Ученые Пермского Политеха создали новую конструкцию испытательного стенда для навигационных систем, работающих в экстремальных условиях

Сегодня навигационные технологии используются во многих отраслях: в авиации, на флоте, в космосе. Не менее важны такие системы при бурении скважин для добычи полезных ископаемых. Они способны фиксировать каждый поворот, наклон и изменение скорости движения. От точности этих измерений зависит успех всего процесса строительства: ошибка может привести к аварии и многомиллионным убыткам. В реальных условиях бурения они одновременно испытывают различные внешние воздействия, которые могут влиять на их показания. При этом существующие испытательные стенды не могут создать комплексную нагрузку, приближенную к реальной, и оценить точность устройства. Ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из «Эл-скада» разработали уникальную конструкцию стенда, которая позволяет проверять навигационные системы в условиях, максимально приближенных к реальным. В отличие от аналогов, которые моделируют лишь отдельные факторы, новая конструкция позволит воспроизвести их одновременно. Это поможет повысить надежность оборудования и снизить риски при проведении сложных подземных работ. Подробности новой технологии опубликованы на сайте вуза, на разработку выдан патент.

Автономным инерциальным системам не нужна связь со спутниками, потому что они определяют свое положение самостоятельно. Такие системы оснащены датчиками, отслеживающими каждое движение: повороты, наклоны, ускорения. Эти навигационные устройства используются там, где спутниковые системы бессильны: под водой, в космосе, а также под землей — в том числе при проводке скважин по земным недрам с установлением мировых рекордов глубины и протяженности, которые в настоящее время принадлежат России.

Особое значение такие технологии приобретают в сфере добычи полезных ископаемых. От того, насколько точно выдерживается траектория бурения, зависят не просто деньги, вложенные в проект, а безопасность сложных инженерных сооружений на поверхности и под землей. Ошибка в несколько градусов может обернуться аварией или непопаданием в продуктивный пласт с нефтью или газом. Поэтому к подземным навигационным технологиям сегодня предъявляются высочайшие требования.

Автономные инерциальные системы включают в себя разные типы приборов и устройств. Одни из них измеряют вращение и повороты, другие определяют ускорение. При бурении скважин применяются также инклинометры, которые опускают в скважину для измерения угла и направления наклона. Важно, что подобные устройства широко используются и в других отраслях: в авиации, космических аппаратах или на подводных лодках.

Проблема в том, что работать этим системам приходится в достаточно экстремальных условиях. Даже аэрокосмическая отрасль, где техника испытывает серьезные нагрузки, не всегда сталкивается с таким сочетанием факторов. Внутри скважины приборы подвергаются сразу нескольким видам воздействий: вибрации, вращение, температура и давление.

В таких условиях работа навигационной системы становится нестабильной. Если спустить в скважину устройство, не проверив его в похожей среде, можно получить искаженные показания. Последствия могут быть серьезными: в том числе аварии, многомиллионные убытки и простой техники.

В реальной скважине все факторы действуют одновременно, и существующие стенды не способны воссоздать такое комплексное воздействие, что делает проверку приборов недостаточно точной и не позволяет оценить работоспособность системы в скважинных условиях.

Ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из «Эл-скада» разработали новый стенд для проведения испытаний подземных навигационных систем в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным. Это позволит оценить работоспособность оборудования и скорректировать его настройки еще до начала бурения.

Конструкция стенда уникальна и устроена следующим образом: в ней есть три подвижные части, что позволяет воссоздавать любые пространственные положения, в которых может оказаться прибор в реальной скважине.

Первая часть — это вертикальный поворотный механизм. Он вращает прибор по кругу в разных направлениях. Вторая часть отвечает за наклон конструкции вперед или назад. Так имитируется отклонение скважины от вертикали, поскольку они редко бывают идеально прямыми и часто идут под углом. Третья часть — это вращающийся механизм с закрепленным на нем держателем, внутрь которого устанавливают испытуемое устройство. Он может крутить его с различной скоростью, имитируя вращение бурильной колонны.

— Важной особенностью конструкции является наличие нагревательных элементов, встроенных непосредственно в стенд, что обеспечивает равномерный нагрев испытуемого прибора до 200 градусов Цельсия в процессе его вращения и изменения пространственной ориентации, — рассказывает Роман Пилькевич, представитель индустриального партнера, директор компании «Эл-скада».

Частью разработки является также автоматизированная система управления, которая позволяет задавать необходимые параметры испытаний: углы поворота, наклона и вращения, скорость и температурный режим. Также в состав входит система сбора и регистрации информации.

— В процессе испытаний она фиксирует два типа данных. Первое — это реальные параметры движения стенда, которые измеряются его собственными датчиками: углы поворота и наклона, скорость вращения, температура. Второе — это показания самого испытуемого прибора в каждый момент времени. Если он работает точно, его показания должны совпадать с данными стенда. Но если при нагреве, вибрации или вращении появляются расхождения, значит, внешние условия влияют на точность прибора. Величина этих расхождений показывает, насколько он точен в тех или иных условиях, и позволяет инженеру принять решение — можно ли использовать его в реальной скважине или нужно корректировать настройки, — отметил Сергей Чернышов, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ.

— Работоспособность стенда связана с самой его конструкцией. В отличие от аналогов, которые могут моделировать лишь отдельные факторы (либо нагрев, либо вращение, либо наклон) и часто имеют ограничения по скорости и количеству оборотов, разработанный стенд способен одновременно воспроизводить нагрев до 200 градусов, вращение до 200 оборотов в минуту, вибрацию и изменение угла наклона. Это дает возможность проверять навигационное оборудование в условиях, максимально близких к реальным, и выявлять такие ошибки в работе, которые не видны при раздельных испытаниях, — делится Александр Мелехин, кандидат технических наук, доцент кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ.

Разработка имеет большое значение для повышения надежности и эффективности буровых работ в нефтегазовой отрасли, а также дополняет ранее разработанный и изготовленный термовибростенд для испытаний работы оборудования при высоких механических и температурных перегрузках.

Однако область применения конструкции гораздо шире. Ее можно использовать для испытаний приборов и конструкций, применяемых в авиационной, космической и оборонной промышленности. Возможность проверять сложные устройства в экстремальных температурных и динамических режимах делает этот стенд универсальным инструментом для создания особо точных и надежных навигационных комплексов.