Подземка

Сегодня рынок ГИ для нефтегазовых скважин, характеризуется:

- наличием ограниченного количества специализированных разработчиков-

изготовителей, замкнутых исключительно (или, во всяком случае,

преимущественно) на сегмент промысловой геофизики;

-существенным удельным весом «закрытого» сектора разработок,

проводимых гигантами мирового нефтегазового сервиса, интегрировавшими

специализированные гироскопические фирмы («Sperry» и т.д.),

исключительно для собственных нужд;

-развитой специализированной нормативно-технической базой,

поддерживающей развитие и стандартизацию системы тактико-технических требований к методам и средствам подземной навигации.

В течение последних десяти-пятнадцати лет у нескольких крупных зарубежных компаний появились непрерывные ГИ. Наряду с «пионерами»

RGS-СТ (Gyrodata, 1996), RIGS (Baker Hughes, 1997-1999гг.) это – Target (SEG, Германия), Keeper (Scientific Drilling, США), а также некоторые другие. Все эти разработки, отличаясь типом, количеством и ориентацией датчиков первичной информации (ДПИ), наличием или отсутствием дополнительных кинематических связей имеют бесплатформенную компоновку и, в основе своей, Ø1,75˝. Их декларируемые точности вычисления координат в зависимости от профиля скважины исчисляются десятыми долями % от ее наклонной глубины.

Итак, выходными параметрами непрерывного ГИ являются декартовы координаты E, N, h точек траектории скважины. Координаты рассчитываются классическим методом навигационного счисления, при котором приращения показаний одометра (в данном случае – длины геофизического кабеля, троса и т.д.) раскладываются по осям навигационного базиса и затем последовательно суммируются

(интегрируются). Для получения искомых проекций на координатные оси инклинометрическая система вырабатывает матрицу направляющих косинусов, характеризующих ориентацию системы координат XYZ ,

101

связанной со скважинным прибором (СП) относительно географической системы координат ENh:

определяющих положение продольной оси oZ СП относительно системы

координат ENh (рис.1) и информации о приращении длины кабеля L в

непрерывном ГИ вычисляются искомые координаты траектории скважины:

погрешностями формирования направляющих косинусов c13 , c23 , c33 и

измерения длины кабеля L , которые хотя и заметны, но, конечно, никак не

сопоставимы с погрешностями выработки координат методом инерциальной навигации. Обещания реализации ГИ, не использующих информацию о длине каротажного кабеля, конечно, питают надежды эксплуатационников когда-нибудь избавиться от надоевших вопросов с утерей меток,

деформацией кабеля и т.д., однако даются явно вне контекста реальных проблем.

Далее, с целью выявления структуры ошибок направляющих косинусов

c13 , c23 , c33 воспользуемся углами Эйлера (рис.1) – зенитным ,

102

азимутальным – A и поворота корпуса СП вокруг оси oZ - («угол поворота отклонителя»). Можно показать, что при этом

будет характеризовать суммарный промах в определении местоположения точки траектории.

Ошибка в любых корректно спроектированных ГИ определяется

погрешностями измерителя ускорений (ИУ), а наиболее важная и превалирующая компонента погрешности (прежде всего, в плане)

характеризуется следующим выражением:

103

Лекция № 15.

Схемы гироинклинометров для непрерывной съемки скважин

произвольной ориентации

Современные разработки непрерывных ГИ, доведенные до реального внедрения, малочисленны и не похожи друг на друга, что предельно облегчает их типизацию. При дальнейшем изложении мы постараемся подойти к их рассмотрению с единых методологических позиций, что, на наш взгляд, упрощает классификацию принципиальных схемноконструктивных и алгоритмических решений.

Схема Z

Из основ теории систем гироскопической ориентации известно, что для вычисления матрицы (1), в общем случае, необходимы три измерителя абсолютной угловой скорости ДУС (три двухстепенных гироскопа или один трехстепенной и один двухстепенной) с осями чувствительности, не лежащими в одной плоскости (в идеале – ортогональными). Однако, при определенных ограничениях на ориентацию скважины и при наличии в составе ГИ акселерометров задача непрерывной съемки может быть решена с помощью только одного трехстепенного, а при ограничениях иного типа – одного двухстепенного гироскопа. Сообразно ориентации осей чувствительности такие схемы ГИ будем обозначать соответственно, XY и Z

(рис.1) (см. лекцию № 14) и называть неполными.

Их анализ представляется естественным начать именно со схемы Z

потому, что, во-первых, она выглядит наиболее экономичной, а, во-вторых, интуитивно понятно, что областью ее предпочтительного применения должны быть стволы, близкие к вертикальным, по-прежнему преобладающие среди нефтегазовых скважин, особенно подвергаемых повторным измерениям. При этом, еще более очевидной является необходимость

104

измерения в схеме Z значений угловой скорости, определяемых, главным образом, так называемым «моторным эффектом» (крутильными колебаниями геофизического кабеля) и достигающих десятков и даже, если не принять специальных мер по ее ограничению, сотен °/сек.

Приведенные здесь соображения, надо полагать, побудили разработчиков уже упоминавшегося здесь ИГН-73 к созданию его на базе одноосного индикаторного гиростабилизатора (ОИГС) (рис.2). Это оригинальное, даже для девяностых годов, решение, теперь уже можно смело назвать, уникальным, так как более никто по этому пути не пошел.

Технические характеристики ИГН 73 наружный диаметр, мм – 73,

длина прибора, мм – 2500; диапазон измерения, град - зенитного угла – 0-70,

азимута 0–360.

Основная погрешность определения координаты смещения в плане скважины от пройденного пути:

- не более 0,5% для географической широты ( ) до 60°; не более 0,6%

для > 60°, при 10 .

