Tipi di strumenti di indagine giroscopica nei pozzi di petrolio e gas

Giroscopio convenzionale

Il giroscopio convenzionale o giroscopio libero esiste dagli anni '30. Ottiene l'azimut del pozzo da un giroscopio rotante. Determina solo la direzione del pozzo e non ne determina l'inclinazione. L'angolo di inclinazione viene solitamente ottenuto con accelerometri. Il giroscopio a scatto singolo basato su pellicola utilizza un pendolo sospeso sopra una bussola (attaccata all'asse esterno del gimbal) per ottenere l'inclinazione. Un giroscopio convenzionale ha una massa rotante che solitamente gira a una velocità compresa tra 20.000 e 40.000 giri al minuto (alcuni girano anche più velocemente). Il giroscopio rimarrà fisso se su di esso non agiscono forze esterne e se la massa è supportata nel suo esatto centro di gravità. Sfortunatamente, non è possibile mantenere la massa nel suo preciso centro di gravità e sul giroscopio agiscono forze esterne. Pertanto, il giroscopio andrà alla deriva nel tempo.

In teoria, se un giroscopio inizia a girare ed è puntato in una direzione specifica, non dovrebbe cambiare sostanzialmente direzione nel tempo. Pertanto, viene fatto scorrere nel buco e, anche se la cassa gira, il giroscopio è libero di muoversi e rimane puntato nella stessa direzione. Poiché la direzione in cui punta il giroscopio è nota, la direzione del pozzo può essere determinata dalla differenza tra l'orientamento del giroscopio e l'orientamento della custodia contenente il giroscopio. L'orientamento dell'asse di rotazione deve essere noto prima che il giroscopio venga eseguito nel foro. Questo si chiama riferimento al giroscopio. Se il giroscopio non viene referenziato correttamente, l'intero rilevamento viene disattivato, quindi lo strumento deve essere referenziato in modo appropriato prima di essere utilizzato per i pozzi di petrolio e gas.

Svantaggi

Un altro svantaggio di un giroscopio convenzionale è che andrà alla deriva nel tempo, causando errori nell'azimut misurato. Il giroscopio andrà alla deriva a causa degli urti del sistema, dell'usura dei cuscinetti e della rotazione terrestre. Il giroscopio può anche derivare a causa di imperfezioni del giroscopio. I difetti possono svilupparsi durante la produzione o la lavorazione del giroscopio, poiché il centro esatto della massa non è al centro dell'asse di rotazione. La deriva è minore alL'equatore terrestre e più in alto alle latitudini più elevate vicino ai poli. Generalmente, i giroscopi convenzionali non vengono utilizzati a latitudini o inclinazioni superiori a 70°. Una velocità di deriva tipica per un giroscopio tradizionale è di 0,5° al minuto. La deriva apparente causata dalla rotazione terrestre viene corretta applicando una forza speciale all'anello cardanico interno. La forza applicata dipende dalla latitudine in cui verrà utilizzato il giroscopio.

Per questi motivi, tutti i giroscopi convenzionali subiranno una deriva specifica. La deriva viene monitorata ogni volta che viene eseguito un giroscopio tradizionale e il rilevamento viene adattato a tale deriva. Se il riferimento o la deriva non sono adeguatamente compensati, i dati di rilievo raccolti saranno errati.

Giroscopio che integra la velocità o cerca il nord

È stato sviluppato un giroscopio con direzione del nord per prevenire le carenze del giroscopio convenzionale. Un giroscopio di velocità e un giroscopio con direzione nord sono essenzialmente le stesse cose. È un giroscopio con un solo grado di libertà. Il giroscopio integratore viene utilizzato per determinare il nord geografico. Il giroscopio risolve il vettore di rotazione della Terra in componenti orizzontali e verticali. La componente orizzontale punta sempre al vero Nord. Viene eliminata la necessità di fare riferimento al giroscopio, il che aumenta la precisione. La latitudine del pozzo deve essere nota perché il vettore di rotazione della Terra sarà diverso al variare della latitudine.

