Введение к работе
Актуальность.
Повышение эффективности наклонно направленного, кустового и получившего в последние годы мощное развитие горгоонтального бурения зависит от оптимизации технологических процессов, обеспечивающих проводку скважин с максимальной скоростью в заданный «круг допуска» юш в продуктивный пласт. При этом контроль параметров бурения имеет важное значение в плане автоматизации режимов и создания автоматизированных систем управления (АСУТП-бурение). Наряду с контролем таких параметров как нагрузка на долото, частота вращения породоразрушаюгцего инструмента и др., первостепенное и наиважнейшее значение имеет контроль угловых параметров пространственной ориентации бурового инструмента, обеспечивающий проходку по требуемой траектории в соответствии с проектным профилем скважины. Данную задачу решают с помощью инклииометрических преобразователей (ИнП) - устройств, позволяющих измерять азимут, зенитный угол и визирный угол (угол положения отклонителя бурового инструмента в апсидальной плоскости). Известные ИнП магюггомеханического типа КИТ, МИР-36, СТТ/СТЭ с потенциометрическими датчиками, выпускавшиеся ранее серийно, имеют низкие точностные характеристики (+ 1-1,5 град, по зенитному углу и ±4,5-7,5 град, по азимуту) и низкую надежность конструкции скважинного прибора. Более перспективные разработки последних лет - ИН1-721 (с кабельным каналом) и ЗИС-4 (с электромагнитным каналом связи), в которых в качестве датчика азимута использованы горизонтируемые феррозонды, обеспечивают повышенную точность измерений по сравнению с магнитомеханическими. Однако при технологических процессах сборки и настройки подобных ИнП требуется проведение тщательных регулировочных операций. Кроме того большие габаритные размеры скважинных приборов ИН1-721 и ЗИС-4 не позволяют их
2 применять при так называемой «зарезке» боковых стволов в заброшенных
скважинах при восстановлении старого фонда.
Анализ известных разработок и работ, проводимых в области
инклинометрии, показывает, что в последние годы ведущими зарубежными
фирмами и отечественными организациями предпринимаются значительные
научные, технические и организационные усилия в следующих направлениях:
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;
разрабогка и создание забойных телесистем с кабельным, гидравлическим и электромагнитным каналами связи;
исследование, разработка и создание инклинометрических преобразователей, удовлетворяющих предъявляемым к ним требованиям со стороны систем управления бурением.
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 иякляксметрических преобразователей, обладающих малыми габаритами (диаметр охранного кожуха скважинного прибора 48 мм и менее) и обеспечивающих при этом повышенные точностные показатели как в статическом режиме измерений, так и в условиях воздействия вибрационных и ударных возмущений, сопровождающих процесс бурения.
Известны многочисленные отечественные и зарубежные публикации, посвященные теоретическим и практическим аспектам проблемы создания инклинометрических преобразователей и АСУТП-буреше. Фундаментальные основы в области автоматизации бурения и создания телесистем имеют работы Алиева Т.М., Гасанова И.З., Гафиятуллина Р.Х, Козловского ЕА, Литвинова С.Я., Мелик-Шахназарова А.М., Молчанова А.А., Саркисова HJC.
Тер-Хачатурова А.А., Чепелева В.Г. Хорошие лерспективы имеют исследования Васильева В.И., Кагарманова Н.Ф., Емельянова Д.В., Быстрикова С.К., Пейсикова Ю.В. и др. Наиболее перспективным направлением в области инклинометрии является разработка и исследование ИнП с феррозондовыми датчиками. Концептуальный базис в данном направлении составили работы Ковшова ГЛ., Пономарева В.Н., Сергеева А.Н., Рогатых Н.П., Лаврова Б.В., Солониной Н.Н., Исаченко В.Х., Салова ЕА и др. Вопросы виброустойчивости, вибро- и ударопрочности инклинометрической аппаратуры исследованы в достаточно полном объеме и при этом получены вполне удовлетворительные результаты. Однако вопросы уменьшения габаритного диаметра скважинного прибора ИнП и обеспечения при этом повышенных гочностных показателей являются предметом проводимых интенсивных асследований на протяжении ряда лет среди исследователей и разработчиков янклииометрической аппаратуры. При решении данной проблемы достигнуты гастные результаты в плане теоретических и экспериментальных исследований. Эбщая теория инклинометрии получила развитие в области моделирования шкяивометрических преобразователей, исследования динамических йрактеристик, математического описания традиционных кинематических схем іервичньгх преобразователей ИнП. Однако в настоящее время необходимы ібобщенньш концептуально и теоретически обоснованный подход к решению ипуальяой проблемы создания ИнП и систематизированное исследование в вправлениях уменьшения габаритных размеров скважшшых приборов и ібеспечения повышенной точности измерений путем использования рехкомпонентных феррозондовых преобразователей азимута (ФПА) и реобразователей зенитных и визирных углов (ГОВУ), а также применения гггоритмической коррекции погрешностей.
