УДК 621.391.13
А. С. ЛЫСЕНКО, А. Е. ЕЛИСЕЕНКОВ
(ЦНИИ "Электроприбор", Санкт-Петербург).
Результаты испытаний малогабаритного гироинклинометра
с системой автокомпенсации дрейфов ДУС
В статье рассмотрены особенности малогабаритного гироинклинометра. Приводятся результаты испытаний и их анализ для системы автокомпенсации дрейфов ДУС.
Введение
В процессе бурения скважин, а также после его окончания, производятся измерения пространственного положения оси ствола скважины с целью определения соответствия параметров пробуренной скважины проектным значениям. Для этих целей используют специальные приборы – инклинометры, позволяющие определять ориентацию скважины [1]. По принципу действия различают точечные инклинометры (производят измерения в заданной точке) и непрерывные (позволяют произвести съемку всего ствола скважины в процессе движения прибора). Приборы последнего типа позволяют построить траекторию скважины по результатам одной съемки, в чем их существенное преимущество перед инклинометрами точечного типа, при использовании которых задача построения траектории существенно усложняется. Рассматриваемый прибор УГИ-42.03, разработанный совместными усилиями «ЦНИИ «Электроприбор» и относится к непрерывному типу. Внутренняя компоновка прибора представлена на рис.1.
Рис. 1 Компоновка УГИ-42.03
На рисунке обозначены:
ДУС – двухосный датчик угловой скорости;
ММГ – микромеханический гироскоп;
ИЛУ – измеритель линейных ускорений.
Данный гироинклинометр (ГИ) построен по так называемой продольной схеме[2] (рис.2). В данной схеме чувствительные элементы расположены на вращающейся рамке. Рамка имеет возможность устанавливаться в некие дискретные положения относительно продольной оси ГИ с помощью двигателя. Для измерения угла поворота на оси рамки размещен специальный оптический датчик.
Рис. 2 Продольная схема
В процессе эксплуатации данного инклинометра выявлено, что не зависящий от ускорения дрейф ДУС увеличивается с ростом глубины (рис.3). Это послужило причиной проведения соответствующих исследований, описанию которых и посвящена данная статья.
Рис. 3 Зависимости Tau X и Tau Y от глубины
На рисунке обозначены:
Tau X, Tau Y – не зависящие от ускорения корпусные дрейфы по двум осям чувствительности ДУС (X и Y соответственно).
Исследование дрейфов ДУС
При работе прибора в скважине с ростом глубины увеличивается температура. Среднее увеличение температуры с глубиной составляет 25оС/км. Было сделано предположение, что увеличение дрейфа связано с повышением температуры при спуске. Для проверки данной гипотезы были проведены испытания в термокамере. При этом температурное воздействие задавалось максимально близким к тому, которому подвергается прибор при движении по стволу скважины. Полученные зависимости изменчивости Tau X и Tau Y от температуры приведены на рис.4.
Рис. 4 Зависимости Tau X и Tau Y от температуры
Из полученной зависимости видно, что наличие существенного гистерезиса не позволяет ввести аналитическую температурную компенсацию дрейфов ДУС. Для дальнейшего поиска возможности компенсации дрейфов ДУС обратимся к алгоритму идеальной работы прибора.
Алгоритм идеальной работы ГИ
Алгоритмы работы ГИ, построенного по продольной схеме, имеют следующий вид[2,3]:
(1)
, (2)
, (3)
, (4)
где 
- соответственно азимут, зенитный угол и угол поворота корпуса ГИ вокруг оси 
(или, так называемый, угол установки отклонителя) (рис. 5); 
- измеряемые выходные сигналы ДУС;
Рис.5 Система кооординат
Представив измерения в виде:
(5)
, (6)
где 
,
можно получить [2] зависимости ошибок улов A и Q от 
:
, (7)
. (8)
Из зависимости 
видно, что для уменьшения ошибки азимута следует добиться уменьшения (а в идеале – обнуления) каждого из интегралов. Так как управлять можно только углом отклонителя, то, устанавливая рамку прибора в определенные положения, можно добиться того, что интегралы не превысят определенного заданного значения.
Для суммарной оценки двух интегралов был введен параметр N, характеризующий степень компенсации уходов ДУС прибора:
. (9)
В то же время данный параметр N пропорционален прогнозируемой ошибке угла азимута. При превышении параметром N заданного порога ошибки П, вычисляется угол рамки 
, и осуществляется разворот рамки в данное положение.
Полунатурные испытания
Для проверки предложенного алгоритма компенсации дрейфов ДУС проведены полунатурные испытания, в которых за основу взяты реальные данные о вращении прибора в скважине. На рис. 6 приведено сравнение предлагаемого метода автокомпенсации с методом реверсивных разворотов. Для оценки эффективности использовался параметр N.
Рис. 6 Полунатурные испытания
Из графика видно, что введение реверсивных разворотов приводит к уменьшению величины параметра N, а введение автокомпенсации с обратной связью позволяет добиться большей эффективности.
Стендовые испытания
При проведении стендовых испытаний исследовались различные законы вращения прибора. На рис. 7 представлено изменение параметра N при изменении угла отклонителя по сложному закону.
Рис. 7 Зависимость N от времени при изменении угла отклонителя
На рис. 8 представлены зависимости ошибок угла азимута с включенной и отключенной автокомпенсацией. Ошибка угла азимута с отключенной автокомпенсацией растет со временем. При выключенной автокомпенсации ошибка азимута находится в установленных пределах и со временем не увеличивается.
Рис. 8 Ошибка азимута от времени
Скважинные испытания
В июне 2011 года на скважине № 000 Быстринского месторождения проведены скважинные ГИ с системой автокомпенсации дрейфов ДУС. На рис. 9 показано изменение параметра N при работе прибора в скважине. Было выполнено две записи – с отключенной и включенной системой автокомпенсации. Через определенное время производились коррекции угла азимута в режиме гирокомпасирования.
Рис. 9 Изменение параметра N при работе в скважине
На рис. 10 представлена зависимость азимута от глубины при работе в скважине с выключенной и включенной системой автокомпенсации. Для оценки эффективности алгоритма рассматривался угол азимута скважины на спуске и подъеме. При работе без автокомпенсации на графике видны ступеньки при проведении коррекции. При работе с включенной системой автокомпенсации кривые азимута на спуске и подъеме совпадают, и отсутствует скачок азимута при проведении коррекции. Таким образом, использование автокомпенсации позволяет отказаться от проведения коррекции в режиме гирокомпасирования при движении по стволу скважины.
Рис. 10 Азимут при работе в скважине
Заключение.
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
1. Впервые в инклинометрии применена автокомпесация дрейфов ДУС в процессе «непрерывной» съёмки скважин;
2. Реализован режим автокомпенсации с обратной связью;
3. Ключевым элементом алгоритма автокомпенсации является постоянное отслеживание уровня «естественной» компенсации уходов ДУС, обусловленной вращением корпуса скважинного прибора;
4. Закон изменения угла и дискретности модуляционного вращения вырабатывается исходя из минимизации выбранного интегрально критерия.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ
Список литературы:
1. , , Розенцвейн прецизионная иклинометрическая съемка скважин малого диаметра. Результаты практического внедрения. Материалы XIV Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, май 2007г
2. , , Об использовании различных схем гироинклинометров для непрерывной съемки скважин произвольной ориентации. Проблемы и решения // Гироскопия и навигация. 2010. №4.
3. , , Розенцвейн прецизионная иклинометрическая съемка скважин малого диаметра. Результаты практического внедрения // Гироскопия и навигация. 2009. №1.
