Перспективы использования малогабаритных волоконно-оптических гироскопов в гироинклинометрии

СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ И НАВИГАЦИИ

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ В ГИРОИНКЛИНОМЕТРИИ Д.А. Соколов

В статье рассмотрены основные преимущества использования волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) в скважинной навигации. Приведен обзор современного рынка малогабаритных ВОГ, а также представлены возможные пути дальнейшего развития технологии производства ВОГ.

Введение

Направленное бурение постепенно становится основным видом бурения как на суше, так и на море при проходке скважин со стационарных морских платформ. Одновременно существует тенденция повышения требований к точности попадания забоя скважин в заданную точку и к соблюдению проектного профиля скважины. Поэтому необходимо обеспечивать эффективный контроль пространственного положения ствола скважин. Жизненная необходимость сокращения сроков строительства скважин и увеличения производительности труда в бурении ставит перед создателями инклинометрических приборов и систем задачу повышения не только точности соответствующей измерительной аппаратуры, но и оперативности получения инклинометрической информации, а также сокращения затрат времени при проведении инклинометрических работ. Это привело к разработке новых приборов и информационно-измерительных систем с использованием последних научно-технических достижений. Совершенствуются методы и алгоритмы обработки данных, широко применяется вычислительная техника [1].

Цель бурения состоит в том, чтобы, во-первых, забой скважины достиг проектной точки, во-вторых, был подготовлен ствол скважины такого профиля и такого качества, которые обеспечили бы нормальную дальнейшую эксплуатацию скважины. Соответственно, существуют требования как к допустимому отклонению забоя от проектной точки, так и к профилю ствола скважины. Для соблюдения этих требований необходимо использовать приборы, дающие информацию о пространственном положении ствола скважины - инклинометры. В современных гироинклинометрах в качестве датчика угловой скорости чаще всего используются динамически настраиваемые гироскопы. Такой тип гироскопа отвечает жестким требованиям по габаритным размерам, диктуемым внешним диаметром инклинометра, но, несмотря на это, они имеют определенные недостатки с точки зрения использования в скважинной навигации по сравнению с волоконно-оптическими гироскопами (ВОГ). В работе рассматриваются основные преимущества и перспективы использования ВОГ в гироинклинометрии.

Основные преимущества использования ВОГ в скважинной навигации

Принцип действия ВОГ поясняет рис. 1, на котором изображены основные элементы конструкции: источник излучения 7, фотоприемник 2, светоделитель 3, фокусирующие линзы 4 и 5, интерферометр 6, образованный многовитковым оптическим световодом. Вводимые в интерферометр после светоделителя световые волны совершают обход многовиткового контура в противоположных направлениях (по и против часовой стрелки). При неподвижном ВОГ (й = 0) волны, пройдя в световоде один и тот же путь Ь = пОЫ, где Б - диаметр катушки, N - число витков, поступают после светоделителя 3

(который теперь играет роль сумматора встречных волн) на вход фотоприемника 2 синфазно: разность фаз встречных волн равна нулю. При вращении ВОГ встреч-

ные волны проходят разные пути, в результате чего возникает невзаимный фазовый сдвиг ДФ8 =(2пЬБ / Х)й, где X - длина волны источника излучения [2].

2

Рис. 1. Принцип действия ВОГ

Используемые в настоящее время значения параметров Ь, Б и X и достигаемые при этом характеристики ВОГ представлены в табл.1

Класс ВОГ Ь - длина волокна, км Б - диаметр катушки, см X - длина волны источника, нм Дрей^ град/ч

Средней точности 1 10 1550 0,15

Малой точности 0,2 3 850 3-7

Таблица 1. Связь характеристик ВОГ с основными параметрами конструкции

Проведем сравнительный анализ технической реализации двух эффектов используемых для измерения угловых скоростей - Кориолиса и Саньяка.

• При изготовлении ВОГ практически не требуется дорогостоящей механической обработки и контроля.

• Отсутствие у ВОГ необходимости в статической и динамической балансировке.

• Отсутствие вакуумирования и дорогостоящих средств обеспечения и надежного длительного поддержания вакуума.

• Отсутствие в технологии ВОГ повышенных требований к чистоте помещения в большинстве этапов производства.

• Отсутствие у ВОГ механического вращения и присущего ему трения.

• «Мгновенный» отклик ВОГ на вращение (1мкс).

• Отсутствие у ВОГ реализации осей подвеса инерционных масс и как следствие подшипников того или иного типа.

• Отсутствие у ВОГ двигателя для вращения маховой массы с очень высокими и стабильными оборотами, а также систем обеспечения стабильного положения центра массы гиромотора.

• Отсутствие необходимости учета взаимного расположения блока акселерометров и гироскопа в скважинном приборе.

