Актуальные проблемы инерциальных средств подземной навигации

Итак, предпосылки востребованности инерциальных методов в принципиальной невозможности (в каких-то случаях - нецелесообразности) использования любых других принципов для решения целого ряда задач подземной навигации. При этом, из самых общих соображений понятно, что при внедрении как самих методов, так и, в еще большей степени, средств их реализации, неизбежно возникновение целого ряда специфических проблем.

Их можно достаточно условно разделить на группы, первой из которых, наверное, следует назвать условия эксплуатации.

Условия эксплуатации инклинометрических систем

При конструировании забойных телеизмерительных систем (MWD/LWD – систем) разработчики, как правило, сталкиваются со следующими проблемами:

- обеспечение универсальности компоновки, последовательность размещения измерительных блоков с целью максимального приближения точки записи к забою, беспрепятственное прохождение телесистемы по стволу, особенно в скважинах с малым (до15м) радиусом кривизны;

- выбор максимально возможной степени защиты всех узлов системы от воздействия ударов и вибраций;

-выбор конструкции, комплектующих и элементной базы, обеспечивающих надежную работу в условиях повышенных температур и давлений;

- выбор технических решений по обеспечению гибкости конструкции и ее оптимальной длины;

-применение конструктивных материалов и технологий, повышающих способность противостоять абразивному и кавитационному воздействию потока промывочной жидкости.

Скважинная аппаратура телесистем работает в экстремальных условиях – повышенные вибрации и удары, механические нагрузки, высокая температура и давление (см. таблицу 1).

Таблица 1

Анализ геолого-технических условий разведки и разработки нефтегазовых и газовых месторождений России, изучение зарубежного опыта бурения скважин показывает, что температура в 85% скважин лежит в пределах до 100-120°С, в рудных и угольных скважинах она составляет 10-70°С, лишь в гидротермальных скважинах достигает 300-320°С.

Температурные воздействия влияют на выбор, как электронной элементной базы, так и инерциальных чувствительных элементов (см. таблицу 2).

Современное состояние элементной радиоэлектронной базы, микроминиатюризация схем позволили реализовать высоконадежные помехоустойчивые схемы. Для MWD/LWD - систем известными фирмами-производителями электронных устройств специально разрабатываются электронные элементы и датчики, способные работать при температуре 125°С, 150°С и даже более 200°С. Фирма Honeywell International, например, разработала новую технологию Silicon On Isulator(SOI), созданная на ее основе линия электронных устройств HTMOS способна работать при температурах 225°С и выше. Среди продуктов HTMOS имеются операционные усилители, источники эталонного напряжения, аналого-цифровые преобразователи, регуляторы напряжения, элементы памяти, микроконтроллеры и другие, аналоговые и цифровые устройства и датчики.

Для энергетического обеспечения опускаемой в скважину аппаратуры широко применяются встроенные электрические батареи, сохраняющие работоспособность при высоких температурах в забое (до 200°С и выше).

Гидростатическое давление, определяемое глубиной скважины (от 2 до 7км) и плотностью бурового раствора (от 1 до 2 г/см³), варьируется от 20 до 150 МПа. При этом, во время бурения скважин давление, воздействующее на СП превышает гидростатическое давление столба бурового раствора на давление, создаваемое буровыми насосами, обеспечивающими прокачку раствора.

Понятно, что влияние избыточного давления на СП парируется его конструктивным и материальным исполнением и этот фактор скорее следует отнести к группе, определяющей требования к массогабаритным характеристикам гироинклинометров.

Одной из важнейших проблем при конструировании забойных телесистем (MWD/LWD – систем) является их защита от перегрузок, возникающих от вибраций и ударов при бурении.

Колонна бурильных труб представляет собой сложную пространственную систему с распределенными параметрами. Ее нельзя считать жестким стержнем, скорее в физическом смысле колонна является «гибкой нитью», так как отношение ее длины к диаметру может достигать 10⁶. В колонне бурильных труб внутри и снаружи циркулирует промывочная жидкость под воздействием неравномерного давления, развиваемого одним или двумя насосами.

Долото контактирует с горными породами разной твердости, ударяясь зубьями о неровности забоя, причем зубья значительно срабатываются во времени, изменяя параметры вибрации. Все это вызывает достаточно сложные колебания и удары. Так, вибрация буровой вышки и пульсация насосов вызывает инфранизкочастотные колебания до 1.5 Гц, перекатывание шарошек по рейке забоя и биение вала гидравлического забойного двигателя – низкочастотные (до 10 Гц), средняя частота (до 300 Гц) обуславливается ударами зубьев шарошек о забой при их перекатывании и, наконец, высокочастотные - вызваны кавитацией и турбулентным движением промывочной жидкости (частотой до 3000 Гц).

Исследования, выполненные рядом авторов, показали, что уровень вибрации часто превышает 20-30g в диапазоне частот от единиц герц до десятков и даже сотен герц.

Автономные инклинометры и приборы, сбрасываемые внутрь бурильных труб или доставляемые на забой прокачиваемым буровым раствором и проводящие измерения при подъеме бурильных труб, а также кабельные промерочные инклинометры менее подвержены воздействию вибраций и ударов (см. таблицу 1).

Виброударные воздействия следует признать определяющими для выбора акселерометров и гироскопов с той лишь оговоркой, какую позволяют конструктивные возможности размещения устройства амортизации (всецело определяющиеся опять-таки габаритами СП, но на условность разделения на группы различных факторов, влияющих на его конструктивный облик уже указывалось).

