حل شامل لأنظمة الملاحة بالقصور الذاتي المتخصصة لتوجيه عمليات حفر آبار النفط والغاز

مقدمة

في هندسة حفر آبار النفط والغاز، تؤدي أنظمة القياس أثناء الحفر (MWD) مهمة بالغة الأهمية تتمثل في الحصول على بيانات مسار البئر في الوقت الفعلي. تفرض بيئة قاع البئر متطلبات صارمة للغاية على أنظمة الملاحة، بما في ذلك درجات حرارة تتجاوز 150 درجة مئوية، واهتزازات وصدمات شديدة ومستمرة، وقيود مكانية صارمة، وتشوه كبير في المجال المغناطيسي الأرضي، وكلها تشكل عوائق تقنية أمام الملاحة داخل البئر. وقد برزت أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي (INS) كنهج تقني رئيسي لأنظمة القياس أثناء الحفر (MWD) نظرًا لمستوى عالٍ من الاستقلالية وعدم اعتمادها على الإشارات الخارجية. تقدم هذه الورقة تحليلًا تقنيًا يغطي خمسة جوانب: بنية النظام، والمكونات الأساسية، وتعويض الأخطاء، وخوارزميات الملاحة، وتكامل النظام.

بنية النظام

يتألف نظام القياس أثناء الحفر بالقصور الذاتي من وحدة قياس داخل البئر ونظام معالجة سطحي. تُركّب وحدة القياس داخل البئر في أنبوب الحفر بالقرب من رأس الحفر، وتتضمن وحدة قياس بالقصور الذاتي (IMU) تتألف من جيروسكوبات ثلاثية المحاور ومقاييس تسارع ثلاثية المحاور، بالإضافة إلى دوائر جمع الإشارات ووحدة الطاقة وواجهات الاتصال. أما النظام السطحي، فهو مسؤول عن استقبال البيانات، وحسابات الملاحة، وعرض مسار الحفر، ودعم اتخاذ القرارات.

تعتمد الحلول السائدة الحالية على تقنية القياس بالقصور الذاتي، حيث يتم تثبيت وحدة القياس بالقصور الذاتي بشكل محكم داخل أداة الحفر. ومن خلال الاستغناء عن هياكل التثبيت الميكانيكية المعقدة، يُمكّن هذا النهج بشكل أساسي من تصغير حجم النظام وتعزيز موثوقيته.

مكونات المستشعر الأساسية

اختيار وتكوين المستشعر

تتألف المستشعرات الأساسية لنظام الملاحة بالقصور الذاتي أثناء الحفر (LWD) من جيروسكوب ثلاثي المحاور بتقنية MEMS ومقياس تسارع ثلاثي المحاور بتقنية MEMS، مما يوفر إمكانيات استشعار شاملة بالقصور الذاتي بست درجات حرية. وقد أصبحت تقنية MEMS الخيار الأمثل نظرًا لمزاياها، مثل انخفاض استهلاك الطاقة، وصغر الحجم، وإمكانية التكامل العالية. تعمل وحدات القياس بالقصور الذاتي (IMU) المتطورة بتقنية MEMS ضمن نطاق درجة حرارة يتراوح بين -40 درجة مئوية و+125 درجة مئوية، مع قدرة بعض مقاييس التسارع على تحمل درجات حرارة تصل إلى +175 درجة مئوية.

التكوين الاحتياطي والتصميم المقاوم للاهتزاز

يُعدّ تكوين وحدات القياس بالقصور الذاتي MEMS-IMU الاحتياطية أسلوبًا أساسيًا لتعزيز الموثوقية. يتضمن تصميم نموذجي للملاحة بالقصور الذاتي المزدوج وحدات قياس بالقصور الذاتي عالية الدقة وأخرى منخفضة الدقة، مما يحقق توازنًا بين الدقة والتكلفة مع توسيع نطاق القياس الديناميكي. ويظل النظام فعالًا حتى في حال تعطل إحدى وحدات الاستشعار.

