Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и критический анализ известных работ в области разработки и создания скважинных телеметрических систем 12
1.1. Обзор скважинных телеметрических систем 12
1.2. Критический анализ достигнутых результатов в области математического моделирования СТС 23
1.3. Преобразователи зенитного и визирного углов на основе акселерометрических датчиков ADXL-203 29
1.4. Каналы связи телеметрических систем в бурении 35
1.4.1. Проводной канал связи 35
1.4.2. Электромагнитный канал связи 39
1.4.3. Гидравлический канал связи 40
1.4.4. Акустический канал связи 41
1.5. Постановка задач исследований 43
Результаты и выводы 45
ГЛАВА 2. Разработка обобщенных статических математических моделей скважинных телеметрических систем 47
2.1. Общий подход и задачи математического моделирования 47
2.2. Анализ погрешностей ТПЗВУ-А, обусловленных неидентичностью коэффициентов преобразования акселерометров 54
2.3. Разработка обобщенных математических моделей СТС с акселерометрическими датчиками 60
2.4. Разработка обобщенных математических моделей ПЗВУ по кинематической схеме с одностепенными ортогональными Результаты и выводы 78
ГЛАВА 3. Анализ обобщенных статических математических моделей 79
3.1. Анализ обобщенных статических математических моделей ТПЗВУ-А 79
3.2. Анализ обобщенных статических математических моделей ПЗВУ по кинематической схеме с одностепенными ортогональными маятниками 90
3.3. Анализ полученных математических моделей 93
Результаты и выводы 95
ГЛАВА 4. Структурное построение геонавигационных скважинных телеметрических систем и элементы методики экспериментальных исследований и калибровки 96
4.1. Структурное построение современных скважинных телеметрических систем с акселерометрическими датчиками 96
4.2. Исследование дополнительной температурной погрешности акселерометрических датчиков ADXL-203 103
4.3. Элементы методики экспериментальных исследований и калибровки СТС 108
Результаты и выводы 113
Заключение 114
Литература
- Критический анализ достигнутых результатов в области математического моделирования СТС
- Анализ погрешностей ТПЗВУ-А, обусловленных неидентичностью коэффициентов преобразования акселерометров
- Анализ обобщенных статических математических моделей ПЗВУ по кинематической схеме с одностепенными ортогональными маятниками
- Исследование дополнительной температурной погрешности акселерометрических датчиков ADXL-203
Введение к работе
л*. Актуальность. Развитие нефтегазовой отрасли является одним из приори- тетных направлений отечественной экономики. Нефтегазовый комплекс России — один из крупнейших в мире, заключающий в себе 11 — 13% мировых запасов нефти и 25% газа.
Большинство месторождений России разрабатываются с начала 60-х годов. К сожалению, в настоящее время значительная часть из них вышла на позднюю стадию разработки с падающей добычей.
Одним из непременных условий достижения стабилизации и развития добычи нефти является дальнейшее внедрение в производство передовых технологий, разработка новых методов повышения нефтеотдачи пластов, а также комплексных технологий освоения трудноизвлекаемых запасов.
В последние годы наиболее перспективным методом интенсификации до бычи нефти, полноты ее извлечения из недр признана разработка месторожде- І ний с применением горизонтальных скважин и боковых горизонтальных ство- лов (ГС и БГС).
Анализ показал, что при внедрении ГС среднедействующий фонд скважин сокращается в 7—8 раз, а их дебит возрастает в 3—7 раз.
Одним из важнейших проблемных аспектов в области автоматизации бу рения, в том числе проводки ГС и БГС, является синтез и практическое приме нение новейших информационных технологий в получении достоверной забой ной информации - в первую очередь о пространственной ориентации бурового инструмента. Данные задачи решаются с помощью скважинных телеметриче- 1 ских систем (СТС).
Разработкой и созданием телесистем занимаются ряд отечественных организаций и зарубежных фирм. В последние годы в данной области достигнуты существенные результаты. Тем не менее, весьма актуальной остаются вопросы уменьшения габаритного диаметра скважинного прибора СТС и обеспечения при этом повышенных точностных показателей. Эти вопросы являются предметом проводимых интенсивных исследований на протяжении ряда лет среди исследователей и разработчиков инклинометрической аппаратуры.
