автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Разработка акустического измерительного комплекса мониторинга подземных камер

На правах рукописи

МОНАХОВ Юрий Сергеевич

РАЗРАБОТКА АКУСТИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА МОНИТОРИНГА ПОДЗЕМНЫХ КАМЕР

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения по видам измерений (механические величины)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Санкт-Петербург 2013

005543635

Работа выполнена на кафедре мехатроники Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Мусалимов Виктор Михайлович,

доктор технических наук, профессор

Смирнов Аркадий Борисович,

доктор технических наук, профессор кафедры Автоматы Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

Петров Сергей Юрьевич,

кандидат технических наук, генеральный директор ООО «Приборостроительная фирма «Спецприбор»

Ведущая организация: ЗАО «СКБ Приборов подземной навигации»,

г. Санкт-Петербург, Большой Сампсониевский пр., д.30 к.1

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 17.30 на заседании диссертационного совета Д.212.227.04 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан 25 ноября 2013 г.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу университета: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, ученому секретарю диссертационного совета Д212.227.04.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного к.т.н., доцент

совета .

Киселев С.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При разработке различных месторождений возникают задачи контроля внутреннего состояния скважины и определения размеров, формы и пространственного положения подземных камер (например, глубоких вертикальных рудоспусков или камер выщелачивания соли) [1]. В силу конструктивных особенностей подземных скважин (небольшой диаметр обсадных колонн) требуется разработка компьютерно-измерительных устройств - скважинных приборов. Скважинные приборы с измерительным комплексом используют принцип ультразвуковой эхолокации для сканирования, что позволяет выполнять измерения расстояний до стенки или дна подземной камеры и угловые положения этих измерений относительно магнитного поля Земли. Пространственное положение камеры определяется совокупностью горизонтальных сечений, зарегистрированных прибором для различных глубин погружения. Сканирование подземных каверн обеспечивается круговым обзором с помощью приемного устройства, что может быть выполнено либо путем его постоянного вращения вокруг своей оси либо установкой нескольких излучателей и приемников, развернутых относительно друг друга на определенный угол.

Большой вклад в создание и развитие методов экспериментально-аналитического определения параметров скважин внесли Д.А.Казаковский, А.А.Гурич, Г.А.Кротов, занимавшиеся физическими основами звуколокации. Известны разработки иностранных фирм Halliburton (США), Western Atlas International (США), Ascon (Германия), CGG (США), Shlumberger (США, Франция). В работах М.А.Ноздрина и В.К.Кругликова приводятся разработки технических систем для сканирования камер. Вопросы динамической точности измерительных систем, методы определения влияния трения на динамические характеристики рассмотрены в трудах В.М.Мусалимова. Решение задач моделирования сложных динамических систем отражено в работах Г.Б.Заморуева. В работах А.Б.Смирнова большое внимание уделяется вопросам проектирования мехатронных систем. Вопросы синтеза систем управления и создания математических моделей управления подробно изложены в работах С.Ю.Петрова.

Несмотря на значительное количество теоретических моделей и методов экспериментального исследования, остается не решенной задача создания установки, позволяющей выполнять сканирование внутри подземной полости на большой глубине (до 2,5 км) при гидростатическом давлении более 25 МПа.

Таким образом, задачи создания сканирующего устройства для контроля и мониторинга состояния подземных камер, разработки алгоритмов и программ для управления им, а также методики поверки являются актуальными.

Цель диссертационной работы - разработка акустического ультразвукового измерительного комплекса для исследования и мониторинга подземных камер.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) разработать систему акустического сканирования подземных камер; У

2) разработать математическую модель системы;

3) разработать методику расчета конструкционного демпфирования кабеля и методику расчета вязких свойств уплотнителя;

4) разработать алгоритм обработки полученной информации;

5) разработать методику проведения измерений и методику поверки прибора.

Методы исследования поставленной задачи основаны на применен™ расчетно-экспериментальных методов, теории гидроакустики, трибологии, метрологического обеспечения и поверки средства измерения. Математическое моделирование, обработка результатов исследований проводились на персональном компьютере с помощью программного обеспечения Microsoft Excel, MatLab, MathCAD, Autodesk Inventor, Compas 3D и др.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) измерительный комплекс для мониторинга подземных камер (система сканирования);

2) динамическая модель системы и влияние динамики системы на точность измерений;

3) методика расчета конструкционного демпфирования кабеля и методика расчета вязких свойств уплотнителя;

4) методики проведения измерений и поверки системы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) разработана система приводов для движения системы, позволившая повысить плавность и точность работы;

2) разработана динамическая модель, позволившая исследовать динамические и точностные характеристики системы;

3) проведен динамический анализ уплотнительных элементов;

4) разработаны методики проведения измерений и поверки.

Обоснованность научных положений и предлагаемых рекомендаций, достоверность полученных результатов подтверждаются: использованием современных средств измерений и методов обработки данных; современными аналитическими методами, основывающимися на теории гидроакустики и трибологии, теории автоматического регулирования и управления; применением компьютерных методов исследований.

Практическая значимость и реализация результатов:

1) разработана конструкция гидроакустического сканирующего устройства, позволяющего производить контроль параметров подземных камер;

2) разработана конструкция блока уплотнителей, обеспечивающего работу установки в агрессивной среде (рассол, жидкие нефте- и газопродукты) при высоком гидростатическом давлении (до 25 МПа) и температуре от +5 до+30 °С;

3) разработана методика проведения измерений параметров подземных камер;

4) проведены полевые испытания на полигонах в Башкирии, Республике Беларусь, Китае;

5) результаты работы использованы в учебном процессе НИУ ИТМО при составлении курсов «Проектирование и конструирование мехатронных систем», «Конструирование мехатронных модулей», «Информационно-компьютерные технологии в технических приложениях» и при написании учебного пособия «Проектирование передаточного механизма» (Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2010. 164 е.).

