автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Инклинометрические преобразователи для систем управления бурением наклонно направленных и горизонтальных скважин

РГЗ о л

1 6 ад 1353

На правах рукописи

МИЛОВЗОРОВ Георгий Владимирович

ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ БУРЕНИЕМ НАКЛОННО НАПРАВЛЕННЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН

Специальность 05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

УФА 1998

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете

Научный консультант:

заслуженный деятель науки Республики Башкортостан, доктор технических наук, профессор В.Г.Гусев

Официальные оппоненты:

лауреат Государственной премии, доктор технических наук, профессор В.Г.Домрачев

заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Р.Х.Гафиятуллин

заслуженный деятель науки и техники Республики Башкортостан, доктор технических наук, профессор Ю.Д.Коловертнов

Ведущая организация:

Институт геофизики Уральского отделения Российской Академии Наук (г. Екатеринбург)

Защита состоится « » Л&рУЧ 1998 г. в » часов на заседаш

диссертационного совета Д-063Л7.02 Уфимского государственного авиационного технического университет по адресу: 450000, Уфа-Центр, ул. К. Маркса, 12, УГАТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан « ^ » Р 1998 г.

Ученый секретарь л

диссертационного совета Г.Н. Утляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность.

Повышение эффективности наклонно направленного, кустового и получившего в последние годы мощное развитие горизонтального бурения зависит от оптимизации технологических процессов, обеспечивающих проводку скважин с максимальной скоростью в заданный «круг допуска» или в продуктивный пласт. При этом контроль параметров бурения имеет важное значение в плане автоматизации режимов и создания автоматизированных систем управления (АСУТП-бурение). Наряду с контролем таких параметров как нагрузка на долото, частота вращения породсразрушаюгцего инструмента и др., первостепенное и наиважнейшее значение имеет контроль угловых параметров пространственной ориентации бурового инструмента, обеспечивающий проходку по требуемой траектории в соответствии с проектным профилем скважины. Данную задачу решают с помощью инклинометрических преобразователей (ИнП) - устройств, позволяющих измерять азимут, зенитный угол и визирный угол (угол положения отклонителя бурового инструмента в апсидальной плоскости). Известные ИнП магнитомеханического типа КИТ, МИР-36, СП7СТЭ с потендиометрическими датчиками, выпускавшиеся ранее серийно, имеют низкие точностные характеристики (+ 1-1,5 град, по зенитному углу и ±4,5-7,5 град, по азимуту) и низкую надежность конструкции скважинного прибора. Более перспективные разработки последних лет - ИН1-721 (с кабельным каналом) и ЗИС-4 (с электромагнитным каналом связи), в которых в качестве датчика азимута использованы горгоонтируемые феррозонды, обеспечивают повышенную точность измерений по сравнению с мапштомеханическими. Однако при технологических процессах сборки и настройки подобных ИнП требуется проведение тщательных регулировочных операций. Кроме того большие габаритные размеры скважинных приборов ИН1-721 и ЗИС-4 не позволяют их

применять при так называемой «зарезке» боковых стволов в заброшенных скважинах при восстановлении старого фовда.

Анализ известных разработок и работ, проводимых в области инклшкшетрии, показывает, что в последние годы ведущими зарубежными фирмами и отечественными организациями предпринимаются значительные научные, технические и организационные усилия в следующих направлениях:

• создание автоматизированных систем управления для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин, а также для восстановления старого фонда путем разбуривания вертикального участка и применения горизонтальных технологий;

• разработка и создание забойных телесистем с кабельным, гидравлическим и электромагнитным каналами связи;

• исследование, разработка и создание инклинометрических преобразователей, удовлетворяющих предъявляемым к ним требованиям со стороны систем управления бурением.

Несмотря на существенные успехи, достигнутые в данных направлениях на сегодняшний день, создание автоматизированных систем управления техпроцессом бурения находится на стадиях исследований, доводки и совершенствования. Одним из сдерживающих факторов до недавнего времени являлось отсутствие инкликсметрических преобразователей, обладающих малыми габаритами (диаметр охранного кожуха скважшшого прибора 48 мм и менее) и обеспечивающих при этом повышенные точностные показатели как в статическом режиме измерений, так и в условиях воздействия вибрационных и ударных возмущений, сопровождающих процесс бурения.

Известны многочисленные отечественные и зарубежные публикации, посвященные теоретическим и практическим аспектам проблемы создания инклинометрических преобразователей и АСУТП-бурение. Фундаментальные основы в области автоматизации бурения и создания телесистем имеют работы Алиева Т.М., Гасанова И.З., Гафшпулдина Р.Х, Козловского Е.А., Литвинова С.Я., Мелик-Шахназарова А.М., Молчанова А.А., Саркисова И.К..

Тер-Хачатурова A.A., Чепелева В.Г. Хорошие перспективы имеют исследования Васильева В.И., Кагарманова Н.Ф., Емельянова Д.В., Быстрикова С.К., Пейсикова Ю.В. и др. Наиболее перспективным направлением в области инклиномегрии является разработка и исследование ИнП с феррозоидовыми датчиками. Концептуальный базис в данном направлении составили работы Ковшова ГЛ., Пономарева В.Н., Сергеева АН., Рогатых Н.П., Лаврова Б.В., Солониной H.H., Исаченко В.Х., Салова ЕА и др. Вопросы виброустойчивости, вибро- и ударопрочносга инклинометрической аппаратуры исследованы в достаточно полном объеме и при этом получены вполне удовлетворительные результаты. Однако вопросы уменьшения габаритного диаметра скважинного прибора ИнП и обеспечения при этом повышенных точностных показателей являются предметом проводимых интенсивных исследований на протяжении ряда лет среди исследователей и разработчиков инклинометрической аппаратуры. При решении данной проблемы достигнуты гастные результаты в плане теоретических и экспериментальных исследований. Эбщая теория инклинометрии получила развитие в области моделирования шкчивометрических преобразователей, исследования динамических йрактеристик, математического описания традиционных кинематических схем гервичных преобразователей ИнП. Однако в настоящее время необходимы (бобщенный концептуально и теоретически обоснованный подход к решению ипуальной проблемы создания ИнП и систематизированное исследование в вправлениях уменьшения габаритных размеров скважинвдх приборов и 'беспечения повышенной точности измерений путем использования рехкомпонентных феррозондовых преобразователей азимута (ФПА) и реобразователей зенитных и визирных углов (ГОВУ), а также применения гггоритмической коррекции погрешностей.

Основания для выполнения работы.

Диссертационная работа связана с выполнением следующих бщегосударственных задач, целевых комплексных программ и тематических граслевых планов.

1. Приказ министерства геологии СССР № 149 от 17.04.81 «О мерах по техническому перевооружению и улучшению организации буровых работ на нефть и газ».

2. Постановление Совета Министров СССР «О мерах по развитию нефтяной и газовой промышленности на континентальном шельфе СССР на 1980-1985 годы».

3. Задание 09 целевой комплексной научно-технической программы О.Ц.005 по постановлению Государственного комитета СССР по науке и технике и Госплана СССР№ 515/271 от 29.12.81г.

4. Задание 02.03 целевой комплексной научно-технической программы 0Д007 по постановлению Совета Министров СССР № 654 от 15.07.83 г.

5. Задание 02.03 научно-технической проблемы 0.05.07 по постановлению Государственного комитета СССР по науке и технике и Госплана СССР № 223/140 от 07.07.81 г.

6. План-график аппаратурных разработок, обеспечивающих проведете исследований Кольской сверхглубокой скважины СГ-3, утвержденный 05.11.79 начальником Управления геофизических работ Мингео СССР.

Г.П. 5

7. Тема Мингео СССР I---3-8/601-80 «Кольская автономная аппаратура

(6) _ СГ-3».

Г.П. 5

8. Тема Мингео СССР XI----105-1/686 -81 «Усовершенствование методики

применения инклиномегрических измерений в Кольской сверхглубокой

скважине».

Г.П. 5

9. Тема Мингео СССР XI-96-3/539-85 «Разработка феррозондовых

101(11)

датчиков для инклинометров».

Г.П.5

Ю.Тема Мингео СССР XI--- 104-4/683-82 «Разработка комплекса датчиков

101

для измерения забойных параметров, средств привязки измеряемых величин к

глубине и математического обеспечения для системы ПРОГНОЗ».

11. ТемаМингео СССР № 422Б « Разработать цифровые скважинные приборы для каротажа рудно-угольных скважин, входящих в состав аппаратурно-методическсго комплекса АМК «ПОИСК», предназначенного для исследования скважин, бурящихся с гидротранспортом керна».

12. Тема Мингео СССР № 464 « Изготовить и внедрить разовую партию цифрового феррозондового инклинометра с непрерывной регистрацией ИФ-60 для нефтяных и газовых скважин и разработать метрологическое и методическое обеспечение на основе автоматизированной системы программирования наземных пультов ИФ-60».

13. Тема № 250-80 плана новой техники и технологии управления промысловой и полевой геофизики Миннефтепрома.

Диссертация связана также с выполнением ряда научно-исследовательских хоздоговорных работ и договоров о творческом сотрудничестве, проводившихся под научным руководством и при непосредственном участии автора в 1979-1997 гг. ( Х/Д 3-09-81, 3-12-81, АП-ИТ-02-97-ХГ, АП-ИТ-03-97-ХГидр.).

Цель и задачи работы. Цель работы • теоретическое обобщение и разработка научно обоснованных технических решений, совокупность которых тезволкла бы решить важную научно-техническую проблему создания новых шклинометрических преобразователей с улучшенными метрологическими и жсплуатационными характеристиками и усовершенствования известных для ;истем управления бурением наклонно направленных и горизонтальных жважин.

}ля достижения указанной цели в работе были поставлены и решены ледующие основные задачи. Анализ состояния вопроса и определение наиболее перспективного направления в области разработки и создания инклинометрических преобразователей.

• Развитие теории инклинометрш и разработка обобщенных статических математических моделей ИнП, учитывающих угловые параметры отклонения осей чувствительности первичных преобразователей от осей опорных базисов.

• Анализ влияния инструментальных погрешностей на точностные характеристики ИнП.

• Разработка концепции обеспечения повышенной точности ИнП па основе многоуровневой алгоритмической коррекции погрешностей ИнП и создания комплекса программного обеспечения.

• Разработка, создание и проведение комплекса экспериментальных исследований и скважинных испытаний ИнП, основанных на трехкомпоненгных ФПА, ПЗВУ маятникового типа и ШВУ с акселерометричеекими датчиками, и подтверждение адекватности обобщенных математических моделей и эффективности алгоритмической коррекции погрешностей.

• Внедрение .. в промышленности результатов теоретических и экспериментальных исследований н созданных ИнП.

Методы исследований. Теоретические исследования проведены методом математического моделирования с применением векторно-матричного аппарата, элементов теории кватернионов и общей теории погрешностей. При разработке программного обеспечения и моделирования на ЭВМ использованы «Turbopascal» и «Delphi». На этапах линеаризации статических характеристик первичных преобразователей использованы методы кусочно-линейной аппроксимации и разложения погрешностей в ряд Фурье. При экспериментальных исследованиях применены методы статистической обработки результатов измерений.

