Бесплатформенные гироинклинометры. Трехосные гироинклинометры: компасирование

Сегодня уже очевидно, что основу навигационного оборудования подвижных объектов I четверти XXI века, должны составлять интегрированные системы ориентации и навигации (ИСОН), построенные на базе бесплатформенных инерциальных измерительных модулей (БИИМ)[].

Под ИСОН здесь понимаются системы, предназначенные для интеграции информационного обеспечения задач навигации, управления движением, начальной выставки, калибровки и т. д.

БИИМ представляет собой блок, конструктивно оформляющий инерциальные чувствительные элементы, устанавливаемые непосредственно на корпусе объекта. Он вырабатывает непрерывную информацию о составляющих вектора кажущегося ускорения и параметрах вращательного движения места установки измерительного блока.

БИИМ обладают рядом преимуществ по сравнению с системами, построенными на базе гиростабилизированной платформы: отсутствие карданова подвеса и связанных с ним стабилизирующих двигателей и датчиков углов, подшипников, контактных колец токоподводов приводит к упрощению конструкции, снижает стоимость производства и технического обслуживания, а также существенно повышает его надежностные характеристики.

Все сказанное может быть полностью отнесено и к инерциальным средствам подземной навигации.

Современные технические требования к гироскопическим инклинометрам, как уже отмечалось, обуславливают необходимость их развития и совершенствования в следующих направлениях:

- снижения массогабаритных характеристик (прежде всего, наружного диаметра) и энергопотребления;

- повышения прочностных и надежностных качеств (наиболее актуально для забойных гироинклинометров);

- оперативности получения инклинометрической информации (работа в режиме on-line);

- снижения затрат (прежде всего временных) на проведение инклинометрических измерений;

-повышения устойчивости к сбойным ситуациям, которыми изобилуют скважинные работы.

В наибольшей мере этим требованиям удовлетворяют бесплатформенные гироинклинометры, которые могут работать во всех применяемых для инклинометров режимах: ГК, ГН и БИНС.

В отличие от кардановых гироинклинометров компасного типа, отличительной особенностью которых, является их физическая избирательность к направлению географического меридиана, в бесплатформенных гироинклинометрах, работающих в режиме ГК, в условиях неподвижного основания производится аналитическое моделирование вектора угловой скорости суточного вращения Земли или ее горизонтальной составляющей. Такое гирокомпасирование принято называть аналитическим [].

Как правило, в качестве чувствительных элементов бесплатформенных гироинклинометров, работающих в режиме аналитического компасирования используются ДУС.

Если представить, что при построении бесплатформенного гироинклинометра применяется неуправляемый гироскоп (НГ) с бесконтактным подвесом ротора (чаще всего ротор такого НГ представляет собой шар, подвешенный в некотором силовом поле), то для измерения проекций вектора угловой скорости суточного вращения Земли, так или иначе, потребовалось бы дифференцирование направляющих косинусов, определяющих ориентацию вектора кинетического момента НГ в географической системе координат []. Предположим, что один и тот же гироскоп, например - шаровый, используется в качестве как НГ (с разомкнутой обратной связью по ДМ), так и ДУС (с замкнутой обратной связью), и сравним результаты компасирования в том и другом случае. Вполне очевидно, что при равной (или близкой) стабильности дрейфовых характеристик основное влияние на погрешности измерения абсолютной угловой скорости окажут шумовые характеристики датчиков съема информации. При этом, если в случае ДУС мы имеем дело со стандартной задачей сглаживания флуктуационных составляющих в показаниях ДМ, то дифференцирование сигнала датчика угла НГ потребует повышения эффективности цифровой фильтрации на один - полтора порядка. В силу этого – неизбежно соответствующее увеличение времени наблюдения, вплоть до выхода НГ в видимом движении из зоны линейности датчика и т.д. Усугубление этих трудностей, возникающее в связи с переориентацией НГ в процессе многопозиционного компасирования, как представляется автору, вообще ставит под сомнение взаимоприемлемость НГ и оперативных методов для вычисления параметров ориентации на неподвижном основании (исключение могут составить специальные прецизионные задачи []).

Что касается применения бесплатформенного гироинклинометра в режиме ГН, то, принципиально, такой гироинклинометр может быть построен на НГ, поскольку основой режима ГН является стабилизация некоего направления в условиях подвижного основания, а НГ, в силу своих свойств, как раз для этого и предназначен.

Для бесплатформенного гироинклинометра в режиме ГН требуется бескарданный вариант НГ. Гироскопы с магнитным подвесом ротора, а также гироскопы с газовым сферическим подвесом в силу целого ряда причин требуют внешнего карданова подвеса. Единственным примером существующего в настоящее время бескарданного варианта НГ является БЭСГ, в котором взвешивание ротора осуществляется силами электростатического поля. В частности, такой гироскоп был разработан в 80-х годах XX века за рубежом и применен в качестве чувствительного элемента авиационной и корабельной БИНС. БЭСГ имеет большие габариты (по сравнению с габаритами гироскопов, применяемых в инклинометрах) и очень высокую стоимость.

