Система азимутального гирокомпасирования для забойного инклинометра
|
Введение 9
1 Обзор литературы 13
2 Анализ известных принципиальных схем гироскопических инклинометров.
Выбор и обоснование расчётного варианта забойного инклинометра 14
2.1 Вводные положения 14
2.2 Обзор существующих отечественных гироскопических инклинометров 15
2.3 Обзор зарубежных систем 18
2.4 Выбор электрокинематической схемы расчетного варианта 19
3 Принцип действия и алгоритмы обработки информации в
гироинклинометре 22
3.1 Вывод алгоритмов расчёта параметров инклинометрии 22
3.2 Расчет погрешности определения зенитного угла, азимута плоскости
наклонения и угла установки отклонителя 26
3.2.1 Основная идея построения численного эксперимента 26
3.2.2 Проведение расчетов 27
4 Анализ точности определения инклинометрических параметров и выбор
чувствительных элементов 31
4.1 Выбор чувствительных элементов инклинометра 31
4.1.1 Вводные рассуждения 31
4.1.2 Обзор ТВГ 31
4.1.3 Выбор датчика акселерометра 32
4.2 Разработка требований к электронному блоку скважинного прибора ... 34
4.2.1 Состав и структура блока электроники 34
4.2.2 Требования к компонентам, входящим в блок электроники 40
6
5 Разработка конструкции секции чувствительных элементов скважинного
прибора 43
5.1 Общее строение 43
5.2 Обзор микромеханических волновых редукторов 44
5.2.1 Harmonic Drive 13x13x20.5 44
5.2.2 Малогабаритный кинематический волновой редуктор-диод 45
5.2.3 Фирма Darxton 46
5.3 Расчет и конструирование узла разворота платформы с гиродатчиком . 48
5.3.1 Узел разворота платформы с гиродатчиком 48
5.3.2 Расчет пружины 50
5.3.3 Выбор двигателя с редуктором 54
5.3.4 Оптические выключатели 56
5.4 Описание работы прибора 57
6 Вопросы технологии 59
6.1 Определение сборочного состава изделия 59
6.2 Разработка технологического процесса сборки 60
6.3 Оценка сборочной единицы на технологичность 60
7 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных
исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 64
7.1 Потенциальные потребители результатов исследования 64
7.2 Технология QuaD 64
7.3 SWOT-анализ 66
7.3.1 Планирование научно-исследовательских работ 70
7.3.2 Разработка графика проведения научного исследования 72
7.3.3 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 79
7
7.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования ... 84
8 Социальная ответственность 87
8.1 Описание рабочего места 87
8.2 Электрическое освещение рабочего места 88
8.3 Превышение уровней шума 90
8.4 Причина профзаболеваний. Меры борьбы с пылью 91
8.5 Пожарная безопасность 92
8.6 Защита в чрезвычайных ситуациях и план ликвидации аварий 94
8.7 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 98
8.8 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 100
Заключение 102
Список публикаций 103
Список использованных источников 104
1 Обзор литературы 13
2 Анализ известных принципиальных схем гироскопических инклинометров.
Выбор и обоснование расчётного варианта забойного инклинометра 14
2.1 Вводные положения 14
2.2 Обзор существующих отечественных гироскопических инклинометров 15
2.3 Обзор зарубежных систем 18
2.4 Выбор электрокинематической схемы расчетного варианта 19
3 Принцип действия и алгоритмы обработки информации в
гироинклинометре 22
3.1 Вывод алгоритмов расчёта параметров инклинометрии 22
3.2 Расчет погрешности определения зенитного угла, азимута плоскости
наклонения и угла установки отклонителя 26
3.2.1 Основная идея построения численного эксперимента 26
3.2.2 Проведение расчетов 27
4 Анализ точности определения инклинометрических параметров и выбор
чувствительных элементов 31
4.1 Выбор чувствительных элементов инклинометра 31
4.1.1 Вводные рассуждения 31
4.1.2 Обзор ТВГ 31
4.1.3 Выбор датчика акселерометра 32
4.2 Разработка требований к электронному блоку скважинного прибора ... 34
4.2.1 Состав и структура блока электроники 34
4.2.2 Требования к компонентам, входящим в блок электроники 40
6
5 Разработка конструкции секции чувствительных элементов скважинного
прибора 43
5.1 Общее строение 43
5.2 Обзор микромеханических волновых редукторов 44
5.2.1 Harmonic Drive 13x13x20.5 44
5.2.2 Малогабаритный кинематический волновой редуктор-диод 45
5.2.3 Фирма Darxton 46
5.3 Расчет и конструирование узла разворота платформы с гиродатчиком . 48
5.3.1 Узел разворота платформы с гиродатчиком 48
