автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка и исследование информационно-вычислительной системы гироскопического инклинометра для диагностики и активного контроля пространственного положения ствола скважин

Министерство общего и профессионального образования Российской

Федерации

МАТИ - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени К. Э. Циолковского

УДК: 528.526.6 на правах рукописи

ГАЛКИН ДМИТРИЙ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО ИНКЛИНОМЕТРА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ И АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ

СТВОЛА СКВАЖИН.

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор СУМИНОВ В. М.

МОСКВА - 1999 г.

Содержание.

Стр.

Введение ..................................................................................................................................................................................................5

Глава 1. Построение информационно-вычислительной системы

(ИБС) и выбор ее составных частей..........................................................................11

1.1. Анализ проблем современной инклинометрии........................................11

1.2. Способы построения инклинометрических измерительных систем и их классификация........................................................................14

1.3. Структурно-функциональное построение ИБС......................................32

1.3.1. Общая схема построения ИБС........................................................................32

1.3.2. Построение блока чувствительных элементов......................34

1.3.3. Система преобразования и передачи информации..........38

1.4. Циклограмма функционирования ИБС................................................................40

1.5. Выбор аппаратурного обеспечения ИБС............................................................43

Выводы......................................................................................................................................................................50

Глава 2. Разработка математической модели инклинометра..........................51

2.1. Расчетная система координат................................................................................................51

2.2. Математическая модель инклинометра в режиме многоточечных измерениий..................................................................................................55

2.2.1. Матрица направляющих косинусов........................................................55

2.2.2. Определение параметров ориентации скважины..............59

2.3. Математическая модель инклинометра в режиме движения..................................................................................................................................................................65

2.3.1. Кинематические уравнения в углах поворота измерительного блока........................................................................................................................65

2.3.2. Определение ориентации скважины через матрицу направляющих косинусов.............................................................68

2.3.3. Использование кватернионов и параметров Родрига-Гамильтона для определения элементов матрицы направляющих косинусов..........................................................................................................70

Выводы......................................................................................................................................................................79

Глава 3. Исследование погрешности измерений инклинометра................80

3.1. Систематические погрешности чувствительных 80 элементов и их алгоритмическая компенсация....................

3.1.1. Погрешность акселерометров............................................................................80

3.1.2. Погрешности датчиков угловых скоростей................................82

3.2. Исследование среднеквадратических погрешностей 84 измерений...............................................................................

3.2.1. Погрешности определения угла наклона скважины.. 84

3.2.2. Погрешность определения угла поворота инклинометра..................................................................................................................................................86

3.2.3. Погрешность определения азимута..........................................................90

Выводы......................................................................................................................................................................103

Глава 4. Разработка программно-математического обеспечения 104 информационно-вычислительной системы инклинометра..

4.1. Общий алгоритм ПМО....................................................................................................................105

4.2. Структурная схема построения программы-оболочки................108

4.3. Алгоритм управляющей программы..........................................................................111

4.4. Алгоритм обрабатывающей программы..............................................................113

4.4.1. Определение зенитного угла..............................................................................113

4.4.2. Определение азимута......................................................................................................116

4.4.3. Определение угла поворота инклинометра................................120

4.5. Алгоритм численного расчета параметров ориентации скважины при движении измерительного блока....................................122

4.6. Алгоритм сервисной программы......................................................................................128

Выводы......................................................................................................................................................................132

Глава 5. Экспериментальные исследования ИБС инклинометра............133

5.1. Цель исследований..................................................................................................................................133

5.2. Описание экспериментальной установки..........................................................133

5.3. Методика и результаты испытаний..............................................................................144

Выводы......................................................................................................................................................................151

Заключение..........................................................................................................................................................152

Литература............................................................................................................................................................155

Приложение № 1..........................................................................................................................................160

Приложение №2..........................................................................................................................................174

Введение.

Непрерывный рост темпов разведки и добычи нефти и газа, усиление интенсивности эксплуатации уже найденных месторождений потребовали существенного повышения точности диагностики и активного контроля пространственного положения стволов скважин, расширения диапазона измерений, улучшения оперативности представления информации [1,2,3]. Это, в свою очередь, привело к необходимости создания новых, более совершенных поколений инклинометрических измерительных систем, с помощью которых осуществляется определение пространственного положения ствола скважины.

