Непрерывный бесплатформенный гироинклинометр УГИ 42-120/60

С целью расширения диапазона применения схемы XY в ОАО «Электромеханика» был разработан универсальный гироскопический инклинометр УГИ 42-120/60.

В состав инклинометра УГИ 42-120/60 входят:

- скважинный прибор (СП), состоящий из скважинного модуля связи (СМС) и скважинного модуля ориентации (СМО), наземный пульт управления (НПУ), персональный компьютер.

Несущим элементом конструкция СМО является рамка, установленная в защитном корпусе (рис.1).

Рис.1

На рамке размещается ДНГ (рис.2), измеритель линейных ускорений (ИЛУ) в виде пространственной компоновки из четырех одноосных микромеханических акселерометров (ММА) ADXL 103, ММГ (типа ADXRS150), электроника каналов обратной связи ДУС, электроника предварительной обработки и фильтрации сигналов акселерометров, аналого-цифровые преобразователи и интерфейс связи с блоком электроники (рис.3).

Рис.2 Рис.3

Здесь уместно будет подчеркнуть, что никакие теоретические изыскания, связанные с режимом ГН, не имели бы практического смысла при отсутствии в распоряжении разработчиков ГИ инерциальных чувствительных элементов с нужными характеристиками.

Рис.4

Определяющими признаками современных ДНГ (имея ввиду, конечно, их возможное применение при сопровождении бурения в забойных ГИ и при непрерывной инклинометрической съемке) являются сочетания в них принципиально противоречащих друг другу технических требований:

- виброударная устойчивость и прочность по ГОСТ 26116-84, позволяющая не ограничивать динамику спускоподъемных операций, сопровождающихся жесткими ударами о стены и, самое главное, о стыки обсадных колонн;

- габариты, вписывающиеся в трубный корпус СП с диаметром расточки Æ < 38мм, позволяющие сохранить основной признак универсальности ГИ серии УГИ-42 (универсальный гироскопический инклинометр Æ 42 мм);

-термостойкость (-10°С…+105°С) и термопрочность (+120°С), позволяющая сегодня снять ограничения по глубине исследования большинства, встречающихся на практике нефтегазовых скважин;

-умеренные ценовые показатели.

И, конечно, картина не будет полной без ответа на вопрос: хватает ли точности гироскопа со столь широким спектром допустимых условий эксплуатации (десятые доли º/час) для решения самой инклинометрической задачи?

Ответ не может быть сформирован столь односложно, как вопрос, и требует некоторых предварительных рассуждений. Во-первых, не вдаваясь здесь в нюансы, свойственные вертикальному участку скважины и подробно рассмотренные выше, выделим среди различных режимов, присущих ГИ, как и любому сколько-нибудь сложному гироскопическому устройству, работу по прямому назначению, производящуюся при движении СП и сопровождаемую интегрированием уравнений Пуассона при, пока произвольных, начальных условиях. Анализ уравнений ошибок, получаемых при варьировании обеих частей системы (1) показывает, что уходы гироскопа не являются единственным, а, тем более критическим фактором, определяющим общую ошибку ГИ в определении координат. Во всяком случае, в варианте спуска на геофизическом кабеле.

Расчет для широко используемого при модельных оценках профиля скважины, близкого к четверти плоской окружности, показывает, что даже при неопределенности ухода ДНГ на уровне 0,3°/час, чего, надо сказать, пока не встречалось в практике использования рассматриваемых изделий, суммарный промах в плоскости горизонта не превышает 5м. Абсолютная глубина скважины при этом составила 3000м, начальные условия в погрешности определения меридиана места полагались нулевыми. Важнейшим внешним, но косвенно определяемым свойствами гироскопа, параметром при непрерывной съемке является, конечно, скорость движения ГИ, которая при использовании УГИ-42.03, составляет - 1,5м/сек. Допустимость таких скоростей спуска/подъема в силу высокой ударостойкости ДНГ является еще одним серьезным преимуществом изделия.