5.3.2 Расчет пружины 50
5.3.3 Выбор двигателя с редуктором 54
5.3.4 Оптические выключатели 56
5.4 Описание работы прибора 57
6 Вопросы технологии 59
6.1 Определение сборочного состава изделия 59
6.2 Разработка технологического процесса сборки 60
6.3 Оценка сборочной единицы на технологичность 60
7 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных
исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 64
7.1 Потенциальные потребители результатов исследования 64
7.2 Технология QuaD 64
7.3 SWOT-анализ 66
7.3.1 Планирование научно-исследовательских работ 70
7.3.2 Разработка графика проведения научного исследования 72
7.3.3 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 79
7
7.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования ... 84
8 Социальная ответственность 87
8.1 Описание рабочего места 87
8.2 Электрическое освещение рабочего места 88
8.3 Превышение уровней шума 90
8.4 Причина профзаболеваний. Меры борьбы с пылью 91
8.5 Пожарная безопасность 92
8.6 Защита в чрезвычайных ситуациях и план ликвидации аварий 94
8.7 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 98
8.8 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 100
Заключение 102
Список публикаций 103
Список использованных источников 104
Объектом исследования является система азимутального
гирокомпассирования для гироскопического инклинометра
Цель работы – проектирование и расчет системы азимутального
гирокомпассирования забойного гироскопического инклинометра
В процессе разработки проводился расчет характеристик системы
азимутального гирокомпассирования забойного гироскопического
инклинометра
В результате разработки спроектирована конструкция блока
чувствительных элементов забойного гироскопического инклинометра
Основные конструктивные, технологические и техникоэксплуатационные характеристики: измерение зенитного угла продольной
оси буровой колонны на забое в диапазоне, град.0÷120. Азимут истинный
плоскости наклонения оси буровой колонны на забое в диапазоне,
град.0÷360. Угол установки отклонителя в диапазоне, град.0÷360.
Степень внедрения: разработка находится в стадии проектирования,
макетный образец в настоящее время не создан
Область применения: бурение нефтяных, газовых и водяных скважин
Экономическая эффективность/значимость работы: снижение стоимости
бурения скважин за счет уменьшения спуко-подъемных работ.
В будущем планируется изготовление макетного образца,
проведение его испытаний с целью определения технических характеристик.
Введение
Контроль направления строящейся скважины при турбинном бурении необходимо вести в процессе бурения, без изъятия буровой колонны из скважины с целью повышения скорости бурения и снижения стоимости, за счёт уменьшения спускоподъёмных работ. На данный момент для этих целей применяются магнитометрические забойные инклинометры. Их недостатком является ошибка, связанная с неточными данными о величине магнитного склонения и наклонения в месте расположения инклинометра. Наряду с данной ошибкой существует недостаток магнитометрических систем, связанный с необходимостью удалять скважинный прибор от бурового инструмента. В результате получаемая информация имеет задержку, т.е. определяемые параметры несут информацию об ориентации касательной к оси скважины на существенном расстоянии от забоя, что сказывается на точности и качестве проводки скважин при прохождения непрямолинейных траекторий. Кроме того, применение магнитных инклинометров вынуждает использовать трубы буровой колонны, по крайней мере в близи инклинометра, из немагнитного материал, которые, как правило, либо дорогие, либо имеют плохие механические характеристики. Так же, скважинный прибор в процессе эксплуатации может совершать вращательные движения, вследствие воздействий вибраций и ударов, поэтому его ориентация в азимуте является неопределенной. Возникает необходимость применения системы ориентации. Использование магнитной системы ориентации в обсаженных скважинах невозможно, поэтому система ориентации должна быть гироскопической.
Исходя из вышеизложенного, имеет смысл создать такую систему, которая могла бы выдавать информацию об ориентации бурового инструмента в пространстве (в том числе положение отклонителя), а также обладать свойством автономного определения азимута плоскости наклонения по отношению к направлению на географический север.
