ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АЗИМУТА СКВАЖИННОГО ИНКЛИНОМЕТРА Российский патент 1994 года по МПК E21B47/02 

Изобретение относится к геологоразведочной технике, точнее к инклинометрам - устройствам для измерения пространственного положения буровых скважин.

Известны преобразователи азимута скважинных инклинометров, содержащие магнитную стрелку, положение которой относительно корпуса инклинометра определяется с помощью электронно-оптических преобразователей [1 и 2].

Однако этим инклинометрам присуща высокая сложность.

Наиболее простым из устройств этого типа является прототип предлагаемого технического решения - преобразователь азимута из оптоэлектронного инклинометра [3] . Этот преобразователь включает корпус с установленными в нем источником света и фотоприемником, между которыми размещена сферическая камера, вращающая сферический поплавок. Поплавок выполнен из прозрачного материала и содержит кольцевой магнит с явно выраженными полюсами и полусферическую пластинку с оптической плотностью, изменяющейся пропорционально угловой координате, отсчитанной от направления на северный полюс магнита. Центр тяжести поплавка смещен книзу, Пространство между стенками сферической камеры и поплавком заполнено двумя несмешивающимися жидкостями: нижняя жидкость имеет плотность больше, а верхняя - меньше, чем объемная плотность поплавка. Плотность поплавка подбирается так, чтобы она была равна среднему арифметическому от плотности обеих жидкостей. Материал поплавка не смачивается обеими жидкостями. Выполнение этих условий приводит к тому, что сферический поплавок располагается точно в центре сферической камеры. Источник света и фотоприемник размещены вдоль пpодольной оси преобразователя (всего инклинометра). При измерении азимута искривления скважины преобразователь устанавливается в скважине на нужной глубине, поплавок под действием силы тяжести поворачивается около горизонтальной оси так, что плоскость кольцевого магнита занимает горизонтальное положение, а кольцевой магнит разворачивает поплавок около вертикальной оси до тех пор, пока линия полюсов север-юг не расположится по направлению магнитного меридиана. Световой поток от источника попадает на фотоприемник, пройдя через прозрачный сферический поплавок и пластинку переменной оптической плотности. Оптическая плотность пластины на пути светового потока зависит от угла поворота корпуса преобразователя относительно магнитного меридиана. Таким образом по сигналу, вырабатываемому фотопреобразователем, определяют азимутальный угол скважины.

Этот преобразователь довольно прост по своей конструкции, однако ему присущ недостаток, связанный с тем, что оптическая плотность пластины на пути светового потока зависит не только от азимутального угла скважины, но и от ее зенитного угла. При одном и том же азимутальном угле выходной сигнал фотопреобразователя будет разным при различных зенитных углах.

Точность измерений азимутальных углов уменьшается с уменьшением зенитного угла скважины, т.е. по мере уменьшения отклонения продольной оси преобразователя от вертикали.

Цель изобретения - повышение точности измерения азимута при малых зенитных углах скважины.

Поставленная цель достигается тем, что в известном преобразователе азимута скважинного инклинометра, включающем корпус с установленными в нем источником света и фотоприемником, между которыми размещена сферическая камера, заполненная жидкостью и вмещающая сферический прозрачный поплавок с магнитом и полусферической пластиной, оптическая плотность которой изменяется пропорционально угловой координате, сферический поплавок установлен с возможностью вращения относительно продольной оси преобразователя, а источник света и фотоприемник размещены под углом к оси преобразователя.

Установка сферического поплавка с возможностью вращения относительно продольной оси всего преобразователя предотвращает поворот поплавка относительно горизонтальной оси при изменении угла отклонения преобразователя от вертикали. Поплавок может поворачиваться только около продольной оси вращения под действием магнитного поля Земли. Одновременное смещение источника света и фотоприемника относительно оси вращения поплавка приводит к тому, что световой поток проходит через пластину переменной оптической плотности на одном и том же расстоянии от ее центра независимо от угла наклона преобразователя. В результате исключается влияние изменений зенитного угла на результаты измерения азимута, что и обеспечивает достижение цели изобретения. Поскольку положение поплавка в сферической камере определяется осью вращения, то в предложенном устройстве отпадает необходимость заполнять камеру двумя несмешивающимися жидкостями разной плотности, достаточно использовать одну жидкость, плотность которой близка к объемной плотности поплавка. При соблюдении этого условия поплавок оказывается взвешенным в жидкости, что уменьшает нагрузку на опоры оси вращения и обеспечивает свободную ориентировку кольцевого магнита по направлению магнитного меридиана. По этой же причине отпадает необходимость в смещении центра тяжести поплавка книзу. Оптимальным является расположение центра тяжести в центре поплавка.

