автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Скважинный прибор универсального гироскопического инклинометра

На правах рукописи

Соколов Дмитрий Александрович

СКВАЖИННЫЙ ПРИБОР УНИВЕРСАЛЬНОГО ГИРОСКОПИЧЕСКОГО ИНКЛИНОМЕТРА

Специальность 05.11.01 -Приборы и методы измерения (механические величины)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2013

І ^ М/,П ^13

005059544

005059544

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики».

Научный руководитель:

Биндер Яков Исаакович кандидат технических наук, доцент НИУ ИТМО

Официальные оппоненты:

Северов Леонид Анатольевич доктор технических наук, профессор СПб ГУАП

Ведущая организация:

Степанов Сергей Николаевич кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Защита состоится «6» июня 2013 г. в 17 часов 30 минут 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, ауд. 206.

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

Отзывы (в 2-х экз.) по автореферату, заверенные печатью, просим направлять по адресу университета: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, ученому секретарю диссертационного совета Д.212.227.04.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д.212.227.04, кандидат технических наук, доцент

Киселев С.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последнее время значительно повысились требования к обеспечению измерений параметров траекторий скважин при добыче полезных ископаемых, прежде всего углеводородов. Наиболее серьезные требования касаются:

1) минимизации диаметра скважинного прибора;

2) проведения измерений в процессе проводки скважин при остановках бурения;

3) минимизации времени измерения (съемки) ранее пробуренных скважин;

4) обеспечения равноточной работы инклинометров при любых траекториях проводимых или измеряемых скважин.

Проведенные в рамках диссертационной работы исследования направлены, прежде всего, на поиск аппаратных и методических решений, сглаживающих противоречия, которые возникают при одновременном выполнении вышеперечисленных требований.

Результаты работы являются своевременными и в ближайшие несколько лет послужат теоретической и расчетно-конструкторской базой для разработки технической документации и освоения в производстве скважинного прибора (СП) универсального, т.е. отвечающего вышеперечисленным требованиям, гироинклинометра (ГИ).

Цель работы - исследование принципов построения, анализ характеристик, разработка методов использования и схемно-конструктивных решений СП универсального ГИ нового типа - с ориентацией измерительной оси блока чувствительных элементов (БЧЭ) в диаметральной плоскости скважины (диаметральная схема СП).

Задачами исследования являются:

1. Исследование известных технических решений в области средств измерения параметров траекторий скважин;

2. Разработка методов точечного компасирования и соответствующих алгоритмов идеальной работы СП, построенного по диаметральной схеме, в том числе для случаев усеченного диапазона диаметрального разворота и ограниченной управляемости разворота вокруг продольной оси СП;

3. Анализ влияния погрешностей разворотов рамок СП на точность компасирования в диаметральной схеме ГИ;

4. Разработка способов применения диаметральной схемы СП для непрерывных измерений стволов скважин, в т.ч. вертикальных;

5. Разработка конструктивных решений реализации СП малогабаритного универсального ГИ, построенного по диаметральной схеме;

6. Разработка численной модели движения СП во время измерений в непрерывном режиме для обоснования технических решений, обеспечивающих механическое позиционирование прибора;

7. Экспериментальные исследования предложенных в диссертационной работе технических решений.

Методы исследования - методы динамики твердого тела, линейной алгебры, математического анализа и математической статистики.

При автоматизированном проектировании элементов конструкции использованы САПР Компас 3D vlO, Pro Engineer Wildfire 3.0 и Solidworks 2009. При разработке численной модели движения СП использовался метод конечных элементов. Построение модели осуществлялось в следующих программных пакетах численного моделирования: ANSYS, ANSYS/CFX, ABAQUS.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод точечного компасирования, обеспечивающий при инклинометрических измерениях скважин произвольной ориентации адаптивность к параметрам их траекторий, а также инвариантность к пусковым погрешностям БЧЭ СП, построенного по диаметральной схеме, и соответствующие алгоритмы идеальной работы.

2. Методы компасирования и соответствующие алгоритмы идеальной работы для случая усеченного диапазона диаметрального разворота, а также для случая ограниченной управляемости разворота вокруг продольной оси СП, построенного по диаметральной схеме.

3. Результаты анализа влияния погрешностей разворотов рамок СП на точность компасирования в диаметральной схеме ГИ.

4. Способы применения диаметральной схемы СП, позволяющие осуществлять непрерывные измерения стволов скважин, в том числе с помощью гироскопической стабилизации.

5. Обоснование конструктивных решений различных вариантов реализации СП малогабаритного универсального ГИ, построенного по диаметральной схеме.

6. Согласованность результатов анализа и численного моделирования с данными экспериментальных исследований технических решений, предложенных в диссертационной работе.

Научная новизна работы

1. Предложен метод точечного компасирования, обеспечивающий при инклинометрических измерениях скважин произвольной ориентации, адаптивность к параметрам их траекторий, а также инвариантность к пусковым погрешностям БЧЭ СП, построенного по диаметральной схеме, и соответствующие алгоритмы идеальной работы.

2. Впервые предложены методы компасирования и соответствующие алгоритмы идеальной работы для случая усеченного диапазона диаметрального разворота, а также для случая ограниченной управляемости разворота вокруг продольной оси СП, построенного по диаметральной схеме.

3. Произведены оценки специфических погрешностей, обусловленных неточностью разворотов рамок СП.

4. Предложен оригинальный способ высокоточного непрерывного измерения вертикальных участков скважин на основе преобразования диаметральной схемы в одноосную стабилизированную платформу. Обоснованность и достоверность обеспечиваются совпадением результатов расчетов и экспериментальных исследований, а также корректностью использования методов исследований и программного обеспечения; воспроизводимостью результатов, а также аттестованными средствами метрологического обеспечения, использованными при измерениях; внедрением на производстве и практическим применением в геофизических организациях.

Практическая значимость. Полученные результаты позволили решить важную научно-техническую задачу улучшения характеристик инклинометрических приборов для измерения параметров траекторий скважин. Созданы и внедрены новые схемно-конструктивные решения универсального инклинометра, реализующего диаметральную схему измерения как в непрерывном режиме, так и в режиме точечного компасирования.

