X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Объектом исследования является система ориентации инклинометрического модуля

Цель работы – построить на основе МЭМС-акселерометров и магнитометра на основе магниторезисторов систему ориентации забойного инклинометра с параметрами, соответствующими современным требованиям

В процессе исследования проводились расчет и вывод уравнений для определения местоположения скважинного прибора на основе выбранных чувствительных элементов

В результате исследования разработан модуль инклинометрический забойного инклинометра на базе МЭМС - акселерометров фирмы Colybris, TS1002T и магнитометорв Honeywell HMC1043, со следующими характеристиками: зенитный угол от 0-180^о, азимутальный угол 0-360^о, угол установки отклонителя 0-360^о, погрешностью зенитного угла, не более ±0,15; диаметр охранного кожуха 54 мм; рабочий диапазон температур: от +5 до + 105 С;

Степень внедрения: стадия разработки технического предложения

Область применения: направленное бурение газовых и нефтяных скважин

Экономическая эффективность значимость работы повышение надежности и снижение стоимости модуля инклинометрического

Введение

Направленное бурение (рис. 1.) постепенно становится основным видом бурения, как на суше, так и на море при проходке скважин со стационарных морских платформ. Однако существуют требования к точности бурения забоя скважин в заданную точку и к соблюдению проектного профиля скважины.

Рис. 1. Бурение наклонно – направленной скважины

Увеличение производительности труда в бурении и сроков строительства скважины, ставит перед создателями инклинометрических приборов и систем задачу повышения не только точности к измерительной аппаратуре, но и оперативности получения инклинометрической информации, а также сокращения затрат времени при проведении инклинометрических работ. Это привело к разработке новых приборов и информационно-измерительных систем с использованием последних научно-технических достижений.

Цель направленного бурения состоит в том, чтобы, во-первых, забой скважины достиг проектной точки, во-вторых, был подготовлен ствол скважины такого профиля и такого качества, которые обеспечили бы нормальную дальнейшую эксплуатацию скважины. Соответственно, существуют и требования как к допустимому отклонению забоя от проектной точки, так и к профилю ствола скважины. Для соблюдения этих требований необходимо использовать приборы, дающие информацию о пространственном положении ствола скважины – инклинометры.

Для измерения угла наклона достаточно использовать трёхосный акселерометр, который измеряет проекции ускорения свободного падения g на три взаимно перпендикулярные пространственные оси. Для измерения азимута обычно используется трёхосный магнитометр, который, по аналогии с акселерометром, измеряет проекции напряженности магнитного поля земли на три взаимно перпендикулярные пространственные оси. На основании этих данных, после соответствующих вычислений, получают значение азимута и угла наклона в любой точке ствола скважины и его пространственную траекторию.

1. Глоссарий

Азимутальный угол (азимут плоскости наклонения касательной к оси скважины) – угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от опорного направления (на магнитный Север, истинный Север или Север координатной сетки) до горизонтальной проекции касательной к оси скважины в данной точке, по часовой стрелке, если смотреть сверху. Азимут плоскости наклонения может принимать значения от 0 до 360°.

Акселерометр –прибор, измеряющий кажущееся ускорение (разность между абсолютным линейным ускорением движения корпуса акселерометра вдоль его оси чувствительности и проекции на эту ось гравитационного ускорения).

Апсидальный угол (угол поворота, угол установки отклонителя) – третий (кроме азимута плоскости наклонения и зенитного угла) угол, характеризующий угловое пространственное положение скважинного прибора. Это угол в поперечной плоскости скважинного прибора, характеризующий положение скважинного прибора относительно апсидальной плоскости. Отсчитывается от прямой, перпендикулярной продольной оси скважинного прибора и при этом лежащей в вертикальной плоскости наклонения прибора (апсидальной плоскости), к выбранной определенным образом в приборе и привязанной к нему поперечной прямой. Апсидальный угол может принимать значения в диапазоне от 0 до 360°. При значении угла, равного нулю или 180° (скважинный прибор занимает строго вертикальное положение) понятие «апсидальный угол» теряет смысл, поскольку исчезает понятие «плоскость наклонения» или «апсидальная плоскость».

Апсидальная плоскость – вертикальная плоскость, содержащая в себе продольную ось скважинного прибора; другими словами, это плоскость наклонения скважинного прибора. При значении угла, равном 0 или 180° (скважинный прибор занимает строго вертикальное положение) понятия «апсидальная плоскость», «плоскость наклонения» теряют свой смысл.

Вектор магнитной индукции – вектор, являющийся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на движущиеся заряженные частицы) в данной точке пространства.

Забойный инклинометр – скважинный инклинометр, предназначенный для определения ориентации забойных устройств с целью осуществления управления наклонно-направленным, в том числе горизонтальным бурением, а также определения траектории скважины.

Забой скважины – самая нижняя часть ствола скважины, находящейся в бурении или эксплуатации.

