Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние инклинометрических измерительных систем, постановка задачи исследования 19
1.1. Типы скважин, системы координат, параметры ориентации и координаты скважины и скважинного прибора 21
1.2. Основные способы определения параметров ориентации скважины и их характеристики 23
1.2.1. Способы, основанные на измерении магнитного поля Земли 24
1.2.1.1. Метод непосредственного измерения параметров ориентации магнитным инклинометром 25
1.2.1.2. Полуаналитический метод измерения параметров ориентации магнитным инклинометром 27
1.2.1.3. Аналитический метод измерения параметров ориентации магнитным инклинометром 29
1.2.2. Способы, основанные на применении основных свойств гироскопа 30
1.2.2.1. Метод непосредственного измерения параметров ориентации на основе трехстепенного гироскопа 31
1.2.2.2. Полуаналитический метод измерения параметров ориентации на основе двух гирополукомпасов 39 "
1.2.2.3. Аналитический метод измерения параметров ориентации на основе бесплатформенной измерительной системы 42
1.2.2.4. Аналитический метод измерения параметров ориентации на основе бесплатформенной измерительной ФЭВ С одер жанне системы с автоматической компенсацией дрейфа гироскопов: 44
1.2.2.5. Аналитический метод измерения параметров ориентации на основе бесплатформенной измерительной системы и гирополукомпаса 47
1.2.2.6. Аналитический метод измерения параметров ориентации на основе одноосного гиростабилизатора 50
1.3. Анализ схем гироскопических инклинометров 53
1.4. Формулировка задачи исследования 57
Глава 2. Синтез алгоритмов ориентации и навигации скважинного прибора 59
2.1. Алгоритмы ориентации 60
2.1.1. Основные функциональные алгоритмы определения ориентации скважинного прибора 61
2.1.2. Построение матрицы ориентации при неполной информации 65
2.1.2.1. Построение матрицы ориентации для наклонных скважин 70
2.1.2.2. Построение матрицы ориентации для горизонтальных скважин 74
2.1.3. Алгоритмы повышения точности 78
2.1.3.1. Математическая модель дрейфа гироскопа 78
2.1.3.2. Алгоритм нормирования длительности такта дискретизации. 79
2.1.3.3. Алгоритмы компенсации температурных погрешностей. 80
2.2. Алгоритмы начальной выставки 81
2.3. Алгоритмы навигаци 88
2.3.1.- Алгоритмы определения длины каротажного кабеля 88
2.3.2. Алгоритмы определения прямоугольных координат 93
ФЭВ Содержание
Глава 3Синтез одноосного индикаторного гироскопического стабилизатора для гироинерциального блока скважинного прибора и анализ его погрешностей 96
3.1. Особенности построения одноосных гироскопических стабилизаторов 96
3.2. Математическая модель одноосного индикаторного гироскопического стабилизатора 102
3.2.1. Системы координати их описание 102
3.2.2. Математическая модель ОИГС 105
3.2.3. Декомпозиция математической модели ОИГС 108
3.3. Синтез контура стабилизации ОИГС и контура арретирования гироскопа 114
3.3.1. Синтез контура стабилизации 115
3.3.2. Синтез контура электрического арретирования 124
3.4. Имитационное моделирование ОИГС 129
Глава 4. Приборное построение гироскопического инклинометра 135
4.1. Функциональная схема инклинометрической системы 135
4.2. Кинематическая схема гироинерциального блока 138
4.2.1. Алгоритм работы координатного преобразователя 142
4.2.2. Формирование съема сигнала в каналах стабилизации и измерения угловой скорости 144
4.2.3. Особенности построения моментного двигателя в ОИГС150
4.3. Особенности построения датчика глубины скважинного прибора 153
4.4. Конструктивные решения повышения надежности ФЭВ Содержание передачи информации в гироскопическом инклинометре 158
Глава 5. Полунатурное моделирование работы гироскопического инклинометра 163
5.1. Гироскопический инклинометр и его основные функциональные узлы 163
5.2. Назначение полунатурного моделирования 168
5.3. Аппаратные средства для полунатурного моделирования... 169
5.4. Структура программных средств 169
5.5. Методика проведения полунатурного моделирования 172
5.6. Анализ результатов полунатурного моделирования 179
5.7. Метрологические испытания на реальной скважине 180
Заключение 184
Библиографический список литературы 186
Приложения
- Основные способы определения параметров ориентации скважины и их характеристики
- Алгоритмы начальной выставки
- Математическая модель одноосного индикаторного гироскопического стабилизатора
- Кинематическая схема гироинерциального блока
Введение к работе
В настоящее время нефте- и газодобыча в России является одной из главных и доходных частей в экономике страны. И от того насколько рационально и эффективно бурят новые и эксплуатируют старые нефтяные, газовые и геофизические скважины зависят затраты на проведение буровых
работ И ООЬеМЫ При ДобыЧИ ПОЛеЗНЫХ ИСКониСМыХ. Kpoivn.. іОІ'О, в связи с
изменением технологии бурения, увеличением стоимости буровых работ, правовыми проблемами связанными с использованием отведенных участков земли и т.д. ужесточились требования к точности приборов предназначенных для измерения траектории скважин. Такие приборы носят название инклинометров (от английского incline - наклон), а метод, используемый для определения положения оси ствола скважины, называют инклинометрическим. При этом инклинометрия скважин преследует следующие цели:
определение точного местоположения забоя скважины;
осуществление контроля за траекторией скважины в процессе бурения, чтобы быть уверенным в достижении конечной цели;
правильно ориентировать инструменты, обеспечивающие изменение направления бурения скважин в нужном направлении;
не допустить пересечения пробуриваемой скважины с уже существующими скважинами;
рассчитать глубину по вертикали залегания различных формаций для точного построения геологических карт.
