Фундаментальные ограничения гироскопической инклинометрии в MWD
Введение
На протяжении последних десятилетий в отрасли направленного бурения развиваются два основных подхода к определению пространственного положения ствола скважины:
- магнитометрическая инклинометрия;
- гироскопическая (инерциальная) инклинометрия.
Оба метода появились практически в одну историческую эпоху и имеют свои преимущества.
Гироскопическая инклинометрия получила широкое распространение благодаря способности работать независимо от магнитного поля Земли и потенциальной возможности применения в условиях сильной магнитной интерференции.
Однако несмотря на развитие микроэлектромеханических технологий, волоконно-оптических и других типов гироскопов, магнитометрическая инклинометрия продолжает оставаться основным методом измерения положения ствола скважины в MWD.
Причина этого заключается не только в стоимости или сложности производства оборудования.
Она связана с фундаментальными различиями физических принципов измерения.
Инерциальный принцип измерения: главное преимущество и главный недостаток гироскопа
Гироскопическая система является инерциальной системой координат.
Она не использует внешние ориентиры, а определяет изменение собственного положения путем измерения угловой скорости или уга отклонения от оси прецессии.
Общий принцип:
θ(t)=θ0+∫ ω(t) dt
или
θ=θn-1+ θn
То есть система вычисляет текущее положение через последовательное накопление малых изменений ориентации.
Именно отсутствие внешней привязки является главным преимуществом гироскопа.
Однако это же является его фундаментальным ограничением.
Любая ошибка, возникающая в процессе измерения угловой скорости или угла отклонения от оси прецессии, неизбежно интегрируется вместе с полезным сигналом. На следующем цикле вычислений эта ошибка становится частью исходных данных и продолжает накапливаться.
Источниками этих ошибок являются:
- собственные шумы гироскопов;
- температурный дрейф;
- нестабильность масштабного коэффициента;
- вибрационные воздействия;
- механические удары;
- вычислительные погрешности.
Независимо от совершенства алгоритмов обработки полностью исключить накопление подобных ошибок невозможно, поскольку оно является прямым следствием инерциального принципа измерений.
Магнитометрическая система обладает естественной самокоррекцией
Магнитометрический инклинометр работает по другому принципу.
Он постоянно измеряет внешние физические ориентиры:
- магнитное поле Земли;
- направление силы тяжести.
На каждом цикле вычисления ориентация определяется заново.
Система не переносит ошибку предыдущего измерения в следующее.
Если произошло кратковременное возмущение, следующий цикл измерения снова определяется относительно физических эталонных векторов.
Именно это свойство является фундаментальным преимуществом магнитометрической инклинометрии для динамических систем.
Динамика бурения является критической средой для гироскопических систем
Реальные условия эксплуатации MWD существенно отличаются от лабораторных испытаний.
Во время бурения инструмент испытывает:
- вибрации;
- ударные нагрузки;
- stick-slip;
- whirl;
- осевые колебания;
- возвратно-поступательные движения.
На микроуровне движение инструмента представляет собой сложный процесс непрерывных случайных ускорений и колебаний.
Для инерциальной системы каждое подобное воздействие становится дополнительным источником ошибки интегрирования.
Поскольку гироскоп не имеет внешнего эталона ориентации, самостоятельно компенсировать эти ошибки он не способен.
Именно поэтому повышение точности гироскопических систем в динамических условиях оказывается значительно более сложной задачей, чем улучшение их характеристик в лаборатории
Основная проблема магнитометрической инклинометрии имеет технологический характер
Основным ограничением магнитометрической инклинометрии традиционно считается влияние магнитной интерференции со стороны бурильной колонны и элементов компоновки.
Действительно, остаточная и наведенная намагниченность инструмента способны существенно искажать измеряемое магнитное поле.
Однако данная проблема не является фундаментальным ограничением метода.
Она успешно решается применением немагнитных утяжелённых бурильных труб, рациональным размещением измерительного модуля, калибровкой оборудования и современными алгоритмами компенсации магнитных возмущений.
