Обзор современного состояния гироскопических систем подземной навигации

Технически более совершенными и перспективными системами, позволяющими проводить измерения в любых типах скважин, и обеспечивать при этом высокую точность ориентирования в азимуте, являются гироскопические инклинометрические системы.

Различают следующие способы вычисления азимута в гироскопических инклинометрических системах:

1. Гирокомпасирование(ГК)– это физическое или аналитическое моделирование горизонтальной составляющей вектора угловой скорости суточного вращения Земли. Режим ГК заключается в измерении на остановках с помощью чувствительных элементов (гироскопов и акселерометров) проекций двух связанных с Землей векторов – силы тяжести и угловой скорости суточного вращения Земли. На основании выработанной чувствительными элементами информации вычисляется зенитный угол ( ), угол установки отклонителя ( ) и азимут ( ). На основании полученных значений в каждой точке проведения измерения, а также длины колонны труб или геофизического кабеля определяются координаты траектории скважины. Параметры , характеризующие угловое положение продольной оси СП инклинометра относительно географической системы координат ENh, таким образом, определяют и положение оси скважины относительно той же системы координат – в этом заключается сущность процесса инклинометрии, для осуществления которого продольная ось охранного кожуха СП должна быть ориентирована по касательной к оси симметрии ствола скважины в каждой точке проведения измерений [].

Инклинометры компасного типа распространены наиболее широко. Причиной этого является простой и физически «прозрачный» принцип измерения, а также высокая инструментальная точность. Компасные инклинометры еще называют точечными, что отражает дискретный характер проведения измерений ─ в точках, где СП неподвижен. В инклинометрии скважин малого диаметра используется преимущественно режим аналитического компасирования с опорой на информацию ДУС.

На данном этапе развития гироскопических MWD-систем - это основная схема их работы, поскольку гироскопов нужной точности, способных работать без остановки бурения, пока нет. Доминирующие сегодня технологии бурения предусматривают остановки для наращивания колонны, примерно через каждые 10 или 20 метров. Длительность остановок вполне достаточна (200 ¸ 600 сек.) для проведения эффективного компасирования.

Из отечественных инклинометров, работающих в режиме ГК (см. таблицу 1) можно отметить гироскопическую телесистему "Гирокурсор-45", которая была разработана в ЗАО "НТ-КУРС" (г. Москва) специально для бурения боковых стволов из обсаженных скважин и доведена до эксплуатационного образца.

С помощью этой системы обеспечивается определение азимута и ориентирование инструмента внутри обсадных колонн в вертикальных и наклонных скважинах. В телесистеме используется кабельный канал связи между забоем и устьем. «Гирокурсор-45» содержит один одноосный гироскоп, расположенный на поворотной платформе. Зенитный угол и угол установки отклонителя измеряются непрерывно в процессе бурения, азимут измеряется только во время остановок.

Измерения угловой скорости производятся в четырёх положениях платформы, развернутых друг относительно друга на 90°. На базе одного гироскопа, таким образом, создается фактически двухосный ДУС.

Технические характеристики телесистемы "Гирокурсор-45" приведены в таблице 1. ЗАО "НТ-КУРС" было изготовлено три изделия телесистемы "Гирокурсор-45, которые не продаются, а используется только для оказания сервисных услуг нефтедобывающим компаниям, прежде всего, для ориентации клина-отклонителя при зарезке окна в обсаженных скважинах.

Инклинометр ИГМ 36-80/60 (см. таблицу 1), спроектированный НИИ прикладной механики имени академика В.И.Кузнецова (Москва) для работы в режиме ГК, имеющий самый маленький и чрезвычайно востребованный на рынке сервисных услуг в нефтедобыче и добыче рудных ископаемых диаметр (36мм), так и не стал серийным.