Реализация результатов. Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрень! и используются в следующих организациях: ОАО «Электромеханика»; ЗАО «Тюменьпромгеофизика»; ОАО «Сургутнефтегаз»; ОАО «Когалымнефтегазгеофизика», а также в учебном процессе НИУ ИТМО.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX, X, XI, XIII, XIV, XV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (ФГУП ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург, 2007-2011); VI научно-технической конференции «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии» (ОАО ГНИНГИ, Санкт-Петербург 2007); XXXVI, XXXVII, XXXVIII, ХЬ научной и учебно-методической конференции профессорско-преподавательского и научного состава (СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2007-2011); конференции «Навигация, гидрография и океанография: приоритеты развития и инновации морской деятельности» (ОАО «ГНИНГИ» Санкт-Петербург, 2011); IV, V, VI межвузовской конференции молодых ученых (СПбГУ ИТМО, 2007-2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ, 7 из них - в периодических изданиях из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 163 с. машинописного текста. В работу включены 73 рис., 16 табл., список литературы из 109 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе исследованы современное состояние и перспективы развития методов и средств измерения параметров траекторий скважин. Проанализирована патентная и научно-техническая литература по теме исследования, а также выполнен обзор инклинометров как отечественного, так и зарубежного производства. Выявлены основные проблемы развития инклинометрической техники, определены основные достоинства и недостатки ГИ, определены направления их совершенствования, сформулированы критерии их универсальности. Поставлена задача разработки СП универсального ГИ.

Во второй главе исследуется новая - диаметральная — схема СП, сочетающая к любым траекториям скважин и инвариантность компасирования в точечном режиме с возможностью применения для непрерывной инклинометрической съемки. Под адаптивностью понимается независимость точности компасирования от параметров скважины, а под инвариантностью -от пусковых погрешностей ДУС.

Проанализированы специфические погрешности СП данного типа в точечном режиме; разработаны алгоритмы идеальной работы. Для непрерывной съемки, наряду с бесплатформенным вариантом реализации, предлагается реконфигурация диаметральной схемы, обеспечивающая ее трансформацию в одноосную стабилизированную платформу.

Введем следующие системы координат (рис. 1): ЕИИ — горизонтная с географической ориентацией осей (направленных соответственно на восток, север и по вертикали места); охауа2а - связанная с корпусом СП, ось ог0 ориентирована вдоль продольной оси СП, а оси ох0, оуа лежат в плоскости его поперечного сечения (положение системы координат ох0уаг0 относительно географической определяется азимутомД зенитным углом скважины в, углом разворота корпуса скважинного прибора вокруг его продольной оси у/ ); о ХУ2 - связанная с датчиком угловой скорости (ДУС), перпендикулярная входным осям ДУС ось о 2 называется измерительной осью блока (положение этой системы координат определяется углом разворота измерительной оси блока %

Рис. 1. Системы координат

Изменяя угол X j можно перейти от рассмотрения обобщенной схемы ГИ к конкретным вариантам ее реализации. В частности, ранее известным продольной и поперечной схемам соответствуют значения %=0 и 90' соответственно.

Отличительной особенностью диаметральной схемы является возможность управления углом X за счет поворота вокруг оси, перпендикулярной измерительной оси блока и лежащей в плоскости скважины, определяемой аналогично диаметральной плоскости корабля.

Принимая во внимание выражения для проекций кажущегося ускорения на измерительные оси ДУС:

"х = ^

"г = ",о

пла =-g sinocos у/, nyt¡ = -g sin в sin у/, nl0 =gCOS0

и проекции угловой скорости вращения Земли на те же оси, получим:

сах = Osin r/> (sin 0 cosí// cos х + cos 0 sin +

+ П cos q> ■ [cos A(cos0 cosy/ cos x — sin 0 sin ^) + sin A sin у/ cos x]+*x ~

— px (sin в cos yr cos X + cos 0 sin x) + ex Sin <? sin у/,

a>, = íísinpsin^sin ^-ncosp-(sin /4cos(c -cos/4cos0sin v)+rf — ^

— pr sin в sin \¡J - Er (sin в COS 4/ COS X + COS в sin x)'

Здесь — составляющие кажущегося ускорения, измеряемые блоком

акселерометров; Í2 - угловая скорость суточного вращения Земли; (р - широта места объекта^ - ускорение свободного падения; юх, ojy - выходные сигналы измерительных каналов ДУС;тх,тг — составляющие дрейфа ДУС, не зависящие от ускорения; рх,ру— составляющие дрейфа ДУС, пропорциональные проекциям ускорения на оси чувствительности измерительных каналов, сх, £г -на оси, ортогональные осям чувствительности измерительных каналов.

Для того чтобы сформулировать требования к углу % по критерию адаптивности, рассмотрим (2) и (3) как систему двух линейных уравнений относительно неизвестных sirL4,cos<4 и найдем ее главный определитель:

Д = -cos0cos2' + sin0sin^cos^, (4)

максимальное значение |Д| (при заданных д и I/O достигается при

ígX=-'g0cos//. (5)

и будет равно |Дшах| = -Д -sin2 у/ • sin2 0 . (6)

Соотношения (5) и (б) позволяют исчерпывающе охарактеризовать свойства диаметральной схемы ГИ в режиме компасирования при различных вариантах сочетаний параметров траектории и ориентации СП.

1. Углы % и V управляются без ограничений. Из (6) видно, что максимума, т.е. значения, равного 1, |Д| достигает, при у/ =0, 180° вне

зависимости от параметров траектории.

При использовании разворотов по углам % и у/ в диапазоне ±180° достаточно двух положений ДУС для проведения инвариантного компасирования. В первом положении у/=0,х=-в, а во втором ц/=18(У,%=0.

При вычислении функций угла азимута можно исключить влияние составляющих дрейфов ДУС:

со = (7)

2£2cosp

sin A = '°r*-'0r'. (8)

2ilcos q>

Таким образом, при управлении углами % и цг в диаметральной схеме осуществляется гирокомпасирование, характеризующееся адаптивностью и инвариантностью.

2. Угол % управляется без ограничений, возможности управления по углу у/ ограничены. Рассмотрим случай, когда невозможность управления по углу у/ приводит к обнулению Д вне зависимости от значения % ■ Это

возможно, если СП в горизонтальной скважине занимает такое положение, что ось разворота по углу X оказывается вертикальной (cosi9 = cosy/ =0). В этом случае сигнал а>у уже не несет информацию об азимуте, в чем легко убедиться,

о

проанализировав уравнение (3). Положив в = у/ = 90 , из (2) получим:

сох = П cos (р • sin( А — х) + + £х • (9)

Используя два разворота в положения х(.<»п) и получим:

sin(/4-z) = BoJ-Jin.. (10)

2П cos <р

Рассматриваемую методику гирокомпасирования следует дополнить алгоритмом управления А, обеспечивающим адаптивность к траектории. Таким образом, несмотря на обнуление выражения (4), осуществляется адаптивное и инвариантное компасирование.

Во всех других случаях обнуления главного определителя системы, как следует из (4), можно избежать, если, управляя углом %, соблюдать условие

tgx*^- . (И)

cosy/

а его максимума добиться при значении х> определяемом из условия (5).

