Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ работ в области инклинометрии и термоманометрии скважин 29
1.1. Назначение и область применения инклинометрических устройств и систем при бурении скважин 29
1.2. Обзор разработок в области создания инклинометрической аппаратуры 31
1.3. Классификация инклинометрических устройств и систем 51
1.4. Концептуальные вопросы обеспечения повышенной точности инклинометрических систем 60
1.5. Контроль технологических параметров разработки месторождений нефти и газа 68
1.6. Задачи, решаемые с помощью РШС для исследования скважин 70
1.7. Особенности работы и требования, предъявляемые к преобразовательным элементам и измерительным схемам, находящимся в глубинном приборе ИИС 73
1.8. Анализ методов и измерительных средств для исследования скважин 77
1.8.1. Способы проведения измерений и контроля скважин-ных параметров 77
1.8.2. Измерительные устройства для исследования скважин с повышенной температурой и горячих скважин 81
1.8.3. Методы преобразования сопротивления резистивного датчика и способы устранения влияния линии связи на точность дистанционных измерений 90
1.9. Выводы, постановка цели и задач исследований 94
Математические модели инклинометров с неподвижными относительно корпуса первичными датчиками 99
2.1. Требования к забойным приборам, налагаемые условия бурения 99
2.2. Определение параметров ориентации скважинных объектов при помощи векторных величин 103
2.3. Системы координат, реагирующих на векторы любой физической природы 105
2.4. Обобщенные математические модели инклинометра с тремя неподвижно закрепленными в скважинном снаряде первичными датчиками 110
2.5. Учет в математической модели инклинометра неидентичности электрических параметров первичных датчиков 115
2.6. Учет в математической модели инклинометров угловых перекосов первичных датчиков относительно системы координат, связанной с корпусом 116
2.7. Разработка математической модели акселерометра инклиномет-рического устройства 121
2.7.1. Принцип работы акселерометра 122
2.7.2. Математические модели акселерометра 123
2.7.3. Погрешности акселерометра от вибраций основания . 127
2.8. Полученные результаты и выводы 129
Алгоритмические методы коррекции погрешностей инклинометров . 131
3.1. Применение практического гармонического анализа для экспериментального определения параметров и перекосов первичных датчиков инклинометров 131
3.2. Технология определения параметров датчиков инклинометров с использованием рядов Фурье при испытаниях на инклиномет-рическом столе 135
3.3. Упрощенный метод определения электрических параметров и перекосов первичных датчиков 143
3.3.1. Определение параметров и перекосов акселерометров. 143
3.3.2. Определение параметров и перекосов феррозондов . 145
3.4. Результаты испытаний методики коррекции инструментальных погрешностей инклинометров 148
3.5. Компенсация температурных погрешностей инклинометров . 150
3.6. Математические модели первичных датчиков инклинометра с учетом температуры 150
3.7. Подбор параметров линейной аппроксимации 153
3.8. Подбор параметров специальной линейной аппроксимации . 154
3.9. Аппроксимация выходных сигналов датчиков линейной зависимости при дополнительных данных 156
3.10. Аппроксимация линейными функциями выходных сигналов датчиков, представленных в безразмерном виде 158
3.11. Методика экспериментальных исследований инклинометриче-ских систем с учетом погрешностей первичных датчиков 160
3.11.1. Методы линеаризации статических характеристик . 161
3.11.2. Идентификация знаков сигналов с феррозондов и акселерометров 165
3.11.3. Масштабирование сигналов и их приведение к динамическому диапазону 167
3.11.4. Определение малых угловых параметров отклонения осей чувствительности акселерометров от осей базиса корпуса ИнС 171
3.12. Полученные результаты и выводы 172
Разработка и исследование структур ИИС для измерения температуры и давления одним датчиком 174
4.1. Принцип многоканальности в ИИС 174
4.2. Исследование математических моделей измерительных каналов ИИС 178
4.3. Исследование структур дистанционных ИИС 184
4.3.1. Разомкнутые структуры ИИС 184
4.3.2. Замкнутые структуры ИИС 208
4.4. Анализ погрешностей измерения давления и температуры в скважине 215
4.4.1. Анализ погрешностей измерения давления и температуры в скважинах при наличии утечки между жилами кабеля 216
4.4.2. Анализ погрешностей измерения давления и температуры, вызванные аналого-цифровым преобразованием и вычислительными операциями 221
4.5. Полученные результаты и выводы 223
Исследование первичных преобразователей давления и разработка методов коррекции их температурных погрешностей 225
5.1. Одновременное измерение комплекса параметров одним тензо-резистивным датчиком 227
5.2. Исследование характеристик полупроводниковых тензопреоб-разователей датчиков давления на основе структур КНС 233
5.2.1. Влияние термических напряжений в тензорезисторах на аддитивную составляющую температурной погрешности тензопреобразователей датчиков давления 233
5.2.2. Температурная зависимость чувствительности тензопреобразователей датчиков давления 235
5.2.3. Экспериментальные исследования метрологических характеристик тензопреобразователей датчиков давления. 238
5.2.4. Исследование прогрессирующей погрешности датчиков давления 244
5.3. Методы снижения температурных погрешностей датчиков дав ления 246
5.3.1. Методы термокоррекции аддитивной составляющей температурной погрешности 247
5.3.2. Методы термокоррекции мультипликативной составляющей температурной погрешности 247
5.3.3. Методы термокоррекции аддитивной и мультипликативной составляющий температурной погрешности 248
5.3.4. Алгоритмический метод взаимной коррекции показаний тензомостового датчика давления и температуры структуры КНС 257
5.3.5. Измерительная схема автономных манометров — термометров регистрирующего типа ПГА-01 и РТП-4... 266
5.4. Полученные результаты и выводы 268
Структурное построение, экспериментальные исследования и практическая реализация ИТМ-систем 270
6.1. Структурное построение инклинометрической и термоманометрической системы ИТМС-45 270
6.2. Построение блока выделения полезного сигнала дифференциального феррозонда с выходом на второй гармонике 275
6.3. Назначение, эквивалентная и структурная схемы стационарного манотермометра СМТ-2 284
6.4. Разработка автономных регистрирующих устройств для проведения исследований и контроля работы технологического оборудования газовых промыслов в условиях Крайнего Севера 290
6.4.1. Регистратор технологических параметров РТП-3 291
5.4.1.1. Принцип действия и особенности основных узлов РТП-ЗМ 293
5.4.1.2. Функции, выполняемые РТП-ЗМ 298
5.4.1.3. Режимы записи данных в БПС или передачи их в ПК 299
5.4.1.4. Конструкция РТП-ЗМ 300
5.4.1.5. Структура данных в БПС 303
6.4.2. Скважинныи манотермометр СМТ-3 304
6.4.2.1. Принцип действия и особенности основных уз
лов СМТ-3 305
6.4.3. Регистратор технологических параметров РТП-4 309
6.4.3.1. Принцип действия и особенности основных узлов РТП-4 312
6.4.4. Автономный скважинныи манометр-термометр ПГА-01 316
6.4.4.1. Принцип действия и особенности основных узлов ПГА-01 320
6.4.5. Описание программного интерфейса приборов РТП-4 и ПГА-01 322
6.5. Полученные результаты и выводы 325
Заключение 327
Литература
- Обзор разработок в области создания инклинометрической аппаратуры
- Определение параметров ориентации скважинных объектов при помощи векторных величин
- Технология определения параметров датчиков инклинометров с использованием рядов Фурье при испытаниях на инклиномет-рическом столе
- Исследование математических моделей измерительных каналов ИИС
Введение к работе
Актуальность проблемы. Эффективность проводки наклонно направленных, горизонтальных скважин и боковых горизонтальных стволов как по традиционным технологиям бурения, так и с использованием новых и развивающихся колтюбинговых технологий (coiled tubing) с режимами бурения на депрессии и равновесии (режим «андербаланса»), основанных на применении гибких труб, во многом определяется применением современных информационно-измерительных технологий по контролю за геофизическими и технологическими параметрами, к основным из которых относятся контроль комплекса угловых параметров пространственной ориентации траектории скважины и скважинных объектов, контроль гидродинамического давления внутри буровой колонны и в затрубье и др.