Зенитный угол – угол в вертикальной плоскости между вертикалью места и касательной к оси скважины (продольной оси скважинного прибора). Сторонами угла являются: отрезок вертикали, направленной вниз, и отрезок касательной к оси скважины от конца, обращенного к устью скважины к концу, обращенному в сторону забоя. При зенитном угле, равном 0° скважина на данном отрезке вертикальна, при угле, равном 90° – горизонтальна. Зенитный угол может принимать значения от 0 до 180°.

Инклинометрические работы – работы, которые позволяют определить и уточнить пространственное положение ствола скважин как в необсаженном стволе, так и в колонне.

Инклинометр – прибор, предназначенный для измерения угла наклона различных объектов относительно вертикали места. В горном деле инклинометры определяют, кроме величины отклонения от вертикали (зенитного угла) ещё и направление этого отклонения (азимут плоскости отклонения). В некоторых случаях инклинометры определяют и третий угол (апсидальный), характеризующий положение скважинного прибора по отношению к апсидальной плоскости.

Магнитное наклонение – угол между вектором магнитной индукции в данной точке околоземного пространства и плоскостью горизонта. Магнитное наклонение может принимать значения в диапазоне от - 90° до +90°. На южном и северном магнитных полюсах Земли углы магнитного наклонения равны соответственно - 90° и +90°.

Магнитометр – прибор для измерения напряжённости магнитного поля (в основном постоянных или медленно меняющихся).

Магнитное склонение – угол в горизонтальной плоскости между направлением плоскости истинного меридиана и горизонтальной проекцией вектора напряженности магнитного поля Земли в данной точке. Отсчитывается от направления на истинный (географический) Север к направлению на магнитный Север по часовой стрелке, если смотреть сверху. Поэтому магнитное склонение считается положительным, если направление на магнитный Север отклонено на Восток (восточное склонение), и отрицательным, если на Запад (западное склонение).

2. Принцип построения системы инклинометрической буровой системы

2.1. Инклинометрия скважин

Инклинометрия может быть определена как метод, используемый для определения положения скважины [1]. Инклинометрия позволяет определить текущее положение забоя скважины, графически отобразить траекторию скважины до текущего момента (рис. 2), планировать направление скважины, обеспечивать ориентационную информацию для спуска других скважинных инструментов.

Рис. 2. Траектории скважин

Инклинометрия скважин преследует следующие цели:

Определите точного местоположения забоя скважины. Осуществление контроля за траекторией скважины в процессе бурения, чтобы быть уверенным в достижении конечной цели.

Правильная ориентация инструментов (таких как компоновки направленного бурения), обеспечивающих изменение траектории бурения скважины в нужном направлении при выполнении коррекции.

Недопущение пересечения пробуриваемой скважины с уже существующими скважинами.

Расчёт глубины по вертикали залегания различных формаций для точного построения геологических карт.

Предупреждение бурильщика, ведущего направленное бурения о потенциальных проблемах при бурении скважины (резкое искривление ствола скважины).

Выполнение предписания контролирующих органов.

При выбросах и возгораниях рабочих скважин инклинометрия скважины может способствовать определению возможности бурения отводной скважины до пересечения с забоем скважины, из которой произошел выброс, с целью закачивания воды или раствора в скважину, и управления ею.

С появлением направленного бурения инклинометрия стала играть более важную роль, чем это было при бурении традиционно вертикальных скважин. Путем измерения зенитного угла и азимута ствола скважины на разных глубинах исследование позволяет добиться направления бурения скважины в нужную точку. Исследование может выполняться как в процессе бурения, так и после его завершения.

2.2. Инклинометрия во время бурения

Одноточечные (разовые) замеры могут производиться в процессе бурения для определения зенитного угла и азимутального направления ствола скважины. При направленном бурении с помощью разовых замеров можно ориентировать инструмент, используемый для изменения направления бурения. Это производится путем временного прекращения бурения, спуском исследовательских приборов до забоя скважины и проведением исследования. Исследование может также быть проведено во время наращивания бурового инструмента (добавления свечи) с помощью системы измерений в процессе бурения (MWD), включённой в состав забойной компоновки. В зависимости от типа используемого прибора, информация о зенитном угле и азимуте ствола скважины может регистрироваться и храниться на пленке или в памяти компьютера в условиях скважины или передаваться на поверхность. На поверхности полученная информация обрабатывается и используется для подготовки фактической диаграммы данных замеров. Исследование в процессе бурения позволяет бурильщику определить текущее положение ствола скважины и изменить зенитный угол и азимут, если это необходимо.

Принцип действия системы инклинометрической буровой основан на измерении в скважине в трех направлениях значений проекции вектора силы тяжести на ось чувствительности акселерометров G_x, G_y, G_z, ортогонально установленных на шасси ПC и измерении в трех направлениях проекции вектора напряженности естественного магнитного поля Земли на ось чувствительности магнитометров М_х, М_у, М_z, ортогонально установленных на шасси ПC (рис.3) 2]. В результате математической обработки шести измеренных промежуточных параметров вычисляются следующие параметры: зенитный угол, азимут, положение отклонителя.

