Подземка.pdf

интенсивности искривления оси ствола в плоскости зенитных углов, при этом наибольшие ошибки присущи тангенциальному методу (рис.1.)

На рис.1. приведены графики зависимости погрешности расчета координат тангенциальным методом от величины шага измерений и интенсивности зенитного искривления, при этом позициям 1,2,3,4

соответствуют следующие значения зенитного угла на забое: 90°, 45°, 15°, 5°.

Погрешности

расчета координат, м

Шаг измерений, м

Рис.1.

Кроме вышеупомянутых методов, иногда используются методы

(например, метод расчета по радиусу кривизны (см. таблицу 1)), в которых участок l аппроксимируется не отрезками прямых, а дугой окружности,

проходящей через начало и конец исследуемого интервала. Дуга наилучшим образом соответствует пространственному положению l , однако и этим методам свойственна возрастающая при увеличении шага измерений и интенсивности искривления ствола погрешность (рис.2).

51

применяемый из рассмотренных выше методов (усреднения углов). Еще более точен метод расчета координат по трем касательным – уровень его погрешностей практически на 2-3 порядка меньше, чем при использовании

усреднения углов. Метод трех касательных может применяться для расчета координат точек оси ствола с любой, имеющей место в практике бурения,

интенсивностью искривления и наиболее востребован в тех задачах, где требования к точности определения координат особенно жесткие (например,

при глушении аварийных скважин).

При определении координат соответствующих точек траектории скважины в системе координат oNEh необходимо учитывать то, что сами параметры , A или направляющие косинусы c13 , c23 , c33 , а также длина ствола l , имеют случайные погрешности, которые обычно характеризуются

будет показано в дальнейших разделах диссертации), если известны модели и численные значения погрешностей чувствительных элементов в составе инклинометров, а также функции их влияния на погрешности определения углов , A или направляющих косинусов c13 , c23 , c33 .

ствола скважины будут определяться также с ошибками N , E , h , R , (где

R2 N 2 E 2 ).

53

Таблица 1

54

внедрение в производство новых приборов и технологий привели к необходимости замены этой модели.

В настоящее время используются международные промышленные стандарты, использующие модель ISCWSA (модель Industry Steering Committee on Well bore Survey Accuracy, разработанная в 1999году). Эта модель базируется на достаточно полном математическом описании погрешностей чувствительных элементов современных магнитных и гироскопических инклинометров, учитывает как полную, так и неполную компоновку этих элементов, адаптирована к скважинам произвольной ориентации. Модель ISCWSA позволяет выявить и исключить грубые измерения, обеспечивает подтверждение однократных измерений,

осуществляет совместную обработку многих измерений с целью минимизации погрешности определения пространственного положения скважин, осуществляет контроль риска столкновений стволов.

56

Лекция № 7

Бесплатформенные гироинклинометры. Трехосные

гироинклинометры: компасирование

Сегодня уже очевидно, что основу навигационного оборудования подвижных объектов I четверти XXI века, должны составлять интегрированные системы ориентации и навигации (ИСОН), построенные на базе бесплатформенных инерциальных измерительных модулей (БИИМ) .

Под ИСОН здесь понимаются системы, предназначенные для интеграции информационного обеспечения задач навигации, управления движением, начальной выставки, калибровки и т. д.

БИИМ представляет собой блок, конструктивно оформляющий инерциальные чувствительные элементы, устанавливаемые непосредственно на корпусе объекта. Он вырабатывает непрерывную информацию о составляющих вектора кажущегося ускорения и параметрах вращательного движения места установки измерительного блока.

БИИМ обладают рядом преимуществ по сравнению с системами,

построенными на базе гиростабилизированной платформы: отсутствие карданова подвеса и связанных с ним стабилизирующих двигателей и датчиков углов, подшипников, контактных колец токоподводов приводит к упрощению конструкции, снижает стоимость производства и технического обслуживания, а также существенно повышает его надежностные характеристики.

Все сказанное может быть полностью отнесено и к инерциальным средствам подземной навигации.

Современные технические требования к гироскопическим инклинометрам, как уже отмечалось, обуславливают необходимость их развития и совершенствования в следующих направлениях:

- снижения массогабаритных характеристик (прежде всего, наружного диаметра) и энергопотребления;

57

- повышения прочностных и надежностных качеств (наиболее актуально

для забойных гироинклинометров);

-оперативности получения инклинометрической информации (работа в режиме on-line);

-снижения затрат (прежде всего временных) на проведение инклинометрических измерений;

-повышения устойчивости к сбойным ситуациям, которыми изобилуют

скважинные работы.

Внаибольшей мере этим требованиям удовлетворяют бесплатформенные гироинклинометры, которые могут работать во всех применяемых для инклинометров режимах: ГК, ГН и БИНС.