Создание и внедрение скважинных информационно-измерительных систем (ИИС), предназначенных для решения подобного рода задач, являются весьма актуальными, поскольку их практическое применение позволит не только оптимизировать технологические процессы бурения по заданной траектории с минимальными затратами временных и финансовых ресурсов, но и осуществлять вскрытие пластов в режимах отрицательного перепада давления в системе «скважина-пласт» (режим депрессии), когда для достижения высоких скоростей проходки требуется минимальная нагрузка на долото. Причем особое значение данные аспекты имеют при проводке скважин в породах со сложным геологическим строением, например, на месторождениях со слоистыми чередующимися пластами.
Точность проводки скважин при условии минимального негативного гидродинамического воздействия на продуктивные пласты безусловно сказывается как на эффективности и достоверности геологического анализа и прогноза, так и на эффективности разработки месторождения в целом.
Указанные задачи контроля геофизических и технологических параметров решаются сегодня с помощью скважинных забойных систем, к которым
9 предъявляются жесткие требования с точки зрения обеспечения высоких метрологических характеристик и надежности функционирования в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов, в первую очередь - в условиях воздействия повышенных температур.
Задача контроля за пространственной ориентацией скважин и скважин-ных объектов решается с помощью техники и технологий инклинометрических измерений, а задача контроля за параметрами гидродинамических режимов - с помощью аппаратуры термоманометрирования. Следует отметить, что проблемы измерения параметров термогидродинамических процессов являются актуальными не только для бурения, но и не менее актуальны в контроле за разработкой нефтяных и газовых месторождений.
Инклинометрия и термоманометрия как отрасли науки и как составляющие технологические части геофизических исследований скважин (ГИС) имеют свою историю и характеризуются довольно динамичным развитием. Известны и научные школы, и сложившиеся творческие коллективы разработчиков, которые создают и поставляют на отечественный рынок современную скважинную аппаратуру.
Анализ известных разработок и работ в рассматриваемой предметной области показывает, что в последние годы ведущими зарубежными фирмами и отечественными организациями предпринимаются значительные научные, технические и организационные усилия в следующих основных направлениях:
разработка и создание комплексных информационно-измерительных забойных телесистем с кабельным, гидравлическим и электромагнитным каналами связи, обладающих улучшенными техническими и эксплуатационными показателями, и создание автоматизированных систем управления для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин, а также для восстановления старого фонда путем «разбуривания» вертикального участка и применения горизонтальных технологий, включая методы колтюбингового бурения;
развитие теории в приоритетных направлениях математического моде-
10 лирования, синтеза и совершенствования комплексов программно - алгоритмического обеспечения обработки и интерпретации результатов скважинных измерений;
- дальнейшее развитие элементной и функциональной базы инклиномет-рических и термоманометрических скважинных систем;
-совершенствование методического и метрологического обеспечения выполнения экспериментальных исследований и испытаний, включая аттестацию и сертификацию скважинных ИИС.
Несмотря на существенные успехи, достигнутые в данных направлениях на сегодняшний день, создание автоматизированных систем управления техпроцессом бурения находится на стадиях исследований, доводки и совершенствования. Одним из сдерживающих факторов до недавнего времени являлось отсутствие инклинометрических преобразователей, обладающих малыми габаритами и обеспечивающих при этом повышенные точностные показатели в статическом и динамическом режимах измерений, а также в условиях воздействия повышенных температур. Известны многочисленные отечественные и зарубежные труды, посвященные теоретическим и практическим аспектам проблемы создания инклинометрических и термоманометрических систем. Фундаментальные основы в области автоматизации бурения и создания телесистем имеют работы Алиева Т.М., Гасанова И.З., Гафиятуллина Р.Х., Козловского Е.А., Литвинова С.Я., Мелик - Шахназарова, Молчанова А.А., Саркисова И.К., Тер -Хачатурова А. А., Чепелева В.Г., Кагарманова Н.Ф., Емельянова Д.В., Быстри-кова С.К., Пейсикова Ю.В. и др.
Наиболее перспективным направлением в области инклинометрии на сегодня признано создание инклинометрических систем с трехкомпонентными феррозондовыми и акселерометрическими датчиками. Опыт разработки и практического применения подобной аппаратуры ведущими зарубежными фирмами и отечественными организациями подтвердил эффективность такой компоновки, обеспечивающей высокую надежность, повышенные метрологические пока-
затели и возможности создания скважинных приборов малого диаметра. Концептуальный базис в данном направлении составили работы Ковшова Г.Н., Пономарева В.Н., Миловзорова Г.В., Астраханцева Ю.Г., Иванова А.И., Сергеева А.Н., Рогатых Н.П., Лаврова Б.В., Исаченко В.Х., Салова Е.А. и др. Вопросы виброустойчивости, вибро- и ударопрочности инклинометрической аппаратуры исследованы в достаточно полном объеме. Большой объем исследований осуществлен и в области создания термоманометрических скважинных систем. Однако вопросы развития теоретической базы, математического моделирования, совершенствования программно-алгоритмического и методического обеспечения (в частности коррекции дополнительных температурных погрешностей) являются предметом проводимых интенсивных исследований на протяжении ряда лет среди специалистов и разработчиков скважинной аппаратуры. При решении данной проблемы достигнуты определенные положительные результаты, тем не менее, обобщенный концептуально и теоретически обоснованный подход к решению актуальной проблемы создания и систематизированного исследования инклинометрических и термоманометрических систем требует дальнейшего развития и совершенствования.
Объектом исследования являются: инклинометрия и термоманометрия (ТММ) скважин, технологические параметры разработки месторождений нефти и газа, информационно-измерительные системы для исследования скважин, способы проведения измерений и контроля скважинных параметров, измерительные устройства для исследования скважин с повышенной температурой и горячих скважин, методы преобразования сопротивления резистивного датчика и способы устранения влияния линии связи на точность дистанционных измерений.
Предметом исследования являются: математические модели инклинометров с неподвижными относительно корпуса первичными датчиками, разработка математической модели акселерометра инклинометрического устройства, алгоритмические методы коррекции погрешностей инклинометров, технология
12 определения параметров датчиков инклинометров при стендовых испытаниях, компенсация температурных погрешностей инклинометров, разработка и исследование структур ИИС для измерения температуры и давления бифункциональным датчиком, исследование математических моделей измерительных каналов ИИС, анализ погрешностей измерения давления и температуры в скважине, исследование первичных преобразователей давления и разработка методов коррекции их температурных погрешностей, методы снижения температурных погрешностей датчиков давления, структурное построение, экспериментальные исследования и практическая реализация инклинометрических и термоманометрических скважинных систем (ИТМ-систем).