Наиболее распространенными гироскопическими чувствительными элементами в мировой практике при создании инклинометрических систем являются ДНГ и поплавковые ДУС, хотя и они не отвечают всем требованиям, поскольку гироскопы с механическим носителем кинетического момента весьма чувствительны к воздействию ударов, вибрации и перепадам температур (см. таблицу 4). Тенденции совершенствования гироскопических инклинометрических систем направлены на использование в этих системах гироскопов, в которых отсутствуют быстровращающиеся инерционные тела: волоконно-оптических (ВОГ), твердотельных волновых (ТВГ), лазерных (ЛГ).

Однако существующие точные ВОГ не удовлетворяют требованиям инклинометрии, прежде всего, по габаритам, хотя вероятность того, что в ближайшее время на свободном рынке появится ВОГ с требуемыми параметрами, достаточно велика.

По мнению ведущих отечественных и зарубежных специалистов, ТВГ является идеальным гироскопом для инклинометрических систем.

Действительно, ТВГ конструктивно достаточно прост, имеет большую механическую прочность, может работать при очень высокой температуре, малочувствителен к внешним вибрационным и линейным нагрузкам при сохранении высокой точности, допускает прерывание питания, имеет малое время готовности. Однако применение ТВГ в промышленности сдерживается из-за проблем, связанных с реализацией списывания выходного сигнала, вопросов метрологии, балансировки полусферических резонаторов и создания оборудования для этих целей, проблем поддержания высокого вакуума в полости прибора.

В последнее время стали появляться предложения по созданию инклинометрических систем на базе микромеханических гироскопов. Применение механических измерителей, обладающих высокой устойчивостью к внешним воздействиям, малыми массой и габаритами, малым энергопотреблением, способствует повышению надежности, однако класс точности таких гироскопов пока не может соответствовать требуемым точностям и задачам гироинклинометров (случайный дрейф - 80-100 град/час). Характеристики рассмотренных типов гироскопов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Характеристики	Тип гироскопа
ДНГ	ЛГ	ВОГ	ТВГ	Микро механика
Рабочая температура, °С
Размер (наружный диаметр), мм
Случайная вибрация
Удар (g)	до 100
Случайная составляющая ухода, град/час	0.05-0.1	0.01	10-20	0.01	80-100

Массогабаритные характеристики гироинклинометров

Среди факторов, влияющих на массогабаритные характеристики гироинклинометров, определяющим является диаметр скважины.

Диаметр гироинклинометров, в зависимости от назначения СП определяется либо диаметром обсаженной, или открытой скважины (для кабельных инклинометров), либо выбираются из расчета создания минимального сопротивления прокачке бурового раствора через внутреннее сечение бурильной колонны в месте установки телесистемы (практически не более 0.2 - 0.5 МПа) (для забойных и спускаемых на трубах).

В настоящее время при бурении нефтегазовых скважин превалирующий диаметр аппаратурных модулей - 1 , при диаметре утяжеленной бурильной трубы - 3 . При бурении разведочных скважин для рудных ископаемых требуются еще меньшие диаметры - 1 . Естественно, при бурении нефтегазовых скважин востребованы и бурильные колонны большого диаметра (бурение первых горизонтальных стволов), а также кабельные компоновки для промерных работ в обсаженных скважинах диаметром - до 5 .

Диаметр имеет определяющее влияние практически на все тактико-технические характеристики гироинклинометров, прежде всего на его кинематическую схему, диктуя внедрение бесплатформенных систем. Их преимущества в данном случае оказываются решающими: отсутствие стабилизированной платформы, малые габариты и энергопотребление, надежность, технологичность и т.д.

Однако тенденция уменьшения диаметра скважин не позволяет разместить в трубном корпусе систему полноценного трехосного измерения вектора абсолютной угловой скорости СП, поэтому приходится применять неполные схемы бесплатформенных гироинклинометров. Наиболее известна схема гироинклинометра, построенного на одном двухосном или двух одноосных ДУС c расположением вектора кинетического момента по оси скважины (продольная схема). Применение этой схемы в режиме точечного компасирования имеет ряд ограничений, связанных с промером скважин определенной ориентации.

Ограничения, присущие продольной схеме, обусловили важность задачи поиска схемно-конструктивных решений, позволяющих в рамках наиболее востребованных диаметров и использования одного двухосного ДУС обеспечить компасирование в скважинах любой ориентации. Так появились поперечная и диаметральная схемы бесплатформенных гироинклинометров, о которых речь пойдет в последующих лекциях.

Необходимость размещения скважинной аппаратуры забойных телесистем внутри бурильных труб, ограниченных их наружным диаметром, приводит к необходимости увеличения длины СП. Для компоновок забойных телесистем с большим числом измерителей общая длина СП достигает 10-20м. Исполнение такой компоновки в виде единой жесткой конструкции может привести к поломке аппаратуры при проходе криволинейного участка наклонно-направленной скважины, поэтому использование гибкой связи между отдельными модуля является обязательным, особенно в скважинах с малым радиусом кривизны.

Радиус кривизны при забуривании ГС из старого фонда через эксплуатационную колонну достигает иногда 25-30м. Естественно, что применяемая при этом телесистема должна «вписаться» в этот радиус и не получить дополнительных вибрационных ускорений под действием изгибающих усилий.

Ограничения по длине также иногда накладываются и на размеры промерочных гироинклинометров, хотя значительно реже. Очевидно, что такие ограничения возникают при решении задач исследования магистралей, имеющих малые радиусы кривизны на каких-то участках траектории. Ограничения эти вряд ли можно считать проблемными: современная элементная база позволяет создавать законченные компоновки, при необходимости соединяемые гибкими связями (например, с помощью сильфона как на рис.1).

Рис.1

Лекция № 6.