Подземка

Использование точечного компасирования вплоть до 15° по зениту объясняется, видимо, приоритетом точности над производительностью при съемке достаточно протяженных стволов с небольшим отстоянием от вертикали (при t , схема XY имеет в непрерывном режиме большие погрешности, чем в точечном). Кроме того, необходимо подчеркнуть принципиальное различие свойств рассматриваемых схем в части касающейся начальных условий. В схеме Z выставка-компасирование (как в ОИГС) или внешняя (как в бесплатформенном варианте) – производится только в устье скважины. В схеме XY выставки (как правило,

гирокомпасирования) в устье может оказаться недостаточно – основным условием является, все-таки кратковременность нахождения на участке ствола близ вертикали. С другой стороны компасирование в этой схеме может производиться практически всегда в процессе съемки.

Как бы то не было, ни эти, достаточно прозрачные, соображения, ни,

вообще, приоритет анализа ошибок углов ориентации ствола, характерный для времен разработки RGS-C, ни в коей мере не оправдывают исключение возможности непрерывной съемки значительной (а для России, -

преобладающей) доли скважин, траектории которых целиком (или в основном) лежат внутри указанного диапазона зенитных углов.

Автор данного конспекта, начиная разработку непрерывного ГИ типа

XY, лет на десять позже, чем коллеги из Gyrodata, и всего лишь через три года после обращения к инклинометрической тематике, был свободен от

«призраков прошлого» и сделал предметом исследования характеристику промаха в плане . При этом было установлено, что при малых зенитных углах полагать характер поведения , определяемым погрешностью горизонтирования, отнесенной к малой величине , по меньшей мере,

неточно. Чтобы убедиться в этом, на качественном уровне, достаточно проварьировать уравнение (15), (пренебрегая членами с и, полагая, cos =1, sin = ), а также (16) и проинтегрировать полученную систему

111

линейных нестационарных дифференциальных уравнений. При этом получим:

Сравнивая (18) с (10) нетрудно убедиться, что (для вертикального ствола) к двум первым слагаемым вполне применимы выводы, полученные для бесплатформенной реализации схемы Z. Сравнительно малое время прохождения вертикального ствола, позволяет не принимать во внимание последнее слагаемое, обусловленное уходами гироскопов. Третье слагаемое в

(18), в силу, как правило, больших значений A при малых , и быстрых изменениях последнего, может в разы превышать уровень инструментальной погрешности ИУ, но, это не меняет главного вывода – какой-либо количественный критерий по углу для ограничения работоспособности схемы XY отсутствует.

Тем не менее, сложности при практическом использовании такого ГИ вблизи вертикали, конечно, возникают, причем основными инструментальными факторами здесь являются шумы акселерометров и конечная частота дискретизации измерительной информации. Весовые функции при этих возмущениях в правой части (18), в общем случае,

нестационарны, и от того, насколько существенна эта нестационарность

(определяемая, в свою очередь, величиной V , т.е. отчасти, управляемая),

прежде всего, зависит степень влияния флуктуационных погрешностей и малой дискретности.

112

Рис.4

координат при съемке скважин гироинклинометром УГИ-42.03,

выполненным по схеме XУ. (рис 4 - скважина 304, месторождение Т-

Русскинское, куст 13с, «Когалымнефтегеофизика», рис..5 – скважина 1792,

месторождение Лянторское, куст 324, «Сургутнефтегаз»). Из рис.4 следует,

что, несмотря на то, что среднее значение на первых 130м не превышает

0.6°, ошибки плановых координат находятся глубоко в допуске, что абсолютно согласуется с малостью A и . В то же время на рис. 5 уже к 90м

ошибка в плане превышает 1%, при том, что поведение на этом участке ствола не менее благоприятно, чем в предыдущем случае. Здесь все объясняется поведением азимута, скорость изменения которого такова, что его определение ГИ сопровождается потерей знака A и сбоями на 180°(!).