• Отсутствие у ВОГ прецизионных электромеханических устройств (ДУ и ДМ) и электронных блоков обратной связи с повышенными требованиями к стабильности.

• Существенно меньшее потребление энергии и тепловыделение.

Перечислим отличия современного ВОГ от кольцевого лазерного гироскопа (КЛГ):

• ВОГ построен по интерферометрической, а не по резонаторной схеме.

• Отсутствие явления «захвата», нет необходимости конструировать сложные в настройке устройства смещения нулевой точки.

• Большая устойчивость к механическим воздействиям.

• Более экономичное энергопотребление.

Имеется перспектива использования дешевого оптического датчика вращения, который способен работать в инерциальной системе навигации. Факторы, удешевляющие производство и эксплуатацию ВОГ:

• массовое использование для средств связи оптоволокна и, соответственно, развитие и удешевление оптоволоконных технологий;

• использование большого количества массово выпускаемых электронных компонентов;

• возможность использования при испытаниях ВОГ методик и аппаратуры, применяемых для испытания традиционных гироскопов.

Из эксплуатационных достоинств ВОГ, с точки зрения использования в скважин-ной навигации, можно выделить следующие:

• малое время готовности;

• неограниченное количество запусков;

• устойчивость к ударам и вибрациям;

• низкое энергопотребление;

• большой срок эксплуатации.

Обзор современного рынка малогабаритных ВОГ

На российском рынке малогабаритных ВОГ представлены компании «Физоптика» (Москва) и «Оптолинк» (Зеленоград). Обе компании имеют филиалы и в других городах РФ.

Параметр ОИУС-1000 ОИУС- 500 ТИУС-500 ТИУС-200

Диапазон измерения угловой скорости (°/с) ±90 ±180 ±300 ±700

Случайная составляющая дрейфа нулевого сигнала при фиксированной температуре (°/ч) <0.01 <0.1 <0.3 <10

Случайная составляющая дрейфа нулевого сигнала при изменении температуры от 0 до 50°С (°/ч) <0.1 <0.5 <2 <30

Погрешность масштабного коэффициента (%) <0.03 <0.07 <0.1 <0.3

Полоса пропускания (Гц) 100 200 300 500

Питание от источника постоянного напряжения (В) 18-36 18-36 18-36 или 5 5

Мощность, потребляемая прибором (Вт) <6 <6 <8 <5

Длина волоконного контура (м) 1000 500 3x500 3x200

Масса прибора (нетто) (кг) 0.8 0.8 1.4 0.4

Габаритные размеры (мм) 0150x40 0150x40 110х110х 90 061x90

Выходной сигнал (Цифровой, Аналоговый) Цифр. Цифр Цифр. / Аналог. Цифр.

Таблица 2. Характеристики измерителей угловой скорости, выпускаемых ООО «Оптолинк»

В табл. 2 [3] приведены выпускаемые ООО «Оптолинк» модели ВОГ с малыми габаритами.

Компания «Физоптика» на современном этапе выпускает более перспективные модели ВОГ с точки зрения скважинной навигации

Особенности конструкции ВОГ производства компании «Физоптика»:

• Наиболее простая схема с «минимальной конфигурацией».

• Цельноволоконная технология изготовления оптической части.

В «Физоптике» разработана уникальная технология, позволяющая получать оптические компоненты (контур, модулятор, ответвители и поляризатор) из одного отрезка волокна без сварных соединений. Особенность технологии - специальное тонкое волокно (диаметр кварцевой оболочки ~ 40 мкм). Длина оптических компонентов (ответ-вителя и поляризатора) не превышает 15 мм, что позволяет собирать миниатюрные датчики [4]. Можно выделить три наиболее перспективные модели ВОГ, выпускаемые фирмой «Физоптика», с точки зрения использования в инклинометрических системах (см. табл. 3).

Тип гироскопа

ПАРАМЕТРЫ УС941-3Л8 УС941-3ЛМ УС941-3 Л

Диапазон измерений (°/с) ±600 ±15% ±500 ±15% ±500 ±15%

Масштабный коэффициент (МК) (мВ/°/с) З.З ±15% З.7 ±15% 4.5 ±15%

Рабочая полоса частот (Гц) 0...1000 0...450 0...1000

Шум в рабочей полосе (мВ/Гц12) 0.01 0.01 0.01

Нестабильность (дрейф) нулевого сигнала в стационарных условиях град/час (СКО) 30 15 30

Нестабильность МК в стационарных условиях % (СКО) 0.1 0.05 0.1

Температурный коэффициент МК (%/°С) -0.05 -0.05 -0.05

Время готовности (с) 0.02 0.1 0.02

УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Температура рабочая (°С) -30... +70 -30... +70 -30... +70