Рис. 3. Схема расположения магнитометров Мх, Му, Мz, и акселерометров Gx, Gy, Gz по осям OXYZ связанной системы координат скважинного прибора

2.3. Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как можно помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.

Рис. 4. Схема магнитного поля Земли

Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, - теория динамо-эффекта - предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.

Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Южный полюс магнитного диполя находится на географическом Северном полюсе (рис.4), а северный, соответственно, на Южном.

На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по «направлению». Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса 1]. Из-за того, что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический.

2.4. Магнитное наклонение

Обычные силовые линии магнитного поля будут исходить из такого магнитного стержня, образуя структуру с северным и южным магнитным полюсами, при этом силовые линии (линии потока) будут располагаться вертикально или под углом 90° к поверхности Земли, а на магнитном экваторе силовые линии будут горизонтальными или расположенными под углом 0° к поверхности Земли (рис.5). В любой точке Земли можно обнаружить магнитное поле. Наблюдаемое магнитное поле характеризуется величиной и направлением (является вектором). Величина его называется индукцией и измеряется в единицах Тесла.

Рис. 5. Зависимость магнитного наклонения от широты

Обычно индукция составляет 60 микротесла 1] на северном магнитном полюсе и 30 микротесла на магнитном экваторе. Направление всегда называется магнитным севером. Однако, хотя направление всегда ориентировано на магнитный север, индукция параллельна поверхности земли на экваторе и направлена тем отвеснее в Землю, чем ближе данная точка расположена к северному полюсу. Угол между вектором и поверхностью Земли называется магнитным наклонением.

2.5. Магнитное склонение

Магнитное склонение - угол между географическим и магнитным меридианами в точке земной поверхности (рис.6). Поскольку местоположение магнитного севера изменяется во времени, склонение является переменной величиной, зависящей от времени и пространства. Магнитное склонение можно представить как угловую разницу между географическим или истинным севером и горизонтальной составляющей магнитного поля Земли 1].

а б

Рис. 6. Магнитное склонение:

а – магнитное склоенение; б – восточное и западное склонение

2.6. Существующие сложности

При пользовании магнитометрическими датчиками необходимо помнить, магнитное склонение зависит от места измерения и медленно меняется во времени. Например, для Москвы магнитное склонение в 2004 году было близко к + 9,3º, то есть истинный полюс находится западнее направления, указываемого компасом, на 9,3º. В начале 1980-х годов магнитное склонение в Москве составляло 8º, а в 2009-м достигло 10º1. Магнитное склонение для любой другой точки Земли можно определить несколькими способами. На сайте Канадского геологического центра исследования геомагнетизма есть калькулятор для определения магнитного склонения по географическим координатам. Другой калькулятор поддерживается Британским геологическим центром при Совете по исследованию природной среды. Приближенно оценить магнитное склонение в различных точках планеты можно по картам, формируемым на сайте Национального центра геофизических данных (США) 2. Пример такой карты на 2010 год показан на рис. 7.

Рис. 7. Карта с магнитными силовыми линиями

В условиях высоких широт существует ряд проблем измерений. Угол магнитного наклонения, на большей части территории России превышает 70 градусов, а в наиболее богатых по углеводородному сырью регионах превышает 78 и даже 80 градусов. Это означает, что горизонтальная составляющая магнитного поля Земли в этих регионах минимальна. Поэтому любые естественные изменения магнитного поля Земли (магнитные бури и аномалии) и создаваемые искусственно сооружениями (наземными и подземными коммуникациями, бурильной и обсадной колоннами, изменениями состояния разреза) оказывают существенное влияние на показания датчика угла магнитного наклонения и создают дополнительную погрешность в показаниях телесистемы, снижение которой является актуальной задачей.

Задача решается за счет параллельного контроля геомагнитной ситуации в зоне ведения буровых работ специальным автономным наземным феррозондовым блоком датчиков и применения специальной методики совместной обработки данных измерений скважинного и наземного измерительных приборов.

3. Проектирование модуля инклинометрического забойной телесистемы

3.1 Структурная схема

На рис. 8 изображена схема скважинного прибора для общего случая компоновки прибора, в различных приборах схема может несколько отличаться от рассмотренной в данном разделе.

Рис. 8. Структурная схема

3.2 Обзор чувствительных элементов для МИ

Для определения углов ориентации скважинного прибора в системах инклинометрических буровых часто используется комплекс из трех акселерометров и трех магнитометров, оси, чувствительности которых совмещены с осями, связанной с прибором системы координат OXYZ.

3.2.1 Акселерометры

Для определения угла наклона с использованием вектора силы тяжести может быть использован MEMS – акселерометр.