Цель работы состоит в получении научно-обоснованных технических и методических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в создание и развитие теории, программно-аппаратных средств и методики алгоритмической коррекции погрешностей инклинометрических и термоманометрических скважинных систем на основе построения математических моделей инклинометрических систем с неподвижными преобразователями векторных величин, системного анализа и компьютерной обработки скважинной информации, создания и исследования структур скважинных термоманометрических ИИС и исследования первичных преобразователей давления с разработкой вычислительных средств коррекции их температурных погрешностей.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработка обобщенных математических моделей инклинометров с тремя неподвижно закрепленными в скважинном снаряде первичными преобразователями с учетом неидентичности электрических параметров первичных датчиков и угловых перекосов датчиков относительно системы координат, связанной с корпусом;
определение математической модели, принципа действия и погрешностей от вибраций основания акселерометра;
создание технологии определения параметров датчиков инклинометров при стендовых испытаниях, определение электрических параметров и угловых перекосов акселерометров и феррозондов, а также методики коррекции инструментальных погрешностей инклинометров;
компенсация температурных погрешностей инклинометров путем идентификации математической модели первичных датчиков инклинометра с учетом температуры;
осуществление линеаризации статических характеристик первичных преобразователей путем аппроксимации их выходных сигналов при различных режимах функционирования скважинного оборудования;
отработка методики экспериментальных исследований и тестирования инклинометрических систем с учетом их индивидуальных характеристик и параметров первичных преобразователей;
выбор и обоснование структуры ИИС, ее аппаратной части, обеспечивающей многоканальность и дистанционность измерения скважинных параметров пространственной ориентации, а также давления и температуры;
исследование моделей измерительных каналов ТММ ИИС, анализ погрешностей измерения гидродинамического давления и температуры в скважинах при наличии утечки между жилами каротажного кабеля, а также погрешностей, обусловленных аналого-цифровым преобразованием и вычислительными операциями в ТММ ИИС;
осуществление одновременного измерения комплекса физических параметров внутри пробуриваемой скважины посредством бифункционального тен-зорезистивного датчика;
исследование характеристик полупроводниковых тензопреобразовате-лей, построенных на основе структур «кремний на сапфире» (КНС), для учета степени влияния термических напряжений на аддитивную составляющую температурной погрешности, определение зависимости чувствительности датчиков давления и их метрологических характеристик;
выбор методов снижения температурных погрешностей датчиков давления для термокоррекции аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности;
построение функциональной схемы блока выделения полезного сигнала с дифференциального феррозонда с выходом на второй гармонике на основе аппроксимации реализуемой функциональной зависимости в виде многочлена и его схемная реализация с помощью каскадно-включенных умножающих ЦАП;
разработка автономных регистрирующих устройств для проведения исследований и контроля работы технологического оборудования газовых промыслов в условиях Крайнего Севера.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.
Математические модели и алгоритмы, предложенные в работе, основаны на фундаментальных положениях системного и функционального анализа, методов линейной алгебры и аналитической геометрии. Обобщенные математические модели инклинометра построены с помощью основ теоретической и прикладной механики.
Температурная зависимость чувствительности тензопреобразователей датчиков давления исследована на основе решения уравнений математической физики, а также на фундаментальных основах теплофизики.
Создание аналоговых блоков преобразования низкочастотных измерительных сигналов осуществлено на базе теоретических основ электронно-полупроводниковой техники с применением схемотехнических методов слаботочной и импульсной электроники. При разработке методик преобразования сопротивления резистивного датчика и способов устранения влияния линии связи на точность дистанционных измерений использовалась теория электрических цепей, основы радиотехники.
На этапах линеаризации статических характеристик первичных преобразо-
15 вателей физических полей в электрический сигнал для практических расчетов при невозможности получения результата аналитическим путем применялись различные методы приближенных вычислений: численное интегрирование, аппроксимация функций, асимптотическое приближение, разложение в ряд Фурье.
В процессе проектировании функциональных ЦАП использовались метод аппроксимации функции путем ее разложения в ряд Тейлора, теории интерполяции, разложения функции по многочленам Чебышева. Для создания оригинальных схем цифроуправляемых корректоров фазы применялись способы функционального цифроаналогового преобразования: с использованием рези-сторных матриц, сопротивления резисторов в которых подобраны по специальным законам; с использованием логических элементов и цифровых устройств для декодирования-вычисления значений функции; с использованием ПЗУ, которое хранит значения воспроизводимой функции; с использованием множи-тельно-делительных свойств умножающих ЦАП и применением различного вида аппроксимаций.
При проектировании основных узлов аппаратной части ИИС применялись теоретические основы информатики, вычислительной техники, теории кодирования и численных методов обработки информации.
Практическая реализация метода алгоритмической коррекции погрешностей осуществлена путем математического моделирования, вычислительного эксперимента, создания алгоритмических средств и программного обеспечения для анализа и коррекции погрешностей измерительной информации. При разработке программного обеспечения и моделирования на ЭВМ использованы программные продукты «Turbo Pascal» и «Delphi».
Экспериментальные исследования базируются на использовании методов теории измерения электрических и механических величин в буровых скважинах с учетом общей теории погрешностей и метрологических характеристик средств измерений. Обработка полученных результатов проводилась с привлечением аппарата математической статистики, анализа случайных процессов и
методов построения эмпирических формул.
Достоверность изложенных положений работы подтверждается результатами обеспечения серийных производств созданных приборов и систем, а также опубликованными отчетами о НИОКР, научными трудами, патентами РФ на изобретения и свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ. Достоверность и обоснованность полученных в работе научно-технических результатов и выводов подтверждена результатами системного анализа, математического моделирования и вычислительного эксперимента ИТМ-систем.
Математические модели функционирования ИТМ-систем построены на основе векторной алгебры, аналитической геометрии и уравнений математической физики. Точность работы устройств ИТМ-систем определена с позиций классической теории точности и оценена полученными оценками погрешностей функционирования элементов исследуемых систем, возникающих в результате воздействия физических полей, имеющих место в пробуриваемой скважине.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием аттестованных средств измерений физических, статических и динамических характеристик технологического процесса бурения скважин, большим объемом экспериментального материала, статистическими методами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов.
