с использованием маятника, ориентированного к центру Земли.

-блока управления и сигнализации, совмещенного с блоком питания и обеспечивающий выбор ручного или автоматического управления измерительным циклом и контроль над его прохождением;

-стенда для тарировки универсального датчика измерения углов и подпрограммы коррекции систематических погрешностей;

-стенда для тарировки датчика вертикали и подпрограмм, поддерживающих работу его электронной схемы в соответствие с алгоритмом работы ИИУ;

-стенда для определения погрешностей измерения параметров трассь известными координатами комплексом устройств ИИУ в соответствие с ал ритмом определения пространственного положения бурового става;

-пакета программных средств для поддержки алгоритма определен пространственного положения бурового става и построения его траектории экране монитора.

Обобщены результаты испытаний разработанных устройств в соответ вие с общей методикой исследований и решены поставленные на рассмат ваемом этапе разработки ИИУ задачи. Испытания проходили в лаборато{ ЮРГТУ и в ГОАО НИПИ "Углеавтоматизация"

В результате испытаний разработанных устройств: -полностью подтверждена работоспособность устройства поэлементнс в составе информационно-измерительного комплекса;

-установлены и устранены систематические погрешности измерений , рекционных углов достигавшие 15 % в области углов наклона 1-3° (рис.5); -установлены погрешности измерений угла наклона, равные 0,5-6 %; -определены погрешности измерений угла ротации, равные 0,2-1 %; -установлено, что при измерении параметров трассы с известными коо] динатами погрешности измерений составляют 3 - 6 % от длины скважш Проверена и подтверждена эффективность программных средств для обработ первичной информации и выдачи оператору в удобном для него графически числовом видах.

Основные результаты и выводы 1.На основании анализа существующих средств бурения направлен!) скважин и методов контроля над их направлением, признано целесообразн] применение методов оперативного контроля с использованием первичных у> ройств в местах шарнирного соединения звеньев бурового става в сочетанш активными способами коррекции отклонений в виде буровых снарядов с из! няемой геометрией корпуса.

. 2. Разработаны теоретические обоснования метода счисления траектор оси буровой скважины, отличающиеся тем, что минимально необходимым д построения оси буровой скважины количеством информации являются: oпq тивные данные о величине трех углов (дирекционного и угла наклона, а так угла ротации бурового става), длина одного звена бурового става и их коли« ство,

Относит, погр. (%)

О 45 90

Относит. ПОф. (%)

—7 0=4° У/

О 45 90

Относит. ПОф. (%)

20 10 о -10 -20

Т80 225 270 315 360

а

р-«-

4

О 45 90 135 180 225 270 315 360

Относит. ПОф. (%)

Рис.5. Погрешности измерения дирекционных углов

а также координаты устья скважины. Установлено, что минимально требуемое количество датчиков, способное обеспечить предложенный метод счисления траектории скважины, равно двум.

3. Получено математическое описание траектории оси буровой скважины в трехмерных абсолютной и локальной системах координат, отличающееся тем, что в процессе проходки скважины абсолютная система координат не переориентируется и ее начало остается неподвижным, а начало локальной системы координат перемещается одновременно с буровым ставом и находится в

местах шарнирных соединений звеньев. Оси локальной и абсолютной сис всегда параллельны

4. Разработана, в соответствии с теоретическими обоснованиями, кон рукция универсального мехатронного датчика для измерения дирекцион» угла и угла наклона, некритичная к своему положению в пространстве и от. чающаяся тем, что способна обеспечить оперативное измерение одновреме* двух углов, определяющих положение оси скважины в пространстве двумя с собами: методом с использованием опорного сигнала, а также методом с пользованием локальных максимумов и минимумов синусоиды. Предлож' конструкция датчика для измерения угла ротации бурового става.

5. Установлены процессы формирования выходных величин датчико зависимости от используемого метода измерения, а также зависимости погре ностей измерения от геометрических размеров их рабочих частей и зако] взаимного движения. Установлены основные аналитические выражения, о: сывакмцие закономерности преобразования информационных сигналов.

6. Осуществлено математическое моделирование, адекватно описывг щее процессы измерения углов в соответствии с расчетными технически данными и предложенными методами. В результате компьютерного исследо ния установлено, что качество переходных процессов обеспечивает абсолк ную устойчивость разработанной системы. Установлено, что более сложи при технической реализации способ с использованием опорного сигнала д; незначительное преимущество в уменьшении погрешности измерений (1-2 по сравнению с методом, использующим локальные максимумы и миниму синусоиды.

7. Разработаны и исследованы экспериментальные образцы датчиков; измерения дирекционного угла и угла наклона, а также угла ротации и осу! ствлено физическое моделирование принципов измерения углов, подтверд: шее их работоспособность. На специальных стендах произведена индивидуа ная тарировка и определены погрешности измерений дирекционных угло! области 0 - 360°, равные 7 - 15 % при величинах угла наклона 1 -10°. В уело] ях лабораторного эксперимента на специальном стенде проведены компле ные испытания универсального датчика. Длительность измерительного щи равна 6,9с. Максимальные погрешности измерения траектории оси скважшп известными параметрами не превышают 6%, а среднее значение равно 3% длины скважины. Адекватность изображения траектории оси скважины на

ране монитора позволяет правильно оценивать ее реальное положение по результатам измерений.

8. Результаты экспериментальных исследований удовлетворительно совпадают с соответствующими результатами компьютерного моделирования (расхождения в пределах Ю%-11%), что подтверждает основные теоретические-положения данной работы о возможности определения пространственного положения оси буровой скважины при помощи универсального датчика по разработанной методике. При этом для получения данных о положении скважины в пространстве нет необходимости извлекать датчики из скважины.