При решении данной проблемы достигнуты частные результаты в плане теоретических и экспериментальных исследований. Однако на сегодняшний день существует необходимость в систематизированных исследованиях в направлении обеспечения повышенной точночности измерений путем использования трехкомпонентных феррозондовых преобразователей азимута (ТФПА) и акселерометрических преобразователей зенитных и визирных углов (ТПЗВУ-А), а также применения алгоритмической коррекции погрешностей.
Критический анализ конструктивных особенностей скважинного прибора (СП) СТС, а также принципа действия акселерометров - как первичных измерительных преобразователей, показывает, что возникновение погрешностей измеренных информационных сигналов может быть обусловлено рядом причин, к основным из которых следует отнести нелинейность статических характеристик, отклонения осей чувствительности акселерометров от осей ортонор-мированного базиса корпуса скважинного прибора СТС на малые угловые параметры и температурный дрейф измерительных каналов акселерометров и электронных блоков вторичного преобразования сигналов.
Алгоритмическая коррекция инструментальных погрешностей измеренных сигналов с акселерометров и феррозондов не представляет особых трудностей. Однако использующиеся при серийном производстве инклинометрической аппаратуры математическое и методическое обеспечение экспериментальных исследований не отвечают современным требованиям точности, предъявляемыми потребителями к данному виду оборудования.
Таким образом, в настоящее время в области разработки и создания инк-линометрических систем существует ряд значительных достижений. В то же время дальнейшее развитие математического и методического обеспечения в области повышения точности определения угловых параметров пространствен-
6 ной ориентации траектории скважин и скважинных объектов на сегодняшний день является весьма актуальным, имеющим важное народно-хозяйственное значение в топливно-энергетическом комплексе Российской Федерации.
Цель работы - разработка научно обоснованных технических решений в области геонавигационных скважинных телеметрических систем, обеспечивающих повышенную точность измерений при контроле пространственной ориентации траектории скважин и скважинных объектов.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие задачи: выполнить обзор и анализ известных технических решений в рассматриваемой области, определить наиболее перспективные тенденции в развитии скважинных телеметрических систем; выполнить критический анализ факторов виляния на точностные показатели телеметрических систем, построенных на основе акселеромет-рических датчиков и маятниковых структур; осуществить критический анализ достигнутых результатов в области математического моделирования телеметрических систем; разработать обобщенные статические математические модели телеметрических систем, построенных на основе акселерометрических датчиков и маятниковых структур; разработать элементы методического обеспечения технологических процессов экспериментального определения параметров-констант, характеризующих отклонения осей акселерометрических датчиков от прямоугольной системы осей базиса корпуса скважинного прибора; разработать научно-обоснованные технические решения телеметрических скважинных систем и внедрить результаты исследований в производственных геофизических организациях.
Методы исследования. В работе для достижения цели и решения поставленных задач применялись методы теоретических и экспериментальных иссле- дований.
При разработке обобщенных статических математических моделей телеметрических скважинных систем были использованы общая теория пространственной ориентации твердых тел и матричные методы.
Теоретические исследования полученных математических моделей проведены с помощью классической теории погрешности измерений, базирующейся на методах дифференциальных вычислений.
При сравнительном анализе разработанных обобщенных математических моделей и моделей, полученных из базовых при определенных допущениях, использовался метод вычислительного эксперимента.
Для выполнения вычислительных экспериментов и построения графиков использованы пакеты: Mathcad 2001, Microsoft Excel 2003.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена комплексным анализом обобщенных статических математических моделей и теоретическими исследованиями инструментальных погрешностей, а также результатами проведенных вычислительных экспериментов и моделирования на ЭВМ.
Использование аттестованных средств поверки инклинометрической аппаратуры (установка для калибровки инклинометров УКИ-1, автоматизированная установка для поверки инклинометров УАПИ-1М) и воспроизводимость результатов также подтверждают достоверность экспериментальных исследований.
Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждена их внедрением и практическим использованием в производственных геофизических организациях.
На защиту выносятся: результаты критического анализа известных достижений в области создания телеметрических скважинных систем с определением тенденций их наиболее перспективного развития; обобщенные статические математические модели телеметрических систем, основанных на акселерометрических датчиках и маятниковых структурах; сравнительный анализ погрешностей определения зенитного и визирного углов при реализации известных и разработанных обобщенных математических моделей ТПЗВУ-А; разработанные элементы методического обеспечения технологического процесса экспериментального определения параметров-констант, характеризующих отклонения осей акселерометрических датчиков от прямоугольной системы осей корпуса скважинного прибора; разработанные и внедренные научно-обоснованные технические решения, обеспечивающие повышенные точностные показатели телеметрических систем.
Научная новизна работы заключается в следующем.
В результате критического анализа известных решений в инклинометрии, а также анализа достигнутых результатов в области математического моделирования телеметрических систем, построенных на основе акселерометрических систем и маятниковых структур, выявлено, что факторами доминирующего влияния на их точностные показатели являются отклонение осей чувствительности первичных преобразователей от осей прямоугольных базисов корпуса, нелинейность статических характеристик и неидентичность коэффициентов преобразования, т.е. «разброс максимумов» сигналов с акселерометров. При этом так же показано, что существующее математическое обеспечение определения искомых углов (зенитного и визирного) основано на ряде допущений, которые не могут обеспечить дальнейшее повышение точности измерений.
Впервые с помощью векторно-матричного аппарата получены обобщенные статические математические модели скважинных телеметрических систем на основе акселерометрических датчиков и маятниковых структур, учитывающие тригонометрические функции малых углов отклонения осей чувствительности акселерометров и осей одностепенных маятников от осей базиса корпуса сква-жинного прибора. При этом показано, что при определенных допущениях из полученных обобщенных моделей следуют, как частные решения, известные, полученные ранее, базовые модели.
В результате проведенного сравнительного анализа погрешностей определения зенитного и визирного углов СТС показано, что полученные математические модели позволяют снизить погрешности определения зенитного и визирного углов. Так, в результате проведенного вычислительного эксперимента впервые установлено, что предложенные обобщенные математические модели позволяют предельные погрешности, связанные с процедурами вычисления зенитного и визирного углов, уменьшить на 2-3 порядка по сравнению с базовыми (известными, полученными ранее математическими моделями).
На основе полученных обобщенных математических моделей, учитывающих инструментальные погрешности, разработаны и предложены элементы методического обеспечения технологического процесса экспериментального определения параметров-констант, характеризующих отклонения осей акселе-рометрических датчиков от прямоугольной системы осей корпуса скважинного прибора.
Практическая ценность работы
Разработанные в работе математическое и методическое обеспечение позволяют решить важную научно-техническую задачу повышения точности вычисления искомых угловых параметров.
Предложенные обобщенные статические математические модели составляют основу общего алгоритма обработки результатов при вычислении зенитного и визирного углов по измеренным сигналам с акселерометров и сигналам, полученным с одностепенных маятников. На основе полученных результатов предложено развитие методики экспериментальных исследований СТС, практическое применение которой повышает точность определения корректирующих коэффициентов (малых угловых параметров).
Практическое применение полученных в работе результатов позволило решить одну из основных задач — обеспечения повышенных точностных показателей СТС при малых габаритах СП.
Реализация результатов работы. Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований и практические разработки внедрены и используются в следующих организациях: в Управлении «Ижгеофизсервис» ОАО «Татнефтегеофизика» (г. Ижевск); в филиале «Центр горизонтального бурения» ООО «Бургаз» ОАО «Газпром» (г. Оренбург).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2003 г.), 3-м научном симпозиуме «Высокие технологии в промысловой геофизике» (Уфа, 2004 г.), научно-техническом форуме с международным участием «Высокие технологии - 2004» (Ижевск, 2004 г.), 4-м научном симпозиуме «Геоинформационные технологии в нефтепромысловом сервисе» (Уфа, 2005 г.).
