radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-4-133-148radioelectronics-783Research ArticleМЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫMETROLOGY, INFORMATION AND MEASURING DEVICES AND SYSTEMSУниверсальный гироинклинометр на базе единственного одноосного датчика угловой скоростиVersatile Gyroinclinometer Based on a Single Axis Angular Rate Sensorhttps://orcid.org/0009-0001-5950-1980БиндерЯ. И.BinderYa. I.

Биндер Яков Исаакович – кандидат технических наук (1988), главный конструктор АО "СКБ ПН"

Беловодский пер., д. 9, корп. 2, лит. Щ, Санкт- Петербург, 194044

Автор 109 научных работ. Сфера научных интересов: разработка и исследование информационно- навигационных систем в области морской и подземной навигации.

Yakov I. Binder - Cand. Sci. (1988), Chief designer of Special Design Bureau of Devices of Underground Navigation

9/2, Belovodskii per., St Petersburg. 194044

The author of 109 scientific publications. Area of expertise: development and research of information and navigation systems in the field of marine and underground navigation.

j459190@yahoo.comhttps://orcid.org/0009-0006-3770-0133ХазовИ. А.KhazovI. A.

Хазов Иван Анатольевич – инженер АО "СКБ ПН", аспирант 1-го года обучения кафедры лазерных измерительных и навигационных систем факультета информационно-измерительных и биотехнических систем Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина). 

АО "СКБ ПН", Беловодский пер., д. 9, корп. 2, лит. Щ, Санкт-Петербург, 194044

Сфера научных интересов: разработка и исследование информационно-навигационных систем в области морской и подземной навигации; обработка данных.

Ivan A. Khazov - engineer of Special design bureau of devices of underground navigation, Postgrauate student of the Department of Laser Measurement and Navigation Systems of Saint Petersburg Electrotechnical University. 

"Special Design Bureau of Devices of Underground Navigation" JSC, 9/2, Belovodskii per., St Petersburg, 194044

Area of expertise: development and research of information and navigation systems in the field of underground navigation; data processing.

IvanHazov@okb3d.comАО "Специальное конструкторское бюро приборов подземной навигации"Россия"Special Design Bureau of Devices of Underground Navigation" JSCRussian FederationАО "Специальное конструкторское бюро приборов подземной навигации"; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)Россия"Special Design Bureau of Devices of Underground Navigation" JSC; Saint Petersburg Electrotechnical University Russian Federation202301102023264133148Copyright © Биндер Я.И., Хазов И.А., 20232023Биндер Я.И., Хазов И.А.Binder Y.I., Khazov I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/783Введение

Введение. Сегодня универсальность и надежность гироскопических инклинометров (ГИ) более, чем точность, определяют их комплектацию и конструктивный облик. Императивные условия универсальности: диаметр 42...44.5 мм и совмещение функций съемки точечной и непрерывной; а безотказность определяется, прежде всего, робастностью основных элементов. Принципиальна "адаптивность" к траектории – "равноточность" в рабочем диапазоне зенитных углов, определяющем выбор ориентации датчиков угловой скорости (ДУС) при их неполном (< 3) числе. По совокупности критериев габаритов и точности сегодня преимущественно применяются двухосные динамически настраиваемые гироскопы, но их упругий подвес при частых операциях "зарезки боковых стволов" (из ранее пробуренных), сопровождаемых ударами большой интенсивности, постепенно деградирует.

Цель работы

Цель работы. Создать недорогой универсальный ГИ, сохраняющий компромисс ударостойкости и точности (сопоставимой с волоконно-оптическими ДУС), на базе одноосного кольцевого вибрационного гироскопа (КВГ) с резонатором индукционного типа, выполненным по MEMS-технологии.

