БУРЕНИЕ СКВАЖИН
УДК 622.243.272:531.746
© Г.А. Цветков, 2013
Проект создания автоматизированной управляемой прецизионной установки пространственной ориентации гироинклинометров
Г.А. Цветков, д.т.н. (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Адрес для связи: zvetkov71043@mail.ru
Ключевые слова: геомагнитное поле, гироинклинометр, гироприборы, калибровка, акселерометр, моделирование, азимут, зенитный угол, магнитометр, вектор магнитного поля.
Project of automated operated precision device of dimensional orientation of rate-gyro systems
G.A. Tsvetkov
(Perm National Research Polytechnic University, RF, Perm) E-mail: zvetkov71043@mail.ru
Key words: geomagnetic field, orientation, variations, rate-gyro system, gyro instruments, trimming, accelerometer, modeling, azimuth, inclination angle, magnetometer, vector of magnetic field.
One of the critical aspects of drilling oil and gas wells is to obtain accurate and timely information about the complex parameters of curvature wells. Error playback azimuth angles in units of spatial orientation in metrological control inklinometriceskoj equipment, more other corners are prone to influences of external factors. The least studied of the factors of influence are variations of the geomagnetic field. Research and identify errors and recommendations for minimization.
При произвольной ориентации гироинклиномет-ра [1] по курсу возникает погрешность гироприбо-ров, обусловленная произвольным углом отклонения продольной оси от географического меридиана. Система стабилизации по курсу позволяет автоматически поддерживать гироинклинометр в направлении магнитного меридиана, а с учетом магнитного склонения - стабилизировать в направлении географического меридиана [1]. Влияние ориентации измерительных осей прибора на его погрешность в зависимости от угловой скорости вращения Земли при калибровке прибора приводит к появлению погрешности его стабилизации в горизонте. Исходя из конструктивных особенностей и метрологических характеристик установок пространственной ориентации [2-9] необходимое повышение точности воспроизведения пространственных углов возможно при разработке научно обоснованных решений, позволяющих:
- устранить субъективные погрешности за счет внедрения программно-управляемого привода осей установки;
- измерять и корректировать погрешности, вызванные влиянием естественных, техногенных вариаций и неодно-родностей геомагнитного поля;
- проводить начальную прецизионную настройку установки.
В статье рассматривается проблема создания автоматизированной управляемой прецизионной установки пространственной ориентации гироинклинометров, в которой в качестве чувствительных элементов используются инерциальные приборы.
Моделирование погрешности стабилизации гироскопического инклинометра в горизонте и азимуте
Рассмотрим влияние вариаций геомагнитного поля на погрешности метрологического оборудования. При создании структурно-функциональной схемы метрологической установки для калибровки гироскопических инклинометров, зная широту местности и угловую скорость вращения Земли, можем проинтегрировать уравнения для получения углов ориентации. Интегрирование проведем методом Рунге - Кутта четвертого порядка с шагом 0,1. Для моделирования используем кинематические уравнения по углам, моделирование выполним в среде MаtchCAD. Зададим начальные данные нулевыми значениями А, составляющие угловых скоростей инклинометра - функцией от времени и определим погрешность стабилизации гироскопического инклинометра [10, 11].
Зная, что угол магнитного склонения может варьировать до 1,5°, зададим его изменение функцией от времени. Используя кинематические уравнения движения инклинометра и систему уравнений, определим ошибки углов ориентации, вызванные погрешностью воспроизведения в установке с учетом изменения вариаций геомагнитного поля. Ориентируя инклинометр по магнитному курсу, получим погрешность азимута (рис. 1, а). Как видно из рис. 1, а, погрешность воспроизведения в установке ориентации гироскопического инклинометра в установившемся режиме с учетом изменения вариаций магнитного поля дает погрешность, изменяющуюся в пределах от -3,5 до 3,5', что во много раз меньше чем без учета изменения
Рис. 1. Погрешность по азимуту, зависящая от погрешности воспроизведения установки пространственной ориентации с учетом (а) и без учета (б) изменения вариаций магнитного поля в установившемся режиме
Рис. 2. Погрешность по зенитному углу, зависящая от погрешности воспроизведения установки пространственной ориентации с учетом изменения вариаций магнитного поля
вариаций магнитного поля (см. рис. 2, б). Кроме того, при коррекции азимута в зависимости от изменения вариаций магнитного поля исчезает постоянная составляющая магнитного поля.
Погрешность по зенитному углу представлена на рис. 2, из которого видно, что она изменяется в пределах -0,б8'-0. Постоянная составляющая по зенитному углу, зависящая от погрешностей воспроизведения в установках пространственной ориентации, равна нулю.