Отметим, что ситуация серьезно меняется, когда инструментом спуска прибора вместо кабеля становится трубная колонна. Такая необходимость возникает при измерении только что пробуренных скважин, значительная часть ствола которых проведена достаточно близко к горизонту. Это резко осложняет возможность попадания туда СП. Режим ГН при этом теряет такие свои кардинальные преимущества, как автокомпенсирующее вращение кабеля и малое время съемки, являющееся не только экономическим, но и точностным качеством. Взамен, однако, мы получаем большое количество остановок, обусловленных необходимостью наращивания трубной колонны (в зависимости от длины труб и их количества в так называемой свече – каждые 18-32м). Это позволяет обратиться к процедуре ZUPT– коррекции ухода гироскопа, модифицировав ее, применительно к структуре погрешностей ГН, таким образом, чтобы добиваться автоматического обнуления правых частей уравнения ошибок в начале каждого интервала движения. Управление основными параметрами такого режима – временем стоянки и скоростного спуска свечи (при известных ограничениях, определяемых энергетикой буровой установки и технологическими режимами, допускаемыми для нахождения колонны в открытой скважине) осуществляется на основе минимизации произведения , где - искомый интервал наблюдения, - дисперсия Аллана (ухода гироскопа).

Надо сказать, что отсутствие устойчивых технологических приемов спуска СП на трубах, противоречивые требования, выдвигаемые различными буровыми подрядчиками, да и, прямо скажем, сугубая эпизодичность применение такого способа исследования скважин, не позволило пока провести апробацию предлагаемых алгоритмов, в силу чего их не следует считать полноценной разработкой. Однако, можно с уверенностью констатировать, что в случае развития этого или подобных ему методов, есть достаточно оснований рассчитывать на эффективное внедрение нового интересного режима непрерывной съемки.

Не следует, однако, забывать, что весьма пристойные результаты рабочего режима ГН получены при нулевой ошибке начальной выставки относительно плоскости меридиана. Методически это вполне оправдано, т.к. начальная выставка является абсолютно самостоятельным режимом ГН, не связанным технологически и, в первом приближении, не коррелированным по результатам с процессом работы по прямому назначению. Это позволяет для рассмотрения влияния ошибки начальной выставки на суммарную ошибку воспользоваться принципом суперпозиции. Получаемый результат вполне ожидаем, хотя от этого он не становится более приемлемым. Принятый выше уровень погрешности ДНГ 0,3°/час, при осуществлении начальной выставки в режиме ГК, приводит к промаху в плоскости горизонта, на порядок превышающему накопленный в режиме, собственно, непрерывности.

На самом деле, как уже было сказано, неопределенность ухода в практике использования изделия УГИ – 42 оказывается меньше. Возможность в устье скважины провести режим ГК при вертикальном положении вектора кинетического момента, когда обнуляются уходы, связанные с вектором силы тяжести, да еще сделать это при нескольких положениях корпуса, реализуя, так называемое, многопозиционное компасирование, позволяет получать погрешности начальной выставки для широты Сургута (и Санкт-Петербурга) на уровне 1°. Однако, эта погрешность все равно остается превалирующей, определяя до 75% суммарного промаха в горизонте. Такая ситуация, на наш взгляд, выглядит перспективной – не исчерпаны резервы снижения погрешности измерителя ускорений, за счет его количественного и структурного развития, не использованы возможности внешней курсовой выставки, в частности, с помощью GPS и т. д. Таким образом, мы имеем достаточно оснований полагать, что ДНГ выбранного типа внедрен в практику непрерывной инклинометрической съемки всерьез и надолго.

А теперь вернемся к краткому техническому описанию изделия.

В состав блока электроники входят источники питания ДУС, ММГ, акселерометров и двигателя разворота корпуса гироскопа.

Рамка имеет возможность разворачиваться с помощью двигателя вокруг продольной оси ГИ, что используется для повышения точности начальной выставки. Для измерения угла этого поворота на оси рамки установлен специальный оптический датчик.

Наружный диаметр СМО составляет 42 мм, длина модуля – 580 мм.

Скважинный модуль связи (СМС) обеспечивает гальваническую стыковку с каротажным кабелем, выработку первичного питания для СМО, организацию информационного обмена между СМО и наземным пультом управления.

Конструкция СМС представляет собой неподвижную рамку с платами электроники и контролером, размещенными в защитном корпусе.

Наружный диаметр СМС составляет 42 мм, длина модуля – 1010 мм.

СМС и СМО собираются в единую герметичную конструкцию (рис.5).

Рис.5

В НПУ переменное напряжение питания 220В, 50Гц преобразовывается в постоянное (150–210)В, которое с помощью каротажного кабеля обеспечивает связь СП с персональным компьютером (ПК).

Кроме того, в НПУ вводятся, а также сохраняются во флэш – памяти, показания датчиков магнитных меток и глубины, которые затем используются для вычисления длины пройденных при съемке участков скважины.