Температура предельная (°С) -55... +85 -55... +85 -55... +85

Вибрации (прочность) (СКО),20Гц...2кГц 6 6 6

Удары (прочность) 1 мс 90 90 90

ПАРАМЕТРЫ НАДЕЖНОСТИ

Средняя наработка до отказа (час), 20°С 20000 20000 20000

Срок службы (прогноз) (лет) 15 15 15

Таблица 3. ВОГ производства компании «Физоптика», наиболее перспективные с точки зрения создания скважинных навигационных систем

Основные проблемы внедрения БОГ в скважинную навигацию на современном этапе и пути их решения

На рынке отсутствуют модели ВОГ, удовлетворяющие жестким требованиям по термопрочности и термоустойчивости, диктуемым условиями эксплуатации в скважинах. Наиболее слабым местом с точки зрения устойчивости к высоким температурам

являются низкотемпературные припои, используемые в производстве суперлюминесцентных диодов (СЛД), а также при стыковке оптоволокна с источником излучения. Также необходимо отметить существенное влияние температуры на невзаимность контура ВОГ. Возможными путями решения могут стать как изменение технологи производства ВОГ (проработка проблемы пайки оптического волокна) и поиск источников излучения, имеющих широкий диапазон рабочих температур, так и введение алгоритмической компенсации температурной зависимости.

Все выпускаемые модели с малыми габаритами имеют слишком большие значения нестабильности нулевого сигнала и предназначены для измерений в несовпадающем с нуждами подземной навигации диапазоне угловых скоростей. Для нужд гиро-компасирования и даже для реализации режима гироскопа направления в скважинах такие ВОГ не предназначены. У российских производителей ВОГ недостаточно средств и желания для освоения новой, непривычной ниши рынка.

Существует три наиболее перспективных способа решения проблемы:

1. стимулировать фирмы-производители ВОГ к разработке и производству моделей для сектора систем подземной навигации;

2. на основе выпускаемых ВОГ путем доработки добиваться желаемых параметров (к примеру с помощью оптимальной фильтрации сигналов);

3. самостоятельно разработать ВОГ с необходимыми свойствами.

Отметим также, что для построения гироинклинометра на ВОГ необходима разработка новых осевых конфигураций ДУС, так как скважинный прибор накладывает пространственные ограничения на расположение и вращение гироскопа в корпусе. В этом аспекте необходим поиск нестандартного подхода к конфигурации и размещению катушки интерферометра в корпусе ВОГ.

Результаты проработки вопросов использования БОГ в гироинклинометрии

По инициативе исследователей данного вопроса были проведены переговоры с одной из фирм в Саратове, в результате которых разработан усовершенствованный вариант гироскопа ВГ941 с переработанным блоком электроники и использованием оптимизированных фильтров сигнала. По результатам испытаний чувствительность ВГ941 составила 0.1 град/час.

Многократные температурные испытания показали стабильную работу гироскопа при 100°С и полное восстановление рабочих характеристик прибора после нахождения при температуре 120°С, что является очень важным показателем, так как, по заявлениям фирмы «Физоптика», их ВОГ не способны работать при таких температурах. Можно сделать вывод о том, что ВОГ фирмы «Физоптика» все же имеют некоторый запас по термоустойчивости.

Необходимо отметить также, что были предложены идеи по созданию новых конфигураций ВОГ для подземной навигации - с намоткой оптоволокна под углом к главной оси прибора. Немаловажно, что при таком способе намотки инклинометрическая система будет отвечать требованиям адаптивности к траектории и инвариантности к пусковым погрешностям датчика угловой скорости.

Заключение

В работе рассмотрены основные преимущества и перспективы использования ВОГ в гироинклинометрии, а также проведен анализ современного рынка ВОГ.

В результате анализа были выделены существующие модели, наиболее перспективные для использования в подземной навигации.

Освещены основные проблемы внедрения ВОГ в скважинную навигацию, а также предложены наиболее оптимальные пути их решения.

Представлены некоторые перспективные результаты проработки вопросов использования ВОГ в подземной навигации.

Рассматривая все преимущества использования ВОГ, освещенные в данной статье, и тот факт, что многие из существующих проблем, связанных с этим вопросом, близки к своему решению, можно судить о больших перспективах внедрения рассмотренного типа гироскопа в разработку новых систем гироинклинометрии.

Литература

1. Биндер Я.И. Аналитическое компасирование в инклинометрии скважин малого диаметра // Гироскопия и навигация. 2003. № 2.

2. Шереметьев А.Г. Волоконный оптический гироскоп. М.: Радио и связь, 1987. С. 7-23.

3. <http://www.optolink.ru/productsa.htm>

4. <http://www.fizoptika.ru/products/index.html>