Таким образом, под задачей инклинометрии понимают контроль за положением оси ствола скважины в пространстве 3D. В результате проведения инклинометрических измерений и их обработки должны быть получены данные о положении каждой точки ствола скважины в пространстве, например, в виде вертикальных и горизонтальных проекций ствола, об отклонениях фактического профиля от проектного, о положении' конечного забоя и о попадании его в круг допуска.
С появлением направленного бурения инклинометрия стала играть более важную роль, чем это было при бурении традиционно вертикальных скважин. Кроме того, пересеченный рельеф местности, линии электропередачи, трубопроводы, большое количество населенных пунктов и промышленных сооружений не позволяют установить буровую непосредственно над проектной точкой. Отсюда необходимость бурения именно наклонно-направленных скважин с достаточно большим смещением устья от проектной точки (до 700 м и более) [33]. Измерения зенитного угла и азимута ствола скважины на разных глубинах позволяют добиться направления бурения скважины в нужную точку. Следует отметить, что исследования могут выполняться как в процессе бурения, так и после его завершения, то есть информация инклинометров используется либо для аттестации скважин, либо для управления бурением. В последнем случае такие инклинометры получили название забойных, которые во время бурения находятся в устье скважины, а для определения информации об углах ориентации инструмента (бура) процесс бурения останавливают и инклинометр включают в режим измерения [29, 42, 43].
В общем случае все скважины можно разделить по определенным признакам с учетом их искривления [24] на следующие типы:
По пространственному положению - вертикальные, наклонные, вертикально-наклонные, горизонтальные, горизонтально- наклонные.
По характеру профиля - прямолинейные (не искривленные), плоско искривленные, пространственно-искривленные. Плоско искривленные скважины характеризуются изменением только зенитного угла, а пространственно-искривленные - изменением зенитного и азимутального углов, причем это может происходить одновременно или последовательно.
3. По количеству стволов (забоев) у одно» скважины, начатой с
поверхности, одноствольные и многоствольные. Многоствольными следует
ФЭВ Введение
называть такие скважины, у которых один начальный ствол разветвляется на два и более.
~ 4. Из указанных типов скважин можно выделить основные их комбинации:
скважины прямолинейного профиля - могут быть вертикальными, наклонными, горизонтальными.
скважины с плоско- или пространственно искривленным профилем -могут быть одно- или многоствольными наклонными, вертикальными, горизонтальными и горизонтальными и горизонтально наклонными.
Диапазон изменения углов ориентации, особенно зенитного угла, существенно влияет на приборное построение инклинометра и соответственно на структуру математического обеспечения. Эта взаимосвязь будет четко просматриваться в прелагаемой работе.
Инклинометры осуществляют измерение первичной скважинной информации, ее преобразование, передачу по каналу связи наземному устройству, обработку и представление оператору результатов обработки для управления процессом измерения или бурения. Инклинометр состоит из скважинного прибора (СП) и наземного устройства (НУ) обработки и отображения данных. В качестве канала связи используется или специально разработанное для передачи информации оборудование (например, каротажный кабель и подъемник) или оборудование которое используется в буровом процессе (например, токопровод электробура, колонна бурильных труб) [1].
Обобщенная структура инклинометра в общем случае содержит:
1. Первичные измерительные преобразователи (датчики),
размещенные в СП или непосредственно на корпусе, или в специальных
подвесах. Как правило, параметры, измеряемые датчиками, или
представляют собой непосредственно зенитный, азимутальный и визирный
ФЭВ Введение
углы, или являются косвенными параметрами, однозначно характеризующими величинами углов ориентации.
Блок измерительных преобразователей аналоговой величины в аналоговую и (или) в цифровую, коммутаторов, устройств памяти, каналов связи.
Наземное устройство, которое включает в себя блок цифровой обработки информации (ПЭВМ), программное обеспечение, технические средства отображения информации, включая дисплеи и принтеры, а также устройство (пульт) управления и источник питания. В отдельных случаях тех или иных составных систем может и не быть.
Однако современная концепция построения архитектуры инклинометрических систем предполагает включение в их состав самых современных технических средств измерения, преобразования, передачи и обработки цифровой информации.
С позиций организации процесса измерений инклинометры бывают точечными (когда для проведения измерений СП в скважине останавливается на заданное время) или непрерывными (когда все измерения и обработка их результатов происходят в реальном масштабе времени при непрерывном движении СП в скважине). Потенциально точечные инклинометры являются более точными измерительными системами, чем непрерывные, однако непрерывные обладают большей производительностью, что снижает затраты на работы по аттестации скважин. Поэтому с практической точки зрения компромиссное решение смещается в область создания непрерывных малогабаритных - инклинометров повышенной точности. Причем понятие малогабаритный "относится главным образом к диаметру СП, величина которого будет определяться габаритными размерами базовых чувствительных элементов - акселерометров, феррозондов (магнитометров) и гироскопов, а также глубиной обследуемой скважины.
Вопросы измерения параметров скважин были поставлены и начали решаться практически одновременно с бурением скважин.
ФЭВ Введение
Важную роль в постановке проблемы контроля пространственного положения ствола скважины и создании инклинометрических систем сыграл коллектив сотрудников "кафедры информационно-измерительной^ и вычислительной техники Азербайджанского института нефти и химии (АзИНЕФТЕХИМ): A.M. Мелик-Шахназаров, Т.М. Алиев, А.А. Хачатуров, М.Е Фридман, Ю.В. Грачев. В течение 1953-1964 г.г. ими были предложены и разработаны импульсные инклинометрические преобразователи ИИ-1, ИИ-2, ИИ-3, специально предназначенные для контроля ориентации электробура при бурении [1, 25].