На защиту выносятся: L совокупность обобщенных статических математических моделей ИнП, учитывающих углы отклонения осей чувствительности первичных преобразователей от осей опорных базисов, из которых следуют как частные

решения модели известных ИнГГ, а также впервые полученные модели феррозондовых ИнП и ШВУ на основе одностепенных маятников; 2 концепция повышения точности ИнП, в основу которой положена многоуровневая алгоритмическая коррекция погрешностей ИнП, включающая линеаризацию статических характеристик первичных преобразователей и учитывающая углы отклонения осей чувствительности первичных преобразователей от осей опорных базисов; ¿.метод математического моделирования маяттковых ПЗВУ, основанный на введении в общие векгорно-магричные уравнения и в результирующие кватернионы дополнительных матриц и кватернионов, соответствующих отрицательным плоским поворотам базисов, связанных с маятниками, при их ориентации по вектору силы тяжести;

метод автоматизированного итерационного варьирования углов отклонения осей чувствительности первичных преобразователей от осей опорных базисов;

& новый подкласс ПЗВУ\ построенных по кинематическим схемам трех одностепенных маятников с датчиками угловых перемещений, которые обладают структурной и информационной избыточностью и обеспечивают повышенную точность измерений в расширенном диапазоне зенитного угла за счет дискретизации диапазонов измеряемых параметров и селективного выбора сигналов с двух датчиков из трех по критерию наибольшего значения устанавливающего момента маятника в данных диапазонах; £разработанные, реализованные и внедренные ИнП, обеспечивающие повышенные точностные показатели за счет практической реализации многоуровневой алгоритмической коррекции погрешностей, в том числе теоретически обоснованный, разработанный, созданный и экспериментально исследованный первый отечественный образец ИяП на основе трехкомпонентного феррозондового магнитометра и ПЗВУ с акселерометр ическими датчиками.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней развита теория инклинометр ии и исследованы инклинометрические преобразователи различных типов. Созданы оригинальные ИнП, обладающие улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками по сравнению с известными техническими решениями.

С использованием векторно-матричного аппарата и элементов кватернионной алгебры впервые получены обобщенные статические математические модели ИнП. Они учитывают комплекс угловых параметров отклонения осей чувствительности первичных преобразователей от осей опорных базисов. Из полученных обобщенных моделей как частные решения получаются базовые модели известных ИнП, а также ранее не известные модели феррозондовых ИнП, построенных по комбинированным кинематическим схемам, и ПЗВУ на основе одностепешшх маятников.

При математическом моделировании маятниковых ПЗВУ впервые предложено ввести в общие векторш-матрнчные уравнения и в результирующие кватернионы дополнительные матрицы и кватернионы, соответствующие отрицательным плоским поворотам, базисов, связанных с маятниками, при их ориентации по вектору силы тяжести. Данный подход позволяет непосредственно получать статические математические модели маятниковых ПЗВУ без синтеза и анализа их динамических моделей.

Получены аналитические выражения и выполнен комплексный анализ инструментальных погрешностей, позволивший изучить характер их распределения по диапазонам измерений, осуществить оценку предельных значений и выявить параметры, оказывающие доминирующее воздействие на точность измерений.

На основе полученных обобщенных моделей разработана концепция повышения точности путем многоуровневой алгоритмической коррекции погрешностей, включающая линеаризацию статических характеристик первичных преобразователей и учитывающая угловые параметры,

обуславливающие инструментальные погрешности ИнП. Предложен метод итерационного варьирования угловых параметров, позволяющий определять автоматизированным путем их численные значения по критерию минимума систематической погрешности.

В разработанном подклассе ГОВУ, основанных на кинематических схемах трех одностепенных маятников, впервые показано, что повышенная точность измерений в расширенном диапазоне зенитного угла обеспечивается за счет дискретизации диапазонов измеряемых параметров и селективного выбора сигналов с двух маятников из трех по критерию наибольшего значения устанавливающего момента маятника в данных диапазонах.

Практическая иепностъ результатов состоит в том, что непосредственное их применение позволило создать ИнП с улучшенными метрологическими и эксплуатационными показателями.

Разработанные обобщенные математические модели позволили осуществить синтез алгоритмов вычислений искомых углов по измеренным сигналам с первичных преобразователей ИнП и учесть малые угловые параметры, обуславливающие инструментальные погрешности. При реализации алгоритмической коррекции погрешностей из технологического процесса сборки, практически исключаются трудоемкие регулировочные операции, что позволяет автоматизировать процедуры экспериментальных исследований и метрологической аттестации и повысить точностные показатели аппаратуры. На основе полученных результатов разработан пакет прикладных программ, составляющий неотъемлемую часть разработки и промышленной эксплуатации ИнП как на этапе проектирования и исследования метрологических характеристик, так и при непосредственном применении инклинометрической аппаратуры в производственных условиях.

Предложенный подход в математическом моделировании маятниковых ПЗВУ, основанный на введении дополнительных членов в общие векторно-

матричные уравнения и в результирующие кватернионы, соответствующие обратным поворотам маятников, позволяет более эффективно осуществлять теоретические исследования подобных ПЗВУ без синтеза и анализа их динамических моделей.

Практическое применение совокупности полученных в работе результатов -позволило в итоге разработать, создать и внедрить ряд ИнП, обладающих малым диаметром охранного кожуха и обеспечивающих при этом повышенную точность измерений, в том числе первый отечественный образец ИнП с трехкомпонентным акселерометрическим датчиком. Разработаны и "исследованы маятниковые структуры ПЗВУ, в том числе преобразователь наклона ПН-1, который был использован при исследовании Кольской сверхглубокой скважины СГ-3 в составе комплексной аппаратуры АГАТ-10. Завершена ОКР по созданию непрерывного инклинометра ИФ-60 и ориентирующей установки УНЭИИП, по результатам которой изготовлены опытные образцы и проведена их ведомственная метрологическая аттестация. Разработано методическое и метрологическое обеспечение. Создана установка для настройки и экспериментальных исследований ИнП, превосходящая аналоги по совокупности технических характеристик.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований, созданы ИнП, представляющие собой охрано- и конкурентоспособные образцы техники с существенно улучшенными показателями.

Достоверность научных положений, выводов и результатов работы подтверждена экспериментальными исследованиями, завершенной ОКР и метрологической аттестацией опытных образцов ИнП и ориентирующей установки, скважинными испытаниями, а также внедрением и практическим использованием разработанных ИнП.

Внедрение результатов работы. Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических, экспериментальных исследований и практические разработки внедрены и используются в следующих организациях. 1 В АО НПП "ВЯИИГИС":

• преобразователь наклона ПН-1 в составе комплексной автономной аппаратуры АГАТ-10 для геофизических исследований Кольской сверхглубокой скважины СГ-3;

• инклинометр феррозондовый ИФ-60 с кабельным каналом связи;

• модуль инклинометра МЙФ248 в составе комплексной скважинной аппаратуры АКИПСМ8;

• модуль инклинометра МИФЗ-Зб ;

• модуль инклинометра МИФ-42 с ПЗВУ-А по схеме трехкомпонентного преобразователя с акселерометрическими датчиками;

• установка для настройки и экспериментальных исследований ЙнП УНЭИИП;

• феррозондовый блок пространственной привязки для сейсмической скважинной аппаратуры.

2. В АО НПФ "Геофизикаматематическое обеспечение и алгоритмическая коррекция погрешностей в инклинометре ИММН 36-100/60.

3. В АООТ "Удмуртнефть": инклинометрическая система НС-48; установка УНЭИИП-2.

4. В АО "Башнефтегеофизика": феррозондовые датчики в скважин пых расходомерах РГД-4 и РГД-5 (серийный выпуск более 250 комплектов);

5. Во "ВНИИКАНЕФТЕГА3": феррозондовые датчики в автономной инклинометрической аппаратуре сбрасываемого типа.

6. Во ВНИИПромстрой'. феррозондовые датчихи контроля раскрытия стыков трубопроводов подземных коммуникаций.

7. В НПО "Рудгеофязика": комплект эскизных чертежей малогабаритного инклинометра.

8. В учебном процессе УГАТУ : элементы теории ИнП на основе феррозондовых, маятниковых и акселерометрических датчиков используются при курсовом, дипломном проектировании и в лабораторном практикуме по курсу "Конструирование и технология средств ИИТ".

Апробация мботы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 27-х конференциях, семинарах, совещаниях, в том числе: "Маркшейдерско-геодезические работы при поисках, разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений" - семинар, Киев, 1981 г.; "Автоматика и вычислительная техника в нефтяной и газовой промышленности" - межвузовская научно-методическая конференция нефтегазовых вузов страны, Москва, 1982 г.; "Геофизическое приборостроение и метрологическое обеспечение геофизических работ" - всесоюзная научно-техническая конференция, Ленинград, 1982 г.; "Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерителыгой аппаратуры" - IV всесоюзная научно-техническая конференция, Ленинград, 1983 г.; "Информациошга-измеригельные системы МИС-83" - ГУ всесоюзная научно-техническая конференция, Куйбышев, 1983 г.; "Проблемы метрологического обеспечения научных исследований и учебного процесса в вузах" - всесоюзная научно-техническая конференция, Ленинград, 1984 г.; "Информационно-измерительные системы и точность в приборостроении" - конференция МИЭМ, Москва, 1984 г.; "Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР" -1 всесоюзная конференция, Москва, 1986 г.; "Разработка аппаратуры для промыслово-геофизических и геолого-технологических исследований на нефтегазовых месторождениях Западной Сибири" - областная научно-практическая конференция, Тюмень, 1987 г.; " "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" - всесоюзная конференция, Пенза, 1989 г.; "Информационно-измерительные системы" - всесоюзная научно-техническая конференция, Ульяновск, 1989 г.; "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик - 96)" - УШ научно-техническая

конференция с участием зарубежных специалистов, Гурзуф, 1996 г.; "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик - 97)" - IX научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов, Гурзуф, 1997 г.; « Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации» - всероссийская научно-техническая конференция, Уфа, 1997 г.

Публикшши по теме диссертации и личный вклад диссертанта. Результаты диссертационной работы непосредственно отражены в 88 публикациях, в том числе в 1 монографии, 17 статьях, 37 изобретениях, 24 трудах конференций, 6 научно-технических отчетах.

Структура диссертации. Диссертация состоит нз введения, шести глав, списка литературы из 490 наименований, заключения и приложения общим объемом 434 страницы. В работе содержится 118 рисуиков и 19 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе выполнен обзор и критический анализ известных отечественных и зарубежных работ и разработок в области инклинометрии, выполнена классификация йнП по ряду существенных признаков, приведены технические требования, предъявляемые к ИнП как к элементу системы управления бурением, определены наиболее перспективные направления развития инклинометрии и сформулированы задачи исследований. Рассмотрены концептуальные вопросы обеспечения повышенной точности измерений, основанные на алгоритмической коррекции погрешностей.

Управление процессом бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин является актуальной задачей, от успешного решения которой зависит повышение эффективности буровых работ и увеличение добычи при сведении к минимуму затрат на строительство скважин. Автоматизация процесса бурения неразрывно связана с оптимизацией проводки скважины в заданном направлении с максимальной скоростью. Наряду с

кошролем таких, параметров как нагрузка на долото, частота вращения породоразрушающего инструмента и др., первостепенное значение имеет контроль угловых параметров пространственной ориентации бурового инструмента, осуществляемый йнклинометрическими преобразователями. Поэтому ИнП является важнейшим элементом системы управления бурением, а точность проводки скважины по заданной траектории и затраты на искусственное искривление скважины в соответствии с проектным профилем, а также и точность ориентирования отклоннгеля при горизонтальном бурении и восстановлении старого фонда скважин, во многом определяются техническими характеристиками инклинометрической аппаратуры.