Отличительная особенность гироскопических инклинометров заключается в том, что они в процессе работы для определения азимута
9
плоскости наклонения не используют магнитное поле Земли. Структура, принцип действия, порядок работы каждого гироинклинометра зависят от того, какого типа гироскопические датчики используются в этих приборах. Самая распространенная на сегодняшний день схема гироинклинометра содержит трёхстепенный гироскоп, внешняя ось которого расположена на продольной оси скважинного прибора. В этом случае используется свойство трёхстепенного гироскопа сохранять неизменным в пространстве положение главной оси. Это положение, заранее определяется в процессе начальной выставки, относительно плоскости меридиана и при проведении замеров используется как опорное. Сигнал датчика угла, связанного с внешней осью гироскопа и осью маятникового устройства, устанавливающегося в плоскость наклонения, поступает по каротажному кабелю на поверхность, где используется для вычисления азимута плоскости наклонения скважины. Такие гироинклинометры позволяют производить измерения в процессе движения скважинного прибора по скважине. Недостатком гироинклинометров с такой схемой является сложность и продолжительность процесса начальной выставки скважинного прибора на поверхности, когда он приводится в искусственно созданную плоскость наклонения, азимут которой однозначно определяется вспомогательными инструментальными средствами, функционально не входящими в комплекс гироинклинометра, и показания датчика гироскопа согласуются с этим азимутом. От указанного недостатка помогут избавиться схемы, построенные по принципу аналитического гирокомпасирования. В данном случае основным чувствительным элементом является блок гироскопического датчика угловой скорости, по информации которого, а также блока акселерометров, наземный вычислитель определяет азимут плоскости наклонения. Здесь гироскопический датчик выдает информацию об абсолютной угловой скорости движения скважинного прибора в момент проведения измерения, но не является хранителем определенного направления в пространстве. Нахождение положения скважинного прибора относительно плоскости меридиана требует определения компонент вектора угловой
10
скорости вращения Земли, поэтому всякие движения скважинного прибора относительно Земли в момент проведения измерения недопустимы. По этой причине инклинометры указанного типа могут быть использованы только в режиме точечных измерений. Данный режим имеет сравнительно невысокую производительность, так как время уходит на успокоение колебаний скважинного прибора после его перемещения по скважине и на подготовку гироскопического датчика к измерению в каждой исследуемой точке оси скважины. Самым эффективным является сочетание в гироинклинометре принципов аналитического гирокомпасирования и определения азимута плоскости наклонения с помощью трехстепенного гироскопа с внешней осью, расположенной вдоль продольной оси скважинного прибора. При реализации данной задачи возникают трудности построения механической части прибора, а именно: реализация функционирования трёхстепенного гироскопа при эксплуатации прибора, в качестве забойного гироскопического инклинометра. Поэтому задача сводится к построению гироскопического забойного инклинометра с системой аналитического гирокомпасирования, который должен выдерживать большие механические нагрузки с использованием датчиков угловой скорости и акселерометров.
Одной из основных задач, направленных на создание забойного гироскопического инклинометра является выбор наиболее подходящей принципиальной схемы и принципа обработки информации для выбранной схемы.
Г лавной проблемой, при создании данной инклинометрической системы являются вибрации, удары, перегрузки, которые возникают на забое в процессе бурения. Так же предстоит поиск чувствительных элементов, которые смогут выдержать столь суровые условия эксплуатации.
Объектом исследования является система азимутального гирокомпассирования забойного гироскопического инклинометра.
11
Методами исследования являются: выбор принципиальной
электрокинематической схемы забойного гироскопического инклинометра, расчёт погрешностей выбранных ЧЭ забойного гироскопического
инклинометра, расчет параметров системы азимутального гирокомпассирования забойного гироскопического инклинометра,
проектировка блока ЧЭ забойного гироскопического инклинометра.
гирокомпассирования для гироскопического инклинометра
Цель работы – проектирование и расчет системы азимутального
гирокомпассирования забойного гироскопического инклинометра
В процессе разработки проводился расчет характеристик системы
азимутального гирокомпассирования забойного гироскопического
инклинометра
В результате разработки спроектирована конструкция блока
чувствительных элементов забойного гироскопического инклинометра
Основные конструктивные, технологические и техникоэксплуатационные характеристики: измерение зенитного угла продольной
оси буровой колонны на забое в диапазоне, град.0÷120. Азимут истинный
плоскости наклонения оси буровой колонны на забое в диапазоне,
град.0÷360. Угол установки отклонителя в диапазоне, град.0÷360.