В 1966 году в КуйбышевНИИНП совместно с Куйбышевским политехническим институтом (Ю.В. Грачев) была разработана, а в 1966-68 г.г. изготавливалась Бугульминским заводом нефтеавтоматики, система «Ориентир-1» с проводной линией связи сбросного типа для турбинного и роторного бурения, позволяющая измерять зенитный угол и угол направления отклонителя (визирный угол).
В.И.Уваров, А.Г.Сметанин усовершенствовали инклинометрические
датчики с магнитомеханическими преобразователями азимута и синусно-
косинусными вращающимися трансформаторами для преобразования углов
поворота магнитной стрелки, зенитного и апсидального маятника в
электрический сигнал. Этими датчиками комплектовались
инклинометрические системы, выпускаемые Харьковским СКБЭ [56].
В 1970 году Г.Н. Ковшовым были начаты исследования по созданию инклинометрических датчиков с повышенной точностью, вибро- и ударопрочностью. К работе привлекались, в основном, сотрудники Уфимского авиационного института приборостроительных специальностей, которые в дальнейшем по этому направлению защитили кандидатские диссертации (Р.И. Алимбеков, А.Б. Кильдибеков, Н.П. Рогатых, Г.В. Миловзоров, Р.А. Султанаев, Ю.М. Кочемасов и другие) [29}.
К 1979 году были разработаны основы общей теории инклинометрических систем как технических средств определения
ФЭВ Введение
ориентации пространственного положения оси ствола скважин, включая математические модели, аналитические выражения для оценки погрешностей, принципы построения датчиков и узлов инклинометра с улучшенными эксплуатационными характеристиками, а систематическое и системное изложение теории и конкретных инженерных решений по инклинометрической технике впервые было приведено в монографии Исаченко В.Х. [24].
Из зарубежных фирм наиболее известными являются фирмы США «Istmen willstocfo), «Hampfri» и «Sperry-Sun» [38, 60], которые выпускают инклинометрические системы на каротажном кабеле.
Система «Dot» фирмы «Istmen willstock», контролирует зенитный угол, азимут и обеспечивает ориентацию забойного двигателя при направленном бурении. Скважинный прибор, включающий чувствительные элементы и электронные узлы, спускают в скважину на одножильном кабеле и устанавливают в бурильной трубе над забойным двигателем. Данные от скважинного прибора поступают на наземное устройство обработки информации, которое выполняет необходимые расчеты, контролирует исправность системы. Имеется выносное показывающее устройство, устанавливаемое у пульта бурильщика, на котором показываются величины зенитного угла, азимута и направление действия отклонителя. Система работает при зенитных углах от 0 до 90.
В систему «Elektrick surwey systems» фирмы «Hampfri» входит скважинный прибор, связанный кабелем с наземным устройством обработки данных. Имеются два варианта скважинного прибора: с магнитным (диаметр 41 мм) и гироскопическим (диаметр 45 мм) датчиками. При использовании четырехжильного кабеля, каждый параметр передается по отдельному каналу. Возможна многоканальная передача данных по одножильному кабелю. Наземное устройство включает ЭВМ для обработки измерений, в частности, для расчета координат точки измерения в реальном масштабе времени. Наземное устройство выполняется в трех вариантах. В первом
ФЭВ Введение
случае осуществляется только цифровая индикация результатов. Во втором случае помимо цифровой индикации осуществляется автоматическая цифропечать данных. В третьем варианте дополнительно регистрируются данные на магнитный носитель.
Сравнительно новый гироскопический инклинометр разработан фирмой «Girodate» (США). В нем использован ряд достижений аэрокосмической техники. В результате удалось создать прибор сравнительно небольшого размера (63.5мм), в котором значительно уменьшены ошибки, свойственные гироскопическим исследованиям, в том числе ошибки, вызванные вращением Земли. В инклинометре использована комбинация гироскопа с акселерометрами. Определяется ориентация скважины относительно севера и измеряется зенитный угол, азимут и угол установки отклонителя. Скважинный прибор содержит микропроцессор, который предварительно обрабатывает данные, устраняет методические погрешности. Затем данные кодируются и передаются на поверхность по одножильному каротажному кабелю. Наземное оборудование включает компьютер и печатающее устройство. В результате обработки определяются пространственные координаты точек ствола скважины, рассчитывается траектория ствола скважины. Отмечается, что пространственное положение точек ствола скважины определяется с погрешностью меньшей, чем 0.52 м на каждые 305 м глубины.
Гироскопическая система типа «SRG» сравнительно новая, разработана фирмой «Sperry-Sun» для использования при наличии аномалий магнитного поля Земли. Гироскопический скважинный прибор диаметром 76 мм спускают в скважину на каротажном кабеле. Особенность, наличие в наземном устройстве микропроцессора. Измерения проводятся при спуске скважинного прибора. Микропроцессор обрабатывает данные измерений, и оператору, становится немедленно известна траектория ствола скважины.
Для проведения замера скважинный прибор нужно остановить на 2-4с, в то время как автономный прибор необходимо было останавливать на 45-
ФЭВ Введение
60с, скважинный прибор измеряет также температуру и передает данные о температуре, что позволяет предохранить его от недопустимого перегрева. Исследование скважины при использовании системы «SRG»Tpe6yeT в два раза меньше времени, чем при использовании многоточечных автономных приборов. Так на скважину глубиной 2200 м требуется 175 мин при использовании автономного прибора и только 86 мин при использовании системы «SRG».