ПК решает задачи управления работой ГИ, апостериорной обработки всех зафиксированных во время съемки инклинометрических измерений, визуализации и документирования вычисленных координат траектории скважины.

ПК решает задачи управления работой ГИ, апостериорной обработки всех зафиксированных во время съемки инклинометрических измерений, визуализации и документирования вычисленных координат траектории скважины. Здесь следует отметить, что помимо определения глубины и угловых параметров участков ствола непосредственно в процессе съемки скважины и трансляции их оператору, запись выходных сигналов всех измерительных средств производится во флэш-память контроллера СП. Такая двухступенчатая организация процесса вычислений позволяет, с одной стороны, обеспечить оператора необходимой ему информацией в режиме on-line, а с другой стороны, - за счет апостериорной обработки больших массивов инклинометрических данных, в том числе при варьировании настройки фильтрационных процедур, а также использовании, в полной мере, данных о спуске и подъеме, значительно повысить точность позиционирования.

Основные технические характеристики УГИ 42 -120/60

Диапазон измерения, град: зенитного угла – 0-180, азимута и угла поворота отклонителя – 0-360.

Погрешности определения от глубины по стволу:

- смещения в плане – не более 0,4%;

- вертикальной глубины (TVD) – не более 0,2%.

Наружный диаметр – 42мм.

Режимы работы УГИ 42-120/60

Работа УГИ 42-120/60 при непрерывной съемке скважины может быть условно представлена следующей последовательностью режимов:

-начальная выставка;

- режим измерения при движении СП вдоль ствола;

- считывание флэш – памяти;

- апостериорная обработка полученных данных и построение траектории исследуемой скважины.

В процессе начальной выставки, проводимой в режиме гирокомпасирования, вычисляются начальные значения угловых параметров исследуемой скважины и определяются систематические составляющие корпусного ухода ДУС. Начальная выставка проводится при любом значении зенитного угла, что позволяет использовать УГИ 42-120/60 для измерения траекторий произвольных участков ствола. При проведении начальной выставки на участке ствола с зенитным углом , лежащем в диапазоне (участок условно назовем «вертикальным»), в УГИ 42-120/60 вычисляются углы , на участке ствола с («наклонном») - азимутальный угол . Для снижения влияния случайных погрешностей на точность начальной выставки, цикл гирокомпасирования (установка поворотной рамки в 3-5 дискретных положениях) может быть повторен несколько раз, продолжительность одного цикла - не более 5 мин. В программе управления УГИ 42-120/60 также предусмотрена возможность проведения начальной выставки с использованием информации внешних средств курсоуказания (гиротеодолита, буссоли, курсовой системы GPS и т. д.).

При проведении съемки скважины при спуске или подъеме СП на «вертикальных» участках в УГИ 42-120/60 используются соотношения для описанного выше, бесплатформенного варианта схемы Z (см.(10), (11)), на «наклонных» участках - для схемы XY (см.(5), (6)), т.е. в обоих случаях эти алгоритмы базируются на уравнениях Пуассона.

Переход УГИ 42-120/60 с одной схемы работы на другую производится автоматически путем вычисления в режиме гирокомпасирования новых начальных условий для следующего этапа интегрирования. Если «вертикальный» участок скважины имеет значительную протяженность (более 300м), допускается проведение при его прохождении остановки СП для коррекции показаний ММГ; при остановок СП не производится. При движения СП вдоль ствола ДПИ опрашиваются с частотой 20 Гц и полученная информация записывается во флэш–память прибора. Одновременно, на основе той же информации в вычислительном устройстве СМО производится предварительное вычисление угловых параметров скважины и ее глубины, которые один раз в секунду передаются оператору.

Считывание флэш–памяти в УГИ 42-120/60 производится после завершения съемки скважины и извлечения прибора на поверхность. Время, затрачиваемое на считывание полного объема флэш–памяти, составляет не более 5 мин.

Апостериорная обработка полученных во время съемки данных ДПИ производится в ПК УГИ 42-120/60 (непосредственно в месте извлечения СП) с помощью запуска специальной программы, процесс вычисления в которой завершается созданием итогового отчета в LAS – формате. Общее время проведения вычислений и построения требуемых графиков занимает не более 5 мин. Выходной информацией УГИ 42-120/60 являются координаты траектории исследуемой скважины. Тем не менее, в процессе апостериорной обработки могут быть дополнительно рассчитаны значения угловых параметров скважины в функции глубины ствола или времени проведения измерений.