Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор работ в области инклинометрии и состояние проблемы инклинометрических измерений 17
1.1. Обзор отечественных инклинометрических систем 17
1.2. Обзор отечественных телеметрических систем 36
1.3. Обзор зарубежных инклинометрических систем и телесистем. 46
1.4. Варианты построения магнитометров 52
1.5. Критический анализ современного состояния и направлений развития инклинометрии и постановка задач исследований... 59 Результаты и выводы 70
2. Разработка и анализ обобщенных математических моделей инклинометрических систем с трехкомпонентными феррозондовыми датчиками .. 71
2.1. Общий подход и базовые положения в математическом моделировании ИнС 71
2.2. Применение векторно-матричного метода и метода кватернионов при моделировании ТФПА 76
2.3. Синтез обобщенной математической модели ТФПА 82
2.4. Исследование и сравнительный анализ математических
моделей ТФПА методом вычислительного эксперимента 96
Результаты и выводы 104
Разработка методики идентификации параметров тфпа инклинометрических систем . 105
3.1. Общий подход к разработке методики идентификации параметров ТФПА инклинометрических систем 105
3.2. Разработка математического и методического обеспечения для экспериментального определения параметров ТФПА 111
3.2.1. Определение параметров ТФПА при вертикальной ориентации корпуса СП 112
3.2.2. Определение параметров ТФПА при горизонтальной ориентации корпуса СП 114
3.3. Оптимизация значений малых угловых параметров ТФПА
на основе их итерационного варьирования 120
Результаты и выводы 125
Структурное построение и практическая реализация инклинометрических систем с феррозондовыми датчиками 126
4.1. Структура инклинометрической системы ИС-48 с трехкомпонентными феррозондовыми датчиками 126
4.2. Структурное построение каналов выделения и преобразования полезных сигналов с ТФПА 135
4.3. Исследование статических характеристик феррозондовых магнитометрических каналов в программно-управляемом опорном магнитном поле 154
4.4. Экспериментальные исследования и коррекция дополнительных температурных погрешностей ТФПА 168
Результаты и выводы 171
Заключение 173
Список литературы
- Обзор отечественных телеметрических систем
- Применение векторно-матричного метода и метода кватернионов при моделировании ТФПА
- Разработка математического и методического обеспечения для экспериментального определения параметров ТФПА
- Структурное построение каналов выделения и преобразования полезных сигналов с ТФПА
Введение к работе
Актуальность темы. Повышение эффективности наклонно направленного и горизонтального бурения и повышение эффективности разработки нефтяных и газовых месторождений в целом зависит от оптимизации технологических процессов, обеспечивающих проводку скважин с максимальной скоростью в заданный «круг допуска» или в продуктивный пласт. При этом наряду с контролем таких параметров как осевая нагрузка на долото, частота вращения породоразрушающего инструмента, гидродинамическое давление и др., первостепенное и наиважнейшее значение имеет контроль комплекса параметров искривления скважин, обеспечивающий проходку по требуемой траектории в соответствии с проектным профилем. Данную задачу решают с помощью инклинометрических систем (ИнС), позволяющих измерять азимут, зенитный угол и визирный угол (угол положения скважинного объекта в апсидальной плоскости), причем с точки зрения практического применения ИнС подразделяются на системы, используемые при традиционных технологиях каротажа на кабеле в открытом стволе, и системы, встраиваемые в компоновку буровой колонны и обеспечивающие контроль угловых параметров пространственной ориентации бурового инструмента непосредственно в процессе бурения, получившие название забойных инклинометрических систем или телесистем.
Анализ известных многочисленных отечественных и зарубежных публикаций, отражающих теоретические и практические вопросы создания и совершенствования ИнС на различных этапах их развития показывает, что наиболее перспективным и признанным среди разработчиков направлением является построение скважинного
прибора (СП) на основе трехкомпонентных преобразователей с акселерометрическими и феррозондовыми датчиками, чувствительными к гравитационному и геомагнитному полям. В данном направлении дсютигнутьі определенные положительные результаты как в плане развития теории, так и в практической реализации технических решений, позволяющих создавать малогабаритную аппаратуру (диаметром охранного кожуха СП 42 мм и менее), обладающую приемлемыми для обычных эксплуатационных условий метрологическими характеристиками.