Публикации. Результаты работы отражены в 8 научных публикациях, в том числе: 3 статьи в сборниках научных трудов, 1 статья в научно-техническом и производственном журнале «Датчики и системы», 1 - в материалах международных научно-технических конференций, 3 - в материалах научных симпозиумов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 130 с. машинописного текста. В работу включены 38 рис., 12 табл., список литературы и приложения, включающие акты внедрения результатов работы в производственных организациях.
В первой главе рассматриваются вопросы развития инклинометрии, выполняются обзор и критический анализ известных работ в области разработки и создания геонавигационных скважинных телеметрических систем. Рассматри-
II ваются существующие каналы связи забойной аппаратуры с наземным (устьевым) оборудованием, обеспечивающие передачу измерительной информации. Дается их сравнительная характеристика. Осуществляется постановка задач исследований диссертационной работы.
Во второй главе рассматриваются вопросы синтеза базовых и обобщенных статических математических моделей инклинометрических систем, построенных на основе акселерометрических датчиков и маятниковых стурктур. Осуществляется обоснование и постановка задач моделирования, относящихся к общей теории пространственной ориентации твердых тел.
В третьей главе выполнен сравнительный анализ полученных математических моделей и приведены результаты проведенного вычислительного эксперимента, целью которого являлось определение математической модели, учитывающей малые угловые параметры dj, аз, о} и обеспечивающей наименьшие погрешности при вычислении искомых величин - зенитного и визирного углов.
В четвертой главе рассмотрены вопросы структурного построения СТС с акселерометрическими датчиками и вопросы экспериментальных исследований дополнительной температурной погрешности акселерометрических датчиков в микроэлектронном исполнении ADXL-203, дается описание методики экспериментального определения параметров-констант, характеризующих отклонения осей акселерометрических датчиков от прямоугольной системы осей корпуса скважинного прибора.
Список литературы содержит 91 наименование.
Приложение включает в себя акты внедрения результатов работы в производственных организациях и акт скважинных испытаний.
Критический анализ достигнутых результатов в области математического моделирования СТС
При создании, техпроцессах изготовления деталей, сборки и настройки первичных преобразователей азимута, зенитного и визирного углов, входящих в состав СТС, неизбежно возникают отклонения от заданных параметров, которые обусловливают инструментальные погрешности, характерные для конкретного конструктивного исполнения. Проведение регулировочных операций по устранению данных систематических погрешностей является довольно трудоемким процессом и требует высокой профессиональной квалификации персонала, что не всегда реализуемо в условиях промышленного производства [38].
Отечественные инклинометры Технические кит, ИН1-721 минк ИМММ- ИММН-36- ИФ-60 ИОН-1 характеристики КИТ-А 42-100/60 73-120/60У 100/40 Диапазон измерений, град - азимута (0-360) ± 4 (0-360)±2 (0-360) ±1,5 (0-360) ± 1 (0-360) ±2 (0-360) ±2 (0-360) ±3(± 1,5) - зенитного угла- визирного угла (0-50) ± 0,5 (3-110) ±24 (0-180) ±0,25 (0-100) ±0,25 (0-360) ± 2 (0-180) ±0,25 (0-360) ± 3 (0-85) ± 0,5 (0-360) ±2 (0-180) ±0,25(0-360) ± 3
Термостойкость, оС 120 120 100 120 100 80 120 Баростой кость, МПа 60(100) 60 60 60 60 60 80 Габариты скважин- ного прибора, мм диаметр 60(73) 73 42 73 36 60 73 длина 1800 3100 1750 3000 1950 2250 2690 Дополнительная Температурная погрешность, град: ±1,5 ±0,25 -азимут (10)710С X X X X X -зенитный угол (0,5)710С X X X X X - визирный угол - X X X X X ±1,5 Масса скважин но го прибора, кг 13(19) X 5 25 10 X 25 Разработчик ОАО НПФ ОАО НПФ ОАО НПФ ДУП «оэмз» (изготовитель) «Геофизика», «Арас-Плюс», «Геофизика», «Геофизика», УАИ, ФГУП «СПС»,