Фактически вопрос сводится к стоимости используемой компоновки.
При наличии соответствующих финансовых возможностей влияние магнитной интерференции может быть существенно уменьшено.
Таким образом, ограничения магнитометрической инклинометрии определяются преимущественно экономическими факторами.
В отличие от этого накопление ошибок в гироскопической системе обусловлено самой физикой инерциальных измерений и не может быть полностью устранено независимо от стоимости оборудования.
Проблема магнитного склонения при сравнении методов
Исторически большинство навигационных данных в бурении сформировано в магнитной системе координат.
Это связано с тем, что магнитный компас появился значительно раньше гироскопических систем.
Поэтому даже при использовании современных гироскопических инклинометров возникает необходимость перевода результатов измерения из географической системы координат в магнитную для сравнения с существующими данными.
Гироскоп измеряет:
Aztrue
Магнитометрический инклинометр измеряет:
Azmag
Связь между ними определяется магнитным склонением:
Azmag=Aztrue−D
где D — угол между географическим и магнитным меридианом в точке измерения.
Современное значение магнитного склонения определяется с помощью моделей магнитного поля Земли:
- IGRF;
- WMM;
- региональных моделей.
Однако эти модели являются приближением реального магнитного поля.
На точность влияют:
- локальные магнитные аномалии;
- временные изменения магнитного поля;
- геологические особенности;
- ограниченность исходных данных.
В результате фактическое значение склонения в точке измерения может отличаться от расчетного на десятые доли градуса, а в сложных районах — на единицы градусов.
Это создает фундаментальную метрологическую проблему.
Если выполнить запись одной скважины двумя приборами:
- магнитометрическим инклинометром;
- гироскопическим инклинометром,
то для сравнения необходимо выполнить преобразование между двумя системами координат.
Но если магнитное склонение неизвестно с достаточной точностью, невозможно определить источник расхождения:
- ошибка гироскопа;
- ошибка магнитометрической системы;
- ошибка преобразования координат.
Следовательно, даже прямое сравнение двух технологий в реальных условиях не всегда позволяет объективно оценить точность гироскопического измерения.
Метрологическая проблема оценки гироскопических MWD
Большинство характеристик гироскопических систем определяется:
- на поворотных столах;
- в стабильной температуре;
- без вибраций;
- без динамических нагрузок.
Однако во время бурения прибор работает в среде, принципиально отличающейся от условий испытаний.
В настоящее время отсутствует общепринятая международная методика, позволяющая объективно оценить погрешность гироскопической инклинометрии непосредственно в условиях динамического бурения с учетом вибраций, ударов, stick-slip и других эксплуатационных факторов.
В результате пользователю доступны высокоточные характеристики, подтвержденные в статике или квазистатике, тогда как фактическая неопределенность измерений в реальных условиях эксплуатации остается значительно менее изученной и редко количественно характеризуется в технической документации.
Это не означает, что гироскопические системы не способны обеспечивать высокую точность. Однако это означает, что перенос лабораторных характеристик на реальные условия бурения требует осторожности и дополнительного метрологического обоснования.
Заключение
Гироскопическая и магнитометрическая инклинометрия основаны на принципиально разных физических подходах.
Инерциальная система выигрывает благодаря независимости от внешних ориентиров, но именно эта независимость делает неизбежным накопление ошибок при длительной работе в динамической среде.
Магнитометрическая система, напротив, зависит от внешних физических полей, однако благодаря постоянной привязке к векторам магнитного поля Земли и силы тяжести она фактически выполняет непрерывную самокоррекцию результатов измерений.
Поэтому основное ограничение магнитометрической инклинометрии связано преимущественно с внешними условиями эксплуатации и конструкцией буровой компоновки, тогда как ограничение гироскопической инклинометрии определяется самим принципом инерциальных измерений.
Именно поэтому, несмотря на активное развитие гироскопических технологий, магнитная инклинометрия остается основным методом MWD и, вероятнее всего, сохранит это положение в обозримом будущем.