Вотличие от кардановых гироинклинометров компасного типа,

отличительной особенностью которых, является их физическая избирательность к направлению географического меридиана, в

бесплатформенных гироинклинометрах, работающих в режиме ГК, в

условиях неподвижного основания производится аналитическое моделирование вектора угловой скорости суточного вращения Земли или ее горизонтальной составляющей. Такое гирокомпасирование принято называть аналитическим [].

Как правило, в качестве чувствительных элементов бесплатформенных гироинклинометров, работающих в режиме аналитического компасирования используются ДУС.

Если представить, что при построении бесплатформенного гироинклинометра применяется неуправляемый гироскоп (НГ) с

бесконтактным подвесом ротора (чаще всего ротор такого НГ представляет собой шар, подвешенный в некотором силовом поле), то для измерения проекций вектора угловой скорости суточного вращения Земли, так или иначе, потребовалось бы дифференцирование направляющих косинусов,

определяющих ориентацию вектора кинетического момента НГ в географической системе координат []. Предположим, что один и тот же

58

гироскоп, например - шаровый, используется в качестве как НГ (с

разомкнутой обратной связью по ДМ), так и ДУС (с замкнутой обратной связью), и сравним результаты компасирования в том и другом случае.

Вполне очевидно, что при равной (или близкой) стабильности дрейфовых характеристик основное влияние на погрешности измерения абсолютной угловой скорости окажут шумовые характеристики датчиков съема информации. При этом, если в случае ДУС мы имеем дело со стандартной задачей сглаживания флуктуационных составляющих в показаниях ДМ, то дифференцирование сигнала датчика угла НГ потребует повышения эффективности цифровой фильтрации на один - полтора порядка. В силу этого – неизбежно соответствующее увеличение времени наблюдения,

вплоть до выхода НГ в видимом движении из зоны линейности датчика и т.д.

Усугубление этих трудностей, возникающее в связи с переориентацией НГ в процессе многопозиционного компасирования, как представляется автору,

вообще ставит под сомнение взаимоприемлемость НГ и оперативных методов для вычисления параметров ориентации на неподвижном основании

(исключение могут составить специальные прецизионные задачи []).

Что касается применения бесплатформенного гироинклинометра в режиме ГН, то, принципиально, такой гироинклинометр может быть построен на НГ, поскольку основой режима ГН является стабилизация некоего направления в условиях подвижного основания, а НГ, в силу своих свойств, как раз для этого и предназначен.

Для бесплатформенного гироинклинометра в режиме ГН требуется бескарданный вариант НГ. Гироскопы с магнитным подвесом ротора, а также гироскопы с газовым сферическим подвесом в силу целого ряда причин требуют внешнего карданова подвеса. Единственным примером существующего в настоящее время бескарданного варианта НГ является БЭСГ, в котором взвешивание ротора осуществляется силами электростатического поля. В частности, такой гироскоп был разработан в 80-

х годах XX века за рубежом и применен в качестве чувствительного элемента

59

авиационной и корабельной БИНС. БЭСГ имеет большие габариты (по сравнению с габаритами гироскопов, применяемых в инклинометрах) и очень высокую стоимость.

Даже, если предположить, что будет разработан бесплатформенный ГН на БЭСГ, для его начальной выставки потребуется использование внешнего курсоуказания, а это является серьезным ограничением применения такого гироинклинометра. В свое время именно это ограничение заставило специалистов Томского политехнического института при разработке экспериментального образца непрерывного гироскопического инклинометра ИГН 100-100/60А на кардановом варианте трехстепенного гироскопа применить помимо этого гироскопа еще и гироскопический двухосный ДУС .

Все, сказанное выше о режиме ГН на БЭСГ, может быть также отнесено к применению бесплатформенного гироинклинометра на БЭСГ в режиме БИНС.

Таким образом, наиболее адаптированными ко всем режимам применения бесплатформенных гироинклинометров являются ДУС, причем,

речь, в основном, идет о гироскопических ЧЭ среднего класса точности

(0,02 0,3)о/час.

Роторные (с механическим носителем вектора кинетического момента)

гироскопы в классе систем средней точности распространены достаточно широко, тем не менее, крупнейшие компании – разработчики инклинометрической техники по-прежнему сосредотачивают свои усилия,

главным образом, на двух их типах: поплавковых ДУС и ДНГ.

ДНГ обладает наибольшей преемственностью по отношению к классическим механическим гироскопам.

Под термином ДНГ в общем случае понимается прибор, содержащий одно тело или систему тел, вращающихся от приводного двигателя с заданной достаточно большой скоростью относительно основания, имеющих степени свободы углового перемещения в плоскости, перпендикулярной оси принудительного вращения. При наличии абсолютной угловой скорости

60