Бесплатформенный гироинклинометр с автокомпенсацией для непрерывной съёмки скважин произвольной ориентации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.03, кандидат наук Лысенко, Алексей Сергеевич

• Лысенко, Алексей Сергеевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Лысенко, Алексей Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1 Анализ современного состояния и проблем развития непрерывной гироинклинометрической съёмки

1.1 Инклинометрия скважин. Методы и технические средства

1.2 Обзор гироскопических инклинометров

1.3 Проблемы непрерывной гироинклинометрической съёмки.

Постановка задачи исследования

Глава 2 Автокомпенсация дрейфов ДУС гироинклинометра, построенного по продольной схеме

2.1 Алгоритмы идеальной работы и погрешности гироинклинометра, построенного по продольной схеме. Автокомпенсация дрейфов при непрерывной съёмке скважин

2.2 Разработка режимов автокомпенсации корпусных дрейфов ДУС

2.3 Исследование эффективности метода управляемых дискретных разворотов в условиях произвольного вращения гироинклинометра

2.4 Выводы по главе

Глава 3 Разработка модифицированной продольной схемы со структурной избыточностью

3.1 Схемы построения и алгоритмы идеальной работы непрерывных ГИ, анализ их погрешностей на участках скважин близких к вертикали

3.2 Модифицированная продольная схема гироинклинометра со структурной избыточностью

3.3 Погрешности модифицированной продольной схемы гироинклинометра

3.4 Выводы по главе

Глава 4 Результаты скважинных испытаний и эксплуатации

непрерывного гироинклинометра

4.1 Практические результаты внедрения метода управляемых дискретных разворотов

4.2 Проведение экспериментальных исследований модифицированной продольной схемы гироинклинометра. Результаты эксплуатации

4.3 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Список работ автора

Приложение А (обязательное). Определение характеристик угловой скорости вращения гироинклинометра при его движении по стволу скважины

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Бесплатформенный гироинклинометр с автокомпенсацией для непрерывной съёмки скважин произвольной ориентации»

ВВЕДЕНИЕ

Потребности мировой экономики в углеводородном сырье стимулируют интенсивное развитие технологий строительства скважин различного назначения и профиля (наклонно-направленные, горизонтальные и т. д). При этом резко возрастает значимость контроля их пространственного положения, что обусловлено, например, при кустовом бурение, необходимостью предотвращения возможного пересечения их стволов, а также целым рядом других причин [1, 2, 3, 4, 5].

Основным показателем качества проведения инклинометрических измерений в скважине является точность определения декартовых координат её траектории. Разработчики самой известной и наиболее распространенной за рубежом непрерывной системы - Gyrodata (USA) в январе 2010г на своём сайте впервые позиционировали разработанный гироинклинометр, как изделие, предназначенное именно для траекторных измерений («3-D trajectory profiles for oil and gas wells») [6].

Для построения траектории скважины и, при необходимости, углов ориентации используются магнитные - применение которых ограничено открытыми (необсаженными) стволами скважин, - и гироскопические инклинометры (ГИ). Последние, обычно, классифицируют по режимам использования:

- точечные - осуществляют гирокомпасирование (ГК) в дискретных точках траектории на остановках [7, 8, 9, 10];

- непрерывные - производят съёмку скважины в процессе движения прибора по стволу, либо в режиме гироскопа направления (ГН), либо в соответствии с алгоритмами бескарданной инерциальной навигационной системы (БИНС) [11].

По сравнению с точечным, режим непрерывной гироскопической съёмки обладает рядом решающих преимуществ - отсутствие методической ошибки её

построения, производительность, а также более высокая, чем у ГК точность (при использовании внешнего курсоуказания и ограниченном времени съёмки).

ГИ эксплуатируется в широком диапазоне температур, верхний предел которых как правило превышает 100°С (нередко до 150°С) [3]. Наличие у гироскопических чувствительных элементов (ЧЭ) температурных зависимостей дрейфов, с характерным для них гистерезисом, требует принятия специальных мер для поддержания точностных характеристик ГИ. При этом практически неосуществима температурная стабилизация во всём диапазоне температур эксплуатации, а возможности калибровки гистерезисной зависимости крайне ограничены.

Лабораторные опыты (во всяком случае, применительно к динамически настраиваемому гироскопу (ДНГ), по-прежнему являющемуся наиболее употребимым гироскопом для ГИ) показывают, что в суммарной температурной нестабильности дрейфа весьма высока доля его составляющих, не зависящих от перегрузки (ускорения) - их часто называют корпусными [12]. Эти наблюдения позволяют в принципе рассчитывать на использование развитых в прикладной гироскопии приборных методов повышения точности, объединяемых понятием «автокомпенсация». Однако, их использование в ГИ определяется целым рядом особенностей.

В отличие от морских подвижных объектов, при проведении непрерывной съёмки скважин основное вращательное движение скважинного прибора (СП) -крутильные колебания кабеля - осуществляется вокруг его продольной оси. На первый взгляд, от его вращения можно было ожидать «естественной» автокомпенсации постоянных (или медленноменяющихся) составляющих дрейфов, однако в работах [12, 13] показано, что ввиду сложного характера такого вращения - необходимая эффективность автокомпенсации не достигается. Мало того, фактическое совпадение оси основного внешнего вращательного движения с единственно возможной внутриприборной осью автокомпенсационных поворотов (поперечные из-за ограничения диаметра невозможны) при общеизвестных законах их осуществления ([14]), в общем случае, приводит к падению их

эффективности, вплоть до полного исчезновения. Реализация системы управления, отрабатывающей крутильные колебания и одновременно генерирующей требуемое принудительное движение, сопряжена с внедрением быстродействующего контроллера, токоподводов неограниченного вращения и созданием заведомого «слабого» (находящегося под постоянной нагрузкой) кинематического звена. Это, совершенно очевидно, приведёт к значительному росту цены и одновременному падению надёжности ГИ, и без того эксплуатируемому в крайне сложных условиях.

Для решения задачи автокомпенсации в диссертационной работе предлагается реализовать «медленную» обратную связь между ориентацией СП в процессе движения и функциями (нестационарными коэффициентами), определяющими влияние на погрешность съёмки упоминавшихся составляющих уходов гироскопов, не зависящих от ускорений. Эти коэффициенты могут быть однозначно вычислены по информации, вырабатываемой ГИ в процессе работы по прямому назначению. По сути дела, речь идёт об управлении в режиме реального времени интенсивностью накопления ошибок, порождаемых некомпенсированными корпусными дрейфами. При этом не требуются изменения в конструкции ГИ. Для реализации предлагаемого автором Метода управляемых дискретных разворотов (МУДР) используется рамка с установленными на неё инерциальными ЧЭ. Она является необходимой компонентой практически во всех известных конструктивных решениях ГИ и используется в режиме начальной выставки ГИ для многопозиционного компасирования [15]. Автокомпенсация в процессе непрерывной съёмки осуществляется посредством установки рамки в положения, которые, как и дискретность их изменения, определяются «измеряемой» интенсивностью накопления погрешностей. При формировании алгоритмов МУДР принимаются во внимание и инженерные соображения (ограничение износа кинематических звеньев).