Заметим, что бурное развитие как микропроцессорной, так и микросистемной техники позволяет, конечно, на этапе модернизации изделий серьезно продвинуться и в части повышения быстродействия контроллера, и в части снижения шума акселерометров, что, вероятно,

позволит отодвинуть границу применяемости схемы XY к значениям

(0,2÷0,25)°. Однако, ограничение универсальности (например, при работе на вертикальных стволах большой протяженности – подземные газохранилища, «правильно» пробуренные скважины старого фонда - с сохранением точностных требований) все равно остается стимулом к поиску более общих решений.

113

Построение ГИ по схеме XY напротив выглядит просто.

Концептуальные задачи, подлежащие решению в процессе его создания – также почти очевидны. Первая из них – применение удароустойчивого ДУС и создание условий, минимизирующих влияние его дрейфов при малых

(иначе, при равноточных гироскопах в таких стволах схема XY явно уступает схеме Z). Другая задача –минимизация влияния нестационарности

115

алгоритмов идеальной работы (15) и (16) и нелинейности их реализации при

→0 .

Однако решения только этих задач может оказаться недостаточно.

Поэтому при модернизации, упомянутого инклинометра УГИ-42, основная схема XY была дополнена «бюджетным» вариантом бесплатформенного

«гироазимута» с алгоритмами (11) на MEMS гироскопах. Результаты съемки различных скважин с помощью ИГН-73 и УГИ-42.03 представлены на рис.6 (скважина 6146, куст 184, месторождение Тевлино-Русскинское, «Когалымнефтегеофизика») и рис.7 (скважина 3243, куст 144,

месторождение Западно-Сургутское, «Сургутнефтегаз»). Понятно, что отсутствие эталонирования в ходе реальной эксплуатации оставляет для анализа точности единственную возможность – оценку по невязке, которая показывает, что съемка с помощью полученного описанным образом комплексного ГИ не менее эффективна, чем с ОИГС, несмотря на ориентацию скважин более предпочтительную для схемы Z. И хотя анализ синтезированной схемы XYz (малость последнего индекса вполне соответствует, как вспомогательной функции MEMS гироскопа, так и

«легкости» его введения в ГИ) - не предмет исследования в данной работе,

отметим, что ее эффективность всецело определяется апостериорной обработкой – еще одним системообразующим фактором скважинной навигации.

116

Лекция 16

Непрерывный бесплатформенный гироинклинометр УГИ 42-120/60

С целью расширения диапазона применения схемы XY в ОАО

«Электромеханика» был разработан универсальный гироскопический

инклинометр УГИ 42-120/60.

Всостав инклинометра УГИ 42-120/60 входят:

-скважинный прибор (СП), состоящий из скважинного модуля связи

(СМС) и скважинного модуля ориентации (СМО), наземный пульт управления (НПУ), персональный компьютер.

Несущим элементом конструкция СМО является рамка, установленная в защитном корпусе (рис.1).

Рамка

Рис.1 На рамке размещается ДНГ (рис.2), измеритель линейных ускорений

(ИЛУ) в виде пространственной компоновки из четырех одноосных микромеханических акселерометров (ММА) ADXL 103, ММГ (типа

ADXRS150), электроника каналов обратной связи ДУС, электроника предварительной обработки и фильтрации сигналов акселерометров, аналого-

цифровые преобразователи и интерфейс связи с блоком электроники (рис.3).

117

Здесь уместно будет подчеркнуть, что никакие теоретические изыскания, связанные с режимом ГН, не имели бы практического смысла при отсутствии в распоряжении разработчиков ГИ инерциальных чувствительных элементов с нужными характеристиками.

Рис.4

Определяющими признаками современных ДНГ (имея ввиду, конечно,

их возможное применение при сопровождении бурения в забойных ГИ и при непрерывной инклинометрической съемке) являются сочетания в них принципиально противоречащих друг другу технических требований:

- виброударная устойчивость и прочность по ГОСТ 26116-84,

позволяющая не ограничивать динамику спускоподъемных операций,

сопровождающихся жесткими ударами о стены и, самое главное, о стыки обсадных колонн;

-габариты, вписывающиеся в трубный корпус СП с диаметром расточки

< 38мм, позволяющие сохранить основной признак универсальности ГИ серии УГИ-42 (универсальный гироскопический инклинометр 42 мм);

-термостойкость (-10°С…+105°С) и термопрочность (+120°С),

позволяющая сегодня снять ограничения по глубине исследования большинства, встречающихся на практике нефтегазовых скважин;

-умеренные ценовые показатели.