Далее можно показать, что установив ДУС в диаметральной плоскости СП в положения хо и Ха + 180°, получим:

. _ . . ШЛ>(Хо)-ЮЛ-г(ХО+180°)

Sin(^- Ал) - ------,

2flcos <р (12)

1

#4,=---7

tgycosd (-¡3)

Теперь, если соотношение между параметрами траектории скважины (А, в)

J Ctgw

и положением СП (У) близко к tgAa--, то достигается максимальная

COS0

эффективность компасировакия (практически как и для разворотов на углы ц/=0,%=-6 и y/ = l&ff,x=e). Если tgAxtgycos8, инвариантное компасирование становится невозможным. В этом случае азимут может быть «доопределен» с использованием выражения (3), из которого легко получаем cos(Л-Д,), хотя и не имеющий свойств инвариантности ко всем составляющим уходов (за исключением случая siny = 0).

Применяя забойные ГИ, таких ситуаций чаще всего можно избежать за счет использования верхнего привода, но в общем случае ограничения управления углом у/ гарантированно обеспечивается только адаптивность к траектории, в то время как погрешность инвариантного компасирования приобретает зависимость от параметров скважины, т.е. мы имеем дело с алгоритмами, обеспечивающими "квазиинвариантное" компасирование.

3. Диапазон разворота по углу % ограничен значениями ±Хо, угол у управляется без ограничений. Следует отметить, что конструктивная реализация в диаметральной схеме полного разворота главной оси ДУС на углы X (в диапазоне ±90°) сложна, поэтому проанализируем возможность уменьшения диапазона угла прокачки по углу/ при сохранении эффективности диаметральной схемы.

Очевидно, что теперь (4) как непрерывная функция, область значений которой ограничена окрестностью локального экстремума = принимает максимальные (минимальные) значения на краях интервала ограничения. Это означает, что максимальное значение определителя системы по-прежнему будет определяться выражением (5), где \х\ = Ха > cosy/ рассчитывается исходя из условия достижения Дтах, т.е.

cosy/ = -tgxactg6

С учетом сказанного выражения (2) и (3) примут вид:

юх =iicos <р-

-cos/i^—^- + sin/(siiwcosr0 sinfl

sin0sin<//, (15)

0)y = fisinpsin0sinv -ficosp(sin Acosy/ - cos Л cos )+!-,. -

(16)

-p,,sin0sirn</

Устанавливая, как и в случае неограниченного угла прокачки, ДУС только в два положения х = х„, V = arccos(-<g*ocig0) и х = ~Х„, V = я + arccos(<g^„cige) и используя выражения (15) и (16), имеем: соп -соХ2 5;по

c°s/f = —--:-, (17)

2Llcos(p smx0

2iJcos<p tgXo

При существенном различии 0 и хо тригонометрические функции угла А становятся неравноточными, и здесь имеет место "квазиинвариантное" компасирование, однако оценка реальной точности «усеченной» диаметральной схемы позволяет сделать вывод о том, что серьезные конструктивно-технические преимущества схемы преобладют над известными алгоритмическими трудностями.

Далее исследуется влияние специфических - характерных только для диаметральной схемы - погрешностей разворота рамок на точность измерения параметров траекторий в режиме точечного компасирования. Показано, что при реализации как полной, так и «усеченной» диаметральной схемы оно аналогично по типу и величине влиянию погрешностей определения углов в и у/ с помощью акселерометров в продольной схеме инклинометра.

Во второй главе также рассматривается возможность измерений в непрерывном режиме с помощью СП, построенного по диаметральной схеме, трансформируемой в продольную посредством установки значения ^=0.

Приводятся алгоритмы идеальной работы СП в непрерывном режиме, отмечаются известные затруднения использования продольной схемы на вертикальных участках стволов, вызванные флуктуационными составляющими погрешностей измерения ускорений и конечной частотой дискретизации измерительной информации. Отмечается, что, несмотря на бурное развитие как микропроцессорной, так и микросистемной техники ограничение универсальности СП требует остается стимулом к поиску более общих решений для прохождения вертикального ствола скважины, тем более, что в практике инклинометрической съемки все чаще появляются задачи контроля промаха в плане стволов скважин, при проводке которых задавались и соблюдались предельно жесткие (менее 0,1°) требования к вертикализации. Однако существует проблема, связанная с прохождением вертикального участка. В связи с быстрым ростом погрешности азимута (но необязательно промаха в плане) работа ГИ в течение непродолжительного времени (единицы минут) может свести на нет прецизионную азимутальную начальную выставку, проведенную с использованием наиболее точных средств измерения. Компанией Оугос1а1а в ГИ 5итеуогХ-4 для преодоления этой проблемы использована двухгироскопная схема СП. Очевидный недостаток такого решения в том, что эти чувствительные элементы являются не только удорожают СП, но и требуют значительной доли общеприборной инфраструктуры. Кроме того, при измерении больших угловых скоростей крутильных колебаний СП относительно оси 2 возникает эффект "масштабирования" соответствующей погрешности.

В отечественной геофизической практике эта задача была решена с помощью оригинальной схемы одноосного индикаторного гиростабилизатора (ОИГС), реализованного в СП, долгое время единственного серийно выпускаемого ГИ для непрерывной съемки ИГН 73-100/80 (ООО "Арас-плюс" г. Арзамас). Необходимо отметить, что это изделие обладает рядом недостатков, а диаметр его корпуса существенно ограничивает область его

применения. Более того, независимо от конструктивно-технических проблем, по мере приближения ствола скважины к горизонту, для промаха съемки в плане начинает проявляться тангенциальная зависимость от угла в и схема теряет работоспособность. Однако, приняв во внимание также и возможность ослабления требований к диапазону измерения ДУС, нельзя не признать, что ОИГС принципиально наилучшим образом отвечает требованиям съемки вертикальных стволов вообще, и хранения заданного азимутального направления, в частности.

¥ О

Рис. 2. СП в режиме продольной схемы (к=0)

"Ресурсы универсальности" диаметральной схемы, являющейся основным предметом рассмотрения в диссертации, могут быть использованы для решения также и этой задачи.

Речь здесь пойдет о возможности перехода (на вертикальных и близких к ним участках стволов!) в режим, фактически идентичный ОИГС. Такой переход не потребует изменения конструкции и схемотехнических решений ГИ и/или включения в его состав каких-либо дополнительных компонентов.

у о

Рис. 3. СП в режиме стабилизации (£=90°)

На рис. 2, 3 обозначены: 1 - двигатель продольного разворота; 2 - датчик угла; 3 - двигатель диаметрального разворота; 4 -зубчатые передачи; 5 -динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ); 6 - усилительно-преобразовательное устройство.

