بحث حول دمج أجزاء نظام تحديد الشمال في بئر جيروسكوب MEMS

النقاط الرئيسية

يُعدّ الجيروسكوب الجديد بتقنية MEMS نوعًا من الجيروسكوبات العطالية ذات بنية بسيطة، ويتميز بانخفاض تكلفته وصغر حجمه ومقاومته للاهتزازات والصدمات العالية. يستطيع هذا الجيروسكوب العطالي تحديد الشمال بشكل مستقل في جميع الأحوال الجوية دون قيود خارجية، كما يتميز بالسرعة والكفاءة والدقة العالية والعمل المتواصل. وبفضل مزايا الجيروسكوب بتقنية MEMS، يُعدّ هذا النوع مناسبًا جدًا لأنظمة تحديد الشمال في الآبار. تتناول هذه الورقة البحثية دراسة دمج البيانات المجزأة لنظام تحديد الشمال في الآبار باستخدام الجيروسكوب بتقنية MEMS. وسنستعرض فيما يلي نظام تحديد الشمال ثنائي الموضع المُحسّن، ومخطط دمج بيانات تحديد الشمال في الآبار باستخدام الجيروسكوب بتقنية MEMS، وكيفية تحديد قيمة تحديد الشمال.

تحسين تحديد الشمال بوضعين

تعتمد آلية تحديد الشمال الثابتة ثنائية الموضع عادةً على اختيار 0° و180° كموضعين ابتدائي ونهائي لتحديد الشمال. بعد إجراء تجارب متكررة، تم جمع بيانات السرعة الزاوية الناتجة عن الجيروسكوب، وحُسبت زاوية تحديد الشمال النهائية بدمجها مع خط العرض المحلي. اعتمدت التجربة طريقة الموضعين كل 10°، وجمعت بيانات 360° من القرص الدوار، بإجمالي 36 مجموعة بيانات. بعد حساب متوسط ​​كل مجموعة بيانات، عُرضت قيم الحل المقاسة في الشكل 1 أدناه.

الشكل 1: منحنى مطابقة خرج الجيروسكوب من 0 إلى 360 درجة

كما هو موضح في الشكل 1، فإن منحنى المطابقة الناتج هو منحنى جيب التمام، إلا أن البيانات التجريبية والزوايا لا تزال صغيرة، وتفتقر النتائج التجريبية إلى الدقة. أُجريت تجارب متكررة، ووُسِّعت زاوية الاكتساب إلى 0-660 درجة، وطُبِّقت طريقة الموضعين كل 10 درجات من 0 درجة، وعُرضت نتائج البيانات في الشكل 2. يُظهر الشكل اتجاه الصورة كمنحنى جيب التمام، مع وجود اختلافات واضحة في توزيع البيانات. عند قمة وقاع منحنى جيب التمام، يكون توزيع نقاط البيانات متناثرًا ودرجة المطابقة للمنحنى منخفضة، بينما في المنطقة ذات الميل الأعلى للمنحنى، تكون مطابقة نقاط البيانات للمنحنى أكثر وضوحًا.

الشكل 2: منحنى مطابقة خرج الجيروسكوب عند موضعين 0~660 درجة

بالنظر إلى العلاقة بين السمت وسعة خرج الجيروسكوب في الشكل 3، يتضح أن مطابقة البيانات تكون أفضل عند استخدام وضعيتي تحديد الشمال عند 90° و270°، مما يدل على سهولة ودقة تحديد زاوية الشمال في الاتجاه الشرقي الغربي. لذا، تم استخدام 90° و270°، بدلاً من 0° و180°، في هذه الدراسة كموضعين لاكتساب بيانات خرج الجيروسكوب لتحديد الشمال.

الشكل 3: العلاقة بين السمت وسعة خرج الجيروسكوب

جيروسكوب MEMS، انصهار البئر، تحديد الشمال

عند استخدام جيروسكوب MEMS في نظام تحديد الشمال في الآبار، فإنه يواجه بيئة معقدة، وتتغير زاوية الميل أثناء حفر المثقاب، مما يجعل تحديد زاوية الشمال أكثر تعقيدًا. في هذا القسم، واستنادًا إلى تحسين مخطط تحديد الشمال ثنائي الوضعية المذكور في القسم السابق، نقترح طريقةً للحصول على زاوية الميل من خلال التحكم في الدوران وفقًا لبيانات الإخراج، ومن ثمّ حساب الزاوية المحصورة مع الشمال. يوضح الشكل 4 مخطط التدفق التفصيلي لهذه الطريقة.