Материалы и методы

Материалы и методы. Метод многопозиционного компасирования при единственном одноосном ДУС реализуется переходом от одновременных двухосных измерений к одноосным – в пяти последовательных (через 90°) положениях рамки по углу отклонителя. Экспериментальные материалы о дрейфах выбранного КВГ позволяют статистическими методами построить вариацию Аллана, которая подтверждает, что предложенная методика по сравнению с базовой не увеличивает общего времени компасирования. Непрерывный режим такого ГИ, исследованный методами решения дифференциальных уравнений, требует удержания входной оси ДУС около апсидальной плоскости с помощью той же поворотной рамки.

Результаты

Результаты. Полученные соотношения подтверждают: тактико-технические характеристики ГИ с одноосным ДУС примерно соответствуют традиционной двухосной схеме. К тем же выводам приводят результаты математического моделирования съемки типового нефтегазового ствола.

Заключение

Заключение. Описаный ГИ, содержащий единственный ДУС с косвенной стабилизацией входной оси, – итог последовательного развития подхода к использованию неполной информации

Introduction

Introduction. Currently, the versatility and reliability of gyroscopic inclinometers (GI), more than accuracy, determine their configuration and design. Imperative conditions for versatility include a diameter of 42…44.5 mm and a combination of point and continuous survey modes. Reliability is primarily determined by the robustness of the main elements. The fundamental parameter is adaptability to the trajectory, in other words, equal accuracy in the operating range of zenith angles, which determines the choice of orientation of the angular velocity sensors (ARS) with incomplete (< 3) number of their axis. Presently, biaxial dynamically tuned gyroscopes (DNG) are widely used due to their dimension and accuracy criteria; however, their elastic suspension gradually degrades as a result of frequent sidetracking operations (from previously drilled ones) accompanied by high-intensity impacts.

Aim

Aim. To develop an inexpensive versatile GI that maintains a balance between shock resistance and accuracy (com[1]parable to fiber-optic ARS) based on a single-axis vibrating ring gyroscope (VRG) with an induction-type resonator made using MEMS technology.

Materials and methods

Materials and methods. The method of multi-position compassing with a single uniaxial ARS was implemented by transition from simultaneous biaxial measurements to uniaxial measurements in five successive positions of the frame (through 90°) along the toolface angle. Experimental data on the drifts of the selected VRG allow statistical methods to be used to construct an Allan-variance plot to confirm that the proposed method does not increase the total compassing time compared to the basic one. The continuous mode of such a GI, studied by solving differential equations, requires holding the input axis of the ARS near the apsidal plane using the same rotating frame.

Results

Results. The obtained ratios confirm that the performance characteristics of a GI with a uniaxial ARS approximately correspond to the conventional biaxial scheme. These conclusions were also confirmed by the mathematical modeling of a survey of a typical oil and gas well.

Conclusion

Conclusion. The described GI containing a single ARS with indirect stabilization of the input axis is the result of a consistent development of the approach to the use of incomplete information