Тем не менее в последние годы со стороны производственных организаций и потребителей геофизической аппаратуры наметилась тенденция к ужесточению требований, предъявляемых к ИнС, и в первую очередь по точности контроля параметров пространственной ориентации. Это обусловлено расширением применения технологий горизонтального бурения, проводкой боковых горизонтальных стволов из старого фонда скважин, а также применением колтюбинговых технологий.
Особую актуальность данные аспекты приобретают также и при проводке скважин в породах со сложным геологическим строением, характеризующимся чередующимися пропластками непродуктивных и продуктивных коллекторов малой мощности.
Критический анализ современного уровня развития инклинометрии, а также специфических особенностей конструкции СП с трехкомпонентными феррозондовыми и акселерометрическими датчиками, показывает, что основными источниками погрешностей измерений являются малые угловые параметры отклонения осей чувствительности феррозондов и акселерометров от осей
ортонормированных базисов корпуса СП, а также нелинейность статических характеристик и температурный дрейф первичных преобразователей.
Практическое применение метода алгоритмической коррекции погрешностей измерений информативных параметров информационных сигналов с феррозондов и акселерометров, базирующегося на известном математическом обеспечении, дает неплохие результаты и является в инклинометрии вполне оправданным. Особых трудностей не представляет осуществление коррекции погрешностей сигналов с акселерометров, обладающих приемлемыми показателями по нелинейности и температурному дрейфу. Однако в решении задач по созданию инклинометрической аппаратуры разработчиками уделено недостаточное внимание математическому обеспечению алгоритмической обработки результатов измерений, а также и методическому обеспечению экспериментальных исследований на этапах промышленного выпуска, калибровки и периодической поверки, и особенно - при измерении и анализе сигналов с трехкомпонентного феррозондового преобразователя азимута (ТФПА).
Поэтому проведение теоретических и экспериментальных исследований в области дальнейшего развития математического и методического обеспечения, как наиболее эффективного направления в совершенствовании инклинометрической аппаратуры, и в первую очередь - в улучшении точностных показателей определения угловых параметров пространственной ориентации траектории скважин и скважинных объектов, является на сегодняшний день весьма актуальным, имеющим важное народнохозяйственное значение в топливно-энергетическом комплексе Российской Федерации.
Цель работы - разработка научно обоснованных технических и методических решений в области создания информационно-измерительных систем контроля комплекса угловых параметров пространственной ориентации траектории скважин и скважинных объектов, обеспечивающих повышенную точность измерений.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
выполнить обзор и критический анализ известных технических решений в области построения и создания инклинометрических систем и выявить факторы доминирующего влияния на их точностные показатели;
разработать обобщенные статические математические модели инклинометрических систем с трехкомпонентными феррозондовыми датчиками и провести анализ инструментальных погрешностей определения азимута и угла магнитного наклонения;
разработать методику идентификации численных значений угловых параметров отклонения осей чувствительности феррозондов от осей базиса корпуса СП;
разработать научно-обоснованные технические решения в области ИнС и внедрить результаты теоретических и экспериментальных исследований в производственных организациях.
Методы исследования. При достижении цели и решении поставленных задач в работе применялись методы теоретических и экспериментальных исследований.
В разработке обобщенных математических моделей ИнС использованы общая теория пространственной ориентации твердых тел, рассмотрены вопросы применения элементов теории кватернионов и матричные методы преобразования координат.
В теоретических исследованиях полученных математических моделей применена классическая теория погрешности измерений, базирующаяся на методах дифференциальных вычислений. Синтез методики идентификации малых угловых параметров отклонения осей чувствительности феррозондов от прямоугольных осей базиса корпуса СП основан на анализе математических моделей и элементах теории оптимизации с применением итерационного варьирования.
При автоматизированном моделировании информационных процессов использованы пакеты прикладных программ Borland Delphi 7.0, Matlab 6.0, Mathematica 4, построение графиков осуществлялось с помощью пакета Microsoft Excel 2002.