MEMS – акселерометр представляют собой трехосевой акселерометр, который состоит из чувствительного элемента и интерфейсного элемента, передающего по последовательным интерфейсам I²C/SPI измеренное ускорение.

Для создания поверхностного микромеханического акселерометра используется запатентованный тех. процесс. Технология позволяет выполнять подвешенные кремниевые структуры, которые соединены с подложкой всего в нескольких точках, называемых якорями. Эти структуры способны свободно перемещаться в направлении распознаваемого ускорения. Для того чтобы обеспечить совместимость с традиционными техниками корпусирования микросхем, специальная крышка, предотвращающая блокирование подвижных частей после фазы отливки пластикового корпуса, помещена над чувствительным элементом.

Когда прикладывается ускорение к сенсору, контрольная масса сдвигается со своей начальной позиции и приводит к разбалансировке емкостного полумоста. Эта разбалансировка измеряется интегрированием заряда, вызванного импульсом напряжения, поданным на чувствительный конденсатор [4].

Так как сила гравитации является постоянной величиной, дополнительные силы, действующие на нее, искажают выходной сигнал и приводят к некорректному вычислению. При обработке выходного сигнала акселерометра, можно снизить ошибки на выходе, но это приведет к задержке при определении актуального значения угла.

3.2.2 Магнитометры

Для измерения угла азимута используются датчики магнитного поля: магнитостатические, индукционные, гальваномагнитные.

Магнитостатические магнитометры

Принцип действия магнитостатических магнитометров основан на измерении механического момента J, действующего на индикаторный магнит прибора в измеряемом поле. Момент J в магнитометрах различной конструкции сравнивается:

1) с моментом кручения кварцевой нити (действующие по этому принципу кварцевые магнитометры и универсальные магнитные вариометры на кварцевой растяжке обладают чувствительностью G ~ 1 нТл);

2) с моментом силы тяжести (магнитные весы с G ~ 10 − 15 нТл);

3) с моментом, действующим на вспомогательный эталонный магнит, установленный в определённом положении (оси индикаторного и вспомогательного магнитов в положении равновесия перпендикулярны). В последнем случае, определяя дополнительно период колебания вспомогательного магнита в поле Hi, можно измерить абсолютную величину Hi (абсолютный метод Гаусса).

Основное назначение магнитостатических магнитометров — измерение компонент и абсолютной величины напряжённости геомагнитного поля, градиента поля, а также магнитных свойств веществ.

Индукционные магнитометры

Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции - возникновении ЭДС в измерительной катушке при изменении проходящего сквозь её контур магнитного потока. Изменение потока в катушке может быть связан:

1) с изменением величины или направления измеряемого поля во времени (примеры - индукционные вариометры, флюксметры). Простейший флюксметр (веберметр) представляет собой баллистический гальванометр, действующий в сильно переуспокоенном режиме (G~10−4 Вб/деление); широко применяются магнитоэлектрические веберметры с G ~10− 6 Вб/деление, фотоэлектрические веберметры с G ~ 10 − 8 Вб/деление и другие.

2) с периодическим изменением положения (вращением, колебанием) измерительной катушки в измеряемом поле; простейшие тесламетры с катушкой на валу синхронного двигателя обладают G ~ 10 − 8 Тл. У наиболее чувствительных вибрационных магнитометров G ~ 0,1*10-1 нТл.

3) с изменением магнитного сопротивления измерительной катушки, что достигается периодическим изменением магнитной проницаемости пермаллоевого сердечника (он периодически намагничивается до насыщения вспомогательным переменным полем возбуждения); действующие по этому принципу феррозондовые магнитометры имеют G ~ 0,2*10^-1 нТл.

Индукционные магнитометры применяются для измерения земного и космических магнитных полей, технических полей, в магнитобиологии и т.д.

Квантовые магнитометры

Приборы, основанные на свободной прецессии магнитных моментов ядер или электронов во внешнем магнитном поле и других квантовых эффектах (ядерном магнитном резонансе, электронном парамагнитном резонансе). В зависимости от способа создания макроскопического магнитного момента и метода детектирования сигнала различают 6: протонные магнитометры (свободной прецессии, с динамической поляризацией и с синхронной поляризацией), резонансные магнетометры (электронные и ядерные), магнитометры с оптической накачкой. Квантовые магнитометры применяются для измерения напряжённости слабых магнитных полей (в том числе геомагнитного и магнитного поля в космическом пространстве), в геологоразведке и в магнетохимии. Значительно меньшую чувствительность имеют квантовые магнитометры для измерения сильных магнитных полей. Существуют магнитометры следующих типов: протонный магнитометр, гелиевый магнитометр, атомный магнитометр на щелочных металлах с оптической накачкой, атомный магнитометр, свободный от спин-обменного уширения (SERF-магнитометр)

Гальваномагнитные магнитометры

Принцип действия гальваномагнитных магнитометров основан на воздействии магнитного поля на движущийся электрический заряд. На эффекте Холла основано действие различного рода тесламетров для измерения постоянных, переменных и импульсных магнитных полей, градиентометров и приборов для исследования магнитных свойств материалов. Чувствительность тесламетров, работающих на основе эффекта Гаусса, достигает 10 мкВ/Тл; чувствительность электронно-вакуумных М. ~ 30 нТл [6].