На современном этапе развития инклинометрической техники передовые позиции в разработке систем контроля скважин заняли фирмы, которые занялись разработкой и изготовлением инклинометров в рамках конверсионной деятельности. Также в числе прочих инклинометрических систем следует выделить инклинометр ИГН 100-100/60 ТПУ (г. Томск), инклинометр точечный разработки ФНЦ ОАО «РПКБ» (г. Раменское), гироскопический инклинометр ГИД АООТ «МИЭА», инклинометр ИГН 73-100/80 ООО «Арас-плюс», (г. Арзамас), который построен на базе одноосного индикаторного гиростабилизатора по схеме модифицированной БИНС, в разработке которого автор работы принимал участие в рамках совместных работ.
Структура диссертационной работы.
Работа состоит из введения, пяти глав и трех приложений.
В первой главе диссертационной работы рассматривается классификация магнитных и гироскопических инклинометров. Более детально рассмотрена классификация гироскопических инклинометров (ГИ), параметры ориентации СП ГИ и' скважины. Проводится сравнительный анализ различных вариантов ГИ и предлагается направление улучшения их характеристик. Также рассмотрена структура ГИ с гироинерциальным блоком на базе одноосного гироскопического стабилизатора. Ставится цель диссертации и очерчивается круг научных и " технических задач, поставленных и решенных в диссертации.
ФЭВ Введение
Вторая глава посвящается синтезу алгоритмов для определения параметров ориентации СП ГИ и анализу их" точности. Рассмотрены способы формирования матрицы ориентации и приведено решение обратной задачи ориентации на основе дискретной формы уравнений Пуассона. Построены алгоритмы ориентации для обследования горизонтальных скважин. Кроме основных функциональных алгоритмов ориентации рассмотрены алгоритмы повышения точности и алгоритмы начальной выставки методом аналитического гирокомпасирования путем придания платформе с чувствительными элементами стабильной угловой скорости вокруг оси стабилизации. Обработка сигналов угловой скорости проведена методом наименьших квадратов. На основе алгоритмов ориентации решена задача навигации СП в скважине на основе прецизионного измерения приращения длины каротажного кабеля комплексным датчиком глубины, алгоритм работы которого модернизирован в направлении повышения точности.
В третьей главе предложено построение гироинерциального блока СП на основе одноосного индикаторного гиростабилизатора (ОИГС), рассматривается обобщенная математическая модель ОИГС, способы повышения статической точности ОИГС и расширение областей устойчивости за счет введения местной положительной обратной связи (ПОС) по току моментного двигателя. Методом логарифмических характеристик с применением стандартных программ MS Excel и Matlab проведен синтез контуров индикаторной стабилизации и электрического арретирования (канала датчика угловой скорости) с заданными статическими и динамическими характеристиками.
В четвертой главе рассмотрены особенности приборного построения ГИ. При этом в основном изложены технические реализации структурных схем и алгоритмов^ предложенных во второй и третьей главах* схемотехническое построение контуров стабилизации и измерения угловой скорости ОИГС, эскиз конструкции моментного двигателя с улучшенными
ФЭВ Введение
характеристиками. Рассмотрен вопрос повышения надежности передачи информации через геофизический коллектор (ГФК) и представлен эскиз конструкции ГФК. Приведена реализация цифрового датчика глубины, который составляет основу комплексного датчика глубины, алгоритм которого приведен во второй главе.
В пятой главе представлены функциональная схема и фотографии отдельных узлов инклинометра ИГН-73-100/80, рассмотрено полунатурное моделирование в лабораторных условиях, назначение которого оценить эффективность принципов и алгоритмов, заложенных в построение гироскопического инклинометра. Глава содержит аппаратные средства для полунатурного моделирования, структуру программных средств, методику проведения полунатурного моделирования, анализ результатов полунатурного моделирования, а также результаты метрологических испытаний на реальной скважине.
Диссертационная работа также включает три приложения.
В первом приложении приведена лабораторная установка для полунатурного моделирования и дано ее краткое описание.
Второе приложение содержит результаты полунатурного моделирования (запись параметров, сформированная в виде таблиц), когда заданная траектория модельной скважины формируется трехкомпонентным стендом, движение каротажного кабеля имитируется вращением цифрового датчика глубины, а математическое обеспечение соответствует рабочему.
Третье приложение содержит акты внедрения результатов
диссертации по созданию непрерывных гироскопических инклинометров в промышленность и в учебный процесс.
Данная диссертационная работа», начиная с 1995г., выполнялась в рамках НИР по хоздоговорам: х.д. № 2763 «Анализ существующих схем и алгоритмов и выработка предложений по ; созданию перспективных малогабаритных инклинометров» и х.д. № 2767 «Анализ и синтез схем одноосных гиростабилизаторов для малогабаритных инклинометров».
ФЭВ Введение
Публикации по теме диссертации.
По теме диссертации "опубликовано 14 научных работ, в том числе, статей, тезисов докладов и трудов материалов конференций - 6, патентов - 5, научно-технических отчёта - 3.
