Tipos de herramientas de topografía giroscópica en pozos de petróleo y gas

Giroscopio convencional

El giroscopio convencional o giroscopio libre existe desde la década de 1930. Obtiene el acimut del pozo a partir de un giroscopio giratorio. Sólo determina la dirección del pozo y no determina la inclinación. El ángulo de inclinación suele obtenerse con acelerómetros. El giroscopio de un solo disparo basado en una película utiliza un péndulo suspendido sobre una brújula (unida al eje del cardán exterior) para obtener la inclinación. Un giroscopio convencional tiene una masa giratoria que normalmente gira entre 20.000 y 40.000 rpm (algunos giran incluso más rápido). El giroscopio permanecerá fijo si no actúan fuerzas externas sobre él y la masa se apoya en su centro de gravedad exacto. Desafortunadamente, no es posible mantener la masa en su centro de gravedad preciso y fuerzas externas actúan sobre el giroscopio. Por lo tanto, el giroscopio se desplazará con el tiempo.

En teoría, si un giroscopio comienza a girar y apunta en una dirección específica, no debería cambiar sustancialmente de dirección con el tiempo. Por lo tanto, se introduce en el agujero y, aunque la caja gira, el giroscopio se mueve libremente y permanece apuntando en la misma dirección. Dado que se conoce la dirección a la que apunta el giroscopio, la dirección del pozo puede determinarse por la diferencia entre la orientación del giroscopio y la orientación de la caja que contiene el giroscopio. La orientación del eje de giro debe conocerse antes de introducir el giroscopio en el agujero. Esto se llama hacer referencia al giroscopio. Si no se referencia correctamente el giroscopio, todo el estudio se cancela, por lo que se debe referenciar adecuadamente la herramienta antes de ejecutarla en el pozo de petróleo y gas.

Desventajas

Otra desventaja de un giroscopio convencional es que se desplazará con el tiempo, provocando errores en el acimut medido. El giroscopio se desplazará debido a los impactos del sistema, el desgaste de los cojinetes y la rotación de la Tierra. El giroscopio también puede desviarse debido a imperfecciones en el giroscopio. Los defectos pueden desarrollarse durante la fabricación o mecanizado del giroscopio, ya que el centro exacto de la masa no está en el centro del eje de giro. La deriva es menor en elecuador de la tierra y más alto en latitudes más altas cerca de los polos. Generalmente, los giroscopios convencionales no se utilizan en latitudes o inclinaciones superiores a 70°. Una tasa de deriva típica para un giroscopio tradicional es de 0,5° por minuto. La aparente deriva causada por la rotación de la Tierra se corrige aplicando una fuerza especial al anillo cardán interior. La fuerza aplicada depende de la latitud donde se utilizará el giroscopio.

Por estas razones, todos los giroscopios convencionales se desviarán en cantidades específicas. La deriva se monitorea cada vez que se ejecuta un giroscopio tradicional y el estudio se ajusta a esa deriva. Si la referencia o la deriva no se compensan adecuadamente, los datos del estudio recopilados serán incorrectos.

Tasa de giroscopio integrador o de búsqueda del norte

Se desarrolló un giroscopio de velocidad o de búsqueda del norte para evitar las deficiencias del giroscopio convencional. Un giroscopio de velocidad y un giroscopio de búsqueda del norte son esencialmente lo mismo. Es un giroscopio con un solo grado de libertad. El giroscopio integrador de velocidad se utiliza para determinar el norte verdadero. El giroscopio resuelve el vector de giro de la Tierra en componentes horizontales y verticales. La componente horizontal siempre apunta al norte verdadero. Se elimina la necesidad de hacer referencia al giroscopio, lo que aumenta la precisión. Se debe conocer la latitud del pozo porque el vector de giro de la Tierra será diferente a medida que varía la latitud.