Таблица 1. Обзор магнитометров

Тип	Наимено-вание	Диапазон измерения	Чувствитель-ность	Температурный диапазон, °С	Габариты, мм
Магнито резистивный	HMC1021S	±6*10-4 Тл	0,1 мкТл	–55… +150°С	н/д
Магнито резистивный	HMC1053	±66*10-4 Тл	0,1 мкТл	–55… +150°С	н/д
Магнито резистивный	HMC1001	±2*10-4 Тл	0,32 мкТл	–55… +150°С	н/д
Феррозондовый	НВ0391.5-35	±100 мкТл	0,5 нТл	-10…+70°С	11,8 х35
Феррозондовый	НВ0391.5-20	±1000 нТл	2 нТл	-10…+70°С	11,8х35
Датчик Холла	SS49E	±0,1 Тл	н/д	-40…+85°С	4x3
Датчик Холла	SS413A	±67мТл	0,31 мкТл	-40…+150°С	н/д
Датчик Холла	SS496A	±84мТл	0,25 мкТл	40…+125°С	н/д

3.2.3 Выбор акселерометра

На основе требований выберем MEMS – акселерометр серии TS1002T 7. Акселерометр TS1002T (рис. 9) является лучшим MEMS акселерометром предназначенный для измерения в условиях бурения.

Рис. 9 – Общий вид акселерометра

Акселерометр серииTS1002T имеет следующие характеристики 7, которые в полной мере удовлетворяют требования технического задания:

а) Диапазон измерения акселерометра не менее ±1g.

б) Температура окружающей среды в процессе эксплуатации акселерометра минус +5 - +105°С.

в) Потребляемая акселерометром мощность минимально возможная.

г) Стабильная, минимально возможная погрешность, позволяющая обеспечить требования по точности предвляемые к инклинометру

Совокупности этих требований соответствует акселерометр TS1002T, технические характеристики которого удовлетворяют предъявляемым требованиям на следующих основаниях [7]:

- Диапазон измерений ±2g;

- Габариты датчика состовляют 9 x 9 х 3 мм;

- Рабочий диапазон температур от –40 до +150 °C;

- Долгосрочный дрейф нуля не превышает 0,1% рабочего диапазона;

- Нелинейность 0,3 % от шкалы;

- Размер платы составляет 25x25 мм.

Рис. 10. Иллюстрация расположения акселерометра на керамической плате

Рис. 11. Рабочая схема работы акселерометра

Рис. 12. Схема подключения акселерометра

Принцип работы акселерометра

Акселерометр использует влияние гравитации (1g) на инерционное тело в качестве входного ускорения (рис.13). Выходной сигнал акселерометра «Vout» является аналогом калибровочного напряжения. Формула определения выходного сигнала:

_ (3.1)

где: B – выходной сигнал при 0g; Sc – чувствительность датчика; Ac – вектор тяжести на чувствительную ось.

Рис. 13. Принцип измерения наклона

3.2.4 Выбор магнитометра

В качестве магнитометра для системы ориентаци был выбран магниторезистивный датчик фирмы Honeywell, HMC1043[8].

3.2.4.1 Обоснование выбора магнитометра

В соответствии с техническими характеристиками инклинометра к магнитометрическому датчику предъявляются следующие требования:

а) диапазон измерения магнитометра, не менее ±1 Гаусс;

б) порог чувствительности не менее 1 мВ/Гаусс;

в) габариты, не более 15х15х10 мм;

г) температура окружающей среды в процессе эксплуатации магнитометра минус - 10 … +120 °С;

д) количество осей, не менее 3-х.

Совокупности этих требований соответствует магнитометр фирмы Honeywell, HMC1043, использующий в своем составе магниторезистивный датчик, технические характеристики (таблица 2), которого удовлетворяют предъявляемым требованиям. Выбранный датчик имеет три измерительные, ортогонально расположенные оси, обладает диапазоном измерения, позволяющим измерять магнитное поле земли, а также может работать в необходимом диапазоне температур, имеет малые габариты 3х3х2,5 мм.

Таблица 2. Технические характеристики HMC1043

Название	Коли-чествоосей	Чувствительность, мВ/Гаусс	Разрешение, мкГаусс	Полоса частот, МГц	Рабочая температура, °C
HMC1043	3	1	85	0...5,0	-55...+150

4. Алгоритм вычисления зенитного β, азимутального  и апсидального γ углов по данным ЧЭ

Для вывода алгоритма необходимо рассмотреть пространственную картину взаимного расположения связанной системы координат по отношению опорной (рис. 13).