Наряду с устойчивостью к перепаду термобарических условий, другим важнейшим требованием, предъявляемым сегодня к гироинклинометрической съёмке, является адаптивность к траектории. Под этим термином, в данном

случае, понимается независимость точности построения траектории ствола от его пространственной ориентации. Диапазон изменения зенитных углов для современных скважин определяется вертикальным «забуриванием» (как правило) и горизонтальным «заканчиванием» (как правило - на шельфе и в сланцах, но и в целом ряде других случаев материкового бурения). Скважина может иметь и восходящий участок ствола, и тогда зенитный угол в процессе её бурения меняется от 0 до 140 - 150 градусов. Очевидно, что адаптивное решение задачи ориентации в общем случае требует трёхосного равноточного гироскопического измерителя [16]. В целях решения этой проблемы мировые лидеры в области ГИ, к которым, наряду с вышеупомянутой Gyrodata, следует отнести SEG, Sperry Drilling Servies и ряд других [6, 17, 18], в настоящее время стали строить свои изделия на основе полного набора инерциальных ЧЭ (триада датчиков угловой скорости (ДУС) и измеритель ускорений (ИУ) на базе трёх акселерометров), обрабатываемого, как правило, в соответствии с алгоритмами БИНС, ГИ Gyrodata, например, содержат два двуосных ДУС. Преимущество такого выбора кажется очевидным - решается вопрос съёмки скважин произвольной ориентации. Однако стоимость этого технического решения оказывается гораздо большей, чем могло бы показаться, что делает такие ГИ практически недоступными для большинства потенциальных потребителей. Дело в том, что угловая скорость вращения ГИ на кабеле в процессе движения в силу крутильных колебаний кабеля составляет десятки - сотни градусов в секунду [19, 20], в то время как вдоль поперечных осей ГИ (см. [20]) не превышает единиц градусов в секунду (с учётом кривизны скважины, линейной скорости съёмки и запаса на угловые вибрации СП). Таким образом, одноосный или двухосный ДУС, используемый для измерения угловой скорости вдоль продольной оси, должен иметь значительно больший динамический диапазон, чем другой (другие). Причём, как уже подчёркивалось, он должен сохранять свои точностные характеристики в широком диапазоне рабочих температур. Очевидно, что при использовании одинаковых гироскопов по всем осям расширение рабочего диапазона одного из них ведёт к потере точности. Альтернативные же решения, применяемые зарубежными

производителями, при сохранении габаритных ограничений стоят, как уже указывалось, очень дорого, и, в частности, на отечественном рынке вообще не представлены. Среди российских потребителей наиболее востребованным является ИГН-73, выпускаемый единственным отечественным серийным производителем непрерывных ГИ «Темп-Авиа» [12]. Его разработчики решили проблему измерения большой угловой скорости вокруг номинально вертикальной оси иначе, построив изделие на базе одноосного индикаторного гиростабилизатора (ОИГС) [21, 22]. Однако, такое решение не удовлетворяет требованию адаптивности: погрешности ГИ растут с увеличением зенитного угла скважины, вплоть до невозможности его работы на горизонтальных участках.

В работе [20] проводилось сравнение различных схем непрерывных ГИ (как с полным, так и усечённым набором гироскопических ЧЭ) и было показано, что, так называемая, продольная (или XY - по обозначению поперечно расположенных осей чувствительности ДУС) схема на базе одного двухосного (двух одноосных) ДУС, работающая в режиме бесплатформенного ГН, остаётся наиболее перспективной схемой построения ГИ. Там же были высказаны предположения о возможных путях нейтрализации очевидного недостатка такой схемы - роста погрешностей при стремлении зенитных углов к вертикали. Автором данной работы был сделан и первый шаг в этом направлении. В схему XY был введён микромеханический гироскоп (ММГ) для измерения угловой скорости вокруг продольной оси (схема получила обозначение XYz, что подчёркивало вспомогательный характер измерения по третьей оси). Однако, само по себе это позволило бы решать только некоторые специальные задачи на рудных выработках [23, 24], а съёмка вертикальных стволов нефтегазовых скважин, вплоть до достижения углов 4 - 5 градусов, по-прежнему проводилась бы в точечном режиме.

В диссертационной работе ставится и решается задача расширения зоны применения модифицированной указанным образом (XYz) продольной схемы, вплоть до достижения фактической (с некоторыми ограничениями, которые могут быть сняты на эксплуатационном уровне) адаптивности к траектории. Причём,

это решение не потребовало дополнительных конструктивных изменений. В схеме XYz заложена избыточность, иначе говоря, она позволяет реализовать два варианта решения задачи ориентации. Один из них - интегрирование матричного дифференциального уравнения, связывающего параметры ориентации и составляющие абсолютной угловой скорости, измеряемые тремя ДУС. Второй (схема Т) - использует данные только ММГ и показания акселерометров, инерционными составляющими, в которых в практике инклинометрической съёмки вертикальных участков всегда пренебрегают [20, 25]. В разностном сигнале интеграл от дрейфа ММГ становится наблюдаемым и, теоретически, оцениваемым.

Большой объём исследований, проведённый автором, подтвердил:

- принципиальную наблюдаемость интеграла от дрейфа ММГ, т. е. азимутальной ошибки;

- низкую чувствительность погрешностей координат к качеству (нестабильности) применяемого ММГ.

Было установлено также, что фактически полной адаптивности - вплоть до нулевого зенитного угла - можно добиться в реальных условиях только при использовании на вертикальных участках скважин МУДР.

Таким образом, актуальными являются: разработка эффективного метода автокомпенсации, учитывающего специфику вращательного движения ГИ и разработка алгоритмов работы модифицированной продольной схемы ГИ для вертикальных участков скважин.

Целью диссертационной работы является повышение точности непрерывного ГИ, построенного по продольной схеме, во всём диапазоне зенитных углов.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

• анализ традиционных методов автокомпенсации в условиях естественного вращения ГИ на кабеле;

• разработка метода автокомпенсации корпусных дрейфов ДУС для ГИ с учётом специфики его вращательного движения;

• анализ схем построения ГИ и их погрешностей на вертикальных участках скважин;

• разработка модифицированной продольной схемы ГИ со структурной избыточностью за счёт введения ММГ;

• разработка модели погрешностей модифицированной продольной схемы ГИ;

• разработка алгоритма работы модифицированной продольной схемы ГИ на вертикальных участках скважин;

• апробация на экспериментальных данных разработанных метода автокомпенсации, модифицированной продольной схемы ГИ и его алгоритма работы.

Научная новизна

Предложен метод автокомпенсации уходов датчика угловой скорости, не зависящих от ускорения, позволяющий за счёт управления дискретными положениями его корпуса и интервалами времени постоянства ограничить среднеквадратическое отклонение соответствующей составляющей погрешности азимута заданным наперёд значением. Новизна удостоверяется полученным патентом.

Впервые предложена модифицированная продольная схема гироинклинометра с дополнительным микромеханическим гироскопом, обеспечивающая за счёт структурной избыточности возможность съёмки вертикальных участков скважин.

Предложен алгоритм оценивания дрейфов микромеханического гироскопа для модифицированной продольной схемы гироинклинометра, основанный на использовании имеющейся в схеме структурной избыточности и позволяющий обеспечить требуемую точность съёмки скважин произвольной ориентации.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

Разработанный метод автокомпенсации уходов датчика угловой скорости, не зависящих от ускорения, позволяющий свести их влияние на погрешность съёмки практически к нулю, может быть использован при построении любых навигационных комплексов для подвижных объектов независимо от применённых в них типов гироскопов.

Разработанная модифицированная продольная схема гироинклинометра с дополнительным микромеханическим гироскопом позволяет производить непрерывную съёмку вертикальных участков скважин.

Разработанный алгоритм вычисления параметров ориентации для модифицированной продольной схемы гироинклинометра, используемый совместно с автокомпенсацией, обеспечивает требуемую точность съёмки скважин произвольной ориентации.

Информация о среднеквадратическом отклонении погрешностей плановых координат, вырабатываемая ковариационным каналом, позволяет принять решение о времени, а также необходимости проведения остановки и гирокомпасирования.

Результаты работы внедрены в универсальный гироскопический инклинометр УГИ-42.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод автокомпенсации с помощью управляемых дискретных разворотов (МУДР) позволяет свести влияние уходов датчика угловой скорости, не зависящих от ускорения на погрешность съёмки практически к нулю при минимальных, по сравнению с известными методами автокомпенсации, ресурсных затратах.