К ИнП предъявляются ряд технических требований, которые подразделяются ка метрологические, конструктивные и эксплуатационные. К основным из них относятся точность измерения, термобаростойкость, вибро- и ударопрочнссгь, габаритные размеры скважинного прибора. Работы по созданию ИнП проводят ряд отечественных научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций, го которых следует отметить АО Hl Iii «ВНИИГИС» (г. Октябрьский), НПФ «Геофизика» (г. Уфа), Уфимский государственный авиационный технический университет , Самарский государственный технический университет, НПГП «Гере» (г. Тверь), ВИТР (г. Санкт-Петербург), МИПО «Нефтегазавтоматака» (г. Москва), Московская академия нефти и газа, НПФ БУРИТ (г. Москва), НПО «Ротор» (г. Москва), УНЦ РАН и СОЭЗГА (г. Екатеринбург) и другие.

В ранних разработках ИнП широко использовались магнито-механические первичные преобразователи. Серийно выпускавшиеся до недавнего времени на Киевском ОЭЗГП ИнП типа КИТ, КИТ-А также основаны на потенциометрических преобразователях и электромеханическом устройстве арретирования. В ПГО «Уралгеология» был разработан магнитомеханический малогабаритный ИнП для рудно-угольных скважин МИР-36, предназначенный для контроля зенитного уг ла и магнитного азимута. В дальнейшем следует серия разработок магнитомеханических ИнП по улучшению и модернизации,

характеризующихся совершенствованием конструктивного исполнения первичных преобразователей. Ведущими в данном направлении необходимо признать В.О.Галета, НАБачманова и Ю.ТМорозова, А.Г.Малюга и В.Н.Есауленко. Известны работы В.Т.Маркова по усовершенствованию магнитомеханического инклинометра МИР-36, в результате которых сегодня освоен мелкосерийный выпуск малогабаритного кабельного прибора ИЭМ 3680/20 с реализованным методом гидроимпульсного арретирования и цифровой передачей данных. Магнитомеханические йнП характеризуются низкой надежностью конструкций и невысокой точностью измерений- зенитного угла ±0,5°, азимута ±4°.

Наиболее перспективным направлением в разработках ИнП явилось использование в преобразователях азимута магнитомодуляционных элементов -феррозондов. Опыт их применения в геомагнитной навигации и в магнитометрах при эксплуатации в нормальном магнитном поле Земли был впервые использован в разработках фепрозондюзых преобразователей азимута Шумилозским H.H. я Блажкевичем Б.Й. Применение феррозондов в ишслинометрии позволяет повысить точность измерений, надежность конструкции, уменьшить габариты и выполнить первичные преобразователи без подвижных элементов. Благодаря данным преимуществам феррозондовые ИнП получили широкое распространение в отечественных и зарубежных разработках. Известен ряд работ, посвященный применению в ИнП трехкомпонентных жестко закрепленных в корпусе феррозондовых геомагнитометров в качестве преобразователей азимута. Данный подход в технической реализации ФПА позволяет достигнуть наилучших результатов: малые габариты, отсутствие подвижных элементов, высокая точность и надежность. Известны работы в данном направлении Ю.В.Афанасьева, Л.Н.Жузгова, Г.Н.Ковшова, С.С.Крыкина, В.П.Регентова Н.М.Калабуковой, Э.ЕРезника, НЛ.Рогатых, ЛГЛеготана и В.ПЛупрова. Известны также работы и Р.А.Султанаева, Ю.Н.Кочемасова, С.К.Прищепова, А.Н.Сергеева,

ОДШтанько, выполнявших а разные периоды исследования совместно с автором.

Элементная база, используемая в преобразователях зенитных и визирных углов, входящих в состав инклинометряческой аппаратуры, является довольно обширной и разносторонней, основанной на различных физических явлениях, применяемых в измерительной технике. В основном это датчика углов положения и угловых перемещений, устанавливаемые на осях вращения карданных рамок и маятников. Наиболее удачным, массовым и перспективным направлением оказалось применение в НнП синусно-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ). В последние годы отечественными разработчиками уделяется большое внимание созданию и исследованию ПЗВУ с акселерометрическими датчиками, используемыми в ИнП дня измерений проекций силы тяжести. Основные базовые соотношения для таких ШВУ были получены Г.Н.Ковшовым.

Особое внимание уделяется созданию забойных телесистем. Наибольшее применение на сегодняшний день нашли системы СТЭ/СТТ магаитомеханического типа с проводным каналом связи и ЗИС-4 с электромагнитным каналом связи. За рубежом также уделяется большое внимание разработке, выпуску и эксплуатации инклиномегрической аппаратуры. Наиболее известны следующие ведущие фирмы: Gyrodata Inc. (США), Gearhart Owen (США), Küster Со (США), Sperry Sun (Великобритания), Azinbee (Франция), Geoservices (Франция), Eastman Christensen (ФРГ), Lentert (ФРГ), Robertson Geologing LTD (Великобритания), Smith International (США), Schhimbergen Anadrill (США). Известны также такие разработчики, как Humphrey Inc. (США), Collins Associates (США), Seeker (ФРГ), французский институт нефти, фирмы ОУО (Япония), ELGÎ (Венгрия), фирма CNPC (Китай) и др. Основные направления зарубежных специалистов в области инклинометрии сконцентрированы на создании забойных MWD- систем с использованием гироскопических, феррозондовых и акселерометрических

датчиков, работающих с кабельными, гидравлическими и электромагнитными каналами связи.

Основные тендеции в развитии юислинометрии направлены на повышение точности, уменьшение габаритных размеров и обеспечение работоспособности в условиях вибрационных и ударных перегрузок. В результате обзора и критического анализа известных работ установлено, что наиболее перспективным направлением на сегодняшний день в инклинометрии является создание ИнП на основе трехкомлокентного геомагнитометра, а обеспечение повышенной точности измерений необходимо осуществлять путем алгоритмической коррекции погрешностей.

Во второй главе рассмотрены различные математические методы теории пространственной ориентации твердых тел, выполнен их сравнительный анализ и обоснован выбор наиболее приемлемых методов применительно к задачам теоретических исследований инклинометрических преобразователей.

При общем подходе и постановке задачи моделирования ИнП использованы линейные преобразования основного базиса, связанного с

вектором ускорения свободного падения С и полным вектором напряженности

геомагнитного шля 7 .

Суть задачи математического моделирования ИнП сводится к классической задаче преобразования координат векторов б и Г1 при переходе от одного базиса к другому.

Сравнительный анализ известных методов показывает, что для задач инклинометрии наиболее удобно и целесообразно использовать теорию матриц и теорию кватернионов. Суть матричного метода заключается в составлении результирующего векторно-матричного уравнения, в котором каждому плоскому повороту соответствует своя матрица направляющих косинусов, с последующим сравнением элементов матриц конечного линейного преобразования от одной системы координат к другой соответственно в левой и правой части уравнения. При таком подходе можно сразу получать системы

скалярных уравнении связи измеряемых проекта вектора с его проекциями в основной исходной системе координат. А при решении обратной задачи игшшнометрии при соблюдении правил перемножения и преобразования матриц можно легко получить статическую математическую модель первичного преобразователя ИнП. Так, векторно-матричное уравнение, соответствующее последовательным плоским поворотам основного базиса Ио на азимут а вокруг оси OZ, на зенитный угол 0 вокруг оси ОУ и на визирный угол <р вокруг оси 02, записывается в виде (1).

т8з = (г) ■л з (г)' А а (г)'т ко ■ М

При рассмотрении проекций вектора (5, например для ПЗВУ-А с акселерометрнческими датчиками, векторно-матричное уравнение имеет следующий вид:

Применение параметров Родрига-Гамильтона и Кейли-Клейна, основанных на теории конечного поворота твердого тела, неизбежно приводит к гиперкомплексным числам - кватернионам вида:

Л -(л0,А1,Лг,А3) = А0'1 + А1-/1+А2- ¡2 + А3 ■ г3. (3)

Теорема, в соответствии с которой линейные преобразования базисов изменяют лишь векторную часть кватерниона, устанавливает связь проекций вектора в основном: и во вновь образованном базисах посредством следующей системы уравнений:

г\ = (д* г, +2 (я, А2 - А» А э)т2-

+ 2(А1 А з + А „ А2)-г3 , ^

|-; = 2(А, А, +А, А3).г1 + 2+ -¿?-А|)-Г2 +

+ 2(Я2Л3-Л0А1)г3, г '3 = 2(Л, А з - Я0 Аг)-/-, +2 (А 2 А, + А„ А,)-г2 +

+ (А20 + А|-А12-А*)т3

где h - есть компоненты результирующего кватерниона, определяемого произведением кватернионов, соответствующих отдельным плоским поворотам

л? = л „(z)oAe(r)oA<p(z) =

( а . . а\ ( 0 . . 9\ ( <? . . <?Л' = cos— + 1-, ■ sin — о cos—ь /, • sin — о cos — + 7, • sin —

I 2 3 7) \ г 2 г) I 2 3 г) При теоретическом исследовании инструментальных погрешностей ИнП определенный интерес представляют метод малых вращений и кватернионы малых поворотов. Сущность метода малых вращений основана на теории малых поворотов твердого тела, согласно которой малые вращения можно изображать векторами, направленными по соответствующим осям вращения. Совокупность малых вращений независимо от их последовательности можно заменить одним поворотом, вектор которого равен геометрической сумме векторов отдельных вращений. Изменение порядка в последовательности малых вращений твердого тела сказывается лишь на слагаемых второго порядка малости, которыми в первом приближении можно пренебречь. В целом суть метода малых вращений при решешш задач инклидаметрии сводится к развитию матричного метода, при котором преобразующая матрица малых поворотов представляется в виде суммы единичной матрицы и матрицы бесконечно малых вращений. Аналогично кватернион малого поворота сводится к рассмотрению

Av

кватернионов вида ЛЛ-1 + С— .

В последующих разделах работы в зависимости от конкретной кинематической схемы ИнП, задачи моделирования и анализа погрешностей применяется тот или иной из выше рассмотренных методов.

В третьей главе рассмотрены вопросы математического моделирования и исследования погрешностей преобразователей зенитных п визирных углов на основе одностепенных маятников и акселерометрических датчиков. Получены обобщенные статические математические модели ПЗВУ, приведены аналитические выражения инструментальных погрешностей, выполнен их комплексный анализ.

Одним из наиболее перспективных вариантов построения ПЗВУ является схема трех жестко закрепленных акселерометров (рис.1), оси чувствительности которых ориентированы по осям опорного базиса Яо (ОХоУо^). Назначением

такого ПЗВУ-А является измерение трех проекций вектора С. При математическом моделировании ПЗВУ-А использован метод кватернионов. При этом последовательным плоским поворотам основного базиса на углы в и <ру а также на углы 8„ О} и % отклонения осей чувствительности акселерометров А1, А2 и АЗ от осей базиса Ло (ОХоУо^), соответствуют выражения для результирующих кватернионов и для каждого из измеряемых сигналов с акселерометров:

ЛА1 55 Л6{т) оЛИ2) оЛх(г) оА&(у)

Ла От ■■ (6)

Аз = Лвщ оЛ^) оЛ^г) Сг = С^* + <72 • — ауву

В результате необходимых преобразований впервые получены обобщенные статические математические модели ПЗВУ-А, выражения инструментальных погрешностей Л(р и АО и выражения их предельных значений:

<р = А гЩ в = АгсЦ

ог -

-вх+Х вг - дх-02

{Ог - + <Т1

Аф - в •созср - дх -5/и^ + %-зт2 ср Ав — сол20у8х-созр -1- 5у • - ~ %-зт29-$1гй<р +

+ л'1П2в(а1 -$т<р + сг2 -со5^>)

«М+Ы

(7)

(8)

\А<р\ < {81+6гу

I О-? + С722

\*т2в\

(9)

Из полученных обобщенных моделей следуют как частные решения при нулевых значениях 0} и % известные базовые модели для ПЗВУ-А. Разработана методика экспериментального определения численных значений

4 Щ таХ-

Разработан новый подкласс ПЗВУ на основе трех одностепенных маятников, обладающих структурной и информационной избыточностью, в которых повышенная точность измерений в расширенном диапазоне наклона обеспечивается путем селективного выбора сигналов с двух маятников из трех по критерию наибольшей эффективности их устанавливающих моментов. На рис.2 представлены кинематические схемы трехмаятниковых ПЗВУ-1 и ПЗВУ-2. При математическом моделировании маятниковых ШВУ предложено введение в общие векторно-матричные уравнения и в результирующие кватернионы дополнительных элементов, соответствующих отрицательным

поворотам маятников при их ориентации по вектору силы тяжести, что позволяет без синтеза и анализа динамических моделей непосредственно получать их статические математические модели.