Инклинометр, как измерительная система, используется в важнейшем технологическом процессе - строительстве скважин. По его показаниям маркшейдер контролирует соответствие профиля и плана скважины проектному заданию и корректирует соответствующим образом процесс бурения. Поэтому точность производимых инклинометром измерений, оперативность и удобство представляемой информации для пользователя во многом определяет и стоимость затрат на построение скважины в целом.

Разработкой таких систем занимается ряд отечественных (СКТБ нефтепромышленности и геофизики, НИИКА нефтегаз, НИИ геофизики, ВНИИ «Нефтепромгеофизика», ВИТР НПО «Геотехника», Томскнефтегеофизика) и зарубежных фирм (Оеозетсев, 8репу 8ип, вугосЫа) [4, 5, 6]. Однако отечественные инклинометры уступают зарубежным по техническим характеристикам, а зарубежные имеют чрезвычайно высокую стоимость.

В то же время анализ конструкций и принципов построения лучших зарубежных образцов инклинометров показал, что используя научно-технические достижения ведущих предприятий аэрокосмического комплекса таких как НИИ прикладной механики (г. Москва), Раменское ПКБ и АО «РПЗ», АООТ «МИЭА», Государственное предприятие «Ижевский механический завод», МГП «Момент» (С.-Петербург), МИП «Арас» (г. Арзамас), можно создавать инклинометры, конкурентоспособные на мировом рынке как по техническим характеристикам, так и по стоимости [7 ч-17]. Это одно из перспективных направлений конверсионной перестройки ВПК.

Однако, несмотря на большой научный задел в области точного приборостроения, использование его для решения проблем инклинометрии требует дополнительного изучения и исследования. Поэтому все усилия, направленные на разработку теории построения инклинометрических систем, являются актуальными и своевременными. Вследствие большой важности научных исследований, проводимых в

этой области, Российская Академия Наук взяла на себя их координацию (решение научной сессии по скважинной навигации, инклинометрии и автоматизации от 28.04.99 г.). Без такой теории невозможны оптимальное проектирование инклинометрических систем и правильная оценка их эксплуатационных возможностей.

Проблемы технологии получения, передачи и обработки информации занимают в этой теории ведущее место, так как оптимальность ее построения определяет эффективность использования точностных характеристик чувствительных элементов, сохраняемость получаемой информации, оперативность и наглядность ее представления.

Аппаратурно-функциональная реализация этой технологии в инклинометре осуществляется с помощью информационно-вычислительной системы (ИБС).

Целью настоящей диссертационной работы является решение следующих задач:

1. Исследование и разработка структурно-функционального построения информационно-вычислительной системы гироскопического инклинометра:

- выбор способа построения измерительного блока для получения первичной информации, обеспечивающей определение пространственного положения ствола скважины при любых углах ее наклона в условиях магнитных аномалий;

- разработка структурно-функциональной схемы преобразования и передачи информации с максимальной помехозащищенностью;

- формирование требований к аппаратурному обеспечению ИБС.

2. Разработка математических моделей гироскопического инклинометра бесплатформенного типа, устанавливающих аналитическую связь между показаниями датчиков первичной информации и измеряемыми углами пространственной ориентации скважины:

- для классического построения измерительного блока - на базе трех одноосных датчиков угловой скорости;

- для построения измерительного блока на базе одного трехстепенного гироскопа, работающего в режиме двухосного датчика угловой скорости;

- для режима многоточечных измерений при остановках измерительного блока во время осуществления измерений;

- для режима измерений в процессе движения измерительного

блока.

3. Разработка математической модели ошибок измерений инклинометра и исследование влияний на эти ошибки погрешности чувствительных элементов и диапазона измеряемых углов.

4. Разработка программно-математического обеспечения инклинометра, включающего в себя:

управляющие программы, обеспечивающие процесс съема, преобразования и передачи информации с измерительного блока в наземную аппаратуру;

- расчетные алгоритмы и обрабатывающие программы, осуществляющие определение пространственной ориентации скважины по показаниям датчиков первичной информации;

сервисные программы, обеспечивающие представление информации в удобном для маркшейдера виде - профиль и план скважины, расчетные таблицы.

5. Создание экспериментального образца информационно-вычислительной системы и проведение экспериментальных исследований с целью:

- подтверждения правильности структурно-функционального построения ИБС;

определения работоспособности созданных расчетных алгоритмов и программного обеспечения;

- проверки основных теоретических положений диссертации.

Диссертационная работа состоит из пяти глав.

В первой главе на основе анализа проблем технологии получения и обработки информации о пространственном положении скважин в процессе их строительства формулируются требования к техническим характеристикам инклинометрических измерительных систем. Исследуются способы построения инклинометрических систем. Предлагается их классификация.