2. Модифицированная продольная схема гироинклинометра с дополнительным микромеханическим гироскопом позволяет производить непрерывную съёмку вертикальных участков скважин.

3. Алгоритм вычисления параметров ориентации в модифицированной продольной схеме гироинклинометра, используемый совместно с

автокомпенсацией, обеспечивает требуемую точность съёмки скважин произвольной ориентации.

Теоретико-методологическую основу диссертационного исследования составляют методы решения дифференциальных уравнений, алгебры матриц, основы теории вероятностей, теории оптимального оценивания и фильтрации. При анализе использовались методы статистических испытаний и математического моделирования.

Достоверность научных положений основана на корректной постановке задач исследования, подтверждена математическим моделированием с использованием пакета прикладных программ Ма1ЬаЬ и известных теоретических положений. Результаты моделирования подтверждаются стендовыми и скважинными испытаниями.

Апробация работы. Основные результаты и работы докладывались и обсуждались на:

- конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением», С.Петербург, Россия: XI (2009 г.), XIII (2011 г.), XIV (2012 г.), XVI (2014 г.);

- XLI научной и учебно-методической конференции Национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, С.-Петербург, Россия (2012г.);

- XIX международной конференции по интегрированным навигационным системам, С.-Петербург, Россия (2012г.);

- 67-й Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, С.-Петербург, Россия (2014г.);

- XXVIII (2012г.) и XXIX (2014г.) конференциях памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н. Н. Острякова, С.-Петербург, Россия.

Объектом исследования является гироскопический инклинометр, построенный по продольной схеме.

Внедрение результатов. Предложенный метод автокомпенсации используется в процессе съёмки скважин гироинклинометром УГИ-42 (УГИ 42120/60) ЛИМЦ.402114.001. Его конструкция дополнена ММГ. Разработанные

алгоритмы используются для обработки данных ЧЭ при непрерывной съёмке скважин гироинклинометром УГИ-42.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, среди которых 4 статьи в научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК, и 4 публикации в изданиях, индексируемых в международных базах данных Web of Science или Scopus, 10 - в трудах конференций, получен 1 патент на изобретение.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и 3-х приложений, изложена на 170 страницах машинописного текста (включая приложения), содержит 56 рисунков и 19 таблиц, список цитированной литературы содержит 75 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, а также приведено краткое содержание работы.

В первой главе вводятся основные понятия инклинометрии скважин и обсуждаются её методы и технические средства. Отмечается повышение значимости непрерывной гироскопической съёмки, ставшей «конечной инстанцией» при контроле траектории построенных скважин. На основе обзора отечественного и зарубежного рынка:

- делаются выводы о современных тенденциях развития ГИ;

- формулируются основные признаки современной проблематики непрерывной гироинклинометрической съёмки;

- ставятся задачи, непосредственному решению которых посвящена диссертация.

Во второй главе рассмотрены алгоритмы работы ГИ, построенного по продольной схеме на наклонных участках скважин, и проведён анализ гироскопической составляющей его погрешности в условиях произвольного вращения СП на грузонесущем кабеле. Для описания этого вращения на основании имеющихся обширных экспериментальных данных предложен случайный процесс (процедура его идентификации вынесена в Приложение А). Предложен способ автокомпенсации корпусных уходов ДУС, названный МУДР (метод управляемых дискретных разворотов) и алгоритм его реализации. На

основании вышеупомянутого статистического описания произвольного вращения ГИ с помощью метода Монте-Карло произведены сравнительные статистические испытания эффективности МУДР и известных (с постоянным вращением и реверсными разворотами на фиксированные углы) методов автокомпенсации.

Третья глава начинается со сравнительного анализа погрешностей различных схем построения гироскопических инклинометров на вертикальных участках скважин, и делается вывод о перспективности, несмотря на известные трудности, адаптации для них ГИ, построенного по продольной схеме. Предлагается ввести в него дополнительный ММГ, и, за счёт создаваемой структурной избыточности, оценивать его погрешность. Разрабатывается соответствующий алгоритм на базе ОФК. В совокупности с МУДР это позволяет обеспечить необходимую точность съёмки скважин произвольной ориентации. Впервые в геофизической практике предлагается на основании информации об СКО погрешностей плановых координат, вырабатываемых ОФК, принимать решение о времени и необходимости остановки и о проведении ГК для коррекции углов ориентации.

В четвертой главе приведены результаты скважинных испытаний и эксплуатации гироинклинометра УГИ-42, явившегося основным объектом внедрения результатов диссертации.

В заключении формулируются основные научные и практические результаты диссертации.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОБЛЕМ РАЗВИТИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ГИРОИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКОЙ СЪЁМКИ

В первой главе обсуждаются задачи инклинометрической съёмки скважин, проводится обзор современного состояния гироинклинометрической техники, на основании которого выявляются основные тенденции и наиболее актуальные проблемы её развития. Из числа последних определяются и ставятся основные задачи диссертационного исследования.

1.1 Инклинометрия скважин. Методы и технические средства

В последние десятилетия непрерывно для увеличения производительности месторождений полезных ископаемых активно используется способ бурения скважин непосредственно в область залегания геологического объекта. Скважинный способ добычи сырья наряду с разработкой углеводородов, где он является естественным, в последние годы стал широко использоваться и для разработки рудных и других твердых пород, будучи почти в 20 раз экономичнее шахтного способа и обладая определенными преимуществами экологического и социального плана. Такие технологии, в свою очередь потребовали решения целого ряда проблем, в частности, точного описания траектории скважин, как в абсолютных, а точнее связанных с Землёй (местных декартовых или географических) координатах, так и в относительных, связанных с местонахождением пропластков, нефтегазовых водоразделов, рудных тел и т. п. геологической информацией. В обеспечение решения вышеперечисленных задач разрабатываются многообразные методы и средства подземной навигации, в том числе инклинометры. Следует отметить, что, для обозначения, с одной стороны, инклинометрических систем в целом, а с другой - СП, часто используется обобщенный термин - инклинометры.

Для определенности, здесь и далее, в данной работе, будем считать назначением инклинометров определение ориентации, относительно отсчетной

системы координат, касательной к траектории скважины в точке, совпадающей с положением оси симметрии корпуса СП, а также угла его поворота вокруг этой касательной (угол установки отклонителя). Счисление же местоположения нижнего наконечника СП в той же системе декартовых координат, т. е. решение собственно задачи навигации или инклинометрической съёмки (в принятой в геофизике терминологии - апостериорного построения траектории скважины) будем считать прямым назначением инклинометрической системы. Наряду с ней, потребителем информации об угловом положении СП (в случае его использования в процессе бурения) является автоматизированная - включающая оператора, систему верхнего привода (top drive), или автоматическая -управляющая с помощью забойной RSS (rotary steerable system) направлением прилагаемого долотом породоразрушающего момента - система управления (АСУ) положением КНБК (компоновки низа буровой колонны) при наклонно-направленном бурении (ННБ). Эта технология строительства скважин в последние годы стремительно вытесняет традиционные, не обеспечивающие в современных условиях должные скорость и качество проходки. Для настоящего времени характерно существенное возрастание доли ННБ (до 80% скважин сегодня являются таковыми). Это обусловлено тем, что при ограниченном (в 1,52 раза) росте эксплуатационных затрат дебит скважины возрастает в 5 - 8 раз, а при разработке месторождений континентального шельфа этот метод не имеет альтернативы. Задачи АСУ КНБК, в известном смысле, аналогичны возникающим при автоматизированном (приборы - рулевой - органы управления движением) или автоматическом (автопилот) управлении подвижным объектом - это стабилизация или программное изменение направления движения (бурения). Подытоживая вышесказанное, можно классифицировать инклинометры по назначению, разделяя их на промерочные и забойные. Последние, как раз и обеспечивают решение задач АСУ КНБК, являясь составной частью так называемых забойных телеметрических (ЗТС), или (в англоязычной литературе) MWD (measurement while drilling - измерение в процессе бурения) - систем. Промерочные же инклинометры предназначены для съёмки - построения