Диапазон измерений,град -азимута - зенитного угла-визирного угла (0-360) ±2 (0-120)±0,5 (0-360) ± 2 (0-360) ± 2 (0-90) ±0,5(0-360) ±2 X(0-180)±3 (0-360) (0-360) ± 2 (0-120) ±0,5 (0-360) ±1,5 (0-360) ± 2 (0-120) ±0,5 (0-360) ± 1,5 (0-360) ± 1 (0-180) ±0,1 (0-360) ± 2 (0-360) ± 1 (0-180) ±0,1 (0-360) ±0,1 (0-360) ± 1 (0-180) ±0,1 (0-360) ±0,1 Термостойкость, оС 80 X 120 80 80 120 120 120 Баростойкость, МПа 60 X 60 60 60 100 60 60 Габариты скважин-ного прибора, мм диаметрдлина 170 12000 17024000 36 1650 45 1800 108 . X 42 42 X 54 X
Дополнительная Температурная погрешность, град: -азимут -зенитный угол - визирный угол X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X М асса с кважи н но го Прибора, кг 600 1000 10 X X Разработчик (изготовитель) СИБНА, Тюмень АОНППВНИИГИС,Октябрьский АО НПФ«Геофизика», Уфа «Удмуртнефть-бурение»,Ижевск «Удмуртнефть-бурение»,Ижевск НПП«Горизонт»,Ижевск АОНППВНИИГИС,Октябрьский АОНПП ВНИИГИС,Октябрьский Примечание. X —отсутствие данных. К) 1Л Наиболее перспективным направлением в области повышения точностных характеристик инклинометрической аппаратуры является осуществление алгоритмической коррекции инструментальных погрешностей, основу которой составляет учет в обобщенных математических моделях дополнительных угловых параметров отклонения осей чувствительности датчиков от осей ортонормиро-ванных базисов, связанных с элементами СТС [38].
Получению математических моделей и анализу инструментальных погрешностей различных вариантов построения СТС посвящены работы Г.Н. Ковшова, Г.В. Миловзорова, Г.Ю. Коловертнова, А.Н. Сергеева и других авторов [21, 22, 39].
При математическом моделировании СТС с акселерометрическими датчиками осуществляется постановка задачи пространственной ориентации твердого тела.
Решения подобных задач базируются на известных математических методах общей теории пространственной ориентации твердых тел: методе аналитической геометрии и сферической тригонометрии, методе кватернионов и др. Но наиболее удобным при моделировании СТС с трехкомпонентными акселерометрическими датчиками является векторно-матричный математический аппарат [32, 62], в соответствии с которым сложные пространственные вращения твердого тела разбиваются на отдельные плоские повороты базисов прямоугольных систем координат, а данным поворотам ставятся в соответствие матрицы направляющих конусов. При этом исходным положением корпуса СТС является его вертикальная ориентация в начальной точке траектории (например, устье скважины), а за базовые направления принимаются два вектора Си Г (вектор ускорения свободного падения и ветор магнитного наклонения). Изменение пространственной ориентации (при постоянных модулях \G\ И \Т\) твердого тела по отношению к основному базису приведет к изменению соотношений проекций векторов Си Г, отсчитываемых в ортогональных осях его базиса. При этом данные проекции будут функционально связаны с углами отдельных плоских поворотов. Измеряя эти проекции, и решая обратную задачу, можно установить аналогичную зависимость искомых угловых параметров от измеряемых проекций, т.е. от измеряемых и регистрируемых, сигналов с чувствительных элементов СТС [38].
Суть задачи математического моделирования сводится к классической задаче преобразования координат векторов Си Т при переходе от одного базиса кдругому[21,22].
А общий подход в моделировании СТС и заключается в установлении аналитических зависимостей измеряемых проекций с углами элементарных плоских поворотов [21, 38].
Известные базовые статические математические модели ТПЗВУ-А, по которым определяются зенитный и визирный углы имеют следующий вид: Данные базовые математические модели позволяют однозначно определить искомые зенитный {в) и визирный ( р) углы. Однако они являются идеальными и не учитывают инструментальных погрешностей [21, 22]. При реальном конструировании и изготовлении ПЗВУ оси чувствительности акселерометров относительно осей базиса корпуса имеют разброс угловых параметров Sjt се, OJ, которые оказывают непосредственное влияние на точность измерения проекций G и соответственно на точность определения параметров (9и 7 [38].