Показывается, что наиболее полно требованиям современной инклинометрии удовлетворяют гироскопические инклинометры бесплатформенного типа. Их основное преимущество - возможность определения пространственного положения ствола скважины при любых углах ее наклона и в условиях магнитных аномалий.

Основной функциональной частью инклинометра является его информационно-вычислительная система, аппаратурно реализующая технологический процесс получения первичной информации, ее передачи, обработки и представления потребителю в удобном для него виде.

В работе рассматриваются различные схемы построения ИБС. Показывается, что наиболее оптимальной для гироскопического инклинометра бесплатформенного типа является ИБС, построенная на базе гироскопических датчиков угловой скорости и линейных маятниковых акселерометров, аналогово-цифрового преобразования информации и передаче ее в цифровом коде по каротажному кабелю.

Предлагается схема структурно-функционального построения ИБС, циклограмма ее работы, критерии и методы выбора ее аппаратурного обеспечения.

Важнейшей составной частью ИВС является ее программно-математическое обеспечение. Совершенство математических моделей и методик их программной реализации во многом определяет эффективность использования первичной информации, оперативность ее обработки и наглядность представления потребителю конечных результатов.

Вторая глава диссертации посвящена разработке математических моделей гироскопического инклинометра бесплатформенного типа, устанавливающих аналитическую связь между показаниями датчиков первичной информации и выходными характеристиками инклинометра, определяющими пространственное положение ствола скважины.

Исследованы два режима измерений: во время остановки измерительного блока - режим многоточечных измерений и в процессе движения измерительного блока. При этом угловое положение скважины определяется по показаниям датчиков первичной информации измерительного блока, место измерения - по длине каротажного кабеля.

Основной особенностью измерения углового положения ствола скважины с помощью бесплатформенного измерительного блока является отсутствие жесткой связи между измерительным блоком и скважиной.

Математическая модель для определения углового положения скважины в режиме остановок разрабатывается для двух способов построения измерительного блока: на базе трех одноосных ДУС (классическая) и на базе одного трехстепенного гироскопа, работающего в режиме двухосного ДУС. Последний способ построения измерительного блока позволит минимизировать его наружный диаметр и улучшить динамические условия эксплуатации.

Измерения в процессе движения измерительного блока позволяют сократить время промера скважины и повысить оперативность представления информации.

В работе исследуются различные способы представления кинематических уравнений - через измеряемые углы, через направляющие косинусы, через параметры Родрига-Гамильтона. Доказывается, что наиболее перспективной для инклинометра бесплатформенного типа является математическая модель, в которой кинематические уравнения записываются в кватернионной форме через параметры Родрига-Гамильтона.

В третьей главе диссертации исследуются точностные характеристики измерительной системы.

С этой целью разрабатывается математическая модель ошибок инклинометра, с помощью которой исследуются систематические и случайные составляющие ошибок.

Анализируются источники возникновения систематических составляющих, разрабатываются методы их учета путем алгоритмической компенсации.

Для случайных составляющих ошибок выводятся аналитические выражения, учитывающие влияние на их величину как погрешностей чувствительных элементов, так и величины измеряемых углов и широты местности, на которой производятся измерения. В работе подробно исследуются эти влияния, определяются их физический смысл и способы компенсации.

Разрабатываются методы анализа и синтеза измерительной системы с целью оптимального выбора чувствительных элементов и правильной оценки технических характеристик уже эксплуатируемых измерительных систем.

Исследуются возможности различных схем построения измерительного блока.

В четвертой главе на основе созданных в диссертации математических моделей разрабатываются расчетные алгоритмы и программное обеспечение информационно-вычислительной системы.

Создается комплекс управляющих, обрабатывающих и сервисных программ, объединенных в общий алгоритм ПМО.

Управляющие программы предназначаются для осуществления сбора, преобразования и передачи первичной информации в персональный компьютер.

С помощью обрабатывающих программ осуществляется расчет углов пространственной ориентации ствола скважины по показаниям датчиков первичной информации.

Разрабатывается два варианта обрабатывающих программ - для режима многоточечных измерений и измерений в процессе движения измерительного блока.

Расчетная схема алгоритма определения углов ориентации скважины в процессе движения измерительного блока разрабатывается на основе представления кинематических уравнений в кватернионной формы через параметры Родрига-Гамильтона.

Сервисные программы предназначены для представления выходной информации в удобном для контроля и диа