В экспериментальных исследованиях использованы методы статистической обработки результатов измерений.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов и выводов подтверждена системным анализом информационных процессов в ИнС при контроле угловых параметров пространственной ориентации, комплексным анализом обобщенных математических моделей и теоретическими исследованиями инструментальных погрешностей, а также результатами моделирования на ЭВМ.
Достоверность экспериментальных исследований подтверждена использованием аттестованных средств метрологического обеспечения -автоматизированной установки для поверки инклинометров УАПИ-1М, установки для калибровки инклинометров УКИ-1, прецизионных оптических приборов (теодолит 2Т-30, квадрант оптический КО-60), а также воспроизводимостью результатов.
Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждена также их внедрением и практическим использованием в производственных геофизических организациях.
На защиту выносятся:
обобщенные статические математические модели ИнС, учитывающие трансцендентные функции углов отклонения осей чувствительности феррозондов в ТФПА от прямоугольных осей базиса корпуса скважинного прибора;
сравнительный анализ погрешностей определения азимута и угла магнитного наклонения в ИнС при реализации известных и предложенных обобщенных математических моделей ТФПА;
методика идентификации численных значений углов отклонения осей чувствительности феррозондов от осей базиса корпуса скважинного прибора и их оптимизация, основанная на развитии метода итерационного варьирования параметров;
разработанные и внедренные научно-обоснованные технические решения, обеспечивающие повышенные точностные показатели ИнС.
Научная новизна работы заключается в развитии теории инклинометрии и совершенствовании методики экспериментальных исследований инклинометрических систем, основанных на трехкомпонентном феррозондовом геомагнитометре.
С использованием векторно-матричного математического аппарата впервые получены обобщенные статические математические модели инклинометрических систем, в которых учтены трансцендентные функции малых углов отклонения
осей чувствительности феррозондов от осей базиса корпуса скважинного прибора. Из полученных обобщенных моделей следуют как частные решения при определенных допущениях известные базовые модели ТФПА.
При сравнительном анализе погрешностей определения азимута и угла магнитного наклонения в ИнС показано, что известные обобщенные математические модели по сравнению с базовыми позволяют уменьшить погрешности определения азимута не менее, чем в 3 раза и угла магнитного наклонения не менее, чем в 2 раза. А в результате вычислительного эксперимента установлено, что реализация предложенных новых обобщенных математических моделей позволяет свести в идеальном случае погрешности измерений к крайне малым величинам, порядка 10~14 градуса.
На основе полученных обобщенных математических моделей и с учетом анализа инструментальных погрешностей разработана и предложена методика экспериментальных исследований ИнС, обеспечивающая при определенных пространственных положениях корпуса СП определение численных значений искомых малых угловых параметров. При этом показано, что предложенное развитие метода итерационного варьирования при решении классической задачи оптимизации позволяет уточнить численные значения искомых параметров, что оказывает непосредственное влияние на повышение точностных показателей ИнС.
Практическая ценность результатов состоит в том, что непосредственное их применение позволило решить важную научно-техническую задачу повышения точности инклинометрических измерений.
Разработанные и предложенные обобщенные статические математические модели составляют фундаментальный базис при синтезе алгоритмов вычисления
азимута и угла магнитного наклонения по измеренным сигналам с феррозондов, в которых учтены трансцендентные функции синусов и косинусов малых углов отклонения осей чувствительности феррозондов от осей опорного базиса корпуса СП. При этом процедуры автоматизированной алгоритмической коррекции погрешностей являются практически инвариантными к самим численным значениям данных малых угловых параметров, что существенно снижает требования к изготовлению конструктивных элементов СП. На основе результатов теоретических исследований предложено развитие методики экспериментальных исследований ИнС, практическое применение которой также упрощает технологические операции и повышает точность определения искомых малых угловых параметров (констант).
Практическое применение совокупности полученных в работе результатов позволило в итоге создать и внедрить ряд оригинальных технических и методических решений ИнС, обладающих малыми габаритами СП и обеспечивающих при этом повышенную точность определения азимута и угла магнитного наклонения.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований созданы ИнС, представляющие собой охрано- и конкурентоспособные образцы скважинной геофизической аппаратуры с качественно новыми показателями.
