Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Информационно-измерительные системы

Диссертационная работа:

Миловзоров Дмитрий Георгиевич. Информационно-измерительные системы контроля комплекса угловых параметров пространственной ориентации скважин и скважинных объектов : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.16 : Ижевск, 2005 210 c. РГБ ОД, 61:05-5/3599

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Список сокращений и условных обозначений 5

ВВЕДЕНИЕ 6

1. ОБЗОР РАБОТ В ОБЛАСТИ ИНКЛИНОМЕТРИИ И СОСТОЯНИЕ
ПРОБЛЕМЫ ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 17

  1. Обзор отечественных инклинометрических систем 17

  2. Обзор отечественных телеметрических систем 36

  3. Обзор зарубежных инклинометрических систем и телесистем. 46

  4. Варианты построения магнитометров 52

  5. Критический анализ современного состояния и направлений развития инклинометрии и постановка задач исследований... 59 Результаты и выводы 70

2. РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ ОБОБЩЕННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ
МОДЕЛЕЙ ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ С
ТРЕХКОМПОНЕНТНЫМИ ФЕРРОЗОНДОВЫМИ ДАТЧИКАМИ.. 71

  1. Общий подход и базовые положения в математическом моделировании ИнС 71

  2. Применение векторно-матричного метода и метода кватернионов при моделировании ТФПА 76

  3. Синтез обобщенной математической модели ТФПА 82

  4. Исследование и сравнительный анализ математических

моделей ТФПА методом вычислительного эксперимента 96

Результаты и выводы 104

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ТФПА ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ. . Ю5

  1. Общий подход к разработке методики идентификации параметров ТФПА инклинометрических систем 105

  2. Разработка математического и методического обеспечения

для экспериментального определения параметров ТФПА 111

  1. Определение параметров ТФПА при вертикальной ориентации корпуса СП 112

  2. Определение параметров ТФПА при горизонтальной ориентации корпуса СП 114

3.3. Оптимизация значений малых угловых параметров ТФПА

на основе их итерационного варьирования 120

Результаты и выводы 125

СТРУКТУРНОЕ ПОСТРОЕНИЕ И ПРАКТИЧЕСКАЯ
РЕАЛИЗАЦИЯ ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ С
ФЕРРОЗОНДОВЫМИ ДАТЧИКАМИ 126

  1. Структура инклинометрической системы ИС-48 с трехкомпонентными феррозондовыми датчиками 126

  2. Структурное построение каналов выделения и преобразования полезных сигналов с ТФПА 135

  3. Исследование статических характеристик феррозондовых магнитометрических каналов в программно-управляемом опорном магнитном поле 154

4.4. Экспериментальные исследования и коррекция

дополнительных температурных погрешностей ТФПА 168

Результаты и выводы 171

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 173

Список литературы 175

Приложение 1 Акт о внедрении и практическом использовании

результатов диссертационной работы 198

Приложение 2 Акт о внедрении и практическом использовании

результатов диссертационной работы 200

Приложение 3 Акт о внедрении и практическом использовании

результатов диссертационной работы 202

Приложение 4 Акт о внедрении и практическом использовании

результатов диссертационной работы в учебном процессе 203
Приложение 5 Акт о скважинных испытаниях инклинометрической

системы ИС-36 205

Приложение 6 Основные технические характеристики ИС-36 206

Приложение 7 Основные технические характеристики ИС-48 207

Приложение 8 Текст программы вычислительного эксперимента 208

Список сокращений и условных обозначений

ИнС — инклинометрическая система;

СП - скважинный прибор;

ПЭВМ — персональная электронно-вычислительная машина;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ЦАП — цифро- аналоговый преобразователь;

МК — микроконтроллер;

Т — полный вектор напряженности геомагнитного поля;

Z — вертикальная составляющая вектора f;

Н - горизонтальная составляющая вектора f;

Т t - проекции вектора Т в ортонормированном базисе;

А . і к \ — матрица направляющих косинусов вращения базиса на угол у

вокруг К - ой оси;

а-азимут;

в— зенитный угол;

<р— визирный (апсидальный) угол;

3 — угол магнитного наклонения;

К св. - канал связи;

НП (НИП) - наземный интерфейсный пульт;

ТФПА — трехкомпонентный феррозондовый преобразователь азимута;

СГА — скважинная геофизическая аппаратура;

КНБК — компоновка низа буровой колонны;

ЛБТ — легкосплавная бурильная труба;

НПФ - научно - производственная фирма;

НИИ - научно - производственное предприятие;

НПО - научно - производственное объединение.