гироинклинометрпродольная схемадвухосный ДУСодноосный ДУСдинамически настраиваемый гироскопкольцевой вибрационный гироскопgyroinclinometerlongitudinal schemetwo-axis ARSsingle-axis ARSdynamically tuned gyroscopevibrating ring gyroscopeReferencesJamieson A. Introduction to Wellbore Positioning. Research Office in Inverness, University of the Highlands and Islands, Scotland. 2012. P. 52–81. URL: https://www.uhi.ac.uk/en/t4-media/one-web/university/research/eBook_V9_10_2017-redux.pdf (дата обращения 18.01.23)Jamieson A. Introduction to Wellbore Positioning. Research Office in Inverness, University of the Highlands and Islands, Scotland. 2012, pp. 52–81. Available at: https://www.uhi.ac.uk/en/t4-media/oneweb/university/research/eBook_V9_10_2017-redux.pdf (accessed 18.01.23)Eren T., Suicmez V. S. Directional drilling positioning calculations // J. of Natural Gas Science and Engineering. 2020. Vol. 73. P. 103081. doi: 10.1016/j.jngse.2019.103081Eren T., Suicmez V. S. Directional drilling positioning calculations, J. Nat. Gas Sci., Eng. 73 (2020), p. 103081. doi: 10.1016/j.jngse.2019.103081Codling J. Low Angle Survey Errors // Soc. of Petroleum Engineers, Wellbore Positioning Technical Section 49th General Meeting. Den Haag, Netherlands, 2019. doi: 10.2118/187249-MSCodling J. Low Angle Survey Errors. Soc. of Petroleum Engineers, Wellbore Positioning Technical Section 49th General Meeting. Den Haag, Netherlands, 2019. doi: 10.2118/187249-MSСовременные информационно-измерительные комплексы подземной навигации и ориентации / Я. И. Биндер, И. Е. Гутнер, А. П. Мезенцев, А. А. Молчанов // Гироскопия и навигация. 2003. № 1 (40). С. 110–123.Binder Y. I., Gutner I. E., Mezentsev A. P., Molchanov A. A. Present-Day Information-Measuring Systems for Subsurface Navigation and Orientation. Giroskopiya i navigatsiya [Gyroscopy and navigation]. 2003, no.1 (40), pp. 110–123. (In Russ.)Морозов О., Овчинников А. Геологическое сопровождение бурения online. Горизонтальные скважины на Приразломном – под контролем // Offshore (Russia). 2015. С. 52–56.Morozov O., Ovchinnikov A. Geological Drilling Support Online. Horizontal Wells at PriRazlomnoye are under Control. Offshore. 2015, pp. 52– 56. (In Russ.)Живов П. Н., Оганов А. С. Научнометодические решения по автоматизированному управлению траекторией ствола направленной скважины // Вестн. Ассоциации буровых подрядчиков. 2010. № 3. С. 38–42.Zhivov P. N., Oganov A. S. Scientific and Methodological Solutions for Automated Control of the Trajectory of a Directional Wellbore. Bulletin of the Association of Drilling Contractors. 2010, no. 3, pp. 38–42. (In Russ.)Hawkinson B. Gyro Technology in the Oil and Gas Industry // Proc. of the 39th Meeting of Soc. of Petroleum Engineers, Wellbore Positioning Technical Section. Long Beach, California, USA, 9 May 2014.Hawkinson B. Gyro Technology in the Oil and Gas Industry. Proc. of the 39th Meeting of Soc. of Petroleum Engineers, Wellbore Positioning Technical Section. Long Beach, California, USA, 9 may 2014.Арсланов И. Г., Ягафарова Х. Н. Особенности применения непрерывных гироскопических инклинометров // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2018. № 5. С. 16–19. doi: 10.30713/1999-6934-2018-5-16-19Arslanov I. G., Yagafarova Kh. N. Specific Features of Use of Continuous Gyroscopic Inclinometer. Equipment and Technologies for Oil and Gas Complex. 2018, no. 5, pp. 16–19. doi: 10.30713/1999-6934-2018- 5-16-19 (In Russ.)Об использовании различных схем гироинклинометров для непрерывной съемки скважин произвольной ориентации / Я. И. Биндер, Т. В. Падерина, А. С. Лысенко, А. Н. Федорович // Гироскопия и навигация. 