Непрерывный инклинометр с расширенным диапазоном измерения на основе одноосного гироскопического стабилизатора

В настоящее время нефтеи газодобыча в России является одной из главных и доходных частей в экономике страны. И от того насколько рационально и эффективно бурят новые и эксплуатируют старые нефтяные, газовые и геофизические скважины зависят затраты на проведение буровых работ и объемы при добычи полезных ископаемых. Кро^ loro, в связи с изменением технологии бурения, увеличением стоимости буровых работ, правовыми проблемами связанными с использованием отведенных участков земли и т. д. ужесточились требования к точности приборов предназначенных для измерения траектории скважин. Такие приборы носят название инклинометров (от английского incline — наклон), а метод, используемый для определения положения оси ствола скважины, называют инклинометрическим.

При этом инклинометрия скважин преследует следующие цели:

— определение точного местоположения забоя скважины;

— осуществление контроля за траекторией скважины в процессе бурения, чтобы быть уверенным в достижении конечной цели;

— правильно ориентировать инструменты, обеспечивающие изменение направления бурения скважин в нужном направлении;

— не допустить пересечения пробуриваемой скважины с уже существующими скважинами;

— рассчитать глубину по вертикали залегания различных формаций для точного построения геологических карт.

Таким образом, под задачей инклинометрии понимают контроль за положением оси ствола скважины в пространстве 3D. В результате проведения инклинометрических измерений и их обработки должны быть получены данные о положении каждой точки ствола скважины в пространстве, например, в виде вертикальных и горизонтальных проекций ствола, об отклонениях фактического профиля от проектного, о положении" конечного забоя и о попадании его в круг допуска.

С появлением направленного бурения инклинометрия стала играть более важную роль, чем это было при бурении традиционно вертикальных скважин. Кроме того, пересеченный рельеф местности, линии электропередачи, трубопроводы, большое количество населенных пунктов и промышленных сооружений не позволяют установить буровую непосредственно над проектной точкой. Отсюда необходимость бурения именно наклонно-направленных скважин с достаточно большим смещением устья от проектной точки (до 700 м и более) [33]. Измерения зенитного угла и азимута ствола скважины на разных глубинах позволяют добиться направления бурения скважины в нужную точку. Следует отметить, что исследования могут выполняться как в процессе бурения, так и после его завершения, то есть информация инклинометров используется либо для аттестации скважин, либо для управления бурением. В последнем случае такие инклинометры получили название забойных, которые во время бурения находятся в устье скважины, а для определения информации об углах ориентации инструмента (бура) процесс бурения останавливают и инклинометр включают в режим измерения [29, 42, 43].

В общем случае все скважины можно разделить по определенным признакам с учетом их искривления [24] на следующие типы:

1. По пространственному положению — вертикальные, наклонные, вертикально-наклонные, горизонтальные, горизонтальнонаклонные.

2. По характеру профиля — прямолинейные (не искривленные), плоско искривленные, пространственно-искривленные. Плоско искривленные скважины характеризуются изменением только зенитного угла, а пространственно-искривленные — изменением зенитного и азимутального углов, причем это может происходить одновременно или последовательно.

3. По количеству стволов (забоев) у одно" скважины, начатой с поверхности, одноствольные и многоствольные. Многоствольными следует называть такие скважины, у которых один начальный ствол разветвляется на два и более. 4. Из указанных типов скважин можно выделить основные их комбинации:

— скважины прямолинейного профиля — могут быть вертикальными, наклонными, горизонтальными.

— скважины с плоскоили пространственно искривленным профилеммогут быть одноили многоствольными наклонными, вертикальными, горизонтальными и горизонтальными и горизонтально наклонными.

Диапазон изменения углов ориентации, особенно зенитного угла, существенно влияет на приборное построение инклинометра и соответственно на структуру математического обеспечения. Эта взаимосвязь будет четко просматриваться в прелагаемой работе.