Основания для выполнения работы. Диссертационная работа связана с выполнением следующих бщегосударственных задач, целевых комплексных программ и тематических граслевых планов.
-
Приказ министерства геологии СССР № 149 от 17.04.81 «О мерах по техническому перевооружению и улучшению организации буровых работ на нефть и газ».
-
Постановление Совета министров СССР «О мерах по развитию нефтяной и газовой промышленности на континентальном шельфе СССР на 1980-3985 годы».
-
Задание 09 целевой комплексной научно-технической программы 0.Ц.0О5 по постановлению Государственного комитета СССР по науке и технике и Госплана СССР№ 515/271 от 29.12.81г.
-
Задание 02.03 целевой комплексной научно-технической программы 0Д007 по постановлению Совета Министров СССР № 654 от 15.07.83 г.
-
Задание 02.03 научно-технической проблемы 0.05.07 по постановлению Государственного комитета СССР по науке и технике и Госплана СССР № 223/140 от 07.07.81 г.
-
План-график аппаратурных разработок, обеспечивающих проведение исследований Кольской сверхглубокой скважины СГ-3, утвержденный 05.11.79 начальником Управления геофизических работ Мингео СССР.
Г.П.5
7. Тема Мингео СССР I 3-8/601-80 «Кольская автономная аппаратура
(6) _ СГ-3».
Г.П.5
8. Тема Мингео СССР XI 105-1/686 -81 «Усовершенствование методики
применения инклинометрических измерений в Кольской сверхглубокой скважине».
Г.П.5
9. Тема Мингео СССР XI 96-3/539-85 «Разработка феррозондовых
101(П) датчиков для инклинометров».
Г.П.5
Ю.Тема Мингео СССР XI 104-4/683-82 «Разработка комплекса датчиков
101 для измерения забойных параметров, средств привязки измеряемых величия к
глубине и математического обеспечения для системы ПРОГНОЗ».
-
ТемаМингео СССР № 422Б « Разработать цифровые скважинные приборы для каротажа рудно-уголышх скважин, входящих в состав аппаратурно-методического комплекса АМК «ПОИСК», предназначенного для исследования скважин, бурящихся с гидротранспортом керна».
-
Тема Мингео СССР № 464 « Изготовить и внедрить разовую партию цифрового феррозондового инклинометра с непрерывной регистрацией ИФ-60 для нефтяных и газовых скважин и разработать метрологическое и методическое обеспечение на основе автоматизированной системы программирования наземных пультов ИФ-60».
-
Тема № 250-80 плана новой техники и технология управления промысловой и полевой геофизики Миннефтепрома.
Диссертация связана также с выполнением ряда научно-исследовательских хоздоговорных работ и договоров о творческом сотрудничестве, проводітшихся под научным руководством и при непосредственпом участии автора в 1979-1997 гг. ( ХУД 3-09-81, 3-12-81, АП-ИТ-02-97-ХГ, АП-ИТ-03-97-ХГидр.).
Цель и задачи работа Цель работы - теоретическое обобщение и разработка научно обоснованных технических решений, совокупность которых зозволкла бы решить важную научно-техническую проблему создания новых шклинометрических преобразователей с улучшенными метрологическими и жсшгуатационньши характеристиками и усовершенствования известных для ;истем управления бурением наклонно направленных и горизонтальных якважин.