Основные положения диссертации достаточно полно отражены в следующих работах:

1.Горбунов А.И., Меныпенин С.Е. Алгоритм и техническая реализация измерения пространственного положения осей бурового снаряда. Сб. научн. тр.// Вопросы горной электромеханики. Отв. ред. Хазанович Г.Ш.-Новочер-касск, НГТУ (НПИ), 1994-С. 166-178.

2.Попков Ю.Н., Горбунов А.И., Митрохин А.Ю. Принципы построения информационно-измерительной системы для управляемого прокола скважин. Сб. научн. тр.// Вопросы горной электромеханики. Отв. ред. Хазанович Г.Ш.Новочеркасск, НГТУ (НПИ), 1994-С. 178-186.

3.Шепетков С.А., Горбунов А.И., Митрохин А.Ю. Математическое моделирование траектории движения управляемого бурового снаряда. Сб. научн. тр.// Компьютерное моделирование технологических процессов и технологий горного производства и транспортных работ. Отв. ред. Водяник Г.М. - Новочеркасск, НГТУ (НПИ), 19% - С.56-59.

4.Щепетков С.А., Горбунов А.И., Митрохин А.Ю. Принцип построения информационно-измерительной системы для направленного бурения. Тез. докл. научн.-техн. конф. Шахтинского инст. НГТУ, апрель 1996.// Совершенствование машин и технологий в горнодобывающей промышленности и стройиндуст-рии. - Новочеркасск, НГТУ, 1996 - С. 25-27.

5.Меныпенин С.Е., Калинин Э.В., Горбунов А.И. Система показателей для оценки эффективности установок управляемого бурения. Тез. докл. научн.-техн. конф. Шахтинского инст. НГТУ, апрель 1996.// Совершенствование машин и технологий в горнодобывающей промышленности и стройиндустрии. -Новочеркасск, НГТУ, 1996-С. 27-28.

6.Щепетков С.А., Горбунов А.И., Митрохин А.Ю. Механизм компенсации смещения измерительного диска датчика контроля положения бурового

снаряда. Мат. XXXXV научн.-техн. конф. Шахтинского ин - та НГТУ, ап] 1996.// Механизация и электрификация горных работ. - Новочеркасск: НГ 19%-С. 70-71.

7.Щепетков С.А., Горбунов А.И., Митрохин А.Ю. Программное обес чение регистрации траектории движения бурового снаряда. Мат. XXXXV учн.-техн. конф. Шахтинского ин - та НГТУ, апрель 1996.// Механизаци электрификация горных работ. - Новочеркасск: НГТУ, 1996 - С. 71-73.

8.Щепетков С.А., Горбунов А.И., Митрохин А.Ю. Информационно -мерительная система установки для управляемого прокола скважин.// Изв. зов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1996. №2. С. 195 - 196.

9.Горбунов А.И. Измерение углов отклонения бурового снаряда с испо зованием опорного сигнала: Тр. 2-ой Междунар. конф. // Новые техноло: управления движением технических объектов.— Новочеркасск: ЮРГ' 1999,—С. 150-152.

10. Горбунов А.И. Математическое описание движения копира в унив сальном датчике при измерении угла наклона. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. реги Техн. науки. 1999. №4. С. 28-29.

11. Горбунов А.И. Исследование погрешностей измерения дирекциош углов мехатронным датчиком. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. на) №1, 2000 С.

12. Горбунов А.И. Анализ результатов определения параметров п] странственного положения скважины. // Научная мысль Кавказа (приложе! 2), 2000 - изд-во Сев.-Кав. научн. центр высшей школы - С. 15-16.

13. Загороднюк В.Т., Горбунов А.И. Вторичные измерительные преоб зователи датчика положения бурового снаряда. //Изв. вузов. Сев.-Кавк. реги Техн. науки. 2000. №3. С 103.

14. Загороднюк В.Т., Горбунов А.И. Оптоэлектрический первичный г образователь информационной системы для направленного бурения скважи: Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики: Материа междунар. науч.-практич. конф. в 10 частях. Юж. - Рос. гос. техн. ун-т Но черкасск: ЮРГТУ, 2000 ч. 4 - С. 33.

15. Горбунов А.И. Требования систем управления бурением и прокола к информационно-измерительным устройствам. // Научная мысль Кавк (приложение 6), 2000 - изд во Сев.-Кав. научн. центр высшей школы - С.4( 41.

16. Загороднкж В.Т., Горбунов А.И. Мехатронная система контроля пространственного положения разомкнутых кинематических цепей. // Сев.Кав. научный центр, 2000, 153 с.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СРЕДСТВ БУРЕНИЯ И МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ.

1.1 .Бурение скважин при ведении горных работ и причины их искривления.

1.2. Сравнительный анализ технических средств направленного бурения.

1.3. Технические средства контроля искривления скважин.

1.4. Требования, предъявляемые к информационно-измерительному устройству для оперативного измерения параметров направленного бурения скважин в шахте.!.

1.5. Информационно-измерительное устройство установок направленного ведения буровых скважин и постановка задачи исследования.

Выводы по главе.

2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И СТРУКТУРА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА.

2.1. Выбор системы измерительных координат.

2.2. Метод счисления траектории движения бурового става.

2.3. Математическое описание метода счисления траектории движения бурового става.:.

2.4.Общая функциональная схема информационно-измерительного устройства для направленного бурения.

Выводы по главе.

3. ОБОСНОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ПОСТРОЕНИЯ

ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИОНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ПАРАМЕТРОВ.

3.1. Способы применения и требования, предъявляемые к датчикам контроля положения бурового става.