Публикации по главам диссертации:
Основные способы определения параметров ориентации скважины и их характеристики
Подробное описание методов измерения и формирования параметров скважины и СП приведено в работах [1, 21, 24, 52]. Однако методами измерения азимута на основе различных типов ГИБ в [24] уделено мало места и это,связано в основном с тем, что большинство способов было создано после выхода книги [24] в 1987 (или в этот же период), когда к разработке ГИ подключились в рамке конверсионных программ, а порой в силу возникшей рыночной необходимости, многие гироскопические институты и конструкторские бюро: НФЦ РПКБ (г, Раменское), МИЭА (г. Москва), ТомскийФЭВ Глава I. политехнический университет, ВНИИ нефтепромгеофизика, НИИ Темп-Авиа и «Арас-плюс» (г. Арзамас). Основу классификации способов формирования параметров ориентации составляют физические принципы и набор элементарных операций определения азимутального угла. Если для определения азимута используется напряженность магнитного поля Земли, то инклинометры называют магнитными, если для определения азимута используется гироскопический прибор или система, то инклинометры называются гироскопическими. Второй важнейший элемент классификации связывают с привязкой измерений ко времени. Если для проведения измерений СП инклинометра останавливают, то инклинометр называется точечным, если измерения проводятся во время движения СП, то инклинометр называется непрерывным. Кроме того, существенным элементом инклинометра с точки зрения удобства эксплуатации, влияющим на точность измерения, является способ начальной выставки. Если для начальной ориентации используются дополнительные технические средства, то такой способ (по аналогии с авиационными курсовыми или инерциальными системами) рационально назвать внешним. Если начальная ориентация осуществляется без дополнительных технических средств, то такой способ начальной выставки рационально назвать автономным.
Как указывалось выше, в работе рассматривается ГИ, у которого в качестве гироскопической системы используется, ГИБ, построенный на базе одноосного индикаторного гиростабилизатора, однако, имеет смысл рассмотреть методы измерения параметров ориентации не только ГИ, но и безгироскопными инклинометрами, и дать им сравнительную оценку.
Данные способы реализуются в магнитных инклинометрах, в которых используется информация о векторе напряженности магнитного поля Земли или ее горизонтальной составляющей и о векторе ускорения силы тяжести. Причем, напряженность магнитного поля Земли используется для созданияФЭВ Глава 1. магнитного момента, поворачивающего подвижные системы с постоянными магнитами (метод - непосредственного измерения), либо - компоненты напряженности магнитного поля измеряются (полуаналитический и аналитический методы измерения).
Углы В и у могут определяться непосредственно путем измерения угловотклонения соответствующих физических маятников относительно корпуса СП, а угол а по углу отклонения магнитной системы (постоянные магйиты с узлом подвеса), которая маятниковыми устройствами устанавливается в горизонтальную плоскость (по аналогии с потенциометричёскими дистанционными компасами типа ПДК) [47].
Кинематическая схема измерительного блока представлена на рис. 1.2. В этом случае для моделирования местной вертикали (плоскости местного горизонта) служит кардановый подвес, состоящий из рамок 1 и 3, имеющих за счет закрепленных на них грузов 2 и 5 нижнюю маятниковость. При этом плоскость рамки 1 будет располагаться перпендикулярно апсидальной плоскости, и с датчиков 9 и 10 непосредственно снимаются в виде напряжений значения зенитного и визирного углов. Для моделирования магнитного меридиана платформу 5, имеющую нижнюю маятниковость, с помощью оси подвеса 4 устанавливают в кардановый подвес, а на самой платформе жестко закрепляют, например, два постоянных магнита б и щеточный узел 7 датчика азимута 8, который размещают на внутренней рамке -3. Окончательная информация может формироваться либо в виде магнитного, либо в виде географического азимутальных углов, связанных соотношением а = ам-5м. На основе реализации данного метода был создан следующий спектр-отечественных инклинометров [24, 52]: КИТ, КАТ-А, ИМ-1, МИ-30, МИ-36, технические характеристики которых представлены в таблице 1.1ФЭВ Глава 1.
В принципе кинематические схемы всех инклинометров идентичны и отличие состоит в конструктивных особенностях подвеса рамок- и азимутального датчика узлах съема сигнала и передачи информации в виде аналоговых сигналов по одножильному или трехжильному каротажному кабелю.
Термин полуаналитический относится к особенности формирования азимутального угла, которая состоит в том, что плоскость местного горизонта строится приборно (сферический кардановый подвес с нижней маятниковостью), а азимутальный угол формируется аналитически на основании измерения горизонтальных составляющих магнитного поля Земли. В этом случае вместо постоянных магнитов, которые за счет направляющего магнитного момента устанавливают платформу в плоскость магнитного меридиана, применены два магнитных зонда, измерительные оси которых горизонтальны и взаимно перпендикулярны. По измеренным горизонтальным компонентам напряженности магнитного ноля Земли Txg и TZSB вычислителе формируется магнитный азимутальный уголНаибольший интерес из данной группы инклинометров представляет инклинометр ИН1-721, разработанный во ВНИИнефтепромгеофизика [24], кинематическая схема которого приведена на рис.1.3.
В соответствии со схемой карданная рамка представляет поплавковую камеру 2 с эксцентричным грузом 3, преобразователи зенитного угла (синусно-косинусный трансформатор) 6 и азимута (два взаимно перпендикулярных феррозонда) 9 и 10 размещены в поплавковой камере 2 на кронштейнах 4 и 5 соответственно. Оси вращения датчика 6, с ротором которого жестко соединен маятник 7, и платформы 8, имеющей нижнею маятниковость, перпендикулярны апсидальной плоскости.
Алгоритмы начальной выставки
Процесс определения ориентации какой-то физической оси относительно направления на географический север называется гирокомпасированием (ГК).
Если используются внешние устройства, то ГК называется внешним. Если используются только внутренние аппаратные и программные средства, то ГК называется автономным. Если в результате автономного ГК ось устанавливается на географический север, то ГК называется аппаратным (приборным). Если в результате автономного ГК вычисляется угол между направлением полуденной линии и заданной осью, то ГК называется аналитическим.
В современных платформенных и бесплатформенных системах ориентации и"навигации используется аналитическое ГК, как более точное.