На защиту выносятся результаты исследования по созданию математических моделей инклинометрических систем с неподвижными преобразователями векторных величин, системного анализа и компьютерной обработки скважинной информации, создания и исследования структур скважинных термоманометрических ИИС и исследования первичных преобразователей давления с разработкой вычислительных средств коррекции их температурных погрешностей, в том числе:
- учет в обобщенной математической модели с неподвижными датчиками
17 их инструментальных погрешностей: неидентичности электрических параметров датчиков (феррозондов и акселерометров), а также их пространственные перекосы, описываемые посредством 24 неизвестных величин;
построение корректирующей матрицы третьего порядка для каждого первичного преобразователя, позволяющей их учитывать для увеличения точности вычисления искомых параметров угловой ориентации скважины и бурового инструмента, для чего первоначально вычисляются магнитное наклонение, географическая и магнитная широта, модули векторов напряженности магнитного поля и угловой скорости вращения Земли;
построение математической модели и исследование погрешности измерения от вибраций основания на основе анализа принципа работы акселерометра - первичного датчика инклинометрического устройства, и определение возможности создания вибропрочных и виброустойчивых инклинометров с учетом погрешностей акселерометра;
способ вычисления элементов корректирующей матрицы, позволяющий резко сократить количество натурных испытаний, в основу которого положена установка инклинометра на поворотном столе в такие угловые положения, при которых исходные уравнения существенно упрощаются;
алгоритмический способ учета погрешностей при измерении азимута, зенитного и визирного углов инклинометра с тремя феррозондами и акселерометрами от влияния температуры окружающей среды, основанный на предварительных температурных испытаниях, в ходе которых идентифицируется и регистрируется закон изменения температурного дрейфа каждого датчика (феррозонда и акселерометра), а затем при работе в скважине вычисляются азимут, зенитный и визирный углы с учетом величины дрейфа каждого датчика от температуры в скважине, измерение которой осуществляется дополнительным датчиком температуры;
- аналитические зависимости коэффициентов температурного дрейфа
датчиков, описываемых линейной зависимостью, учет которой в исходных мо-
18 делях позволяет снизить погрешности измерения вычисления углов пространственной ориентации в 5-10 раз по сравнению с аналогами;
- математические модели линий связи в различных режимах работы и из
мерительных каналов при измерении температуры и давления бифункциональ
ным датчиком; обоснование всех вариантов возможных структур ИИС (21
структура) с использованием полумостового и мостового тензорезистивного
датчика давления структуры КНС;
обоснование возможности использования в стационарных ИИС для скважин с повышенными температурами тензорезистивных мостовых и полумостовых преобразователей на основе структур КНС для одновременного измерения двух параметров;
принцип многоканальности, который позволяет решить с общих позиций такие задачи, как измеряемость базисных переменных и достижение инвариантности к влиянию неинформативных параметров канала измерения.
Научная новизна полученных результатов определяется впервые проведенными комплексными исследованиями, направленными на создание научно-обоснованных технических и методических решений, способствующих созданию и развитию теории, программно-аппаратных средств и методики алгоритмической коррекции погрешностей инклинометрических и термоманометрических скважинных систем, в ходе которых:
- установлено, что измерение двух неколлинеарных векторов достаточно
для определения ориентации подвижной системы координат относительно ба
зовой (неподвижной), связанной с Землей. В основу построения инклинометри
ческих датчиков положена информация о пространственном повороте бурового
инструмента относительно двух любых неколлинеарных векторов, таких как
вектор ускорения свободного падения, вектор напряженности магнитного поля
Земли и вектор угловой скорости вращения Земли;
- внесен определенный вклад в развитие теории инклинометрических
преобразователей, заключающийся в получении обобщенной математической
19 модели в матрично-векторном виде гиромагнитного инклинометра с неподвижно закрепленными в скважинном снаряде магнитными, гироскопическими и гравитационными датчиками, которая позволяет получать математические модели только магнитного (феррозондового), только гироскопического или только гравитационного (для определения лишь положения отклонителя и зенитного угла наклона) инклинометров;
предложен путь практического применения гармонического анализа в виде использования рядов Фурье для определения корректирующей матрицы, элементами которой являются электрические параметры и перекосы первичных преобразователей, полученные по результатам лабораторных и натуральных испытаний, что, в частности, позволяет с помощью инклинометра дополнительно вычислять величину магнитного наклонения и модуль вектора напряженности магнитного поля Земли;
впервые предложены и обоснованы алгоритмические методики снижения температурных погрешностей датчиков в составе инклинометров по результатам их натурных температурных испытаний;
разработаны математические модели первичных преобразователей, составляющих инклинометр, учитывающие их температурный дрейф, аппроксимированный функциями, линейными относительно температуры;
предложены методики определения коэффициентов, описывающих законы температурного дрейфа датчиков на основе метода экспериментальных данных, которые базируются на использовании метода наименьших квадратов, обеспечивающих наименьшую среднеквадратическую погрешность; определено, что коэффициенты температурного дрейфа датчиков могут быть как положительными, так и отрицательными;
доказана целесообразность применения принципа многоканальности для измерения нескольких физических величин при одновременном достижении инвариантности к влиянию неинформативных параметров; определены условия измеряемости давления и температуры бифункциональным датчиком, найдены
20 условия инвариантности к влиянию параметров геофизического кабеля для дистанционных ИИС;
исследованы физические зависимости и факторы, а также определены метрологические характеристики тензопреобразователей на основе структур КНС; установлено существенное влияние температуры на аддитивную составляющую погрешности и чувствительность тензопреобразователей давления;
доказано, что использование алгоритмической (вычислительной) методики взаимной коррекции открывает новые перспективы повышения точности и позволяет корректировать погрешности тензопреобразователей либо в самой измерительной системе в процессе обработки информации, либо при вводе данных в ПЭВМ; предложенная методика использована при построении стационарных ИИС для контроля пластового давления и температуры в эксплуатационных скважинах и позволяет повысить точность измерения давления и температуры в тридцать и более раз;
установлено, что нулевые значения выходных сигналов с акселерометров и феррозондов можно считать аддитивной составляющей погрешности от влияния температуры, а максимальные значения выходных сигналов - мультипликативной составляющей (изменение тангенса угла наклона статической характеристики датчика от температуры); на основе экспериментальных исследований определено, что для большинства датчиков аддитивная составляющая погрешности на порядок превышает мультипликативную составляющую, поэтому для некоторых инклинометров можно учитывать лишь аддитивную составляющую температурной погрешности;
исследованы математические модели измерительных каналов ИИС; для разработки структур ИИС построена модель, представляющая собой дробно-линейное уравнение, преимуществом которой является общность, поскольку она справедлива для любых линейных измерительных преобразователей, различных по принципу действия; доказано, что полученные дробно-линейные модели справедливы также для цепей с распределенными параметрами, если
21 процессы в этой цепи являются установившимися;
предложен способ измерения давления и температуры бифункциональным датчиком, при котором осуществляется подача тока на диагональ питания тензомоста и измерение напряжений, по которым определяют значение измеряемых параметров - напряжения на выводах источника тока: между одним питающим тензомост проводом и потенциальным, и между другим питающим тензомост проводом и потенциальным, - после чего определяют значения давления и температуры;
предложен комплекс методик, позволяющий на порядок снизить ошибки измерения углов пространственной ориентации скважины и бурового инструмента;
разработаны стационарные ИИС для гидро- и термодинамических исследований как холодных скважин, так и скважин с повышенными температурами, а также предложены методики повышения точности измерительной аппаратуры для геофизических исследований горячих и сверхгорячих скважин; ИИС систематизированы по типу используемой линии связи, по методу измерения и передачи информации, а также по методу повышения точности измерения;
показано, что перспективными являются ИИС, построенные на основе методов с многоканальной формой инвариантности результата измерения к влияющим физическим величинам, благодаря достижению высокой точности измерения, комплексированию параметров при максимальном упрощении измерительной схемы глубинных приборов, что обеспечивает высокую надежность работы в условиях повышенных температур;
для практической реализации схем вторичного преобразования информационных сигналов с дифференциальных зондов и устранения трудностей, связанных с неидентичностью полуэлементов феррозондов, построен блок выделения полезного сигнала дифференциального феррозонда с выходом на второй гармонике; для этого впервые был применен новый способ создания функциональных ЦАП, основанный на аппроксимации реализуемых функциональ-
22 ных зависимостей многочленом и найдена схемная реализация этого способа с помощью каскадно-включенных умножающих ЦАП; с помощью такого схемного решения в сочетании с оптимальным методом аппроксимации реализован широкий класс функций.
