Российские ученые создали новую конструкцию испытательного стенда для навигационных систем, работающих в экстремальных условиях

На разработку выдан патент.

В современном мире существует множество навигационных технологий. Самыми известными являются спутниковые системы (например, GPS), которые определяют координаты по сигналам из космоса. Сегодня они стали привычными и используются повсеместно: например, в навигаторах автомобилей, телефонах, умных браслетах.
Есть и другой вид навигационных технологий — автономные инерциальные системы. Им 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 типов 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 является точным 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 Мелехин Александр, 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.