Введение к работе:

Актуальность темы. Повышение эффективности наклонно направленного и горизонтального бурения и повышение эффективности разработки нефтяных и газовых месторождений в целом зависит от оптимизации технологических процессов, обеспечивающих проводку скважин с максимальной скоростью в заданный «круг допуска» или в продуктивный пласт. При этом наряду с контролем таких параметров как осевая нагрузка на долото, частота вращения породоразрушающего инструмента, гидродинамическое давление и др., первостепенное и наиважнейшее значение имеет контроль комплекса параметров искривления скважин, обеспечивающий проходку по требуемой траектории в соответствии с проектным профилем. Данную задачу решают с помощью инклинометрических систем (ИнС), позволяющих измерять азимут, зенитный угол и визирный угол (угол положения скважинного объекта в апсидальной плоскости), причем с точки зрения практического применения ИнС подразделяются на системы, используемые при традиционных технологиях каротажа на кабеле в открытом стволе, и системы, встраиваемые в компоновку буровой колонны и обеспечивающие контроль угловых параметров пространственной ориентации бурового инструмента непосредственно в процессе бурения, получившие название забойных инклинометрических систем или телесистем.

Анализ известных многочисленных отечественных и зарубежных публикаций, отражающих теоретические и практические вопросы создания и совершенствования ИнС на различных этапах их развития показывает, что наиболее перспективным и признанным среди разработчиков направлением является построение скважинного

прибора (СП) на основе трехкомпонентных преобразователей с акселерометрическими и феррозондовыми датчиками, чувствительными к гравитационному и геомагнитному полям. В данном направлении дсютигнутьі определенные положительные результаты как в плане развития теории, так и в практической реализации технических решений, позволяющих создавать малогабаритную аппаратуру (диаметром охранного кожуха СП 42 мм и менее), обладающую приемлемыми для обычных эксплуатационных условий метрологическими характеристиками.

Тем не менее в последние годы со стороны производственных организаций и потребителей геофизической аппаратуры наметилась тенденция к ужесточению требований, предъявляемых к ИнС, и в первую очередь по точности контроля параметров пространственной ориентации. Это обусловлено расширением применения технологий горизонтального бурения, проводкой боковых горизонтальных стволов из старого фонда скважин, а также применением колтюбинговых технологий.

Особую актуальность данные аспекты приобретают также и при проводке скважин в породах со сложным геологическим строением, характеризующимся чередующимися пропластками непродуктивных и продуктивных коллекторов малой мощности.

Критический анализ современного уровня развития инклинометрии, а также специфических особенностей конструкции СП с трехкомпонентными феррозондовыми и акселерометрическими датчиками, показывает, что основными источниками погрешностей измерений являются малые угловые параметры отклонения осей чувствительности феррозондов и акселерометров от осей

ортонормированных базисов корпуса СП, а также нелинейность статических характеристик и температурный дрейф первичных преобразователей.

Практическое применение метода алгоритмической коррекции погрешностей измерений информативных параметров информационных сигналов с феррозондов и акселерометров, базирующегося на известном математическом обеспечении, дает неплохие результаты и является в инклинометрии вполне оправданным. Особых трудностей не представляет осуществление коррекции погрешностей сигналов с акселерометров, обладающих приемлемыми показателями по нелинейности и температурному дрейфу. Однако в решении задач по созданию инклинометрической аппаратуры разработчиками уделено недостаточное внимание математическому обеспечению алгоритмической обработки результатов измерений, а также и методическому обеспечению экспериментальных исследований на этапах промышленного выпуска, калибровки и периодической поверки, и особенно - при измерении и анализе сигналов с трехкомпонентного феррозондового преобразователя азимута (ТФПА).

