Гироскопический инклинометр и способ определения угловой ориентации скважин

Изобретение относится к определению параметров траекторий нефтяных, газовых, геотермальных, железорудных и др. скважин, преимущественно в составе навигационных систем комплексов наклонно-горизонтального бурения. Способ определения угловой ориентации скважин заключается в измерении угловой скорости волоконно-оптическим гироскопом и акселерометром, установленными на поворотной платформе не менее чем в 8 ориентациях. При этом по измеренным сигналам, используя метод последовательных приближений, определяются параметры идеальных синусоид: амплитуды и начальные фазы, по которым и вычисляются азимутальный и зенитный углы. В процессе обработки сигналов систематические составляющие погрешностей чувствительных элементов компенсируются. Технический результат: улучшение эксплуатационных возможностей устройства, в т.ч. повышение виброударной стойкости и точности, уменьшение габаритно-массовых характеристик, энергопотребления и готовности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области точного приборостроения, а именно к гироскопическим измерителям (инклинометрам) параметров траекторий нефтяных, газовых, геотермальных, железорудных и других скважин. Предназначено для использования в навигационных системах комплексов наклонно-горизонтального бурения.

В настоящее время для решения практических задач определения пространственной ориентации скважин различного назначения, кроме обеспечения точностных характеристик, к инклинометру предъявляются жесткие требования по массо-габаритным показателям (особенно по наружному диаметру - (38...42) мм), по минимизации электропотребления, по условиям работы при высоких окружающих температурах 100...150°С, при большом окружающем давлении 60 МПа, а совмещение бурового снаряда и инклинометра в единый комплекс еще более ужесточает эти требования из-за жестких условий, в которых предполагается эксплуатировать прибор (например, условия повышенных виброударных возмущений, превышающих обычные в 10...100 раз). Выполнить эти подчас противоречивые требования чрезвычайно сложно.

Известны устройства (1), (2) гироскопического типа, в которых, как правило. гироскопы работают в режимах датчиков угловых скоростей (ДУС), измеряющих составляющие проекции угловой скорости вращения Земли. Акселерометры измеряют проекции ускорения силы тяжести. Результаты измерений обрабатываются, после чего определяется зенитный угол и азимутальное направление ствола скважины.

Недостатком известных устройств является то, что наличие внешнего двухосного подвеса, а также наличие трех или более чувствительных элементов резко увеличивает количество электронных блоков, энергопотребление, массу и габариты инклинометра, ограничивает точностные характеристики устройства из-за взаимовлияния чувствительных элементов между собой и нестабильности баз взаимопривязки элементов.

Известен гироскопический инклинометр (3), содержащий гироскопический измеритель угловой скорости и акселерометр, размещенные на поворотной платформе, установленной в корпусе с возможностью неограниченного вращения относительно его продольной оси, привод и датчик углового положения поворотной платформы, устройство электрической связи между поворотной платформой и корпусом, а также блок сервисных электронных устройств и блок обработки информации. Измерителем угловой скорости в данном устройстве является динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ), работающий в интегрирующем режиме.

Данное устройство реализует способ, включающий измерение в нескольких ориентациях проекций угловой скорости вращения Земли и проекций ускорения силы тяжести на оси, связанные с корпусом инклинометра, и вычисление азимута и зенитного угла скважины по амплитудам сигналов с ДНГ и акселерометра с учетом выделенного дрейфа гироскопа.

Как известно, например (4), (5), используемый в данном устройстве ДНГ чувствителен к вибрации и имеет малую ударную прочность, что предопределяет необходимость его виброударной защиты с применением амортизаторов и вибропоглощающих элементов. А для обеспечения точности ДНГ в широком диапазоне температур необходимо его термостатирование.

Вышеперечисленные особенности существенно усложняют инклинометр, а порой делают и невозможным использование ДНГ в инклинометре при совмещении инклинометра и бурового устройства в едином комплексе.

Целью предлагаемого изобретения является создание малогабаритного гироскопического инклинометра высокой точности с улучшенными эксплуатационными параметрами, а именно с возможностью его работы в условиях значительных виброударных нагрузок и в широком диапазоне температур.