Практическая ценность работы. В процессе бурения скважин обеспечена возможность нахождения первичных преобразователей и ИИС в составе бурового инструмента, и оперативно, в реальном масштабе времени, выдавать требуемую информацию о пространственном положении бурового инструмента и отклонителя для немедленного вмешательства, если траектория скважины отличается от проектной.
Предложена методика экспериментальных исследований инклинометриче-ских систем, основанных на трехкомпонентных феррозондовых и акселеромет-рических датчиках, к основным этапам которой относятся: анализ статических характеристик на линейность с последующей при необходимости операцией линеаризации, идентификация знаков информационных сигналов, их масштабирование с выполнением операции приведения к динамическому диапазону и определение углов отклонения осей чувствительности акселерометров и феррозондов от соответствующих осей базиса корпуса инклинометрических систем.
Предложено три способа дистанционного измерения давления и температуры бифункциональным датчиком полумостового и мостового типа. Проанализированы наиболее целесообразные варианты технической реализации этих способов с использованием двух-, трех- и четырехпроводной линии связи.
Выявлены основные источники погрешностей предложенных способов измерений. Проанализированы методические погрешности. Определено, что на величину погрешности ИИС в значительной степени влияет точность и стабильность используемых полупроводниковых тензорезистивных датчиков давления структуры КНС. На основе предложенных структур созданы ИИС с основной погрешностью не более 0,3 - 0,5%.
Проведены исследования стабильности тензопреобразователей на основе
23 структур КНС с целью определения возможности использования их в ИИС. Показано, что характеристики тензопреобразователей, предварительно прошедших технологическую приработку (термоциклирование и воздействие знакопеременной нагрузкой), хотя и изменяются во времени (в течение года), но укладываются в пределы основной погрешности полупроводниковых датчиков давления.
Рассмотрены методы снижения температурных погрешностей тензопреобразователей, а именно: компенсации аддитивной и мультипликативной составляющих температурной погрешности. Показано, что для пассивных и активных, а также универсальных схем термокоррекции характерна громоздкость и сложность подбора корректирующих цепей. Они корректируют в большинстве своем только линейную составляющую температурной погрешности.
Установлено, что на вибрирующем основании осевой акселерометр не только выдает отклонения, функционально связанные с искомыми зенитным и визирным углами, но имеет и переменную погрешность. Снизить переменную ошибку можно уменьшением коэффициента динамичности и выбором частоты собственных колебаний осевого акселерометра, которая должна быть значительно ниже частоты вибраций, или применением низкочастотных фильтров, выделяющих из информационного сигнала лишь постоянную компоненту, соответствующую полезному сигналу и устраняющую периодическую составляющую. Переменная составляющая погрешности устраняется фильтрацией информационного сигнала низкочастотными фильтрами с частотой, не превышающей 0,5ч-1 Гц.
В результате комплексных методических решений достигнута возможность путем расчетов снизить температурные погрешности. Это стало возможным в результат того, что в скважинной части инклинометрической телесистемы располагается дополнительно датчик температуры, а температурный дрейф первичных датчиков предварительно измеряется и вносится в память ПЭВМ, обслуживающей инклинометр. Учет величины дрейфа показаний датчиков при известной температуре позволяет вычислить температурную ошибку и откорректировать показания инклинометра.
Методика экспериментальных исследований инклинометрических систем с учетом погрешностей первичных преобразователей включает в себя несколько этапов, на каждом из которых устанавливается некоторое соответствие реально измеренных сигналов с феррозондов и акселерометров их теоретическим значениям, получаемых, согласно базовым и обобщенным математическим моделям, в фиксированных точках пространственной ориентации. Предложена методика экспериментальных исследований инклинометрических систем, основанных на трехкомпонентных феррозондовых и акселерометрических датчиках.
Реализация и внедрение работы. Разработанные ИИС для измерения давления и температуры бифункциональным резистивным датчиком давления структуры КНС внедрены в ОАО «Татнефть», ООО «Уренгойгазпром», ОАО «Ямбурггаздобыча», ПФ «Севергазгеофизика» и Управлении «Ижгеофизсер-вис» ОАО «Татнефтегеофизика».
Результаты научных исследований используются в учебном процессе в Уфимском государственном нефтяном техническом университете посредством изданных учебного пособия «Методы и средства измерений» (1996г.) и монографии «Приборы контроля пространственной ориентации скважин при бурении» (2001г.).
За цикл работ «Разработка и промышленное внедрение информационно-измерительных систем нового поколения для исследования скважин и контроля газогидродинамических параметров продуктивных пластов нефтегазовых месторождений» автор диссертации в 1999 году в составе авторского коллектива был удостоен премии ОАО «Газпром».
Созданные автором работы математические модели инклинометров, линий связи в различных режимах работы, а также телеметрических каналов при измерении температуры и давления бифункциональным датчиком, алгоритмические методики снижения температурных погрешностей датчиков в составе инклинометров и другие научно-обоснованные технические и методические решения, направленные на создание и развитие теории, программно-аппарат-
25 ных средств, целесообразно применять в нефтяных компаниях, занимающихся бурением наклонных и горизонтальных скважин и разработкой нефтяных и газовых месторождений.
Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы обсуждались на: 45-й Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 1994); 9-й Научно-технической конференции ГП «Уренгойгазпром» «Проблемы эффективности производства на северных нефтегазодобывающих предприятиях» (Новый Уренгой, 1994); 46-й Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 1995); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России» (Уфа, УГНТУ, 1995); Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. РАО «Газпром» и ГАНГ им. Губкина (Москва, 1995); 47-й Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 1996); Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. «Новые технологии в газовой промышленности» РАО «Газпром» и ГАНГ им. Губкина (Москва, 1996); 48-й Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 1997); Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию УГНТУ «Проблемы нефтегазового комплекса России» (Уфа, 1998); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» (Пенза, 1998); Международном научно-техническом семинаре «Проблемы нефтегазовой отрасли» (Уфа, 1998); XI Научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Гурзуф, 1999); XII Научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Гурзуф, 2000); 7-ой Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (Москва,
26 2000); Международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации», посвященной 50-летию кафедры «Информационно-измерительная техника» Пензенского государственного университета (Пенза, 2000); Научно-технической конференции с международным участием «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2000); 3-й Международной конференции и выставке «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, 2000); XIII Научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Москва, 2001); XV научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Москва, 2003); Международной конференции: International Conference «Vibroengi-neering» (Каунас, Литва, 2001,2004).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 79 научных работах, в том числе: 1 монография (228 с); 2 учебных пособия (105 с. и 160 с); 8 патентов РФ; 4 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ. Автор имеет более 14 публикаций в изданиях, выпускаемых в РФ и рекомендуемых ВАКом для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.
Структура диссертационной работы определяется общими замыслом и логикой проведения исследований.