Инклинометры осуществляют измерение первичной скважинной информации, ее преобразование, передачу по каналу связи наземному устройству, обработку и представление оператору результатов обработки для управления процессом измерения или бурения. Инклинометр состоит из скважинного прибора (СП) и наземного устройства (НУ) обработки и отображения данных. В качестве канала связи используется или специально разработанное для передачи информации оборудование (например, каротажный кабель и подъемник) или оборудование которое используется в буровом процессе (например, токопровод электробура, колонна бурильных труб) [1].

Обобщенная структура инклинометра в общем случае содержит:

1. Первичные измерительные преобразователи (датчики), размещенные в СП или непосредственно на корпусе, или в специальных подвесах. Как правило, параметры, измеряемые датчиками, или представляют собой непосредственно зенитный, азимутальный и визирный углы, или являются косвенными параметрами, однозначно характеризующими величинами углов ориентации.

2. Блок измерительных преобразователей аналоговой величины в аналоговую и (или) в цифровую, коммутаторов, устройств памяти, каналов связи.

3. Наземное устройство, которое включает в себя блок цифровой обработки информации (ПЭВМ), программное обеспечение, технические средства отображения информации, включая дисплеи и принтеры, а также устройство (пульт) управления и источник питания. В отдельных случаях тех или иных составных систем может и не быть.

Однако современная концепция построения архитектуры инклинометрических систем предполагает включение в их состав самых современных технических средств измерения, преобразования, передачи и обработки цифровой информации.

С позиций организации процесса измерений инклинометры бывают точечными (когда для проведения измерений СП в скважине останавливается на заданное время) или непрерывными (когда все измерения и обработка их результатов происходят в реальном масштабе времени при непрерывном движении СП в скважине). Потенциально точечные инклинометры являются более точными измерительными системами, чем непрерывные, однако непрерывные обладают большей производительностью, что снижает затраты на работы по аттестации скважин. Поэтому с практической точки зрения компромиссное решение смещается в область создания непрерывных малогабаритных — инклинометров повышенной точности. Причем понятие малогабаритный «относится главным образом к диаметру СП, величина которого будет определяться габаритными размерами базовых чувствительных элементов — акселерометров, феррозондов (магнитометров) и гироскопов, а также глубиной обследуемой скважины.

Вопросы измерения параметров скважин были поставлены и начали решаться практически одновременно с бурением скважин.

Важную роль в постановке проблемы контроля пространственного положения ствола скважины и создании инклинометрических систем сыграл коллектив сотрудников «кафедры информационно-измерительной^ и вычислительной техники Азербайджанского института нефти и химии (АзИНЕФТЕХИМ): A.M. Мелик-Шахназаров, Т. М. Алиев, А. А. Хачатуров, М. Е Фридман, Ю. В. Грачев. В течение 1953;1964 г. г. ими были предложены и разработаны импульсные инклинометрические преобразователи ИИ-1, ИИ-2, ИИ-3, специально предназначенные для контроля ориентации электробура при бурении [1, 25].

В 1966 году в КуйбышевНИИНП совместно с Куйбышевским политехническим институтом (Ю.В. Грачев) была разработана, а в 1966;68 г. г. изготавливалась Бугульминским заводом нефтеавтоматики, система «Ориентир-1» с проводной линией связи сбросного типа для турбинного и роторного бурения, позволяющая измерять зенитный угол и угол направления отклонителя (визирный угол).

В.И.Уваров, А. Г. Сметанин усовершенствовали инклинометрические датчики с магнитомеханическими преобразователями азимута и синусно-косинусными вращающимися трансформаторами для преобразования углов поворота магнитной стрелки, зенитного и апсидального маятника в электрический сигнал. Этими датчиками комплектовались инклинометрические системы, выпускаемые Харьковским СКБЭ [56].

В 1970 году Г. Н. Ковшовым были начаты исследования по созданию инклинометрических датчиков с повышенной точностью, виброи ударопрочностью. К работе привлекались, в основном, сотрудники Уфимского авиационного института приборостроительных специальностей, которые в дальнейшем по этому направлению защитили кандидатские диссертации (Р.И. Алимбеков, А. Б. Кильдибеков, Н. П. Рогатых, Г. В. Миловзоров, Р. А. Султанаев, Ю. М. Кочемасов и другие) [29}.