Апробация работы. Наиболее значимые результаты, полученные в ходе выполнения работы, представлялись на 10 конференциях различного уровня: Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «XXXIII неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2005), Международной научно-практической конференции «Приборостроение 2004» (Винница-Ялта, 2004), VI сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем» (Санкт-Петербург, 2003), VII сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (Санкт-Петербург, 2005), IV Международной конференции «Приборостроение в экологии и безопасности человека» (Санкт-Петербург, 2004), Международном семинаре «Dynamic System and their testing, mechatronic and tribologic cases» (Эстония, 2010), VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2011), XLI научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2012), XL1I научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2013), XI сессии Международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (Санкт-Петербург, 2013).

Публикации. Основные результаты работы отражены в 10 публикациях, из них 3 - в журналах из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы (107 наименований) и приложений. Основной текст работы (100 страниц) включает 7 таблиц и 32 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введешш обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, основные положения, выдвинутые на защиту. Приведена краткая характеристика работы.

В первой главе представлен обзор основанных на принципе эхолокации приборов и устройств, позволяющих выполнять геофизические исследования для определения объема и формы подземных камер.

5

Представлен анализ патентной и научно-технической литературы по теме исследования. Проведен анализ существующих методов и средств геофизических измерений (LFDT фирма Halliburton (США), MAC фирмы Western Atlas International (США), отечественные скважинные приборы: серии АК фирмы «Невская геофизика», «Apryc-М», АМК «Горизонт-90-BAK» фирмы ООО НПФ "АМК ГОРИЗОНТ", Скважинный георадарный комплекс «ОКО» НПЦ «Геотех» и др.) и выявлены их основные достоинства, определены направления работы по разработке новых методов и средств измерения.

Рис. 1. Структурная схема прибора

Вторая глава посвящена разработке измерительной системы и описанию особенностей ее

конструкции. Структурная схема разрабатываемого прибора приведена на рис. 1. Условно в приборе можно выделить несколько функциональных частей: блок электроники, блок кинематики и блок преобразователей (измерителей).

В задачи блока электроники входят выдача питающих,

управляющих напряжений для исполнительных и измерительных устройств прибора, предварительная обработка поступающих от измерительных устройств сигналов, а также передача обработанных информативных сигналов в наземную аппаратуру.

Блок кинематики предназначен для создания вращающего момента и передачи его на подвижную часть прибора (блок измерителей); передачи электрических сигналов к измерительным устройствам находящихся в блоке измерителей.

Блок преобразователей (измерителей) предназначен для ориентации подвижной части прибора относительно магнитного поля Земли; измерения расстояния от продольной оси прибора до стенки и дна камеры; измерения скорости распространения звука в рабочей среде. Электроакустический преобразователь измерения расстояния выполнен на основе пьезокерамического преобразователя (пьезокерамика ЦТС-19).

В третьей главе приводится математическая модель и рассмотрены вопросы моделирования динамики измерительной системы и влияния динамики системы на точность измерений.

Для анализа измерительной системы с точки зрения управления произведено динамическое моделирование. Разработанные математические модели, использующие структуру динамической системы, воздействия на ее входах и динамические характеристики позволяют аналитически исследовать и моделировать процессы, определять потери и проводить сравнительный анализ технических решений.

Динамическая модель электромеханической системы включает в себя математическое описание двигателя и механических нагрузок. Механическая часть представлена в виде двухмассовой системы: вращающаяся часть ротора двигателя и жестко связанные с ним элементы (передаточный механизм) -первая масса ^ и подвижная часть блока измерителей - вторая масса ]2.

Прибор закрепляется с помощью кабельно-тросовой конструкции, служащей подвесом для скважинной установки. Наиболее существенным внешним фактором, во многом определяющим точностные характеристики сканирования, является так называемый «моторный эффект», т.е. вращательное движение кабеля, обусловленное, с одной стороны, его упругой деформацией, а с другой - вертикальным линейным удлинением (укорочением) его свободного конца в процессе спускоподъемных операций скважинного прибора. Кабельно-тросовая конструкция представляет собой систему, в которой при действии внешних нагрузок формируются крутильно-продольные колебания.

В первом приближении рассмотрим механическую систему без учета сил трения в геофизическом кабеле (рис. 2).

Уравнения движения для представленной двухмассовой механической системы имеют вид:

I кФг +сг{<р2-щ) + Ь2Сф2~ФО = М (1)

где /и/ и J¡ — масса и момент инерции первой массы; т-2 и J2 - масса и момент инерции второй массы; Су - крутильная жесткость геофизического кабеля; с2 -жесткость передаточного механизма; Ъ2 - коэффициент демпфирования, учитывающий трение в уплотнительных элементах конструкции.

Рис. 2. Схема электромеханической системы в первом приближении

Конструкция геотехнического зонда имеет подвижную часть (блок измерителей), которая закреплена на выходном валу блока кинематики. В связи с особенностями условий эксплуатации (наличие высокого внешнего давления

7

и химически активной среды) необходимо защищать блок кинематики от проникновения внутрь рассола. Поэтому на выходной вал блока кинематики ставят уплотнительную прокладку.

С точки зрения механики уплотнители являются неупругими элементами, так как они находятся в среде со смазкой и подвергаются продольному давлению относительно вала двигателя. В этой связи возникает задача учета взаимодействия при работе уплотнителя и вращающегося вала, торцевого давления на уплотнитель со стороны гайки, гидродинамики и реологических свойств (так как волокна находятся в жидкости). Схема воздействия на уплотнитель продольного <7, со стороны гайки, и контактного Р, со стороны вращающегося вала, давления представлена на рис.3 [2].

