Сравнение волоконно-оптического гироскопического инклинометра GSY-FIWO4 с другими гироскопическими инклинометрами

1. Введение

Гироинклинометр - это инклинометр, который не полагается на магнитное поле Земли для определения ориентации скважины. Поскольку для определения ориентации нет необходимости полагаться на магнитное поле Земли, это позволяет расширить область применения гироскопического инклинометра. Например, гироинклинометр можно использовать в районах добычи с сильным магнитным полем, а также в бурильных трубах, обсадных трубах и буровых станках. По способу измерения ориентации гироскопические инклинометры можно условно разделить на две категории. Первый тип - это метод измерения относительного азимута. Принцип заключается в использовании чувствительного гироэлемента и регистрации характеристик угловой скорости. Перед проведением измерений в буровой необходимо сначала выровнять начальное азимутальное положение на местности и записать начальное значение выходного сигнала гироэлемента. При опускании прибора в скважину он будет вращаться и поворачиваться вместе с траекторией скважины. Эти угловые скорости вращения вызывают изменения выходного сигнала гироэлемента. Интегрируя эти изменения и сравнивая их с исходными значениями, можно определить пространственное перемещение траектории скважины, т.е. изменение ее ориентации.Изначально этот тип прибора представлял собой трехградусный сбалансированный рамочный гироэлемент роторного типа. Роторы, вращающиеся с большой скоростью, имеют тенденцию продолжать вращаться в пространственном направлении, например, указывать на север горизонтальной плоскости. В идеальном случае вращение и переворот прибора не приводят к осевому изменению ротора гироскопа, а угол, на который прибор поворачивается относительно ротора гироскопа, регистрируется непрерывно. В результате можно рассчитать информацию об ориентации скважины. Очевидно, что помимо гироэлемента рамочного типа для получения данных об угле поворота и оборотах прибора могут использоваться и другие гироэлементы с угловой скоростью. При интегрировании угловой скорости на выходе гироэлемента получается угол поворота прибора. Существует множество типов гироскопических элементов, измеряющих угловую скорость, но из-за таких ограничений, как объем, температура и вибрация, не многие из них могут быть использованы в инклинометре. К влияющим факторам также относятся низкая точность, шум и дрейф. Обычные рамочные гироскопы, как и другие компоненты гироскопов, в процессе эксплуатации дают дрейф выходного сигнала и шум.Процесс интегрирования угловой скорости на выходе гироскопа также интегрирует дрейф и шум. В результате интегрирования дрейфа и шума получается ориентация. При этом измеряется погрешность, которая увеличивается с ростом времени интегрирования. Это самый большой недостаток данного типа гироскопических инклинометров. В другом типе для измерения азимута используется метод самонаведения, а для непосредственного измерения вектора угловой скорости вращения Земли и вектора угловой скорости вращения Земли по осям прибора применяется высокочувствительный гироскоп угловой скорости. С помощью сложного векторного проекционного расчета можно получить составляющую угловой скорости наведения прибора (ориентацию бурения) и узнать ориентацию ствола скважины по отношению к вектору угловой скорости вращения Земли. С точки зрения принципа измерения данный вид гироскопического инклинометра обладает большими преимуществами. Он позволяет непосредственно измерять угловую скорость вращения Земли и рассчитывать ориентацию скважины. Эта ориентация и есть истинное северное положение. Измерения выполняются независимо в каждой точке измерения, и в результатах измерений отсутствует суммарная погрешность. Поэтому он обладает такими характеристиками, как точность измерений, удобство использования и высокая надежность. Метод самонаведения требует достаточно высокой чувствительности гироэлемента, чтобы быть чувствительным к угловой скорости вращения Земли (15,042°/Н) и ее составляющей.

Гироэлементы выпускаются в виде устройств, чувствительных к угловой скорости. Наблюдаемых гироскопических эффектов много (существуют сотни оценок), а компонентов гироскопа, в силу различных факторов, может быть изготовлено не так много. Компонентов гироскопов, которые могут быть использованы в инклинометре, еще меньше. Характеристики гироскопических инклинометров, изготовленных с использованием различных гироскопических компонентов, сильно различаются, что видно из анализа характеристик современных гироскопических компонентов.

Современные гироскопы являются инерциальным прибором, широко используемым в аэрокосмической, морской, авиационной и оборонной промышленности. Развитие промышленности, национальной обороны и других высоких технологий в стране имеет большое стратегическое значение. Ранние инерционные гироскопы относились в основном к механическим гироскопам, например, к рамочным гироскопам. К механическим гироскопам предъявляются высокие требования по технологической структуре и сложности конструкции, а их точность ограничена многими аспектами. Дрейф механического гироскопа является самым большим фактором, влияющим на точность. В дальнейшем показатели дрейфа и чувствительности высокоточных механических гироскопов значительно улучшились. Гироскоп на раме был усовершенствован до электростатического, воздушно-плавающего, жидкостного и других типов гироскопов. Скорость дрейфа электростатического гироскопа может достигать 0,001°/час и даже больше.Высокая, способная удовлетворить требования к точности инерциального гида. Однако как ранние гироскопы с шарикоподшипниковой рамой, так и более поздние гироскопы с жидкостным плаванием, гибкие гироскопы и электростатические гироскопы имеют общую особенность - использование высокоскоростного ротора. Высокоскоростные роторы подвержены проблемам дисбаланса масс и чувствительны к ускорению носителя. Перед использованием требуется предварительный нагрев, после чего скорость вращения может быть стабилизирована. Высокоскоростной ротор быстро изнашивается, и срок его службы ограничен. Механические гироскопы имеют такие проблемы, как большие размеры, сложная конструкция, низкая надежность, узкая полоса пропускания и динамический диапазон.

