V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Основные требования при построении системы ориентации скважинного прибора

Развитие направленного бурения обусловило увеличение количества и разнообразия используемых при проводке скважин телеметрических навигационных систем. Реализация перспективных видов бурения потребовала решения целого ряда проблем: как силового управления движением колонны труб, так и ее подземной навигации и ориентации.

Основной задачей навигации и ориентации под землей является определение местоположения бурильного инструмента. Скважинная навигация базируется на определении углов ориентации, полученных от инклинометрических инерциальных навигационных систем (ИНИС).

Местоположение бурового инструмента определяется по отношению к географически–ориентированной системе координат. Для реализации данной системы координат (СК), необходимо, чтобы ось вращения гироскопа сохраняла свое направление на географический Север, путем гирокомпасирования. В этом случае гироскоп представляет собой датчик угловой скорости (ДУС), измеряющий проекцию угловой скорости вращения Земли на ось чувствительности гироскопа. Основной целью инклинометрических исследований является определение траектории скважины в декартовой, географически ориентированной системе координат и ориентации прямой линии, касательной к оси скважины в каждой точке по отношению к этой СК [1,2].

При проектировании ИНИС жестко ограничиваются ее габариты – диаметр скважины является определяющим при выборе схемы и ЧЭ. Вторым решающим фактором являются условия ее эксплуатации, регламентируемые ГОСТ 26116-84.

Перечень определяемых параметров, как правило, стандартный: определение зенитного угла (β), угла поворота инструмента (γ), азимута или курсового угла (α). Точностное требование к инерциальным элементам ИНИС, в частности для гироскопов, имеет значение в пределах 0,25–1 угл. град, для точности хранения или воссоздания иным способом отсчетного инерциального направления.

На рис. 1 представлена упрощенная принципиальная схема комплекса гироскопического инклинометра. На основании информации о проекциях вектора ускорения силы тяжести с акселерометров (Ах, Ay, Az) на оси приборной системы координат и о проекциях вектора угловой скорости вращения Земли (ω_x и ω_y), а также широты места φ при неподвижном приборе, вычисляются значения зенитного, апсидального и курсового углов [2].

Рис. 1 – Схема комплекса гироинклинометра: СП – скважинный прибор; БЭ – блок электроники; БЧЭ – блок чувствительных элементов; ДГИУС – двухкомпонентный гироскопический измеритель угловой скорости; НА – наземная аппаратура, ГК – гидроканал, Ах, Ay, Az – акселерометры по соответствующим приборным осям.

Основными разновидностями датчиков угловых скоростей, использующихся в гироскопических инклинометрах, являются: динамически настраиваемые гироскопы, микромеханические гироскопы, а также роторные гироскопы в кардановом подвесе [2].

Использование приборов, работа которых не прекращается в процессе всего бурения, дает значительные преимущества при бурении скважины.

Основные параметры гироскопа с газодинамическим подвесом

Гироскоп с газодинамическим подвесом ротора относится к классу прецизионных гироприборов, к деталям и узлам которого предъявляются жесткие требования по точности, соблюдения технологии изготовления, контроля и испытаний.

Принцип действия газодинамической опоры сводится к следующему: воздух, в силу своей вязкости, в результате приведения цапфы во вращение, вовлекается в клиновидный зазор между цапфой и подпятником, диаметры которых отличаются друг от друга в пределах 5÷8 мкм. Образующееся в зоне малых зазоров повышенное давление обуславливает результирующую подъемную силу, уравновешивающую массу ротора.

На разгон ротора в первоначальный момент времени запуска влияет момент сухого трения, т.к. именно в момент запуска присутствует трение между рабочими поверхностями. Материалы газодинамических опор выбирают таким образом, чтобы исключить истирание деталей при пусках и остановах. Наиболее стойкими являются: окись алюминия, карбид вольфрама, окись бериллия, карбид бора, нитрид кремния.

Основные достоинства газодинамического подвеса в сравнении с шарикоподшипниковыми опорами, заключаются в следующем:

1. Высокая надежность в тяжелых условиях эксплуатации;

2. Практически неограниченный ресурс работы – определяется только количеством пусков/остановов прибора.