Для маятников ПЗВУ-1 векторно-матричные уравнения имеют вид: - л -1

СЯ4 - А }1(хуА<7(гуАр(гул<р(гуАв(гусио

-1

^¿и ~ л р 2 (г)'Аг (¿у л<Р (г)' л в (г)' Чяо

вяз = А рз (гу А х (х)' Ае (г)' А Р (/)'А в (г)'ско

(10)

■ I0" • 0 Ъ> Ур"

Г4 0 х, 1 Ъ, г

А

к)

-Ш ■ИМ

шм

ПЗВУ-1

ПЗВУ-2

У- Рис.2. Кинематические'схемы ИЗВУтГи ИЗВУ-2

из которых для небольших углов наклона (0 5 45°) следуют обобщенные модели, выражения инструментальных погрешностей и их предельных значений:

¡р = arctg

геРг-г^МгР г

в = агс/£л//г2Р\ + Рг -(<г + р1гР1+у!8Р1)

¡Д0|<О,25|<х|+-^ д/^+Г

; (И)

(12)

При больших углах наклона визирный угол определяется по измеренным

. Далее

сигналам с третьего маятника (p = arctg(tgPъ)-arclg

иг -е

осуществляется дискретизация визирного угла на два диапазона -<р е (0+45°, 135=4225°, 3154360°) и р е (45°-И35°: 2254315°). В первом

диапазоне зенитный угол определяется выражением (13):

_■ <13>

9 ! =агс1%-

' и -

°иг-е

+ Г -Ш

и, - I

и.

Во втором диапазоне зенитный угол определяется аналогично по известному значению визирного угла и измеренному углу поворота первого маятника.

Выражения инструментальных погрешностей и их предельные значения имеют вид (14):

А<р=-—(Асо5р-е!тд>)

А&, ^^фсо^в^Хтф+есохф+уакф ^вц=c^gфcosl6\Xsin<p+ecos<p-tg9{v+ptgвsin<p)\

¡Аф^+г2

Щ^гУ

,(14)

Для ПЗВУ-2 общие векторно-матричные уравнения имеют зид: А }\(хуА г'1(гуА 9>{г)'А в{тусяо &п = А ~р2(х)'А б2(гуА ¥&уА в{гуО яо

ст ~ А ~/з(хуА зз(гуА х,(.г)'А с (2)'А в(туСг лв

Дискретизация диапазона <р осуществляется следующим образом: первый диапазон 0н-30°; 1504210°; 330°н-360°; второй диапазон 30°-ь90°; 210o-f-270°; третий диапазон 90°-г150°; 270°ч-330°.

Для первого диапазона обобщенные модели и выражения инструментальных погрешностей имеют вид:

~ШРг -tgPi+jA-tgPitgPMi-62Ухг'8Р>-ХзЪР2] л6)

ipj =arctg—-----

-jftgPi-tgPiYtgPi ■tgP,(s2+^)-zitgP!-x3i^2

в, Pi +ЧР2IgPs-<t^P^'SlhttPiiz: - X> +^2lgP2-S3tsp2)

2

A = -J=[c0№ sinif/[S3 • tgOsim) + %)+ cosy/ silW){82tge siny/ + 2)] k9l---j^siril6simi/sina^Xi ~ Хъ +tgd(S2siny/~ S^sina>)]

(17)

Аналогично получены выражения для второго и третьего диапазонов.

В данной главе для ГОВУ-А, ПЗВУ-1 и ПЗВУ-2 представлена также графическая интерпретация инструментальных погрешностей, когорая дает наглядное представление о характере их распределения по диапазонам измеряемых углов. Выполнен комплексный анализ погрешностей ПЗВУ и выявлены угловые параметры, оказывающее доминирующее воздействие на точностные показатели ПЗВУ в конкретных диапазонах вир.

В четвертой главе рассмотрены вопросы математического моделирования и исследования погрешностей инкдинометрических преобразователей, построенных на основе феррозондовых элементов. Приведена обобщенная структура феррозондового ИнП, получены обобщенные статические математические модели ФПА, ФГОУ и ФПВУ, представлены аналитические выражения инструментальных погрешностей и выполнен их комплексный анализ.

Анализ известных принципов построения ИнП на основе феррозондов показал, что обобщенную структуру можпо представить в виде осевой системы

ортогональных феррозондов, три го которых жестко закреплены в корпусе, три установлены на внешней рамке-маятнике и три- на внутренней, причем жестко установленные феррозонды и установленные на внутренней рамке используются в известных технических решениях как преобразователи азимута, а феррозонды на внешней рамке- как преобразователь зенитного угла (рис.3). Результирующие кватернионы, соответствующие преобразованиям основного базиса, для каждой триады феррозондов имеют вид:

^Г1=Ла(г)оЛв{г)оЛ^

=Ы, оЛ^(2) =Ла(г) оАе{1] оЛр(2) ОК1т ; (18)

N/11 оЛ}14(Г) =Ла(2)оА<3(Г)°Л [<р-Щ(2)оЛГр\{Г) •

Кинемагаческая схема с горизонтируемыми феррозондами на внутренней карданной рамке исследована в достаточно полном объеме. Наибольший интерес представляют схемы с тремя КС-3 - с тремя жестко закрепленными феррозондами и КС-2 - с тремя феррозондами, расположенными на внешней карданной рамке.

Для ФПА-КС-3 (рис.4) базовые статические математические модели получены Ковшовьм Г.Н Были предприняты попытки Сергеевым А.Н. в теоретическом исследовании инструментальных погрешностей ФПА, а Рогатых Н.П. - в исследовании возможностей определения визирного угла.

С целью обобщения и систематизации полученных ранее результатов по исследованию схемы КС-3, а также выявления новых возможностей и закономерностей, рассмотрим данную схему феррозондового НнП с точки зрения более углубленного исследования.

Общие векгорно-матричные уравнения и выражения для каждого из сигналов с феррозондов имеют вид:

Тхз ~^хз~ Х^уз + д хТгз

туз=т;3-бут;3 [,.(19)

ГП _ ГГ< * Т»* гт-1*

1гз ~1гз ~ег21хз + и11тз

Ткзу^ёПХ} А <¡>{2} Ае(Г)

ТШ ~А а ИХ) Л<т2(У) А<р{Щ А9{Г) Ла[Щ ? ВО

Решением данной системы векторно-матричных уравнений относительно углов ОС, в\\ ф являются следующие обобщенные статические математические модели для ФПА-КС-3, ФПЗУ-КС-З и ФПВУ-КС-З:

Рис,4. Схема ФПА-КС-З

f -{Т'хг-Z Тт\ + 5Х т;Лпа<р-

arcíg\ у-i-г----г-=-

[[(^з ~ X хТп)ао*<р-[т;з -8 { T"zí)útl pjcos0 +

~{TTi~S Т Т 23) C0S 9

ífr;,-;

<¡> = arctg

(Гл-^^^Г^зтя^Г'-г, г;з)(соза cos&-XTtí-st T'2})sin a-(t'X3-zTj'3+Sz Ггз)( cosa cos0- ^1) -tgS sing ) 1

- tg9 sin 0 ) J'

r;3+a, T$ma-tg9 [fc-X T'n +Sx Т'Лжр-

0=arctg\)-(-¡U-¿-

(\'П, - ^ пз + CT, r;3) tg$+cosa[(T'x}-z т;з + 6 x т;,) cosp-

-{Тп~5тТ^ш9} I (22)

-{Гп-8тГп)ш<р\ J'

из которых при известных константах 8, ,у Х> ® 1 и сг? и измеренных сигналах Тхз, Туз, Тгз следует, что для однозначного определения:

- азимута необходимы измеренные значения зенитного и визирного углов;

- зенитного угла необходимы измеренные значения азимута, визирного угла и угла магнитного наклонения V;

- визирного угла необходимы измеренные значения азимута, зенитного угла и угла магнитного наклонения О

Предельные значения погрешностей имеют ввд:

JL

I cos .9

IAa\<L , ^п Алт \ + \jl + tg23 \\A9\ + \tga\\A6\, ¡eos L j

(23)

+ ^ \\jATj + (24)

| А91 < ¡V1 + 1Я2д ¡(| АТг | +УАТХ2 + А Т/1 +1А <р | ) + + (25)

Одним из вариантов построения ФПА с жестко закрепленными феррозондами была предложена «неортогоиальная» установка двух феррозондов - Тх и Ту ориентированы под углом £ к продольной оси корпуса. Такая компоновка ФПА

позволяет выполнить диаметр охранного кожуха ИнП меньшим линейного размера самого феррозонда. Результирующие кватернионы для каждого из феррозондов данного варианта ФПА имеют вид:

(26)

N х = Л Л *\г)

Мт = А а (2)° Л « С) °Л * (г) ° А

Кг = N ; =А в Й°Л8 (Г) ° А Ч> (г)

а базовая статическая математическая модель определяется выражением d-arag

-Тхз шю-Тгзст»ю\Т7_, ли¿,шпд>+ооЕ<р)

Т х} ссб <р-Тгзяп ссб в-Т¿3 всовв-ссввше (санр-звг

В результате анализа погрешностей в рассматриваемом варианте ФПА и в ФПА-КС-3 установлено, что «неортогональная» ориентация феррозондов с сигнала.™ Тх и Ту при фиксированном значении угла £ не оказывает влияния ка предельное значение абсолютной погрешности определения азимута.

а7

а

'■Г

-ч/

1 / х—

/

¿Г.