3.2 Измерение дирекционного угла и угла наклона первичными преобразователями с использованием опорного сигнала.

3.3.Теоретические обоснования метода измерения дирекционного угла с использованием локального максимума и минимума синусоиды.

3.4.Обоснование принципа действия и исследование параметров первичного преобразователя для измерения угла наклона.

3.5. Принцип действия и исследование параметров маятникового датчика угла ротации.

3.6. Компьютерное моделирование методов измерения углов, определяющих положение бурового става в пространстве.

Выводы по главе.

4. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ, ИХ ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1.Обоснование и выбор способов передачи, обработки и представления информации.

4.2. Техническая реализация первичных преобразователей, согласующих и приемных устройств.

4.3. Алгоритм измерения пространственного положения оси буровой скважины.

4.4. Цели, задачи и методика проведения экспериментальных исследований.

4.5. Результаты лабораторных и стендовых испытаний.

4.6. Выводы по главе.

Вхождение угледобывающих отраслей стран СНГ в рыночные отношения предъявило качественно новые требования к темпам и качеству ведения горных работ, что привело к сокращению объемов добычи угля и снижению темпов ведения вскрывающих и подготовительных работ, обеспечивавших собственно процесс добычи угля.

В этих условиях необходимо применение принципиально новых технических, технологических и экономических решений для организации процессов разведки, подготовки и добычи угля с более низкой себестоимостью и более высокого качества. Выполнить часть этих требований позволит сокращение затрат на ведение буровых работ, связанных с прохождением разведочных, дегазационных, вентиляционных и иных скважин, осуществляемых с применением более современных и эффективных средств.

Еще одним фактором, способствующим решению перечисленных вопросов, является сокращение числа подземных рабочих, занятых на очистных работах, за счет внедрения принципиально новой техники для безлюдной или малолюдной выемки угля на тонких и весьма тонких пластах методом выбуривания. Решение этого вопроса одновременно способствует продлению сроков эксплуатации действующих шахт Донбасса, отрабатывающих свиты, в которых имеются тонкие и весьма тонкие пласты.

Одним из перспективных вариантов решения перечисленных факторов по повышению эффективности работы угледобывающей отрасли является внедрение способов, обеспечивающих направленное бурение скважин. Имея ряд преимуществ, традиционные способы бурения скважин жесткими ставами или штангами, тем не менее, сегодня практически исчерпали себя в плане постоянно возрастающих требований к точности бурения и не обеспечивают заданное направление скважин.

Одной из причин такого положения дел является отсутствие эффективных методов контроля над направлением бурения скважин по заданной траектории, так как отсутствие точной информации о направлении скважины, в свою очередь, порождает проблему эффективного управления процессом направленного бурения.

В связи с этим решаемая в настоящей работе задача создания информационно-измерительного устройства для направленного бурения скважин является весьма актуальной как в научном так и в техническом плане.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является дальнейшее совершенствование технологии проходки скважин путем создания и внедрения мехатронного информационно-измерительного устройства для системы управления бурением и проколами, обеспечивающего заданную точность направления скважины. В соответствии с поставленной целью основные задачи работы формулируются следующим образом:

1- провести критический анализ состояния вопроса;

2-установить минимально необходимое количество информации, обеспечивающее построение траектории оси скважины;

3- получить математическое обеспечение для способа счисления траектории скважины по информации, выдаваемой датчиками измерительного устройства;

4- обосновать требования, предъявляемые к датчикам информационно-измерительного устройства с учетом алгоритма обработки данных и способа передачи информации;

5- исследовать параметры информационно-измерительного устройства на математической модели;

6- разработать и изготовить датчики для измерения угла наклона и дирек-ционного угла, а также для контроля угла закручивания бурового става;

7- провести испытания и оценить показатели точности измерений, обеспечиваемые информационно-измерительным устройством;

8- дать рекомендации по использованию научных результатов, полученных в работе.

Идея работы - построение траектории оси скважины на основании оперативных данных, получаемых с мехатронных датчиков в процессе бурения без извлечения последних из скважины.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач были использованы основные законы классической физики, теория механизмов и машин, современные разработки в области электроники и микросхемотехники, теория информационно-измерительных систем. Все аналитические результаты исследований проверялись методами физического моделирования. Обработка данных в соответствии с алгоритмом определения пространственного положения осей звеньев бурового става осуществлялась на ПЭВМ. Полученные результаты проверялись экспериментально в лабораторных условиях, а также подтверждались методами математического моделирования.

В работе защищаются

- метод счисления траектории оси скважины в трехмерной системе координат на основании данных, получаемых от датчиков ИИУ;

- теоретические обоснования способов измерения дирекционного угла и угла наклона при помощи универсального датчика;

- алгоритм определения пространственного положения оси скважины с помощью универсального датчика при направленном бурении и проколе;

- математическая модель функционирования ИИУ при измерении дирекционного угла и угла наклона;

- принципы построения и конструкция универсального датчика для измерения дирекционного угла и угла наклона между двумя смежными звеньями бурового става;

- оригинальная методика тарировки и оценка погрешностей измерений, осуществляемых датчиками.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы основывается на применении комплекса современных методов исследований, включающих: анализ и научное обобщение выполненных к настоящему времени работ по рассматриваемому вопросу; применение современных средств вычислительной техники в сочетании с новейшими пакетами прикладных математических программ; подтверждение достаточным объемом экспериментальных данных результатов теоретических исследований и удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований.

Научная новизна. Заключается в разработке теоретических положений метода счисления траектории оси буровой скважины на основании минимально необходимого объема данных, получаемого с универсальных мехатронных датчиков без извлечения их из скважины.