Диссертация содержит введение, 6 глав и заключение, изложенные на 372 с. машинописного текста. В работу включены 89 рис., 22 табл., список литературы из 392 наименований и приложение, в котором представлены акты об использовании результатов работы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности темы, формулировку цели и задач работы, основные положения, выносимые на защиту, и определяет содержание и методы выполнения работы.
27 В первой главе рассмотрены задачи исследования скважин, решаемые геофизическими и забойными ИИС, рассмотрены эксплуатационные особенности и требования, предъявляемые к инклинометрическим и термоманометриче-ским системам, определены назначение и область применения инклинометрических устройств и систем при бурении скважин. В главе проведен обзор разработок в области создания инклинометрической аппаратуры, дана классификация инклинометрических устройств и систем, определены концептуальные вопросы обеспечения повышенной точности инклинометрических систем, описана технология термоманометрического контроля при разработке месторождений нефти и газа, а также проведен анализ методов и средств термоманомет-рии скважин.
Во второй главе рассмотрены требования к забойным приборам, налагаемые условия бурения, предложена методика определения параметров ориентации скважинных объектов при помощи векторных величин в базовых орто-нормированных системах координат, составлены обобщенные математические модели инклинометрических систем с неподвижно закрепленными в скважин-ном снаряде трехкомпонентными первичными датчиками. В этой же главе осуществлен синтез математических моделей инклинометрической системы, включающей параметры неидентичности информационных сигналов первичных датчиков, параметры угловых перекосов установки первичных измерительных преобразователей в корпусе скважинного прибора, а также разработаны математические модели акселерометрического датчика инклинометрических систем.
Третья глава посвящена разработке алгоритмической методике коррекции погрешностей инклинометрических систем. В ней предложено применение практического гармонического анализа для экспериментального определения параметров динамического диапазона информационных сигналов и параметров перекосов установки датчиков в корпусе скважинного прибора инклинометрических систем, технология определения параметров датчиков инклинометриче-
28 ских систем с использованием рядов Фурье при стендовых испытаниях, упрощенный метод определения электрических параметров и перекосов первичных датчиков. Кроме того, приведены результаты испытаний методики коррекции инструментальных погрешностей инклинометрических систем, описана методика компенсаций температурных погрешностей инклинометрических систем и предложены математические модели первичных преобразователей инклинометрических систем с учетом температуры.
Четвертая глава содержит описание разработок и исследований структур ТММ ИИС, в частности, описан принцип многоканальное в ТММ ИИС, исследованы математические модели измерительных каналов и структур дистанционных ТММ ИИС, дан анализ погрешностей измерения гидродинамического давления и температуры в ТММ ИИС.
Пятая глава посвящена исследованию первичных преобразователей давления и разработке методов коррекции их температурных погрешностей, включающие исследования бипараметрических функций параметров тензорезистив-ного первичного преобразователя ТММ систем и характеристик полупроводниковых тензопреобразователей датчиков давления на основе структур КНС, а также предложены методы снижения температурных погрешностей датчиков давления ТММ систем.
В шестой главе описано структурное построение, экспериментальные исследования и практическая реализация разработанных и внедренных под руководством автора работы инклинометров и термоманометров.
Обзор разработок в области создания инклинометрической аппаратуры
Работы по созданию инклинометрической аппаратуры проводят ряд отечественных научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций, из которых следует отметить АО НІШ «ВНИИГИС» (г. Октябрьский), НПФ «Геофизика» (г. Уфа), НПГП «Гере» и НПКФ «Геотермприбор» (г. Тверь), НПЦ «Петровское» (г. Санкт-Петербург), ГП «Ижевский механический завод» и Hi ill «Горизонт» (г. Ижевск), НИИФИ (г. Пенза), филиал ООО «Ку-баньгазпром» (г. Краснодор), «Сибнефтеавтоматика» (г. Тюмень), ФГУП ПО «Сибирские приборы и системы» (г. Омск), УНЦ РАН и СОЭЗГА (г. Екатеринбург) и другие.
Исследованию и разработке инклинометрических устройств и систем, 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, A.M. 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, Ю.Т. Морозова, А.А. Молчанова, Л.Г. Ле-готина, В.П. Чупрова, Е.А. Салова, В.Х. Исаченко, В.Т. Маркова и других.
В ранних разработках инклинометров широко использовались магнито-механические первичные преобразователи. Созданием преобразователей азимута занимались И.Г. Шевченко, В.Н. Михайловский, С.К. Иванов, Г.О. Фрид-лендер, A.M. Григорян. Шевченко И.Г. был предложен инклинометр типа ИШ-2 с магнитной стрелкой и потенциометрическим преобразователем. В приборе Григоряна A.M. азимут определялся по проколам иглы на бумажном круге, связанном с магнитной стрелкой. Серийно выпускавшиеся до недавнего времени на Киевском ОЭЗГП инклинометры типа КИТ, КИТ-А также основаны на по-тенциометрических преобразователях и электромеханическом устройстве арре-тирования. В ПГО «Уралгеология» был разработан магнитомеханический малогабаритный инклинометр для рудно-угольных скважин МИР-36, предназначенный для контроля зенитного угла и магнитного азимута. Кафедрой месторождений и разведки полезных ископаемых Новочеркасского политехнического института был разработан искробезопасный инклинометр ИТТТИ-1 «Донбасс».
В дальнейшем следует серия разработок магнитомеханических инклинометров, характеризующихся совершенствованием конструктивного исполнения первичных преобразователей. Ведущими в данном направлении необходимо признать В.О. Галета, Н.А. Бачманова и Ю.Т. Морозова, А.Г. Малюга и В.Н. Есауленко. Известны также работы В.Т. Маркова по усовершенствованию МИР-36, в результате которых сегодня освоен мелкосерийный выпуск малогабаритных кабельных приборов ИЭМ 36-80/20, ИЭМ-42 и ИЭМ-60, в которых использованы метод гидроимпульсного арретирования и цифровая передача данных.
Серия магнитомеханических инклинометров представляет собой давно устаревшие конструкции, характеризуются низкой надежностью конструкций, невысокой точностью измерений - зенитного угла ±0,5, азимута ±4, но, тем не менее, еще продолжает эксплуатироваться в производственных геофизических организациях.
В целом же по направлению магнитомеханических инклинометров можно констатировать, что наиболее целесообразно их применять в термобаростой-ком варианте [126, 271], малогабаритном исполнении и простейшем автономном варианте [130].
Наряду с инклинометрами, работающими в опорном магнитном поле Земли, определенную актуальность имеют гироинклинометры, способные работать в условиях внешних магнитных аномалий и в условиях обычных ферромагнитных буровых труб. Гироинклинометры, основанные на механическом гироскопе (ИГ - 60, ИГ - 36 и др.), не получили широкого распространения ввиду их низкой надежности работы в условиях внешних возмущений [100]. Создание инклинометров на основе классического лазерного гироскопа, учитывая его большие габаритные размеры, вряд ли возможно. Применение волоконно-оптического гироскопа в качестве датчика угловой скорости в инклинометрах требует тщательной компенсации помех, вызываемых внешними дестабилизирующими факторами, что представляет собой довольно сложную задачу. В последние годы появилась серия разработок НПО «Ротор». Известны и заслуживают внимания также разработки гироинклинометров ИЦН-42-100/100, ИЦН -60/180 [94] и «Вектор» ИГМ-73-120/60 [99] с организацией вращения сферического тела в магнитном подвесе (ИМЗ, г. Ижевск; фирма «Момент», г. Санкт-Петербург). Но наиболее перспективным направлением в данной области, по-видимому, является разработка и создание твердотельных волновых гироскопов [112] с полусферическими кварцевыми резонаторами, появление и практическое применение которых в качестве первичных преобразователей, возможно, потеснит в будущем феррозондовые инклинометры с точки зрения метрологических характеристик.
