Универсальный гироинклинометр на базе единственного одноосного датчика угловой скорости

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

1. Jamieson 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)

2. 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.2019.103081

3. Codling J. Low Angle Survey Errors // Soc. of Petroleum Engineers, Wellbore Positioning Technical Section 49th General Meeting. Den Haag, Netherlands, 2019. doi: 10.2118/187249-MS

4. Современные 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.

5. Морозов О., Овчинников А. Геологическое сопровождение бурения online. Горизонтальные скважины на Приразломном – под контролем // Offshore (Russia). 2015. С. 52–56.

6. Живов П. Н., Оганов А. С. Научнометодические решения по автоматизированному управлению траекторией ствола направленной скважины // Вестн. Ассоциации буровых подрядчиков. 2010. № 3. С. 38–42.

7. 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.

8. Арсланов И. Г., Ягафарова Х. Н. Особенности применения непрерывных гироскопических инклинометров // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2018. № 5. С. 16–19. doi: 10.30713/1999-6934-2018-5-16-19

9. 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/s2075108711010020

10. 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.

11. 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.

12. Куликов С. В. Капитальный ремонт скважин зарезкой боковых стволов // Нефть. Газ. Новации. 2011. № 12. С. 71–75.

13. Гилязов Р. М. Бурение нефтяных скважин с боковыми стволами. М.: ООО "Недра Бизнесцентр", 2002. 255 с.

14. 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.

15. 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.

16. Биндер Я. И. Аналитическое компасирование в инклинометрии скважин малого диаметра // Гироскопия и навигация. 2003. № 2 (41). С. 38–46.

17. 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.

18. Скважинный прибор инклинометра / К. О. Барышников, М. И. Коптенков, А. И. Баландин, Е. В. Шаховцев // Лесной вестн. 2015. № 3. С. 50–55.

19. Сысоева С. С. Тенденции рынка High-end МЭМС-датчиков инерции. Новые уровни характеристик и исполнения // Компоненты и технологии. 2014. № 6. С. 40–46.

20. 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-MS

21. Автокомпенсация 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. 8–15

22. 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.

23. 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.

24. 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/S207510871603010X

25. Исаченко В. Х. Инклинометрия скважин. М.: Недра, 1987. С. 5–10