Характерная особенность данной задачи - возникновение «плывущей» зоны давления при вращении вала относительно уплотнителя. Поэтому необходимо найти соотношение между Р яд, учитывая возникающую вязкость, модуль упругости, коэффициент Пуассона и угловую скорость вала. Задача решается с помощью гидродинамического уравнения Рейнолъдса [3]:

Рис. 3. Схема воздействия на уплотнитель продольного и радиального давления

где И = И(Р) - радиальное перемещение уплотнителя, г) = т](Р), и уравнения теории упругости:

(3)

г где Ьущ, - упругая составляющая, определяемая с помощью решения задачи Буссинеска.

Для решения задачи перепишем формулу Рейнольдса (2). Известна зависимост вязкости от давления Т]{Р) = г]¡¡е1^ , где % — вязкость в отсутствие давления; у - пьезокоэффициент вязкости. Эта формула является решением дифференциального уравнения

§ = **. (4)

Перемножив выражения (2) и (4), получим

й2

ах

Представим радиальное давление в экспоненциальном виде Р = Р0е"л, где р~ коэффициент релаксации уплотнителя, Ро — начальное давление.

Данные расчета приведенного коэффициента релаксации (Д/) коэффициента вязкости (77) приведены в табл. 1.

Таблица 1

Рч 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

П 0,078 0,091 0,094 0,096 0,097 0,0976 0,0979 0,0982 0,099

На рис. 4 представлена зависимость коэффициента вязкости от приведенного коэффициента релаксации. Характер зависимости явно нелинейный, но эта нелинейность приходится на интервал неустановившегося режима. Начиная с (к[ = 0,4, зависимость явно линейная, она определяется тангенсом угла наклона а, где а - а(Е,ц,®,г) - функция модуля упругости, коэффициента Пуассона, угловой скорости вала и геометрических параметров уплотнителя. Целесообразно принять линейную зависимость цар = г!, откуда получим выражение для определения предельной

Рис. 4. Зависимость коэффициента вязкости от приведенного коэффициента релаксации

осевой нагрузки ц =

Из этого выражения следует, что давление на уплотнитель должно обеспечивать равномерное распределение смазки и компенсацию внешнего осевого и радиального давлений. Причем давление # является функцией характеристики смазки, физико-механических характеристик материала уплотнителя, кинематических характеристик относительного движения вала.

Отметим также, что для линейного участка а=0,225, это значение определяет величину вязкого сопротивления уплотнителя. Отсюда коэффициент демпфирования определяется как ¿>2=о/2=0Д 125.

Для уточнения математической модели системы необходимо реализовать в ней учет сил трения в геофизическом кабеле, чего можно добиться путем введения вязкоупругих характеристик. Для этого лучше всего использовать конструкционную вязкость, которая определяется по декременту затухания собственных колебаний при проведении испытаний.

Схема математической модели системы, учитывающей силы трения в геофизическом кабеле, представлена на рис. 5.

■И

Рис. 5. Схема электромеханической системы во втором приближении

Уравнения движения для представленной модели имеют вид: ¡]!+ с^ + С2 ((Рг -(р2) + Ьг (<р. - Фз) + Ь±фл — О I кФ'г + сг{<рг - срг) + Ь2(ф2 -фг) = М (6)

Статические эксперименты по определению вязкоупругих характеристик носят весьма ограниченную сферу приложения, так как получены на основании опытов на растяжение. Вместе с тем очевидно, что конструкция геофизического кабеля имеет ярко выраженные анизотропные свойства и сопротивляется сжатию значительно меньше, чем растяжению. Кроме того, при исследовании рассматриваемых конструкций сопряженных элементов на устойчивость необходимо знать интегральную характеристику жесткости на изгиб В=Е1, которая не может быть вычислена классическим методом по известному модулю Юнга Е и моменту инерции I. Следует также отметить, что рассматриваемое движение гибких сопряженных конструкций - быстропротекающий процесс. Все это обусловило необходимость проведения таких экспериментов по определению вязкоупругих характеристик кабельных конструкций, которые бы включали в себя необходимые параметры для исследования динамической устойчивости этих конструкций.

Схема установки для проведения эксперимента по определению динамических характеристик кабеля представлена на рис. 6 [4]. Верхний конец кабеля жестко закрепляется в зажиме стойки, к нижнему концу прикладывается некоторый груз Р. Исследования проводились для разных типов кабелей с различным количеством скрученных жил.

Аппроксимация затухающих колебаний выполнялась с помощью функций (р—е-'"-1 эт(<а/ + где <ра - начальный угол отклонения гибкого кабеля, со — частота колебаний, 6,- коэффициент затухания (конструктивная вязкость).

Для определения конструктивной вязкости использована огибающая в форме (р — %г , где параметр <ра = 30° - начальное отклонение конца гибкого

10

кабеля. Эту зависимость можно переписать в виде (р = %е ,Л1, где М — число колебаний, тогда 6, = Прологарифмировав и воспользовавшись методом

наименьших квадратов, получим выражение для определения конструктивной

1п%"У М, - УМ, ¡п<р,

вязкости О; =---. Результаты расчетов конструктивной

вязкости для геофизических кабелей приведены в табл. 2.

Таблица 2

Марка кабеля КГЛ 1x0,35-10-90 КГЛ 1x0,75-20-90 КГЛ 1x1,50-24-90 КГЛ 3x0,50-40-90 КГ 3x1,50-70-90 КГ 7x0,75-750-90

Число жил: броня/ токопроводящие 29/ (1x7) 30/ (1x7) 30/ (1x7) 39/ (3x7) 41 / (3x7) 46/ (7x7)

0,29 0,32 0,34 0,45 0,50 0,62

Для моделирования динамических процессов была принято значение ¿1=0,5 (при использовании геофизического кабеля КГЛ 3x1,50-70-90).