В исследуемом ГИ ОИГС применен не только для исключения влияния вращения СП вокруг продольной оси, но и для проведения аналитического ГК, которое ниже по тексту будем называть просто ГК.
Так как направление полуденной линии определяется горизонтальной составляющей угловой скорости вращения Земли, то для определения ориентации физической оси относительно меридиана необходимо, чтобы эта ФЭВ Глава ось была строго горизонтальна и были бы измерены проекции Ur на две взаимно перпендикулярные оси, одна из которых и является заданной физической осью, т.е. необходим двухкомпонентный ДУС. В соответствии с приборной архитектурой, ГИБ содержит ДУС с осью чувствительности, перпендикулярной оси стабилизации (см. рис. 1.11 и рис.3.1), поэтому для вычисления ориентации этой оси относительномеридиана необходимо минимум четыре измерения в положениях, когда данная ось поворачивается относительно начального положения последовательно на 90 в соответствии с рис. 2.4 . При этом в зависимости от знака измеряемой угловой скорости в четырех положениях определяется квадрант начального положения оси и соответственно уголгде к и а определяются в соответствии с таблицей №2.2. Так как платформа в процессе определения ориентации оси ОХп совершает вращение, то угол ос(0) будет определяться формулойгде Аа - приращение угла поворота платформы с момента начала измерения до момента начала спуска СП, т.е. до начала работы основных алгоритмов. скорости (coz UT ±сой), то в измерительном сигнале присутствуют шумы, и поэтому необходимо их аппаратно и алгоритмически осреднять. Для этого платформу вращают непрерывно с эталонной скоростью рис.2.5 и с периодом дискретизации формируют массив угловых скоростей ooz(y). При этом платформа делает один-два полных оборота. ФЭВ Глава Если бы не было никаких погрешностей и шумов, то массив измерений можно было бы описать уравнением эталонной (идеальной) синусоиды с пока неизвестной фазой Рис. 2.5. К методу аналитического гирокомпасирования по N измерениям 1- платформа ОИГС; 2. - статор СКТ; 3 - ротор СКТ; 4 - нулевая риска статора СКТ; 5 - нулевая риска ротора СКТ. где сод -систематическая составляющая дрейфа гироскопа относительно угловая скорость вращения измерительной оси ДУС; соп Т платформы; v}/i,\/„- начальный и конечные углы поворота платформы ОИГС относительно корпуса СП, измеренные системным датчиком угла ФЭВ Глава (СКТ); Т - время поворота платформы ОИГС; ах- фазовый угол платформы на момент начала гирокомпасирования, который подлежит определению (соответствует ссіУ. Для нахождения параметров эталонной синусоиды со и а воспользуемся методом наименьших квадратов [37]. С этой целью сформируем функцию невязки J в виде суммы квадратов разности между измеренной угловой скоростью и эталонной (2.33) на всем множестве проведенных измерений В соответствии с методом наименьших квадратов минимальное значение функции невязки (2.34) будет определяться условиями которые представляют систему тригонометрических уравнений. Для решения системы (2.35), (2.36) можно предложить два варианта. Вариант 1. Систему (2.35), (2.36) можно свести к двум последовательно решаемым уравнениям. После несложных преобразований уравнение относительно a можно представить в виде Уравнение (2.37) можно решить одним из численных методов, например, методом деления отрезка пополам или золотого сечения. Диапазон поиска решения равен [0, 2п). В принципе дополнительным разворотом платформы диапазон поиска решения можно сузить до [0, я/2). Систематический дрейф при этом определяется выражением Вариант 2. Если допустить, что платформа совершает один (два) полных оборота, то константы Q=0 и С2 = 0, т.к. представляют сумму значений гармонических функций за период через равные интервалы времени и исходная система допускает аналитическое решение. В этом случае систематический дрейф (2.38 ) определяется как среднее окончания режима «Выставка»; oti = ах - вычисленное значение угла ОХп платформы на момент начала работы программы в режиме «Выставка». Вариант 3. Метод наименьших квадратов можно реализовать без формирования условий (2.35) и (2.36) путем непосредственного вычисления функции невязки (2.34) для всего массива измерений в диапазоне одного-двух полных оборотов вращения платформы при различных значениях начального угла ах, которые изменяются с заданным шагом где Aax = Const и выбирается по величине меньше погрешности измерения угла поворота платформы; Na - определяет количество дискретных значений фазы ах. В результате получаем массив значений функции невязки J(k), &є[0,.ІУа], из которых программно выбираем наименьшее значение и соответствующее ему значение угла ах(к), которое и является решением поставленной задачи. Путем математического моделирования были опробованы три варианта применения метода наименьших квадратов, которые показали практически равноценные результаты. При полунатурном моделировании наилучшая оценка начального курса была получена при реализации алгоритма наименьших квадратов по третьему варианту. Во всех случаях угол начальной ориентации оси платформы ОХп будет определяться выражением (2.32), где а! = ах. В рабочем алгоритме рекомендуется использовать второй или третий варианты НВ. ФЭВ Глава 2
Математическая модель одноосного индикаторного гироскопического стабилизатора
Составлению уравнений движения ОИГС - построению математической модели (ММ) и их анализу посвящены работы [47, 50, 4, 22].
Особенность ММ ОИГС, рассматриваемой в диссертации, состоит в том, что в отличие от [22], она должна составляться с учетом ПОС по току МД, ММ трехстепенного гироскопа в режиме электрического арретирования и наиболее значимых движений СП в скважине, которые влияют на работу гиростабилизатора.
Вначале составим общую имитационную модель, которую, упрощая, будем использовать для решения различных задач, и в частности, для синтеза КС.В главе 2 для составления алгоритмов были введены системы координат (СК), связанные с Землей, СП и платформой ОИГС (см. рис.2.2).