Реализация результатов работы. Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований и практические разработки внедрены и используются в следующих организациях:
1. в Управлении «Ижгеофизсервис» (г. Ижевск) ОАО «Татнефтегеофизика» обобщенные статические математические ТФПА, полученные с применением
векторно-матричного математического аппарата, использованы при создании инклинометрической системы ИС-48 с кабельным каналом связи;
2. в филиале «Центр горизонтального бурения» ООО «Бургаз» (г. Оренбург) ОАО
«Газпром» обобщенные статические математические модели трехкомпонентного
феррозондового преобразователя азимута и методика калибровки использованы в
общем алгоритме обработки результатов скважинных измерений информационных
сигналов с первичных преобразователей забойной телеметрической системы ИС-36 с
кабельным каналом связи;
3. в ООО «Ні 111«ГОРИЗОНТ» (г. Ижевск) в забойной телеметрической системе
«ГНОМ» использованы результаты математического моделирования телесистем с
трехкомпонентными феррозондовыми и акселерометрическими датчиками,
составляющие основу алгоритмической обработки результатов измерений
непосредственно с процессе бурения, а также элементы методического
обеспечения экспериментальных исследований и технологических операций
калибровки скважинных приборов;
4. в учебном процессе на кафедре «Приборы и методы контроля качества» ГОУ
ВПО «ИжГТУ» использованы элементы теории магнитомодуляционных
преобразователей параметров геомагнитного поля, оригинальное схемотехническое
решение, содержащее одностержневой двухобмоточный феррозондовый датчик и
блок вторичного преобразования информативного параметра выходного сигнала
феррозонда, а также методы линеаризации статических характеристик феррозондов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ХП научно-технической конференции с участием
зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления («Датчик-2000»)» (Судак, 2000 г.), международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2000 г.), 3-м научном симпозиуме «Высокие технологии в промысловой геофизике» (Уфа, 2004 г.), XVI Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления («Датчик-2004»)» (Судак, 2004 г.), научно-техническом форуме с международным участием «Высокие технологии - 2004» (Ижевск, 2004г.), научном симпозиуме «Геоинформационные технологии в нефтепромысловом сервисе» (Уфа, 2005 г.).
Публикации. Результаты работы отражены в 13 научных публикациях, в том числе: 6 статей в сборниках научных трудов, 1 статья в научно-техническом и производственном журнале «Датчики и системы», 3 — в материалах международных научно-технических конференциий и 3 - в тезисах научно-технических конференций и симпозиумов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 210 с. машинописного текста. В работу включены 43 рис., 8 табл., список литературы из 256 наименований и приложения, включающие акты внедрения результатов работы в производственных организациях и учебном процессе ГОУ ВПО «ИжГТУ».
В первой главе выполнен обзор и критический анализ работ в области инклинометрии, представлены известные разработки инклинометрических систем для проведения геофизических исследований в открытом стволе, а
также забойных телесистем как отечественного, так и зарубежного производства. Рассмотрены варианты исполнения первичных преобразователей и варианты построения феррозондовых магнитометров. Осуществлена постановка задач исследований.
Во второй главе в плане развития теории инклинометрии рассматриваются вопросы синтеза обобщенных статических математических моделей ИнС с феррозондовыми датчиками, основанные на более детальном анализе и учете параметров, обусловливающих инструментальные погрешности ТФПА.
В третьей главе работы рассматриваются вопросы разработки методики
идентификации параметров трехкомпонентного феррозондового
преобразователя азимута инклинометрических систем, в частности - методики определения параметров, характеризующих отклонения осей чувствительности феррозондов от ортонормированных осей базиса корпуса СП. Приводятся математические основы определения параметров ТФПА при определенных заданных углах пространственной ориентации корпуса СП. Рассматриваются элементы методики итерационного варьирования параметров ТФПА.
В четвертой главе рассматриваются элементы структурного построения инклинометрических систем с феррозондовыми датчиками, варианты реализации трехкомпонентных феррозондовых геомагнитометров с аналоговым и цифровым выходом, а также приводятся результаты их экспериментальных исследований.