* 7 А %

гту

, т./

Рис.5. Кинематическая схема и источники инструментальных пофешностей феррозопдового ИнП тю кинематической схеме КС-2

Для феррозондов в схеме КС-2 (рис.5) результирующие кватернионы имеют вид:

л* Л 0 -Л„(2)

Л у А 0 "Л» ОД АЛгу(х)

Л/ » 0 -к (г)

в соответствии с которыми обобщенные статические математические модели ФПА-КС-2 и ФПЗУ-КС-2 определяются следующими выражениями:

[__К-Л ту)

а = агс1%1 --1--

[[г;-{А/31 + %)Гг'+ёхГг]^а + {Г1-о2Т^с1Т1Утв\ 9 - агс1"{ т-г--И---rJ-

(29)

(30)

а предельные абсолютные погрешности имеют вид:

\cos8

Ш<-

2 +М4

\АЦ

|а»5|'

(31)

В результате детального анализа полученных ранее выражений установлено, что возможно построение унифицированных феррозондовых ИнП по комбинированным кинематическим схемам (рис.6). Получешше обобщенные статические математические модели для ФПВУ-КС-А и ФПЗУ-КС-А имеют вид:

[(ъ: +8 „т„'\тх;+{х< + а р 1 )тт; -8 х<тг;]~

-(Тгз гз^гз ХГ« • [Тп- + ХъТп* - 8 „т„-\тт; + в иТы')

<р = агс/И

\тх; + хъТп' -8 „г„'|г„* +{Х4 + д р 1 )тг; -зХ(тг;]

кг/ +аитх4 -антт4*у?х5* +х5ту5 -дх5тг5)-

л — агс(2 ) ___»

[(Ъ/ + а24ТХ4' - <ГцТг/)(тг,* + <т2!Тх; - а]}Т7;)+ (33)

(тг/ + <т25ТХ}* - ст!5Т74'^ТХ4' + Х4ТУ4 - ¿хЛ')

(тХ5'+- +Х4тт; - бХ4т2;) ] '

а предельные абсолютные погрешности, соответствующие данным моделям, определяются из следующих выражений

\л в I < ¿1Л т, I , (А т;=А Г24,Д ТХЛ,А Тв,А 7^); (34)

Ы1

\Л9\<Ьа 4 (Атг= А7Ь,ЛГГ,„Д . (35)

ФПВУ-КС-А

ФГОУ-КС-А

Рис.6; Комбинированные кинематические схемы феррозондовых ИнП

Анализ полученных моделей показывает, что данные аналитические выражения можно представить в виде однотипных выражений разностей арктангенсов отношений двух сигналов с феррозондов:

В данной главе представлена также графическая интерпретация инструментальных погрешностей феррозондовых ИнП, которая дает наглядное представление о характере их распределения по диапазонам измеряемых углов. Выполнен комплексный анализ погрешностей и выявлены угловые параметры, оказывающее доминирующее воздействие на точностные показатели.

Пятая ¿чат посвящена разработке концепции алгоритмической коррекции погрешностей ишшшометрических преобразователей. Представлена система многоуровневой алгоритмической коррекции погрешностей, рассмотрены вопросы линеаризации статических характеристик феррозондов, описан автоматизированный метод итерационного варьирования угловых параметров, рассмотрен структурно-алгоритмический метод коррекции для преобразователей зенитных и визирных углов.

Построение ИнП на основе трехкомпонентных ФПА, ПЗВУ-А с акселерометрическими датчиками и ПЗВУ по схемам трех одностепенных маятников, в которых определение искомых угловых параметров пространственной ориентации осуществляется по относительно сложным алгоритмам, как правило сопряжено с особо сложными технологическими процессами устранения, либо сведения к минимуму, инструментальных погрешностей путем выполнения регулировочных и балансировочных операций. На практике, особенно в условиях серийного промышленного выпуска, данные операции требуют высокой квалификации персонала и привода к необоснованно высоким затратам. Наиболее перспективным и целесообразным в решении данной проблемы является исключение из техпроцесса настройки ИнП подобного рода регулировок, а для обеспечения

Т Т <р ~ агс1%——--огс/#—(36)

высоких метрологических характеристик аппаратуры необходимо осуществлять алгоритмическую коррекцию инструментальных погрешностей. В данной главе рассматриваются концептуальные вопросы синтеза и реализации многоуровневой системы алгоритмической коррекции погрешностей ИнП, построенных на основе трехкомпонентного ФПА по схеме КС-3.

В ИнП, в структуру которого входит ФПА, выполненного по схеме КС-3 трех жестко закрепленных в корпусе феррозондов, азимут а определяется по основополагающей математической модели, включающей сигналы с трех ортогонально ориентированных феррозондов Тх, Ту и Т2 и измеренные зенитный 6 и визирный <р углы:

- Г, - Т сое (р

а = агар---. ¡-374

(Тгсо&<р-Ту5т<р)со8в + Тг$тв

Данная модель определения азимута а является идеальной и не учитывает погрешности, характеризующие инклинометр как измерительный преобразователь.

Погрешности в инклинометрах в общем случае включают в себя аддитивную и мультипликативную составляющие в измеряемых сигналах, веиденшчность масштабных коэффициентов и нелинейность статических характеристик феррозондов, а также инструментальные погрешности, обуслевленные угловыми параметрами отклонения осей чувствительности первичных преобразователей от осей опорных базисов. На рис.7 представлена структура многоуровневой системы алгоритмической коррекции погрешностей в рассматриваемом варианте ИнП. На первом этапе осуществляется измерение сигналов с феррозондов и чувствительных элементов ПЗВУ, которые в общем случае имеют вид:

и, = и0 + к,-и, (38)

где [//- измеряемый сигнал, V- истинное значение измеряемого параметра, V,о - аддитивная погрешность, АГ/ - мультипликативная погрешность.

Измертаие сигвапоэ 17! = ХЛ + &Uj

т

Бычст аддитввнсй погрешности

TJi-EiTJj

Определение зенитного и визирного -углов M» - ATN ( Ufii ЛГЙ )

Масштабирование сига аяовс феррозондов

Линеаризация статически* характеристик ï;=T1-fj(T1)

Вычисление сигналов Т - T"i.T"-S Т"

-I -JE • л-у "ï-r Tj= Ty + ôyT3

т

T^T.+ cjJy-OjT,

Вычисление функций sincp, согф, sm6, cos©

а = ATN-

ОярЕтгатеняе азимута

—Тх sin ср — Ту cos ф (Txcos<p— 1^апф)соз0 + Т1ап0

Ввод юиффи циентов Ni

Ввод фуыхикй

fjíT,)

Ввод коэффн циентов

X ■5,<"1

Вычнсле

ние qj' + Ç

Рие.7,Структура многоуровневой системы алгоритмической коррекции погрешностей ИцП

Устранение аддитивной погрешности Щ осуществляют обычно схемотехническим способом.

Далее по измеренным сигналам ШВУ определяются зенитный в и визирный (р углы. Например, при конструктивном исполнении ПЗВУ в виде двух карданных рамок с установленными на осях их вращения синусно-косинусными вращающимися трансформаторами (СКВТ) углы ,9 и <р определяют по следующим формулам:

О-агсъЪЩ*-, (39)

где Кц - коэффициенты, характеризующие мутаткшшкативную погрешность, и„ и - сигналы соответственно с синусных и косинусных обмоток СКВГ. В данном случае реализуется классический логометрический метод отношений двух сигналов и, учитывая организацию последовательного опроса и вторичного преобразования сигналов в одном и том же электронном тракте, следует отметить равенство в первом приближении коэффициентов ККс,; К~Кс2. Построение алгоритма вычислений углов вир по приведенным соотношениям обеспечивает достаточно высокую точность измерений и сводит к минимуму погрешности, обусловленные влиянием дестабилизирующих факторов (вариации температуры, параметров электронных элементов и др.).

После выполнения данной процедуры определения углов в и <р происходит последовательный опрос и преобразование сигналов с трехкомпонентного ФПА. Аддитивная составляющая погрешности вычитается из измеренных сигналов с феррозондов Тх, Ту и Т2 при их последовательном

опросе и преобразовании в одном канале аналогичным образом.

На следующем этапе происходит масштабирование сигналов с феррозондов = ^ • Гу в положительной и отрицательной областях,

линеаризация их статических характеристик Т{ = Т, - /¡(Т,-).

Масштабирование осуществляется по априорно измеренным максимальным значениям сигналов при ориентации феррозонда по вектору геомагнитного поля с определением численных значений коэффициентов N, . Линеаризация осуществляется путем вычета корректирующих функций /, (T¡), которые так же определяются априорно при снятии статических характеристик феррозондов в опорном магнитном поле, создаваемым кольцами Гельмгольца. При линеаризации применяют два основных метода коррекции - метод кусочно-линейной аппроксимации или метод разложения в функциональный ряд Фурье. Вид корректирующих функций / (Т■) зависит от первоначального вида статической характеристики феррозонда.

Далее осуществляется коррекция инструментальных погрешностей ФПА, обусловленных угловыми параметрами %, 5¡ в a¡ - параметрами отклонения осей чувствительности феррозондов Fx, Fy, и Fz от осей ортонормированного базиса корпуса 0Xci'dZo, а также £ - параметром взаимной ориентации ФПА. и ПЗВУ в апсидальной плоскости.

При априорно определенных численных значениях угловых параметров X, 8, и en сигналы с феррозондов корректируются в соответствии со следующей системой уравнений:

Тх = Тх + ХТу - sxTz

Ту = Ту + SyTz ■ . (40)

Тг = % + ~ СГ2Ту

Затем, на завершающем этапе вычислений, происходит коррекция значений визирного угла <р = (р' + £ по параметру £ взаимной ориентации ФПА и ШВУ, вычисление функций sin <¡> , cos q>, sin 9, cos в, и определение искомого азимута а по известной модели.

При определении численных значений 6, и о; предложен итерационный метод варьирования, суть которого заключается в следующем. Изначально принимается, что угловые параметры н а, имеют ненулевые значения. Задаются верхние и нижние границы диапазонов варьирования, а также шаг квантования. На первом этапе диапазоны варьирования задают в пределах 3-5 град., а шаг квантования выбирают «грубым» - порядка 0,5 град. Далее осуществляют последовательное циклическое варьирование параметров %, $ и щ , вычисление значений азимута в каждой точке априорно сформированного массива экспериментально снятых значений Тх, Ту и Тг при заданных а, в и (р, определяют значения погрешностей. При этом критерием служит минимальное значение погрешности, в соответствии с которым фиксируются численные значения и о; .На втором этапе варьирования за начальные точки принимаются полученные значения <5, и о; , устанавливаются новые диапазоны варьирования (порядка 1 град.) и новый шаг квантования (порядка 0,1 град.). Далее аналогично осуществляют процедуру варьиривания до приемлемых результатов, в результате которой фиксируются численные значения 4 и о; , обеспечивающие минимальное значение погрешности определения азимута во всем массиве экспериментально снятых данных. Данные значения х, Д и о; входят в общий алгоритм вычислений при обработке ишшинометрических измерений.

В данной главе представлен также структурно-алгоритмический метод коррекции погрешностей в ПЗВУ на основе трех ортогональных маятников, в соответствии с которым обеспечение повышенной точности измерений в расширенном диапазоне зенитного угла осуществляется путем селективного выбора сигналов с двух маятников из трех, реализуемого на основе компараторного принципа сравнения измеряемых сигналов.

В шестой главе рассмотрены вопросы практической реализации ИнП, даны описания конструкций разработанных ИнП, рассмотрены их структурное построение и принцип действия, приведены результаты скважинных измерений.

Разработан термостойкий малогабаритный преобразователь наклона ПН-1, реализованный по кинематической схеме двух ортогональных маятников с магнитомодуляционными датчиками углов поворота, который в составе комплексной автономной аппаратуры АГАТ-10 прошел успешные испытания в Кольской сверхглубокой скважине СГ-3.

Разработаны модули инклинометров МИФ 248 и МИФ 3-36 для комплексной геофизической аппаратуры АКЙПС, в которых трехкомпонентный ФПА реализован по схеме КС-3, а ПЗВУ - по схеме трех ортогональных маятников с синусно-косинусными вращающимися трансформаторами и магнитомодуляционными датчиками угловых перемещений. В данных модулях использован принцип последовательного опроса сигналов и цифровая передача данных по каротажному геофизическому кабелю в наземный комплекс обработки и регистрации информации.

Разработан, создан и экспериментально исследован первый отечественный эбразец инклинометра МИФ-42, реализованный по схеме трехкомпонентного 1>ПА-КС-3 и ПЗВУ-А с акселерометряческими датчиками.