2010. № 4 (71). С. 53–73. doi: 10.1134/s2075108711010020Binder Y. I., Lysenko A. S., Paderina T. V., Fedorovich А. N. Various Schemes for Continuous GyroInclinometric Survey of Arbitrarily Oriented Wellbores. Gyroscopy and Navigation. 2010, no. 4 (71), pp. 53–73. doi: 10.1134/s2075108711010020 (In Russ.)Иконников Ю. А. Боковые стволы – руководство пользователя. О целесообразности регламентирования выполнения работ по зарезке боковых стволов из ранее пробуренных скважин в ОАО "ЛУКОЙЛ" // Нефтегазовая вертикаль. 2006. № 2. С. 49–52.Ikonnikov Ju. A. Side Barrels – User Manual. on the Expediency of Regulating the Performance of Work on Sidetracking from Previously Drilled Wells in JSC "LUKOIL". Oil and Gas Vertical. 2006, no. 2, pp. 49–52. (In Russ.)Варушкин С. В., Хакимова Ж. А. Проектирование геологоразведочных работ методом строительства боковых стволов // Вестн. ПНИПУ. Геология, нефтегазовое и горное дело. 2018. Т. 18, № 1. С. 16–27.Varushkin S. V., Hakimova Zh. A. The Design of Geological Exploration with Side Track Drilling. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. 2018, no. 1 (18), pp. 16–27. (In Russ.)Куликов С. В. Капитальный ремонт скважин зарезкой боковых стволов // Нефть. Газ. Новации. 2011. № 12. С. 71–75.Kulikov S. V. Kapitalnyy remont skvazhin zarezkoy bokovykh stvolov [Well Workover with Sidetracking]. Neft. Gaz. Novatsii. 2011, no.12, pp. 71–75. (In Russ.)Гилязов Р. М. Бурение нефтяных скважин с боковыми стволами. М.: ООО "Недра Бизнесцентр", 2002. 255 с.Giljazov R. M. Drilling Oil Wells with Lateral Boreholes. Nedra Biznes Tsentr [Nedra Business Center]. 2002, 255 p. (In Russ.)Вализада Б. А., Очередько Т. Б. Применение горизонтальных скважин для повышения эффективности разработки месторождений на примере 302– 303 залежей Ромашкинского месторождения // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестн.). 2017. № 4. С. 226–249.Valizada B. A., Ochered'ko T. B. Application of Horizontal Wells to Increase the Efficiency of Field Development by the Example of Deposits 302–303 of the Romashkinskoye Field. Science. Engineering. Technology (polytechnical bulletin). 2017, no. 4, pp. 226–249. (In Russ.)Оценка перспективности бурения боковых горизонтальных стволов и совершенствования системы разработки на турнейском объекте Черновского месторождения / О. В. Савенок, Д. А. Березовский, Г. В. Кусов, М. Норманн // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестн.). 2018. № 2. С. 123–141.Savenok O. V., Berezovskiy D. A., Kusov G. V., Norman M. Estimation of the Perspectiveness of Drilling of Side Horizontal Steels and Improvement of the Development System at the Turney Object of the Chernovskoye Field. Science. Engineering. Technology (polytechnical bulletin). 2018, no. 2, pp. 123–141. (In Russ.)Биндер Я. И. Аналитическое компасирование в инклинометрии скважин малого диаметра // Гироскопия и навигация. 2003. № 2 (41). С. 38–46.Binder Y. I. Analytical Compassing in Slim Hole Inclinometry. Giroskopiya i navigatsiya [Gyroscopy and navigation]. 2003, no. 2 (41), pp. 38–46. (In Russ.)Гуськов А. А., Цыбряева И. В. Метод повышения точности начальной азимутальной ориентации гироскопического инклинометра // Материалы конф. XVIII Туполевские чтения: междунар. молодеж. науч. конф., Казань, 26–28 мая 2010 г. / КГТУ. Казань, 2010. Т. IV. С. 614–616.Gus'kov A. A., Cybrjaeva I. V. Metod povyshenija tochnosti nachal'noj azimutal'noj orientacii giroskopicheskogo inklinometra [Method for Improving the Accuracy of the Initial Azimuth Orientation of a Gyroscopic Inclinometer]. Proc. of the XVIII Tupolev Readings: Intern. Youth Scientific Conf., Kazan, 26–28 May 2010. Kazan State Technical University. 2010, pp. 614– 616. (In Russ.)Скважинный прибор инклинометра / К. О. Барышников, М. И. Коптенков, А. И. Баландин, Е. В. Шаховцев // Лесной вестн. 