Уменьшение влияния магнитной неоднородности
С целью уменьшения влияния магнитной неоднородности геомагнитного поля блок датчиков инклинометриче-ской аппаратуры располагают в центре вращения азимутальной и зенитной осей (УПИ-1 или УКИ-2). Это предъявляет к установке следующие дополнительные требования:
- в конструкцию установок следует вводить балансировочные грузы, что дополнительно нагружает узлы крепления азимутальной и зенитной осей;
- необходимо обеспечивать высокие механическую прочность и жесткость узлов крепления азимутальной и зенитной осей установки (без деформаций и люфтов).
Для выполнения указанных требований должен применяться более мощный электропривод зенитной оси. Становится проблемным его размещение на удалении от блока датчиков инклинометрической аппаратуры в габаритах установки для устранения девиации по отношению к инклинометрической аппаратуре. При этом снижается надежность установки в связи с ограничениями по массе инклинометрической аппаратуры. Блок датчиков последней, имеющий линейные размеры 250-400 мм, при вращении в установке образует рабочую область диаметром 400600 мм, в которой стационарная магнитная неоднородность геомагнитного поля с большой вероятностью может превышать допустимое значение, подлежащее учету при метрологическом контроле инклинометрической аппаратуры. Таким образом, расположение блока датчиков в центре вращения установки не устраняет полностью влияние неоднородностей геомагнитного поля, что снижает надежность установок, ограничивает область применения и затрудняет их автоматизацию.
В основном используется ручной режим привода осей установок, обслуживание которых требует наличия высококвалифицированного персонала на всех этапах контроля: юстировки углов ориентации инклинометрической аппаратуры в пространстве; определения и учета поправок на магнитную неоднородность и девиацию установки в рабочей зоне, а также часовых вариаций геомагнитного поля. Все эти операции занимают достаточно много времени. В результате на калибровку одного скважинного инклинометра затрачивается 5-8 ч. При этом погрешность калибровки инклинометрической аппаратуры дополнительно увеличивается из-за длительного времени калибровки, в течение которого учитываемые поправки могут изменяться. Из анализа характеристик стационарных установок пространственной ориентации инклинометриче-ской аппаратуры и метрологических параметров инклино-метрической аппаратуры следует [11], что предел основной погрешности воспроизведения азимута у установок с консольным расположением азимутальной оси составляет 4-30', зенитного угла 5-8', визирного - 8-30'. Если сравнить эти данные с требованиями, предъявляемыми к ин-клинометрической аппаратуре (соответственно 12-180', 6-30', 0,1-3°), то можно сделать вывод, что по азимуту соотношение между максимальной погрешностью эталонного азимута 30' и нижним статистическим пределом основной погрешности его измерения 12' составляет 2,5. Отмеченное противоречит требованиям ведомственной поверочной схемы для скважинных инклинометров, в соответствии с которой соотношение между пределами допускаемой погрешности образцовых и рабочих средств измерений не должно превышать 1 /3. При этом только естественные суточные вариации геомагнитного поля вносят дополнительную погрешность, которая может составлять 20-120'.
По массовым характеристикам существующие установки пространственной ориентации для инклинометрической аппаратуры с традиционной конструктивной компоновкой не предназначены для метрологического обслуживания инклинометрической аппаратуры массой 50-120 кг.
Рис. 3. Структурная схема алгоритма коррекции азимута
Метрологические установки пространственной ориентации выполнены по кинематическим и конструктивным схемам, приводящим к перегрузкам опор азимутальной и зенитной осей. Внедрение автоматизированного привода осей связано с изменением конструкции существующих установок. Таким образом, проведенный анализ известных метрологических установок [4-9] позволяет сделать следующие выводы.
1. Установки с традиционной конструктивной компоновкой по метрологическим и массовым параметрам ограничены в применении для метрологического контроля современной инклинометрической аппаратуры.
2. Погрешность воспроизведения пространственных углов не всегда соответствует требованиям ведомственной поверочной схемы для скважинных инклинометров.
3. Для установок традиционной конструкции с консольным типом узла крепления азимутальной оси требуется относительно мощный привод, который создает девиацию в установке. Это не позволяет расположить электропривод в пределах установки и полностью ее автоматизировать.
4. Внедрение на установках датчиков положения эталонных пространственных углов позволяет уменьшить погрешность считывания данных, но не снижает погрешности пространственной ориентации инклинометрической аппаратуры при метрологическом контроле.
5. Вызванные геомагнитным полем техногенные вариации соизмеримы с инструментальной погрешностью ин-клинометрической аппаратуры.
Следовательно, п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.