Развернув гироскоп в поперечное положение (х=90а) с помощью двигателя диаметрального разворота, разомкнув канал датчика угловой скорости (ДУС) ДМу-ДУх и скоммутировав последний для управления двигателем продольного разворота через усилительно-преобразовательное устройство, получим структуру ОИГС.

Таким образом, перевод диаметральной схемы ГИ в режим ОИГС позволяет решать задачи как съемки протяженных вертикальных стволов, так и сохранения при их прохождении точности азимутальной начальной выставки.

В таблице приведены характеристики различных схем СП ГИ.

Схемы построения СП

Название схемы СП Кинематическая схема Адаптивность к траектории Относительные габариты Возм-ть проведения инвариантного компасиро-вания Возм-ть работы в непрерывном режиме Возм-ть Непрерывной съемки вертикальных стволов

Продольная 1_1 / нет 1,0 нет есть нет

Поперечная /=90° при наличии дополнительного разворота / Д. I нет 1,11 нет нет нет

есть 1,17 есть нет есть

- / Чтг1 -

Диаметральная ^=уаг при наличии дополнительного разворота есть 1,07 частично есть нет

Ф-7

есть 1,13 есть есть есть

- Ф-' -

В третьей главе работы рассматриваются вопросы приборной реализации СП, построенного по диаметральной схеме, обоснованы схемно-конструктивные решения отдельных блоков и узлов. В первую очередь

рассматривается СП, допускающий два управляемых разворота корпуса ДУС (по углам % и V)/). Функциональная схема инклинометра представлена на рис.4.

СМО

Рис. 4. Функциональная схема универсального инклинометра Прибор включает в себя следующие составные части: скважинный модуль ориентации (СМО); телеметрическую линию связи (ТЛС); персональный компьютер (ПК).

ТЛС образует аппаратура скважинного модуля связи (CMC) и наземного прибора. СМО и CMC конструктивно объединены в СП. СМО включает БЧЭ; устройство разворота БЧЭ по углу у; вычислитель; источник вторичного питания.

Рис. 5. Функциональная схема БЧЭ БЧЭ включает (рис. 5) трехосный измеритель ускорений (БА), построенный на четырех МЭМС акселерометрах (например Analog Devices: ADXL103); двухосный (два одноосных) гироскопический ДУС, предназначенный для измерения проекций угловой скорости корпуса СП (шх, coy); аналого-цифровой преобразователь (АЦП) сигналов первичных датчиков; узел крепления ДУС; устройство разворота по углу % в

диаметральной плоскости; источник питания гиромотора ДУС (ИПГМ); контроллер БЧЭ.

Обзор основных технических решений (см. глава I), применяемых в современной инклинометрической технике, подтверждает целесообразность использования в качестве ДУС для СП высокоточных ГИ динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ) с внутренним упругим подвесом ротора. В результате всестороннего анализа точностных, габаритных и надежностных показателей а также возможностей, предоставляемых открытыми рынками в диссертации обосновано применение в разрабатываемом СП ДНГ ГВК-16, выпускаемого Раменским приборостроительным заводом.

В целях конструктивной реализации разворота БЧЭ вокруг продольной оси в условиях жестких требований по наружному диаметру (не более 42 мм), в диссертации обосновано выполнение БЧЭ в отдельном корпусе, соединенном с основной частью СП с помощью вращающегося полого вала, по которому проложены линии для подачи питания и осуществления информационного обмена между частями прибора (рис. 6, здесь 1 - плата электроники СМО; 2 -привод разворота БЧЭ вокруг продольной оси; 3 — датчик угла разворота БЧЭ; 4 — арретир БЧЭ; 5 — узел уплотнения вращающегося вала; 6 - плата электроники БЧЭ; 7 — привод разворота корпуса ДУС на угол %; 8 - ДУС).

Следует также отметить, что в этом случае легко реализуется и схема ОИГС, предложенная в главе II для непрерывной съемки вертикальных участков стволов.

Рис. 6. Схема СП с отдельным корпусом БЧЭ Возникающая проблема уплотнения вращающегося вала решается с помощью специальных узлов (выпускаемых, например, компаниями Busak и Shamban: серия Turcon Roto Glyd Ring), удовлетворяющих требованиям по давлению и другим условиям эксплуатации, в том числе и по возможности работы в агрессивной среде.

Вращение установленного на подшипниках качения вала с БЧЭ осуществляется с помощью электромотора с редуктором (например производства компании Faulhaber. серия DC-Micromotors 1724) и зубчатого колеса внутреннего зацепления, размещенного непосредственно на вращающемся валу. Фиксация блока осуществляется с помощью арретирующего устройства на основе электромагнита. Угол продольного разворота БЧЭ считывается с кодового диска с помощью блока фототранзисторов (например Optek QPR5005), датчика углового положения.

Исходя из предложенных в данной главе функциональных и кинематических схем СП универсального ГИ проработаны обоснованные конструктивные решения наиболее сложных узлов компоновки СП.

Реализация кинематической схемы с размещением БЧЭ в отдельном корпусе, соединенном с основной частью СМО с помощью вращающегося полого вала и узла уплотнений, представлена на рис. 7 (1 - привод разворота БЧЭ вокруг продольной оси; 2 - датчик утла разворота БЧЭ; 3 - арретир БЧЭ; 4 - узел уплотнения; 5 - привод разворота корпуса ДУС на угол %; 6 — ДУС; 7 — арретир ДУС).

Рис. 7. Результаты моделирования конструкции СП в САПР

Существенно более простое конструктивное решение - размещение БЧЭ внутри корпуса СП. Как показало моделирование в САПР Компас 3D и Pro Engineer, с учетом габаритных размеров используемого ДУС для сохранения диаметра корпуса СП диапазон изменения угла % должен быть сокращен до ±45°. Сконструированный таким образом прибор можно считать разумным компромиссом (см. главу II). На рис. 8 представлена модель сборки

Рис. 8. Узлы разворотов БЧЭ на углы 'и1 Установленный на подшипниках качения (5) вращающийся вал с БЧЭ (7) приводится в движение с помощью электромотора с редуктором (2) и зубчатого колеса (3) внутреннего зацепления. БЧЭ фиксируется с помощью арретирующего устройства (б). Угол продольного разворота БЧЭ измеряется датчиком углового положения (4). Для обеспечения вращения ДУС (11), находящегося в БЧЭ, применяется малогабаритный электромотор с редуктором

(<S). Для передачи вращающего момента используются коническая и цилиндрическая пары зубчатых колес (10). Непосредственно на корпусе ДУС установлено колесо специальной формы, для того чтобы вписать его в цилиндрический корпус (12). В качестве датчика углового положения ДУС используется абсолютный оптический энкодер (9) (например Netzer Precision Motion Sensors: серия DS). Управление работой элементов БЧЭ и приводами разворотов на углы W и % осуществляется контроллером, установленным на плате блока управления (1).