Далее был использован пакет прикладных программ МаНаЬ БтиНпк [5]. Схема приведена на рис. 7.

В модели использованы следующие параметры измерительной системы: гп1~ 11,9 кг ;.// = 1,2 кг-м2; »/¿=4,9 кг; = 0,5 кг-м2; С/ =10; с2 — 100 -; Ь2 = 0,1125-; Ь, = 0,5.

Рис. 7. Схема моделирования электромеханической системы в МшІаЬ Бітиііпк

Аналогичным образом в пакете Ма&аЬ выполнено моделирование динамической системы с помощью среды втМесИатсз (рис. 8) [5].

Рис. 8. Схема моделирования электромеханической системы с помощью

БтЫесИатсБ

Для определения показателей качества динамической системы произведено ее моделирование (с помощью составленных моделей рис. 9 и 10) и исследована реакция выходного звена (поворот) на ступенчатое входное воздействие. Результаты моделирования приведены на рис. 9, из которого видно, что графики для обеих моделей полностью совпадают.

Рис. 9. Результаты моделирования динамической системы

Для анализа точности работы определим передаточную функцию системы и проанализируем ее с точки зрения теории управления. Представим математическую модель системы в следующем виде:

Ф\ + Ш + Чг (<Р1 ~ <Р2) + Ъ (Ф1 ~ Фг)+ Я*Ф1 = 0

Фг + Ъ (<Рг ~ <Р\)+ Чо(Фг " Ф1) ~ б = 0 где использованы следующие обозначения:

С1 с2 Ъ2 Ь1 сг Ь2 М

Чг=~г, 9з=у; 94=7-; 95 = -г, ?б=7-; 2=Т" ^

у | \ 1 1 2 ^ 7 2

Представим систему в виде уравнений Коши:

Ф,=Ф2;

ф3 = Ф4;

где

(10)

(И)

ф,=<?,;

фг=Ф{, ф2=Ф{, Ф3 = <Р2; =

Тогда молено записать уравнения движения системы в виде ^Ф = ЛФ + В0; |/ = СФ

где Г— измеряемая величина, А — матрица уравнений в пространстве состояний, Ф - вектор-столбец переменных состояния, В — вектор-столбец управляющего параметра, и - входное воздействие, С - вектор-столбец измерений

(12)

[/ = (0 0 0 2) С = (1 ООО) Передаточная функция системы была получена с использованием преобразования Лапласа:

2,4385 + 2167

уу (¿¡) —_-_

/ + 19,13^ +7648л2 + 5,763-10Л + 1,1127-Ю"6 ^ Далее, для удобства компьютерного моделирования, было использовано

0 1 0 0 " Г°1

А = ~{41+<1г) ~{Ъ+ЯА) Яг Чъ ф= ф2 в= 0

0 0 0 1 ф3 0

. <?5 Яб -Че. м Л

г-преооразование:

1,042 • 10 "7 г3 + 7,287 • 10"7 г2 + 4,333 ■ 10"7 г + 5,118 -10"

г4 - 3,726г + 5,368г2 - 3,55г + 0,9088 (14)

Сравнивались логарифмические амплитудно-частотные характеристики передаточных функций, из рис. 10 видно, что при работе прибора на эксплуатационном режиме (частоты до 10 единиц) частотные характеристики совпадают.

/ — передаточная функция, 2 - дискретная передаточная функция (:-преобразование)

Определим переходную характеристику для полученной дискретной передаточной функции (рис. 11). На основании полученных результатов можно сделать выводы, что основные временные показатели качества системы удовлетворяют предъявляемым требованиям к точности. Перерегулирование (склонность системы к колебаниям) составляет 33 %, длительность переходного процесса (быстродействие системы) 0,7 с, степень затухания 1,7. Подобный график переходной функции свидетельствует об оптимальном характере выбора параметров динамической модели.

В четвертой главе приводится описание программного обеспечения для обработки результатов измерения и алгоритма построения пространственной модели подземной камеры по результатам сканирования.

Каждое сечение, снятое прибором, представляет собой совокупность 180 радиусов, снятых устройством через каждые два угловых градуса (рис. 12). Измерение радиуса в каждом направлении производится в течение 120 мс. Прибор посылает сигнал в измеряемом направлении и фиксирует принятый (отраженный) сигнал. Каждые 0,05 мс происходит снятие показаний с принимающей антенны: записывается «нуль», если отраженный сигнал не был зафиксирован, и «единица», если такой сигнал поступил на приемное устройство прибора. В результате замера одного радиуса получаем строк)' длиной 2400 бит.

пи результатам измерений

Таблица 3

Номер радиуса Отсчеты

1 2 3 1-1 і 1 + 1 2398 2399 2400

1 0 0 0 1 1 0 0 0 0

2 0 0 0 1 0 1 1 0 0

180 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0

Рассмотрим совокупность измерений (отсчетов) в фиксированном направлении (номер измеряемого радиуса фиксирован), тогда получим массив вида 0,0,0,...,1,1,...,0,0, состоящий из 2400 элементов, где значение /-го отсчета «0» или «1»:

[0

11 (15)

Для всех = 1 определим /-,„■ = / как метку отклика (зафиксированного эха). На каждом радиусе Н„ число откликов может изменяться от нуля (нет откликов) до нескольких десятков. По времени прихода этих откликов необходимо вычислить значение измеряемого радиуса. Среднее значение метки