Durante la configuración, el giroscopio mide automáticamente el giro de la Tierra para eliminar la deriva causada por la rotación de la Tierra. Esta característica de diseño hace que sea menos probable que se produzcan errores en comparación con un giroscopio convencional. A diferencia de un giroscopio tradicional, el giroscopio de velocidad no requiere un punto de referencia para mirar, eliminando así una posible fuente de error. Las fuerzas que actúan sobre el giroscopio se miden mediante éste, mientras que la fuerza de gravedad se mide mediante los acelerómetros. Las lecturas combinadas de los acelerómetros y el giroscopio permiten calcular la inclinación y el acimut del pozo.

Un giroscopio de velocidad medirá la velocidad angular a través de un desplazamiento angular. El giroscopio integrador de velocidad calcula la integral de la velocidad angular (desplazamiento angular) a través de un desplazamiento angular de salida.

Las versiones más nuevas del giroscopio se pueden inspeccionar mientras se está en movimiento, pero existen limitaciones. No es necesario que permanezcan estacionarios para recibir una encuesta. Se puede reducir el tiempo total de la encuesta, lo que hace que la herramienta sea más rentable.

Giroscopio láser de anillo

El giroscopio láser de anillo (RLG) utiliza un tipo diferente de giroscopio para determinar la dirección del pozo. El sensor consta de giroscopios láser de tres anillos y tres acelerómetros de grado inercial montados para medir los ejes X, Y y Z. Es más preciso que un giroscopio de velocidad o de búsqueda del norte. No es necesario detener la herramienta de encuestas para realizar una encuesta, por lo que las encuestas son más rápidas. Sin embargo, el diámetro exterior del giroscopio láser de anillo es de 5 1/4 pulgadas, lo que significa que este giroscopio sólo puede funcionar en una carcasa de 7″ y más grande (consulte nuestradiseño de carcasaguía). No se puede ejecutar a través de unsarta de perforación, mientras que un giroscopio de velocidad o de búsqueda de norte se puede pasar a través de una sarta de perforación o sartas de tubería de menor diámetro.

Componentes

En su forma más simple, el giroscopio láser de anillo consiste en un bloque triangular de vidrio perforado para tres orificios láser de helio-neón con espejos en los puntos de 120 grados: las esquinas3. En este resonador conviven rayos láser que giran en sentido contrario a las agujas del reloj, uno en el sentido de las agujas del reloj y otro en el sentido contrario. En algún momento, un fotosensor monitorea los haces donde se cruzan. Interferirán entre sí de forma constructiva o destructiva, dependiendo de la fase precisa de cada haz.

Si el RLG está estacionario (no gira) con respecto a su eje central, la fase relativa de los dos haces es constante y la salida del detector es consistente. Si el RLG se gira alrededor de su eje central, los haces en sentido horario y antihorario experimentarán desplazamientos Doppler opuestos; uno aumentará en frecuencia y el otro disminuirá en frecuencia. El detector detectará la diferencia de frecuencia a partir de la cual se pueden determinar la posición angular precisa y la velocidad. Esto se conoce como elefecto sagnac.

Lo que se mide es la integral de la velocidad angular o ángulo girado desde que comenzó el conteo. La velocidad angular será la derivada de la frecuencia del batido. Se puede utilizar un detector dual (en cuadratura) para derivar la dirección de rotación.

Giroscopio de grado inercial

El instrumento topográfico más preciso en el campo de petróleo y gas es el giroscopio de grado inercial, a menudo llamado herramienta Ferranti. Es todo el sistema de navegación adaptado de la tecnología aeroespacial. Debido a la mayor precisión de este giroscopio, la mayoría de las herramientas topográficas se comparan con él para determinar sus respectivas precisiones. El dispositivo utiliza tres giroscopios y tres acelerómetros montados sobre una plataforma estabilizada.

El sistema mide el cambio de dirección de la plataforma (plataformas de plataforma) y la distancia que recorre. No sólo mide la inclinación y dirección del pozo sino que también determina la profundidad. No utiliza la profundidad del cable. Sin embargo, tiene una dimensión aún mayor de 10⅝ pulgadas de diámetro exterior. Como resultado, solo se puede utilizar en tamaños de carcasa de 13 3/8 ″ y mayores.

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