Выполнена НИР и завершена ОКР по созданию кабельного варианта мклинометра с непрерывной регистрацией ИФ-60, изготовлены опытные збразцы и проведена их метрологическая аттестация. Полный комплект документации ИФ-60 передан на опытное производство ВНИИГИС для выпуска эазовых партий. На рис.8 представлена функциональная схема ИФ-60, в

I

шторой реализован принцип последовательного опроса сигналов с феррозондов 1 СКВТ, их аналого-цифровое преобразование и передача по кабельному саналу связи в помехоустойчивом коде в компыогизировашшй наземный пульт. 3 плане дальнейшего развития базовой разработки ИФ-60 представлены модуль 1Ф-МВ-602 и инклинометрическая система ИС-48.

Представлено описание автономного инклинометра сбрасываемого типа с феррозондовыми датчиками, который прошел успешные скважишше испытания в Западной Сибири.

В плане метрологического обеспечения завершена ОКР по разработке и созданию прецизионной установки для настройки и экспериментальных исследований инклинометрических преобразователей УНЭИИП, обеспечивающей контроль задаваемой пространственной ориентации исследуемому ИнП с погрешностью не более + 4 утл. мин. по азимуту, зенитному и визирному углам.

Изготовлен опытный образец и проведена его ведомственная метрологическая аттестация. Полный комплект конструкторской документации передан на опытное производство ВНЙИГИС. Представлено описание конструкции УНЭИИП и ее модификаций УНЭИИП-2 и УНЭИИП-2М.

Работоспособностью и промышленным применением разработанных и созданных ИнП практически подтверждена эффективность научной концепции

алгоритмической коррекции погрешностей, предложенной в качестве альтернативы традиционным методам регулировочных технологических процессов и обеспечивающей повышенную точность измерений. На основе выполненного комплекса экспериментальных исследований и скважинных испытаний установлена адекватность обобщенных статических математических моделей ИнП, реализованных по схемам трехкомпонентного ФПА-КС-3, ПЗВУ-А с аксел ерометри ческими датчиками и ПЗВУ в виде трех одностепенных маятников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа является итогом теоретических и экспериментальных исследований автора в области инклинометрии за период 1979-1997 гг. Работа выполнялась в рамках хоздоговорных работ, договоров о творческом содружестве, научно-исследовательских работ по темам, выполняемым в соответствии с постановлениями ГКНТ и СМ СССР, а также НИОКР по тематическим планам Мингео СССР.

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты и выводы.

1. Установлено, что выпускавшиеся ранее серийно магЕитомеханические ИнП обладают низкой точностью измерений и низкой надежностью конструкции и не могут быть использованы в качестве элементов АСУТП-бурение. Известные разработки забойных инклинометрических систем типа ЗйС-4 и СТЭ/СТТ имеют большие габариты и не могут быть использованы при восстановлении старого фонда заброшенных скважин. Поэтому необходимо проводить исследования в направлении разработки. и создания малогабаритных ИнП, обладающих повышенными точностными показателями.

2. Основные исследования в облает инклинометрии осуществляются в направлениях математического моделирования, анализа погрешностей, исследования динамических характеристик и алгоритмической обработки результатов измерений.

3. Установлено, что из известных математических методов, применяемых в теории пространственной ориентации твердого тела, наиболее пригодными при разработке математических моделей йнП являются теория матриц и элементы теории кватернионов, а при теоретических исследованиях инструментальных погрешностей - методы малых вращений и кватернионов малых поворотов.

4. Разработаны обобщенные статические математические модели ИнП, учитывающие угловые параметры отклонения осей чувствительности яервичных преобразователей от осей опорных базисов, из которых как частные решения следуют модели ИнП, построенных по известным кинематическим схемам, а также модели ранее неизвестных ИнП.

5. Предложен метод математического моделирования маяшиковых ПЗВУ, основанный на введении в общие векторно-матричные уравнения и в результирующие кватернионы дополнительных матриц и кватернионов, соответствующих отрицательным плоским поворотам маятников при их ориентации по вектору силы тяжести, что позволяет непосредственно получать статические модели маятниковых ПЗВУ без усложненного синтеза и анализа динамических моделей.

6. Получены, теоретически исследованы и экспериментально подтверждены, с точки зрения их адекватности, обобщенные математические модели феррозондовых ИнП, выполненных по комбинированным кинематическим схемам, и ГОВУ-А, выполненного по схеме трех акселерометрических датчиков.

7. Установлено, что при ненулевых значениях углов отклонения осей чувствительности акселерометров в ПЗВУ-А и феррозондов в ФПА-КС-3 от осей базиса корпуса аналитические выражения для измеряемых сигналов имеют соответственно идентичный вид.

8. Выполнен комплекс теоретических исследований обобщенной структуры унифицированного феррозондового инклинометра, имеющей вид осевой системы триад феррозондов, установленных соответственно в корпусе ИнП,

на внешней карданной рамке и па внутренней карданной рамке. При этом на основе математического моделирования, исследования полученных моделей и анализа инструментальных погрешностей впервые установлено, что системы уравнений связи измеряемых сигналов с искомыми углами, базовые и обобщенные статические математические модели, а также и аналитические выражения инструментальных погрешностей для ФПА, ФПВУ и ФГОУ соответственно следуют друг из друга при переходе от одной триады к другой.

Установлено, что базовые и обобщенные математические модели ФПВУ и ФГОУ в ИнП, выполненных по комбинированным кинематическим схемам, имеют однотипный вид разности арктангенсов отношений двух измеряемых сигналов с феррозондов. Ю.Впервые получена математическая модель преобразователя азимута с неортогонально ориентированными жестко закрепленными феррозондами. При этом установлено, что неопгогонзльная ориентация двух феррозондов из трех при фиксированном значении угла отклонения от осей базиса корпуса ИнП не оказывает влияния на предельную абсолютную погрешность определения азимута.

1.Впервые подложен, теоретически и экспериментально исследован новый подкласс ГТЗВУ, выполненных на основе трех сдзтссгепенных маятников. Разработан, создан и использован при исследовании Кольской сверхглубокой скважины СГ-3 преобразователь наклона ПН-1, реализованный по схеме двух ортогональных маятников. ^Теоретически обоснована и предложена алгоритмическая коррекция погрешностей в ПЗВУ, выполненном на основе трех одностепеиных ортогональных маятников и обладающем информационной и структурной избыточностью, в котором путем селективного выбора сигналов по критерию наибольшей эффективности устанавливающего момента маятника обеспечивается повышенная точность в расширенных диапазонах измерений.

13.Теоретически обоснована, разработана и реализована многоуровневая алгоритмическая коррекция погрешностей ИнП, включающая линеаризацию статических характеристик первичных преобразователей и учитывающая углы отклонения осей их чувствительности от осей опорных базисов.

14.Разработан итерационный метод варьирования углов отклонения осей чувствительности первичных преобразователей от осей опорных базисов, позволяющий автоматизированным путем определять их численные значения по критерию задаваемого минимального значения систематической погрешности.

15. Разработан пакет прикладных программ, обеспечивающий реализацию многоуровневой системы алгоритмической коррекции инструментальных погрешностей.

16. Разработаны, созданы и внедрены ряд ИнП с кабельным каналом связи, в которых преобразователь азимута выполнен по схеме трех жестко закрепленных феррозондов, а повышенная точность измерений достигается за счет практического применения алгоритмической коррекции инструментальных погрешностей. Разработан, создан, теоретически и экспериментально исследован первый отечественный образец ИнП, построенный по схеме трех жестко закрепленных феррозондов и трех акселерометров.

17. Выполнена НИОКР по созданию феррозондового инклинометра ИФ-60, по результатам которой изготовлены опытные образцы и проведена их метрологическая аттестация. Полный комплект документации передан в опытное производство ВНИЙГИСа.

18. Выполнена НИОКР по созданию прецизионной установки для настройки и экспериментальных исследований инклинометрических преобразователей УНЭНИП, изготовлен опытный образец и проведена его метрологическая аттестация. Полный комплект документации передан в опытное производство ВНИИГИСа.

Содержание диссертации отражено в следующих основных публикациях.

{.Рогатых Н. П., Сергеев А. Н., Миловзоров Г. В. Феррозондовые преобразователи азимута И Магнитополупроводниковые и электромашинные элементы автоматики: Сб-кнаучн. трудов РРТИ. -Рязань.-1981.-С. 7-10.

2. Сергеев A.IL, Миловзоров Г.В., Прищепов С К. Преобразователи аналоговых сигналов в инклинометрах // Известия вузов. Электромеханика.-1982.-№ 9.-С. 1125.

3. Миловзоров Г. В. Электрой ехаяические преобразователи наклона в системах управления подвижными объектами // Электромеханические и электромагнитные элементы систем управления : Научн. Труды УАИ. -Уфа. -1983.-№ 1.-С. 43-47.

4. Ковшов Г. Н., Миловзоров Г. В., Прищепов С К Обобщенная структура феррозондового инклинометра // Информационно-измерительная техника в нефтяной и нефтехимической промышленности : Межвуз. науч.-тематкч. Сб-к, Уфа.-1983.-С. 17-22.

5. Ковшов Г. И., Миловзоров Г. В., Султанаев Р. А. О применении СКВТ в инклинометрах // Магнитно - полупроводниковые элементы преобразовательной техники : Научн. труды РРТИ, Рязань.-1983. -С. 38-42.

5. Контроль траектории скважины в процессе бурения автономным инклинометром в условиях Западной Сибири У Г. Н. Ковшов, Г. В. Миловзоров и др. И Геофизические исследования нефтяных скважин Западной Сибири.-ТрудыВНИИНПГ, Уфа.-1983.-вып.13.-С. 30-36. Измерительные преобразователи для АСУ ТП-бурение на основе тонких ферромагнитных пленок / Г. Н. Ковшов, Г. В. Миловзоров и др. // Шформацаонно-ишерителыше. системы ИИС-83. : Тезисы докл. IY Всесоюзн. конф.-Куйбьпдев.-1983.-С. 75.

!. Ковшов Г. Н., Миловзоров Г. В., Султанаев Р. А. О применении теории кватернионов и теории матриц в теоретических исследованиях инструментальных погрешностей инклинометрических преобразователей // Проблемы метрологического обеспечения научных исследований и учебного процесса в вузах: Тез. докл. НТК, Ленинград.-1984.-С. 115-116.

9. Миловзорое Г. В., Султанаев Р. А. Первичные преобразователи наклона в инклинометрах на основе трех одностепенных маятников // Информационно-измерительные системы и точность в приборостроении : Тезисы докл. Конф-М. -1984.-С, 43-44.

10 Жоешов Г. И., Миловзорое Г. В., Султанаев Р. А. Методы математического описания первичных преобразователей угловых перемещений в инклинометрических системах// Информационно-измерительные системы и точность в приборостроении : Тез. докл. НТК, Москва.-1984.-С. 44.

11 Миловзорое Г. В. Преобразователи зенитных и визирных углов маятникового тала в инклинометрических системах // Информационно-измерительные системы для геофизических исследований скважин : Научы. Труды МИНХ и ГП, М.-1984, вып.188.-С. 46-53.

12Жоешов Г. П., Миловзорое Г. В., Сергеев А. Н. Специализированный вычислитель для инклинометрических устройств // Геофизическая аппаратура.-1984-вкп. 81. -С. 125-128.