траектории ранее пробуренных скважин. Они могут иметь, как правило, кабельный - канал электропитания и связи «забой-устье», а могут быть автономными, используя батареи или аккумуляторы и сохраняя полученную информацию на носителях типа flash-памяти, считываемых в устье скважины после проведения спускоподъёмных операций (СПО). Забойные инклинометры в составе ЗТС всегда связаны с дневной поверхностью каналом связи той или иной физической природы - инфранизкочастотным электромагнитным, гидроимпульсным, акустическим, реже - проводным; в случае автоматического управления бурением используется также, так называемый short channel связи основной MWD-системы с RSS. Условия эксплуатации и промерочных, и забойных приборов характеризуются агрессивной, с высоким содержанием абразива, средой и жесткими термобарическими условиями, в частности, очень высокими температурами, в последние годы демонстрирующими отчетливую тенденцию к росту. Это, разумеется, связано с увеличением глубины залегания углеводородов на разрабатываемых месторождениях (градиент температуры, в зависимости от района освоения, находится в пределах 25 - 45 °C/1000 м вертикальной глубины, доходя в отдельных случаях до 60°). Таким образом, буквально за последние 15 лет, предельные температуры использования инклинометров выросли со 125 - 150 до 200 - 210 °C. Соответственно увеличиваются и давления, при которых должны работать все типы инклинометров, достигая 105 МПа. В совокупности с неизбежным уменьшением поперечного сечения окончаний скважин с ростом глубины, перечисленные факторы предельно усложняют абсолютно все конструктивно-технические решения СП, диаметр которых сегодня ограничивается 42 - 44 мм. Кроме того, в забойных применениях, для которых характерен высокий уровень виброударных нагрузок - (15 - 30 g) в полосе частот (5 - 150 Гц) - малые габариты существенно ограничивают возможности эффективной амортизации [3, 26].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лысенко, Алексей Сергеевич, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Исаченко, В.Х. Инклинометрия скважин / В.Х. Исаченко. -М.: Недра, 1987.

2. Калинин, А.Г. Искривление скважин / А.Г. Калинин. -М.: Недра, 1987.

3. Ковшов, Г.Н. Приборы контроля пространственной ориентации скважин при бурении / Г.Н. Ковшов, Г.Ю. Коловертнов. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 1989.

4. Техническая инструкция по проведению геофизических исследований и работ на кабеле в нефтяных и газовых скважинах. -М., 2001.

5. Молчанов, А.А. Геофизические исследования горизонтальных нефтяных скважин / А.А. Молчанов, Э.Е. Лукьянов, В.А. Рапин. -С.-Петербург: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы (МАНЭБ), 2001.

6. http://www.girodata.com

7. Фрейман, Э.В. Способ определения азимута и зенитного угла скважины и гироскопический инклинометр / Э.В Фрейман, С.В. Кривошеев и др. // Патент РФ №2100594. -1997.

8. Фрейман, Э.В. Особенности построения алгоритмов ориентации гироскопических инклинометров на базе одноосного гиростабилизатора / Э.В. Фрейман, С.В. Кривошеев, В.В. Лосев // Гироскопия и навигация. -2001. -№1. -С.36-46.

9. Рогатых, Н.П. Математические модели инклинометрических датчиков / Н.П. Рогатых // -Геофиз. аппаратура. -1994. -Вып. 98. -С. 87-100.

10. Воронков, В.В. / В.В. Воронков, В.В. Кутырев, Н.М. Ашимов // Гироскопическое ориентирование. -М.: Недра, 1980.

11. Биндер, Я.И. Современные и информационно-измерительные комплексы систем подземной навигации и ориентации / Я.И. Биндер и др. // Гироскопия и навигация. -2003, -№ 1 (40). -С. 110-122.

12. Binder, Ya.I. Autocompensation of drifts of an angular rate sensor of a continuous gyroscopic inclinometer by discrete modulation rotations / Ya.I.

Binder, A.S. Lysenko, T.V. Paderina, V.G. Rozentsvein // Сборник материалов 19th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2012. -Proceedings 19. - 2012. -С.15-22.

13. Лысенко, А.С. / Результаты испытаний малогабаритного гироинклинометра с системой автокомпенсации дрейфов датчика угловой скорости / А.С. Лысенко, А.Е Елисеенков // Сборник материалов XIV научно-технической конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». -2012. -С. 88-94.

14. Окон, И.М. Методы автокомпенсации уходов гироскопических приборов: Учебное пособие / И.М. Окон. -Л.: ЛЭТИ, 1990. -115 с.

15. Биндер, Я.И. / Бесплатформенные инерциальные измерительные модули: компасирование и калибровка на неподвижном основании в условиях ограничения угловых перемещений / Я.И. Биндер, Т.В. Падерина // Гироскопия и навигация. -2003. -№ 4.

16. Анучин, О.Н. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов: 2-е изд., допол. / О.Н. Анучин, Г.И. Емельянцев. -СПб: ЦНИИ "Электроприбор". -2003. - 390с.

17. http://www.seg-nav.de

18. http://www.scientificdrilling.com

19. Биндер, Я.И. Динамика гироскопического инклинометра / Я.И. Биндер, В.М. Мусалимов, П.А. Сергушин, Д.А. Соколов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. -2010. -Т. 53. -№2. -С. 7-10.

20. Биндер, Я.И. Об использовании различных схем гироинклинометров для непрерывной съемки скважин произвольной ориентации / Я.И. Биндер, Т.В. Падерина, А.С. Лысенко, А.Н. Федорович // Гироскопия и навигация. -2010. -№ 4 (71). -С. 53-73.

21. Фрейман, Э.В Способ определения азимута и зенитного угла скважины и гироскопический инклинометр / Э.В. Фрейман, С.В. Кривошеев и др. // Патент РФ №2100594. -1997.

22. Фрейман, Э.В. Особенности построения алгоритмов ориентации гироскопических инклинометров на базе одноосного гиростабилизатора / Э.В. Фрейман, С.В. Кривошеев, В.В. Лосев // Гироскопия и навигация. -2001. -№1. -С. 36-46.

23. Биндер, Я.И. Мобильная инклинометрическая станция для непрерывной съемки и совместной привязки траекторий стволов группы скважин подземной выработки / Я.И. Биндер [и др.] // Гироскопия и навигация. -2011. -№2 (73). -С. 27-38.

24. Биндер, Я.И. Мобильная инклинометрическая станция на основе микромеханических чувствительных элементов для съемки траекторий стволов группы скважин подземной выработки / Я.И. Биндер [и др.] // Гироскопия и навигация. -2013. -№1 (80). -С. 95-106.

25. Лысенко, А.С. / Использование ММГ для обеспечения непрерывной съемки вертикальных участков скважин / А.С. Лысенко // Гироскопия и навигация. -2016. -№1 (92). -С. 72-87.

26. СТ ЕАГ0-013-01. Аппаратура и оборудование для геофизических исследований скважин. Методы и средства испытаний. -М.: ЕАГО, 1996. -44 с.

27. Кошляков, В. Н. Теория гироскопических компасов. / В.Н. Кошляков. -М., 1972.

28. Матвеев, С.С. Гирокомпасы и гирогоризонткомпасы. / С.С. Матвеев. -Л., 1974.

29. Анучин, О.Н. Об эффективности использования данных относительного лага в корабельных интегрированных системах ориентации и навигации на основе бескарданных инерциальных модулей / Г.И. Емельянцев, О. Н. Анучин // Гироскопия и навигация. -2001. -№ 3.

