Подземка

Лекция № 10

Поперечная схема гироинклинометра: алгоритмы, погрешности

Исследование продольной схемы подтвердило, что последняя имеет принципиальное ограничение, затрудняющее, а в ряде случаев делающее невозможным ее применение в режиме компасирования при измерении угловых параметров расположенных близко к линии «запад - восток» горизонтальных скважин.

Поиск схемно-конструктивного решения, позволяющего в рамках схемы с одним ДУС осуществить компасирование при любой ориентации скважины,

привел к разработке инклинометрической системы с расположением вектора кинетического момента двухосного ДУС в плоскости поперечного сечения скважины (поперечной схемы).

вращения ( oZ ) и осей чувствительности ( oX, oY ) ДУС. Положение системы координат XYZ относительно o x0 y0 z0 определяется параметром ,

представляющим собой переменный угол разворота корпуса гироскопа вокруг его главной оси (рис.2). Такой разворот используется весьма часто в гиросистемах различного назначения в задаче автокомпенсации инструментальных погрешностей чувствительных элементов, прежде всего,

так называемых, корпусных уходов гироскопа.

81

Z

В точечном режиме работы поперечной схемы гироинклинометра,

информация выходных сигналов ДУС и линейных акселерометров описывается следующими выражениями:

cos A могут быть получены из (1) следующим образом

82

вычислить обе тригонометрические функции азимута, а это возможно при выполнении условия: cos 0 .

Таким образом, основным условием, определяющим возможность проведения компасирования в скважинах произвольной ориентации в поперечной схеме гироинклинометра, является установка корпуса ДУС в положения, при которых угол близок к значениям 0 (180 ) (хотя схема вполне работоспособна и при условии cos 0.707 ).

Взабойных или автономных инклинометрических системах,

спускаемых в скважину в составе колонны бурильных труб, поворот по углу

является штатной технологической операцией, осуществляемой с

помощью системы верхнего привода (СВП). Верхний привод совмещает

функции вертлюга и ротора и оснащается комплексом устройств для работы

сбурильными трубами при выполнении спускоподъемных операций .

Впромерочных инклинометрах, а также, во все более востребованных в последнее время устройствах для траекторных измерений в линиях магистралей и трубопроводов, разворот вокруг продольной оси СП (по углу

) может выполняться либо каротажным кабелем, либо с помощью

дополнительного привода осевого поворота (рис.3). При этом управление приводом может быть организовано как в самом СП, так и осуществляться от наземного пульта по кабелю.

Для обеспечения разворота вокруг продольной оси СП, например,

может быть применен шаговый двигатель с наружным ротором. Управление двигателем осевого поворота обеспечивается контроллером, заставляющим разворачивать кронштейн с установленными на нем ДУС и акселерометрами на заданный угол с заданной скоростью.

Источником исходной информации для выставки по углу могут быть акселерометры СП или расположенный на оси СП датчик угла. Привод осевого поворота может использоваться, как и СВП, в режиме установки

83

корпуса ДУС в конечное число дискретных положений (в пределе – в два положения, отстоящих друг от друга на 90 ).

Главным условием, позволяющим реализовать поперечную схему гироинклинометра, является наличие миниатюрного гироскопа требуемой точности, пригодного для расположения его главной оси в плоскости поперечного сечения скважины малого диаметра.

Рис.3

84

Лекция № 11.

Поперечная схема гироинклинометра: компасирование, инвариантное

кпусковым погрешностям ДУС

Всилу особенностей режима точечного компасирования, связанного,

прежде всего, с необходимостью включения ДУС в каждом цикле измерения и относительно короткой его продолжительностью, пусковая погрешность ДУС однозначно превалирует над его нестабильностью в пуске и определяет точность этого режима. Возможность разворота корпуса гироскопа в двух ортогональных плоскостях, реализованная в поперечной схеме гироинклинометра, позволяет обеспечить в этой схеме компасирование,

инвариантное к пусковым погрешностям ДУС.