Даже, если предположить, что будет разработан бесплатформенный ГН на БЭСГ, для его начальной выставки потребуется использование внешнего курсоуказания, а это является серьезным ограничением применения такого гироинклинометра. В свое время именно это ограничение заставило специалистов Томского политехнического института при разработке экспериментального образца непрерывного гироскопического инклинометра ИГН 100-100/60А на кардановом варианте трехстепенного гироскопа применить помимо этого гироскопа еще и гироскопический двухосный ДУС .

Все, сказанное выше о режиме ГН на БЭСГ, может быть также отнесено к применению бесплатформенного гироинклинометра на БЭСГ в режиме БИНС.

Таким образом, наиболее адаптированными ко всем режимам применения бесплатформенных гироинклинометров являются ДУС, причем, речь, в основном, идет о гироскопических ЧЭ среднего класса точности (0,02¸0,3)^о/час.

Роторные (с механическим носителем вектора кинетического момента) гироскопы в классе систем средней точности распространены достаточно широко, тем не менее, крупнейшие компании – разработчики инклинометрической техники по-прежнему сосредотачивают свои усилия, главным образом, на двух их типах: поплавковых ДУС и ДНГ.

ДНГ обладает наибольшей преемственностью по отношению к классическим механическим гироскопам.

Под термином ДНГ в общем случае понимается прибор, содержащий одно тело или систему тел, вращающихся от приводного двигателя с заданной достаточно большой скоростью относительно основания, имеющих степени свободы углового перемещения в плоскости, перпендикулярной оси принудительного вращения. При наличии абсолютной угловой скорости основания вокруг произвольной оси, перпендикулярной оси принудительного вращения, возникают вынужденные колебания элементов ДНГ относительно осей подвеса []. Подвес в ДНГ реализуется с помощью упругих связей. Это исключает такой важный источник погрешностей, присущих гироскопам, построенным по классической схеме, как сухое трение в шарикоподшипниковых опорах. При таком подвесе позиционные моменты, стремящиеся привести ротор в положение равновесия, определяются не только статической жесткостью, т. е. жесткостью упругого подвеса, но и динамической (центробежно-маятниковой). При резонансном режиме работы статическая жесткость, как правило, много меньше динамической. Изменение характеристик упругой системы влияет лишь на статическую жесткость и незначительно сказывается на полной жесткости системы. Изменение же скорости вращения приводного двигателя, приводящего к изменению частоты действующего на упругую систему гироскопического момента, вызывает соответствующее изменение динамической, а значит и полной жесткости системы. Однако, расстройка от резонанса в этом случае оказывается значительно меньше, чем в аналогичных условиях у других схем вибрационных гироскопов.

Описанные преимущества обусловили в течение 20 последних лет успешное развитие и внедрение ДНГ в качестве серийного прибора среднего класса точности для объектов различного назначения. На первом этапе развития ДНГ разрабатывались, в основном, как чувствительные элементы для гиростабилизированных платформ, но в последние годы появились ДНГ, работающие в режиме ДУС. Основной тенденцией при создании таких ДУС является их миниатюризация.

Обладая малыми массогабаритными характеристиками, малой потребляемой мощностью, малым временем готовности, и соответствующими метрологическими характеристиками, ДНГ является одним из основных типов гироскопов среднего класса точности, применяемых для создания бесплатформенных гироинклинометров на ДУС.

По сравнению с некоторыми механическими ДУС (например, поплавковыми), ДНГ менее устойчив к воздействию вибраций и ударов и поэтому должен использоваться в сочетании с амортизирующими устройствами, которые можно применить при соблюдении требуемых массогабаритных характеристик гироинклинометра. Кроме того, при использовании ДНГ сложной технической задачей является обеспечение требуемой временной и температурной стабильности масштабного коэффициента.

Помимо ДНГ, в бесплатформенных гироинклинометрах могут применяться лазерные (ЛГ) и волоконно-оптические (ВОГ) гироскопы, в которых носителем информации об угловой скорости являются электромагнитные волны оптического диапазона.

В основе работы ЛГ и ВОГ лежит эффект Саньяка, определяющий разность времен обхода вращающегося замкнутого контура световыми пучками, распространяющимися в противоположных направлениях [].

В случае, когда оптический замкнутый контур образован зеркалами кольцевого резонатора, разность времен обхода трансформируется в разность собственных частот кольцевого резонатора для собственных типов колебаний, распространяющихся в противоположных направлениях (разность частот встречных волн) [].Частоты встречных волн оказываются зависимыми от угловой скорости вращения вокруг нормали к плоскости резонатора.