Определение параметров ориентации скважинных объектов при помощи векторных величин
Применение в нефтедобыче горизонтальных скважин имеет ряд достоинств. Многократное (в 10-100 раз) увеличения поверхности фильтрации дает возможность интенсифицировать добычу нефти и увеличить нефтеотдачу пластов. Дебиты горизонтальных скважин превышают дебиты обычных в три-пять раз, а нефтеотдача их в 1,2-1,5 раза выше. Она перспективна при разработке неоднородных и перемежающихся пластов, из которых трудно извлекать нефть.
Неоспоримы преимущества горизонтальных скважин в экологическом отношении: многократно уменьшается число вертикальных скважин, возникает возможность разработки месторождений под поймами рек и водоемов, под площадями, занятых городами и промышленными объектами. В Башкирии, например, основные запасы салаватского месторождения расположены прямо под г. Салаватом и недоступны добыче по традиционной технологии.
«Горизонтальные» технологии позволяют восстановить бездействующие скважины освоенных месторождений бурением боковых горизонтальных стволов из обсаженных скважин для доведения их дебитов до уровня вертикальных и наклонно-направленных скважин.
В процессе бурения горизонтальной скважины первичные датчики и ИИС должны находиться в составе бурового инструмента и оперативно, в реальном времени выдавать требуемую информацию о пространственном положении бурового инструмента и отклонителя для немедленного вмешательства, если траектория скважины отличается от проектной.
В горизонтальную скважину просто опустить на кабеле измерительную аппаратуру невозможно. Она должна быть доставлена к буровому инструменту потоком буровой жидкости и находиться там при прокладке скважины, не создавая преграды движению жидкости. При наращивании колонны труб измерительное устройство должно легко эвакуироваться даже через муфты с внутренним диаметром 56 мм. Следовательно, диаметр скважинного измерительного снаряда не должен превышать величины 32-40 мм по охранному кожуху. При давлении до 70 МПа для охранного кожуха, выполненного из легкосплавных немагнитных материалов, диаметр датчиков с обслуживающей электроникой ограничивается размером 25-29 мм.
Скважинная аппаратура автоматического контроля включает: - блок датчиков - навигационных датчиков ИП пространственной ориентации БИ; технологических датчиков (скорости вращения долота, давления на долото, давления жидкости внутритрубном пространстве, температуры, вибрационные перегрузки при бурении), геофизических датчиков (естественная радиоактивность и электрическое сопротивление проходимых пород); - блок связи с дневной поверхностью; каналы связи - беспроводные гальванический (электромагнитный), гидравлический, акустический и кабельный проводной; - блок источника питания (аккумуляторы, электромашинные и вибрационные генераторы); - аппаратура приема и наземной обработки информационного сигнала, выделения его на фоне помех; представление в цифровом виде на экране дисплея траектории проектной и реальной скважины.
Подземный подвижный объект - буровой инструмент (БИ) - не имеет аналогов среди других подвижных объектов, перемещающихся в водной, воздушной среде, космосе и по поверхности Земли. Имеются принципиальные отличия объекта контроля БИ, а также специфические требования, предъявляемые к первичным преобразователям по сравнению с любыми известными подвижными объектами: - скорость движения бурового инструмента мала (0,5-20 м/час), при этом движение сопровождается непрерывно-действующими ударными и вибрационными перегрузками от разрушения породы долотом, приходящимися на инфра-низкочастотную часть спектра колебании (5-150 Гц); - широкий диапазон положительных температур (до +200С), осложненный требованием малого потребления энергии и малых габаритных по диамет 102 py (15-25 мм) преобразователей.
Если движение хорошо изученных подвижных объектов, перемещаю щихся в воздушной, водной средах, по поверхности Земли и по водной поверх ности, в целом может быть охарактеризовано происходящими с достаточно большими линейными скоростями и ускорениями, сопровождающимися в ос новном высокочастотными вибрационными перегрузками, то перемещение БИ происходит с очень малыми линейными и угловыми скоростями и ускорениями (скорость заглубления долота в зависимости от породы - 0,5-50 м/час, интен сивность искривления сравнительно большими (до 50 крат) непре рывно действующими вибрационными и ударными перегрузками).
Максимальные перегрузки приходятся на инфранизкочастотную часть спектра колебаний 15-30 Гц. Таким образом, поступательные скорости и ускорения движения бурового инструмента настолько малы, а вибрационные помехи по сравнению с ними настолько велики, что использовать информацию о скорости и ускорении движения в процессе бурения, полученную от акселерометров и гироскопов для решения навигационных задач, как это используется в инерциальной навигации, практически не представляется возможным.
Кроме того, существуют еще добавочные требования к первичным датчикам. Это, в первую очередь, высокие положительные температуры с постоянной тенденцией к их росту по мере увеличения глубины скважины. В среднем по России прирост температуры скважины составляет +25 на один километр глубины. Для некоторых районов - до +60 на один километр. Требование по температуре - одно из основных требований (в среднем до +125С), не имеющее аналогов для приборов ориентации в авиационной и ракетной технике. Достаточно напомнить, что требование по температуре к авиационным приборам ± 60С.
Технология определения параметров датчиков инклинометров с использованием рядов Фурье при испытаниях на инклиномет-рическом столе
Для испытаний инклинометров, особенно с неподвижными первичными датчиками Ковшовым Г.Н. был разработан специальный немагнитный поворотный стол [29]. Конструкция стола обеспечивает повышенную жесткость и точность задания азимута, зенитного и визирного углов (± 1 угл.мин).
Установка физически моделирует углы Эйлера. Диапазон углов поворота в пространстве не ограничен. Азимут, зенитный и визирный углы изменяются в диапазоне 0ч-360. Инклинометр в столе фиксируется цанговым зажимом.
Предварительно перед испытаниями инклинометрический стол выставляется оптическим квадрантом в горизонтальной плоскости, а цанговый узел по образующей инклинометра - в плоскость наклона с направлением на Север по магнитному меридиану с помощью буссоли. Инклинометр устанавливается в поворотную установку так, чтобы ось чувствительности первого акселерометра была направлена вдоль оси Север-Юг при зенитном угле равном нулю. Далее устанавливается зенитный угол 6=90 с помощью оптического квадранта, базируемого по образующей цилиндрического корпуса инклинометра.