Конструктивная реализация прочих вариантов сочетания управляемости и диапазонов изменения углов У и % также была рассмотрена в диссертации.

Одним из основных требований при проведении инклинометрической съемки является соблюдение параллельности оси обсаженного либо открытого участка исследуемого ствола скважины (колонны) и продольной оси корпуса СП. При этом в целях повышения точности непрерывной съемки целесообразно обеспечить некоторое его остаточное вращение. Именно этим и определяется выбор концепции системы механического позиционирования. К ней предъявляются следующие требования: рабочая среда - инфильтрат бурового раствора (рН=6-8,5); наличие в инфильтрате взвеси из глины; максимальное рабочее давление - 90 МПа; максимальная рабочая температура - 150 "С; внутренние диаметры трубных колонн для работы с центраторами - 76, 89, 100, 110, 128, 132, 150, 182 мм. Имеются регулярные неровности - стыки труб на длине ~10 м; также возможны изменения внутреннего диаметра колонны.

На основании результатов численного моделирования (см. главу IV) разработана система механического позиционирования СП, обеспечивающая для указанных требований следующие характеристики: точность удержания продольной оси СП (1700x42 мм) на уровне 3-4 утл. мин; обеспечение движения СП вдоль оси скважины под действием силы тяжести при 0<65°; обеспечение скорости вращения СП вокруг продольной оси с величиной не более 30 град/с за счет контакта деталей центратора со стенкой скважины. Образец рессорного центратора, устанавливаемый на корпус СП, приведен на рис. 9.

Рис. 9. Рессорный центратор В четвертой главе приводятся результаты разработки численной модели движения СП с помощью метода конечных элементов, а также результаты экспериментальных исследований в точечном и непрерывном режимах.

Для анализа положения СП относительно оси скважины, как во время остановок, так и во время спуска/подъема на геофизическом кабеле, была проведена разработка численной модели его движения по криволинейной скважине с заданной скоростью.

При проведении расчетов использовались современные пакеты численного моделирования - ANSYS, ANSYS/CFX, ABAQUS. Для построения геометрических моделей применялся пакет CAD моделирования SolidWorks. Процесс создания и исследования модели движения СП был разбит на две основные части: предварительные расчеты, связанные с определением необходимых характеристик кабеля, и расчет движения прибора. Разбиение тела на конечно-элементную (КЭ) область проводилось с помощью восьмиузловых трехмерных элементов, двухузловых стержневых элементов и трех- и четырехузловых оболочечных элементов. Интегрирование уравнений движения по времени проводилось с помощью метода центральных разностей. При этом СП рассматривался как набор недеформируемых твердых тел с заданными массово-инерционными характеристиками (рис.10).

Рис. 10. Расчетная модель СП

Для вычисления жесткостных характеристик кабеля была разработана КЭ модель кабеля КГЗхО,75-60-150 в системе анализа АВАСЗШ, состоящая из 155427 пространственных элементов и 135559 узлов.

На рис. 11 изображены кривые, соответствующие экспериментальным данным и результатам численного моделирования движения СП. Очевидна аналогия этих кривых. Отмечается отсутствие вращения в периоды остановки прибора.

Адекватность разработанной автором численной модели подтверждена экспериментальными исследованиями. Результаты моделирования показали, что исследуемая несущая конструкция с центрирующими устройствами рессорного типа обеспечивает механическое позиционирование СП во время спуска в скважину с требуемой точностью.

Данная модель может быть применена для изучения поведения СП в скважинах любой ориентации и диаметра, а также при исследовании различных вариантов систем позиционирования и СП.

Время, с

Рис. 11. Результаты моделирования и эксперимента

Для оценки эффективности диаметральной схемы потребовалось провести стендовые испытания. Это связано, в первую очередь, с фактическим отсутствием возможности азимутального эталонирования в условиях скважины. Испытания проводились в соответствии со следующей методикой: СП последовательно устанавливался в различные положения по углам А, 0 и в каждом из которых осуществлялась процедура компасирования и определялись погрешности азимута. Параллельно определялись погрешности измерений с помощью того же ГИ, лишенного возможности разворота по углу X, т.е. фактически уподобленного продольной схеме.

Результаты стендовых испытаний макета, реализующего диаметральную схему СП, показали (рис. 12), что точность работы прибора не зависит от ориентации скважины и СП (погрешности азимута не превышают 1°). В то же время ошибки измерения азимута с помощью продольной схемы, в скважинах с большими зенитными углами, составляют до 5° и более. Можно сделать вывод о том, что диаметральная схема особенно эффективна на участках стволов с большими зенитными углами. _ __ _ ___

5

4.5

4

§ 3.5

8

И Ч

О ? 5

ч

Р" 2

С 1.5

1

0.5

0

»

/

/

/

-----— ------- --------

9, град

Рис. 12. Отношения СКО ошибок измерения азимута

В завершении главы IV приводятся результаты испытаний в непрерывном режиме, во время которых на СП УГИ 42.03 были установлены разработанные на основании результатов численного моделирования методом КЭ центраторы (см. также главу 3). Их работоспособность оценивалась в эксплуатационных скважинах, установлено, что разработанная система позиционирования обеспечивает требуемую точность проведения измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе разработаны схемно-конструктивные решения СП универсального инклинометра с ориентацией измерительной оси БЧЭ в диаметральной плоскости скважины, позволяющего измерять параметры траекторий скважин любого типа и ориентации как в точечном, так и непрерывном режиме.

1. Проанализированы известные технические решения в области инклинометрии, схемы их построения, алгоритмы работы, точностные характеристики, диапазоны измерения параметров ориентации и эксплуатационные характеристики.

2. Предложен метод точечного компасирования, обеспечивающий при инклинометрических измерениях скважин произвольной ориентации адаптивность к параметрам их траекторий, а также инвариантность к пусковым погрешностям БЧЭ СП, построенного по диаметральной схеме, и соответствующие алгоритмы идеальной работы.

3. Предложены методы компасирования и соответствующие алгоритмы идеальной работы для случая усеченного диапазона диаметрального разворота, а также случая ограниченной управляемости разворота вокруг продольной оси СП, построенного по диаметральной схеме.

4. Проведен анализ влияния погрешностей разворотов рамок СП на точность компасирования в диаметральной схеме ГИ.

5. Предложены способы применения диаметральной схемы СП, позволяющие осуществлять непрерывные измерения стволов скважин, в том числе с помощью гироскопической стабилизации.