Таблица 1

	ОАО "Темп-Авиа", Арзамас	ГУЛ "ИМЗ", Ижевск	Томский политехнич. университет, Томск	НИИ ПМ Москва	ЗАО "НТ-КУРС", Москва
Название системы	ИГН 73-100/80 (серийное производство)	ИГМ-73-120/60 (несколько приборов)	ИГН 100-100/60А (макет)	ИГМ 36-80/60 (опытный образец)	Гирокурсор-45 (3 прибора)
Тип датчиков	Гироскоп D7-03И	МСГ	ДУС + трехстепенной гироскоп	ДНГ	Гироскоп на поворотной платформе.
Измеряемые параметры	А(0-360°±1.5) ЗУ (0-70°±0.15)	А(0-360°±2.0) ЗУ (0-180°±0.1)	А(0-360°±1.0) ЗУ (0-60°±0.1)	А(0-360°±2.0) ЗУ (0-60°±0.2)	А(0-360°±1.5) ЗУ (0-70°±0.15)
Габариты, мм	73х2500	73х3400	100	36х2500	45х2000
Масса, кг			-		-
Термобаро-стойкость °С/МПа	100°/80	85°(120° 2 ч) /60	100°/60	80°/60	85°/40
Мощность, Вт			-
Канал связи	кабельный	Кабельный,	Кабельный	-	Кабельный
Режим	Непрерывный	Точечный	Точечный, непрерывный	Точечный	Гироскоп запускается на остановках

ИГМ 36 содержит один двухосный динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ) с расположением вектора кинетического момента по оси скважины и два маятниковых акселерометра компенсационного типа. ДНГ установлен в поворотном механизме, который разворачивает его корпус во время работы на 180° вокруг продольной оси СП, компенсируя тем самым влияние корпусных составляющих ухода ДНГ.

Из зарубежных инклинометров, работающих в режиме ГК можно выделить Keeper High-Speed Gyro Steering System (изготовитель- Scientific Drilling (США)), серию инклинометров фирмы Gyrodata (США) (см. таблицу 2), предназначенных для работы в открытых и обсаженных стволах, трубопроводах, буровых колоннах- RGS-WB (кабельный вариант), RGS-BT (спускаемый на тросе c системой питания от батарей), RGS-DP (автономный), RGS-OR (предназначенный для ориентации перфораторов, каротажных инструментов и т.д., кабельный вариант), RGS-ST (предназначенный для измерений во время бурения ).

Анализ современных зарубежных гироинклинометров показывает, что наибольшее применение в этих системах нашли ДНГ и поплавковые гироскопы.

Фирма США Scientific Drilling на базе гироскопических систем Finder и Keeper Gyro, чувствительными элементами которых являются поплавковые гироскопы, создала целый ряд инклинометрических систем различного назначения. Finder содержит два одноосных, Keeper Gyro – один двухосный поплавковый ДУС.

В составе Keeper High-Speed Gyro Steering System содержится двухосный поплавковый ДУС, модули температурного каротажа (Temperature Log) и каротажа (Gamma Ray). Минимальный наружный диаметр компоновки - 1.75², работает при максимальной температуре - 125°С, давлении -100 МПа, точностные характеристики: азимут- 0.4°, зенитный угол - 0.05°(в диапазоне 0-70°), угол отклонителя - 0.1°.

Чувствительным элементом инклинометров фирмы Gyrodata является двухосный ДНГ, минимальный наружный диаметр компоновки - 1.75², работает при максимальной температуре - 150°С, давлении -100 МПа. RGS-ST-кабельный вариант gMWD системы, точностные характеристики: азимут- 0.1°, зенитный угол - 0.05°(в диапазоне 0-60°), угол отклонителя - 0.05°.

В последнее время появилась информация о телеметрической системе Gyro Trak(Baker Hughes INTEQ, США), которая использует специально разработанный для MWD-систем двухосный ДУС со сферическим газодинамическим подвесом. Утверждается что это единственный гироскоп, который действительно работает во время бурения (правда пока его точностные характеристики позволяют вычислять азимут с точностью – не менее 8-10 градусов).

2. Режим гироскопа направления (ГН) - речь идет о непрерывном измерении азимута во время движения СП, при этом либо сохраняется первоначально заданное в азимуте направление при применении схем с трехстепенным астатическим гироскопом в кардановом подвесе, либо вычисляются угловые параметры скважины методом решения кинематического уравнения Пуассона.