Обзор отечественных телеметрических систем
В настоящее время большинство нефтяных и газовых месторождений в мире осваивается горизонтальными скважинами, которые создают качественно новые возможности для их эксплуатации. Во-первых, это связано с широким распространением кустового бурения и повторным разбуриванием площадей с уплотнением сетки скважин. Это экономически выгодно, так как позволяет избежать обустройства многочисленных площадок, строительства амбаров-отстойников, коммуникаций и т.д. Во-вторых, принятые в последнее время законы об охране окружающей среды требуют максимального сохранения земельных угодий, лесов и т.п.
Исследованию и разработке ИнС, их построению и созданию телесистем посвящены работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов, среди которых следует отметить работы Т.М.Алиева, А.А.Тер-Хачатурова, А.М.Мелик-Шахназарова, И.К.Саркисова, Ю.В.Грачева, Г.А.Ализаде, В.Н.Пономарева, В.Г.Чепелева, Н.А.Бачманова, В.О.Галета, А.Г.Малюга, Г.Н.Ковшова, А.Н.Сергеева, Н.П.Рогатых, Ю.Т.Морозова, А.А.Молчанова, Л.Г.Леготина, В.П.Чупрова, Е.А.Салова, Н.Ф.Кагарманова, В.Г.Фролова, А.Н.Рыбакова, В.Х.Исаченко, В.Т.Маркова и других.
Важную роль в постановке задач контроля параметров пространственной ориентации бурового инструмента и технологических параметров при бурении скважин, разработке ИнС и телесистем сыграл коллектив сотрудников Азербайджанского института нефти и химии имени М.Азизбекова: Т.М.Алиев, А.М.Мелик-Шахназаров, А.А.Тер-Хачатуров, Ю.В.Грачев, М.Е.Фридман, О.А.Дмитриевский. Ими разработаны телеметрические системы СТТ/СТЭ имеют невысокую точность, низкую надежность и большие импульсные инклинометры ИИ1, ИИ2, ИИЗ и системы телеметрии [192, 209].
Известные телеметрические системы СТТ/СТЭ имеют невысокую точность, низкую надежность и большие габариты [204, 213]. Широкое распространение получила созданная во ВНИИГИС забойная инклинометрическая система ЗИС-4, в которой в качестве преобразователя азимута использованы два ортогонально ориентированных дифференциальных феррозонда, установленных на горизонтируемой рамке-маятнике, а в преобразователе зенитных и визирных углов применены СКВТ. Кинематическая схема ЗИС-4 имеет вид двух карданных рамок. Канал связи — электромагнитный - путем передачи информации с забоя импульсами по породе в затрубном пространстве. Энергообеспечение скважинного прибора осуществляется встроенным в КНБК турбогенератором. Инклинометрическая система ЗИТ-1 (разработка АО НПФ "Геофизика", г. Уфа) практически аналогична системе ЗИС-4, но не получила своего серьезного развития. Известна также система ЗИС-4М - аналог разработки ВНИИГИС [190].
При четко наметившейся тенденции развития горизонтального бурения и восстановления старых скважин путем вскрытия ствола и выхода в продуктивный пласт [117] наряду с модернизацией ЗИС - 4 появились новые инклинометрические системы ИММН-36-100/60 (АО НПФ "Геофизика) и системы АО НПП "ВНИИГИС"- MWD ЗТС- 1УГ, комплекс "Забой". Далее появились ориентаторы бурового инструмента ОРБИ-3 (АО НПФ «Геофизика», г. Уфа), забойные телесистемы ЗТС-54 и ЗТС-42 (АО Hi 111 ВНИИГИС, г. Октябрьский) [214], модернизированная телесистема МСТ-108 и малогабаритная телесистема МСТ-45 (ЗАО «Удмуртнефть-бурение», г. Ижевск) [122, 124], малогабаритный телеметрический навигационный скважинный комплекс «ГНОМ» (ООО НЛП «Горизонт», г. Ижевск), ЗИС — 36 (г. Оренбург) и др. Основные технические характеристики забойных инклинометрических систем разных производителей представлены в табл. 1.4. В состав телесистемы (на примере МСТ-45, структура которой является типичной для отечественных телесистем) помимо скважинного прибора входит наземный интерфейсный блок, ПЭВМ типа Notebook и пульт бурильщика, причем скважинный прибор и интерфейсный блок связаны каналом связи, по которому информационные коды, пропорциональные измеряемым сигналам соответственно с феррозондов и акселерометров, передаются в помехоустойчивом виде в комплекс наземного оборудования (рис. 1.2). Данная информация поступает в ПЭВМ, где осуществляется алгоритмическая обработка в соответствии с разработанным математическим и алгоритмическим обеспечением. Результаты вычислений фиксируются, отображаются на мониторе и на пульте бурильщика в удобном и традиционном для бурового мастера виде [122,124]. Скважинный прибор (рис. 1.2), помимо трехкомпонентного феррозондового преобразователя азимута (ТФПА), выполненного в виде трех жестко закрепленных в корпусе феррозондов, и преобразователя зенитных и визирных углов (ПЗВУ), выполненного в виде трех жестко закрепленных в корпусе акселерометров, оси чувствительности которых образуют правую систему координат, содержит электронные блоки (ЭлБл) аналоговых каналов "АЗИМУТ" и "ЗЕНИТ", скважинный источник питания (СИП), цифровой блок (ЦБ), включающий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), устройство кодирования и передачи данных по телеметрической линии связи (ТЛС) и микроконтроллер (МК).