6. Разработаны и обоснованы конструктивные решения различных вариантов реализации СП малогабаритного универсального ГИ, построенного по диаметральной схеме.

7. Разработаны и обоснованы конструктивные решения системы механического позиционирования СП.

8. Проведены экспериментальные исследования основных технических решений, предложенных в диссертации.

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в периодических изданиях ВАК

1. Тимофеев Б.П., Соколов Д.А., Дайнеко В.Ю., Бартош P.A. Варианты конструктивного исполнения универсального малогабаритного гироинклинометра // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 2. С. IIIS.

2. БиндерЯ.И., Мусолимое В.М., Сергушин П.А., Соколов Д.А. Динамика гироскопического инклинометра // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, №2. С. 7-11.

3. Соколов ДА., Гордеев Ю.М., Падерина Т.В. Прецизионная гироскопическая система подземной навигации для работы в высоких широтах. Основные схемно-конструктивные решения // Науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. 2011., №5 (75), С 39-44.

4. Биндер Я. И., Падерина Т. В., Розенцвейн В. Г., Цветков В. Н., Соколов Д. А. Гироинклинометрическая съемка на арктическом шельфе. Основные технические решения // Гироскопия и навигация. 2012. № 4. С. 125-134.

5. Падерина Т. В., Соколов Д. А. Инклинометрическая съемка скважин в условиях высоких широт// Гироскопия и навигация. 2012. № 2. С.136-142.

6. Я.И. Биндер, А.Е. Елисеенков, A.C. Лысенко, В.Г. Розенцвейн, В.М. Денисов, ДА. Соколов «Мобильная инклинометрическая станция на основе микромеханических чувствительных элементов для съемки траекторий стволов группы скважин подземной выработки» // Гироскопия и навигация 2013 №1(80). С. 95-106

7. Т. В. Падерина, Д. А. Соколов «Варианты конструктивной реализации диаметральной схемы гироинклинометра для высокоширотных систем подземной навигации» - Известия ВУЗов. Приборостроение. 2013 № 7.

Публикации в прочих изданиях

1. Соколов Д.А. Современное состояние проблемы использования магнитометрических датчиков в скважинной навигации // Тр. IX конф. молодых ученых «Навигация и управление движением». СПб: ФГУП ЦНИИ «Электроприбор», 2007., С. 95-106

2. Соколов Д.А. Особенности построения инклинометра по диаметральной схеме на основе ДНГ // Сб. тр. IV Межвуз. конф. молодых ученых. СПб: СПбГУ ИТМО, 2007.

3. Соколов Д.А. Перспективы использования малогабаритных волоконно-оптических гироскопов в гироинклинометрии // Тр. XXXVI Науч. и учеб,-метод. конф. профессорско-преподавательского и научного состава. СПб, 2007.

4. Соколов Д. А. Современные магнитометрические системы контроля и проводки скважин // Сб. тр. VI Науч.-техн. конф. «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии». СПб: ОАО «ГНИНГИ», 2007. С. 122-129.

5. Биндер Я.И., СоколовД.А. Управление разворотом корпуса скважинного прибора в инклинометрах с ориентацией главной оси гироскопа в диаметральной плоскости скважины // Тр. X Конф. молодых ученых «Навигация и управление движением» ФГУП ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург 2008. Гироскопия и навигация. 2008. № 2 (61). С. 84-91.

6. СоколовД.А. Конструктивная реализация диаметральной схемы гироинклинометра с дополнительным разворотом корпуса скважинного прибора // Сб. тр. V Межвуз. конф. молодых ученых. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008.

7. СоколовД.А. Задача совмещения силового и сигнального транзита в малогабаритных инклинометрах для скважин большой глубины // Тр. XXXVII Науч. и учеб.-метод. конф. профессорско-преподавательского и научного состава. СПб, 2008.

8. Первовский B.C., СоколовД.А. Гироинклинометрическая техника. Современные приборы и тенденции // Сб. тр. VI Межвуз. конф. молодых ученых. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009.

9. СоколовД.А., Первовский B.C. Современное состояние скважинных гироскопических навигационных систем // Тр. XXXVIII науч. и учеб.-метод. конф. профессорско-преподавательского и научного состава. СПб, 2009.

10. Гордеев Ю.М., СоколовД.А., Падерина Т.В. Забойная гироскопическая система подземной навигации для работы в условиях арктического шельфа "Гироскопия и навигация". 2011. № 2 (65). С. 63-69.

11. Падерина Т.В., Лысенко А.С., Первовский B.C., СоколовД.А. Опыт проведения непрерывной инклинометрической съемки при строительстве наклонного хода станции метрополитена // "Гироскопия и навигация" 2009. №2 (73). С. 84-91.

12. Биндер Я.И., Падерина Т.В., СоколовД.А. Подземная навигация на высокоширотном шельфе. Актуальные проблемы и новые технические решения // Матер, конф. «Навигация, гидрография и океанография: приоритеты развития и инновации морской деятельности» («НГО-2011») СПб: ОАО «ГНИНГИ» С. 116-123.

13. Елисеенков А. Е., Падерина Т. В., Соколов Д. А. Проектные решения конструкции модуля ориентации гироскопической системы подземной навигации для работы в высоких широтах // Матер, конф. «Моринтех-практик. Информационные технологии в судостроении-2011». 2011. С. 122-128.

Корректор: Позднякова Л. Г. Тиражирование и брошюровка выполнены в ГНЦРФ ОАО «Концерн«ЦНИИ«Электроприбор» 197046 СПб, Малая Посадская, д.30. т. (812) 232-9970,499-8111 Тираж 100 экз.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И

ОПТИКИ

На правах рукописи

СОКОЛОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СКВАЖИННЫЙ ПРИБОР УНИВЕРСАЛЬНОГО ГИРОСКОПИЧЕСКОГО ИНКЛИНОМЕТРА

Специальность :

05.11.0Г«Приборы и методы измерения (механические величины)»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Биндер Яков Исаакович

Санкт-Петербург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................4

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТРАЕКТОРИЙ СКВАЖИН...................................................................................10

1.1 Обзор существующих типов инклинометров................................................10

1.2 Проблемы и перспективы развития инклинометрической техники..........30

1.3 Постановка задачи разработки скважинного прибора универсального гироинклинометра..................................................................................................34

1.4 Выводы..............................................................................................................38

ГЛАВА П.ДИАМЕТРАЛЬНАЯ СХЕМА ИНКЛИНОМЕТРА - РЕЖИМЫ, АЛГОРИТМЫ И ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТРАЕКТОРИЙ СКВАЖИН...................................................................................40