^ля достижения указанной цели в работе были поставлены и решены ледующие основные задачи. Анализ состояния вопроса и определение наиболее перспективного направления в области разработки и создания инклинометрических преобразователей.
Развитие теории инклинометрш и разработка обобщенных статических математических моделей ИнП, учитывающих угловые параметры отклонения осей чувствительности первичных преобразователей от осей опорных базисов.
Анализ влияния инструментальных погрешностей на точностные характеристики ИнП.
Разработка концепции обеспечения повышенной точности ИнП па основе многоуровневой алгоритмической коррекции погрешностей ИнП и создания комплекса программного обеспечения.
Разработка, создание и проведение комплекса экспериментальных исследований и скважинных испытаний ИнП, основанных на трехкомпонентных ФПА, ПЗВУ маятникового типа и ПЗВУ с акселерометрическими датчиками, и подтверждение адекватности обобщенных математических моделей и эффективности алгоритмической коррекции погрешностей.
Внедрение .. в промышленности результатов теоретических и экспериментальных исследований н созданных ИнП.
Методы исследований. Теоретические исследования проведены методом математического моделирования с применением векторно-матричного аппарата, элементов теории кватернионов и общей теории погрешностей. При разработке программного обеспечения и моделирования на ЭВМ использованы «Turbopascab) и «Delphi». На этапах линеаризации статических характеристик первичных преобразователей использованы методы кусочно-линейной аппроксимации и разложения погрешностей в ряд Фурье. При эксперимешальных исследованиях применены методы статистической обработки результатов измерений.
На зашиту выносятся: ^совокупность обобщенных статических математических моделей ИнП, учитывающих углы отклонения осей чувствительности первичных преобразователей от осей опорных базисов, из которых следуют как частные
7 решения модели известных ИнГГ, а также впервые полученные модели феррозондовых ИнП и ГОВУ на основе одностепенных маятников; Z концепция повышения точности ИнП, в оснозу которой положена многоуровневая алгоритмическая коррекция погрешностей ИнП, включающая линеаризацию статических характеристик первичных преобразователей и учитывающая углы отклонения осей чувствительности первичных преобразователей от осей опорных базисов; & метод математического моделирования .маятниковых ШВУ, основанный на введении в общие векторно-матричные уравнения и в результирующие кватернионы дополнительных матриц и кватернионов, соответствующих отрицательным плоским поворотам базисов, связанных с маятниками, при их ориентации по вектору силы тяжести; 4^ метод автоматизированного итерационного варьирования углов отклонения осей чувствительности первичных преобразователей от осей опорных базисов; & новый подкласс ЛЗВУ, построенных по кинематическим схемам трех одностепенных маятников с датчиками угловых перемещений, которые обладают структурной и информационной избыточностью и обеспечивают повышенную точность измерений в расширенном диапазоне зенитного угла за счет дискретизации диапазонов измеряемых параметров и селективного выбора сигналов с двух датчиков из трех по критерию наибольшего значения устанавливающего момента маятника в данных диапазонах; %_ разработанные, реализованные и внедренные ИнП, обеспечивающие повышенные точностные показатели за счет практической реализации многоуровневой алгоритмической коррекции погрешностей, в том числе теоретически обоснованный, разработанный, созданный и экспериментально исследованный первый отечественный образец ИнП на основе трехкомпонентного феррозондового магнитометра и ГОВУ с акселерометрическими датчиками.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней развита теория инклинометрии и исследованы инклинометрические преобразователи различных типов. Созданы оригинальные ИнП, обладающие улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками по сравнению с известными техническими решениями.
С использованием векторно-матричного аппарата и элементов кватернионной алгебры впервые получены обобщенные статические математические модели ИнП. Они учитывают комплекс угловых параметров отклонения осей чувствительности первичных преобразователей от осей опорных базисов. Из полученных обобщенных моделей как частные решения получаются базовые модели известных ИнП, а также ранее не известные модели феррозовдовых ИнП, построенных по комбинированным кинематическим схемам, и ПЗВУ на основе одностепенных маятников.