Газодинамический подвес способен выдерживать большие перегрузки (до 50g), обладает достаточно высокой жесткостью, чем шарикоподшипники (например, шарикоподшипники 2076083 имеют радиальную жесткость 14·10³ Н/мм, у газодинамического подшипника при соизмеримых габаритах и скорости вращения ротора до 48000 об/мин жесткость достигает 20·10⁴ Н/мм), он устойчив к температурным (для газонаполненных сред до 250°С и выше) и вибрационным воздействиям (жесткость характеризует частоту собственных колебаний, которая составляет величину порядка 100 Гц и выше) [3].

Наиболее подходящим в качестве альтернативы трехстепенному гироскопу в кардановом подвесе, может составить шаровой гироскоп, поскольку при такой схеме газодинамического подвеса возможны измерения по 2–м ортогональным осям. Подобные приборы применяются в гиростабилизированных платформах, прецизионных инерциальных навигационных системах [4]. Конструкция разрабатываемого прибора с газодинамическим подвесом шарового ротора приведена на рис. 2.

Ротор 14, представляющий собой стандартный подшипниковый шарик, помещен между двумя полусферическими чашами 15. Шар имеет осевое отверстие, в полюсных частях которого расположены подвижные элементы 8 индукционного датчика угла 1, вмонтированного в осевое отверстие чаш. Сферические поверхности чаш обработаны таким образом, чтобы диаметр образующей сферы был на 5÷10 мкм больше фактического диаметра шарика, за счет чего достигается начальный зазор, необходимый для работы подвеса в режиме газовой смазки. Ротор приводится во вращение электромагнитным полем статора 2, запитанного от трехфазной сети 36–40 В, 500 Гц. При вращении ротора, газ, в силу своей вязкости, вовлекается в начальный зазор между чашами и ротором, и при дальнейшем притоке газа в зазоре возникает избыточное давление вследствие чего ротор «всплывает», и при его вращении с номинальной скоростью обеспечивается режим постоянной газовой смазки.

а)	б)
Рис. 2 - Трехмерная модель конструкции гироскопа: а) 3D-модель гироскопа с газодинамическим подвесом шарового ротора в разборке; б) 3D-модель гироскопа с газодинамическим подвесом шарового ротора. Вид внешний в сборке.

Основными параметрами газодинамических опор являются: начальный зазор, несущая способность (давление в рабочем зазоре), момент сухого трения, момент вязкого трения, минимальная и максимальная скорости ротора, причем все параметры в той или иной степени взаимосвязаны.

Несущая способность шаровой газодинамической опоры определяется по формуле [5]:

, МПа,	(1)
где p0 – давление окружающей среды, МПа; S – площадь подвеса, м2; ς=f(λ,H,ε) – коэффициент нагрузки, зависящий от геометрических соотношений опоры

Момент вязкого трения определяется соотношением [4]:

, Н∙мм	(2)
где μ – коэффициент вязкого трения газовой среды, Н/м2; r – радиус шарового ротора, мм; ω – угловая скорость ротора, рад/с; с – радиальный зазор между ротором и опорой, мм.

Помимо момента вязкого трения, на работу опоры в момент запуска гироскопа существенное влияние оказывает момент сухого трения, зависящий от нагрузки на опору. Для уменьшения износа поверхностей опоры, запуск осуществляется при повышении напряжения в момент пуска до 90 В в течение 3–5 с (форсированный запуск).

При расчете подвеса в стационарном режиме за основное положение принимается условие равновесия, при котором подвес должен выдержать нагрузку, величина и направление которой заданы. Из графика зависимости безразмерного коэффициента нагрузки (ς) от числа сжимаемости (Н) при различных значениях относительного эксцентриситета (ε) и λ=1 (т.к. при расчете производится аппроксимация сферы цилиндром) определяются соотношения εи Н для величины безразмерного коэффициента нагрузки ς = 0,02, которые можно отобразить в виде графиков, представленных на рис. 3. Полученные зависимости дают возможность оценить минимальную скорость ротора при различных значениях относительного эксцентриситета и радиального зазора, при которых данная опора при заданной нагрузке начинает работать в режиме газовой смазки.