Угол смещения оси источник света - фотоприемник относительно оси вращения поплавка, с точки зрения повышения точности измерений, должен быть достаточно большим, близким к 90^о. Однако при таком расположении источника света и фотоприемника требуется увеличить диаметр всего преобразователя, что, учитывая ограниченные диаметры современных скважин, нежелательно. Максимальный угол между осью вращения поплавка и осью источник света - фотоприемник, при котором не требуется увеличивать диаметр преобразователя, составляет около 45^о.

Изучение специальной литературы и патентных источников показывает, что отличительные признаки предложенного устройства не встречаются в известных технических решениях. Это позволяет утверждать, что предложенное устройство удовлетворяет критерию "существенные отличия".

На фиг.1 изображен продольный разрез предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - вид сверху на полусферическую пластину, оптическая плотность которой изменяется пропорционально угловой координате ϕ; на фиг.3 - график зависимости выходного сигнала фотоприемника от азимутального угла преобразователя.

Преобразователь азимута состоит из корпуса 1, в котором установлены источник света 2 и фотоприемник 3. Между источником света 2 и фотоприемником 3 расположена сферическая измерительная камера 4, выточенная в цилиндре 5 из оргстекла. В камере 4 размещен прозрачный сферический поплавок 6, в котором расположен кольцевой магнит 7 с явно выраженными полюсами и полусферическая пластина 8, оптическая плотность которой изменяется пропорционально угловой координате ϕ, как это условно показано на фиг.2. Сферический поплавок снабжен остриями 9 и 10, благодаря которым он может поворачиваться относительно оси АВ, совпадающей с продольной осью всего преобразователя. Пространство между поплавком 6 и стенками камеры 4 заполнено прозрачной жидкостью 11, плотность которой близка к объемной плотности поплавка. Источник света 2 состоит из лампочки накаливания 12 и конденсора 13. Ось π/2-3 π/2 смещена относительно оси АВ на угол около 45^о. Корпус преобразователя имеет эксцентрично расположенный груз, благодаря которому в скважине преобразователь всегда разворачивается так, чтобы источник света 2 и фотоприемник 3 располагались в вертикальной плоскости, проходящей через ось скважины в точке измерения (так называемая апсидальная плоскость). Этот груз должен располагаться на одной вертикали с фотоприемником 3. На наружной стороне корпуса 1 преобразователя нанесена метка напротив источника света 2. Метка и груз на чертеже не показаны.

Электрическая схема преобразователя азимута включает стабилизированный источник питания осветителя и измеритель сигнала, снимаемого с фотопреобразователя.

Порядок измерений с предложенным преобразователем таков.

Перед спуском в скважину преобразователь закрепляют в предварительно сориентированном по сторонам света установочном инклинометрическом столе УСИ-2. Корпус преобразователя в зажимах стола ориентируют меткой на север и придают ему отклонение в 10-20^о от вертикали, нижним концом на север. На лимбе установочного стола в это время установлен отсчет 0^о. Включают питание осветителя и берут отсчет показаний по шкале измерительного прибора, подключенного к выходу фотопреобразователя. Далее меняют ориентировку преобразователя через 10-20^о и при каждой из них снимают показания измерительного прибора. По достижении азимута 360^о строят градиуровочный график (фиг. 3). Затем преобразователь опускают в скважину и проводят измерения либо поточечно с остановками преобразователя через 20-50 м по стволу скважины, либо непрерывно при медленном перемещении преобразователя. В последнем случае в качестве измерительного прибора используют какой-либо из каротажных регистраторов (Н-361, ПАСК-8 или НО65).

Повторение градуировки при разных углах наклона преобразователя свидетельствует, что выходной сигнал преобразователя не зависит от его зенитного угла.

Использование: преобразователь относится к технике измерений пространственного положения буровых скважин. Сущность изобретения: преобразователь содержит прозрачный сферический поплавок 6 с кольцевым магнитом 7 и полусферической пластиной 8, оптическая плотность которой изменяется пропорционально угловой координате. Поплавок снабжен осью вращения, совпадающей с продольной осью преобразователя. По разные стороны от поплавка 6 размещены источник света 2 и фотоприемник 3, смещенные от оси вращения поплавка 6 на угол порядка 45°. Азимут скважины определяют по амплитуде выходного сигнала фотоприемника. 3 ил.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АЗИМУТА СКВАЖИННОГО ИНКЛИНОМЕТРА, включающий корпус с установленными в нем источником света и фотоприемником, между которыми размещена сферическая камера, заполненная прозрачной жидкостью и вмещающая сферический прозрачный поплавок с магнитом и полусферической пластиной, оптическая плотность которой изменяется пропорционально угловой координате, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения азимута при малых зенитных углах скважины, сферический поплавок установлен с возможностью вращения относительно продольной оси преобразователя, а источник света и фотоприемник размещены под углом к оси преобразователя.