Поставленная цель достигается тем, что в гироскопическом инклинометре, содержащем гироскопический измеритель угловой скорости и акселерометр, размещенные на поворотной платформе, установленной в корпусе с возможностью неограниченного вращения относительно его продольной оси, привод и датчик углового положения поворотной платформы, устройство электрической связи между поворотной платформой и корпусом, а также блок сервисных электронных устройств и блок обработки информации, гироскопическим измерителем угловой скорости является волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), на поворотной платформе дополнительно размещен двухкомпонентный датчик горизонта, а в блоке обработки информации дополнительно реализован алгоритм определения параметров идеальных синусоид, максимально приближенных к измеренным значениям сигналов с акселерометра и волоконно-оптического гироскопа.

Кроме того, с целью обеспечения компактности, жесткости и геометрической стабильности установочных баз чувствительных элементов предложено выполнение поворотной платформы в виде пустотелого цилиндра с установочными базами на его внутренней поверхности, а фланцы имеют цапфы под подшипники и установочные поверхности для датчика углового положения и устройства электрической связи между поворотной платформой и корпусом, внутри цапф выполнено сквозное отверстие для электрических проводов.

Для обеспечения возможности работы инклинометра в жидкой среде корпус инклинометра имеет защитный герметичный кожух с герморазъемом.

Последние образцы отечественных и зарубежных производителей ВОГ по своим массогабаритным и точностным характеристикам приблизились к ДНГ, но значительно превосходят их по виброударной стойкости и менее зависимы от температуры. Так ВОГ разработки НПФ «Физоптика» имеет наружный диаметр 25 мм и способен переносить перегрузки до 100 ед, что делает его пригодным для использования в предложенном изобретении. В сочетании с далее предложенным программно-алгоритмическим методом обработки сигналов первичной информации ВОГ становится перспективным чувствительным элементом для создания уникальных инклинометров, совмещенных с буровым устройством.

Дополнительный датчик горизонта необходим для однозначности в определении азимута и зенитного угла скважины при реализации предложенного алгоритма обработки сигналов. Поскольку достаточно его работы в режиме индикатора перехода через горизонт, использован датчик горизонта на основе микромеханических датчиков фирмы Analog Devices (США) с габаритами (5·4·2) мм.

В способе определения угловой ориентации скважин гироскопическим инклинометром, включающем измерение в нескольких ориентациях проекций угловой скорости вращения Земли и проекций ускорения силы тяжести на оси, связанные с корпусом инклинометра, и вычисление азимута и зенитного угла скважины с учетом выделенного дрейфа гироскопа, поставленная цель достигается тем, что в качестве измерителя угловой скорости используют волоконно-оптический гироскоп, при измерениях совершают поворот платформы на 360 угл. град., измерения проводят в ориентациях (рад), где i - номер текущей ориентации, N - число ориентаций, по полученным измерениям определяют нулевые отклонения, вычисляя средние значения измеренных сигналов, корректируют измеренные значения на величины нулевых отклонений и, используя метод последовательных приближений, определяют амплитуды и начальные фазы идеальных синусоид, максимально приближенных к скорректированным величинам сигналов, а вычисление азимута и зенитного угла скважины производят по полученным амплитудам и начальным фазам идеальных синусоид.

Для обеспечения требуемой точности инклинометра число ориентаций N выбирают из условия N≥8+2m, где m=0, 1, 2,....

Предложенный способ базируется на том, что при совершении полного оборота (на 360 угл.град.) вокруг продольной оси корпуса инклинометра, сигналы с акселерометра и ВОГ должны представлять собой идеальные синусоиды. Причем амплитуда идеальной синусоиды сигнала с акселерометра пропорциональна зенитному углу, а начальная фаза представляет собой апсидальный угол. Фаза идеальной синусоиды сигнала с ВОГ определяет азимут инклинометра. Вследствие наличия погрешностей чувствительных элементов и датчика углового положения реальные сигналы будут отличаться от идеальных синусоид. Решаемой задачей способа является определение по измеренным в N ориентациях сигналам параметров (амплитуд и начальных фаз) идеальных синусоид, максимально приближенным к измеренным значениям, и компенсация систематических погрешностей чувствительных элементов. При определении параметров идеальных синусоид использован метод последовательных приближений.

Проиллюстрируем вышеизложенное на примере обработки сигнала с акселерометра.

Сигналы измеряются в N ориентациях, при этом оси чувствительности ЧЭ занимают положения (рад), где i - номер текущей ориентации.

В случае идеальных ЧЭ зависимость выходного сигнала ЧЭ от текущей ориентации является функцией синуса и описывается выражением:

Сигнал с акселерометра общем случае имеет вид:

U^G=U₀(t)+k(t)·G_i+ξ(t),

где:

U^G - выходной сигнал ЧЭ;

U₀(t) - нулевое смещение сигнала в зависимости от времени;

k(t) - коэффициент передачи в зависимости от времени;

G - входное воздействие;

ξ(t) - случайная составляющая.