Учитывая, что выходные сигналы измерительных каналов роторного ДУС (например, ДНГ) в поперечной схеме можно представить в виде :

ускорения на оси, ортогональные к осям чувствительности измерительных каналов (квадратурные составляющие);

покажем, как может быть получена одна из искомых

85

выставки по углу могут быть либо акселерометры, участвующие при этом

вразвороте, либо угломерное устройство;

-включается ДУС и при значении угла =0 производится измерение

выходных сигналов с его осей чувствительности;

- затем, не выключая ДУС, осуществляется его разворот по углу на

180 и в этом положении (при значении угла =0 ) вновь измеряются выходные сигналы с его осей.

При проведении вышеперечисленных действий имеем:

0

Рис.4

Итак, поперечная схема обеспечивает компасирование произвольно ориентированных скважин и позволяет проводить калибровку в пуске, при этом для траекторий скважин, не очень близких к плоскости первого вертикала, эти процедуры эффективно совмещаются, позволяя организовать

86

компасирование, инвариантное к пусковой погрешности ДУС режим,

позволяющий минимизировать время цикла в точке измерения.

Ниже будет представлена универсальная схема гироинклинометра,

которая может работать как в режиме ГК, так и в режиме ГН, и может применяться в скважинах любой ориентации.

87

Лекция №12.

Диаметральная схема гироинклинометра: алгоритмы, погрешности.

Введем следующие системы координат (см. рис. 5): ENh – горизонтную с географической ориентацией осей (соответственно на восток, север и по

плоскости поперечного сечения СП, o X ГYГ ZГ – связанную с корпусом ДУС,

ось o Z Г которой совпадает с вектором кинетического момента, а оси oX Г , oYГ

- с измерительными осями ДУС. Положение системы координат относительно географического трехгранника ENh определяется тремя ранее введенными углами – A , и .

Положение системы координат относительно

определяется углом (рис. 1) разворота вектора кинетического момента гироскопа относительно оси скважинного прибора. Очевидно, этот угол является тем универсальным параметром, который позволяет перейти от рассмотрения обобщенной схемы ГИ к конкретным вариантам ее реализации.

Действительно, «продольной» и «поперечной» схемам соответствуют значения 0 и 90 соответственно

X Г

H (ZГ )

Рис.1

88

Принципиальным отличительным признаком схемы, описываемой четвертой строкой таблицы, является возможность управления углом ,

реализуемая с помощью поворота вокруг оси, перпендикулярной вектору кинетического момента и лежащей в диаметральной плоскости скважины.

Выходные сигналы измерительных каналов ДУС с учетом модели ухода, представленной выше, имеют вид:

Ввыражениях (5) - (6):

- угловая скорость суточного вращения Земли;

- широта места объекта;

g ускорение свободного падения;

X Г , YГ - выходные сигналы измерительных каналов ДУС;

n x0 , n y0 , n z0 составляющие кажущегося ускорения, измеряемые блоком

акселерометров.

Для того чтобы сформулировать требования к углу по критерию адаптивности, т. е. обеспечения компасирования при любых параметрах траектории, рассмотрим (5) и (6) как систему двух линейных уравнений

относительно неизвестных sin A , cosA и найдем ее главный определитель:

89

т.е. диаметральная схема обеспечивает компасирование при любых траекториях скважин и разворотах скважинного прибора.

Кроме того, эта схема позволяет реализовать режим, инвариантный к пусковым погрешностям. Условием для этого является:

«диаметральной» и «поперечной» схем с точки зрения реализации компасирования, инвариантного к пусковым погрешностям ДУС. Однако здесь же необходимо подчеркнуть и отличие, имеющее не менее принципиальный характер. В «поперечной» схеме эффективность инвариантного компасирования максимальна в точке A 0 (180 ) , снижается до полной потери по мере достижения значения A 90 (270 ) и повлиять на эту ситуацию никоим образом невозможно. В «диаметральной» схеме при одном и том же значении A0 , определяемом формулой (11) эффективность определяется сочетанием параметров траектории ( , A ) и углов и .

Пример конструктивной реализации диаметральной схемы приведен на рис. 2.

90