Теоретически обоснованы способы измерения дирекционного угла и угла наклона при помощи универсального датчика с использованием развертывающего преобразования и методов фазометрии в сочетании с микропроцессорными средствами обработки результатов измерений.

Разработаны алгоритм определения пространственного положения двух смежных звеньев бурового става, перемещающихся с определенным шагом в трехмерной системе координат, и программа, поддерживающая его работу. Осуществлено математическое моделирование способов измерения углов и произведен сравнительный качественных анализ полученных результатов.

Практическое значение и реализация работы. Разработанное информационно-измерительное устройство может быть использовано при управляемом бурении в процессе добычи угля из тонких и весьма тонких пластов методом выбуривания и управляемом проколе в сочетании с буровым снарядом с изменяемой геометрией.

Предложенная математическая модель позволяет определить оптимальные параметры геометрических размеров элементов датчика в зависимости от уровня решаемых задач.

Применение разработанного ИИУ при направленном бурении с использовании бурового снаряда с изменяемой геометрией обеспечивает реальный 9 экономический эффект за счет увеличения процента выхода годных скважин, уменьшения потерь добываемого угля, снижения его себестоимости и снижения удельных энергозатрат на тонну добываемого угля.

Работа выполнена в плане научных направлений «Теория и принципы построения машин-автоматов, роботов и ГАП» ЮРГТУ (НПИ), а также в соответствии с тематикой по единому заказ-наряду Министерства образования РФ «Теория и принципы построения лазерных и мехатронных систем оптимального управления мобильными робототехническими комплексами» №41.95.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии управления робототехническими и автотранспортными объектами» (Ставрополь, 1997), Первой и Второй международных научно-технических конференциях «Новые технологии управления движением технических объектов». (Ставрополь, Новочеркасск, 1999), научных семинарах кафедры «Электрификация и автоматизация подземных горных работ» ШИ НГТУ 1994-1997гг.,45-й научно-технической конференции Шахтинского института НГТУ, 1996 г., ежегодных конференциях НГТУ с 1995 по 1999 годы.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 14 печатных работ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 112 наименований и содержит 199 страниц основного текста, 52 рисунка, 14 таблиц и 3 приложения.

Выводы по главе

1. Обосновано, что в ИИУ для направленного бурения целесообразно использовать многопроводную кабельную линию связи, при этом каждому датчику выделен свой канал. Реализован способ передачи информации по семижильному кабелю из забоя скважины к устройству обработки результатов измерений, а также способ передачи команд с управляющего устройства на первичные преобразователи. Способ основан на использовании импульсной формы представления информации при помощи двоичного кода с основанием два.

2.Определены схемотехнические методы для обеспечения минимального затухания сигнала и снижения собственных шумов системы, в соответствии с которыми в электронных усилителях использованы полупроводниковые приборы с низким уровнем собственных шумов, а также помехоустойчивые схемы подключения с использованием заграждающих фильтров. Применение перечисленных мер в сочетании с методом накопления обеспечивают достоверность передачи и обработки информации. В процессе испытаний реализована обработка потоков информации в ИИУ при помощи персональной ЭВМ с представлением результатов измерения на дисплее и печатающем устройстве.

3. Разработано ИИУ, в основу которого положены функциональные взаимосвязи первичных преобразователей для измерения углов, усилителей -формирователей для преобразования результатов измерения с целью передачи по кабельным каналам связи, приемного устройства с блоком управления и ЭВМ. Подтверждены в процессе технической реализации механических узлов ИИУ верность принятых теоретических обоснований принципа действия первичных преобразователей и соответствие им конструкторских решений. Определены схемотехнические решения электронных блоков с учетом их функционального назначения и взаимных связей.

3.Разработан алгоритм определения пространственного положения осей бурового снаряда, в основу которого заложен принцип действия мехатронного универсального датчика для измерения дирекционного угла и угла наклона.

Определены основные аналитические выражения, описывающие функциональные связи между величинами, получаемыми в результате измерения параметров скважины и константами, обусловленными конструктивными особенностями датчиков, по которым осуществляется коррекция результатов измерения дирекционного угла.

4.Разработана и реализована общая методика исследований ИИУ.

5.Создана экспериментальная установка, позволяющая посредством физического моделирования определить работоспособность ИИУ в целом и установить его технические характеристики.

6.Разработано и апробировано на физической модели программное обеспечение, базирующееся на определенных в процессе теоретических исследований аналитических выражениях и поддерживающее алгоритм определения пространственного положения оси буровой скважины. Разработаны подпрограммы коррекции погрешностей измерений и уточнены основные аналитические выражения для определения углов.

7. Подтверждена работоспособность датчика для измерения дирекционного угла и определена область погрешностей при измерениях дирекционных углов (табл. 4.1 - 4.4). Проведены испытания датчика для измерения угла наклона, подтвердившие его работоспособность и соответствие теоретическим обоснованиям, а также установлены показатели точности и погрешности измерения угла наклона (табл. 4.5-4.7). Осуществлена тарировка датчика вертикали и проведены его испытания в соответствии с теоретическими обоснованиями. Определены показатели точности и погрешности измерения углов отклонения от вертикальной плоскости (табл. 4.8-4.10).

196

8.Подтверждена в целом работоспособность ИИУ для управляемого бурения и прокола скважин как на прямых участках, так и на участках со сложной конфигурацией оси скважины (табл. 4.11 - 4.13).