Анализ погрешностей ТПЗВУ-А, обусловленных неидентичностью коэффициентов преобразования акселерометров
Выражения погрешностей Л р и АО представляют собой функциональные зависимости: где Ajfi z) и 3,(1 2) соответственно погрешности измерения сигналов и погрешности измерений максимальных значений сигналов с акселерометров. Данные погрешности J, fi=Xi Уі Z) обусловлены неидентичностью коэффициентов преобразования акселерометров. Для их анализа зададим начальные условия и сделаем следующие допущения: 1. статическая характеристика акселерометров - линейная; 2. выходные сигналы - разнополярные; 3. аддитивные погрешности Д U0 = 0; 4. динамические диапазоны выходных сигналов ±Um; 5. коэффициенты преобразования акселерометров - неидентичные, т.е.
Таким образом, в результате математического моделирования и анализа погрешностей А(р и Ав в ТПЗВУ-А, обусловленных неидентичностью коэффициентов преобразования A i=x ч, т.е. «разбросом максимумов» сигналов
Umi(i=x,y,z) с акселерометров, установлено, что погрешности Д і=х уг.ч априорного (на этапах калибровки инклинометрической аппаратуры) определения значений Umi(i=x„z) являются существенными. Поэтому в плане обеспечения высоких точностных показателей СТС необходимо учитывать параметры i(i=x,y,z) ПРИ алгоритмической обработке результатов измерений.
При реальном конструировании и изготовлении ТПЗВУ-А оси чувствительности акселерометров относительно осей базиса корпуса имеют разброс угловых параметров Sj, се, Oj , которые вызваны тем, что посадочные места под акселерометры выполняются с ограниченной точностью. Данные угловые параметры являются источниками инструментальных погрешностей [38]. Их устранение, как правило, сопряжено со сложными регулировочными операциями. На практике, особенно в условиях серийного промышленного выпуска, данные операции требуют высокой квалификации персонала и приводят к необосно ванно высоким затратам. Наиболее перспективным и целесообразным в реше нии данной задачи является исключение из техпроцесса настройки подобного рода регулировок, а для обеспечения высоких метрологических характеристик аппаратуры необходимо осуществлять алгоритмическую коррекцию инструментальных погрешностей. Поскольку при ненулевых значениях параметров Sj, се, OJ оси чувствительности каждого из акселерометров А =х „z\ образуют свой ортогональный базис, то их следует рассматривать отдельно. При этом общие векторно-матричные уравнения (2.1) примут следующий вид: 8АЯ Д ОО 4ф) Арф А0{у) R0 (2.11) SAy = ASy(x) А р{г) Ав(у) gR0 MA, = 4г, ( ) Лт2(у) A9(z) Ав(у) IR р[2) А0{у) где Ар = А, -cos -sin# sin cp- sin в cos# \ gRft(0A b Решив векторно-матричные уравнения (2.11) относительно соответствующих проекций (gx для gA ; g для gА ; gz для gA ) получим систему скалярных уравнений связи: gx =cosSx -(-cos q cos аз + sina2 Sm# ) sin#-sin#,. -cos# , (2.12) g = cos 8 sin q sin в + sin Sy cos в gz = coscr, -cos 72 cos9-sinв-(sincrt sin + sinc Cosq -cosa1)j где gj(;-Y \ - приведенные значения измеряемых сигналов с акселеромет ров, т.е. gi(i=x,y,z)
Система уравнений (2.12) является новой, получена автором впервые и представляет собой совокупность скалярных трансцендентных уравнений. Кроме того, данная система уравнений является обобщенной, из которой следуют как частные решения известные системы уравнений, полученные ранее на различных этапах развития инклинометрии.