Рис. 3 - Зависимость ω1 = f (ε), где: 1 – при с=4 мкм; 2 – при с=6 мкм; 3 – при с=8 мкм; 4 – при с=10 мкм; 5 – при с=12 мкм; 6 – при с=14 мкм; 7 – при с=16 мкм; 8 – при с=18 мкм; 9 – при с=20 мкм.

В таблице 1 приведены параметры, влияющие на работу гироскопа в момент пуска и в режиме газовой смазки, рассчитанные для принятых геометрических параметров опоры и электропривода.

Таблица 1. Основные рассчитанные характеристики.

Параметр	Значение
Частота вращения ротора, об/мин	25 000
Кинетический момент ротора, кг·мм2/с	189 000
Момент сухого трения, Н·мм	10,09
Момент вязкого трения, Н·мм	1,45
Уводящий момент аэродинамического сопротивления, Н·мм	0,4
Пусковой момент, Н·мм	90
Вращающий момент, Н·мм	60

Величина дрейфа гироскопа для принятых характеристик прибора составляет величину 2˚/ч. Для минимизации дрейфа при оптимизации конструкции, необходимо нагнетание газовой среды в прибор, увеличение угловой скорости ротора до величины не менее 30 000 об/мин.

Для определения электромеханических характеристик электропривода была разработана экспериментальная установка, общий вид которой представлен на рис. 4. Объекты исследования – статор, набор массивных роторов. Основная задача эксперимента – отработка методики запуска привода для оптимизации разгонных характеристик гироскопа.

Рис. 4 - Экспериментальная установка: 1 – привод; 2 – панель управления; 3 – строботахометр; 4 – осциллограф; 5 – вольтметр; 6 – миллиамперметр; 7 – ЛАТРы.

Объектами исследований являлись статор и сменные роторы.

Статор. Магнитопровод статора – шихтованный, из электротехнической стали с обмоткой, выполненной по схеме трехфазной двухполюсной асинхронной электрической машины. Его основные технические характеристики для массивного ротора из стали ШХ15 приведены в таблице 2.

Таблица 2. Технические характеристики статора

Параметр	Значение
Напряжение питания, Uпит	90 – 40 В, 500 Гц
Пусковой ток при Uпит =40 В (в фазе) Iп, мА	200
Номинальный ток (в фазе) Iн, мА	150
Полная пусковая мощность Pп, ВА	24
Нагрев обмоток, не более, Т, ºС	55

Набор сменных массивных роторов состоит из шарового ротора (сталь ШХ15 с твердостью 60-62 HRC) и цилиндрического (сталь 45, без термообработки). Осевые моменты инерции роторов с переходными оправками – одинаковые.

Средства контроля и измерений. Для определения характеристик разгона привода используется двигатель-генератор ДГ-1ТА, на выходном валу которого закрепляются исследуемые роторы. Тахогенератор устанавливался в корпус со статором привода так, чтобы роторы находились в его эффективной зоне. Сигнал с генераторной обмотки пропорционален угловой скорости ротора при её подключении к средствам измерений с высоким входным сопротивлением, в качестве которых применялись цифровой милливольтметр или осциллограф с входными сопротивлениями 4,3 и 1 МОм соответственно. Градуировка показаний милливольтметра и осциллографа производится при помощи строботахометра. Для измерения пусковых и номинальных токов статора применяется стрелочный миллиамперметр. Запись показаний приборов ведется цифровой видеокамерой. Включение привода производилось при номинальном напряжении питания и в форсированном режиме.

На рис. 5 приведены характеристики форсированного разгона цилиндрического и шарового роторов.

Рис. 5 - Характеристики разгона роторов при форсированном запуске: 1 – Цилиндрический ротор; 2 – Шаровой ротор, Uпит= 40 В, 500 Гц.

Исследования показывают, что наилучшие характеристики разгона обеспечиваются в форсированном режиме с частотой питающей сети 500 Гц. В этом режиме номинальные обороты набираются за 10 с. Крутизна характеристики показывает, что скорость вращения 250-300 об/мин достигается за 0,3 с, что позволяет надеяться на возможность выполнения расчетных условий обеспечения режима газовой смазки (см. рис. 3) в опоре при реализации экспериментальной модели вместе с исследованным статором.

