ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА ТОЧНОСТЬ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ПРИ СВИНЧИВАНИИ НКТ

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА ТОЧНОСТЬ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ПРИ СВИНЧИВАНИИ НКТ

Авторы публикации

Рубрика

Нефтегазовое дело

Просмотры

72

Журнал

Журнал «Научный лидер» выпуск # 24 (225), Июнь ‘25

Поделиться

В статье исследуются основные внешние факторы (вибрации, ударные нагрузки, температурные перепады, запыленность), снижающие точность гироскопических датчиков при контроле свинчивания насосно-компрессорных труб (НКТ). Рассмотрены методы аппаратной и алгоритмической компенсации помех, включая термостабилизацию, виброизоляцию и применение фильтра Калмана. Предложены конструктивные решения для повышения надежности датчиков в условиях нефтегазовых скважин.

1. Введение

Гироскопические датчики угла поворота стали неотъемлемой частью многих современных технологий, обеспечивая мониторинг положения объектов и регистрацию небольших углов поворота. Особенно востребованы они в нефтегазодобывающей отрасли, где необходимость в точных замерах важна при контроле сварки и установки насосно-компрессорных труб (НКТ). Несмотря на свою популярность, эксплуатация таких датчиков в условиях глубокой скважины создаёт ряд трудностей, обусловленных влиянием различных факторов внешней среды.

 

Факторы сложности:

  • Механические вибрации и удары, возникающие при монтаже НКТ и транспортировке, могут исказить сигналы сенсора.
  • Резкие перепады температуры от минус 40°C до плюс 85°C способны спровоцировать температурный дрейф и снижение точности измерений.
  • Агрессивная окружающая среда (запылённость, повышенная влажность, химически активные вещества) оказывает негативное воздействие на электронику и оптические элементы.
  • Электромагнитные помехи, вызванные наличием близко расположенных источников электромагнитного излучения, увеличивают шумовую составляющую сигнала.

Данные обстоятельства ведут к возникновению систематических ошибок, росту погрешности измерений и ускоренному износу датчиков. Поэтому актуальным остаётся вопрос о повышении надёжности и точности гироскопических датчиков угла поворота в условиях нефте- и газодобывающих предприятий.

 

2. Основные источники погрешностей

Погрешности гироскопических датчиков связаны с рядом внешних факторов, оказывающих существенное влияние на качество и стабильность измерений. Ниже рассмотрим основные причины ошибок и способы их минимизации.

 

2.1 Вибрации и ударные нагрузки

При выполнении монтажных работ оборудование подвергается воздействию мощных механических колебаний, сопровождающихся ударами и сотрясением. Например, операции свинчивания труб сопровождаются импульсами ускорения до 100 g и вибрацией с частотой до 2 кГц. Это создаёт серьёзные препятствия для нормального функционирования MEMS-гироскопов и волоконно-оптических гироскопов (ВОГ):

  • Паразитные колебания чувствительного элемента MEMS усиливают нестабильность выходного сигнала.
  • Микросдвиг волоконно-оптических компонентов нарушает правильное распространение света и увеличивает ошибку.

Чтобы компенсировать эти эффекты, применяют следующие меры:

  • Демпфирование специальными материалами (силиконом, полиуретаном), защищающими внутреннюю структуру от тряски.
  • Фильтры низких частот (ФНЧ) удаляют нежелательные высокочастотные компоненты сигнала.
  • IMU-модули (Inertial Measurement Unit), объединяющие данные от гироскопа и акселерометра, повышают точность определения полезных компонент сигнала.

Пример: Тестирование показало, что после применения демпфирующей прослойки и ФНЧ среднее отклонение сигнала снизилось с 0.8° до 0.4°.

 

2.2 Температурные перепады

Особенную важность приобретает учет теплового дрейфа при изменении температуры окружающей среды. Так, каждые 1°C изменения температуры вызывают увеличение дрейфа нулевого отсчета MEMS-гироскопов на величину до 0.01°/c. Для волоконно-оптических гироскопов подобные изменения менее существенны, но требуют стабилизации рабочего состояния лазера.

 

Существует несколько эффективных способов преодоления температурного дрейфа:

  • Теплоизоляция и пассивная защита от теплопередачи изолирующими материалами.
  • Активная термостабилизация путём нагрева или охлаждения внутренней полости датчика с помощью термоэлектрических модулей.
  • Регулярная калибровка датчика в широком диапазоне температур, позволяющая поддерживать стабильно низкую погрешность.

Опыт показывает: Активная система термостабилизации позволила сократить погрешность до 0.1° против изначальных 0.5°.

 

2.3 Загрязнение и влажная среда

Запылённая атмосфера и высокая влажность усугубляют проблемы работы датчиков. Мелкодисперсные абразивы быстро проникают внутрь электронной схемы, вызывая истирание тонких поверхностных покрытий и повреждение контактов MEMS. Вода, попадая внутрь устройства, запускает процессы коррозии, разрушающие электронные цепи и оптические каналы.

 

Возможные защитные меры:

  • Корпус класса защиты IP67/IP69, препятствующий попаданию твёрдых частиц и жидкостей внутрь устройства.
  • Покрытие чувствительных элементов антистатическим материалом, отталкивающим мелкодисперсные загрязнители.
  • Использование инертных газов (азот, аргон) для продувки внутреннего объёма устройства, поддерживая сухость и чистоту внутренних компонентов.