فيما يتعلق بمقاومة الاهتزاز، لا يحتوي التصميم الصلب بالكامل على أي أجزاء ميكانيكية متحركة، مما يقضي تمامًا على التآكل الميكانيكي والإجهاد الناتج عن الرنين. يحيط هيكل المنصة الداخلي بعناصر الاستشعار الأساسية داخل حامل متين، مستخدمًا تصميمًا متعدد الطبقات لامتصاص طاقة الاهتزاز وتخميدها.

معالجة الإشارات وتعويض الأخطاء

نماذج خطأ المستشعر بالقصور الذاتي

تحتوي القياسات من مستشعرات القصور الذاتي بتقنية MEMS على مكونات خطأ متعددة. نموذج قياس الجيروسكوب هو:

ω̃ = ω + b_g + s_g∙ω + M_g∙ω + n_g + ε_g(T)

نموذج قياس التسارع هو:

ã = a + b_a + s_a∙a + M_a∙a + n_a + ε_a(T) + g

حيث: "b" = الانحياز؛ "s" = خطأ عامل المقياس؛ "M" = مصفوفة خطأ التركيب؛

"n" = ضوضاء عشوائية؛ "ε(T)" = انحراف درجة الحرارة؛ "g" = متجه تسارع الجاذبية.

يتطلب تحقيق قياس عالي الدقة معايرة كل حد من حدود الخطأ وتعويضه.

المعايرة الثابتة وتعويض درجة الحرارة

يتم إجراء تعويض الخطأ الثابت خلال مرحلة معايرة المصنع. على سبيل المثال، عند معايرة مقياس التسارع بستة أوضاع، يتم وضع معادلات الرصد - $y = H \cdot X + v$ - عن طريق وضع وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) في ستة اتجاهات مختلفة.

ثم يتم حل متجه معلمات الخطأ $X$ باستخدام طريقة المربعات الصغرى.

يُعدّ التعويض الكامل لنطاق درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية للتعويض الديناميكي. وتُستخدم نماذج التوفيق متعددة الحدود بشكل شائع لتوصيف انحراف درجة الحرارة.

$\varepsilon(T) = k_0 + k_1 T + k_2 T^2 + \dots + k_n T^n$

تُحدد معاملات المطابقة (k_0، k_1، ...، k_n) من خلال تجارب معايرة شاملة لنطاق درجة الحرارة لتمكين تصحيح درجة الحرارة في الوقت الفعلي. وفي السنوات الأخيرة، تم إدخال خوارزميات ذكية، مثل الشبكات العصبية، للتعويض بكفاءة عن الأخطاء غير الخطية.

تحديد الأخطاء عبر الإنترنت

تتغير معايير الخطأ ديناميكيًا أثناء عملية الحفر، وهو سيناريو يصعب على المعايرة التقليدية غير المتصلة بالإنترنت معالجته. يستخدم تحديد الخطأ عبر الإنترنت خوارزميات تحسين ذكية وبيانات في الوقت الفعلي لتحديد معايير الخطأ ديناميكيًا وتحقيق تعويض تكيفي، وبالتالي الحفاظ على خطأ قياس ميل البئر في حدود 1.43 درجة.

تتلخص عملية تعويض الخطأ الكاملة فيما يلي:

5. إطار عمل خوارزمية الملاحة

5.1. تحديث الموقف

جوهر حسابات الملاحة بالقصور الذاتي المثبتة هو تحديث مصفوفة الوضع؛ ومعادلتها التفاضلية هي:

<نمط الامتداد = "font-size: 10.5pt؛ mso-bidi-font-size: 12.0pt؛ Font-family: 'Calibri'،sans-serif؛ mso-ascii-theme-font: minor-latin؛ mso-fareast-font-family: 等线؛ mso-fareast-theme-font: minor-fareast؛ mso-hansi-theme-font: minor-latin; mso-bidi-font-family: 'Times New Roman';