Введем в рассмотрение опорную СК O₁ξ₁η₁ζ₁. Начало этой СК расположено в устье скважины, ось O₁ζ₁ направлена по вертикали вниз, а оси ось O₁ξ₁ и O₁η₁горизонтальны, причем ось O₁ξ₁ лежит в плоскости истинного (географического) меридиана и направлена на север. Рассмотрим так же СК Oξηζ, оси которой направлены параллельно соответствующим осям СК O₁ξ₁η₁ζ₁, а точка О является геометрическим центром скважинного прибора. Будем считать, что продольная ось инклинометра совпадает или параллельна касательной к оси скважины. Зададимся связанной с скважинным прибором СК OXYZ, расположив ее начало т. O на продольной оси СП, в его геометрическом центре и направим ось OZ вдоль продольной оси СП в сторону удалённую от устья скважины. Оси OX и OY расположим в поперечной плоскости СП, перпендикулярно оси OZ. Ось OX перпендикулярна оси OY. Для определения алгоритмов вычисления зенитного угла рассмотрим три последовательных поворота СК OXYZ по отношению опорной Oξηζ.

Рис. 14. Система координат и углы ориентации

На рис.10, ОX₀Y₀Z₀, ОX₁Y₁Z₁, ОX₂Y₂Z₂ – положение системы координат OXYZ до поворота, после первого поворота вокруг оси OZ₁на угол α и после второго поворота вокруг оси OY₁на угол β. После третьего поворота системы координат OXYZ вокруг оси OZ₂ на угол γ она заняла изображенное на рисунке положение.

Будем считать, что по каждой оси OXYZ установлены линейные акселерометры.A_x, A_y, A_z – акселерометры по осям OX, OY, OZ, а a_x, a_y, a_z–кажущиеся ускорения измеренные акселерометрами A_x, A_y, A_z.

Запишем проекции силы тяжести _ на оси 0ξηζ, затем на ОX₁Y₁Z₁,ОX₂Y₂Z₂, OXYZ .

_ (4.1)

Запишем проекции силы тяжести _ на оси ОX₁Y₁Z₁:

_ (4.2)

Запишем проекции силы тяжести _на оси ОX₂Y₂Z₂:

_ (4.3)

Запишем проекции силы тяжести _на оси OXYZ:

_ (4.4)

Выполним преобразования, подставив выражения 4.3 в выражение 4.4:

_ (4.5)

Выполним преобразования, подставив выражения 4.2 в выражение 4.5:

_ (4.6)

Для отыскания алгоритмов вычисления угла β возведем в квадрат левую и правую часть уравнения, а потом сложим.

_ (4.7)

В правой части уравнения вынесем общий множитель _:

_ (4.8)

Выполним преобразования, поделив обе части уравнения на _ и учтем то, что _:

_ (4.9)

Извлечем корень из обеих частей уравнения и найдем главное значения угла _:

_(4.10)

где _ - главное значение угла. Для вычисления действительного значения угла β необходимо определить квадрант. Квадрант находится по соотношению знаков _ и _.

Угол β определяется следующим образом:

β=_, если _

β =_+180˚, если _

β =_+180˚, если _

β =_+360˚, если _

Апсидальный угол будет вычисляться по формуле:

γ = _ (4.11)

Азимутальный угол вычисляется по формуле:

_ (4.12)

где Tx, Ty, Tz – сигналы с соответствующих магниторезистивных датчиков.

5. Оценка погрешностей определения углов  и β

Для оценки погрешностей воспользуемся методом теории функций нескольких переменных.

Оценим погрешность измерения зенитного угла β:

_(4.13)

β=f(x, y, g) – это есть функция трех аргументов,

где a_x – значение ускорения на акселерометре по оси x;

a_y – значение ускорения на акселерометре по оси y;

g – ускорение свободного падения, приблизительно равное 9,81м/с².

Далее необходимо найти частные производные данной функции

по ax, ay и g [11].

Частные производные будут выглядеть следующим образом:

_(4.14)

_(4.15)

_(4.16)

Теперь полное приращение функции ∆β будем находить по выражению:

_(4.17)

выполнив, необходимые преобразования получим:

(4.18)

где ∆a_x, ∆a_y – погрешности измерения акселерометров установленных по оси x и y , а ∆g – погрешность значения ускорения свободного падения.

Значение ∆β, найденное по данному выражению, будет являться максимальной погрешностью инклинометра.

Если, это расчетное значение не будет превышать значение погрешности указанной в техническом задании, то можно считать, что инклинометр удовлетворяет поставленным требованиям.

Для реализации данных расчетов необходимо задаться различными, с некоторым шагом, значениями угла β, при различных значениях апсидального угла γ и вычислить при этих значениях a_x и a_y. Так же нужно выяснить значение погрешностей ∆a, ∆y, ∆g. После чего можно переходить к непосредственному расчету значения ∆β.