30. Николаенко, В.Г. / Маркшейдерские работы при сооружении вертикальных стволов. / В.Г. Николаенко, В.Н. Соловьев. -М.: Недра, 1977.

31. Ропяной, А.Ю. Малогабаритная гироскопическая телесистема / А.Ю. Ропяной, В.З. Скобло // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. -2001. -№1.

32. Слезкин, Л.Н. О работах НИИ прикладной механики им. академика В.И.Кузнецова в области инклинометрии / Л. Н. Слезкин, В. В. Шекшня, А. Н. Столяров // Гироскопия и навигация. -1999. -№3. -С. 125.

33. Розенцвейн, В.Г. / Современное состояние скважинных гироскопических навигационных систем / В.Г. Розенцвейн // Сборник статей и докладов под ред. академика РАН В. Г. Пешехонова "Применение гравиинерциальных технологий в геофизике". -СПб., ЦНИИ Электроприбор. -2002. -С. 146-167.

34. Емильянов, Г.С. Интегрированный гироскопический инклинометр с электромагнитным подвесом ротора / Г.С. Емильянов, Ю.Т. Морозов, А.В. Тиль, А.А. Геркус. //В книге: Методика и техника разведки. -№ 7(145). -Л., ВИТР, 1996. -С.19-25.

35. Тиль, А.В. Гироскоп-акселерометр со сферическим ферромагнитным ротором в магниторезонансном подвесе / А.В. Тиль // А.С. №2064163. -1996.

36. Ермаков, В.С. Разработка виброударостойкого гироскопа для скважинной навигации / В.С. Ермаков [и др.] // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. -2000. -№ 11. -С.30-35.

37. Ропяной, А.Ю. Малогабаритная гироскопическая телесистема / А.Ю. Ропяной, Скобло В.З. // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. -2001. -№1.

38. Слезкин, Л.Н. О работах НИИ прикладной механики им. академика В.И. Кузнецова в области инклинометрии / Л.Н. Слезкин, В.В. Шекшня, А.Н. Столяров // Гироскопия и навигация. -1999. -№3. -С. 125.

39. Белянин, Л.Н. Алгоритмы вычислений в непрерывном гироскопическом инклинометре / Л.Н. Белянин // Сборник статей "Автоматизация и информационное обеспечение технологических процессов в нефтяной промышленности. -Томск. -Изд-во Томского ун-та. -2002. -С. 50-63.

40. Белянин, Л.Н. Опыт создания гироскопического инклинометра / Л.Н. Белянин, А.Н. Голиков, В.М. Мартемьянов, С.Н. Самойлов // Сборник статей "Автоматизация и информационное обеспечение технологических процессов в нефтяной промышленности". -Томск. -Изд-во Томского ун-та. -2002. -С. 34-49.

41. Белянин, Л.Н. О влиянии геометрических погрешностей установки измерительного блока скважинного прибора инклинометра и устройств центрирования на точность определения инклинометрических параметров скважины / Л.Н. Белянин // Сборник статей "Автоматизация и информационное обеспечение технологических процессов в нефтяной промышленности". -Томск. -Изд-во Томского ун-та. -2002. -С. 64-69.

42. Емельянов, Г.С. Интегрированный гироскопический инклинометр с электромагнитным подвесом ротора / Г.С. Емельянов, Ю.Т. Морозов, А.В. Тиль, А.А. Геркус. //В книге: Методика и техника разведки. -№7(145). -Л., ВИТР, 1996. -C.19-25.

43. Гуськов, А.А. Алгоритм начальной азимутальной ориентации гироскопического инклинометра / А.А. Гуськов, И.В. Норинская, Н.В. Здор // Приволжский научный вестник. -№ 12 (28). -Часть 2. -Декабрь 2013.

44. Биндер, Я.И. О нецелесообразности использования в навигационном счислении курса, вырабатываемого ИНС. / Я.И. Биндер // VII Российская научно-техническая конференция «Навигация, гидрография и океанография: приоритеты развития и инновации морской деятельности» «НГ0-2011». Труды конференции.

45. http://www.stockholmprecisiontools.com/ru/

46. Линч, Д.Д. Перенесение технологии создания датчиков, используемых в космических системах, в разработки, предназначенные для бурения нефтяных скважин / Д.Д. Линч, А. Мэттьюз, Г.Т. Варти // Гироскопия и навигация. -1998. -№4. -С.132-141.

47. Гуськов, А.А. Непрерывные гироскопические инклинометры - особенности построения и результаты эксплуатации / А.А. Гуськов, В.В. Кожин, С.В.

Кривошеев, Э.В. Фрейман // НТВ «Каротажник». -Тверь: Изд. АИС. -Вып. 4(181). -2009.

48. Биндер, Я.И. Малогабаритные гироскопические инклинометры, проблемы, концепция развития, результаты разработки и внедрения / Я.И. Биндер, Т.В. Падерина, В.Г. Розенцвейн, А.Е. Елисеенков // Гироскопия и навигация. -2006. -№3.

49. Биндер, Я.И. Бесплатформенные инерциальные измерительные модули: компасирование и калибровка на неподвижном основании в условиях ограничения угловых перемещений / Я.И. Биндер, Т.В. Падерина // Гироскопия и навигация. -2003. -№4 (43). -С. 29-40.

50. Пельпор, Д.С. Динамически настраиваемые гироскопы / Д.С. Пельпор, В.А. Матвеев, В.Д. Арсеньев. -М.: «Машиностроение», 1988.

51. Новиков, Л.З. / Л.З. Новиков, М.Ю. Шаталов // Механика динамически настраиваемых гироскопов. -Москва «НАУКА», 1985.

52. Зельдович, С.М. Автокомпенсация инструментальных погрешностей гиросистем / С.М. Зельдович, М.И. Малтинский, И.М. Окон, Я.Г. Остромухов. -Л.: «Судостроение», 1976.

53. Levinson, E. MARLIN - next generation marine inertial navigator / Levinson E., Majure R // SymposiumGyro Technology. -Stuttgart, 22-23 Sept., 1987.

54. Степанов, О.А. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации. Ч.1. Введение в теорию оценивания. Изд. 2-е, испр. и доп. / О.А. Степанов. -СПб.: ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 2010. -509 с.

55. Калинин, А.Г. Естественное и искусственное искривление скважин / А.Г. Калинин, В.В. Кульчицкий. -M.: Институт компьютерных исследований, Регулярная и хаотическая динамика, 2006. -640 с.

56. Степанов, О.А. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации. Ч.2. Введение в теорию фильтрации / О.А. Степанов. -СПб.: ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 2012. -417 с.

57. Отраслевая система обеспечения единства измерений. Инклинометры и ориентаторы. Методика поверки. МУ 41-17-1373-87. -Л.:, 1988.

58. СТ ЕАГО-013-01. Аппаратура и оборудование. Аппаратура для инклинометрии необсаженных скважин. Параметры, характеристики, требования. Методы контроля и испытаний. -М.: ЕАГО, 1996. -46 с.

59. Кремер, Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статика: учебник для студентов вузов, обучающимся по экономическим специальностям / Н.Ш. Кремер. 3-е изд., перераб. и доп. -М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2012. -551 с. -Серия «Золотой фонд российских учебников».

60. Биндер, Я.И. Азимутальная выставка инклинометров для скважин произвольной ориентации с использованием GPS-компаса. / Я.И. Биндер,

B.C. Перовский // Научно-технический вестник С.-Петербургского университета информации, технологий, механики и оптики. -2008. -№57. -

C.41-46.

61. Коровин, В.М. Способ контроля азимутальной направленности скважины с использованием GPS (варианты) и поверочная инклинометрическая установка для реализации способа контроля азимутальной направленности скважины с использованием GPS / В.М. Коровин, И.Т. Галимов, А.Р. Ардаширов, А.А. Шилов, Г.З. Валеев // Патент РФ №2433262.