197

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1.Ha основании анализа существующих средств бурения направленных скважин и методов контроля за их направлением показана целесообразность применения методов оперативного контроля в технологии направленного бурения с использованием первичных устройств в местах шарнирного соединения звеньев бурового става в сочетании с активными способами коррекции отклонений в виде буровых снарядов с изменяемой геометрией корпуса. Определено, что минимально необходимым для построения оси буровой скважины количеством информации являются: данные о величине двух углов (дирекционного и угла наклона) и длина одного звена бурового става, а также координаты устья скважины и угол ротации бурового става.

2. Определено минимально требуемое количество датчиков, способное обеспечить предложенный метод счисления траектории скважины, равное двум. На основании данных, получаемых в результате оперативного измерения параметров скважины датчиками, осуществлено математическое описание траектории оси буровой скважины в выбранных трехмерных абсолютной и локальной системах координат. В процессе проходки скважины абсолютная система координат не переориентируется и ее начало остается неподвижным. Начало локальной системы координат перемещается одновременно с буровым ставом и находится в местах шарнирных соединений звеньев. При этом оси локальной и абсолютной систем всегда параллельны. Разработаны теоретические обоснования метода счисления траектории оси буровой скважины. Установлено число функциональных блоков для каждого первичного преобразователя, их назначение и взаимные связи, обеспечивающие работу ИИУ.

3.Осуществлено теоретическое обоснование двух способов измерения углов, определяющих положение оси скважины в пространстве: методом с использованием опорного сигнала, а также методом с использованием точек локального максимума и минимума синусоиды. В соответствии с теоретическими разработками принципов действия первичных преобразователей предложена конструкция универсального мехатронного датчика для косвенного измерения дирекционного угла и угла наклона, некритичная к своему положению в пространстве и способная обеспечить одновременный процесс бурения и измерения параметров скважины. Разработана конструкция датчика для измерения угла ротации бурового става.

4.Исследованы процессы формирования выходных величин датчиков в зависимости от используемого метода измерения, а также зависимости погрешностей измерения от геометрических размеров их рабочих частей и законов взаимного движения. Установлены основные аналитические выражения, описывающие закономерности преобразования неэлектрических величин в электрические сигналы.

5.Разработана и исследована математическая модель, адекватно описывающая процессы измерения углов в соответствии с расчетными техническими данными двумя предложенными методами. В результате компьютерного моделирования установлено, что качество переходных процессов обеспечивает абсолютную устойчивость разработанной системы второго порядка. Исследованы также метрологические свойства датчиков, учитывающие основные конструктивные параметры и зависящие от геометрических размеров элементов конструкции (диаметра измерительного диска, длины опорных штоков, величины хода копира, числа щелей в подвижной шторе ). Установлено, что более сложный при технической реализации способ с использованием опорного сигнала дает незначительное преимущество в уменьшении погрешности измерений (1 -2%) по сравнению с методом, использующим точки локального максимума и минимума синусоиды.

6. В соответствие с теоретическими разработками изготовлены экспериментальные образцы датчиков для измерения дирекционного угла и угла наклона, а также угла ротации и при их помощи осуществлено физическое моделирование принципов измерения углов, и подтверждена их работоспособность. На специальных стендах произведена индивидуальная тарировка и исследованы погрешности измерений дирекционных углов в области 0 - 360°, равные 7 -15,% при величинах угла наклона 0 - 10°. Погрешности измерения углов накло

199 на 0,5 - 6%, погрешности измерения угла ротации -0,2 - 1%. В условиях лабораторного эксперимента на специальном стенде проведены комплексные испытания универсального датчика. Длительность измерительного цикла равна 6,9с. Максимальные погрешности измерения траектории оси скважины с известными параметрами не превышают 6%, а средние - 3% от длины скважины. Адекватность изображения траектории оси скважины на экране монитора позволяет правильно оценивать ее реальное положение по результатам измерений.

7. Результаты экспериментальных исследований удовлетворительно совпадают с соответствующими результатами компьютерного моделирования (расхождения в пределах 10%-11%), что подтверждает основные теоретические положения данной работы о возможности определения пространственного положения оси буровой скважины при помощи универсального датчика по разработанной методике. При этом для получения данных о положении скважины в пространстве нет необходимости извлекать датчики из скважины.

8.Комплекс оборудования информационно-измерительного устройства для систем управления бурением и проколами внедрен в ГОАО НИПИ "Угле-автоматизация", г. Луганск, Украина и на угольных предприятиях Донбасса.

1. Грабчак Л.Г.,. Несмотряев В.И.,. Шендеров В.И.,. Кузовлев В.Н. Горнопроходческие машины и комплексы. — М.: Недра, 1990, — 336 с.

2. Николаенко А.Т., Седов Б.Я., Терехов Н.Д., Боломских Н.С. Буровые установки для проходки скважин и стволов. — М.: Недра, 1985, — 344 с.

3. Фельдман В.Я., Файнер Л.Б. Автоматизированные шахтные бурильные установки буровые роботы. — М.: Недра, 1989, — 191 с.

4. Кодзаев Ю.В. Бурение разведочных горизонтальных скважин. — М.: Недра, 1983, —204 с.

5. Советов Г.А., Жабин Н.И. Основы бурения и горного дела. — М.: Недра, 1991, — 368 с.

6. Левкович П.Е., Лизников В.И., Дьяченко Г.В., Королев Д. А. Бурош-нековая выемка угля. — Киев, Техшка, 1982, — 175 с.

7. Петров А.И, Штумпф Г.Г.,. Егоров П.В., Архипов Г.К. Механизации проведения подготовительных выработок. — М.: Недра, 1988, — 248 с.

8. Сулакшин С.С.,. Кривошеев В.В.,. Рязанов В.И. Решение геолош-технических задач при направленном бурении скважин.— М.: 1989.

9. Сулакшин С.С. Направленное бурение. — М.: Недра, 1987, — 272 с.