К 1979 году были разработаны основы общей теории инклинометрических систем как технических средств определения ориентации пространственного положения оси ствола скважин, включая математические модели, аналитические выражения для оценки погрешностей, принципы построения датчиков и узлов инклинометра с улучшенными эксплуатационными характеристиками, а систематическое и системное изложение теории и конкретных инженерных решений по инклинометрической технике впервые было приведено в монографии Исаченко В. Х. [24].

Из зарубежных фирм наиболее известными являются фирмы США «Istmen willstock», «Hampfri» и «Sperry-Sun» [38, 60], которые выпускают инклинометрические системы на каротажном кабеле.

Система «Dot» фирмы «Istmen willstock», контролирует зенитный угол, азимут и обеспечивает ориентацию забойного двигателя при направленном бурении. Скважинный прибор, включающий чувствительные элементы и электронные узлы, спускают в скважину на одножильном кабеле и устанавливают в бурильной трубе над забойным двигателем. Данные от скважинного прибора поступают на наземное устройство обработки информации, которое выполняет необходимые расчеты, контролирует исправность системы. Имеется выносное показывающее устройство, устанавливаемое у пульта бурильщика, на котором показываются величины зенитного угла, азимута и направление действия отклонителя. Система работает при зенитных углах от 0° до 90°.

В систему «Elektrick surwey systems» фирмы «Hampfri» входит скважинный прибор, связанный кабелем с наземным устройством обработки данных. Имеются два варианта скважинного прибора: с магнитным (диаметр 41 мм) и гироскопическим (диаметр 45 мм) датчиками. При использовании четырехжильного кабеля, каждый параметр передается по отдельному каналу. Возможна многоканальная передача данных по одножильному кабелю. Наземное устройство включает ЭВМ для обработки измерений, в частности, для расчета координат точки измерения в реальном масштабе времени. Наземное устройство выполняется в трех вариантах. В первом случае осуществляется только цифровая индикация результатов. Во втором случае помимо цифровой индикации осуществляется автоматическая цифропечать данных. В третьем варианте дополнительно регистрируются данные на магнитный носитель.

Сравнительно новый гироскопический инклинометр разработан фирмой «Girodate» (США). В нем использован ряд достижений аэрокосмической техники. В результате удалось создать прибор сравнительно небольшого размера (63.5мм), в котором значительно уменьшены ошибки, свойственные гироскопическим исследованиям, в том числе ошибки, вызванные вращением Земли. В инклинометре использована комбинация гироскопа с акселерометрами. Определяется ориентация скважины относительно севера и измеряется зенитный угол, азимут и угол установки отклонителя. Скважинный прибор содержит микропроцессор, который предварительно обрабатывает данные, устраняет методические погрешности. Затем данные кодируются и передаются на поверхность по одножильному каротажному кабелю. Наземное оборудование включает компьютер и печатающее устройство. В результате обработки определяются пространственные координаты точек ствола скважины, рассчитывается траектория ствола скважины. Отмечается, что пространственное положение точек ствола скважины определяется с погрешностью меньшей, чем 0.52 м на каждые 305 м глубины.

Гироскопическая система типа «SRG» сравнительно новая, разработана фирмой «Sperry-Sun» для использования при наличии аномалий — магнитного поля Земли. Гироскопический скважинный прибор диаметром 76 мм спускают в скважину на каротажном кабеле. Особенность, наличие в наземном устройстве микропроцессора. Измерения проводятся при спуске скважинного прибора. Микропроцессор обрабатывает данные измерений, и оператору, становится немедленно известна траектория ствола скважины.

Для проведения замера скважинный прибор нужно остановить на 2−4с~ в то время как автономный прибор необходимо было останавливать на 45.

60с, скважинный прибор измеряет также температуру и передает данные о температуре, что позволяет предохранить его от недопустимого перегрева. Исследование скважины при использовании системы «SRG"Tpe6yeT в два раза меньше времени, чем при использовании многоточечных автономных приборов. Так на скважину глубиной 2200 м требуется 175 мин при использовании автономного прибора и только 86 мин при использовании системы «SRG».