Поэтому проведение теоретических и экспериментальных исследований в области дальнейшего развития математического и методического обеспечения, как наиболее эффективного направления в совершенствовании инклинометрической аппаратуры, и в первую очередь - в улучшении точностных показателей определения угловых параметров пространственной ориентации траектории скважин и скважинных объектов, является на сегодняшний день весьма актуальным, имеющим важное народнохозяйственное значение в топливно-энергетическом комплексе Российской Федерации.

Цель работы - разработка научно обоснованных технических и методических решений в области создания информационно-измерительных систем контроля комплекса угловых параметров пространственной ориентации траектории скважин и скважинных объектов, обеспечивающих повышенную точность измерений.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

выполнить обзор и критический анализ известных технических решений в области построения и создания инклинометрических систем и выявить факторы доминирующего влияния на их точностные показатели;

разработать обобщенные статические математические модели инклинометрических систем с трехкомпонентными феррозондовыми датчиками и провести анализ инструментальных погрешностей определения азимута и угла магнитного наклонения;

разработать методику идентификации численных значений угловых параметров отклонения осей чувствительности феррозондов от осей базиса корпуса СП;

разработать научно-обоснованные технические решения в области ИнС и внедрить результаты теоретических и экспериментальных исследований в производственных организациях.

Методы исследования. При достижении цели и решении поставленных задач в работе применялись методы теоретических и экспериментальных исследований.

В разработке обобщенных математических моделей ИнС использованы общая теория пространственной ориентации твердых тел, рассмотрены вопросы применения элементов теории кватернионов и матричные методы преобразования координат.

В теоретических исследованиях полученных математических моделей применена классическая теория погрешности измерений, базирующаяся на методах дифференциальных вычислений. Синтез методики идентификации малых угловых параметров отклонения осей чувствительности феррозондов от прямоугольных осей базиса корпуса СП основан на анализе математических моделей и элементах теории оптимизации с применением итерационного варьирования.

При автоматизированном моделировании информационных процессов использованы пакеты прикладных программ Borland Delphi 7.0, Matlab 6.0, Mathematica 4, построение графиков осуществлялось с помощью пакета Microsoft Excel 2002.

В экспериментальных исследованиях использованы методы статистической обработки результатов измерений.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов и выводов подтверждена системным анализом информационных процессов в ИнС при контроле угловых параметров пространственной ориентации, комплексным анализом обобщенных математических моделей и теоретическими исследованиями инструментальных погрешностей, а также результатами моделирования на ЭВМ.

Достоверность экспериментальных исследований подтверждена использованием аттестованных средств метрологического обеспечения -автоматизированной установки для поверки инклинометров УАПИ-1М, установки для калибровки инклинометров УКИ-1, прецизионных оптических приборов (теодолит 2Т-30, квадрант оптический КО-60), а также воспроизводимостью результатов.

Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждена также их внедрением и практическим использованием в производственных геофизических организациях.

На защиту выносятся:

  1. обобщенные статические математические модели ИнС, учитывающие трансцендентные функции углов отклонения осей чувствительности феррозондов в ТФПА от прямоугольных осей базиса корпуса скважинного прибора;

  2. сравнительный анализ погрешностей определения азимута и угла магнитного наклонения в ИнС при реализации известных и предложенных обобщенных математических моделей ТФПА;

  3. методика идентификации численных значений углов отклонения осей чувствительности феррозондов от осей базиса корпуса скважинного прибора и их оптимизация, основанная на развитии метода итерационного варьирования параметров;

  4. разработанные и внедренные научно-обоснованные технические решения, обеспечивающие повышенные точностные показатели ИнС.

Научная новизна работы заключается в развитии теории инклинометрии и совершенствовании методики экспериментальных исследований инклинометрических систем, основанных на трехкомпонентном феррозондовом геомагнитометре.