10. Калинин А.Г. Искривление скважин. — М.: Недра, 1974, — 304 с.

11. Колесников А.Е., Мелентьев Л.Я. Искривление скважин. — М.: Недра, 1979, —170 с.

12. Костин Ю.С. Современные методы направленного бурения скважин. — М.: Недра, 1981, — 152 с.

13. Михалкевич Ю. Я. Анализ пространственного положения скважин в процессе бурения.// Методика и техника разведки.—1980.—№>135—с. 17-24.

14. Шамшев Ф.А., Тараканов С.М., Кудряшов Б.Б. и др. Технология и техника разведочного бурения.—М.: Недра, 1983,— 565 с.

15. Штумпф Г.Г., Егоров П.В. и др., под общ. ред. Петрова А.И. Проходчик горных выработок.—М.: Недра, 1991,— 646 с.

16. Седов Б.Я., Николаенко А.Т., ТереховН.Д. Буровые установки для проходки скважин и стволов.—М.: Недра,1972, — 328 с.

17. Морозов Ю.Т. Методика и техника направленного бурения скважин на твердые полезные ископаемые.— Л.: Недра, 1987,— 221 с.

18. Мельничук И.П. Бурение направленных скважин малого диаметра.— М.: Недра, 1978,— 230 с.

19. Сулакшин С.С., Кривошеев В.В., Рязанов В.И. Методическое руководство по направленному бурению геологоразведочных скважин.— М.: Гео-лторфоразведка, 1978,— 380 с.

20. Михайловский В.Н., Иванов С.К. Измерение кривизны скважин. — Киев: Изд во АН УССР, 1960,— с.59 - 73.

21. Молчанов А.А. Измерения геофизических и технологических параметров в процессе бурения скважин. — М.: Недра,1983,— 190 с.

22. Лукьянов Э.Е. Исследование скважин в процессе бурения.— М.: Недра, 1979,— 249 с.

23. Павлова А.А. Разработка бурового инструмента со встроенной системой контроля его пространственного положения при проведении скважин малого диаметра. Дисс. канд. техн. наук — Новочеркасск: 1997,— 173 с.

24. Пат. 4894923 США, Е21 В 47/02. Method and apparatus for measurement of azimuth of a borehole while drilling/ Cobern M.E., Dipersio R.D., Alcan International Ltd.— №54522, Заявл. 27. 05. 87; Опубл. 23.01. 90; НКИ 33/304.

25. Заявка 2243693 Великобритания, МКИ5 Е21 В 47/024. Guiding a tool along a subterranean path/ Wallis Nicolas Peter, Holms Anne. Baroid Tecnlodgy Inc.—№9109165; Заявл. 26.04.91; Опубл. 06.11.91.

26. Ax. 1579990 СССР. МКИ E21 В 47/02.Феррзондовый преобразователь утла наклона скважины./ Г.Н. Ковшов, Ю.Н. Кочемасов, И.Ф. Бабенко. — Опубл. 23.07.90, Бюл. №27.

27. Хван М.А., Ткачев В.В. Индуктивный метод контроля ширины угольных целиков.//Известия вузов. Горный журнал—1971 — №9 —с. 1819.

28. Сильченко П.Т. Управляемая буровая машина БГД. // Уголь Украины.— 1978,—№8—с. 28 29.

29. Серебряков Г.М., Васильев Ю.А. Стендовые испытания гироскопического датчика курса. Деп. рук. №846, ЦНИЭИуголь.— М. Л976,— 6 с.

30. Пат. 4909336 США, Е21 В 47/022. Определение направления бурения в условиях сильных магнитных полей.— Опубл. 20.03.90, НКИ 175/45.

31. Пат. 4987684 США, G01 С 9/00. Wellbore inertia! directional surveying system/ Ondbreas R.D., КоЫег S.H., Wallts A.S. The USA Department of Energy.— №415941, Опубл. 29.01.91.НКИ 33/304.

32. ХНпаковский P. В. Методы и устройства для автоматического контроля положения горных машин по гипсометрии угольного пласта. В сб. Автоматизация шахт и рудников.— Киев.: Техника, 1967,— 66 с.

33. Горбунов А.И., Меныненин С.Е. Алгоритм и техническая реализация измерения пространственного положения осей бурового снаряда. Сб научн. тр.// Вопросы горной электромеханики. Отв. ред. Хазанович Г.Ш.— Новочеркасск, НГТУ (НПИ), 1994,—с. 166 178.

34. А.с. 1239289 СССР, МКИ 4 Е21 В47/022. Устройство для определения угла наклона и искривления скважины/ Л.Д. Петренко, П.С. Хуторной, Г.И. Мороз, В.А. Корж,—Опубл. 23. 06. 86, Бюл. №23.

35. А.с. 1229321 СССР, МКИ 4 Е21 В47/02 Устройство для ориентирования отклонителя в скважине/ Ф.А. Бобылев, А .Я. Анищенко, Э.Н. Шехтман и др.— опубл. 07. 05. 86, Бюл. №17.

36. Пат. 2192057 Великобритания, МКИ 4 G01 С9/18. Электронное устройство, чувствительное к наклону.— Опубл. 31. 12. 87, Бгол.№17

37. А.с. 1239285 СССР, МКИ 4 Е21 В47/022. Устройство дота определения азимутальных и зенитных улов скважины/ Г.И. Лоскутов, П.П. Подгорный, О.В. Эстерле, А.П. Полторацкий.— Опубл. 23. 06. 86, Бгол, №23.

38. Пат. 4779353 США, МКИ 4 GO! С9/06.Инструмент для измерения наклона и вращения.— Опубл. 25. 10. 88, Бюл. №17.