Далее инклинометр поворачивается по визирному углу от 0...360 с шагом 5...30 для определения электрических параметров и перекосов акселерометров. Исходные уравнения, описывающие выходные сигналы с акселерометров при 9=90 согласно уравнениям (3.2) принимают вид: 136 U = t/oi + U (- cos ф + є13 sin ф), U2 = U& + Uml (sin Ф + 23 COS ф), U3 = и0Ъ + Um3 ( Є32 C0S Ф - Є31 Sin ф). (3.9) По экспериментальным данным функции Uf" (i = 1,2,3) могут быть представлены в виде усеченного ряда Фурье /гА = а& + а$ cosф + bfl sinф, z = 1,2,3, (ЗЛО) откуда найденные коэффициенты ряда Фурье afc, а$, bfl по формулам (3.8) выражаются через величины электрических параметров и перекосов акселерометров путем сравнения коэффициентов при синусах и косинусах систем уравнений (3.9) и (ЗЛО): С/о1= & = 1.2,3, U =-af[, U 2=b2\, U lsl3=blA3, (3.11) _ _ _ _ А А — А - А Ли2є23=й12 - /иЗє32 =fl13 w3831= 13 откуда _ «12 _ ь13 _ гА eU-7jA Є23- , Um\ Um2 Исходных уравнений недостаточно для определения всех параметров трех акселерометров. Их получим, манипулируя инклинометром при ф = 0, 0 = 0- 360. Для этого случая исходные уравнения (3.2) переписываются в следующем виде: (3.12) Ux =U0l + /wl(-sin0-812cos0), U2 = U02 + Um2(e23 sinG + є21 cos0), U3 = U03 + Um3(cosQ- є32 sin 8). Для ф = 90, 0 = 0 -ь 360 уравнения (3.2) примут вид: (3.13) = Щ\ + wl(-812 COS + Є13 Sin0), U2 = U02 + /m2(sin0 + є21 cosO), U3 = U03 + Um3(cosQ - є31 sin 6), а ряд Фурье для этих случаев записывается так: 137 U = a0i = аи cos 0 + bu sin Є, і = 1,2,3, (3.14) откуда для (3.12) можно записать: U0l - Uml sinG - Umls2\ cosG = а01 + ап cos0 + bu sinG, U02 + Um2z23 sin0 + Um2s2] cos0 = a02 + an cos0 + bn sin0, U03 + Um3 cos 0 - Um3s32 sin 0 = #03 + aX3 cos 0 +1\3 sin 0, отсюда следует, что = a01 02 = fl02 03 = a03 ml = 11 тиЗ = a13 - —» є23 — Є21_Г/ 32 U uwl и/и2 ит2 и тЪ
Избыточное число полученных параметров акселерометров при такой последовательности экспериментальных исследований позволяет уточнить их посредством вычисления среднеарифметических значений последних.
Исходные формулы (3.1) для определения искомых параметров феррозондов при произвольных азимуте, зенитном и визирном углах сложны. Однако формулы значительно упрощаются при некоторых значениях углов пространственной ориентации. Составим для некоторых частных случаев выражения сигналов с феррозондов. Инклинометр устанавливаем на поворотном столе в соответствии с этими случаями. Зададим следующую последовательность измерений. Пусть ф = 0,а = 0,0 = 0ч-360 и ф = 90,а = 0,0 = 0-=-3600. При таких испытаниях нулевой сигнал феррозондов не зависит от магнитного наклонения. А эта величина, как правило, не известна для конкретного места испытаний. Для этих положений напряжения, снимаемые с феррозондов, описываются системами уравнений: для ф = 0,а = 0,9 = 0ч-360
Исследование математических моделей измерительных каналов ИИС
Одним из важнейших этапов в процессе разработки ИИС является определение математических моделей датчиков и измерительных каналов.
Основное требование к произвольной модели - адекватность, т.е. способ ность модели отражать реальное преобразование с наперед заданной точностью. Если несколько моделей отвечают требованию адекватности, то следует выбирать наиболее простую.
Требования к модели в зависимости от цели использования различны. При анализе измерительных схем ИИС, в частности, при исследовании источников погрешностей и определении метрологических характеристик необходима модель, которая позволяет оценить влияние каждого фактора в отдельности. Модель в этом случае содержит большое число аргументов. Если модель предназначена для синтеза ИИС, она должна содержать минимальное число аргументов. При этом параметры модели отражают результат совместного влияния ряда влияющих факторов [133].
Общеизвестны два подхода определения модели: аналитический, определяемый на основе физических явлений и закономерностей, положенных в основу измерительного преобразования и экспериментальный (эмпирический).
С учетом вышеизложенных требований проведем исследование моделей полумостового и мостового тензорезистивных датчиков с целью синтеза ИИС.
Сопротивление плеч полумостового датчика могут быть описаны следующими упрощенными соотношениями: R/p л = Rpff + Л/vp + ARj- , K{p,,) = RpH-bRp + bRT (4-8) где RPH - сопротивление плеч при начальных температуре и давлении; ARP - приращение сопротивления плеча в зависимости от приращения давления; Ы1р - приращение сопротивления плеча в зависимости от приращения температуры.
Величины ARP и ARj., строго говоря, не являются аддитивными. Поэтому модели, представленные уравнениями (4.8), могут быть использованы только для исследования способов реализации измерительных каналов и разработ Рассмотренные варианты измерительных каналов используются в дистанционных ИИС. Выбор конкретного варианта осуществляется в зависимости от требуемой чувствительности, точности и простоты физической реализации.
Как уже отмечалось в первой главе, широкое применение находят дистанционные ИИС, в которых датчики подключаются через двух-, трех- и четы-рехпроводную линию связи. В связи с этим возникает необходимость в математическом моделировании линии связи.
Рассмотрим, например, двухпроводную линию связи, ко входу которой подключен резистивный датчик (см. рис. 4.1).
Для разработки структур ИИС необходима модель, содержащая минимальное число параметров. Этому требованию удовлетворяет аддитивная модель в установившемся режиме: 1= 1-( + )+ , (4.13) где Ux - напряжение на выходе линии связи; /, - ток питания; RJJ - сопротивление жил каротажного кабеля; Яд - сопротивление датчика, подключаемого к входу линии связи; Еп - ЭДС поляризации горных пород. Данная модель справедлива, если можно пренебречь утечкой тока между жилами (жилой и броней) каротажного кабеля. Для описания линии связи, эксплуатируемой при высоких температурах, воспользуемся уравнениями для пассивного четырехполюсника в а- форме [206, 208]:
Полученная модель (4.15) представляет собой дробно-линейное уравнение с тремя неинформативными параметрами а0, ах и а2.К преимуществу мо 183 дели в виде дробно-линейных функций следует отнести общность, поскольку она справедлива для любых линейных измерительных преобразователей, различных по принципу действия, например, электромеханических, термоэлектрических, пьезоэлектрических и т.д.
Отсутствие методической погрешности дробно-линейной модели для линейных измерительных преобразователей при ограниченном числе неинформативных параметров является важнейшим свойством и преимуществом по сравнению с полиномиальными моделями. Кроме того, полученная модель содержит небольшое число неинформативных параметров (в данном случае три).
Представление измерительного преобразователя в виде четырехполюсника избавляет от поиска эквивалентной схемы его, а также от исследования конкретных физических явлений, происходящих внутри четырехполюсника (в линии связи).
К недостатку полученной модели относится то, что она не оценивает влияние каждого физического неинформативного параметра на результат преобразования. Например, по этой модели нельзя определить, как влияют сопротивления жилы и утечки каротажного кабеля в отдельности.
Неинформативные параметры полученной модели можно интерпретировать как результат совместного влияния ряда неинформативных физических параметров. Полученная модель не является самой общей, поскольку предполагалось пассивность как четырехполюсника, так и датчика. Если четырехполюсник и датчик активны (при этом предполагается что отсутствуют зависимые источ ники энергии), аналогичный вывод приводит к модели