На современном этапе развития инклинометрической техники передовые позиции в разработке систем контроля скважин заняли фирмы, которые занялись разработкой и изготовлением инклинометров в рамках конверсионной деятельности. Также в числе прочих инклинометрических систем следует выделить инклинометр ИГН 100−100/60 ТПУ (г. Томск), инклинометр точечный разработки ФНЦ ОАО «РПКБ» (г. Раменское), гироскопический инклинометр ГИД АООТ «МИЭА», инклинометр ИГН 73 100/80 ООО «Арас-плюс», (г. Арзамас), который построен на базе одноосного индикаторного гиростабилизатора по схеме модифицированной БИНС, в разработке которого автор работы принимал участие в рамках совместных работ.

Структура диссертационной работы.

Работа состоит из введения, пяти глав и трех приложений.

В первой главе диссертационной работы рассматривается классификация магнитных и гироскопических инклинометров. Более детально рассмотрена классификация гироскопических инклинометров (ГИ), параметры ориентации СП ГИ и' скважины. Проводится сравнительный анализ различных вариантов ГИ и предлагается направление улучшения их характеристик. Также рассмотрена структура ГИ с гироинерциальным блоком на базе одноосного гироскопического стабилизатора. Ставится цель диссертации и очерчивается круг научных и — технических задач, поставленных и решенных в диссертации.

Вторая глава посвящается синтезу алгоритмов для определения параметров ориентации СП ГИ и анализу их точности. Рассмотрены способы формирования матрицы ориентации и приведено решение обратной задачи ориентации на основе дискретной формы уравнений Пуассона. Построены алгоритмы ориентации для обследования горизонтальных скважин. Кроме основных функциональных алгоритмов ориентации рассмотрены алгоритмы повышения точности и алгоритмы начальной выставки методом аналитического гирокомпасирования путем придания платформе с чувствительными элементами стабильной угловой скорости вокруг оси стабилизации. Обработка сигналов угловой скорости проведена методом наименьших квадратов. На основе алгоритмов ориентации решена задача навигации СП в скважине на основе прецизионного измерения приращения длины каротажного кабеля комплексным датчиком глубины, алгоритм работы которого модернизирован в направлении повышения точности.

В третьей главе предложено построение гироинерциального блока СП на основе одноосного индикаторного гиростабилизатора (ОИГС), рассматривается обобщенная математическая модель ОИГС, способы повышения статической точности ОИГС и расширение областей устойчивости за счет введения местной положительной обратной связи (ПОС) по току моментного двигателя. Методом логарифмических характеристик с применением стандартных программ MS Excel и Matlab проведен синтез контуров индикаторной стабилизации и электрического арретирования (канала датчика угловой скорости) с заданными статическими и динамическими характеристиками.

В четвертой главе рассмотрены особенности приборного построения ГИ. При этом в основном изложены технические реализации структурных схем и алгоритмов^ предложенных во второй и третьей главахсхемотехническое построение контуров стабилизации и измерения угловой скорости ОИГС, эскиз конструкции моментного двигателя с улучшенными характеристиками. Рассмотрен вопрос повышения надежности передачи информации через геофизический коллектор (ГФК) и представлен эскиз конструкции ГФК. Приведена реализация цифрового датчика глубины, который составляет основу комплексного датчика глубины, алгоритм которого приведен во второй главе.

В пятой главе представлены функциональная схема и фотографии отдельных узлов инклинометра ИГН-73−100/80, рассмотрено полунатурное моделирование в лабораторных условиях, назначение которого оценить эффективность принципов и алгоритмов, заложенных в построение гироскопического инклинометра. Глава содержит аппаратные средства для полунатурного моделирования, структуру программных средств, методику проведения полунатурного моделирования, анализ результатов полунатурного моделирования, а также результаты метрологических испытаний на реальной скважине.

Диссертационная работа также включает три приложения.

В первом приложении приведена лабораторная установка для полунатурного моделирования и дано ее краткое описание.

Второе приложение содержит результаты полунатурного моделирования (запись параметров, сформированная в виде таблиц), когда заданная траектория модельной скважины формируется трехкомпонентным стендом, движение каротажного кабеля имитируется вращением цифрового датчика глубины, а математическое обеспечение соответствует рабочему.