2400 / 2400

отклика в направлении п: гп = / XX' где в числителе находится сумма

.=1 / 1=1

значений меток (эхо-сигналов), а в знаменателе — число меток. Однако так как нас интересуют объемные характеристики, следует вычислить среднее значение, соответствующее среднему объему. Объем цилиндра прямо пропорционален квадрату его радиуса, поэтому запишем:

2400 / 2400 .- /2400 / 2400

и (16)

Для того чтобы отсчеты на соседних радиусах можно было отрабатывать совместно, зададимся некоторой функцией от угла, зависящей от неопределенных параметров, т.е. будем искать уравнение регрессии. Ввиду

периодичности функции Л(ф) удобно использовать тригонометрическую функцию кратного аргумента - ряд Фурье. Для нашего случая можно записать

= а0 + я, ■ сс«((9) + 6, ■ 5ю((з) +. + .. + ак-со$(к•<?>) + Ьк -ът^п-р) (17)

1 7Г

1 _

Ь =77 ЕЯ^т-Ьг.» = 1.2,...,Л'-1). Л ££ N

Нулевая гармоника, являясь средним радиусом сечения, определяет площадь среза камеры. Первая гармоника характеризует смещение центра, вторая - продольную деформацию среза. Каждая последующая гармоника уточняет контуры горизонтального сечения. Для построения профиля с приемлемой точностью необходим отрезок ряда Фурье, состоящий из двадцати гармоник. Таким образом, обработка данных, полученных прибором, заключается в преобразовании исходного массива откликов в массив коэффициентов ряда Фурье.

Такое представление данных является достаточно компактным и удобным для дальнейшего построения по ним аппроксимированных контуров горизонтальных сечений камер.

Первый программный модуль выполняет начальную обработку исходных данных, поступивших из скважинного прибора. Сначала необходимо сгладить контуры горизонтальных сечений. Для решения этой задачи была выбрана аппроксимация исходных данных отрезком ряда Фурье. Программа открывает файл начальных данных и по ним вычисляет коэффициенты отрезка ряда Фурье, минимальный, максимальный и средний радиусы сечений. Файл с отработанной таким образом скважиной сохраняется.

Второй программный модуль выполняет непосредственно построение объемного изображения. Для этого он открывает файл обработанных первым программным модулем данных. Но так как съемка горизонтальных сечений происходит

Рис. 13. Блок-схема алгоритма программы

с шагом один метр (по высоте), то возникает задача восстановления недостающих срезов, как если бы съемка велась с гораздо меньшим шагом по вертикальной оси. Для этого используется линейная интерполяция коэффициентов Фурье. Блок-схема алгоритма программы приведена на рис. 13.

В пятой главе рассматриваются вопросы определения метрологических характеристик измерительного устройства и его поверки. Приводится описание разработанного стенда для испытаний (рис. 14) и методики поверки.

Разработана методика поверки измерительной системы, предназначенной для определения размеров, формы и пространственного положения подземных камер и устанавливает методы его первичной поверки, после ремонта и периодической поверки в процессе эксплуатации. Методика поверки включает в себя следующие разделы: операции поверки, средства поверки, требования безопасности, условия поверки, подготовка к поверке, проведение поверки (внешний осмотр, определение метрологических параметров, градуировка

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие

основные результаты:

1) проведен анализ методов и устройств контроля подземных камер; показано, что наиболее подходящим является метод ультразвуковой гидролокации;

2) разработана система сканирования подземных камер (включая систему приводов), позволяющая в режиме реального времени выполнять сканирование и мониторинг состояния подземных камер;

3) построена динамическая модель системы, на базе которой исследованы динамические характеристики системы, а также разработаны алгоритмы управления и ориентации установкой;

4) разработана конструкция блока уплотнителей и представлена методика его расчета для обеспечения исправного функционирования устройства и определения коэффициента демпфирования;

5) разработай алгоритм обработки полученной информации и построения модели камеры;

6) разработаны методики проведения измерений и поверки для определения метрологических характеристик устройства.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях из перечня ВАК:

1. Мусолимое В.М., Заморуев Г.Б., Монахов Ю.С. Моделирование динамики измерительной системы мониторинга подземных камер // Изв. вузов. Приборостроение. 2013. № ю. С. 53-57.

2. Ноздрин М.Л., Монахов Ю.С., Красковский A.A. Системные проблемы создания устройств для сканирования подземных камер // Изв. вузов. Приборостроение. 2012. № 6. С. 15-19.

3. Шалобаев Е.В., Монахов Ю.С., Янгузов Г.И. Методика определения степени точности зубчатых колес в передаче с учетом погрешностей изготовления и монтажа деталей // Сборка в машиностроении, приборостроении. 200. № 9. С. 14-19.

Публикации в прочих изданиях

4. Монахов Ю.С. Решение системных задач на стадии проектирования мехатронного комплекса акустического сканирования подземных камер // Приволжский научный вестник. 2012. № 6. С. 9-13.

5. Монахов Ю.С., Заморуев Г.Б. Динамическая модель системы мониторинга подземных камер // Сб. тр. 11-й Сессии Междунар. науч. школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов». СПб: Изд-во ИПМаш РАН, 2013. С. 260-264.

6. Белоусов A.A., Шалобаев Е.В., Явленский А.К., Подмастерьев КВ., Монахов Ю.С. Комплексный метод исследования и диагностики узлов трения приборов // Сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. «Приборостроение 2004». Винница-Ялта, 2004. С. 421-424.

7. Мусолимое В.М., Шалобаев Е.В., Монахов Ю.С., Резников С.С. Трибосистемы - мехатронные системы // Матер. Всеросс. межвузовской

науч.-техн. конф. «XXXIII неделя науки СПбГПУ». 4.III. СПб: Изд-во Политехнического университета, 2005. С. 86-87.