Здесь будет уместным обратить внимание на то, что время съемки скважины является самостоятельным и, притом, весьма существенным технико-экономическим фактором, в значительной степени влияющим на выбор использующейся при измерениях инклинометрической системы.

Поэтому, вполне естественно, что наряду с разработками в области точечного компасирования, едва ли не большее внимание уделяется гироинклинометрам, предназначенным для непрерывной съемки скважин и работающим в режиме ГН.

Таблица 2

	Scientific drilling, США Dmin=1,75²; Tmax=125°; P=150 МПа	Gyrodata Incorporated, США Dmin=1,75²; T=150°C; P=75 МПа	SEG, Германия Dmin=1,65²,	Baker Hughes INTEQ, США
gMWD	KGS (Keeper Gyro System), поплавковый ДУС ,3,5 ; гидроимп. канал связи	RGS-ST, ДНГ; Кабел. канал	Gyro-Guide GWD, (ДНГ) A-±1°; ЗУ- ±0,1°, УО-±1° ( до 20° ЗУ), Гидроимп.или электромагн. канал	True-North finding Gyrosurveyors, ДНГ(Litton), БИНС; Dmin=1, 75², 0,5% от длины кабеля.	Gyro Trak, ДУС (2-х ст.) сферический газодинам. подвес.
Кабельные и автономные	Keeper, 1,75²; поплавковый ДУС 0,15% от длины кабеля.	RGS-CT,ДНГ (Автономный вариантRGS-BT), 0,1 % от длины кабеля.	Инклинометр на ДНГ (Litton) Dmin=1,65², 0,3% от длины кабеля.	1.RIGS, ЛГ, БИНС , 5,25 , (0,1¸0,2)% от длины кабеля, Vmax=2м/сек,
Тоннельные и бестран-шейные технологии	E-field MWD, поплавковые ДУС (2-х ст.) БИНС, 0,05% от длины	Используются варианты RGS-ST, RGS-CT.	_	_
Системы ориентации каротажных датчиков	SGS, Keeper, поплавков. ДУС (2-х ст.) БИНС, 0,15% от длины, Vmax=2,5м/сек	_	_	_

Такие гироинклинометры, как правило, имеют, так называемую, продольную компоновку, позволяющую измерить компоненты абсолютной угловой скорости и, после их учета при интегрировании уравнений Пуассона, получить искомые параметры ориентации скважины. Американские специалисты, проведшие весьма серьезные теоретические исследования и объектовые испытания режима бесплатформенного ГН считают его по точности вполне соизмеримым с компасированием.

Принципиальной особенностью этого режима является необходимость начальной выставки. Она, в свою очередь, реализуется либо с помощью внешнего курсоуказания, которое, очевидно, возможно только в устье скважины, либо в режиме ГК самого гироинклинометра (понятно, что в бесплатформенном исполнении это всегда принципиально возможно).

Однако в первом случае режим съемки становится уязвим к срывам питания, отказам и повреждениям каротажного подъемника (в кабельном варианте гироинклинометра) и иным сбойным ситуациям, которыми изобилует геофизическая практика. Второй вариант (с автономным гирокомпасированием) естественно предпочтительней – после ликвидации сбоя выставка может быть проведена вновь в той части ствола, где на этот момент оказался гироинклинометр.

Однако точность, да и сама возможность такой выставки будет определяться факторами, детально исследованными при рассмотрении режима компасирования, и, например, так называемая, «продольная схема» для бесплатформенных ГН (в частности на базе ДУС с механическим носителем вектора кинетического момента) представляющаяся единственно возможной, оказывается практически неприменимой в горизонтальных стволах, проходящих вблизи линии «восток-запад».