При математическом моделировании маятниковых ПЗВУ впервые предложено ввести в общие векторяо-матрнчные уравнения и a результирующие кватернионы дополнительные матрицы и кватернионы, соответствующие отрицательным плоским поворотам, базисов, связанных с маятниками, при их ориентации по вектору силы тяжести. Данный подход позволяет непосредственно получать статические математические модели маятниковых ПЗВУ без синтеза и анализа их динамических моделей.
Получены аналитические выражения и выполнен комплексный анализ инструментальных погрешностей, позволивший изучить характер их распределения по диапазонам измерений, осуществить оценку предельных значений и выявить параметры, оказывающие доминирующее воздействие на точность измерений.
На основе полученных обобщенных моделей разработана концепция повышения точности путем многоуровневой алгоритмической коррекции погрешностей, включающая линеаризацшо статических характеристик первичных преобразователей и учитывающая угловые параметры,
обуславливающие инструментальные погрешности ИнП. Предложен метод итерационного варьирования угловых параметров, позволяющий определять автоматизированным путем их численные значения по критерию минимума систематической погрешности.
В разработанном подклассе ШВУ, основанных на кинематических схемах трех одностепенных маятников, впервые показано, что повышенная точность измерений в расширенном диапазоне зенитного угла обеспечивается за счет дискретизации диапазонов измеряемых параметров и селективного выбора сигналов с двух маятников из трех по критерию наибольшего значения устанавливающего момента маятника в данных диапазонах.
Практическая иетостъ результатов состоит в том, что непосредственное их применение позволило создать ИнП с улучшенными метрологическими и эксплуатационными показателями.
Разработанные обобщенные математические модели позволили осуществить синтез алгоритмов вычислений искомых углов по измеренным сигналам с первичных преобразователей ИнП и учесть малые угловые параметры, обуславливающие инструментальные погрешности. При реализации алгоритмической коррекции погрешностей из технологического процесса сборки, практически исключаются трудоемкие регулировочные операции, что позволяет автоматизировать процедуры экспериментальных исследований и метрологической аттестации и повысить точностные показатели аппаратуры. На основе полученных результатов разработан пакет прикладных программ, составляющий неотъемлемую часть разработки и промышленной эксплуатации ИнП как на этапе проектирования и исследования метрологических характеристик, так и при непосредственном применении шшлинометрической аппаратуры в производственных условиях.
Предложенный подход в математическом моделировании маятниковых ПЗВУ, основанный на введении дополнительных членов в общие векторно-
матричные уравнения и в результирующие кватернионы, соответствующие обратным поворотам маятников, позволяет более эффективно осуществлять теоретические исследования подобных ПЗВУ без синтеза и анализа их динамических моделей.
Практическое применение совокупности полученных в работе результатов
лозватило в итоге разработать, создать и внедрить ряд ИнП, обладающих малым диаметром охранного кожуха и обеспечивающих при этом повышенную точность измерений, в том числе первый отечественный образец ИнП с трехкомлонентным акселерометрическим датчиком. Разработаны и
"исследованы маятниковые структуры ПЗВУ, в том числе преобразователь наклона ПН-1, который был использован при исследовании Кольской сверхглубокой скважины СГ-3 в составе комплексной аппаратуры АГАТ-10. Завершена ОКР по созданию непрерывного инклинометра ИФ-60 и ориентирующей установки УНЭИИП, по результатам которой изготовлены опытные образцы и проведена их ведомственная метрологическая аттестация. Разработано методическое и метрологическое обеспечение. Создана установка для настройки и экспериментальных исследований ИнП, превосходящая аналоги по совокупности технических характеристик.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований, созданы ИнП, представляющие собой охране- и конкурентоспособные образцы техники с существенно улучшенными показателями.
Достоверность научных положений, выводов и результатов работы подтверждена экспериментальными исследованиями, завершенной ОКР и метрологической аттестацией опытных образцов ИнП и ориентирующей установки, скважинными испытаниями, а также внедрением и практическим использованием разработанных ИнП.
Внедрение результатов работы. Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических, экспериментальных исследований и практические разработки внедрены и используются в следующих организациях.