Для составления уравнений движения ОИГС дополним названные СК, системой координат связанной с гироскопом, указав взаимное расположение всех СК в соответствии с рис.3.2 и рис.3.3, на которых приняты следующие обозначения:OXYgZz - горизонтальная географическая СК, ориентированная осьюОХ на географический север;ФЭВ, Глава где J - момент инерции платформы с закрепленными на ней конструктивными элементами относительно оси подвеса OYn; CM,CE,L,Rm - коэффициентымомента и противоэдс, индуктивность и активное сопротивление обмотки якоря МД; Яд - добавочное сопротивление в цепи якоря МД; Кх, К2,КЪ коэффйциенты передачи датчика углов, фазочувствительного выпрямителя(ФЧВ) и усилителя в КС; Коу =— - коэффициент передачи сумматора 7 (см.RiФЭВ, Глава --рис. 3.1) для случая реализации на операционном усилители (ОУ); /?,, R2 -сопротивления в прямой цепи и в цепи обратной связи ОУ; Um - напряжение на выходе усилителя (блока 21 см. рис. 3.1); / - ток якоря МД; Мт - момент сил сухого трения в оси стабилизации, обусловленный трением в коллекторе МД, в системном коллекторном токоподводе и в опорах подвеса; Мв-возмущающие моменты от небаланса, электромагнитного тяжения и т.д. (для данного ОИГС МТ»МВ); у, у - угловая скорость и ускорение относительнопродольной оси СП; Jг - момент инерции гироскопа относительно осей подвеса (для случая гироскопа с внутренним сферическим подвесом); Н - кинетический момент гироскопа; а- приведенный коэффициент демпфирования гироскопа, обусловленный аэродинамическим сопротивлением (влияние очень мало); Mmi,Mm2 - моменты датчиков моментов 18 и 19 (см.рис.3.1); К1А, К2А, КЪА - коэффициенты передачи ДУ, ФЧВ и усилителя в КА; 1А - ток в ДМі канала электрического арретирования; 1Э - ток эталонного источника (задатчика) тока; t3 - время разворота платформы ОИГС в режиме «Выставка» на заданный угол (например, на п оборотов); w,(Z)), nx{D); mA(D), nA(D) - дифференциальные операторы, соответствующие отношения которых при переходе к уравнениям в операторной форме будут определять передаточные функции электронных цепей в контурах стабилизации и арретирования; F(ax,Q,t) - нелинейная функция вканале управления разворотом платформы, вид которой зависит от режима работы иклинометра; МВ1,МВ2 - возмущающие моменты (моменты дрейфа)по осям подвеса трехстепенного гироскопа, которые содержат систематические и случайные составляющие.
Прежде чем переходить к анализу MM (3.1)-(3.6), рассмотрим подробнее управление разворотом платформы. Так как гиростабилизатор индикаторного типа, то движение платформы при правильно сформированном КС будет повторять движение гироскопа вокруг оси наружной рамки.
ФЭВ. Глава Для разворота платформы используется способ командного управления и поэтому для точного разворота гироскопа используется источник эталонного тока (на рис. 3.1 это задатчик 22).В соответствии с алгоритмом главы 2 разворот платформы используется в режиме «Выставка» при аналитическом гирокомпасировании, когда платформа с эталонной скоростью разворачивается в течение t3 на 1 - 3 оборота.
В режиме «Ориентация и навигация» с целью удержания вектора Н вблизи плоскости горизонта его ориентация контролируется косвенно по сигналу акселерометра Ах, ось чувствительности которого ОХд практическипараллельна вектору Н.В этом случае к датчику моментов ДМг в зависимости от сигналов ах и Qподключается или отключается источник эталонного токаНелинейная функция F(ax,Q, t) при этом будет иметь вид:зенитный угол; t - время; At - дискретное приращение времени.Нелинейное управление введено с целью получения стабильности скорости разворота, а гистерезис введен с целью исключения перехода в автоколебательный режим.
Таким образом, изменение тока в обмотке ДМ2 происходит с плавающей зоной гистерезиса и поясняется рис. 3.4.-Информирование знака эталонного тока осуществляется на основании знака произведения направляющих косинусов Ъп и Ь32 (см. главу 2).
При 9 =0, вектор Н автоматически будет в заданном допуске относительно плоскости местного горизонта (ПМГ). Дальнейшее изменение его положения относительно ПМГ зависит от начальной ориентации Н относительно географического меридиана и траектории скважины.
Зависимость зоны гистерезиса [а,,а2] от синуса углаб отражает тот факт,что с увеличением 9 зона гистерезиса расширяется.3.2.3. Декомпозиция математической модели ОИГС
Для проектирования КС ОИГС рационально произвести декомпозицию системы уравнений (3.1)-(3.6). При этом влияние ММ гироскопа на поведение ОИГС можно представить, как сигнал задатчика, который будет отрабатывать (повторять) платформа ОИГС.
Влияние вращения корпуса СП состоит в действии моментов -MTsign(dn j) Jy- Так как корпус СП вращается в основном в одну сторону с постоянной по знаку угловой скоростью, а утх известна, то припроектировании КС принято оценивать величину максимального возмущающего момента по величинеи из этих соображений выбирать статическую крутизну.
Обратное воздействие движения платформы ОИГС на гироскоп состоит в основном во влиянии угловой скорости платформы coz//, обусловленнойдвижением СП в скважине. Эта угловая скорость может привести к выбиванию гироскопа и соответственно к потере стабилизации ОИГС. Влияние сйж парируется работой контура электрического арретирования, причем, приэтом со измеряется (или может измеряться в случае необходимости).а) Математическая модель платформы с контуром стабилизации.