При этом дополнительная погрешность, вызванная изменением - не более 0,1 значения основной на каждые 10° превышения 10 .

В качестве чувствительных элементов в ГИ ИГН-73 используются двухканальный управляемый гироскоп со сферическим шарикоподшипниковым подвесом типа Д7-03И и два кварцевых акселерометра АТ-1104. Вектор кинетического момента гироскопа ориентирован в плоскости поперечного сечения СП, один канал гироскопа работает в режиме ДУС и используется при начальной азимутальной ориентации платформы гиростабилизатора, другой канал является датчиком системы стабилизации, позволяющей удерживать платформу неподвижной относительно продольной оси СП. Акселерометры, установленные на платформе, измеряют две компоненты кажущегося ускорения.

105

Варьируя уравнение (7) и опуская, с учетом качественного характера проводимого анализа и сравнительно малого времени работы ГИ,

составляющие с множителями , получим:

нормированных составляющих n x , n y ускорения силы тяжести, измеряемых акселерометрами ИУ, варьирование которых приводит к следующим погрешностям , :

nx , n y - погрешности акселерометров nx , n y ИУ.

На основании (8) с учетом (9), имеем:

погрешность моделирования оси Мира при компасировании в начальной точке (в ОИГС, определяемая нескомпенсированным дрейфом по оси ДУС);

очевидно последнее выражение не имеет особенностей при любых ; - третье и четвертое слагаемые, определяемые, соответственно,

погрешностями акселерометров ИУ и дрейфом по оси стабилизации,

стремящиеся к нулю около вертикали ( 0 ) и неограниченно возрастающие по мере приближения к горизонту ( 90 ).

При рассмотрении бесплатформенной реализации схемы Z в дополнение к изложенному следует принять во внимание, что угол поворота отклонителя

107

можно считать меняющимся мало лишь в начале СПО, а при снятии этого ограничения – второе слагаемое (10) приобретает коэффициент при

дисперсии погрешности ИУ - ( sin 1) 2 , а пятое – с интегралом по d -

sin 0

может вообще достичь недопустимых пределов, особенно при малых,

быстроменяющихся значений . Ну и, наконец, при использовании в ИУ микромеханических ЧЭ с высоким уровнем флуктуационных погрешностей,

весьма значительным, причем, по-прежнему, особенно в зоне малых зенитных углов становится последнее слагаемое в (10).

Тем не менее, настоятельная потребность (речь о которой – ниже)

побудила авторов настоящего доклада к практической реализации бесплатформенной схемы Z на MEMS ЧЭ в диапазоне малых зенитных углов. В ходе работы над этой схемой алгоритм (7) был проанализирован и отвергнут, а предложенный «гироазимутальный» оказался свободен от

108

а матрица

Понятно, что попытка точного решения системы уравнений (11), (13)

наталкивается ровно на те же трудности, что и интегрирование (7).

Изменения азимута скважины при малых и отсутствии стабилизации по углу не наблюдаемы. Ситуация, однако, предельно упрощается, если малость и (т. е. в конечном счете ) позволяет пренебречь вторым

членом в правой части (13). Варьируя элементы последнего столбца (12) и

предполагая (для наглядности) кратковременность прохождения

«Разгадка» эффективности (а заодно и названия) «гироазимутального» алгоритма полностью исчерпывается последней формулой, из которой следует, что погрешность вносимая упрощением (13) пропорциональна 3 .

Локализация бесплатформенной схемы Z вблизи вертикали, таким образом,

может быть не слишком жесткой, но, при этом, она позволяет отказаться от необходимости решения уравнений Пуассона и, следовательно, от имитации сигналов угловых скоростей с помощью акселерометров, приемлемой только в ОИГС. О реальных и планируемых применениях рассмотренной схемы и данных ее апробации – см. ниже.

Схема ХY

Этим очевидным, берущим начало в практике точечного компасирования, решением («продольная компоновка» и т.д.) легко парируется основная проблема предыдущей схемы – необходимость

109

измерения большой угловой скорости. В данном случае, диапазон измерения ДУС по осям X и Y определяется величинами и A sin , которые, во всяком случае, при обеспечении центрирования прибора в скважине, не превышают значения V ≤ 0,5°/сек (здесь - кривизна скважины, °/м; V - линейная скорость СПО, м/сек). С учетом двух-трехкратного запаса, определяемого,

прежде всего, неидеальностью центрирования, такой диапазон обеспечивается достаточно точными ДУС, как с механическим носителем вектора кинетического момента, так и без оного.

Хорошо известные алгоритмы схемы XY имеют следующий вид (рис.1):

значений, полученных из (17) и (15), однако это отличие, не играет первостепенной роли. А вот ошибка определения азимута A , в отличие от

(8), неограниченно растет при →0, и, таким образом, область предпочтительного применения схемы Z - для продольной компоновки, как будто бы, оказывается под запретом.

Во всяком случае, этим в течение многих лет руководствовался мировой лидер в области ГИ для непрерывной съемки - Gyrodata , уже упоминавшаяся в I разделе в качестве разработчика RGS-С.

Основные характеристики Rate-gyroscopic system continued (RGS-C):

наружный диаметр – 1,75˝ (44,45мм), длина СП – 3000мм; - диапазон измерения, град: зенитного угла – 0-120, азимута - 360°; предельная рабочая температура, °С – 150; предельное давление, МПа – 100. Режим работы изделия в диапазоне зенитных углов – 0°÷15° - точечный; - 15°÷120° -

непрерывный, декларируемая точность – 0,1% от глубины по стволу.

110