Система уравнений (2.12) является основополагающей при синтезе статических математических моделей ТПЗВУ-А, позволяющих с определенной точностью выражать аналитические зависимости искомых углов р и в от измеряемых сигналов с акселерометрических датчиков. Степень адекватности данных математических моделей непосредственно определяется принимаемыми допущениями, которые также формулируются на этапах проектирования в зависимости от предъявляемых требований к инклинометрической аппаратуре, и в первую очередь от принимаемых технических средств обработки результатов измерений и от требований к метрологическим показателям.
Анализ обобщенных статических математических моделей ПЗВУ по кинематической схеме с одностепенными ортогональными маятниками
Для анализа, математических моделей (2.26, 2.33) так же был выполнен вычислительный эксперимент, целью которого являлось определение математической модели, учитывающей малые угловые параметры 5,-, се, Oj и обеспечивающей наименьшие погрешности при вычислении искомых величин — зенитного и визирного углов.Алгоритм вычислительного эксперимента ПЗВУ на основе одностепенных ортогональных маятников аналогичен алгоритму вычислительного эксперимента для математических моделей ТПЗВУ-А. Структура алгоритма проведенного вычислительного эксперимента пред ставлена нарис. 3.1.
Для проведения вычислительного эксперимента задаются произвольные значения угловых параметров Sj, се, о) (в диапазоне ± 2 ), одинаковые для всех исследуемых моделей (табл. 3.2.). Изменяя значения-заданных зенитного (ср3) и визирного (03) углов (в диапа зоне є(О ЗбО)0 и 0є(О-И2О) соответственно) с шагом 5 градусов вычисляют ся значения входных сигналов с акселерометров. По полученным моделям (таблица 2.2.), с учетом угловых параметров Sj, се и о определяются значения искомых параметры {фв =М и 9В =М, М— условное обозначение математической модели). : Разность вычисленных и заданных значений зенитного и визирного "углов является абсолютной результирующей пофешностью связанной с процессом вычисления. Полученные погрешности вычислений фиксируются для дальней шего анализа. После проведения, вычислительного экспериментадля угловых параметров Sj, сеио) задаются новые значения и эксперимент повторяется.
Базовая статическая математическая модель, полученная автором, учиты вающая тригонометрические функции малых углов отклонения осей односте пенных маятников от осей базиса корпуса скважинноґо прибора выглядит сле дующим образом: ;
Таким образом, предложенные автором обобщенные статические математические модели (3.4), учитывающие комплекс параметров в виде функций синусов и косинусов малых углов отклонений (8j, ае, qj) осей чувствительности одностепенных маятников от осей ортонормированного базиса корпуса сква-жинного прибора СТС, позволяют добиться наименьшей погрешности определения зенитного и визирного углов.
Полученные автором модели, из которых при определенных допущениях, как частные решения, следуют известные, базовые модели представлены в виде формул (3.1-3.4).
Представленные модели обладают погрешностью, связанной с процессом вычисления, анализ которой позволил выполнить сравнение полученных автором моделей с полученными ранее и сформулировать следующее.
Для ТПЗВУ-А, как видно из полученных графиков (рис. 3.2.-3.3.), пре-дельные значения абсолютной погрешности вычисленные по математическим моделям (З.1.), разработанными автором, носят синусоидальный характер. Максимальные значения вычисленных предельных погрешностей не превыша-ют 4-Ю градуса для зенитного угла и 1.6-10 градуса для визирного угла.
Графики распределения погрешности А р по диапазону ф, вычисленной по моделям (3.2.-3.3.), в которых сделаны допущения, носят гармонический характер. При-допущении sin ,- -sin(7,- ft; 0 и sinSj » Sjмаксимальные значения вычисленных предельных.погрешностей не превышают 0,05 градуса.
Графики распределения погрешности А р по диапазону, в носят экспоненциальный характер, причем при р є (0 1 SO)0 А р находится в отрицательной области значений, а при ) є (1804-360) - в положительной. Максимальных значений погрешность Аср достигает при в є (0-ь 5) .
Распределение Ав -по диапазонам q и в также представлено в виде гармонических графиков. Максимальные значения вычисленных по известным , разработанным ранее моделям, предельных погрешностей Ав це превышают 0,2 градуса.