62. Биндер, Я.И. Инклинометр непрерывного действия на основе бесплатформенного гироскопа направления. / Я.И. Биндер, Т.В. Падерина. // Известия высших учебных заведений. -Приборостроение, 2010. -Т.53. -№2. -С. 7-10.

63. Plotnikov, P.K. Cardanless Gyroinclinometrs Based on Micromechanical Gyros and Accelerometers / P.K. Plotnikov, A.B. Melnikov, V.B. Nikishin, A.A. Skripkin // Symposium gyro technology 2000. -Stuttgard, Germany.

64. Плотников, П.К. Алгоритмы и математическое моделирование работы бескарданного гироинклинометра на основе микромеханических гироскопов и акселерометров. / П.К. Плотников, В.В. Никишин, А.В. Мельников, А.А. Скрипкин // Гироскопия и навигация. -2000. -№4. -С.63.

65. Падерина, Т.В. Разработка бесплатформенного гироинклинометра с датчиком угловой скорости для скважин произвольной ориентации / Т.В. Падерина // Автореферат диссертации кан. тех. наук. -СПб, 2005. -18 с.

66. Биндер, Я.И. Актуальные вопросы построения и использования непрерывных гироинклинометров / Я.И. Биндер // Каротажник. -2011. -№ 12. -С.97-119.

67. Андреев, В.Д. Теория инерциальной навигации. Кн.1. Автономные системы. Кн.П. Корректируемые системы. / В.Д. Андреев. -М.: Наука, 1996, 1967.

68. Емельянцев, Г.И. Интегрированные инерциально-спутниковые системы ориентации и навигации / Г.И. Емельянцев, А.П. Степанов // Под общей ред. акад. РАН В.Г. Пешехонова. -СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. -394 с.

69. Степанов, О.А. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации / Степанов О.А. -Санкт-Петербург, 1998. -370 с.

70. Матвеев, В.В. Инженерный анализ погрешностей бесплатформенной инерциальной навигационной системы / В.В. Матвеев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. -2014. -№9-2. -С.251-267.

71. Биндер, Я.И. Высокопроизводительная прецизионная инклинометрическая съемка скважин малого диаметра. Результаты практического внедрения / Я.И. Биндер, Т.В. Падерина, В.Г. Розенцвейн // Гироскопия и навигация. -2009. -№ 1 (64). -С.52-62.

72. Свешников, А.А. Прикладные методы теории случайных функций / А.А. Свешников. // 2-е изд.. -Наука, 1968.

73. Химмельблау, Д. Анализ процессов статистическими методами / Д. Химмельблау. - М.: Мир, 1973. -957 с.

74. Жук, В.В. Тригонометрические ряды Фурье и элементы теории аппроксимации / В.В. Жук, Г.И. Натансон. -Л.: изд. ЛГУ, 1983. -186 с.

75. Розов, А.К. Оценивание параметров случайных сигналов в автоматических системах / А.К. Розов. -Л.:Машиностроение, 1990.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Лысенко, А.С. Об использовании различных схем гироинклинометров для непрерывной съемки скважин произвольной ориентации. Проблемы и решения / Я.И. Биндер, Т.В. Падерина, А.Н. Федорович // Гироскопия и навигация. -2010. -№4. -С. 53-73.

2. Лысенко, А.С. Мобильная инклинометрическая станция для непрерывной съемки и совместной привязки траекторий стволов группы скважин подземной выработки / Я.И. Биндер, А.Е. Елисеенков, В.Г. Розенцвейн // Гироскопия и навигация. -2011. -№2. -С. 27-38.

3. Лысенко, А.С. Мобильная инклинометрическая станция на основе микромеханических чувствительных элементов для съемки траекторий стволов группы скважин подземной выработки / Я.И. Биндер, А.Е. Елисеенков, В.Г. Розенцвейн, В.М. Денисов, Д.А. Соколов // Гироскопия и навигация. -2013. -№1. -С. 95-106.

4. Лысенко, А.С. Использование ММГ для обеспечения непрерывной съемки вертикальных участков скважин // Гироскопия и навигация. -2016. -№1. -С. 72-87.

5. Лысенко, А.С. Способ автокомпенсации независящих от ускорения дрейфов гироскопического устройства / Я.И. Биндер // Патент 2603767 Российская Федерация, МПК G01C 19/00; патентообладатель АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». - №2015132006/28. -заявл. 31.07.2015. -опубл. 27.11.2016 . -Бюл. № 33.

В прочих изданиях:

1. Lysenko, A.S. Algorithms and design of longitudinal gyroinclinometer for vertical parts of wellbores / Lysenko A.S. // Gyroscopy and Navigation. -2016. -Т. 7. -№ 3. -С. 253-263.

2. Лысенко, А.С. О применении гироинклинометра, построенного по продольной схеме в вертикальных скважинах // Сборник материалов XXIX конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н.Острякова. -2014. -С. 137-149.

3. Лысенко, А.С. Новые технические решения для управления проводкой скважин на арктическом шельфе / Я.И. Биндер, А.Л. Гутников, А.Е. Елисеенков, Т.В. Падерина, В.Н. Полиенко, В.Г. Розенцвейн, Д.А. Соколов, О.Е. Евграфов, П.А. Клюшкин // Сборник материалов XXI Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. -2014. -С. 33-45.

4. Lysenko, A.S. A new engineering approach to hole-making position control on the arctic shelf / Ya.I. Binder, A.L. Gutnikov, A.E. Eliseenkov, T.V. Paderina, V.N. Polienko, V.G. Rozentsvein, D.A. Sokolov, O.E. Evgrafov, P.A. Klyushkin // Сборник материалов 21st Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2014. -2014. -С. 53-64.

5. Lysenko, A.S. MEMS-based downhole tool incorporated in mobile inclinometric station for trajectory survey of grouped wellbores / Y.I. Binder, A.E. Eliseenkov, V.G. Rozentsvein, V.M. Denisov, D.A. Sokolov // Gyroscopy and Navigation. -2013. -Т.4. -№ 2. -С. 85-91.

6. Lysenko, A.S. Autocompensation of drifts of an angular rate sensor of a continuous gyroscopic inclinometer by discrete modulation rotations / Ya.I. Binder, T.V. Paderina, V.G. Rozentsvein / Сборник материалов 19th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2012. -2012. -С. 15-22.

7. Лысенко, А.С. Автокомпенсация дрейфов ДУС непрерывного гироинклинометра с использованием дискретных модуляционных разворотов / Я.И. Биндер, Т.В. Падерина, В.Г. Розенцвейн // Сборник материалов XIX Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. -2012. -С. 8-15.

8. Лысенко, А.С. Результаты испытаний малогабаритного гироинклинометра с системой автокомпенсации дрейфов датчика угловой скорости / А.Е. Елисеенков // Сборник материалов XIV конференции молодых ученых "Навигация и управление движением". -Научный редактор: О.А. Степанов, под общей редакцией В.Г. Пешехонова. -2012. -С. 88-94.

9. Лысенко, А.С. Скважинный прибор мобильной инклинометрической станции для непрерывной съемки стволов группы скважин подземной выработки на базе микромеханических чувствительных элементов / Я.И. Биндер, А.Е. Елисеенков, В.Г. Розенцвейн, В.М. Денисов, Д.А. Соколов // Сборник материалов XXVIII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н.Острякова. -ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». -2012. -С. 9.

10. Lysenko, A.S. Continuous gyro-inclinometric survey of arbitrarily oriented wellbores: various schemes, problems, and solutions / Y.I. Binder, T.V. Paderina, A.N. Fedorovich // Gyroscopy and Navigation. -2011. -Т. 2. -№ 1. -С. 16-26.

11. Lysenko, A.S. Mobile inclinometric station for continuous surveying and relative positioning of grouped wellbores / Ya.I. Binder, A.E. Eliseenkov, V.G. Rozentsvein // Gyroscopy and Navigation. -2011. -Т. 2. -№ 4. -С. 247-255.