Достоинствами ЛГ являются простота конструкции, отсутствие механических вращающихся масс, высокая надежность, нечувствительность к линейным перегрузкам, малое время готовности (порядка (1-2)с). К недостаткам следует отнести сравнительно большие габариты прибора. Современные ЛГ имеют высокую точность, но поскольку этот показатель зависит от периметра кольцевого резонатора, стремление к миниатюризации ЛГ неизбежно сопровождается снижением его точностных характеристик. Кроме того, эти гироскопы очень дороги. Поэтому вполне естественно, что информация об их применении в инклинометрии – минимальна. Это БИНС iPST (IMAR, Германия), разработанная для применения в задачах скважинной навигации и обследования трубопроводов диаметром 10² и БИНС RIGS (Baker Hughes INTEQ,США) - gMWD-система диаметром D_min=4,75².

ВОГ представляет собой цельноволоконный вариант кольцевого оптического интерферометра Саньяка, выполненного из специального сверхтонкого одномодового оптического волокна, сохраняющего поляризацию излучения. Оптическое излучение люминесцентного диода вводится в два противоположных конца кольцевого световода. При вращении световода между встречными волнами возникает дифференциальная разность фаз. В оптическом диапазоне волн разность фаз регистрируется по линейному смещению интерференционной картины, т. е. разности хода встречных волн в кольцевом световоде []. Минимальное значение регистрируемой разности определяет точность ВОГ.

ВОГ обладают следующими важными достоинствами: малыми габаритами и массой, малым потреблением энергии, малым временем готовности, нечувствительностью к электрическим помехам, отсутствием гальванической связи между чувствительным элементом и регистрирующим устройством, возможностью передачи по световоду оптических сигналов малой мощности.

Точностные характеристики ВОГ в значительной степени определяются длиной волокна и диаметром катушки, что является одним из основных факторов, сдерживающих их массовое применение в инклинометрии (прежде всего, малого диаметра). Кроме того, забойная температура, при которой могут работать ВОГ, обычно составляет (70-75)°С.

Большие потенциальные возможности имеет ВТГ. Предполагается, что на кварцевой полусфере диаметром 50мм можно получить стабильность (0.005-0.01) град/час. Однако ряд технических проблем, связанных, прежде всего, с реализацией системы списывания, тормозит отечественную разработку такого гироскопа. Что касается зарубежного опыта, то фирма Litton заявила о создании ВТГ, получившего маркировку HRG130R, и предназначенного для применения в навигационной системе, которая, в частности, может использоваться при бурении нефтегазовых скважин. Конструкция гироскопа была модифицирована так, чтобы он мог пройти в трубу диаметром менее 50мм. Продемонстрирована работа гироскопа при температуре 155°С, вибрации в 30g и в условиях повторяющихся ударов амплитудой 500g [].

Типичными техническими характеристиками линейных акселерометров для бесплатформенных гироинклинометров являются стабильность систематической погрешности на уровне (0.8 -1)10^-3 g, т. е. на уровне 3 - 4 угл. мин и линейность масштабного коэффициента 10^-2 %. Наряду с этим, к акселерометрам предъявляются весьма жесткие эксплуатационные требования по обеспечению их работы в условиях ударов и вибраций, высоких температур, по надежности и энергопотреблению. В настоящее время в бесплатформенных гироинклинометрах используются, как правило, электромеханические акселерометры компенсационного типа и микромеханические акселерометры.

Схема маятникового линейного акселерометра компенсационного типа представляет собой плоский маятник, образованный чувствительной массой, центр которой удален от оси вращения на некоторое расстояние. На оси маятника установлены датчик момента и датчик угла, которые образуют измерительную систему с отрицательной обратной связью. Это позволяет, с одной стороны, уменьшить погрешность акселерометра, обусловленную влиянием угла поворота массы, а с другой, в качестве информативного параметра о значении действующего ускорения использовать электрическое напряжение с выхода усилителя, пропорциональное току рассогласования.

В качестве примера можно привести данные о линейных акселерометрах типа АТ-1104, разработки ОКБ «Темп-Авиа» (г. Арзамас), который представляет собой одноосный маятниковый акселерометр компенсационного типа с упругим подвесом чувствительного элемента и выполнен из моно кристаллического кремния. В состав акселерометра входит емкостной датчик угла, встроенный усилитель обратной связи и термодатчик. Акселерометры АТ-1104 применяются в непрерывном инклинометре ИГН 73-100/80.