И, конечно, картина не будет полной без ответа на вопрос: хватает ли точности гироскопа со столь широким спектром допустимых условий эксплуатации (десятые доли º/час) для решения самой инклинометрической задачи?

118

Ответ не может быть сформирован столь односложно, как вопрос, и

требует некоторых предварительных рассуждений. Во-первых, не вдаваясь здесь в нюансы, свойственные вертикальному участку скважины и подробно рассмотренные выше, выделим среди различных режимов, присущих ГИ, как и любому сколько-нибудь сложному гироскопическому устройству, работу по прямому назначению, производящуюся при движении СП и сопровождаемую интегрированием уравнений Пуассона при, пока произвольных, начальных условиях. Анализ уравнений ошибок, получаемых при варьировании обеих частей системы (1) показывает, что уходы гироскопа не являются единственным, а, тем более критическим фактором,

определяющим общую ошибку ГИ в определении координат. Во всяком случае, в варианте спуска на геофизическом кабеле.

Расчет для широко используемого при модельных оценках профиля скважины, близкого к четверти плоской окружности, показывает, что даже при неопределенности ухода ДНГ на уровне 0,3°/час, чего, надо сказать, пока не встречалось в практике использования рассматриваемых изделий,

суммарный промах в плоскости горизонта не превышает 5м. Абсолютная глубина скважины при этом составила 3000м, начальные условия в погрешности определения меридиана места полагались нулевыми.

Важнейшим внешним, но косвенно определяемым свойствами гироскопа,

параметром при непрерывной съемке является, конечно, скорость движения ГИ, которая при использовании УГИ-42.03, составляет - 1,5м/сек.

Допустимость таких скоростей спуска/подъема в силу высокой ударостойкости ДНГ является еще одним серьезным преимуществом изделия.

Отметим, что ситуация серьезно меняется, когда инструментом спуска прибора вместо кабеля становится трубная колонна. Такая необходимость возникает при измерении только что пробуренных скважин, значительная часть ствола которых проведена достаточно близко к горизонту. Это резко осложняет возможность попадания туда СП. Режим ГН при этом теряет

119

такие свои кардинальные преимущества, как автокомпенсирующее вращение кабеля и малое время съемки, являющееся не только экономическим, но и точностным качеством. Взамен, однако, мы получаем большое количество остановок, обусловленных необходимостью наращивания трубной колонны

(в зависимости от длины труб и их количества в так называемой свече – каждые 18-32м). Это позволяет обратиться к процедуре ZUPT– коррекции ухода гироскопа, модифицировав ее, применительно к структуре погрешностей ГН, таким образом, чтобы добиваться автоматического обнуления правых частей уравнения ошибок в начале каждого интервала движения. Управление основными параметрами такого режима – временем стоянки и скоростного спуска свечи (при известных ограничениях,

определяемых энергетикой буровой установки и технологическими режимами, допускаемыми для нахождения колонны в открытой скважине)

осуществляется на основе минимизации произведения Da () , где -

искомый интервал наблюдения, - дисперсия Аллана (ухода гироскопа).

Надо сказать, что отсутствие устойчивых технологических приемов спуска СП на трубах, противоречивые требования, выдвигаемые различными буровыми подрядчиками, да и, прямо скажем, сугубая эпизодичность применение такого способа исследования скважин, не позволило пока провести апробацию предлагаемых алгоритмов, в силу чего их не следует считать полноценной разработкой. Однако, можно с уверенностью констатировать, что в случае развития этого или подобных ему методов, есть достаточно оснований рассчитывать на эффективное внедрение нового интересного режима непрерывной съемки.

Не следует, однако, забывать, что весьма пристойные результаты рабочего режима ГН получены при нулевой ошибке начальной выставки относительно плоскости меридиана. Методически это вполне оправдано, т.к.

начальная выставка является абсолютно самостоятельным режимом ГН, не связанным технологически и, в первом приближении, не коррелированным по результатам с процессом работы по прямому назначению. Это позволяет

120