12. Лысенко, А.С. Об использовании различных схем гироинклинометров для непрерывной съемки скважин произвольной ориентации. Проблемы и решения / Я.И. Биндер, Т.В. Падерина, А.Н. Федорович // Сборник материалов XVII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. -2010. -С. 78-90.

13. Lysenko, A.S. Continuous gyro-inclinometric survey of arbitrarily-oriented wellbores: various circuitry designs, problems and solutions / Ya.I. Binder, T.V. Paderina, A.N. Fedorovich // Сборник материалов 17th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2010. -2010. -С. 84-94.

14. Лысенко, А.С. Опыт проведения непрерывной инклинометрической съемки при строительстве наклонного хода станции метрополитена / Т.В. Падерина,

В.С. Первовский, Д.А. Соколов // Сборник материалов XI конференции молодых ученых "Навигация и управление движением". -Научный редактор: О.А. Степанов, под общей редакцией В.Г. Пешехонова. -2009. -С. 97-102.

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное)

Определение характеристик угловой скорости вращения гироинклинометра при его движении по стволу скважины

Инструментальные наблюдения показывают, что угловая скорость вращения СП содержит две компоненты: низкочастотную (НЧ) и

высокочастотную (ВЧ), которые необходимо разделить для получения наилучшего результата [73]. На рисунке А.1 приведен пример её зависимости от глубины скважины, ниже показан соответствующий ей угол установки отклонителя у. Для её измерения со2 использовался выходной сигнал ММГ, уходы которого скомпенсированы с использованием выходных сигналов акселерометров.

-ВЧ процесс

—НЧ по о и ее с

40 20

о" 0

SN -20 -40

500 1000 1500 2000

L. м

360 270 о" ISO

&4 90

500 1000 1500 2000

L. м

Рисунок А.1 - Угловая скорость вращения СП и угол установки отклонителя в зависимости от глубины скважины. Скорость движения прибора постоянная V = 0,85 м/с, скважина № 6113, куст 324, месторождение Быстринское, ОАО

«Сургутнефтегаз»

I 1

J I 1 |

/ / 1 1 1 1 1 i

/ Г- ; / '1 11 1 1 1 / [ M |

Анализ угловой скорости на верхнем графике позволяет сделать вывод, что НЧ составляющая со2 - это гармонический процесс, параметры которого нерегулярны и лишены какой-либо видимой закономерности.

Т. к. любое сложное колебание можно представить, как совокупность синусоидальных, то выполним разложение записанных данных угловой скорости в тригонометрический ряд Фурье [74]. Для проведения разложения воспользуемся аппаратом быстрого преобразования Фурье, например в среде МайаЬ [56]. Массив данных угловой скорости поделим на N интервалов, длительность каждого выберем равной интервалу между максимумами угловой скорости (см. рис. А.2), т. к. параметры (частота и амплитуда) исследуемого процесса изменяется во времени; далее выполним разложение для каждого такого интервала.

■ I I ■

Рисунок А.2 - Определение интервалов вращения СП для разложения в ряд Фурье

В результате получены соотношения для первых трёх гармоник и постоянной составляющей (гармоники высшего порядка из-за их малой амплитуды на фоне ВЧ процессов а«3° / с имеют большую погрешность преобразования и не позволяют выявить каких-либо зависимостей):

3

• С08(' ), (А.1)

1=0 2

где со0 - круговая частота основной гармоники (прим.: она же определяет амплитуды гармоник),

I - номер гармоники.

Отсутствие строго равенства в (А.1) вызвано наличием ВЧ процессов в угловой скорости вращения СП, неравномерностью линейной скорости движения ГИ и прочих мешающих факторов, вносящих погрешности в идентификацию НЧ компоненты.

Проведем анализ (А.1) при ю0=5°/с, i = 0...3, у/0 = 0°, вычислим соответствующий данному вращению угол установки отклонителя, его тригонометрические функции и интегральный коэффициент 1тЪ.

Угловая скорость и соответствующий ей угол установки отклонителя приведены на рисунке А.3 слева. Видно, что периоды вращения СП, как при вращении заданном рядом (А.1), так и при равномерном (а2р = ю0) одинаковы.

Однако тригонометрические функции угла установки отклонителя для первого случая хоть и являются периодическими, но интегралы от них за период не равны нулю (см. правый верхний график косинуса, площадь фигуры 51 больше площади фигуры 5 2).

Рисунок А.3 - Моделирование вращения СП

На правом нижнем графике показаны зависимости от времени суммарных интегральных коэффициентов при равномерном вращении

1 zLp =

t 2 t

J sin Wpdt + J cos Wpdt

_ 0 _ _0 _

И

при

заданном

по

(А.1)

Г t 2 t

J sin Wdt + J cos Wdt

_0 _ _0 _

. Видно, что при вращении с постоянной угловой

скоростью IiZp является периодической функцией времени, то есть и погрешность азимута, вызванная корпусными дрейфами ДУС также будет ограничена. При заданном по (А.1) вращении СП интегральный коэффициент IтЕ растет во времени, что доказывает утверждение - автокомпенсация, вызванная вращением СП неэффективна.

Выражение (А.1) получено при допущении —0 = const, так как разложение Фурье проводилось на интервале одного периода колебания угловой скорости вращения СП (на каждом интервале разложения величина со0 практически постоянна). Для получения окончательного выражения для НЧ составляющей с z обратимся к физическому смыслу (А.1), рассмотрим для определённости

полученный ряд при i = 0 - 1, щ0 = 0°, тогда cz = с0 +—cos—t),

2

¥ =

J—zdt

= —0t +

sin—t)

2

cos¥ = cos—0t • cos

sin¥ = sin —0t • cos

sin—t) 2

sin—t)

- sin — t • sin

+ cos—t • sin

sin—t) 2 ' sin—t)

(А.2)

22

Выражения (А.2) состоят из слагаемых, в каждом из которых происходит мультипликация периодических функций (—0 ^ 0) одной частоты, в результате чего следует ожидать появления константы.

Таким образом, вращение СП, заданное по (А.1) приводит к детектированию при вычислении тригонометрических функций угла установки отклонителя. Следовательно, чтобы оно происходило при —0 ^ const, должно быть

2

2

t

выполнено условие: < ■ t = j<0(L)dt, высшие гармоники являются кратными

0

первой:

t

< ■ t = iJ<0 (L)dt, (А.3)

0

где <0 (L) - зависимость постоянной составляющей угловой скорости вращения СП от глубины скважины.

Исходя из того, что основной объем инструментальных наблюдений процессов < получен при скорости движения СП V = 0,85 м/с = const, то далее будем считать L = 0,85t.

Запишем (А.1) с учетом (А.3):

ш 1 г

< =£ < (L) ■ cos(i ■ < (L)dt). (А.4)

i=0 2 0

Для определения закона изменения <0 (L), рассмотрим отличные от первого случаи поведения угла установки отклонителя СП от глубины скважины (см. рис. А.4). Как и при съемке скважины № 6113 (рис. А.1), в скважине № 1649 угловая скорость вращения СП растет с увеличением глубины, однако достигает меньших значений, а первые 600 м вращение СП отсутствует вовсе. При съемке скважины № 1145 ситуация обратная: первые 800 м прибор вращается, далее, до глубины 1800 м угол установки отклонителя остается постоянным. При съемке скважины № 7К постоянное вращение отсутствует - суммарный угол поворота СП за все время работы составляет около 90°.

На рис. А.4 представлены наиболее типовые зависимости угла установки отклонителя от глубины скважины, однако в реальности возможны случаи, при которых вращение СП является комбинацией рассмотренных, и с учетом нерегулярности угловой скорости от глубины, <0 (L) невозможно описать детерминированной функцией глубины или времени.