13Л а 1146425 Би, МКЙ 4 Е 21 В 47 / 02. Автономный инклинометр 1 Г. Н. Ковшов, Г. В. Мшювзоров, Р. А. Султанаев.-^ 3652999 / 22-03; Заявлено 12. 10. 83; Опубл. 23. 03. 85, БИ № 11.

14А. с. 1149676 Би, МКИ 4 Е 21 В 47 / 02.Феррозондовый датчик азимута / Г. В. Миловзоров.-№ 3662693/22-03; Заявлено 21.09.83; 1985.

15А. с. 1150353 8и, МКИ 4 Е 21 В 47 / 02. Преобразователь зенитных и визирных углов / Г. В. Миловзоров.-№ 3645347 / 22-03; Заявлено 23. 09. 83; Опубл. 15. 04.85, БИ № 14.

\(у Миловзорое Г. В., Султанаев Р. А. Преобразователь азимута с неортогональными жестко закрепленными феррозондами // Средства измерения и автоматизации в нефтяной промышленности : Межвуз. научи. -темат. Сб-к УНИ.-Уфа.-1985.-С. 3-10.

17Миловзорое Г. В., Коган. Г. В., Султанаев Р. А. О точности контроля угловых параметров пространственной ориентации скважин // Комплексное

освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа : Тез. докл. I Всесоюзн. НТК.-Москва.-1986.

Новые разработки датчиков в инклинометрах / Г. В. Миловзоров и др. // Разработка аппаратуры для промыслово-геофизических и геолого-технологических исследований на нефтегазовых месторождениях Западной Сибири : Тез. докл. области, научн.-практ. конф.-Тюмень. -1987.

19.Миловзоров Г. В. Основные направления разработок инклинометрической аппаратуры // Разработка аппаратуры для промыслово-геофизических и геолого-технолошческих исследований на нефтегазовых месторождениях Западной Сибири: Тез. докл. области. научн.-практ.-конф.-Тюмень.-1987.

20Миловзоров Г. В., Коган Г. В., Рапип А. В. Математическое моделирование инклинометрических систем и методические вопросы поверки ишслинометрических датчиков II Разработка аппаратуры для промыслово-геофизических исследований на нефтегазовых месторождениях Западной Сибири : Тез. докл. областной научн.-практ. конф.-Тюмень.-1987.

21 .Энергонезависимый блок памяти в автономном инклинометре / Г.В. Миловзоров, Г. В. Коган, Р. А. Султаяаев, О. Н. Штанько // Средства автоматизации технологических процессов в нефтяной промышленности : Межвуз. науч.-тематич. Сб-к УНИ.-Уфа, 1987.-С. 19-24.

ПЛ. с. 1441061 SU, МКЙ 4 Е 21 В 47 / 02. Установка для настройки и экспериментальных исследований инклинометрических преобразователей / Г. Н. Ковшов, Г. В. Миловзоров, Р. А. Султаяаев, Г. Б. Воеводин, JI. Н. Егоркина. -№ 411935 122-03; Заявлено 17.09 86; Опубл. 30.11. 88, БИ № 44.

>3Л с. 1467162 SU, МКИ 4 Е 21 В 47 / 02. Способ определения азимута искривления траектории скважины / Г. В. Миловзоров, О. Н. Штанько. -№ 4117220 / 23-03; Заявлено 10. 09. 86; Опубл. 23.03. 89, БИ № 11.

'АЛ с. 1469109 SU, МКИ 4 Е 21 В 47 / 02. Устройство контроля искривления скважины / Г. В. Миловзоров, Г. В. Гусев и др.-№ 4271602 / 23-03; Заявлено 29. 06. 87; Опубл. 30.03. 89, БИ № 12.

25Мшювзоров Г. В., Султанаев Р. А, Штанько О. Я Анализ и коррекция инструментальных погрешностей преобразователя наклона с акселерометрическими датчиками II Элементы, устройства и программные средства инфопмационио-преобразователтзых систем : Межвуз. сб-к научн. трудов РРТИ.-Рязань.-1989.-С. 79-85.

26Миловзоров Г. В., Ураксеез М. А, Штанько О, Я. Автоматизированная система настройки и экспериментальных исследований преобразователей пространственной ориентации// Информационно-измерительные системы : Тез. докл. Всесоюзн. НТК.-Ульяновск.-1989.

27 А с. 1543060 511, МКИ 5 Е 21 В 47 / 02. Способ измерения угловых параметров пространственной ориентации скважинных объектов / Г. В. Милоазоров,Р. А Султанаев, Г. В. Коган.4379173 / 23-03; Заявлено 17. 12.87; Опубл. 15.02. 90, БИ № 6.

28 А с 1555470 БЦ МКИ 5 Е 21 В 47 /02. Способ определения азимута искривления траектории скважины / М. А Ураксеев, О. Н. Штанько, Г. В. Мыловзоров,-№ 4419171 / 23-03; Заявлено 03.05.88; 0публ.07.04.90, БИ №13.

29Л, с 1645485 Би, МКИ 5 Е 21 В 47 / 02. Инклинометр / М. А. Ураксеев, О. Н. Штанько, Г. В.Миловзоров.-№ 4636887 / 03; Заявлено 02.12.88; Опубл. 30.04.91, БИ № 16.

ЪОМиловзорое Г. В. Автоматизация стендовых испытаний феррозондовых инклинометров // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления ( Дагчик-96 ) : Тезисы докл. УШ научн.-техн. Конф. -Гурзуф.-1996.-С. 424.

31 Миловзоров Г. В. Маятниковые и акселерометрические датчики дая ишлшюметрических систем // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления ( Датчик-96 ): Тезисы докл. УШ научн.-техн. Конф.-Гурзуф.-1996.-С. 189.

32 Милоезорое Г. В. Логометрический метод измерений в инклинометрах с последовательным опросом сигналов // Измерительные преобразователи и

информационные технологии : Межвуз. научн. Сб-к УГАТУ, Уфз.-1996. -вьш.1. -С. 170-173. ЪЪМиловзоров Г. В. Султанов С Ф. Влияние ориентации поверочной установки на точностные характеристики трехкомпонентного феррозондового магнитометра // Измерительные преобразователи и информационные технологии : Межвуз. научн. Сб-к УГАТУ.-Уфа. -1996. -вып. 1.-С. 98-104.

ЪАЛрищепав С К., Миловзоров Г. В. Трехкомпонентный феррозондовый датчик азимута для шшшнометрических систем/УДатчики систем измерения, контроля и управления : Межвуз. сб-к науч. тр.-Пенза, 1996. -С. 52-54. 55 Миловзоров Г. В. Моделирование и исследование инструментальных погрешностей трехкомпонентного аксеяерометричесшго преобразователя наклона // Измерительная техника-1996.-№ 10.-С. 22-26. )6.Миловзороз Г.В., Миловзоров Д.Г. О влиянии взаимной ориентации датчиков в инклинометрах на точность определения азимута // Измерительные преобразователи и информационные технологии, Уфа: Гилем,1996. - С.159-165. П Миловзоров Г. В. Анализ инструментальных погрешностей

инклинометрических устройств. -Уфа, изд. «Гнлем». 1997,- 184с. 5 ВМиловзоров Г.В. Обзор метрологической базы и концепция методического обеспечения поверок шшшнометрических преобразователей // Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации: Материалы Всероссийской научно-технической конференции, Уфа.-1997. - С.166-167. ^Миловзоров Г.В. Построение инклинометров с трехкомпонентными феррозондсзыми и акселерометрическими датчиками И Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации: Материалы Всероссийской научнскгехнической конференции, Уфа.-1997. -С.66.

МИЛОВЗОРОВ Георгий Владимирович

ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ БУРЕНИЕМ НАКЛОННО НАПРАВЛЕННЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН

Специальность: 05 .13 .05 - Элементы и устройства вычислительной техники н систем управления.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени . доктора технических наук ЛР № 020258 от 08.01.1998 г.

Подписано в печать 12. 02. 98 . Формат 60/84 1 /16 . Бумага писчая. Печать плоская. Усл. печ. л. 2,0. Усл. кр. - отг. 1.9. Уч. - изд. л. 1,9. Тираж 100 экз. Заказ N 44.

Уфимский государственный авиационный технический университет Уфимская типография N 2 Министерства печати и массовой информации республики Башкортостан. 450000, Уфа - центр, ул. К Маркса, 12 .

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МИЛОВЗОРОВ ГЕОРГИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ БУРЕНИЕМ НАКЛОННО НАПРАВЛЕННЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН

На правах рукописи

Специальность 05 .13 . 05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -

заслуженный деятель науки Республики Башкортостан, доктор технических наук, профессор Гусев В . Г .

Уфа 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ............................................................................................ 5

ГЛАВА I. ОБЗОР РАБОТ В ОБЛАСТИ ИНКЛИНОМЕТРИИ И СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ.........................................................................................20

1.1. Управление процессом бурения скважин и требования к инклинометрическим преобразователям............................................20

1.2. Обзор и критический анализ работ в области инклинометрии......24

1.3. Классификация инклинометрических устройств и

систем............................................................................................... 39

1.4. Концептуальные вопросы обеспечения повышенной точности ИнП.............................................................................................................49

4 ВЫВОДЫ........................................................................................... 57

ГЛАВА II. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ТЕОРИИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ 59

2. 1. Общий подход и постановка задачи моделирования

инклинометрических преобразователей............................................. 59

2.2. Применение метода аналитической геометрии............................. 64

2. 3. Матричный метод преобразования координат................................74

2. 4. Метод малых вращений....................................................................80

2. 5. Параметры Родрига - Гамильтона и Кейли - Клейна......................84

2. 6. Метод кватернионов.........................................................................89

2.1. Сравнительная оценка математических методов решения задач

инклинометрии......................................................................................... 106

ВЫВОДЫ..................................................................................................107

ГЛАВА III. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ПОГРЕШНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЗЕНИТНЫХ И ВИЗИРНЫХ УГЛОВ................................................ 109

3.1. Моделирование и анализ погрешностей ПЗВУ с акселерометричес-кими датчиками..................................................................................... 109

3.2. Математические модели ПЗВУ - 1, выполненного по кинематической схеме с одностепенными ортогональными маятниками, и анализ погрешностей..................................................................................... 121

3.3. Математические модели ПЗВУ - 2, выполненного по кинематической схеме трех одностепенных маятников, и анализ погрешностей........... 137

3.4. Математические модели ПЗВУ - 3, выполненного по кинематической схеме двух карданных рамок, и анализ погрешностей.................. 150

ВЫВОДЫ................................................................................................. 154

ГЛАВА IV. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ПОГРЕШНОСТИ ФЕРРОЗОНДОВЫХ ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ................ 156

4. 1. Обобщенная структура феррозондового инклинометрического

преобразователя................................................................................... 157

4. 2. Моделирование и анализ инструментальных погрешностей

феррозондового инклинометрического преобразователя, выполненного

по схеме трехкомпонентного геомагнитометра КС-3 ........................... 163

4. 3. Моделирование и анализ инструментальных погрешностей трехкомпонентного феррозондового инклинометрического преобразователя, выполненного по кинематической схеме КС-2.... 182 4. 4.Моделирование и анализ инструментальных погрешностей

феррозондовых инклинометрических преобразователей, выполненных по комбинированным кинематическим схемам.................................... 193

ВЫВОДЫ.......................................................................................... 208

ГЛАВА V. КОНЦЕПЦИЯ АЛГОРИТМИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ

ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ................ 210

5. 1.Сруктура многоуровневой системы алгоритмической коррекции

погрешностей в ИнП..............................................................................................................................................210

5.2. Линеаризация статических характеристик феррозондов................................216

5.3. Итерационный метод варьирования угловых параметров инструментальных погрешностей........................................................................................................226

5.4. Алгоритмическая коррекция погрешностей в ПЗВУ-1, выполненного по кинематической схеме трех ортогональных маятников..........................233

ВЫВОДЫ................................................................................................ 238

ГЛАВА VI. КОНСТРУКЦИИ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ УСТРОЙСТВ 240

6. 1. Преобразователь наклона ПН -1 в комплексной автономной геофизической аппаратуре АГАТ -10 для исследований Кольской сверхглубокой скважины СГ - 3.......................................................... 240

6.2. Устройства контроля пространственной ориентации скважинной

геофизической аппаратуры............................................................ 248

6. 3. ИнП на основе трехкомпонентного феррозондового магнитометра

с кабельным каналом связи...................................................................269

6. 4. Автономный феррозондовый инклинометр сбрасываемого типа.......282

6. 5. Установки для настройки и экспериментальных исследований

инклинометрических преобразователей..................................................289

ВЫВОДЫ.....................................................................................................300

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................302

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ..............................307

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................308

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................355

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность.