И так зададимся всеми вышеуказанными значениями:

Погрешность акселерометра по оси x и y:

∆a=∆y= =0,1

Угол β=0; 10; 20; 40; 70; 85, град.,

при каждом из углов γ=0; 60; 120; 180; 240; 300; 360, град.

Вычислим значения ax и ay для различных значений углов β и γ:

Вычисление будем производить по следующим выражениям:

a_x = -g×sinβ × cosγ; (4.19)

a_y = g×sinβ × sinγ; (4.20)

Пример расчёта:

Зададимся параметрами:

a_x=0,49;

a_y=1,656;

Δa_x=0,10781;

Δa_y=0,1078;

g=9,8;

Δg=0._{Формула для расчета:}

Результат:

Δβ=0,014.

По результатам расчетов видно, что значение погрешности не вышло за пределы допустимого значении погрешности системы – 0,1°, ни при каких вариантах зенитного и апсидального углов. Расчеты производились с учетом максимально неблагоприятных стечений обстоятельств, поэтому реальные погрешности будут меньше получившихся.

6. Конструкторская проработка модуля инклинометрического

МИ состоит из блока акселерометров, блока магнитометров и блок электроники, соединенных между собой в единую конструкцию.

Так как выбраны одноосные акселерометры, потребуется три акселерометра на каждую ось системы координат, связанной со скважинным прибором. Детали модуля инклинометрического должны быть изготовлены из немагнитного материала, так как присутствуют магниточувствительные датчики.

С учетом конструктивных размеров акселерометра и магнитометра, диаметр охранного кожуха будет составлять 54 мм ГОСТ 26116-84.

Общий вид корпуса блока акселерометров представлен на рис. 14.

Чертежи корпуса блока акселерометров приведены в приложении.

Рис. 15. Общий вид корпуса блока акселерометра

7.1. Обоснование выбора материала для модуля чувствительных элементов

Требованием при изготовлении модуля чувствительных элементов является использование немагнитного материала.

Таким является безоловянная бериллиевая бронза – БрБ2. БрБ2 выпускают трубами, лентами, прутками, проволокой, втулками, кругами. В данном случае требуется круг диаметром 44 мм. Круг из бериллиевой бронзы БрБ2 производится из прутков, выпускаемых по ГОСТу 15835-70. Сплав бронзы БрБ2 — это самый распространённый бронзовый сплав, он имеет химический состав по ГОСТу 18175-78: Медь, Бериллий — 1,8-2,2 %, Никель — 0,2-0,5 % . Винты изготавливаются из того же материала – ГОСТ 1477-93.

7.2 Выбор и обоснование выбора аккумуляторной сборки

Для направленного бурения скважин обычно применяют литий – тионилхлоридных сборок со специальным оборудованием. Аккумуляторная сборка собираются из отдельных батарей в последовательном соединении. Преимуществами использования данной аккумуляторной сборки является устойчивость к высоким температурам, сейсмостойкостью, и способностью адаптироваться к тяжелым условиям. Такие аккумуляторные сборки стабильны в использовании, тем самым обеспечивающая эффективную работу бурильного оборудования. Выдаваемое напряжение зависит от серии сборки. Для данного модуля выберем сборку серии APS компании Saiyingsi.

Рис. 16. Сборка серии APS

Напряжение: 36 В.

Емкость: 27Ач

Диапазон рабочих температур: -40 +165 ֯С

Вес: 3.26 кг

Наружный диаметр: 37 мм.

Максимальный импульсный ток: 3 А.

8. Охранный кожух

В отношении надежности и долговечности работы скважинной геофизической аппаратуры наиболее ответственным ее узлом является охранный кожух со всеми герметизирующими элементами (свечные вводы, мосты, приборные головки) и др. В случае нарушения герметичности какого – либо узла скважинная жидкость попадает в полость прибора, в результате чего электронная схема выходит из строя, как правило, восстановлению не подается. Вот почему при ремонте скважинной аппаратуры нужно обращать серьезное внимание на все узлы и элементы охранных кожухов.

Охранный кожух предназначен для защиты элементов и механизмов скважинных приборов от воздействия внешней среды. Его размеры и конструкция определяются следующими факторами: диаметром скважин, в которых должен применяться скважинный прибор; давлением и температурой в соответствии с основными эксплуатационными параметрами скважинной аппаратуры; особыми требованиями, вытекающими из назначения и схемы скважинного прибора.

Охранные кожухи могут быть герметичными и с компенсаторами давления. Внутри кожуха по всей его длине располагается корытообразное или цилиндрическое шасси, на котором смонтированы все механизмы и элементы скважинного прибора. Шасси чаще всего крепится консольно к головке кожуха. В унифицированных кожухах применено три способа соединения кожуха с цилиндром, которые определяют типы кожухов.