Производим следующие операции:

1. Определяем вектор, содержащий сигналы акселерометра в каждой ориентации:

2. Определяем нулевое отклонение :

3. Корректируем значения компонент вектора U^G на величину нулевого отклонения:

4. Определяем параметры идеального синусоидального сигнала:

а) Определяем начальную амплитуду идеальной синусоиды :

б) Задаем начальную фазу идеальной синусоиды ϕ^ИД=0.

в) Вычисляем компоненты вектора идеального синусоидального сигнала:

г) Варьируя фазу идеального синусоидального сигнала ϕ^ИД (используя один из методов поиска экстремума, например, метод последовательных приближений), минимизируем функционал:

д) Фиксируем значение ϕ^ИД, при котором функционал F(ϕ_ИД) минимален.

е) Варьируя амплитуду идеального синусоидального сигнала (используя метод последовательных приближений), минимизируем функционал:

ж) Фиксируем значение , при котором функционал F() минимален

Получаем: - начальная фаза идеального синусоидального сигнала;

- амплитуда идеального синусоидального сигнала;

Начальная фаза в данном случае соответствует апсидальному углу φ, значение используется при определении зенитного угла.

Аналогичным образом способ применяется и для восстановления идеального синусоидального сигнала ВОГ, в результате получаем амплитуду и начальную фазу идеальной синусоиды .

Конечные формулы вычисления зенитного и азимутального углов имеют вид:

Знак «+» или «-» в формуле зенитного угла определяется логическим сигналом, формируемым по сигналам датчика горизонта.

Выбор формулы для азимутального угла зависит от ориентации прибора относительно направления на Север. В диапазоне азимутальных углов 0...π за истинное значение азимутального угла принимается угол А₁, в диапазоне углов π...2π за истинное значение азимутального угла принимается угол А₂.

Проведенные на предприятии «Тренд» теоретические и экспериментальные исследования показали, что при использовании предложенного способа обработки сигналов первичной информации и задании N=8 систематические и случайные погрешности в определении азимута и зенитного угла уменьшаются в 4-7 раз. Точность можно повысить увеличив число ориентации или увеличив количество измерительных циклов.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где:

Фиг.1 - конструктивно-кинематическая схема прибора;

Фиг.2 - структурная схема прибора;

Фиг.3 - иллюстрация способа применительно к сигналу с акселерометра.

Гироскопический инклинометр включает в себя (Фиг.1) волоконно-оптический гироскоп 1, например ВГ-941 разработки НПФ «Физоптика», микромеханический акселерометр 2 маятникового типа, например, разработки фирмы «РСВ» США, двухкомпонентный датчик горизонта 3, например, выполненный на основе датчиков АДХL-210 (США). Указанные чувствительные элементы размещены на поворотной платформе 4, установленной на подшипниках в корпусе 5 с возможностью неограниченного вращения относительно его продольной оси. Оси чувствительности ВОГ и акселерометра коллинеарны и ортогональны продольной оси корпуса. Оси чувствительности датчика горизонта ортогональны между собой и также ортогональны продольной оси корпуса. Поворотная платформа имеет привод 6, например шаговый двигатель, и датчик углового положения (ДУП) 7 платформы относительно корпуса, например многополюсный поворотный трансформатор. Для электрической связи чувствительных элементов с сервисной электроникой по оси поворотной платформы установлено устройство электрической связи между поворотной платформой и корпусом (например, щеточный коллектор) 8. Поворотная платформа выполнена в виде пустотелого цилиндра с установочными базами на его внутренней поверхности (на фиг.1 не показаны), а фланец имеет цапфы под подшипники и установочные поверхности для датчика углового положения и устройства электрической связи между поворотной платформой и корпусом, внутри цапф выполнено сквозное отверстие для электрических проводов. В отсеке электронных устройств размещены блок сервисных электронных устройств 9 и блок обработки информации 10 (микропроцессор). На корпусе имеется электроразъем 11. Блок сервисных электронных устройств имеет в своем составе блок питания, блок управления, усилители и аналого-цифровые преобразователи сигналов с чувствительных элементов и с датчика углового положения. Корпус инклинометра может иметь защитный герметичный кожух 12, выполненный, например, из титана, с герморазъемом 13. Кожух фиксируется относительно корпуса с помощью кольцевых шайб 14 из материала с малой теплопроводностью. Полость между корпусом и кожухом может быть вакуумирована для улучшения теплового режима прибора.