2.1 Алгоритмы идеальной работы СП ГИ, построенного по диаметральной схеме в режиме точечного компасирования........................................................40

2.2 Влияние погрешностей разворота рамок СП на точность измерения параметров траекторий в режиме точечного компасирования.........................52

2.3 Режим непрерывного измерения. Алгоритмы идеальной работы..............58

2.4 Выводы..............................................................................................................73

ГЛАВА III. КОНСТРУКТИВНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ДИАМЕТРАЛЬНОЙ СХЕМЫ. ЗАДАЧА МЕХАНИЧЕСКОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СП ...74

3.1 Технические требования, предъявляемые к универсальному малогабаритному ГИ..............................................................................................74

3.2 Разработка и анализ возможных конструктивных решений диаметральной схемы измерения....................................................................................................83

3.3 Выбор конструктивных решений системы механического позиционирования СП...........................................................................................96

3.4 Выводы............................................................................................................104

ГЛАВА IV. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ, СТЕНДОВЫХ И ОБЪЕКТОВЫХ ИСПЫТАНИЙ........................................................................106

4.1 Построение численной модели движения СП с помощью МКЭ..............106

4.2 Испытания в режиме точечного компасирования......................................132

4.3 Испытания в непрерывном режиме..............................................................144

4.4 Выводы............................................................................................................148

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................149

Список литературы...............................................................................................151

ПРИЛОЖЕИЕ I. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ.............................................................163

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

В настоящее время в практике инклинометрпи нефтегазовых скважин, наблюдается значительное повышение требований к точности, достоверности, производительности, универсальности процесса измерений параметров траекторий скважин. Эти требования всецело формируют конструктивный облик разрабатываемых в настоящее время инклинометрических приборов, алгоритмы обработки измерительной информации, методологию их испльзования. Наиболее определяющими из этих требований являются:

1) минимизация диаметра скважинного прибора;

2) проведение измерений в процессе проводки скважин при остановках бурения;

3) минимизация времени измерения (съемки) ранее пробуренных скважин;

4) обеспечение равноточной работы инклинометров при любых траекториях проводимых или измеряемых скважин.

Проведенные в рамках диссертационной работы исследования направлены, прежде всего, на поиск аппаратных и методических решений, сглаживающих противоречия, которые возникают при одновременном выполнении вышеперечисленных требований.

Результаты работы являются своевременными и в ближайшие несколько лет послужат теоретической и расчетно-конструкторской базой для разработки технической документации и освоения в производстве скважинного прибора (СП) универсального, т.е. отвечающего вышеперечисленным требованиям, гироинклинометра (ГИ).

Цель работы — исследование принципов построения, анализ характеристик, разработка методов использования и схемно-конструктивных решений СП универсального ГИ нового типа - с ориентацией измерительной оси блока чувствительных элементов (БЧЭ) в диаметральной плоскости скважины (диаметральная схема СП).

Задачами исследования являются:

1. Исследование известных технических решений в области средств измерения параметров траекторий скважин;

2. Разработка методов точечного компасирования и соответствующих алгоритмов идеальной работы СП, построенного по диаметральной схеме, в том числе для случаев усеченного диапазона диаметрального разворота и ограниченной управляемости разворота вокруг продольной оси СП;

3. Анализ влияния погрешностей разворотов рамок СП на точность компасирования в диаметральной схеме ГИ;

4. Разработка способов применения диаметральной схемы СП для непрерывных измерений стволов скважин, в т.ч. вертикальных;

5. Разработка конструктивных решений реализации СП малогабаритного универсального ГИ, построенного по диаметральной схеме;

6. Разработка численной модели движения СП во время измерений в непрерывном режиме для обоснования технических решений, обеспечивающих механическое позиционирование прибора;

7. Экспериментальные исследования предложенных в диссертационной работе технических решений.

Методы исследования - методы динамики твердого тела, линейной алгебры, математического анализа и математической статистики.

При автоматизированном проектировании элементов конструкции использованы САПР Компас 3D vl0, Pro Engineer Wildfire 3.0 и Solidworks 2009. При разработке численной модели движения СП использовался метод конечных элементов. Построение модели осуществлялось в следующих программных пакетах численного моделирования: ANSYS, ANSYS/CFX, ABAQUS.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод точечного компасирования, обеспечивающий при инклинометрических измерениях скважин произвольной ориентации

адаптивность к параметрам их траекторий, а также инвариантность к пусковым погрешностям БЧЭ СП, построенного по диаметральной схеме, и соответствующие алгоритмы идеальной работы.

2. Методы компасирования и соответствующие алгоритмы идеальной работы для случая усеченного диапазона диаметрального разворота, а также для случая ограниченной управляемости разворота вокруг продольной оси СП, построенного по диаметральной схеме.

3. Результаты анализа влияния погрешностей разворотов рамок СП на точность компасирования в диаметральной схеме ГИ.

4. Способы применения диаметральной схемы СП, позволяющие осуществлять непрерывные измерения стволов скважин, в том числе с помощью гироскопической стабилизации.

5. Обоснование конструктивных решений различных вариантов реализации СП малогабаритного универсального ГИ, построенного по диаметральной схеме.

6. Согласованность результатов анализа и численного моделирования с данными экспериментальных исследований технических решений, предложенных в диссертационной работе.

Научная новизна работы

1. Предложен метод точечного компасирования, обеспечивающий при инклинометрических измерениях скважин произвольной ориентации, адаптивность к параметрам их траекторий, а также инвариантность к пусковым погрешностям БЧЭ СП, построенного по диаметральной схеме, и соответствующие алгоритмы идеальной работы.

2. Впервые предложены методы компасирования и соответствующие алгоритмы идеальной работы для случая усеченного диапазона диаметрального разворота, а также для случая ограниченной управляемости разворота вокруг продольной оси СП, построенного по диаметральной схеме.

3. Произведены оценки специфических погрешностей, обусловленных неточностью разворотов рамок СП.

4. Предложен оригинальный способ высокоточного непрерывного измерения вертикальных учаспсов скважин на основе преобразования диаметральной схемы в одноосную стабилизированную платформу.

Обоснованность н достоверность обеспечиваются совпадением результатов расчетов и экспериментальных исследований, а также корректностью использования методов исследований и программного обеспечения; воспроизводимостью результатов, а также аттестованными средствами метрологического обеспечения, использованными при измерениях; внедрением на производстве и практическим применением в геофизических организациях.

Практическая значимость. Полученные результаты позволили решить важную научно-техническую задачу улучшения характеристик инклинометрических приборов для измерения параметров траекторий скважин. Созданы и внедрены новые схемно-конструктивные решения универсального инклинометра, реализующего диаметральную схему измерения как в непрерывном режиме, так и в режиме точечного компасирования [21, 22, 23, 65, 81,82, 83,84, 85, 86, 87, 88, 94].