39. А.с. 1585511 СССР, МКИ 5 Е21 С25/60, Способ управления положением добычного насадка бурогидравлической установки и устройство для его осуществления/ Г.М. Водяник, А.В. Анисимов, В.Ф. Нуждин, Г.П. Сершенко. — Опубл. 15.08.90, Бюл. №30.

40. А.с. 1509518 СССР, МКИ 4 Е 21 В47/02. Преобразователь зенитного угла измерения искривленной скважины./ Г.Н. Ковшов, А.А. Посылаев.— Опубл. 23.02.90, Бюл.№7.

41. А.с. 1467162 СССР, МКИ 4 Е21 В47/022. Способ определения азимута искривления траектории скважины/ О.Н. Штанько, Г.В. Миловгоров.— Опубл. 15. 03. 89, Бюл №11.

42. Бойцов А.А и др. Приборы для контроля за направлением движения буровых машин. //Угольная промышленность — 1962. — №4. — с. 17-18.

43. А.с. №391258 СССР, Устройство для направленного бурения скважин по угольному пласту/ В.Т. Загороднюк, Д.М. Крапивин.— 1973, БИ №31.

44. Корнеев В. П., Щепетков С. А. Устройство для контроля положения бурового снаряда в пространстве. Реферат опубликован в Указателе — серия Механизация и автоматизация производственных процессов. 1983 , №5.

45. Щепетков С.А., Горбунов А.И., Митрохин А.Ю. Механизм компенсации смещения измерительного диска датчика контроля положения бурового снаряда// Материалы XXXXV научн.-техн. конф., апрель 4 996г. Новочеркасск, 1996.С 70-71.

46. Зиненко. В. П. Направленное бурение М.: Недра, 1990.—152 с.

47. А.с. 1559132 СССР, МКИ 4 Е21 В47/02. Автономный инклинометр/ B.C. Басовита, В.М. Кузнецов, А.И. Леонов.—Опубл. 23. 04. 90, Бюл. №15.

48. А.с. 1469109 СССР, МЗСИ Е21 В47/02. Устройство контроля искривления скважин./ Г.В. Миловзоров, О.Н. Штанько, Б.В. Лавров и др.—Опубл. 30.03.89, Бюл. №12.

49. Исаченко В.Х., Потемкина Е.А., Эскина Е.М. Комплекс программ предварительной обработки данных автономного прибора системы контроля трассы скважины.// Тр. Моск. ин-та нефти и газа. —1988.—№211 —С. 136 -139.

50. Дахнов В.Г. Интерактивная система обработки инклинометрической информации.// Тр. Моск. ин-та нефти и газа.— 1988.— №211—С. 30-35.

51. Глюкауф. Издательство Глюкауф ГмБХ , Эссен ФРГ, 10 сентября 1992 г, №9.

52. Афанасьев С.И., Душин А.И., Вартыкян В.Г. Вопросы оперативного управления процессом направленного бурения.// Техника и технология разведочных работ.— 1987.— вып 13.— С. 1 39.

53. Попков В.Н., Горбунов А.И., Митрохин А.Ю. Принципы построения информационно-измерительной системы для управляемого прокола скважин.// Вопросы горной электромеханики: Сб. науч. тр./ Новочеркасск, гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 1994, С 178 185.

54. Вартыкян В.Г., Михалкевия ЮЛ., Михеев Н.Н., Морозов Ю.Т. Разработка алгоритмов управления процессом бурения направленных скважин.// Разработка и применение новых технических средств при геологоразведочном бурении.— М.: 1984—С. 65-72.

55. Шерстюк О.И. Особенности осуществления управления процессом бурения по информации КиП в различных технологических ситуациях.// Методика и техника разведки.—Л., 1977— №131— С. 29 -36.

56. Культин В.И., Парфенов Б.П., Карпенко З.С. Вычисление координат точек оси искривленной скважины.// Разведка и охрана недр.— 1977— №3 С.21 -25.

57. Щепетков С.А., Горбунов А.И., Митрохин А.Ю. Информационно-измерительная система установки для управляемого прокола скважин.// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1996. №2. С. 195 196.

58. Козловский Е.А., Гафиятуллин Р.Х. Автоматизация процесса геологоразведочного бурения.—М.: Недра, 1977.— 215 с.

59. Молчанов А.А., Сираев А.Х. Скважинные автономные измерительные системы с магнитной регистрацией. М.: Недра,1979.—23.6 с.

60. Щепетков С.А., Горбунов А.И., Митрохин А.Ю. Программное обеспечение регистрации траектории движения бурового става.// Материалы XXXXV научн. техн. конф., апрель 1996 г. Новочеркасск, 1996.— С 71 72.

61. Пат. 2554866 Франция, МКИ 4 Е21 В47/12. Измерительная аппаратура, используемая в буровой скважине и работающая во время бурения.— Опубл. 17.05.90, Бюл. №20.

62. Загороднюк В.Т. Автоматизация самоходных бурильных установок. Изд-во РГУ, 1975,-208 с.67.3кжо AT. Помехоустойчивость и эффективность систем связи. —М.: Связь, 1963, — 146 с.

63. А.с. 1286753 СССР, МКИ 4 Е21 В47/022. Скважшшое контактное устройство./Ю.Ф. Степанов. Опубл. 30.01.87. Бюл.№4.

64. Корнеев В.П. Разработка и исследование способа и устройств для вращательного бурения направленных технических скважин. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Новочеркасск,—1983,— 16 с.

65. Анисимов А.В. Устройства контроля положения скважины для систем автоматизированного управления направленным бурением. Дисс. . канд. техн. наук. Новочеркасск, —1996,— 207 с.