Кожух типа К1 на рис. 17 в котором соединение головки 1 с цилиндром 3 простое, имеет то достоинств, что соединительное резьба находится в герметизированном объеме и поэтому защищена о воздействия скважинной среды. Недостатком этого способа соединения является вращение резиновых колец и шасси прибора 4 (если оно закреплено на головке) относительно кожуха. Вращение колец, находящихся в канавке под некоторым натяжением, может привести к их повреждению или недопустимой информации и потере герметичности прибора

Рис. 17. Кожух типа К1

8.1 Расчет прочности охранного кожуха

После выбора материала надо произвести расчет прочности. Расчет прочности выполняется в САПР T-flex CAD в режиме статического анализа. В качестве нагрузки было выбрано равномерное распределенное давление – 60 МПа.

Рис. 18 – Деформации эквивалентные

Рис. 19. Напряжения эквивалентные

Таким образом, как показывают рисунки анализа прочности, выбранный материал детали полностью удовлетворяют требованиям.

9. Расчет надежности инклинометрического модуля забойной телесистемы

Расчет показателей безотказности модуля, выполненного с использованием печатного монтажа. Интересующие показатели безотказности – Т₀, P(tp) и T_γ при γ = 95%.

Таблица 4 – Интенсивность отказов

Обозначение	Наименование	Количество	Интенсивность отказов, λ*10-6 1/ч
LM2596	Регулируемый преобразователь напряжения	3	0,043
С1, С2, С3, С4, С5	Конденсатор	15	0,022
L1	Катушка индуктивности	3	0,01
D1, 1N5824	Диод	3	0,0041
HMC1043	Магниточувствительный датчик	1	0,043
TS1002T	Акселерометр	3	0,043
R1	Потенциометр		0,183
ADG408	Аналоговый мультиплексор	1	0,043
ADG7680	АЦП	1	0,043
	Соединение пайкой		0,0013
	Провода монтажные		0,05

Находим расчетные значения других показателей безотказности:

наработка на отказ

вероятность безотказной работы за время tp = 1000 ч;

Рис.20 – Сборочный чертеж

Рис.21. Чертеж блока акселерометра

Заключение

В ходе работы былисследован забойный инклинометр, чувствительными элементами которого являются трехкомпонентный магниторезистивный магнитометр фирмы Honeywell HMC1043 и три однокомпонентных микромеханических акселерометра фирмы Colibrys TS1002T. Использование таких датчиков позволило реализовать конструкцию прибора в минимальных габаритах. Несмотря на уменьшение габаритов, удалось сохранить точность на уровне современных инклинометрических систем большего диаметра. Для оценки погрешности спроектированной инклинометрической системы были рассмотрены алгоритмы определения углов ориентации и описан метод определения суммарной погрешности обусловленной погрешностью первичных преобразователей.

Конструкция, разработанного МИ технологична для условий мелкосерийного производства.

Список литературы

А.Н. Гормаков, Е.В. Голодных, И.В. Терехин, А.В. Федулов, И.А. Ульянов. Технология обслуживания геофизической аппаратуры. Забойная телеметрическая система СИБ-2: учебное пособие /; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 138 с.

Об определении направления на север и ориентировании антенн. (www.rk3awl.ru/techpart/find_north.php.) Дата обращения: 21.04.2017.

Инклинометры и телеметрические системы. (http://www.semireche.ru/burenie/Geofizika/inklinometr.html) Дата обращения:06.06.2017

3 – Axis Magnetic Sensor. (http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/151242/HONEYWELL/HMC1043.html) Дата обращения 24.04.2017

Christopher J. Fisher. Using an Accelerometer for inclination Sensing. Analog Devices. 2013

Мадыев С.А. Магнитометры скважинных инклинометров. – 2015г.

Datasheet TS1002T. (http://52ebad10ee97eea25d5e-d7d40819259e7d3022d9ad53e3694148.r84.cf3.rackcdn.com/UK_COL_TS1000T-Series_Accelerometer_DS_CAT-14.pdf). Дата обращения 24.04.17

Datasheet HMC1043. (http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/151242/HONEYWELL/HMC1043.html) Дата обращения 24.04.17

С.М. Боровиков, И.Н. Цырельчук, Ф.Д.Троян. Расчет показателей надежности радиоэлектронных средств: учеб. – метод. пособие/под ред. С.М.Боровикова. – Минск:БГУИР, 2010. – 68 с. : ил.

SAFRAN, Colibrys/ Application notes. (http://www.colibrys.com/wp-content/uploads/2015/03/30TN-TS-E.03.15.pdf). Дата обращения 02.06.2017

Гормаков А.Н. Технология приборостроения: Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 1999. – 240 с.

Сыроватченко П.В. Справочник технолога-приборостроителя. том 1 – М., «Машиностроение», 1980, 607 с.

Сыроватченко П.В. Справочник технолога-приборостроителя. том 2 – М., «Машиностроение», 1980, 464 с.

Литий–тионилхлоридная аккумуляторная сборка. (http://sysbattery.ru/2-li-socl2-battery-pack/162052). Дата обращения 07.06.2017

36

Код для цитирования: Скопировать