Применение векторно-матричного метода и метода кватернионов при моделировании ТФПА
При анализе (2.6) следует принимать во внимание, что данная базовая статическая математическая модель ТФПА адекватна лишь в идеальном случае, когда оси чувствительности феррозондов F x, Y, ZJ полностью совпадают с ортонормированным репером Яз(0, Хз, Уз, Z3). На практике же, особенно в условиях технологического разброса параметров промышленного производства, добиться данного идеального случая чрезвычайно сложно, а порою и просто невозможно.
В этой ситуации возможно два варианта решения. Первый — скрупулезное проведение комплекса трудоемких технологических регулировочных операций при изготовлении ИнС, требующих высокой квалификации персонала. Второй — это экспериментальное определение численных значений малых углов отклонения осей чувствительности феррозондов от осей базиса R3 корпуса СП и их последующий учет в виде констант при алгоритмической обработке результатов измерений.
Второй путь в последние годы признан наиболее целесообразным и перспективным, по крайней мере, среди отечественных разработчиков. В известных работах [101, 118] осуществлена попытка решения данного вопроса путем получения обобщенных математических моделей ТФПА, учитывающих указанные малые угловые параметры. Однако, принятые авторами [101, 118] допущения в виде Sind » 8, Cos 8 « 1, ще 8 — малый угол порядка 1-3, не в полной мере обеспечивают успешные решения важной проблемы дальнейшего повышения точности определения азимута ТФПА рассматриваемой структуры ИнС. Поэтому необходим более углубленный анализ в теоретических исследованиях, базирующийся на более детальном математическом моделировании ТФПА. При этом сравнительный анализ рассмотренных выше двух математических методов решения задач пространственной ориентации твердых тел — метод матриц и кватернионов — позволяет констатировать, что для числа плоских поворотов не более трех как теория матриц, так и теория кватернионов в равной мере (с позиций сложности аналитических преобразований) приемлемы и особых трудностей не представляют. А для числа плоских поворотов более трех предпочтение следует отдать все-таки векторно-матричному математическому аппарату как более удобному и наглядному.