На Фиг.2 приведена структурная схема прибора. Помимо ранее указанных обозначений, на ней обозначены: 15 - блок питания, 16 - блок управления. 17 - блок усилителей и аналого-цифровых преобразователей.

Гироскопический инклинометр работает следующим образом.

Инклинометр в составе буровой колонны или отдельно опускают в скважину на нужную глубину. По кабелю, связывающему инклинометр с наземным оборудованием, подают питание. При подаче питания в блоке управления запускается циклограмма измерений, по исполнении которой поворотная платформа разворачивается в заданные ориентации и в каждой из них осуществляется съем информации с ВОГ, акселерометра и датчика горизонта. Время измерения в каждой ориентации ≈6-8 секунд, время измерительного цикла ≈1,5 минуты. Усиленные и преобразованные в цифровую форму сигналы поступают в блок обработки информации, где они предварительно обрабатываются и запоминаются. По завершении полного оборота блок обработки информации начинает вычислительные операции, реализуя алгоритм определения параметров идеальных синусоид и определения азимутального и зенитного углов. Результаты вычислений могут накапливаться в запоминающем устройстве или в режиме реального времени или по запросу передаваться в наземное оборудование потребителю. Для повышения точности определения угловой ориентации скважины измерительные циклы могут быть повторены. Далее питание снимают и инклинометр опускают в следующую точку скважины и т.д. При нахождении инклинометра в составе буровой колонны, питание на него подают после остановки бура.

Изготовлены опытные образцы инклинометра по предложенному изобретению. Отработано программное обеспечение, совместно с инклинометром реализующее предложенный способ. Экспериментальная проверка подтвердила высокую эффективность заявленных технических решений.

Источники информации

1. RU 2030574, С1, 1995;

2. RU 2095563, C1, 1997;

3. RU 2104490, C1, 1998;

4. Новиков Л.З. и др. Механика динамически настраиваемых гироскопов. М.: Наука, 1985;

5. RU 2178523 С2, 2002.

1. Гироскопический инклинометр, содержащий гироскопический измеритель угловой скорости и акселерометр, размещенные на поворотной платформе, установленной в корпусе с возможностью неограниченного вращения относительно его продольной оси, привод и датчик углового положения поворотной платформы, а также блок сервисных электронных устройств и блок обработки информации, отличающийся тем, что гироскопическим измерителем угловой скорости является волоконно-оптический гироскоп, на поворотной платформе дополнительно размещен двухкомпонентный датчик горизонта, а в блоке обработки информации реализован алгоритм определения параметров идеальных синусоид, максимально приближенных к измеренным значениям сигналов с акселерометра и волоконно-оптического гироскопа.

2. Гироскопический инклинометр по п.1, отличающийся тем, что поворотная платформа выполнена в виде пустотелого цилиндра с установочными базами под чувствительные элементы на его внутренней поверхности, а фланцы имеют цапфы под подшипники и установочные поверхности для датчика углового положения и устройства электрической связи между поворотной платформой и корпусом, внутри цапф выполнено сквозное отверстие для электрических проводов.

3. Гироскопический инклинометр по п.1 или 2, отличающийся тем, что корпус инклинометра имеет защитный герметичный кожух с герморазъемом.

4. Способ определения угловой ориентации скважин гироскопическим инклинометром, включающий измерение в нескольких ориентациях проекций угловой скорости вращения Земли и проекций ускорения силы тяжести на оси, связанные с корпусом инклинометра, и вычисление азимута и зенитного угла скважины с учетом выделенного дрейфа гироскопа, отличающийся тем, что в качестве измерителя угловой скорости используют волоконно-оптический гироскоп, при измерениях совершают поворот платформы на 360 угл.град., измерения проводят в ориентациях (рад), где i - номер текущей ориентации, N - число ориентаций, по полученным измерениям определяют нулевые отклонения, вычисляя средние значения измеренных сигналов, корректируют измеренные значения на величины нулевых отклонений и, используя метод последовательных приближений, определяют амплитуды и начальные фазы идеальных синусоид, максимально приближенных к скорректированным величинам сигналов, а вычисление азимута и зенитного угла скважины производят по полученным амплитудам и начальным фазам идеальных синусоид.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что число ориентации N выбирают из условия N≥8+2m, где m=0, 1, 2, 3,....