Но и при вполне благоприятной ориентации ствола в точке проведения повторной выставки ее точность в «продольной схеме», определяемая пусковыми погрешностями ДУС, будет ограниченной. Для снижения погрешности выставки, ее стараются проводить на участках траектории с зенитными углами ( ), достаточно малыми для того, чтобы воспользоваться эффектом практического обнуления «гироскопической» составляющей азимутальной ошибки , но не настолько, чтобы слишком велика оказалась доля составляющей от ошибки горизонтирования. Однако такой «параметрический» вариант начальной выставки, очевидно, противоречит «декларации о технологичности» режима ГН, и во многом обесценивает само его использование.

В итоге следует признать, что непрерывный режим бесплатформенного ГН вторичен по отношению к точечному, возможность его эффективного использования и верхний предел точности определяются соответствующими характеристиками гирокомпасирования. Поэтому, если задаться целью создания универсального, т.е. способного работать как в компасном, так и в непрерывном режиме, при любых траекториях стволов, гироинклинометр, его схеме должны быть присущи некоторые комплексные признаки, удовлетворяющие требованиям обоих режимов.

В отечественной инклинометрии известен единственный серийный гироинклинометр, работающий в режиме ГН - ИГН 73-100/80 (г. Арзамас) (см. таблицу 1).

Данный прибор является самонаводящейся на географический меридиан системой, предназначен для многократного определения в непрерывном режиме пространственных координат (траектории) обсаженных и необсаженных скважин глубиной до 6000 м и внутренним диаметром не менее 85 мм.

ИГН 73-100/80 представляет собой одноосный индикаторный гиростабилизатор, который позволяет исключить влияние вращения СП вокруг оси скважины, возникающее во время его движения. В качестве чувствительных элементов используются двухканальный управляемый гироскоп со сферическим шарикоподшипниковым подвесом типа D7-03И и два акселерометра АТ-1104. Измерительные оси акселерометров взаимно перпендикулярны и перпендикулярны продольной оси прибора. Ось кинетического момента гироскопа перпендикулярна плоскости платформы и совпадает с измерительной осью одного из акселерометров. Один канал гироскопа является датчиком системы стабилизации, позволяющей удерживать платформу неподвижной относительно продольной оси СП, другой – датчиком измерителя угловой скорости вокруг оси, перпендикулярной оси стабилизации. Акселерометры, установленные на платформе, измеряют две компоненты кажущегося ускорения.

В режиме измерений прибор непрерывно движется в скважине со скоростью порядка 5000 м/ч. Основной выходной информацией инклинометра является траектория, а не углы, как это принято в точечных приборах. Это обусловлено спецификой применяемых алгоритмов в условиях высокой скорости движения по стволу и, соответственно, высокой динамикой скважинного прибора при движении. Траектория вычисляется по элементам матрицы ориентации. Поскольку в матрице ориентации отсутствуют элементы неопределенности при любых углах, в том числе и при "нулевом" зените, погрешности построения траектории в математическом смысле не зависят от величин углов: траектория строится с "нулевого" зенита без потери точности. Поэтому основная погрешность инклинометра выражается не в виде погрешности измерения углов, а в виде расхождения по координатам с эталонной траекторией в зависимости от пройденного пути.

Инклинометр ИГН 73 нашел свою «нишу» и применяется в основном для быстрого и оперативного измерения угловых параметров скважин старого фонда (главным образом, близких к вертикальным) при их аттестации, а таких скважин в настоящее время насчитывается около нескольких десятков тысяч.

Из зарубежных инклинометров, работающих в режиме ГН можно отметить инклинометры Keeper high accuracy gyro wireline system (Scientific Drilling (США)), RGS-CT (Gyrodata (США)).

Инклинометр Keeper high accuracy gyro wireline system имеет скорость измерений до 150м/мин, минимальный наружный диаметр компоновки - 1.75², работает при максимальной температуре - 150°С, давлении -100 МПа. Технические характеристики: точность- 0.45м/300м,

время готовности: 20мин.

Инклинометр RGS-CT имеет минимальный наружный диаметр компоновки - 1.75², работает при максимальной температуре - 150°С, давлении -100 МПа. Диапазон измерения зенитных углов: 0-120, начальная выставка - при зенитном угле 10°-15°, точность составляет: 0.1% от глубины скважины.