Синтез обобщенной математической модели ТФПА
При разработке обобщенной математической модели ТФПА необходимо выявить источники инструментальных погрешностей, обусловленные разбросом технологических параметров при изготовлении механических деталей, сборке и настройке феррозондовых элементов, составить общие векторно-матричные уравнения и выполнить их совместное решение относительно искомых углов а -магнитного азимута и Э—угла магнитного наклонения для данной широты местности. На рис. 2.4 показана схема реального расположения феррозондов Ft(i=x, Y, z) в корпусе скважинного прибора ИнС и обозначены углы отклонения осей их чувствительности от осей базиса Яз(0, Х3, Y3, Z3). \) Sx — угол отклонения феррозонда Fx от оси ОХз в плоскости OX3Z3\ 2) X — угол отклонения феррозонда Fx от оси ОХз в плоскости OX3Y3; У) ду — угол отклонения феррозонда Fy от оси OY3 в плоскости OY3Z3; 4) у— угол отклонения феррозонда FYOT оси OY3 в плоскости OX3Y3; 5) Ji — угол отклонения феррозонда Fz от оси OZ3 в плоскости OY f, Рис. 2.4. Источники инструментальных погрешностей ТФПА 6) (72 — угол отклонения феррозонда Fz от оси OZ3 в плоскости ОХ3. Поскольку при этом каждый из феррозондов образует свой ортогональный базис, то их необходимо рассматривать отдельно. Система векторно-матричных уравнений для проекций Т$=.хз, УЗ, Z3) измеряемых феррозондами Fj0=x в этом случае будет иметь вид:
Разработка математического и методического обеспечения для экспериментального определения параметров ТФПА
Суть предлагаемой методики экспериментального определения параметров ТФПА, в частности идентификации (или определения численных значений) констант (3.4), связанных с углами 5х, Sy, %, у, СТ] и сг2 отклонения осей чувствительности феррозондов от прямоугольных осей базиса корпуса СП, сводится к технологическим операциям жесткой фиксации исследуемого СП в пространстве при априори заданных углах а, Є, q , измерении информационных сигналов t x, Y, z) с феррозондов и вычислении искомых параметров по математическим моделям сигналов, которые следуют как частные решения из обобщенных статических математических моделей ТФПА.
Данные операции необходимо осуществлять на поверочных устройствах, установках (поворотных столах), позволяющих задавать и контролировать с высокой точностью (не ниже ±0,1) требуемые углы пространственной ориентации СП.
Предлагаемая методика включает в себя несколько этапов, каждому из которых соответствует своя совокупность задаваемых углов or, в, р. 112 3.2.1. Определение параметров ТФПА при вертикальной ориентации корпуса СП Вертикальная ориентация корпуса СП соответствует двум значениям зенитного угла в] = 0 и 6 = 180. При этом само понятие «азимут» не имеет физического смысла, а визирный угол р (угол поворота СП вокруг собственной продольной оси) может принимать любые значения в диапазоне 0.. .360.
При этом контроль «вертикальности» ориентации исследуемого СП осуществляется либо по лимбам прецизионной поверочной установки, либо с помощью специальных средств (оптический квадрант, теодолит, устройства дистанционного контроля). Одним из вариантов ориентации корпуса СП по вертикали, предложенный автором, может бьпъ использован карданов подвес, в котором роль удлиненного маятника играет сам СП Схема такого устройства представлена на рис. 32.
При горизонтальной ориентации скважинному прибору задают несколько пространственных положений и осуществляют измерения информационных сигналов с феррозондов. Важной особенностью, на которую следует обратить внимание, является то, что визирный угол (р на данном этапе экспериментальных исследований определяется по измеренным сигналам с акселерометров. При этом на начальном этапе выставляют на поверочной установке лимб отсчетов угла р в нулевое положение, затем при разарретированном узле фиксации вручную вращают корпус СП вокруг продольной оси (т.е. по визирному углу) до вычисленных показаний с акселерометрических датчиков инклинометра, соответствующих q = 0, и фиксируют корпус СП. Данная процедура представляет собой по сути плавную прецизионную регулировку и требует особого внимания и скрупулезности. После выполнения этой технологической операции приступают к следующим этапам. В первом положении задают значения углов пространственной ориентации СП {в} — 90; SinOj = 1; CosOj = 0} и {at = (pi = 0; Sinai = Sin pi = 0; Cos a] — Coscpi = 1}. При этом математические модели измеряемых проекций (3.3) примут вид:
Таким образом, на этапах экспериментальных исследований или калибровочных операций инклинометрической аппаратуры на специализированных поверочных установках (поворотных столах), задавая вертикальное положение корпусу СП (0= 0 и в = 180) и горизонтальное (0= 90 и ОС = 180), а также выставляя последовательно значения визирного угла р, равное 0; 90; 180 и 270, и измеряя при этом информационные сигналы с феррозондов ТФПА, можно определить все искомые параметры Sh Rh «9, % У 8х &У &ь 2 относящиеся к разряду постоянных параметров, т.е. констант, характеризующих конкретное конструктивное исполнение ТФПА.
Необходимо также отметить, что полученные аналитические выражения (3.23) с учетом нечетности обратной тригонометрической функции арктангенса позволяют определить не только численные значения углов отклонения осей чувствительности феррозондов от прямоугольных осей базиса корпуса СП, но и их знак, т.е. Sign{8i}.