Из сказанного следует, что <0 (L) необходимо задавать случайным процессом. Отметим, что такое описание движения объекта широко

распространено, например, при моделировании углового движения корпуса морского подвижного объекта, общепринято задавать качки случайными процессами [16].

360 г Ц 270 & 180 ^ 90

360 Й 270 & 180

360 г^^ Й 270 & 180

500

Скв. №1649, к. 134

500 1000 1500

Скв. №1145, к. 36

1000 1500

Скв. №7К, к. 79

2000 L, м

2000 L, м

^ 90------------------------

^ _I_I_I_

500 1000 1500 2000 ^ м

Рисунок А.4 - Угол установки отклонителя в зависимости от глубины скважины. Скорость движения прибора постоянная V = 0,85 м/с, ОАО «Сургутнефтегаз»

На рисунке А.5 приведены графики ю0 ^). Очевидно, что данный процесс является нестационарным, так как его дисперсия растет с глубиной скважины, а внешний вид соответствует случайному блужданию. Рост дисперсии процесса (угловой скорости вращения СП) объясняется тем, что увеличивается длина кабеля, и как следствие крутящий момент, обусловленный действием массы кабеля. На основании вышеизложенного автором принято решение описать

данный процесс винеровским:

t

^ (0 = Ч^Ы )dt, (А.5)

0

где wВ (0) = 0, q¿| - интенсивность порождающего белого шума ) единичной интенсивности.

Рисунок А.5 - Зависимости постоянных составляющих угловой скорости вращения СП от времени и глубины скважины для группы испытаний

Для подтверждения правильности выбора такого описания на графиках пунктирными линиями показаны теоретические значения утроенных СКО винеровского процесса ±3<В(где <В= qiy[t) [56], при этом каждой реализации

соответствуют следующие интенсивности порождающего белого шума: а) qí = 0,0935° /с3/2, б) qí = 0,0142° /с3/2, в) qí = 0,1700° /с3/2, г) qí = 0,1048° /с3/2. На графиках

видно, что значения постоянной составляющей угловой скорости вращения СП находятся в пределах теоретических значений, в некоторых точках приближаясь к нему, или процессы «блуждают» вдоль теоретических СКО, следовательно, данный процесс может быть задан винеровским. Различие СКО порождающих шумов не лишено физического смысла, так как условия испытаний различны. Например, при каждой съемке использовались центрирующие устройства

различной жесткости, геофизические кабели имели отличающиеся механические характеристики (число токопроводящих жил, диаметр, неравномерность повива проволочной брони, приводящей к постоянному вращению...), различные плотности внутритрубной среды (воздух, буровой раствор и его плотность, нефть.) и т. д.

СКО порождающего шума процесса зададим случайной константой, СКО которой определим исходя из максимального значения угловой скорости вращения СП к0тах, полученного на множестве проведенных измерений:

а = = 0,17° / с3/2. ^ з4г

Перейдем к анализу ВЧ компоненты угловой скорости вращения прибора (см. рис. А.1). Для ее выделения из общего процесса сог на каждом интервале, на которых выполнялись разложения Фурье (см. рис. А.2), вычтем тригонометрический ряд (А.1). В результате на каждом из них получим процесс:

3

Фвч (г) = К () - 2 К сов(7 • К) . (А.6)

г=0 2

После этого все интервалы объединим в одну реализацию. Пример ВЧ процесса к , полученного таким образом, показан на рисунке А.6

;1-1-1-

0 500 1000 1500

Рисунок А.6 - ВЧ составляющая угловой скорости вращения СП

Для его описания требуется по имеющимся реализациям угловой скорости вращения СП определить класс случайного процесса [75], например, по статистическим корреляционной функции и спектральной плотности найдем соответствующие теоретические.

В соответствие с гистограммой распределения процесса сВЧ(г) (рис. А.7), делаем вывод, что оно имеет вид близкий к гауссовскому с нулевым математическим ожиданием. Нормальное распределение процесса позволяет упростить вычисление оценки корреляционных функций и воспользоваться встроенными т-функциями в пакете МайаЬ [56, 71].

Рисунок А.7 - Гистограмма распределения процесса сВЧ (г).

Результаты построения выборочных корреляционной функции К (г) и спектральной плотности 5 (с) для одного измеренного процесса сВЧ (г) представлены на рис. А.8, их зависимости соответствуют стационарному случайному процессу с корреляционной функцией и спектральной плотностью следующего вида:

К (г) = а2м еа |г| (А.7)

5 (с) = 1ам°2м (А.8)

^м + с

Этот процесс является экспотенциально-коррелированным и описывается уравнением [ОА2]:

™м (г) = -ам^м (г) + ^[2оММ0ММ С), (А.9)

где о2м - дисперсия процесса, 1/ ам - интервал корреляции, С (г) - белый шум единичной интенсивности.

8г

<ч 6^

о

и 4-

а

2-

а 0

-2-

-15

-10

-5

0 х, с

10

15

5

ю, рад./с

Рисунок А.8 - Выборочные (сплошные линии) и действительные (пунктирные линии) корреляционные функции и спектральные плотности процесса сВЧ (г)

В отличие от спектральной плотности теоретического процесса (А.8), её оценка измеренного процесса на рис. А.8 постоянна в области высоких частот, так

как измеренный процесс содержит белый шум (в данном примере его дисперсия

1/2 2

ст;2= 0,05((°/с ) ). Но так как его 53 более чем на порядок ниже прочих процессов, а также по причине того, что вероятнее всего он вызван шумами ММГ, то при описании процесса его учитывать не будем.

Далее выполним аппроксимацию выборочных корреляционных функций сформированных процессов (А.6) полученных при инструментальных испытаниях на группе нефтегазовых скважин. По результатам их осреднения [71] вычислены следующие характеристики процесса (А.9): 1/ам = 1,2с, а2м = 3(°/с)2. На графиках А.7 пунктирными линиями показаны теоретические корреляционная функция и спектральная плотность с этими параметрами.

С учетом условия (А.3), запишем окончательное выражение случайного процесса, описывающего угловую скорость вращения СП при его спуске на геофизическом кабеле (скорость движения СП V = 0,85 м / с):

К

(,) = 2 Г ^() + ™м () СС8(/ •} (м,в () + ^м (гМ) 1, (А. 10)

¿=0 V 2 0 у

где wв(г) = ql£)(t) - винеровский процесс, wв(0) = 0, qí центрированная случайная величина с СКО а = 0,17° / с32,

wм(г) = -а^м(г) + ам2аМ -С (г) - экспоненциально-коррелированный процесс: ам = 1,2с_1, ам = 3(°/с)2, wм(0) - центрированная случайная величина с дисперсией

а^м (0) = ам,

), С (г) - некоррелированные центрированные единичные белые шумы.

На рис. А.9 представлены четыре реализации случайного процесса (А.10), а также соответствующие им углы установки отклонителя. Предложенный случайный процесс позволяет задать все возможные случаи вращения СП при спуске на геофизическом кабеле: от полного его отсутствия до неравномерного с различными возможными значениями угловых скоростей. При этом приведенные реализации близки к натурным данным (см. рис. А.1 и А.4).

и

г? 0

-50

0 500

300 -Ц 200-^ 100 -0:

& 0

-20

300-| 200 -^ 100

0 500

0 500

1000 1500 L, т

1000 1500 L, т

1000 1500 L, т

2000 2500

0 500 1000 1500 2000 2500

L, т

2000 2500

/ / ; / / ! ! !

/ / / / / 1 } \

/ ¡1 / / /Г

/ 1 Ч М

2000 2500

Рисунок А.9 - Четыре реализации случайного процесса угловой скорости вращения СП (А.10) и соответствующие им углы установки отклонителя

232390482323020624235390232353904823532248235390482302080123319002232353002323539048235390482353224823239048232390482323539023235390232353904823539048232390482323