Durante l'impostazione, il giroscopio misura automaticamente la rotazione terrestre per eliminare la deriva causata dalla rotazione terrestre. Questa caratteristica di progettazione rende meno probabile la produzione di errori rispetto a un giroscopio convenzionale. A differenza di un giroscopio tradizionale, il giroscopio di velocità non richiede un punto di riferimento per essere individuato, eliminando così una potenziale fonte di errore. Le forze agenti sul giroscopio vengono misurate da esso, mentre la forza di gravità viene misurata dagli accelerometri. Le letture combinate degli accelerometri e del giroscopio consentono il calcolo dell'inclinazione e dell'azimut del pozzo.

Un giroscopio misura la velocità angolare attraverso uno spostamento angolare. Il giroscopio integratore calcola l'integrale della velocità angolare (spostamento angolare) attraverso uno spostamento angolare in uscita.

Le versioni più recenti del giroscopio possono essere rilevate durante lo spostamento, ma esistono delle limitazioni. Non devono rimanere fermi per ottenere un sondaggio. Il tempo totale di indagine può essere ridotto, rendendo lo strumento più conveniente.

Giroscopio laser ad anello

Il giroscopio laser ad anello (RLG) utilizza un diverso tipo di giroscopio per determinare la direzione del pozzo. Il sensore comprende giroscopi laser a tre anelli e tre accelerometri di grado inerziale montati per misurare gli assi X, Y e Z. È più preciso di un giroscopio che punta a nord. Non è necessario interrompere lo strumento di sondaggio per partecipare a un sondaggio, quindi i sondaggi sono più rapidi. Tuttavia, il diametro esterno del giroscopio laser ad anello è di 5 1/4 pollici, il che significa che questo giroscopio può funzionare solo in un involucro da 7″ e più grande (controlla il nostroprogettazione dell'involucroguida). Non può essere eseguito attraverso acorda di perforazione, mentre un giroscopio con direzione nord o velocità può essere fatto passare attraverso una batteria di perforazione o stringhe di tubi di diametro inferiore.

Componenti

Nella sua forma più semplice, il giroscopio laser ad anello è costituito da un blocco triangolare di vetro forato per tre fori laser elio-neon con specchi nei punti a 120 gradi – gli angoli3. In questo risonatore coesistono raggi laser controrotanti: uno in senso orario e l'altro in senso antiorario. Ad un certo punto, un fotosensore monitora i raggi nel punto in cui si intersecano. Interferiranno in modo costruttivo o distruttivo tra loro, a seconda della fase precisa di ciascun raggio.

Se l'RLG è stazionario (non rotante) rispetto al suo asse centrale, la fase relativa dei due raggi è costante e l'uscita del rilevatore è coerente. Se l'RLG viene ruotato attorno al suo asse centrale, i raggi in senso orario e antiorario subiranno spostamenti Doppler opposti; uno aumenterà di frequenza e l'altro diminuirà di frequenza. Il rilevatore rileverà la frequenza differenza da cui è possibile determinare la posizione angolare e la velocità precise. Questo è noto comeEffetto Sagnac.

Ciò che viene misurato è l'integrale della velocità angolare o dell'angolo girato dall'inizio del conteggio. La velocità angolare sarà la derivata della frequenza del battito. Per ricavare il senso di rotazione è possibile utilizzare un rilevatore doppio (in quadratura).

Giroscopio di grado inerziale

Lo strumento di rilevamento più accurato nel settore del petrolio e del gas è il giroscopio inerziale, spesso chiamato strumento Ferranti. È l'intero sistema di navigazione adattato dalla tecnologia aerospaziale. Data la massima precisione di questo giroscopio, la maggior parte degli strumenti di rilevamento vengono confrontati con esso per determinarne la rispettiva precisione. Il dispositivo utilizza giroscopi a tre velocità e tre accelerometri montati su una piattaforma stabilizzata.

Il sistema misura il cambio di direzione della piattaforma (impianti di piattaforma) e la distanza percorsa. Non solo misura l'inclinazione e la direzione del pozzo ma ne determina anche la profondità. Non utilizza la profondità del cavo. Tuttavia, ha una dimensione ancora maggiore: diametro esterno di 10⅝ pollici. Di conseguenza, può essere utilizzato solo con involucri di dimensioni pari o superiori a 13 3/8″.

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