Третье приложение содержит акты внедрения результатов диссертации по созданию непрерывных гироскопических инклинометров в промышленность и в учебный процесс.

Данная диссертационная работа", начиная с 1995 г., выполнялась в рамках НИР по хоздоговорам: х.д. № 2763 «Анализ существующих схем и алгоритмов и выработка предложений по — созданию перспективных малогабаритных инклинометров» и х.д. № 2767 «Анализ и синтез схем одноосных гиростабилизаторов для малогабаритных инклинометров».

Публикации по теме диссертации.

По теме диссертации «опубликовано 14 научных работ, в том числе, статей, тезисов докладов и трудов материалов конференций — 6, патентов — 5, научно-технических отчёта — 3.

Публикации по главам диссертации:

Основные результаты диссертации внедрены в ООО «АРАС-ПЛЮС», г. Арзамас, где серийно изготавливается гироскопический инклинометр ИГН-73−100/80 и в ОАО «Красноярское управление геофизических работ», где он широко применяется для обследования скважин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решены задачи создания современного непрерывного гироскопического инклинометра с расширенным диапазоном измерения зенитных углов, который построен на базе одноосного гироскопического стабилизатора. Данная инклинометрическая система предназначена для определения в реальном масштабе времени углов ориентации и траектории оси симметрии нефтяных и газовых.

1. Проанализированы схемы и алгоритмы гироскопических инклинометров с позиций особенностей построения гироинерциальных блоков, точностных характеристик, диапазонов измерения параметров ориентации и эксплуатационных характеристик, предложено оригинальное схемно-алгоритмическое техническое решение, позволяющее улучшить вышеназванные характеристики.

2. Модернизирована дискретная форма кинематических уравнений Пуассона (уравнений ориентации) для случая, когда измерительные оси акселерометров и датчика угловой скорости размещены на одноосной гиростабилизированной платформе, что позволило расширить диапазон измерения зенитных углов при минимальных аппаратных затратах в гироинерциальгном блоке.

3. Предложена функциональная схема одноосной гироинерциальной системы, которая позволила реализовать алгоритмы ориентации с неполной информацией и автономную выставку в азимуте, что значительно упростило структуру алгоритмов. Основу одноосной гироинерциальной системы составляет ОИГС с ПОС по току моментного двигателя (стабилизирующего момента), при этом веденный коэффициент эффективности ПОС выбран из условия моделирования привода с параметрами технического оптимума, что позволило повысить статическую и динамическую точность стабилизации.

4. Предложен алгоритм начальной выставки, основанный на равномерном вращении измерительной оси датчика угловой скорости вокруг вертикали с последующей обработкой массива сигналов методом наименьших квадратов, что позволило автономно и с высокой точностью выполнять режим гирокомпасирования.

5. Предложена схема моментного двигателя с минимальными полями рассеяния, позволяющая уменьшить их влияние на дрейф гироскопа.

6. Модернизирован алгоритм и функциональная схема комплексного датчика глубины, что позволило более точно измерять приращение длины КК и решать задачу построения траектории СП при движении его в скважине.

7. Разработан геофизический коллектор с улучшенными эксплуатационными характеристиками, что позволило значительно повысить надежность передачи сигналов между СП и наземной ПЭВМ.

8. На основании предложенных схем и алгоритмов спроектирован гироинерциальный блок СП и создано математическое обеспечение для наземной ПЭВМ, которые стали основой создания серийного гироскопического инклинометра ИГН-73−100/80.

В ходе разработки отдельных узлов инклинометрической системы и алгоритмов ее функционирования было создано 5 изобретений, на которые получены патенты Российской Федерации.

Данная диссертационная работа, начиная с 1995 г., выполнялась в рамках х.д. № 2763 «Анализ существующих схем и алгоритмов и выработка предложений по созданию перспективных малогабаритных инклинометров» и х.д. № 2767 «Анализ и синтез схем одноосных гиростабилизаторов для малогабаритных инклинометров». Работы по созданию новых типов инклинометров продолжается и в настоящее время.