В статье проведено сравнение точности, надежности и устойчивости к внешним воздействиям различных типов датчиков угла поворота, применяемых для контроля свинчивания и развинчивания насосно-компрессорных труб (НКТ). Рассмотрены МЭМС-гироскопы, волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) и инерциальные измерительные модули (IMU). Определены оптимальные типы датчиков для различных условий эксплуатации, включая вибрации, ударные нагрузки и агрессивные среды.

Ключевые слова: гироскопический датчик, IMU, резьбовые соединения, НКТ, точность измерений, МЭМС, волоконно-оптический гироскоп.

The article presents a comparison of the accuracy, reliability, and resistance to external influences of different types of rotation angle sensors used for monitoring the makeup and breakout of sucker rods (tubing). MEMS gyroscopes, fiber-optic gyroscopes (FOG), and inertial measurement units (IMUs) are analyzed. The optimal sensor types for various operating conditions, including vibrations, shock loads, and aggressive environments, are identified.

Keywords: gyroscopic sensor, IMU, threaded connections, tubing, measurement accuracy, MEMS, fiber-optic gyroscope.

Контроль угла поворота при свинчивании и развинчивании НКТ является важной задачей в нефтегазовой отрасли, поскольку от точности затяжки резьбовых соединений зависит герметичность и надежность эксплуатации скважины. Традиционные методы (механические счетчики, энкодеры) обладают рядом недостатков, таких как чувствительность к загрязнениям и вибрациям.

Значение точного контроля угла поворота

При монтаже насосно-компрессорных труб (НКТ) точность затяжки резьбовых соединений критически важна:

1. Герметичность соединения — недостаточный или избыточный момент затяжки приводит к утечкам флюидов.
2. Механическая надежность — неправильная сборка вызывает усталостные разрушения резьбы.
3. Предотвращение аварий — неконтролируемое развинчивание при эксплуатации может привести к ЧП.

Традиционные требования (например, стандарт API RP 5C1) предусматривают контроль как момента затяжки, так и угла поворота.

Недостатки традиционных методов

Механические счетчики — низкая точность (±5° и более), износ механических частей

Инкрементальные энкодеры — чувствительность к загрязнениям (буровой раствор, песок)

Абсолютные энкодеры — высокая стоимость, уязвимость к ударным нагрузкам (>100g)

Стробоскопические системы — требуют прямой видимости, не работают при запыленности

В связи с этим возрастает интерес к гироскопическим и инерциальным датчикам, обеспечивающим высокую точность в сложных условиях.

Цель данной работы — провести сравнительный анализ МЭМС-гироскопов, волоконно-оптических гироскопов и IMU с точки зрения их применимости для контроля резьбовых соединений НКТ.

В исследовании рассматривались три основные технологии:

1. МЭМС-гироскопы — микроэлектромеханические системы, основанные на измерении кориолисовых сил. Обладают компактными размерами и низким энергопотреблением, но подвержены дрейфу(рис.1).

Рис. 1. МЭМС — гироскоп

2. Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) — работают на основе эффекта Саньяка, обеспечивая высокую точность и устойчивость к электромагнитным помехам. Однако имеют высокую стоимость и сложность интеграции(рис. 2).

Рис. 2. Волоконно-оптические гироскопы

3. Инерциальные измерительные модули (IMU) — комбинируют акселерометры и гироскопы, что позволяет компенсировать погрешности за счет сенсорного слияния (например, с использованием фильтра Калмана) (рис. 3).

Рис. 3. Инерциальные измерительные модули

Для сравнения датчиков был проведен анализ характеристик датчиков (таблица 1).

Таблица 1

Волоконно-оптические гироскопы демонстрируют наивысшую точность, но их применение ограничено из-за стоимости. IMU с алгоритмами компенсации дрейфа (фильтр Калмана) обеспечивают хороший баланс между точностью и надежностью.

МЭМС-гироскопы чувствительны к ударам, но дешевы и легко заменяемы.

ВОГ устойчивы к электромагнитным помехам, но требуют защиты от механических повреждений.

IMU наиболее универсальны, особенно при использовании в системах с резервными датчиками.

На основании проведенного анализа можно сделать выводы. Для высокоточных измерений в стабильных условиях предпочтительны волоконно-оптические гироскопы. В условиях вибраций и ударных нагрузок оптимальным решением являются IMU с фильтрацией сигнала. МЭМС-гироскопы могут применяться в бюджетных системах с периодической калибровкой.

Литература:

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. Контрольные испытания датчиков угловой скорости, выполненных на основе волоконно-оптических гироскопов. — Москва -. — URL: https://www.cta.ru/articles/soel/2016/2016–6/14378/ (Дата обращения 02.03.2025).
5. Назначение гироскопических датчиков и системы их использования в современных навигационных системах. — Москва- URL: https://habr.com/ru/articles/218027/ (Дата обращения 02.03.2025).