Для преобразователя зенитного и визирного углов на основе трех односте-пенных маятников распределение погрешности вычисления зенитного угла по диапазону визирного угла носит гармонический характер. Максимальные зна-чения вычисленных предельных погрешностей зенитного угла не превышают 0,02 градуса. Как видно из графика 3.17 при больших углах наклона ПЗВУ на основе одностепенных маятников будут иметь большие значения погрешностей, поэтому предложенные модели (3.4.) целесообразно применять при зенитном угле в диапазоне 6 (0 70) .
Исследование дополнительной температурной погрешности акселерометрических датчиков ADXL-203
1. Предложена схема построения геонавигационной скважинной теле;метри-ческой системы, основанная на применении трехкомпонентных акселеро-метрических преобразователей, в которой использованы новые, полученные автором, обобщенные статические математические модели ТПЗВУ-А, практическое применение которых в общем алгоритме обработки сигналов с преобразователей СТС позволяет обеспечить повышенные точностные характеристики СТС.
2. Разработаны элементы методического обеспечения технологических процессов экспериментального определения параметров-констант при определенных пространственных фиксированных положениях СП (9=Оо;0=9Оо,ф=О;0=9О,ф=9О), характеризующих отклонения осей акселе-рометрических датчиков от прямоугольной системы осей базиса корпуса скважинного прибора.
3. Предложены элементы методики алгоритмической коррекции дополнительной температурной погрешности инклинометрической аппаратуры с акселерометрическими датчиками ADXL-203. При участии автора разработан и создан специализированный термостенд для исследования температурных характеристик скважинных телеметрических систем.
4. При непосредственном участии автора разработаны инклинометрические системы ИС-48, .ИС-36, в которых использованы новые обобщенные статические математические модели ТПЗВУ-А. Применение полученных математических моделей в программно-алгоритмической обработке результатов вычислений, позволило обеспечить повышенную точность определения зенитных и. визирных углов. Так инклинометрическая система ИС-36 прошла успешные скважинные испытания на скважине №107 Оренбургского газоконденсатного месторождения.
Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты и выводы.
1. Обзор и анализ известных технических решений в области инклиномет-рии показал, что наиболее перспективным направлением в развитии скважин-ных телеметрических систем является построение измерительной части современных СТС в виде трехосевого акселерометра-магнитометра.
2. Анализ факторов, влияющих на точностные показатели телеметрических систем, выявил, что основными источниками погрешностей измерений являются малые угловые параметры отклонения осей чувствительных элементов от осей ортонормированных базисов корпуса СП, а также нелинейность их статических характеристик и температурный дрейф первичных преобразователей.
3. Выполнен анализ, в результате, которого установлено, что ранее полученные обобщенные математические модели не обеспечивают необходимого уровня точности, соответствующего современным требованиям, предъявляемым потребителями к СТС.
4. В результате математического моделирования и анализа погрешностей в ТПЗВУ-А, обусловленных неидентичностью коэффициентов преобразования, т.е. «разбросом максимумов» сигналов с акселерометров, установлено, что погрешности априорного (на этапах калибровки инклинометрической аппаратуры) определения значений вносят существенный вклад в общую результирующую погрешность определения искомых зенитного и визирного углов.
5. Разработаны обобщенные статические математические модели телеметрических систем, построенных на основе акселерометрических датчиков и маятниковых структур, в которых учитывается комплекс параметров в виде функций синусов и косинусов малых углов отклонений {5j, се, GJ) осей чувствительности первичных преобразователей от осей базиса корпуса СП.
6. Проведен вычислительный эксперимент, в результате которого установ лено, что предложенные обобщенные математические модели, учитывающие малые угловые параметры 6j, аз, Oj, обеспечивают наименьшие погрешности при вычислении искомых величин - зенитного и визирного углов в сравнении с предложенными ранее, известными математическими моделями.
7. Разработаны элементы методического обеспечения технологических процессов экспериментального определения параметров-констант, характери зующих отклонения осей акселерометрических датчиков от прямоугольной системы осей базиса корпуса скважинного прибора.
8. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в производственных геофизических организациях.