Для реализации макета имеются заготовки бронзовых полусферических чаш, рассматривается возможность изготовления чаш из других видов материалов, применяемых для газодинамических опор, профилирования поверхностей чаш для увеличения несущей способности и работоспособности подвеса в жестких условиях. Кроме того, ведется поиск и разработка корректирующих и управляющих устройств, для реализации двухкомпонентного датчика угловой скорости, высокочувствительных и помехоустойчивых датчиков углового положения ротора, способных работать в тяжелых условиях. Для этого датчик углового положения ротора при заданных воздействиях должен обеспечивать чувствительность прибора к горизонтальной составляющей вектора угловой скорости Земли. Применяемый в экспериментальной модели датчик трансформаторного типа имеет чувствительность 2 и 5 угловых минут по первому и второму каналу соответственно, что достаточно для первоначальных исследований чувствительности прибора и формированию требований по оптимизации конструкции. На рис. 6 приведены имеющиеся в настоящий момент технические средства для создания экспериментальной модели гироскопа.

Рис. 6 - Компоненты гироскопа и технологическая оснастка: 1 – статор; 2 – чаша из спекаемого алюминиевого сплава; 3 – индукционный датчик угла ДУТ–15; 4 – шаровой ротор; 5 – сборный корпус; 6 – бронзовая чаша; 7 – притир.

Привод имеет наилучшие характеристики при форсированном запуске и частоте питающей сети 500 Гц.

В результате проведенного исследования удалось разогнать шаровой ротор до скоростей, обеспечивающих стабильную работу подвеса гироскопа в режиме газовой смазки. В соответствии с расчетными данными, режим газовой смазки в опоре обеспечивается при скорости ротора более 250 об/мин, за 0,3 с от момента запуска. Форсированный запуск позволяет уменьшить время разгона и соответственно увеличить крутизну разгонной характеристики и пусковой момент. Из графика на рис. 5 видно, что для гироскопа с газодинамическим подвесом в форсированном режиме время разгона может составлять не менее 10 с, при выбеге имеется возможность работы газодинамического подвеса в течение 27 с, однако при форсированном запуске в момент пуска значительно возрастает потребляемая мощность. В качестве материала ротора следует выбирать ферромагнитные материалы исходя из соотношения высокой магнитной проницаемости с низким удельным электрическим сопротивлением и с высокой твердостью – низкоуглеродистые и среднеуглеродистые нелегированные стали, железоникелевые сплавы.

В заключение можно отметить следующее: ведется работа по решению конструкторско-технологических вопросов создания макета гироскопа с газодинамическим подвесом шарового ротора, диаметром 28,529мм. Макет позволит отработать модель подвеса для оптимизации характеристик его элементов, электропривода, в перспективе с дальнейшим выбором элементов управления шаровым ротором. Полученные результаты будут использоваться для дальнейших исследований и моделирования с целью повышения эффективности гироскопического датчика в составе скважинных систем ориентации и оптимизации массогабаритных характеристик, а также для получения необходимой чувствительности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Л. Н. Белянин, А.Н. Голиков, В.М. Мартемьянов, С.Н. Самойлов. Опыт создания гироскопического инклинометра // Автоматизация и информационное обеспечение технологических процессов в нефтяной промышленности: Сб. трудов ОАО «Геофит» ВНК. Т.2. Томск: Изд-во Том. Ун-та, 2002. – 327 с.

2. Я.И. Биндер, И.Е. Гутнер, А.П. Мезенцев, А.А. Молчанов. Современные информационно-измерительные комплексы систем подземной навигации и ориентации // «Гироскопия и навигация», научно-технический журнал, 2003г, №1, стр. 110–123.

3. Основы конструирования механизмов приборных систем: учебное пособие / Л. Б. Гурин, Т. Г. Нестеренко, И. А. Плотников; Томский Политехнический Университет. – Томск: Изд-во Томского Политехнического Университета, 2011. – 344 с.

4. Гироскопические системы: Элементы гироскопических приборов: Учебник для ВУЗов по спец. «Гироскопические приборы и устройства»; Под ред. Д. С. Пельпора. – М.: Высшая школа, 1988. – 432с.

5. Подшипники с газовой смазкой. Под ред. Н. С. Грэссема и Дж. Коуэлла, М., Мир, 1966. – 425 c.

9

Код для цитирования: Скопировать