8. Шалобаев Е.В., Старжинский B.E., Монахов Ю.С. Оптимизация объема многоступенчатых соосных схем редукторов приборов // Тр. 6-й Сессии междунар. науч. школы «Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем». СПб: ИПМаш РАН, 2003. С.113-117.

9. Шалобаев Е.В., Федоров Б.И., Монахов Ю.С. Сканирующие лазерные установки // Матер. 7-й Сессии междукар. науч. школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов». СПб: ИПМаш РАН, 2005. С. 97.

\0.Шалобаев Е.В., Монахов Ю.С., Янгузов Г.И. Методика определения вибрационных характеристик приборов для учета их воздействия на надежность системы и безопасность оператора // Тр. 4-й Междунар. конф. «Приборостроение в экологии и безопасности человека». СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. С. 121-124.

Список цитируемой литературы:

1. Казаковскж Д.А., Гурт A.A., Кротов Г.А. Звуколокационная съемка горных выработок. М.: Недра, 1973. 248 с.

2. Мусолимое В.М., Ноздрин М.А., Родин Н.В. Динамический анализ унлотнительного элемента скважинного прибора // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. № 2. С. 16-19.

3. Чихос X. Системный анализ в трибонике / Пер. с англ. С.А.Харламова. М.: Мир, 1982. 351 с.

4. Шишкин И.Ф. Теоретическая метрология. Ч. 2. Обеспечение единства измерений. СПб: Питер, 2012.240 с.

5. Дьяконов В.П. Matlab 6.5. SPl./7+SimuIink 5/6 - Основы применения. М.: Солон-Пресс, 2005. 800 с.

6. Мусолимое В.М., Соханев Б.В. Механические испытания гибких кабелей. Томск: Изд-во Томского Университета, 1984. 64 с.

Корректор Позднякова JI.Г.

Подписано в печать 20.11.2013. Усл. печ. л. 1.

Тираж 100 экз. Заказ № 155.

Учреждение «Университетские Телекоммуникации», 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

04201455039

На правах рукописи

МОНАХОВ ЮРИИ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА АКУСТИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА МОНИТОРИНГА ПОДЗЕМНЫХ КАМЕР

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения по видам измерений

(механические величины)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Мусалимов В.М.

Санкт-Петербург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3 Глава 1. Состояние вопроса. Акустические системы измерений 8

Глава 2. Измерительная система 21

2.1. Первичные акустические преобразователи 21

2.1.1. Акустическая локация. Излучатели и приемники излучения 21

2.1.2. Радиальный и донный излучатели 25

2.2. Структура измерительной системы 29

2.2.1. Блок кинематики 31

2.2.2. Блок преобразователей 35

2.2.3. Блок ориентации 38

2.3. Выводы к главе 2 41 Глава 3. Влияние динамики на точность измерений 42

3.1. Измерительная система, как двухмассовая колебательная

система 43

3.2. Расчет коэффициентов демпфирования 46

3.3. Моделирование динамической системы 56

3.4. Анализ динамической системы по ее передаточной функции 59

3.5. Выводы к главе 3 64 Глава 4. Обработка результатов измерений. Объемная визуализация данных 65

4.1. Форматы представления данных 66

4.2. Алгоритмы обработки данных 74

4.3. Разработка и реализация алгоритмов 77

4.4. Выводы к главе 4 80 Глава 5. Метрологический стенд и методика поверки 81

5.1. Методика поверки прибора 83

5.2. Выводы к главе 5 91 Заключение 92 Литература 93 Приложения 101

Введение

В процессе закрытой разработки подземных месторождений остро стоит проблема контроля за внутренним состоянием скважины и определения размеров, формы и пространственного образа подземных камер.

Одним из подходов, на основании которых представляется возможным построение подобных систем является использование ультразвука [25, 29] благодаря тому, что исследуемые скважины заполнены жидкостью (в случае соледобычи - рассолом), в которой ультразвук может свободно распространяться, в отличие от систем, построенных на оптических методах измерения (например, с использованием лазерного излучения), которые будут иметь большие погрешности из-за преломления, затухания и отражения излучения.

Звуколокация ещё с начала 20 века использовалась в качестве метода для измерения расстояний (глубин) в эхолотах и в гидролокаторах для обнаружения подводных лодок [16]. Начиная с 30-х годов звуколокацию стали использовать для составления карт донных поверхностей водоёмов и исследования поверхности слоёв донных отложений. С 40-х годов звуколокацию стали применять для инженерно-геологических изысканий и съёмки горных выработок. С конца 50-х годов назрел вопрос необходимости съёмки камер выщелачивания соли, глубоких вертикальных рудоспусков и других недоступных для человека выработок через буровые скважины [28]. Подобные исследования проводились специалистами Ленинградского горного института Д.А.Казаковским, Г.А.Кротовым [29], А.А.Гуревичем, В.Б.Арановским, Л.Н.Рудневым, И.А.Прудовым и В.К.Чумаком. В конце 1990-х годов эти работы были активизированы в СПбГУ ИТМО и БГТУ «Военмех» М.А.Ноздриным и В.К.Кругликовым [36, 47, 51, 52, 53]. Они решили проблему контроля за состоянием скважин с помощью использования различных ультразвуковых излучателей. Одновременно с ними вопросами создания аппаратуры для проведения исследований скважин

занимались Д.В.Белоконь, Н.В.Козяр, Н.А.Смирнов [1, 8, 26, 32, 33, 66] и другие авторы.