С использованием векторно-матричного математического аппарата впервые получены обобщенные статические математические модели инклинометрических систем, в которых учтены трансцендентные функции малых углов отклонения

осей чувствительности феррозондов от осей базиса корпуса скважинного прибора. Из полученных обобщенных моделей следуют как частные решения при определенных допущениях известные базовые модели ТФПА.

При сравнительном анализе погрешностей определения азимута и угла магнитного наклонения в ИнС показано, что известные обобщенные математические модели по сравнению с базовыми позволяют уменьшить погрешности определения азимута не менее, чем в 3 раза и угла магнитного наклонения не менее, чем в 2 раза. А в результате вычислительного эксперимента установлено, что реализация предложенных новых обобщенных математических моделей позволяет свести в идеальном случае погрешности измерений к крайне малым величинам, порядка 10~14 градуса.

На основе полученных обобщенных математических моделей и с учетом анализа инструментальных погрешностей разработана и предложена методика экспериментальных исследований ИнС, обеспечивающая при определенных пространственных положениях корпуса СП определение численных значений искомых малых угловых параметров. При этом показано, что предложенное развитие метода итерационного варьирования при решении классической задачи оптимизации позволяет уточнить численные значения искомых параметров, что оказывает непосредственное влияние на повышение точностных показателей ИнС.

Практическая ценность результатов состоит в том, что непосредственное их применение позволило решить важную научно-техническую задачу повышения точности инклинометрических измерений.

Разработанные и предложенные обобщенные статические математические модели составляют фундаментальный базис при синтезе алгоритмов вычисления

азимута и угла магнитного наклонения по измеренным сигналам с феррозондов, в которых учтены трансцендентные функции синусов и косинусов малых углов отклонения осей чувствительности феррозондов от осей опорного базиса корпуса СП. При этом процедуры автоматизированной алгоритмической коррекции погрешностей являются практически инвариантными к самим численным значениям данных малых угловых параметров, что существенно снижает требования к изготовлению конструктивных элементов СП. На основе результатов теоретических исследований предложено развитие методики экспериментальных исследований ИнС, практическое применение которой также упрощает технологические операции и повышает точность определения искомых малых угловых параметров (констант).

Практическое применение совокупности полученных в работе результатов позволило в итоге создать и внедрить ряд оригинальных технических и методических решений ИнС, обладающих малыми габаритами СП и обеспечивающих при этом повышенную точность определения азимута и угла магнитного наклонения.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований созданы ИнС, представляющие собой охрано- и конкурентоспособные образцы скважинной геофизической аппаратуры с качественно новыми показателями.

Реализация результатов работы. Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований и практические разработки внедрены и используются в следующих организациях:

1. в Управлении «Ижгеофизсервис» (г. Ижевск) ОАО «Татнефтегеофизика» обобщенные статические математические ТФПА, полученные с применением

векторно-матричного математического аппарата, использованы при создании инклинометрической системы ИС-48 с кабельным каналом связи;

2. в филиале «Центр горизонтального бурения» ООО «Бургаз» (г. Оренбург) ОАО
«Газпром» обобщенные статические математические модели трехкомпонентного
феррозондового преобразователя азимута и методика калибровки использованы в
общем алгоритме обработки результатов скважинных измерений информационных
сигналов с первичных преобразователей забойной телеметрической системы ИС-36 с
кабельным каналом связи;

3. в ООО «Ні 111«ГОРИЗОНТ» (г. Ижевск) в забойной телеметрической системе
«ГНОМ» использованы результаты математического моделирования телесистем с
трехкомпонентными феррозондовыми и акселерометрическими датчиками,
составляющие основу алгоритмической обработки результатов измерений
непосредственно с процессе бурения, а также элементы методического
обеспечения экспериментальных исследований и технологических операций
калибровки скважинных приборов;