يتم إرسال بيانات جيروسكوب MEMS إلى الحاسوب الرئيسي عبر واجهة بيانات RS232. كما هو موضح في الشكل 4، بعد الحصول على زاوية الشمال الأولية من خلال تحديد اتجاه الشمال في الموضعين، تُنفذ الخطوة التالية من عملية الحفر. بعد تلقي تعليمات تحديد اتجاه الشمال، تتوقف عملية الحفر. تُجمع زاوية الوضعية الناتجة عن جيروسكوب MEMS وتُرسل إلى الحاسوب الرئيسي. يتم التحكم في دوران نظام تحديد اتجاه الشمال في البئر بناءً على معلومات زاوية الوضعية، ويتم ضبط زاوية الميل وزاوية الانحراف على الصفر. زاوية التوجيه في هذه اللحظة هي الزاوية بين المحور الحساس واتجاه الشمال المغناطيسي.

في هذا المخطط، يمكن الحصول على الزاوية بين الجيروسكوب MEMS واتجاه الشمال الحقيقي في الوقت الحقيقي من خلال جمع معلومات زاوية الوضع.

الشكل 4: مخطط انسيابي لإيجاد الشمال في فيوجن

يتم تحديد قيمة البحث عن الشمال

في نظام تحديد الشمال المدمج، تم تطبيق عملية تحديد الشمال المحسّنة ثنائية المواضع على جيروسكوب MEMS. بعد إتمام عملية تحديد الشمال، تم الحصول على الموضع الشمالي الابتدائي، وتسجيل زاوية الاتجاه θ، وكانت حالة الوضعية الابتدائية (0,0,θ)، كما هو موضح في الشكل 5(أ). أثناء عملية الحفر، تتغير زاوية وضعية الجيروسكوب، ويتم ضبط زاوية الدوران وزاوية الميل بواسطة الطاولة الدوارة، كما هو موضح في الشكل 5(ب).

كما هو موضح في الشكل 5(ب)، عند حفر المثقاب، يستقبل النظام معلومات زاوية الوضع من جهاز تحديد الوضع، ويحتاج إلى تحديد قيم زاوية الدوران γ' وزاوية الميل β'، ثم تدويرهما عبر نظام التحكم بالدوران حتى تصبحا صفرًا. في هذه الحالة، تكون بيانات زاوية الاتجاه الناتجة هي الزاوية بين المحور الحساس واتجاه الشمال المغناطيسي. يجب الحصول على الزاوية بين المحور الحساس واتجاه الشمال الحقيقي وفقًا للعلاقة بين الشمال المغناطيسي واتجاه الشمال الحقيقي، ويجب الحصول على زاوية الشمال الحقيقي من خلال دمج زاوية الانحراف المغناطيسي المحلي. الحل كما يلي:

θ'=Φ-∆φ

في الصيغة أعلاه، θ هي زاوية اتجاه الشمال الحقيقي و ∆φ هي زاوية الانحراف المغناطيسي المحلي، و Φ هي زاوية اتجاه الشمال المغناطيسي وزاوية لقمة الحفر.

الشكل 5: تغيير زاوية الوضع الابتدائي ووضع الحفر

يتم تحديد قيمة البحث عن الشمال

يتناول هذا الفصل دراسة آلية تحديد الشمال باستخدام نظام تحديد الشمال تحت الأرض بواسطة جيروسكوب MEMS. وبناءً على آلية تحديد الشمال ثنائية الموضع، تم اقتراح آلية محسّنة لتحديد الشمال ثنائية الموضع، حيث تكون نقطتا البداية 90° و270°. ومع التطور المستمر لجيروسكوب MEMS، أصبح بإمكان جيروسكوب MEMS الباحث عن الشمال تحقيق تحديد مستقل للشمال، كما هو الحال في MG2-101، الذي يبلغ نطاق قياسه الديناميكي 100°/ثانية، ويعمل في بيئة تتراوح درجة حرارتها بين -40° و+85° مئوية، ويبلغ معدل عدم استقراره 0.1°/ساعة، ومعدل انحرافه العشوائي 0.005°/√ساعة.

آمل أن تتمكن من فهم مخطط تحديد الشمال في الجيروسكوب الكهروميكانيكي الدقيق من خلال هذه المقالة، وأتطلع إلى مناقشة القضايا المهنية معك.