Подземка

Чувствительным элементом инклинометров фирмы Gyrodata является двухосный ДНГ, минимальный наружный диаметр компоновки - 1.75 ,

работает при максимальной температуре - 150 С, давлении -100 МПа. RGSST - кабельный вариант gMWD системы, точностные характеристики:

азимут- 0.1 , зенитный угол - 0.05 (в диапазоне 0-60 ), угол отклонителя - 0.05 .

В последнее время появилась информация о телеметрической системе

Gyro Trak (Baker Hughes INTEQ, США), которая использует специально разработанный для MWD-систем двухосный ДУС со сферическим газодинамическим подвесом. Утверждается что это единственный гироскоп,

который действительно работает во время бурения (правда пока его точностные характеристики позволяют вычислять азимут с точностью – не менее 8-10 градусов).

2. Режим гироскопа направления (ГН) - речь идет о непрерывном измерении азимута во время движения СП, при этом либо сохраняется первоначально заданное в азимуте направление при применении схем с трехстепенным астатическим гироскопом в кардановом подвесе, либо вычисляются угловые параметры скважины методом решения кинематического уравнения Пуассона.

Здесь будет уместным обратить внимание на то, что время съемки скважины является самостоятельным и, притом, весьма существенным технико-экономическим фактором, в значительной степени влияющим на выбор использующейся при измерениях инклинометрической системы.

Поэтому, вполне естественно, что наряду с разработками в области точечного компасирования, едва ли не большее внимание уделяется гироинклинометрам, предназначенным для непрерывной съемки скважин и работающим в режиме ГН.

31

Таблица 2

Такие гироинклинометры, как правило, имеют, так называемую,

продольную компоновку, позволяющую измерить компоненты абсолютной угловой скорости и, после их учета при интегрировании уравнений Пуассона,

получить искомые параметры ориентации скважины. Американские

32

специалисты, проведшие весьма серьезные теоретические исследования и объектовые испытания режима бесплатформенного ГН считают его по точности вполне соизмеримым с компасированием.

Принципиальной особенностью этого режима является необходимость начальной выставки. Она, в свою очередь, реализуется либо с помощью внешнего курсоуказания, которое, очевидно, возможно только в устье скважины, либо в режиме ГК самого гироинклинометра (понятно, что в бесплатформенном исполнении это всегда принципиально возможно).

Однако в первом случае режим съемки становится уязвим к срывам питания, отказам и повреждениям каротажного подъемника (в кабельном варианте гироинклинометра) и иным сбойным ситуациям, которыми изобилует геофизическая практика. Второй вариант (с автономным гирокомпасированием) естественно предпочтительней – после ликвидации сбоя выставка может быть проведена вновь в той части ствола, где на этот момент оказался гироинклинометр.

Однако точность, да и сама возможность такой выставки будет определяться факторами, детально исследованными при рассмотрении режима компасирования, и, например, так называемая, «продольная схема» для бесплатформенных ГН (в частности на базе ДУС с механическим носителем вектора кинетического момента) представляющаяся единственно возможной, оказывается практически неприменимой в горизонтальных стволах, проходящих вблизи линии «восток-запад».

Но и при вполне благоприятной ориентации ствола в точке проведения повторной выставки ее точность в «продольной схеме», определяемая пусковыми погрешностями ДУС, будет ограниченной. Для снижения погрешности выставки, ее стараются проводить на участках траектории с зенитными углами ( ), достаточно малыми для того, чтобы воспользоваться эффектом практического обнуления «гироскопической» составляющей азимутальной ошибки , но не настолько, чтобы слишком велика оказалась доля составляющей от ошибки горизонтирования. Однако такой

33

«параметрический» вариант начальной выставки, очевидно, противоречит

«декларации о технологичности» режима ГН, и во многом обесценивает само его использование.

В итоге следует признать, что непрерывный режим бесплатформенного ГН вторичен по отношению к точечному, возможность его эффективного использования и верхний предел точности определяются соответствующими характеристиками гирокомпасирования. Поэтому, если задаться целью создания универсального, т.е. способного работать как в компасном, так и в непрерывном режиме, при любых траекториях стволов, гироинклинометр,

его схеме должны быть присущи некоторые комплексные признаки,

удовлетворяющие требованиям обоих режимов.

В отечественной инклинометрии известен единственный серийный гироинклинометр, работающий в режиме ГН - ИГН 73-100/80 (г. Арзамас) (см. таблицу 1).

