Скважинный прибор универсального гироскопического инклинометра

Актуальность темы

.

В настоящее время в практике инклинометрпи нефтегазовых скважин, наблюдается значительное повышение требований к точности, достоверности, производительности, универсальности процесса измерений параметров траекторий скважин. Эти требования всецело формируют конструктивный облик разрабатываемых в настоящее время инклинометрических приборов, алгоритмы обработки измерительной информации, методологию их испльзования. Наиболее определяющими из этих требований являются:

1) минимизация диаметра скважинного прибора;

2) проведение измерений в процессе проводки скважин при остановках бурения;

3) минимизация времени измерения (съемки) ранее пробуренных скважин;

4) обеспечение равноточной работы инклинометров при любых траекториях проводимых или измеряемых скважин.

Проведенные в рамках диссертационной работы исследования направлены, прежде всего, на поиск аппаратных и методических решений, сглаживающих противоречия, которые возникают при одновременном выполнении вышеперечисленных требований.

Результаты работы являются своевременными и в ближайшие несколько лет послужат теоретической и расчетно-конструкторской базой для разработки технической документации и освоения в производстве скважинного прибора (СП) универсального, т. е. отвечающего вышеперечисленным требованиям, гироинклинометра (ГИ).

Цель работы — исследование принципов построения, анализ характеристик, разработка методов использования и схемно-конструктивных решений СП универсального ГИ нового типа — с ориентацией измерительной оси блока чувствительных элементов (БЧЭ) в диаметральной плоскости скважины (диаметральная схема СП).

Задачами исследования являются:

1. Исследование известных технических решений в области средств измерения параметров траекторий скважин;

2. Разработка методов точечного компасирования и соответствующих алгоритмов идеальной работы СП, построенного по диаметральной схеме, в том числе для случаев усеченного диапазона диаметрального разворота и ограниченной управляемости разворота вокруг продольной оси СП;

3. Анализ влияния погрешностей разворотов рамок СП на точность компасирования в диаметральной схеме ГИ;

4. Разработка способов применения диаметральной схемы СП для непрерывных измерений стволов скважин, в т. ч. вертикальных;

5. Разработка конструктивных решений реализации СП малогабаритного универсального ГИ, построенного по диаметральной схеме;

6. Разработка численной модели движения СП во время измерений в непрерывном режиме для обоснования технических решений, обеспечивающих механическое позиционирование прибора;

7. Экспериментальные исследования предложенных в диссертационной работе технических решений.

Методы исследования — методы динамики твердого тела, линейной алгебры, математического анализа и математической статистики.

При автоматизированном проектировании элементов конструкции использованы САПР Компас 3D vl0, Pro Engineer Wildfire 3.0 и Solidworks 2009. При разработке численной модели движения СП использовался метод конечных элементов. Построение модели осуществлялось в следующих программных пакетах численного моделирования: ANSYS, ANSYS/CFX, ABAQUS.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод точечного компасирования, обеспечивающий при инклинометрических измерениях скважин произвольной ориентации адаптивность к параметрам их траекторий, а также инвариантность к пусковым погрешностям БЧЭ СП, построенного по диаметральной схеме, и соответствующие алгоритмы идеальной работы.

2. Методы компасирования и соответствующие алгоритмы идеальной работы для случая усеченного диапазона диаметрального разворота, а также для случая ограниченной управляемости разворота вокруг продольной оси СП, построенного по диаметральной схеме.

3. Результаты анализа влияния погрешностей разворотов рамок СП на точность компасирования в диаметральной схеме ГИ.

4. Способы применения диаметральной схемы СП, позволяющие осуществлять непрерывные измерения стволов скважин, в том числе с помощью гироскопической стабилизации.

5. Обоснование конструктивных решений различных вариантов реализации СП малогабаритного универсального ГИ, построенного по диаметральной схеме.

6. Согласованность результатов анализа и численного моделирования с данными экспериментальных исследований технических решений, предложенных в диссертационной работе.

Научная новизна работы.

1. Предложен метод точечного компасирования, обеспечивающий при инклинометрических измерениях скважин произвольной ориентации, адаптивность к параметрам их траекторий, а также инвариантность к пусковым погрешностям БЧЭ СП, построенного по диаметральной схеме, и соответствующие алгоритмы идеальной работы.

2. Впервые предложены методы компасирования и соответствующие алгоритмы идеальной работы для случая усеченного диапазона диаметрального разворота, а также для случая ограниченной управляемости разворота вокруг продольной оси СП, построенного по диаметральной схеме.

3. Произведены оценки специфических погрешностей, обусловленных неточностью разворотов рамок СП.

4. Предложен оригинальный способ высокоточного непрерывного измерения вертикальных учаспсов скважин на основе преобразования диаметральной схемы в одноосную стабилизированную платформу.

Обоснованность н достоверность обеспечиваются совпадением результатов расчетов и экспериментальных исследований, а также корректностью использования методов исследований и программного обеспечениявоспроизводимостью результатов, а также аттестованными средствами метрологического обеспечения, использованными при измеренияхвнедрением на производстве и практическим применением в геофизических организациях.

Практическая значимость. Полученные результаты позволили решить важную научно-техническую задачу улучшения характеристик инклинометрических приборов для измерения параметров траекторий скважин. Созданы и внедрены новые схемно-конструктивные решения универсального инклинометра, реализующего диаметральную схему измерения как в непрерывном режиме, так и в режиме точечного компасирования [21, 22, 23, 65, 81,82, 83,84, 85, 86, 87, 88, 94].

Реализация результатов. Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены и используются в следующих организациях: ОАО «Электромеханика" — ЗАО «Тюменьпромгеофизика" — ОАО «Сургутнефтегаз" — ОАО «Когалымнефтегазгеофизика», а также в учебном процессе НИУ ИТМО.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX, X, XI, XIII, XIV, XV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (ФГУП ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург, 2007;2011) — VI научно-технической конференции «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии» (ОАО ГНИНГИ, Санкт-Петербург 2007) — XXXVI, XXXVII, XXXVIII, ХЬ научной и учебно-методической конференции профессорско-преподавательского и научного состава (СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург,.

2007;2011) — конференции «Навигация, гидрография и океанография: приоритеты развития и инновации морской деятельности» (ОАО «ГПИПГИ» Санкт-Петербург, 2011) — IV, V, VI межвузовской конференции молодых ученых (СПбГУ ИТМО, 2007;2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ, 7 из них — в периодических изданиях из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 163 с. машинописного текста. В работу включены 73 рис., 16 табл., список литературы из 109 наименований.

4.4 Выводы.

Результаты стендовых испытаний подтвердили высокую сравнительную эффективность диаметральной схемы СП по отношению к существующим сегодня.

Впервые поставлена и решена задача численного КЭ моделирования движения прибора в скважине, при этом результаты оказались близки к полученным экспериментально и легли в основу проектирования системы механического позиционирования СП.