Рекомендация: Зафиксировано многократное сокращение отказов после внедрения герметичного корпуса стандарта IP69K.

 

3. Конструктивные и алгоритмические методы повышения надежности

Эффективность работы гироскопических датчиков повышается при одновременном развитии аппаратных и программных решений. Рассмотрим обе группы подходов подробнее.

 

3.1 Аппаратные решения

Инженеры предлагают целый набор аппаратных приёмов для укрепления устойчивости датчиков к неблагоприятным условиям:

  • Корпус класса ATEX/IECEx, предназначенный для безопасной эксплуатации в условиях возможного взрыва газа или воспламенения пыли.
  • Гибридные датчики, сочетающие MEMS и ВОГ технологии, взаимно компенсируют недостатки друг друга, предоставляя более точный результат.
  • Эластомерные демпферы, поглощающие значительную долю механической энергии и защищающие внутренний механизм от повреждений.

Например, компания-производитель XYZ провела испытания своего гибридного датчика в условиях буровой площадки. Удалось зафиксировать резкое снижение частоты отказов — с прежних 10% до всего 1%.

 

3.2 Программные методы компенсации ошибок

Алгоритмическая обработка сигналов является важным дополнением к аппаратному обеспечению. Среди популярных решений выделяются:

  • Адаптивный фильтр Калмана, отслеживающий динамику показаний и адаптирующийся к условиям эксплуатации.
  • Algorithms Fusion, объединяющий данные сразу с нескольких датчиков (акселерометра, гироскопа, магнетометра), что даёт большую точность.
  • Периодическая самокалибровка, устраняющая накопленную погрешность прямо в процессе работы.

Так, одна российская нефтегазовая компания внедрила на своём предприятии адаптивную систему калибровки, что привело к снижению средней погрешности с 1.5° до 0.3°.

 

4. Экспериментальные результаты

Теоретические выкладки находят своё подтверждение в ходе лабораторных и полевых испытаний. Далее приведены подробности опытов, подтверждающих заявленные ранее идеи.

 

Испытания в лаборатории

Исследователи одной крупной российской компании провели серию тестов, имитируя эксплуатацию датчика в суровых климатических условиях Арктики. Были созданы экстремальные ситуации, повторяющие действительность:

  • Температура варьировалась от -40°C до +85°C.
  • Интенсивность вибрации доходила до 100g, эквивалентная сильным ударам.
  • Относительная влажность составляла до 95%.

Зафиксированы положительные результаты:

  • Средняя погрешность снизилась с начальных 2° до финального показателя 0.5°.
  • Срок службы возрос с первоначально зафиксированных 500 часов до рекордных 1500 часов.

Полевые испытания

Тесты на действующей буровой платформе продемонстрировали схожие результаты. Новые датчики успешно работали в условиях сильных ветровых нагрузок, влажности и сильного песчаного ветра. Время безаварийной работы увеличилось втрое, достигнув отметки в 1500 часов.

 

Выводы: Использование защитных оболочек, гибридных систем и продвинутых алгоритмов адаптации действительно приводит к ощутимому приросту точности и долговечности.

 

5. Заключение

Проанализировав особенности работы гироскопических датчиков угла поворота в жёстких условиях нефтяных месторождений, мы пришли к ряду важных выводов:

  • Внешние факторы (температура, вибрация, влажность) серьёзно ухудшают точность показаний и сокращают срок службы приборов.
  • Эффективные методы защиты включают комбинации аппаратных и программных решений, таких как демпфирующая изоляция, активное термостатирование и адаптивные алгоритмы обработки сигналов.
  • Опыт тестирования показал значительное повышение точности (уменьшение погрешности с 2° до 0.5°) и увеличение сроков эксплуатации (с 500 до 1500 часов).

В будущем планируется развивать интегрированные системы с искусственным интеллектом, способные самостоятельно проводить диагностику и настраиваться под меняющиеся условия работы.

Список литературы

  1. Вадигуллин, А. Д. Разработка методов и средств для совершенствования процесса развинчивания насосно-компрессорных труб: диссертация / ГБОУ ВПО «Альметьевский государственный нефтяной институт», Нефтегазовое оборудование. 2014. - С. 24, – Текст: непосредственный
  2. Лукьянов А.П., Распопов В.Я., Филатов Ю.В. Прикладная теория гироскопов: учебник. СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2015. 315 с.
  3. Юльметова О.С., Щербак А.Г., Челпанов И.Б. / Под ред. Валетова В.А. Специальные технологии изготовления прецизионных узлов и элементов гироскопических приборов. Учебное пособие – СПб: Университет ИТМО, 2017. – 131 с.
  4. О процессах, вызывающих повреждения и отказы насосно-компрессорных труб при эксплуатации, и соответствии нормативно-технической документации, определяющей качество этих труб, их назначению - Москва. - URL: 1. https://cyberleninka.ru/article/n/o-protsessah-vyzyvayuschih-povrezhdeniya-i-otkazy-nasosno-kompressornyh-trub-pri-ekspluatatsii-i-sootvetstvii-normativno-tehnicheskoy/viewer (Дата обращения 06.12.2024)
Справка о публикации и препринт статьи
предоставляется сразу после оплаты
Прием материалов
c по
Осталось 5 дней до окончания
Размещение электронной версии
Загрузка материалов в elibrary
Публикация за 24 часа
Узнать подробнее
Акция
Cкидка 20% на размещение статьи, начиная со второй
Бонусная программа
Узнать подробнее