Все перечисленные выше инклинометры (за исключением ИГН 73-100/80) являются бесплатформенными и содержат либо один двухосный, либо два одноосных ДУС, причем с измерительными осями, лежащими в плоскости поперечного сечения скважины.

В забойных инклинометрах режим ГК является единственно возможным и применяется вплоть до значения зенитного угла 75°.

3. Режим бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС)–позволяет устранить недостатки и сохранить достоинства двух ранее рассмотренных схем компасирования.

Полноценное, трехосное измерение гироскопическими чувствительными элементами вектора абсолютной угловой скорости скважинного прибора применяется только в БИНС.

Так фирма Baker Hughes (США) создала систему Ring Laser Inertial Guidance Surveyor (RIGS) с кабельным каналом связи []. RIGS - БИНС с тремя лазерными гироскопами и тремя акселерометрами, применяется в обсаженных скважинах диаметром до 7² (наружный диаметр СП - 5,25²). Имеет высокое быстродействие (скорость - 122м/мин). Точность - 1м/1000м.

Несколько БИНС создала фирма SEG (Германия)[ ]. Locator - БИНС, чувствительными элементами которой являются два двухосных ДНГ фирмы Litton (США) и три акселерометра.Системапредназначена для определения параметров ориентации скважин и управления тоннельным бурением (бестраншейной прокладкой). Измерения производятся непрерывно, данные передаются на поверхность в реальном масштабе времени. Размеры: наружный диаметр - 2.6²(65мм), длина - 1800мм. Точность - 1м /1000м проходки. Температура – от -20˚С до 100˚С. Может применяться в вертикальных и горизонтальных нефтяных и газовых скважинах.

True-North-finding Gyrosurveyors (SEG) – БИНС, предназначенная для скважин малого диаметра. Используется для управления тоннельным бурением, для измерения в глубоких и поверхностных, вертикальных и горизонтальных нефтяных и газовых скважинах. Чувствительными элементами являются два двухосных ДНГ фирмы Litton (США) и три акселерометра. Размеры: первый вариант: диаметр - 2²(50.8мм) длина - 1830 мм; второй вариант: диаметр - (1,75²)(44.5мм), длина - 1830мм; третий вариант: диаметр - (1,75²)(44.5мм) (во 2 и 3 вариантах используется ДНГ, называемый PeeWeeGyro-«горошина»). Точность: первый вариант-1м/1000м проходки; второй вариант- 3м/1000м проходки; третий вариант - 5м/1000м проходки. Температура: от -20˚С до 120˚С (есть вариант и до 175˚С).

В таблице 2 приведены наиболее значимые из зарубежных гироскопических инклинометрических систем.

В заключение этой лекции еще раз акцентируем внимание на уровне развития современных отечественных гироскопических инклинометрических систем. Современный этап развития этих систем начался с 90-х годов прошлого века с переходом к серийному наклонно-направленному и горизонтальному бурению. В это время окончательно оформляются требования к качественным характеристикам инклинометров, появляется понятие «чувствительные элементы забойного класса» для работы в составе КНБК.

Повышение добычи нефти становится с одной стороны реальностью, а с другой – насущной необходимостью. Задачи долговременной навигации определяют повестку дня. Актуальной становится задача создания гироскопических инклинометров, способных работать без поверки в условиях буровых воздействий в течение десятков и сотен часов.

Основное направление разработок при этом – бесплатформенные инклинометры, имеющие бесспорные преимущества: отсутствие карданова подвеса, малые габариты, малое энергопотребление, надежность, технологичность и т. д.

При этом ни один из разработанных отечественных гироскопических инклинометров не имеет отношения к MWD – системе. Это - кабельные инклинометрические системы, причем следует констатировать, что до момента создания и внедрения гироинклинометра УГИ-42, среди существующих отечественных гироинклинометров нет ни одного, пригодного для измерения скважин произвольной ориентации с малым диаметром.

Лекция №5