Данный прибор является самонаводящейся на географический меридиан системой, предназначен для многократного определения в непрерывном режиме пространственных координат (траектории) обсаженных и необсаженных скважин глубиной до 6000 м и внутренним диаметром не менее 85 мм.

ИГН 73-100/80 представляет собой одноосный индикаторный гиростабилизатор, который позволяет исключить влияние вращения СП вокруг оси скважины, возникающее во время его движения. В качестве чувствительных элементов используются двухканальный управляемый гироскоп со сферическим шарикоподшипниковым подвесом типа D7-03И и два акселерометра АТ-1104. Измерительные оси акселерометров взаимно перпендикулярны и перпендикулярны продольной оси прибора. Ось кинетического момента гироскопа перпендикулярна плоскости платформы и совпадает с измерительной осью одного из акселерометров. Один канал гироскопа является датчиком системы стабилизации, позволяющей удерживать платформу неподвижной относительно продольной оси СП,

34

другой – датчиком измерителя угловой скорости вокруг оси,

перпендикулярной оси стабилизации. Акселерометры, установленные на платформе, измеряют две компоненты кажущегося ускорения.

В режиме измерений прибор непрерывно движется в скважине со скоростью порядка 5000 м/ч. Основной выходной информацией инклинометра является траектория, а не углы, как это принято в точечных приборах. Это обусловлено спецификой применяемых алгоритмов в условиях высокой скорости движения по стволу и, соответственно, высокой динамикой скважинного прибора при движении. Траектория вычисляется по элементам матрицы ориентации. Поскольку в матрице ориентации отсутствуют элементы неопределенности при любых углах, в том числе и при "нулевом" зените, погрешности построения траектории в математическом смысле не зависят от величин углов: траектория строится с

"нулевого" зенита без потери точности. Поэтому основная погрешность инклинометра выражается не в виде погрешности измерения углов, а в виде расхождения по координатам с эталонной траекторией в зависимости от пройденного пути.

Инклинометр ИГН 73 нашел свою «нишу» и применяется в основном для быстрого и оперативного измерения угловых параметров скважин старого фонда (главным образом, близких к вертикальным) при их аттестации, а

таких скважин в настоящее время насчитывается около нескольких десятков тысяч.

Из зарубежных инклинометров, работающих в режиме ГН можно отметить инклинометры Keeper high accuracy gyro wireline system (Scientific Drilling (США)), RGS-CT (Gyrodata (США)).

Инклинометр Keeper high accuracy gyro wireline system имеет скорость измерений до 150м/мин, минимальный наружный диаметр компоновки - 1.75 , работает при максимальной температуре - 150 С, давлении -100 МПа.

Технические характеристики: точность- 0.45м/300м,

время готовности: 20мин.

35

Инклинометр RGS-CT имеет минимальный наружный диаметр компоновки - 1.75 , работает при максимальной температуре - 150 С,

давлении -100 МПа. Диапазон измерения зенитных углов: 0-120, начальная выставка - при зенитном угле 10 -15 , точность составляет: 0.1% от глубины скважины.

Все перечисленные выше инклинометры (за исключением ИГН 73-

100/80) являются бесплатформенными и содержат либо один двухосный,

либо два одноосных ДУС, причем с измерительными осями, лежащими в плоскости поперечного сечения скважины.

В забойных инклинометрах режим ГК является единственно возможным и применяется вплоть до значения зенитного угла 75 .

3. Режим бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) –

позволяет устранить недостатки и сохранить достоинства двух ранее рассмотренных схем компасирования.

Полноценное, трехосное измерение гироскопическими чувствительными элементами вектора абсолютной угловой скорости скважинного прибора применяется только в БИНС.

Так фирма Baker Hughes (США) создала систему Ring Laser Inertial Guidance Surveyor (RIGS) с кабельным каналом связи . RIGS - БИНС с тремя лазерными гироскопами и тремя акселерометрами, применяется в обсаженных скважинах диаметром до 7 (наружный диаметр СП - 5,25 ).

Имеет высокое быстродействие (скорость - 122м/мин). Точность - 1м/1000м.

Несколько БИНС создала фирма SEG (Германия) . Locator - БИНС,

чувствительными элементами которой являются два двухосных ДНГ фирмы

Litton (США) и три акселерометра. Система предназначена для определения параметров ориентации скважин и управления тоннельным бурением

(бестраншейной прокладкой). Измерения производятся непрерывно, данные передаются на поверхность в реальном масштабе времени. Размеры:

наружный диаметр - 2.6 (65мм), длина - 1800мм. Точность - 1м /1000м

36

проходки. Температура – от -20˚С до 100˚С. Может применяться в вертикальных и горизонтальных нефтяных и газовых скважинах.