Повышение эффективности наклонно направленного, кустового и получившего в последние годы мощное развитие горизонтального бурения зависит от оптимизации технологических процессов, обеспечивающих проводку скважин с максимальной скоростью в заданный «круг допуска» или в продуктивный пласт. При этом контроль параметров бурения имеет важное значение в плане автоматизации режимов и создания автоматизированных систем управления (АСУТП-бурение). Наряду с контролем таких параметров как нагрузка на долото, частота вращения породоразрушающего инструмента и др., первостепенное и наиважнейшее значение имеет контроль угловых параметров пространственной ориентации бурового инструмента, обеспечивающий проходку по требуемой траектории в соответствии с проектным профилем скважины. Данную задачу решают с помощью инклинометрических преобразователей (ИнП) - устройств, позволяющих измерять азимут, зенитный угол и визирный угол ( угол положения отклонителя бурового инструмента в апсидальной плоскости). Известные ИнП магнитомеханического типа КИТ, МИР-36, СТТ/СТЭ с потенциометрическими датчиками, выпускавшиеся ранее серийно, имеют низкие точностные характеристики (± 1-1,5 град, по зенитному углу и ±_4,5-7,5 град, по азимуту) и низкую надежность конструкции скважинного прибора. Более перспективные разработки последних лет - ИН1-721 (с кабельным каналом) и ЗИС-4 (с электромагнитным каналом связи), в которых в качестве датчика азимута использованы горизонтируемые феррозонды, обеспечивают повышенную точность измерений по сравнению с магнитомеханическими. Однако при технологических процессах сборки и настройки подобных ИнП требуется проведение тщательных регулировочных операций. Кроме того большие габаритные размеры скважинных приборов ИН1-721 и ЗИС-4 не позволяют их

применять при так называемой «зарезке» боковых стволов в заброшенных скважинах при восстановлении старого фонда.

Анализ известных разработок и работ, проводимых в области инклинометрии, показывает, что в последние годы ведущими зарубежными фирмами и отечественными организациями предпринимаются значительные научные, технические и организационные усилия в следующих направлениях:

• создание автоматизированных систем управления для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин, а также для восстановления старого фонда путем разбуривания вертикального участка и применения горизонтальных технологий;

• разработка и создание забойных телесистем с кабельным, гидравлическим и электромагнитным каналами связи;

• исследование, разработка и создание инклинометрических преобразователей, удовлетворяющих предъявляемым к ним требованиям со стороны систем управления бурением.

Несмотря на существенные успехи, достигнутые в данных направлениях на сегодняшний день, создание автоматизированных систем управления техпроцессом бурения находится на стадиях исследований, доводки и совершенствования. Одним из сдерживающих факторов до недавнего времени являлось отсутствие инклинометрических преобразователей, обладающих малыми габаритами (диаметр охранного кожуха скважинного прибора 48 мм и менее) и обеспечивающих при этом повышенные точностные показатели как в статическом режиме измерений, так и в условиях воздействия вибрационных и ударных возмущений, сопровождающих процесс бурения.

Известны многочисленные отечественные и зарубежные публикации, посвященные теоретическим и практическим аспектам проблемы создания инклинометрических преобразователей и АСУТП-бурение. Фундаментальные основы в области автоматизации бурения и создания телесистем имеют работы Алиева Т.М., Гасанова И.З., Гафиятуллина Р.Х, Козловского Е.А., Литвинова С.Я., Мелик-Шахназарова А.М., Молчанова A.A., Саркисова И.К.,

Тер-Хачатурова A.A., Чепелева В.Г. Хорошие перспективы имеют исследования Васильева В.И., Кагарманова Н.Ф., Емельянова Д.В., Быстрикова С.К., Пейсикова Ю.В. и др. Наиболее перспективным направлением в области инклинометрии является разработка и исследование ИнП с феррозондовыми датчиками. Концептуальный базис в данном направлении составили работы Ковшова Г.Н., Пономарева В.Н., Сергеева А.Н., Рогатых Н.П., Лаврова Б.В., Солониной H.H., Исаченко В.Х., Салова Е.А. и др. Вопросы виброустойчивости, вибро- и ударопрочности инклинометрической аппаратуры исследованы в достаточно полном объеме и при этом получены вполне удовлетворительные результаты. Однако вопросы уменьшения габаритного диаметра скважинного прибора ИнП и обеспечения при этом повышенных точностных показателей являются предметом проводимых интенсивных исследований на протяжении ряда лет среди исследователей и разработчиков инклинометрической аппаратуры. При решении данной проблемы достигнуты частные результаты в плане теоретических и экспериментальных исследований. Общая теория инклинометрии получила развитие в области моделирования инклинометрических преобразователей, исследования динамических характеристик, математического описания традиционных кинематических схем первичных преобразователей ИнП. Однако в настоящее время необходимы обобщенный концептуально и теоретически обоснованный подход к решению актуальной проблемы создания ИнП и систематизированное исследование в направлениях уменьшения габаритных размеров скважинных приборов и обеспечения повышенной точности измерений путем использования трехкомпонентных феррозондовых преобразователей азимута (ФПА) и преобразователей зенитных и визирных углов (ПЗВУ), а также применения алгоритмической коррекции погрешностей.

Основания для выполнения работы.

Диссертационная работа связана с выполнением следующих общегосударственных задач, целевых комплексных программ и тематических отраслевых планов.

1. Приказ министерства геологии СССР № 149 от 17.04.81 «О мерах по техническому перевооружению и улучшению организации буровых работ на нефть и газ».

2. Постановление Совета Министров СССР «О мерах по развитию нефтяной и газовой промышленности на континентальном шельфе СССР на 1980-1985 годы».

3. Задание 09 целевой комплексной научно-технической программы 0.1Д.005 по постановлению Государственного комитета СССР по науке и технике и Госплана СССР № 515/271 от 29.12.81г.

4. Задание 02.03 целевой комплексной научно-технической программы 0.Ц.007 по постановлению Совета Министров СССР № 654 от 15.07.83 г.

5. Задание 02.03 научно-технической проблемы 0.05.07 по постановлению Государственного комитета СССР по науке и технике и Госплана СССР № 223/140 от 07.07.81 г.

6. План-график аппаратурных разработок, обеспечивающих проведение исследований Кольской сверхглубокой скважины СГ-3, утвержденный 05.11.79 начальником Управления геофизических работ Мингео СССР.

Г.П.5

7. Тема Мингео СССР I---------3-8/601-80 «Кольская автономная аппаратура

(6) СГ-3».

Г.П.5

8. Тема Мингео СССР XI-------- 105-1/686 -81 «Усовершенствование методики

применения инклинометрических измерений в Кольской сверхглубокой

скважине».

Г.П.5

9. Тема Мингео СССР XI--------96-3/539-85 «Разработка феррозондовых

101(П)

датчиков для инклинометров».

Г.П.5

Ю.Тема Мингео СССР XI----------104-4/683-82 «Разработка комплекса датчиков

101

для измерения забойных параметров, средств привязки измеряемых величин к

глубине и математического обеспечения для системы ПРОГНОЗ».

11. Тема Мингео СССР № 422Б « Разработать цифровые скважинные приборы для каротажа рудно-угольных скважин, входящих в состав аппаратурно-методического комплекса АМК «ПОИСК» , предназначенного для исследования скважин, бурящихся с гидротранспортом керна».

12. Тема Мингео СССР № 464 « Изготовить и внедрить разовую партию цифрового феррозондового инклинометра с непрерывной регистрацией ИФ-60 для нефтяных и газовых скважин и разработать метрологическое и методическое обеспечение на основе автоматизированной системы программирования наземных пультов ИФ-60».

13. Тема № 250-80 плана новой техники и технологии управления промысловой и полевой геофизики Миннефтепрома.

Диссертация связана также с выполнением ряда научно-исследовательских хоздоговорных работ и договоров о творческом сотрудничестве, проводившихся под научным руководством и при непосредственном участии автора в 1979-1997 гг. ( Х/Д 3-09-81, 3-12-81, АП-ИТ-02-97-ХГ, АП-ИТ-03-97-ХГ и др.).

Цель и задачи работы. Цель работы - теоретическое обобщение и разработка научно обоснованных технических решений, совокупность которых позволила бы решить важную научно-техническую проблему создания новых инклинометрических преобразователей с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками и усовершенствования известных для систем управления бурением наклонно направленных и горизонтальных скважин.

Для достижении указанной цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи.

• Анализ состояния вопроса и определение наиболее перспективного направления в области разработки и создания инклинометрических преобразователей.

• Развитие теории инклинометрии и разработка обобщенных статических математических моделей ИнП, учитывающих угловые параметры отклонения

осей чувствительности первичных преобразователей от осей опорных базисов.

• Анализ влияния инструментальных погрешностей на точностные характеристики ИнП.

• Разработка концепции повышения точности ИнП на основе многоуровневой алгоритмической коррекции погрешностей ИнП и создание комплекса программного обеспечения.

• Разработка, создание и проведение комплекса экспериментальных исследований и скважинных испытаний ИнП, основанных на трехкомпонентных ФПА, ПЗВУ маятникового типа и ПЗВУ с акселерометрическими датчиками, и подтверждение адекватности обобщенных математических моделей и эффективности алгоритмической коррекции погрешностей.

• Внедрение в промышленности результатов теоретических и экспериментальных исследований и созданных ИнП.

Методы исследований. Теоретические исследования проведены методом математического моделирования с применением векторно-матричного аппарата, элементов теории кватернионов и общей теории погрешностей. При разработке программного обеспечения и моделирования на ЭВМ использованы «Turbopascal» и «Delphi». На этапах линеаризации статических характеристик первичных преобразователей использованы методы кусочно-линейной аппроксимации и разложения погрешностей в ряд Фурье. При экспериментальных исследованиях применены методы статистической обработки результатов измерений.

На защиту выносятся: L. совокупность обобщенных статических математических моделей ИнП, учитывающих утлы отклонения осей чувствительности первичных преобразователей от осей опорных базисов, из которых следуют как частные решения модели известных ИнП, а также впервые полученные модели феррозондовых ИнП и ПЗВУ на основе одностепенных маятников;

2концепция повышения точности ИнП, в основу которой положена многоуровневая алгоритмическая коррекция погрешностей ИнП, включающая линеаризацию статических характеристик первичных преобразователей и учитывающая углы отклонения осей чувствительности первичных преобразователей от осей опорных базисов; & метод математического моделирования маятниковых ПЗВУ, основанный на введении в общие векторно-матричные уравнения и в результирующие квате