Предложенная и представленная выше методика определения численных значений искомых параметров представляет собой несложные технологические операции, не требует существенных временных затрат и дает отличные результаты в идеальном случае, т.е. в условиях полного отсутствия таких ошибок, как: погрешности, обусловленные нелинейностью статических характеристик феррозондовых магнитометрических каналов; погрешности выделения информативных параметров информационных сигналов с ТФПА и их аналого-цифрового преобразования; погрешности квантования при аналого-цифровом преобразовании;
Структурное построение каналов выделения и преобразования полезных сигналов с ТФПА
Феррозонд в классическом понимании представляет собой измерительный преобразователь магнитомодуляционного типа, предназначенный для измерения параметров слабых магнитных полей (магнитной индукции или напряженности), к которым, в частности, относится геомагнитное поле [59]. Применение феррозондов в инклинометрии и скважинной магнитометрической аппаратуре имеет довольно давнюю историю и обусловлено рядом преимуществ и в первую очередь, высокой надежностью работы, относительно простой конструкции, низким порогом чувствительности, высокими точностными показателями, высокой стабильностью характеристик.
В общем случае феррозонды — это устройства, содержащие ферромагнитные сердечники и охватывающие их обмотки, в одну из которых подают переменный ток, а с другой снимают ЭДС, по которой и судят об измеряемом значении параметров поля. Феррозонды относятся к индукционным преобразователям.
На рис. 4.6 показано устройство феррозонда. В феррозонде внешнее поле напряженности Но непосредственно воздействует на ферромагнитные сердечники. На эти же сердечники действует и переменное поле Hi(t), создаваемое током ij(t).
Преобразование напряженностей Н0 и H\(t) в переменную магнитную индукцию B(t) = В [Ht(t), Н0], а затем и в ЭДС e(t) = e[B(t)], появляющуюся в выходной (измерительной) обмотке. Существует довольно много типов и модификаций феррозондов. Они отличаются друг от друга по режиму работы, способу наложения вспомогательного поля, выбранной схеме и конструктивному исполнению. Однако феррозондам присущи и некоторые общие свойства. Рассмотрим эти свойства на примере дифференциального феррозонда (рис. 4.7).
Дифференциальный феррозонд содержит два одинаковых ферромагнитных сердечника, выполненных в виде тонких стержней, уложенных в специальные каркасы параллельно друг другу. Поверх каркасов нанесены первичные обмотки, включенные последовательно и образующие цепь возбуждения феррозонда. Эту цепь питают переменным током. Поверх первичных обмоток укладывается вторичная, охватывающая оба сердечника, в которой наводится ЭДС, пропорциональная измеряемому магнитному полю.
В дифференциальном феррозонде первичные обмотки соединены таким образом, что протекающий в них ток создает в объеме сердечников напряженности Н]у равные по величине, но противоположные по направлению. При наличии внешнего поля, напряженностью Н0, направленного вдоль сердечников, в объеме одного из них действует разность напряженностей (Н0—Н]), в объеме другого - сумма (Н0 + Ні). Если сердечники идентичны, то 138 д лЛя.-я,) В" = //„(#„+#,)} где В к В"— индукции или плотности магнитных потоков в сердечниках. ЭДС во вторичной обмотке, охватывающей оба сердечника, будет at где S — поперечное сечение сердечников; W2 - количество витков вторичной обмотки. Появление ЭДС во вторичной обмотке дифференциального феррозонда с идентичными полуэлементами возможно при нелинейности характеристик В =f(H). Общее выражение наводимой ЭДС во вторичной обмотке имеет вид: я e{coi) - 4a)SH0ju0 kjU2kSin(2kcot) из которого следует выражение для ЭДС четных гармоник: = 4kcoSW2HQjuQju2k, где к - номер гармоники; Е 2к - амплитудное значение четной гармоники ЭДС.
Наиболее широко используется второй классический режим работы дифференциального феррозонда с выходом на второй гармонике. Изменение амплитуды выходной ЭДС в зависимости от ориентации феррозонда в поле свидетельствует о свойстве направленности.