Степень внедрения: разработка находится в стадии проектирования,
макетный образец в настоящее время не создан
Область применения: бурение нефтяных, газовых и водяных скважин
Экономическая эффективность/значимость работы: снижение стоимости
бурения скважин за счет уменьшения спуко-подъемных работ.
В будущем планируется изготовление макетного образца,
проведение его испытаний с целью определения технических характеристик.
Введение
Контроль направления строящейся скважины при турбинном бурении необходимо вести в процессе бурения, без изъятия буровой колонны из скважины с целью повышения скорости бурения и снижения стоимости, за счёт уменьшения спускоподъёмных работ. На данный момент для этих целей применяются магнитометрические забойные инклинометры. Их недостатком является ошибка, связанная с неточными данными о величине магнитного склонения и наклонения в месте расположения инклинометра. Наряду с данной ошибкой существует недостаток магнитометрических систем, связанный с необходимостью удалять скважинный прибор от бурового инструмента. В результате получаемая информация имеет задержку, т.е. определяемые параметры несут информацию об ориентации касательной к оси скважины на существенном расстоянии от забоя, что сказывается на точности и качестве проводки скважин при прохождения непрямолинейных траекторий. Кроме того, применение магнитных инклинометров вынуждает использовать трубы буровой колонны, по крайней мере в близи инклинометра, из немагнитного материал, которые, как правило, либо дорогие, либо имеют плохие механические характеристики. Так же, скважинный прибор в процессе эксплуатации может совершать вращательные движения, вследствие воздействий вибраций и ударов, поэтому его ориентация в азимуте является неопределенной. Возникает необходимость применения системы ориентации. Использование магнитной системы ориентации в обсаженных скважинах невозможно, поэтому система ориентации должна быть гироскопической.
Исходя из вышеизложенного, имеет смысл создать такую систему, которая могла бы выдавать информацию об ориентации бурового инструмента в пространстве (в том числе положение отклонителя), а также обладать свойством автономного определения азимута плоскости наклонения по отношению к направлению на географический север.
Отличительная особенность гироскопических инклинометров заключается в том, что они в процессе работы для определения азимута
9
плоскости наклонения не используют магнитное поле Земли. Структура, принцип действия, порядок работы каждого гироинклинометра зависят от того, какого типа гироскопические датчики используются в этих приборах. Самая распространенная на сегодняшний день схема гироинклинометра содержит трёхстепенный гироскоп, внешняя ось которого расположена на продольной оси скважинного прибора. В этом случае используется свойство трёхстепенного гироскопа сохранять неизменным в пространстве положение главной оси. Это положение, заранее определяется в процессе начальной выставки, относительно плоскости меридиана и при проведении замеров используется как опорное. Сигнал датчика угла, связанного с внешней осью гироскопа и осью маятникового устройства, устанавливающегося в плоскость наклонения, поступает по каротажному кабелю на поверхность, где используется для вычисления азимута плоскости наклонения скважины. Такие гироинклинометры позволяют производить измерения в процессе движения скважинного прибора по скважине. Недостатком гироинклинометров с такой схемой является сложность и продолжительность процесса начальной выставки скважинного прибора на поверхности, когда он приводится в искусственно созданную плоскость наклонения, азимут которой однозначно определяется вспомогательными инструментальными средствами, функционально не входящими в комплекс гироинклинометра, и показания датчика гироскопа согласуются с этим азимутом. От указанного недостатка помогут избавиться схемы, построенные по принципу аналитического гирокомпасирования. В данном случае основным чувствительным элементом является блок гироскопического датчика угловой скорости, по информации которого, а также блока акселерометров, наземный вычислитель определяет азимут плоскости наклонения. Здесь гироскопический датчик выдает информацию об абсолютной угловой скорости движения скважинного прибора в момент проведения измерения, но не является хранителем определенного направления в пространстве. Нахождение положения скважинного прибора относительно плоскости меридиана требует определения компонент вектора угловой
10
скорости вращения Земли, поэтому всякие движения скважинного прибора относительно Земли в момент проведения измерения недопустимы. По этой причине инклинометры указанного типа могут быть использованы только в режиме точечных измерений. Данный режим имеет сравнительно невысокую производительность, так как время уходит на успокоение колебаний скважинного прибора после его перемещения по скважине и на подготовку гироскопического датчика к измерению в каждой исследуемой точке оси скважины. Самым эффективным является сочетание в гироинклинометре принципов аналитического гирокомпасирования и определения азимута плоскости наклонения с помощью трехстепенного гироскопа с внешней осью, расположенной вдоль продольной оси скважинного прибора. При реализации данной задачи возникают трудности построения механической части прибора, а именно: реализация функционирования трёхстепенного гироскопа при эксплуатации прибора, в качестве забойного гироскопического инклинометра. Поэтому задача сводится к построению гироскопического забойного инклинометра с системой аналитического гирокомпасирования, который должен выдерживать большие механические нагрузки с использованием датчиков угловой скорости и акселерометров.