При ультразвуковой локации скважин малой глубины (не более нескольких десятков метров) и протяженности возможно применение установок установленных на поверхности земли. Однако при локации каверн большой глубины и протяженности, а также необходимости более точного определения их размеров данный подход неосуществим. Становится необходимо погрузить с помощью каротажной станции антенную часть прибора непосредственно в скважину, для её исследования [30]. Каротажная станция - это мобильная автоматическая установка для проведения геофизических исследований в скважинах. Каротажная станция включает в себя скважинные приборы и зонды, являющиеся датчиками геофизических параметров; наземную аппаратуру, позволяющую регистрировать результаты измерений скважинных приборов и зондов в аналоговой или цифровой форме; специальный (каротажного или геофизического) кабель, с помощью которого скважинный прибор подключается к наземной аппаратурое; лебёдки для проведения спуска и подъёма прибора в скважине. Автоматические каротажные станции обычно реализуются на базе одного или двух автомобилей, причём в последнем случае наземная измерительная аппаратура установлена в автомашине-лаборатории, а лебёдка, кабель и набор скважинных приборов объедин1уз в самоходный каротажный подъёмник. На серийных каротажных станциях можно выполнять все виды геофизических работ в скважинах глубиной до 7 км регистрируя за одну операцию спуска до 4-5 различных параметров.

При скважинной добыче ресурсов на месторождении с поверхности Земли бурят скважины на глубину до 2000 метров на расстоянии 200 метров друг от друга. В скважину вставляются обсадная и две технологические колонны. В зазор между технологическими колоннами под давлением подается вода (в случае добычи соли), а через центральную технологическую колонну отсасывается рассол. При растворении соли образуется камера,

размеры которой необходимо контролировать. Разработку скважины начинают с максимальной глубины. При достижении радиуса камеры 50 метров технологические колонны поднимают на 1 метр и начинают новый размыв. Примерно аналогичная технология применяется при добыче нефти, только без воды и с откачкой природного газа. На рис. 1 представлена схема работы каротажной станции с измерительным комплексом.

Рис. 1. Схема использования скважинного прибора для акустического

мониторинга.

Для контроля размеров камеры используются скважинные приборы. Прибор 6 (рис.1) входит в комплект измерительного комплекса на базе каротажной машины 7 и на геодезическом кабеле 5 через скважину 4 при помощи подъемного крана 3 опускается в исследуемую подземную полость 9 (8 - нерастворитель (например дизельное топливо, в случае добычи соли), 9 -исследуемая камера). Регистрация, обработка и объемная визуализация результатов измерений выполняется с помощью ЭВМ.

От оперативного и точного определения размеров, формы и пространственного положения подземных камер зависит эффективность управления процессом добычи полезных ископаемых и рационального использования недр, а также эффективность использования хранилищ.

Актуальными вопросами при разработке акустических измерительных комплексов для мониторинга подземных камер являются:

- Проектирование измерительной системы (специфическая конструкция и компоновка прибора, опускаемого в скважину; выбор акустического приемо-передатчика и системы ориентации в скважине и т.п.);

- Вопросы динамической точности при проведении измерений;

- Методы и алгоритмы обработки результатов измерений с возможностью их визуализации;

- Обеспечение проведения мониторинга в режиме реального времени;

- Создание стендов (образцовых средств измерений) и методов осуществления поверки средств измерения.

Целью диссертационной работы является разработка методов, алгоритмов и устройств акустического измерительного комплекса, позволяющего в режиме реального времени производить мониторинг подземных камер.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- Изучить состояние вопроса и провести анализ существующих методов и устройств для мониторинга подземных камер;

- Выбрать оптимальную схему и спроектировать измерительную систему;

- Составить математическую модель измерительной системы и определить влияние динамики устройства на точность проводимых измерений;

- Разработать алгоритмы обработки результатов измерений и способы их визуализации в режиме реального времени;

- Разработать стенд для проведения испытаний и поверки измерительной системы, а также методику проведения поверки.

Глава 1. Состояние вопроса. Акустические системы измерений

Имеется опыт разработки скважинных приборов для акустического каротажа как за рубежом [13], так и в России. Каротаж (от франц. carotte -буровой керн) - геофизические исследования скважин, выполняемые с целью изучения геологических разрезов и выявления полезных ископаемых. Также под термином каротаж понимаются геофизические методы обследования скважин (электрические, магнитные, радиоактивные или ядерные, термические, акустические или ультразвуковые). Вместе с тем ГОСТ Р 54362-2011 под термином каротаж понимает геофизические исследования, основывающиеся на измерении параметров естественных и искусственных физических полей в скважине и в околоскважинном пространстве, а также получения информации для интерпретации данных скважинной и наземной геофизики [2].

Под акустическим мониторингом скважин будем понимать геофизические обследования, направленные на получение информации о пространственном положении скважин и геометрических размерах сечения стволов, получаемые с помощью каротажа и последующей обработкой полученных данных в наземном блоке управления.

Исторически сложилось разделение приборов для проведения акустического каротажа [1], использующихся при изучении геологических разрезов и контроля за техническим состоянием обсадных колонн, на классы по их назначению (для проведения измерений в открытых или обсаженных скважинах) или по сложности конструктивного исполнения измерительных приборов. Наиболее простые из них содержат зонды, состоящие из трех элементов (излучатель и два приёмника или два излучателя и один приёмник) или компенсированные зонды, состоящие из четырех элементов (два излучателя и два приёмника). Иногда компенсированный зонд включает в себя также третий приёмник. К этим классам также можно отнести высокочастотные (до 1 МГц) приборы с одним или несколькими

электроакустическими преобразователями, которые совмещают функции как излучателя, так и приёмника колебаний. Отдельный класс составляют приборы, используемые для решения почти всех задач, решаемых с использованием акустического каротажа, при любых геолого-технических условиях.