66. Воробьев Е.И., Попов С.А., Шевелева Г.И. Механика промышленных роботов. Кн. 1; Кинематика и динамика. М.: Высшая школа, 1988,-—304 с.

67. Левитская О.Н.,. Левитский Н.И. Курс теории механизмов и машин. М.: Высшая школа ,1985,—279 с.

68. Борщ-Компониец В.И., Гудков В.М., Николаенко В.Г. Маркшейдерское дело— М.: Недра, 1979. — 501 с.

69. Щепетков С.А. Принципы построения систем пространственного движения горных машин для подземных роботизированных технологий." : Дисс. . докт. техн. наук.—ИЛИ—Шахты, 1990—438 с

70. Борщ-Компониец В.И., Федоров Б.Д., Колесникова М.В. Основы геодезии и маркшейдерского дела.— М.: Недра, 1981.—304 с.

71. Климухин А. Г. Начертательная геометрия. Учебник для вузов— М.: Стройиздат, 1978— 334 с.

72. Лиманов Е.А., Страбыкин И.Н., Елизаров М.И. Направленное бурение разведочных скважин.— М.: Недра, 1978.— 223 с.

73. Вострокнутов Н.Г., Евтихиев Н.Н., Информационно-измерительная техника (теоретические основы).— М.: Высшая школа, 1977.—232 с.

74. Куликовский. К.Л., Купер В .Я. Методы и средства измерений.—М.: Энершатомиздат, 1986. —448 с.

75. Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин.— М-Л.: Энергия, 1966.— 600 с.

76. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: методы измерений.—Л.: Энергоатомиздат, 1987. — 320 с.

77. Атамалян Э.Г. и др. Методы и средства измерения электрических величин.^— М.: Высш. школа, 1974.— 200 с.

78. Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения.— М.: Энергия, 1975. — 600 с.

79. Галахова О.П. и др. Основы фазометрии.— Л.: Энергия, 1976.— 256с.

80. Соловов В.Я. Фазовые измерения.— М.: Энергия, 1973.—120 с.

81. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.—М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981.—512 с.

82. Горбунов А.И. Измерение углов отклонения бурового снаряда с использованием опорного сигнала: Тр. 2-ой Междунар. конф. // Новые технологии управления движением технических объектов.— Новочеркасск: ГОРГТУ, 1999.—С. 150-152.

83. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы.— М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1966,— 228 с.

84. Каплан. И.А. Практические занятия по высшей математике Часть 3. Интегральное исчисление функций одной независимой переменной. Интегрирование дифференциальных уравнений.— Харьков, 1965.—274 с.

85. Горбунов А.И. Математическое описание движения копира в универсальном датчике при измерении угла наклона. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1999. №4. С. 28-29.

86. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы. Под ред. И. Г. Араманови-ча,— М.: Наука, 1973.— 832 с.

87. Вирченко Н.А., Ляшко И.И., Швецов К.И. Графики'функций. Справочник.— Киев: Наук, думка, 1979.—320 с.

88. Токхейм Р. Основы цифровой электроники. Пер. с англ.—М.: Мир, 1988.—392 с.

89. Mathcad. Руководство пользователя Mathcad 6.0. Mathcod PLUS 6.0 — М.: Информационно-издательский дом Филинъ, 1997.-712 с.

90. Новопашенный Г.Н. Информационно-измерительные системы.— М.: Высш. школа, 1977.—208 с.

91. Ильин В.А. Телеуправление и телеизмерение.— М.: Энергоиздат, 1982.—560 с.

92. Бриндли К. Измерительные преобразователи. Справочное пособие: Пер. с англ.— М.: Энершатомиздат, 1991.—144 с.

93. Грубов В.И.,. Кирдан B.C., Козубовский С. Ф. Справочник по ЭВМ,— Киев.: Наук, думка, 1989.— 301 с.

94. Цветков. Э.И. Процессорные измерительные средства. —JL: Энер-гоатомиздат, 1989.—224 с.

95. Самофалов К.Г., О.В. Викторов. Микропроцессоры. Б-ка инженера, 2-е изд., перераб. и доп.—К.: Тэхника, 1989.—312 с.

96. Мячев А.А. Мини и микро ЭВМ систем обработки информации. Справ.— М.: Энершатомиздат, 1991.—304 с.

97. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных, устройств—JL: Энергия, 1968.—248с.

98. Юревич Е.И. Теория автоматического управления.—Л.: Энергия, 1969.—375 с.

99. Егоров В.В. Основы теории автоматического регулирования.— М.: Энергия, 1967,—648 с.209

100. Аксенов А.И. и др. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Диоды. Транзисторы. Справочник.— М.: Радио и связь, 1993.—224 с.

101. Тарабрин Б.В., Лунин Л.Ф., Смирнов Ю.Н. и др. Интегральные микросхемы. Справочник, 2-е изд., испр.—М.: Энершатомиздат, 1985.—528 с.

102. Заморин А. П., Марков А. С. Толковый словарь по вычислительной технике и программированию Основные термины.— Киев: Изд-во УСХА, 1989.—221 с.

103. Черник Г.В. Микропроцессоры сельского профиля.— М.: Агро-промиздат, 1988.—256 с.

104. ПО. Кузин Ф.А. Кандидатская диссертация. Методика написания, правила оформления и порядок защиты. Практическое пособие для аспирантов и соискателей ученой степени.- М.: Ось-89,1997,

105. Дровников А.Н. Адаптивные структуры механизмов и машин. -Изд-во Ростовского университета, 1984. 128 с.

106. Правила безпеки у вугшьних шахтах. Киев: Вво «Основа», 1996.