2015. № 3. С. 50–55.Baryshnikov K. O., Koptenkov M. I.,Balandin A. I., Shahovtsev E. V. The Device for the Well to the Inclinometers. Forestry Bulletin. 2015, no. 3, pp. 50–55. (In Russ.)Сысоева С. С. Тенденции рынка High-end МЭМС-датчиков инерции. Новые уровни характеристик и исполнения // Компоненты и технологии. 2014. № 6. С. 40–46.Sysoyeva S. S. Market trends for high-end MEMS inertia sensors. New Levels of Performance and Performance. Komponenty i Tekhnologii [Components & Technologies]. 2014, no. 6, pp. 40–46. (In Russ.)Advanced Trajectory Computational Model Improves Calculated Borehole Positioning, Tortuosity and Rugosity / M. F. Abughaban, B. Bialecki, A. W. Eustes, J. P. de Wardt, S. Mullin // Paper presented at the IADC/SPE Drilling Conf. and Exhibition, Fort Worth, Texas, USA, March 2016. doi: 10.2118/178796-MSAbughaban M. F., Bialecki B., Eustes A. W., de Wardt J. P., Mullin S. Advanced Trajectory Computational Model Improves Calculated Borehole Positioning, Tortuosity and Rugosity. Paper presented at the IADC/SPE Drilling Conf. and Exhibition, Fort Worth, Texas, USA, March 2016. doi: 10.2118/178796-MSАвтокомпенсация дрейфов ДУС непрерывного гироинклинометра с использованием дискретных модуляционных разворотов / Я. И. Биндер, А. С. Лысенко, Т. В. Падерина, В. Г. Розенцвейн // Сб. материалов XIX Санкт-Петербургской междунар. конф. по интегрированным навигационным системам. 2012. С. 8–15Binder Y. I., Lysenko A. S., Paderina T. V., Rozentsvejn V. G. Avtokompensacija drejfov DUS nepreryvnogo giroinklinometra s ispol'zovaniem diskretnyh moduljacionnyh razvorotov [Auto-Compensation of the ARS Drifts of a Continuous Gyroinclinometer Using Discrete Modulation Turns]. Proc. of the XIX Saint Petersburg Intern. Conf. on Integrated Navigation Systems, Saint Petersburg, 28–30 May 2012, pp. 8–15. (In Russ.)Лысенко А. С., Елисеенков А. Е. Результаты испытаний малогабаритного гироинклинометра с системой автокомпенсации дрейфов датчика угловой скорости // Материалы докл. ХIV конф. молодых ученых "Навигация и управление движением", Санкт-Петербург, 13–16 марта 2012 г. / ЦНИИ "Электроприбор". СПб., 2012. С. 88–94.Lysenko A. S., Eliseenkov A. E. Rezul'taty ispytanii malogabaritnogo giroinklinometra s sistemoi avtokompensatsii dreifov datchika uglovoi skorosti [Test Results of a Small-Sized Gyroinclinometer with an Auto-Compensation System for the Angular Velocity Sensor Drifts]. Proc. of the 14th Conf. of Young Scientists "Navigation and Motion Control", Saint Petersburg, 13–16 March 2012. Concern CSRI Elektropribor, 2012, pp. 88–94. (In Russ.)Биндер Я. И., Падерина Т. В. Бесплатформенные инерциальные измерительные модули: компасирование и калибровка на неподвижном основании в условиях ограничения угловых перемещений // Гироскопия и навигация. 2003. № 4 (43). С. 29–40.Binder Y. I, Paderina T. V. Strapdown Inertial Measuring Units: Compassing and Calibration under Restriction of Angular Movements. Giroskopiya i navigatsiya [Gyroscopy and navigation]. 2003, no. 4 (43), pp. 29–40. (In Russ.)Лысенко А. С. Алгоритмы работы и схема построения гироинклинометра с продольной компоновкой для вертикальных участков стволов скважин // Гироскопия и навигация. 2016. Т. 24, № 1 (92). С. 72–87. doi: 10.1134/S207510871603010XLysenko A. S. Algorithms and Design of Longitudinal Gyroinclinometer for Vertical Parts of Wellbores. Giroskopiya i navigatsiya [Gyroscopy and navigation]. 2016, no. 7, pp. 253–263. doi: 10.1134/S207510871603010XИсаченко В. Х. Инклинометрия скважин. М.: Недра, 1987. С. 5–10Isachenko V. Kh. Inklinometriya skvazhin [Well Inclinometry]. Moscow, Nedra, 1987, pp. 5–10. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.