2. Развитие гироскопов

С 1970-х годов развитие гироскопов вышло на новый этап. После того как в 1976 году была предложена основная идея волоконно-оптического гироскопа, он стал развиваться очень быстро, также большое развитие получил лазерный резонансный гироскоп. Благодаря компактной конструкции, высокой чувствительности и надежности работы волоконно-оптические гироскопы заменили некоторые механические гироскопы во многих областях и стали ключевым компонентом современных навигационных приборов. Одновременно с волоконно-оптическими гироскопами существуют кольцевые лазерные гироскопы, интегральные вибрационные гироскопы и т.п. Интегральный вибрационный гироскоп обладает высокой степенью интеграции и малыми габаритами, что является важным направлением развития современных гироскопов.

Пьезоэлектрический вибрационный гироскоп имеет такие конструкции, как вибропровод, вилка, звукосниматель, Н-образный, квадратный, СЧ-образный, кольцевой, чашечный, круглый трубчатый и пластинчатый типы. Главной особенностью вибрационного гироскопа являются его малые габариты, простота конструкции и высокая надежность. Некоторые сложные механические гироскопы имеют до 300 деталей, лазерные и волоконно-оптические гироскопы - не менее десятка деталей, а пьезоэлектрические вибрационные гироскопы имеют всего несколько рабочих частей: вибрирующие лучи и преобразователи. У него нет ни вращающихся частей механического гироскопа, ни множества проблем, возникающих в оптоволоконном и лазерном гироскопах, что значительно повышает надежность, и он обладает многими превосходными характеристиками. Малое время запуска (<15 секунд), широкий диапазон измерения угловой скорости, способность выдерживать жесткие условия эксплуатации, такие как удары и вибрации. Недостатками пьезоэлектрических вибрационных гироскопов является низкая точность, что в основном используется для управления положением малых самолетов, безопасной навигации транспортных средств и контроля устойчивости судов.

Кремниевые микромашинные гироскопы имеют много проблем, таких как низкая точность и плохая стабильность, но высокая надежность. В настоящее время они используются только в некоторых низкоточных приложениях. В высокоточных приложениях их применение пока находится на начальной стадии. С развитием технологий и повышением спроса перспективы его применения очень широки.В частности, он может производиться серийно, а его низкая цена (цена кремниевых микрогироскопов на американском рынке составляет около 50 долларов США) имеет большое конкурентное преимущество.

Волоконно-оптический гироскоп - это цельнотвердотельный оптический гироскоп. Его основными преимуществами являются: 1) отсутствие движущихся частей, прочный и стабильный прибор, ударопрочный, не чувствительный к ускорению нагружающего тела. 2) Простая конструкция, малое количество деталей, средняя цена. 3) Малое время запуска (в принципе, он может быть запущен мгновенно). 4) Чувствительность и разрешение обнаружения чрезвычайно высоки (до 10 рад/с). 5) Возможность прямого подключения к компьютеру с цифровым выходом. 6) динамический диапазон чрезвычайно широк (около 2000 рад/с). 7) длительный срок службы, стабильный и надежный сигнал. 8) Простая в использовании интегрированная оптическая технология. 9) Преодоление негативных эффектов, вызванных явлением блокировки лазерного гироскопа. 10) может быть объединен с кольцевым лазерным гироскопом для создания инерциальной системы "страпдаун". Волоконно-оптические гироскопы обладают большими преимуществами по сравнению с другими гироскопами.

3. Сравнение гироскопов

Сравнение конкретных характеристик приведено в таблице ниже.

Исходя из принципа самонаведения на север, в инклинометре может быть использовано несколько видов гирокомпонентов, но из-за ограничений по объему и условиям применения в настоящее время легко реализуемыми являются гироскоп динамической настройки и волоконно-оптический гироскоп. Из достоинств и недостатков волоконно-оптических гироскопов по сравнению с другими гироскопами видно, что использование волоконно-оптических гироскопов для изготовления инклинометров имеет большие преимущества. Волоконно-оптические гироскопы-инклинометры являются лучшими инклинометрическими изделиями.

4、GSY-FIWO4 Оптоволоконный инклинометр непрерывного действия

В приборе используются трехосевой волоконно-оптический гироскоп и трехосевой акселерометр, представляющие собой инерциальный измерительный блок. Используя трековый расчет траектории скважины в режиме реального времени (наклон, азимут, угол наклона торца инструмента и угол наклона полюса №1), прибор может быть использован для построения чертежей, отображения данных и т.д.

Характеристики изделия:

Автоматический поиск севера без калибровки на местности

Непрерывный инклинометр

Высокая скорость измерения 200 м/мин

Проводной режим и режим хранения

Высокая надежность, высокая стабильность и высокая точность

Простота эксплуатации

Применение: бурение нефтяных скважин