1. В Л О НПП "ВЯИИГИС":
преобразователь наклона ПН-1 в составе комплексной автономной аппаратуры АГАТ-10 для геофизических исследований Кольской сверхглубокой скважины СГ-3;
инклинометр феррозондовый ИФ-60 с кабельным каналом связи;
модуль инклинометра МЙФ248 в составе комплексной скважшшой аппаратуры АКИПСМ8;
модуль инклинометра МИФЗ-36 ;
модуль инклинометра МИФ-42 с ПЗВУ-А по схеме трехкомпонентного преобразователя с акселерометрическимл датчиками;
установка для настройки и экспериментальных исследований ЙнП УНЭИИ1Т;
феррозондовый блок пространственной привязки для сейсмической скважинкой аппаратуры.
2. В АО НПФ "Геофизика": математическое обеспечение и
алгоритмическая коррекция погрешностей в инклинометре ИММН 36-100/60.
-
В АООТ "Удмуртнефть": инклинометрическая система ЙС-48; установка УНЭИИП-2.
-
В АО "Башшфтегеофюика": феррозондовые датчики в скважинных расходомерах РГД-4 и РГД-5 (серийный выпуск более 250 комплектов);
-
Во "ВНИИКАНЕФТЕГАЗ": феррозондовые датчики в автономной инклинометрической аппаратуре сбрасываемого типа.
-
Во ВШШПромстрой: феррозондовые датчики контроля раскрытия стыков трубопроводов подземных коммуникаций.
7. В НПО "Рудгеофизика": комплект эскизных чертежей
малогабаритного инклинометра.
12 8. В учебном процессе УГАТУ : элементы теории ИнП на основе
феррозондовых, маятниковых и акселерометрических датчиков используются при курсовом, дипломном проектировании и в лабораторном практикуме по курсу "Конструирование и технология средств ИИТ".
Апробация мботы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 27-х конференциях, семинарах, совещаниях, в том числе: "Маркшейдерско-геодезические работы при поисках, разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений" - семинар, Киев, 1981 г.; "Автоматика и вычислительная техника в нефтяной и газовой промышленности" - межвузовская научно-методическая конференция нефтегазовых вузов страны, Москва, 1982 г.; "Геофизическое приборостроение и метрологическое обеспечение геофизических работ" - всесоюзная научно-техническая конференция, Ленинград, 1982 г.; "Проблемы магнитных измерений и магнитоизмернтелыюй аппаратуры" - IV всесоюзная научно-техническая конференция, Ленинград, 1983 г.; "Информациошга-измерительные системы ЙИС-83" - ГУ всесоюзная научно-техническая конференция, Куйбышев, 1983 г.; "Проблемы метрологического обеспечения научных исследований и учебного процесса в вузах" - всесоюзная научно-техническая конференция, Ленинград, 1984 г.; "Информационно-измерительные системы и точность в приборостроении" - конференция МНЭМ, Москва, 1984 г.; "Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР" -1 всесоюзная конференция, Москва, 1986 г.; "Разработка аппаратуры для промыслово-геофизических и геолого-технологических исследований на нефтегазовых месторождениях Западной Сибири" - областная научно-практическая конференция, Тюмень, 1987 г.; " "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" - всесоюзная конференция, Пенза, 1989 г.; "Информационно-измерительные системы" - всесоюзная научно-техническая конференция, Ульяновск, 1989 г.; "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик - 96)" - УШ научно-техническая
13 конференция с участием зарубежных специалистов, Гурзуф, 1996 г.; "Датчики и
преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик - 97)" - IX научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов, Гурзуф, 1997 г.; « Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации» - всероссийская научно-техническая конференция, Уфа, 1997 г.
Публикации по теме диссеутаиии и личный вклад диссертанта.
Результаты диссертационной работы непосредственно отражены в 88 публикациях, в том числе в 1 монографии, 17 статьях, 37 изобретениях, 24 трудах конференций, 6 научно-технических отчетах.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы из 490 наименований, заключения и приложения общим объемом 434 страницы. В работе содержится 118 рисунков и 19 таблиц.