Кинематическая схема гироинерциального блока
В соответствии с предложенным алгоритмом, гироинерциальный блок (ГИБ) построен по схеме одноосного индикаторного гиростабилизатора (ОИГС) [88].
Центральным функциональным узлом ОИГС является трехстепенной гироскоп, параметры которого влияют как на точность определения углов ориентации и координат, так и на основной эксплуатационный размер СП -диаметр DCn- В принципе для построения ОИГС можно предложить следующие альтернативные варианты конструктивных схем гироскопов с механическими подвесами:- малогабаритный гироскоп в кардановом подвесе типа МГТУ [41];- динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ) с внутренним упругим подвесом, например, ДНГ из ряда ГВК (изготовитель РПКБ) [49];- сферический гироскоп с магнитным подвесом - магнитный гироскоп
[П];- трехстепенной гироскоп со сферической опорой [12, 55].Кроме схем ОИГС на базе классических гироскопов с внешним или внутренним подвесами, или с бескарданным подвесом, ОИГС можно построить на базе двух волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), причем второй ВОГ будет использоваться для измерения угловой скорости [9, 10, 61].
Дальнейший анализ по выбору базового гироскопического элемента для построения ОИГС основывается на обеспечении следующих ключевых условий:- максимальный размер гироскопа должен обеспечивать заданныйдиаметр DCn СП для глубины погружения до 6 км (в нашем случае Dcn=73 мм)[17];ФЭВ Глава 4.. - систематическая составляющая дрейфа гироскопа должна быть хорошо прогнозируемой величиной, а "случайная составляющая лежать в заданных пределах;- гироскоп должен иметь заданный ресурс, приемлемую стоимость и быть доступным для приобретения в условиях рынка;- иметь соответствующий кинетический момент и скорость управления.
Из названных пяти вариантов гироскопов для обеспечения СП диаметра73 мм подходят ДНГ (типа ГВК-12), магнитный гироскоп и гироскоп со сферической опорой, который правильнее называть двухканальным гироскопом(ДКГ).
При выборе гироскопа также необходимо учитывать перегрузки ударного типа, возникающие при транспортировке инклинометра во время эксплуатации при переезде от скважины к скважине. Учитывая эти обстоятельства, а также большую стоимость ДНГ и магнитного гироскопа, при проектировании ОИГС СП был выбран ДКГ типа Д7-ОЗИ, который построен на основе базового датчика Д7, хорошо зарекомендовавшего себя в различных типах гиростабилизаторов и удовлетворяет всем вышеназванным требованиям.
Таким образом, одной из особенностей ОИГС является применение в качестве чувствительного элемента ДКГ с внутренним подвесом в виде сферического шарикоподшипника, который обеспечивает как вращение ротора гиромотора, так и две степени подвеса его ротора.
Так как у ДКГ нет явно выраженных осей подвеса, что сделано с целью уменьшения габаритов (чтобы можно было сконструировать СП с наружным диаметром 73 мм), то для- определения углов отклонения ротора относительно корпуса и осуществлении его прецессии относительно двух осей возможно применение только торцевых датчиков углов и торцевых датчиков силы (два датчика силы образуют датчик моментов). При этом конструктивно невозможно на одних осях разместить датчики углов и датчики моментов. В связи с этим приходится решать задачу приведения измерительных осей к осям создания управляющих моментов (или наоборот), при этом датчики углов илиФЭВ Глава 4.. моментов будут определять оси подвеса ротора гироскопа. Рациональнее за оси подвеса принять оси, по которым размещены датчики силы (датчики моментов), а сигналы датчиков углов привести к осям датчиков моментов с помощью координатного преобразователя, например, электронного типа.
Кинематическая схема ОИГС представлена на рис 4.2 (на рис. 4.2 углы отклонения Н от плоскости платформы равны нулю), к которому можносделать следующие пояснения.чувствительности акселерометров обозначены стрелками. ДКГ 5 для управления вектором Н имеет четыре датчика илы, из которых 7.1 и 7.2 служат для разворота платформы относительно оси стабилизации, а 8.1 и 8.2 используются в канале электрического арретирования относительно оси ОХг. Канал электрического арретирования в данном ОИГС служит для измерения угловой скорости в проекции на ось ОХг. Канал индикаторной стабилизации, также, как и канал измерения угловой скорости, используют для своей работы сигналы всех четырех датчиков углов 10.1 и 10.2, 10.3 и 10.4, которые друг с другом попарно включены по дифференциальной схеме, а для приведения сигналов пар датчиков углов в осям датчиков моментов используется электронный преобразователь координат, алгоритм работы которого и реализация будут рассмотрены ниже.
В качестве двигателя стабилизации (стабилизирующего мотора) применен безредукторный моментный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов (типа ДМ-5 или ДС-27).Кроме цифровых обозначений (см. рис. 4.2.) на кинематической схеме приняты следующие буквенные обозначения: Us ,UC - сигналы синусной и косинусной обмоток СКТ-датчика, U] ,ІІ2 - управляющие сигналы датчиков моментов в канале измерения угловой скорости и канале разворота платформы, UCM - напряжение управления стабилизирующем мотором.
Для улучшения качества стабилизации (динамической точности) и уменьшения дрейфа относительно оси стабилизации применены новые технические решения, состоящие в использовании тока моментного двигателя в законе управления и в оригинальной конструкции магнитной системы моментного двигателя [88, 90].
Еще одной особенностью управления датчиком моментов 8 (датчиками силы 8.1-8.2) и моментным двигателем 12 является построение выходных каскадов усилителей стабилизации и электрического арретирования по схеме широтно-импульсной модуляции.