True-North-finding Gyrosurveyors (SEG) – БИНС, предназначенная для скважин малого диаметра. Используется для управления тоннельным бурением, для измерения в глубоких и поверхностных, вертикальных и горизонтальных нефтяных и газовых скважинах. Чувствительными элементами являются два двухосных ДНГ фирмы Litton (США) и три акселерометра. Размеры: первый вариант: диаметр - 2 (50.8мм) длина - 1830

мм; второй вариант: диаметр - (1,75 )(44.5мм), длина - 1830мм; третий вариант: диаметр - (1,75 )(44.5мм) (во 2 и 3 вариантах используется ДНГ,

называемый PeeWeeGyro-«горошина»). Точность: первый вариант-1м/1000м

проходки; второй вариант3м/1000м проходки; третий вариант - 5м/1000м

проходки. Температура: от -20˚С до 120˚С (есть вариант и до 175˚С).

В таблице 2 приведены наиболее значимые из зарубежных гироскопических инклинометрических систем.

В заключение этой лекции еще раз акцентируем внимание на уровне развития современных отечественных гироскопических инклинометрических систем. Современный этап развития этих систем начался с 90-х годов прошлого века с переходом к серийному наклонно-направленному и горизонтальному бурению. В это время окончательно оформляются требования к качественным характеристикам инклинометров, появляется понятие «чувствительные элементы забойного класса» для работы в составе КНБК.

Повышение добычи нефти становится с одной стороны реальностью, а с другой – насущной необходимостью. Задачи долговременной навигации определяют повестку дня. Актуальной становится задача создания гироскопических инклинометров, способных работать без поверки в условиях буровых воздействий в течение десятков и сотен часов.

Основное направление разработок при этом – бесплатформенные инклинометры, имеющие бесспорные преимущества: отсутствие карданова

37

подвеса, малые габариты, малое энергопотребление, надежность,

технологичность и т. д.

При этом ни один из разработанных отечественных гироскопических инклинометров не имеет отношения к MWD – системе. Это - кабельные

инклинометрические системы, причем следует констатировать, что до

момента создания и внедрения гироинклинометра УГИ-42, среди

существующих отечественных гироинклинометров нет ни одного,

пригодного для измерения скважин произвольной ориентации с малым диаметром.

38

Лекция №5

Актуальные проблемы инерциальных средств подземной навигации

Итак, предпосылки востребованности инерциальных методов в принципиальной невозможности (в каких-то случаях - нецелесообразности)

использования любых других принципов для решения целого ряда задач подземной навигации. При этом, из самых общих соображений понятно, что при внедрении как самих методов, так и, в еще большей степени, средств их реализации, неизбежно возникновение целого ряда специфических проблем.

Их можно достаточно условно разделить на группы, первой из которых,

наверное, следует назвать условия эксплуатации.

Условия эксплуатации инклинометрических систем

При конструировании забойных телеизмерительных систем (MWD/LWD

– систем) разработчики, как правило, сталкиваются со следующими проблемами:

-обеспечение универсальности компоновки, последовательность размещения измерительных блоков с целью максимального приближения точки записи к забою, беспрепятственное прохождение телесистемы по стволу, особенно в скважинах с малым (до15м) радиусом кривизны;

-выбор максимально возможной степени защиты всех узлов системы от воздействия ударов и вибраций;

-выбор конструкции, комплектующих и элементной базы,

обеспечивающих надежную работу в условиях повышенных температур и

давлений;

-выбор технических решений по обеспечению гибкости конструкции и

ееоптимальной длины;

39

-применение конструктивных материалов и технологий, повышающих способность противостоять абразивному и кавитационному воздействию потока промывочной жидкости.

Скважинная аппаратура телесистем работает в экстремальных условиях

– повышенные вибрации и удары, механические нагрузки, высокая температура и давление (см. таблицу 1).

Таблица 1

Анализ геолого-технических условий разведки и разработки нефтегазовых и газовых месторождений России, изучение зарубежного опыта бурения скважин показывает, что температура в 85% скважин лежит в пределах до 100-120 С, в рудных и угольных скважинах она составляет 1070 С, лишь в гидротермальных скважинах достигает 300-320 С.

Температурные воздействия влияют на выбор, как электронной элементной базы, так и инерциальных чувствительных элементов (см.

таблицу 2).

Современное состояние элементной радиоэлектронной базы,

микроминиатюризация схем позволили реализовать высоконадежные помехоустойчивые схемы. Для MWD/LWD - систем известными фирмами-

40