Реализация результатов. Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены и используются в следующих организациях: ОАО «Электромеханика»; ЗАО «Тюменьпромгеофизика»; ОАО «Сургутнефтегаз»; ОАО «Когалымнефтегазгеофизика», а также в учебном процессе НИУ ИТМО.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX, X, XI, XIII, XIV, XV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (ФГУП ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург, 2007-2011); VI научно-технической конференции «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии» (ОАО ГНИНГИ, Санкт-Петербург 2007); XXXVI, XXXVII, XXXVIII, ХЬ научной и учебно-методической конференции профессорско-преподавательского и научного состава (СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург,

2007-2011); конференции «Навигация, гидрография и океанография: приоритеты развития и инновации морской деятельности» (ОАО «ГПИПГИ» Санкт-Петербург, 2011); IV, V, VI межвузовской конференции молодых ученых (СПбГУ ИТМО, 2007-2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ, 7 из них - в периодических изданиях из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 163 с. машинописного текста. В работу включены 73 рис., 16 табл., список литературы из 109 наименований.

В первой главе исследованы современное состояние и перспективы развития методов и средств измерения параметров траекторий скважин. Проанализирована патентная [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8] и научно-техническая [11, 12, 13, 14, 15, 25, 26, 28, 29, 44, 46, 71, 74, 75, 76, 78, 79, 80, 93, 99, 100, 101, 102] литература по теме исследования, а также выполнен обзор инклинометров как отечественного, так и зарубежного производства [30, 31, 34, 35, 36, 38, 58, 104, 105, 107, 108]. Выявлены основные проблемы развития инклинометрической техники, определены основные достоинства и недостатки ГИ, определены направления их совершенствования, сформулированы критерии их универсальности. Поставлена задача разработки СП универсального ГИ.

Во второй главе исследуется новая - диаметральная - схема СП, сочетающая адаптивность к любым траекториям скважин и инвариантность компасирования в точечном режиме с возможностью применения для непрерывной инклинометрической съемки. Под адаптивностью понимается независимость точности компасирования от параметров скважины, а под инвариантностью - от пусковых погрешностей ДУС. Исследуется влияние специфических - характерных только для диаметральной схемы — погрешностей разворота рамок на точность измерения параметров траекторий в режиме точечного компасирования.

Рассматривается и подтверждается возможность проведения измерений параметров траекторий скважин в непрерывном режиме. Предложен способ

реализации одноосоного индикаторного гироскопического стабилизатора (ОИГС) на основе диаметральной схемы для высокоточного измерения вертикальных участков скважин.

В третьей главе работы рассматриваются вопросы приборной реализации СП, построенного по диаметральной схеме, обоснованы схемно-конструктивные решения отдельных блоков и узлов. Представлена разработка конструктивных решений для механического позиционирования СП.

В четвертой главе приводятся результаты разработки численной модели движения СП с помощью метода конечных элементов, а также результаты экспериментальных исследований в точечном и непрерывном режимах.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТРАЕКТОРИЙ СКВАЖИН

В первой главе проводится обзор известных решений в области теории и техники инклинометрических систем, а также рассматриваются стоящие перед ними актуальные и перспективные задачи. В результате такого анализа выявляются основные проблемы, требующие решения на пути развития методов и средств скважинной навигации, определяются направления их совершенствования и формулируются критерии универсальности для скважинных приборов. В заключение, обосновывается необходимость разработки новой схемы СП ГИ.

1.1 Обзор существующих типов инклинометров

Развитие мирового топливно-энергетического комплекса ознаменовалось появлением целого ряда новейших технологий, особое место среди которых занимают высокоэффективные системы разработки продуктивных залежей с помощью горизонтальных и разветвленно-горизонтальных скважин. Весьма широко распространенным стало бурение боковых стволов из ранее пробуренных скважин.

Определение параметров траекторий скважин производят с помощью инклинометров, осуществляющих с помощью входящих в их состав СП регистрацию первичной скважинной информации, ее преобразование, передачу в наземное устройство, обработку и представление оператору результатов обработки [41, 43, 45, 57].

По основным физическим принципам, используемым для измерения положения СП в азимуте, инклинометры можно разделить на два класса, определяющих допустимые условия эксплуатации прибора:

1. Магнитометрические (в основном феррозондовые) инклинометры.

2. Гироскопические инклинометры (ГИ).

Оба эти класса приборов для определения положения относительно горизонтальной плоскости, как правило, используют трехосный блок акселерометров, измеряющий проекции вектора силы тяжести на три взаимноортогональные пространственные оси.

Для измерения положения относительно меридиана места феррозондовые инклинометры используют вектор магнитного поля земли, проекции которого измеряются трехосным магнитометром. Феррозондовые инклинометры могут использоваться только в необсаженных скважинах, где отсутствует магнитное экранирование от обсадной колонны, на кабеле или в немагнитных бурильных трубах в составе колонны, что сильно ограничивает нишу, в которой могут применяться устройства этого класса.

ГИ, в состав СП которых входит гироскопический чувствительный элемент, в отличие от феррозондовых инклинометров, не требуют создания «специальной» магнитной обстановки и, следовательно, выполнения указанных выше условий. В связи с этим ГИ занимают прочные позиции на рынке и широко применяются для измерений траекторий, прежде всего, обсаженных скважин.

В большинстве случаев, их СП работают в одном из двух принципиально различных режимов: точечном и непрерывной съемки.

В первом случае в процессе отыскания плоскости меридиана места используется хорошо известная процедура гирокомпасирования (ГК). Определение азимута методом ГК производится либо с помощью слежения измерительной оси стабилизированной платформы за горизонтальной проекцией вектора угловой скорости суточного вращения Земли, либо путем измерения датчиками угловой скорости (ДУС) СП проекций этого вектора, в общем случае, натри ортогональных направления и дальнейших аналитических построений. Такой режим называется точечным, в силу необходимости обнуления всех угловых скоростей скважинного прибора относительно Земли, и, следовательно, его остановки. В инклинометрии скважин малого диаметра

используется преимущественно последняя — бесплатформенная — схема аналитического компасирования с опорой на информацию ДУС.

В случае работы в непрерывном режиме для СГ1, содержащего гироплатформу, используются либо стабилизированная измерительная ось, обладающая свойством сохранять неизменным начальное пространственное расположение при поворотах корпуса СП, либо одноосный индикаторный гиростабилизатор (ОИГС). При бесплатформенном исполнении СП для определения параметров траектории скважины производится интегрирование показаний трехосного, двухосного �