Технические характеристики акселерометра АТ-1104 следующие: диапазон измерения - ± 10g, нелинейность - не более 0.05%, смещение нуля при изменении температуры от -50°С до +85°С - ± 5*10^-3 g, полоса частот, не менее 350Гц, габариты – (20´26´5)мм, масса - 43 г, потребляемый ток -20мА, напряжение питания - ± 12В.

В отечественных гироинклинометрах применяются также маятниковые акселерометры типа ДА-9 (разработка Пермской приборостроительной компании) с габаритами (Æ24´18) мм и массой 38 г, работающие в диапазоне от -60°С до +85°С, имеющие смещение нуля -2 угл. мин, акселерометры АТ-1304 (разработки ОКБ «Темп-Авиа» (г. Арзамас)). В частности, в [] приводятся данные о результатах климатических (в диапазоне (5-120)°С) и вибрационных испытаний акселерометров АТ-1304 (а также микромеханических акселерометров АДХL-150 (Analog Device, США)) на стенде в диапазоне (2-200) Гц с перегрузками до 30g. При использовании алгоритмической термокомпенсации и фильтра низких частот на выходе усилителя схемы этих акселерометров была достигнута стабильность их работы при вибрациях.

Микромеханические акселерометры (АДХL-150АH, АДХL-105 АH, АДХL-103 АH (Analog Device, США)) обладают высокой устойчивостью к внешним воздействиям, малой массой и габаритами, малым энергопотреблением, но, однако, они имеют точностные характеристики, которые, как правило, не обеспечивают требуемую для наклонно-направленного и горизонтального бурения точность горизонтирования.

Для последнего поколения бесплатформенных гироинклинометров отечественными специалистами был специально разработан измеритель линейных ускорений, который представляет собой пространственную компоновку из четырех одноосных микромеханических акселерометров ADXL 103, измерительные оси которых расположены по осям тетраэдра [] . Такая компоновка обеспечивает равенство «весовых» функций, определяющих вклад каждого из четырех акселерометров в построение измерительного ортогонального трехгранника. Дополнительным фактором повышения точности такой схемы является предварительный подбор акселерометров в тетраэдр по критерию совпадения знака тренда температурной погрешности. Погрешность определения зенитных углов при применении измерителя линейных ускорений не превышает 6 угл.мин.

Рассмотренные выше чувствительные элементы - ДУС и линейные акселерометры образуют измерительный блок (ИБ) бесплатформенного гироинклинометра.

ДУС позволяют реализовать как двухосные (ДНГ), так и одноосные измерения (ЛГ, ВОГ) угловой скорости. Инклинометрия современных скважин сложного профиля с изменением зенитного угла от 0° до 180°, строго говоря, требует трехосного измерения вектора абсолютной угловой скорости СП и для этого необходим полный набор гироскопических ЧЭ, т. е. два двухосных или три одноосных ДУС.

Как правило, все гироскопы имеют конструктивное исполнение в виде цилиндра с расположением вдоль его продольной оси либо вектора кинетического момента (ДНГ), либо измерительной оси (ЛГ, ВОГ, ВТГ).

Следует также отметить, что в бесплатформенных гироинклинометрах, как правило, используется широко известный в гироскопической технике метод циклического разворота корпуса механического ДУС на 180° вокруг оси кинетического момента с целью автокомпенсации систематических составляющих корпусного ухода. Этот метод позволяет значительно повысить точностные характеристики ДУС. Однако использование этого метода приводит к необходимости установки в СП поворотной платформы (рамки) для каждого ДУС и применения системы, обеспечивающей реверсирование корпуса гироскопа с точной фиксацией его положений. В целом это может привести к усложнению конструкции гироинклинометра, увеличивает его габариты, энергопотребление.

При создании бесплатформенных гироинклинометров для скважин малого диаметра на пути реализации трехосной схемы встают естественные габаритные ограничения, не позволяющие обеспечить измерение составляющей угловой скорости вдоль продольной оси СП (при применении двухосного ДУС (ДНГ)), или измерение составляющих угловой скорости по двум ортогональным осям, расположенным в экваториальной плоскости СП (при применении ЛГ, ВОГ, ТВГ).

Наиболее естественным решением в этом случае является применение бесплатформенного гироинклинометра, построенного на одном двухосном ДУС c расположением вектора кинетического момента по оси скважины.

Схема бесплатформенного гироинклинометра на одном двухосном ДУС (так называемая, продольная схема) реализована и применяется на практике как в режиме ГН, так и в режиме ГК. Примерами такой схемы являются: режим ГК - ИГМ 36-80/60, НИИ имени академика В.И.Кузнецова, Москва, телесистема «Гирокурсор-45», ЗАО "НТ-КУРС", Москва; режим ГН - система RGS-CT, фирма Gyrodata, США;система Keeper high accuracy gyro wireline system, фирма Scientific Drilling, США.