Одной из основных задач, направленных на создание забойного гироскопического инклинометра является выбор наиболее подходящей принципиальной схемы и принципа обработки информации для выбранной схемы.
Г лавной проблемой, при создании данной инклинометрической системы являются вибрации, удары, перегрузки, которые возникают на забое в процессе бурения. Так же предстоит поиск чувствительных элементов, которые смогут выдержать столь суровые условия эксплуатации.
Объектом исследования является система азимутального гирокомпассирования забойного гироскопического инклинометра.
11
Методами исследования являются: выбор принципиальной
электрокинематической схемы забойного гироскопического инклинометра, расчёт погрешностей выбранных ЧЭ забойного гироскопического
инклинометра, расчет параметров системы азимутального гирокомпассирования забойного гироскопического инклинометра,
проектировка блока ЧЭ забойного гироскопического инклинометра.
В результате разработки было выяснено, что, при измерении трёх
горизонтальных составляющих вектора вращения Земли, определение азимута
на зенитном угле равном 90 градусов является возможным.
Для датчиков подобного типа (ТВГ) присуще значительные ошибки от
пуска к пуску, которые необходимо компенсировать в любом случае. В
предложенной схеме с этой целью применена поворотная платформа, которая
съедает внутреннее пространство. Наряду с поворотной платформой возникает
проблема реализации необходимой системы термостатирования. Нужно
обеспечить хороший тепловой контакт между датчиками и основанием
прибора, к которому будет крепится исполнительный орган системы. Данный
вопрос требует отдельной тщательной проработки, а хорошим решением было
бы разместить всю платформу в сосуде, наполненном диэлектрической
жидкостью. К сожалению данное решение также приводит к увеличению
минимально возможного диаметра.
Отдельно стоит сказать, что примененная платформа с ТВГ фирмы
«Медикон» имеет нестандартное исполнение, отличное от предлагаемого
варианта производителем. Конкретно, сам датчик решено не размещать на
демпфере, а разместить его в едином блоке с другими датчиками, а вопрос
гашения колебаний решить по отношения ко всему блоку. Также изменен
способ его крепления, и хотя данный вопрос не был согласован с фирмой
производителем, автор убежден, что реализовать подобный способ будет
возможно.
Подытожив, можно сказать, что данная работа дала необходимые
результаты, которые могут служить отправной точкой для более детального
конструирования забойного гироскопического инклинометра.
горизонтальных составляющих вектора вращения Земли, определение азимута
на зенитном угле равном 90 градусов является возможным.
Для датчиков подобного типа (ТВГ) присуще значительные ошибки от
пуска к пуску, которые необходимо компенсировать в любом случае. В
предложенной схеме с этой целью применена поворотная платформа, которая
съедает внутреннее пространство. Наряду с поворотной платформой возникает
проблема реализации необходимой системы термостатирования. Нужно
обеспечить хороший тепловой контакт между датчиками и основанием
прибора, к которому будет крепится исполнительный орган системы. Данный
вопрос требует отдельной тщательной проработки, а хорошим решением было
бы разместить всю платформу в сосуде, наполненном диэлектрической
жидкостью. К сожалению данное решение также приводит к увеличению
минимально возможного диаметра.
Отдельно стоит сказать, что примененная платформа с ТВГ фирмы
«Медикон» имеет нестандартное исполнение, отличное от предлагаемого
варианта производителем. Конкретно, сам датчик решено не размещать на
демпфере, а разместить его в едином блоке с другими датчиками, а вопрос
гашения колебаний решить по отношения ко всему блоку. Также изменен
способ его крепления, и хотя данный вопрос не был согласован с фирмой
производителем, автор убежден, что реализовать подобный способ будет
возможно.
Подытожив, можно сказать, что данная работа дала необходимые
результаты, которые могут служить отправной точкой для более детального
конструирования забойного гироскопического инклинометра.