4. в учебном процессе на кафедре «Приборы и методы контроля качества» ГОУ
ВПО «ИжГТУ» использованы элементы теории магнитомодуляционных
преобразователей параметров геомагнитного поля, оригинальное схемотехническое
решение, содержащее одностержневой двухобмоточный феррозондовый датчик и
блок вторичного преобразования информативного параметра выходного сигнала
феррозонда, а также методы линеаризации статических характеристик феррозондов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ХП научно-технической конференции с участием

зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления («Датчик-2000»)» (Судак, 2000 г.), международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2000 г.), 3-м научном симпозиуме «Высокие технологии в промысловой геофизике» (Уфа, 2004 г.), XVI Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления («Датчик-2004»)» (Судак, 2004 г.), научно-техническом форуме с международным участием «Высокие технологии - 2004» (Ижевск, 2004г.), научном симпозиуме «Геоинформационные технологии в нефтепромысловом сервисе» (Уфа, 2005 г.).

Публикации. Результаты работы отражены в 13 научных публикациях, в том числе: 6 статей в сборниках научных трудов, 1 статья в научно-техническом и производственном журнале «Датчики и системы», 3 — в материалах международных научно-технических конференциий и 3 - в тезисах научно-технических конференций и симпозиумов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 210 с. машинописного текста. В работу включены 43 рис., 8 табл., список литературы из 256 наименований и приложения, включающие акты внедрения результатов работы в производственных организациях и учебном процессе ГОУ ВПО «ИжГТУ».

В первой главе выполнен обзор и критический анализ работ в области инклинометрии, представлены известные разработки инклинометрических систем для проведения геофизических исследований в открытом стволе, а

также забойных телесистем как отечественного, так и зарубежного производства. Рассмотрены варианты исполнения первичных преобразователей и варианты построения феррозондовых магнитометров. Осуществлена постановка задач исследований.

Во второй главе в плане развития теории инклинометрии рассматриваются вопросы синтеза обобщенных статических математических моделей ИнС с феррозондовыми датчиками, основанные на более детальном анализе и учете параметров, обусловливающих инструментальные погрешности ТФПА.

В третьей главе работы рассматриваются вопросы разработки методики
идентификации параметров трехкомпонентного феррозондового

преобразователя азимута инклинометрических систем, в частности - методики определения параметров, характеризующих отклонения осей чувствительности феррозондов от ортонормированных осей базиса корпуса СП. Приводятся математические основы определения параметров ТФПА при определенных заданных углах пространственной ориентации корпуса СП. Рассматриваются элементы методики итерационного варьирования параметров ТФПА.

В четвертой главе рассматриваются элементы структурного построения инклинометрических систем с феррозондовыми датчиками, варианты реализации трехкомпонентных феррозондовых геомагнитометров с аналоговым и цифровым выходом, а также приводятся результаты их экспериментальных исследований.

Подобные работы
Ахриев Альберт Хаджиевич
Информационно-измерительная система контроля перемещения движущегося объекта, наблюдаемого с помощью оптической видеокамеры
Фаррахов Рузиль Галиевич
Информационно-измерительная система с оптическим преобразователем для контроля температуры объектов
Кузнецов Сергей Анатольевич
Контроль и управление комплексом взаимодействующих газовых скважин в условиях неопределенности конструктивно-технологических параметров
Гарипов Вадим Кадимович
Разработка методов и средств построения распределенных информационно-измерительных систем многосвязных объектов
Гусева Галина Вячеславовна
Информационно-измерительная система в составе системы обнаружения объектов
Иванов Юрий Владимирович
Инерциальные измерительные системы параметров движения объектов на основе короткопериодных маятников. Теория и проектирование
Орлов Василий Алексеевич
Инерциальные измерительные системы параметров движения объектов на микромеханических датчиках
Курочкин Сергей Александрович
Методология проектирования информационно-измерительных систем тренажеров подвижных наземных объектов
Семавин Владимир Иванович
Информационно-измерительная система идентификации движения яркостных объектов в реальном времени
Заботин Иван Николаевич
Стереоскопическая информационно-измерительная система определения параметров движущихся объектов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net