Известны приборы для исследования открытых скважин. Они позволяют измерять параметры продольной головной волны. Осуществление измерения параметров для поперечных волн желательно, но не обязательно. Обычно, их производят при наличии благоприятных условий: подходящий диаметр скважины (номинальный), когда толщина исследуемого пласта больше длины измерительного зонда и некоторых других условиях. Круг геологических задач, решаемых данными приборами акустического каротажа: разрезы по значениям затухания и скорости продольной волны, расчет пластовых скоростей при проведении сейсморазведки, определение коэффициента пористости породы с межзерновыми порами. Подобные приборы также используются для мониторинга обсаженных скважин при определении качества выполнения цементирования обсадной колонны. В подобных приборах используются компенсированные измерительные зонды, у которых излучатель находится на расстоянии 90 - 100 см до ближнего приёмника, а расстояние между приёмниками 50 - 60 см. Такие излучатели имеют собственную частоту колебаний 20-25 кГц. Излучатели волн большинства зарубежных фирм представляют собой пьезокерамический цилиндр; отечественные производители, а также фирма Halliburton применяют магнитострикционные излучатели цилиндрические. Приёмники ультразвуковых волн во всех измерительных системах выполняются в виде пьезокерамических сфер, имеющих радиус 15-25 мм. Скважинные приборы этого типа имеют следующие эксплуатационные характеристики: диаметр прибора - 70-90 мм; диаметр скважин, в которых производятся измерения -от 108 мм до 457 мм. Приборы имеют стандартные термобарические характеристики: для зарубежных фирм - 177 °С, 138 МПа; для отечественных

производителей 120°С, 80 МПа. Сниженные характеристики у приборов отечественных производителей можно объяснить очень малым количеством на территории Российской Федерации скважин с большими значениями температуры и давления и редким использованием оборудования российских предприятий для работы с такими скважинами в других частях мира.

Конструктивные исполнения и основные эксплуатационные характеристики сканеров для акустического каротажа, использующихся для подробного мониторинга открытых скважин, также похожи. Совмещенный "излучатель-приёмник" ультразвуковых волн совершает до 12 об./мин. вокруг оси сканера. Излучающая поверхность пьезоэлектрического преобразователя реализована в виде вогнутого диска, имеющего радиус кривизны поверхности около 100 мм, определяемый размерами и частотой собственных колебаний преобразователя. Частота колебаний преобразователя (рабочая) колеблется от 250 до 500 кГц у зарубежных производителей приборов, а у отечественных она составляет от 900 до 1000 кГц. Ось преобразователя располагается перпендикулярно относительно оси скважинного прибора, что позволяет обеспечить наибольшую интенсивность и дифференциацию отражённых сигналов.

Шаг измерения (сканирования) в азимутальной плоскости можно регулировать в диапазоне от 100 до 500 точек за оборот, зачастую она постоянна - 128 точек за оборот. Дискретность измерений по вертикали равна 8-10 мм при работе на скорости перемещения прибора от 180 до 500 м/ч. Ориентация поверхности стенки скважины (развертки) относительно сторон света осуществляется за счет применения магниточувствительных феррозондовых датчиков.

Разрешающая способность приборов для акустического каротажа весьма высока. С помощью этих приборов на стенке скважины можно различить неоднородность, линейные размеры которой превышают 7 мм. Благодаря этому возможно выделение тонких и протяжённых участков разреза, таких как устья трещин, выходящие на поверхность скважины,

контакты пород с различной акустической жёсткостью, прослои и различные включения в переслаивании пород. Одновременно можно определить профиль скважины, зная время возврата к преобразователю сигналов, отраженных от стенки. Погрешность измерения радиуса скважины не больше 1 мм. Приборы осуществляющие подобные измерения, включают в себя дополнительный совмещенный преобразователь "приёмник-излучатель", который используется для определения скорости пьезоэлектрической волны в жидкости, которой заполнена скважина.

Известны также скважинные приборы, использующиеся для измерений полных волновых пакетов. Они используются для проведения измерений открытых скважин и обсаженных скважин, и при этом они измеряют параметры всех информативных волн (Ь, Р, 8, 81). Применение подобных приборов позволяет решить наибольший круг геологических задач, например, таких, как количественное определение коэффициента трещиноватости пород и направлений преимущественного распространения трещин, определение параметров гидроразрывов, а также обеспечение прогнозирования пространственного расположения трещины разрыва, определение текущей насыщенности породы и т.д.

Скважинные приборы, относящиеся к этой группе включают в себя 1 или 2 монопольных широкополосных излучателя и от четырех до шестнадцати (зачастую используют восемь) таких же широкополосных (до 30 кГц) приёмников, которые составляют приёмную антенну. В виде источников излучения, расположенных через 50 - 76 см друг от друга, используются конструкции в виде пьезоэлектрических цилиндров или пьезоэлектрических сфер радиусом не менее 25 мм. Излучаемые частоты лежат в диапазоне от 1 до 30 кГц и имеют среднюю рабочую частоту от 11 до 17 кГц. В качестве приемников излучения используются пьезоэлектрические цилиндры небольшого диаметра, иногда применяют сферы радиусом 10-15 мм. Приемники обычно располагаются на расстоянии от 15 до 30 см, но известны также конструкции, имеющие меньшие от 0,5 до 10 см и большие

от 61 до 100 см расстановки. Расстояние от ближайшего излучателя до приёмника у наиболее короткого прибора колеблется в различных приборах от 0,9 до 3,5 м, но известны приборы, в которых это расстояние составляет величину от 4 до 10 м. Обычно в конструкциях приборов с приемопередающими антеннами используются также 1-2 преобразователя для определения скорости ультразвуковой волны в жидкости, окружающей скважину.

Наиболее совершенные и при этом наиболее технически сложные приборы содержат, не только антенну монопольных приёмников, но ещё и антенну из восьми дипольных приёмников, которые воспринимают сигналы от 1 и