КОМПЛЕКС ГИРОИНКЛИНОМЕТРА Российский патент 1996 года по МПК E21B47/02 

Изобретение относится к системам и комплексам для определения пространственного положения оси буровой скважины, в частности к гироскопическим инклинометрам (гироинклинометрам).

Комплекс инклинометра с приводным каналом связи состоит из наземной аппаратуры и скважинного прибора, связанных каротажным кабелем. В скважинных приборах гироинклинометров могут использоваться гироскопические приборы, определяющие положение плоскости географического меридиана: гирокомпасы [1] и датчики угловой скорости, измеряющие компоненты вектора угловой скорости вращения Земли [2, 3] Упомянутые гироинклинометры обладают тем недостатком, что измерения с их помощью можно производить только при неподвижном скважинном приборе (при периодических остановках последнего при его движении вдоль оси скважины). Данное обстоятельство значительно увеличивает время процесса инклинометрии скважины.

От подобного недостатка свободна схема гироинклинометра, выбранная в качестве прототипа [4] В скважинном приборе этого гироинклинометра имеется трехстепенный гироскоп, внешняя ось которого направлена по продольной оси прибора, а главная ось сохраняет свое положение в пространстве неизменным как при движении, так и при остановках скважинного прибора. Это неизменное относительно плоскости меридиана положение при проведении замеров в скважине используется как опорное. Сигнал датчика угла, связанного с внешней осью гироскопа, поступает на поверхность, где используется в наземной аппаратуре, входящей в состав комплекса, для определения азимута плоскости наклонения.

Наиболее существенным недостатком этого гироинклинометра является длительность и сложность процесса выставки (ориентации) гироскопа на поверхности Земли относительно опорной системы координат. Сущность выставки заключается в том, что скважинный прибор, подключенный к наземной аппаратуре и работающий в штатном режиме, отклоняется от вертикального положения, т. е. приводится в искусственно созданную плоскость наклонения. При этом с чувствительных элементов скважинного прибора снимается информация, позволяющая рассчитать величину угла между плоскостью наклонения скважинного прибора и вертикальной плоскостью, в которой лежит главная ось гироскопа. Одновременно с этим определяется с помощью магнитной буссоли азимут плоскости наклонения скважинного прибора. Затем производится расчет магнитного азимута главной оси гироскопа. Отметим, что процесс отклонения скважинного прибора с помощью шнура и замер азимута плоскости наклонения с помощью магнитной буссоли, является процессом сравнительно длительным, требующим определенного времени для успокоения колебаний подвешенного скважинного прибора и магнитной стрелки буссоли. Кроме того, большое количество стальных конструкций вблизи места проведения выставки, изменение их расположения во времени, а также вариации магнитного поля Земли дают свои доли погрешности выставки.

Целью изобретения является повышение производительности и точности инклинометрических работ.

Указанная цель достигается тем, что гироскопический инклинометр дополняется специальной наземной системой выставки, предназначенной для определения азимута главной оси трехстепенного гироскопа, входящего в состав чувствительных элементов скважинного прибора. Знание этого азимута позволяет согласовать информацию, получаемую посредством датчика угла трехстепенного гироскопа, и фактическое значение азимута плоскости наклонения. Наземная система выставки содержит следующие составные части: блок чувствительных элементов, блок вычисления, блок ввода констант, блок анализатора и ключевой элемент. В состав блока чувствительных элементов входят двухкомпонентные гироскопический датчик угловой скорости и акселерометр, по информации которых блок вычисления рассчитывает параметры ориентации блока чувствительных элементов. Конкретизация условий проведения выставки осуществляется блоком ввода констант, который связан с блоком вычислителя. Блок анализатора предназначен для оценки качества информации, поступающей с блока чувствительных элементов и управления ключевым элементом, связывающим блок вычислителя и наземную аппаратуру гироинклинометра. На время проведения выставки на корпус скважинного прибора строго определенным образом присоединяется блок чувствительных элементов, первичная информация с которого передается в блок вычислителя, где определяются зенитный угол и азимут плоскости наклонения блока чувствительных элементов, и соответственно скважинного прибора. Рассчитанные параметры представляются в виде, удобном для дальнейшего использования: либо визуальном для работы с ними оператора, либо в виде электрических сигналов для использования их в наземной аппаратуре гироинклинометра. Чтобы исключить ошибки, вызванные какими-либо случайными перемещениями скважинного прибора во время проведения выставки, блок анализатора, управляя ключевым элементом, препятствует выдаче информации в это время.

На чертеже приведен состав комплекса гироинклинометра.

Скважинный прибор 1 связан с наземной аппаратурой 2 каротажным кабелем 3. В процессе выставки используется система выставки скважинного прибора 4. В ее состав входят блок чувствительных элементов 5, блок вычислителя 6 и блок анализатора 7. В состав блока чувствительных элементов 5 входят двухкомпонентный гироскопический датчик угловой скорости 8 и двухкомпонентный акселерометр 9, причем их оси чувствительности взаимно параллельны и в процессе выставки перпендикулярны продольной оси скважинного прибора. Выходной сигнал блока анализатора управляет ключевым элементом 10, который разрывает в случаях движения скважинного прибора канал выдачи информации с блока вычислителя в наземную аппаратуру. Для ввода в блок вычислителя информации о конкретных условиях выставки применяется блок ввода констант 11. Блок чувствительных элементов 5 связан с блоками вычисления 6 и анализатора 7 линией связи 12.

Комплекс работает следующим образом. Перед началом исследования скважины скважинный прибор подвешивается на каротажном кабеле 3. К скважинному прибору с помощью специального узла крепления присоединяется блок чувствительных элементов 5. Упомянутый узел крепления обеспечивает необходимое расположение блока чувствительных элементов относительно продольной оси скважинного прибора. Блок чувствительных элементов с помощью линии связи 12 соединяется с блоком вычислителя 6 и блоком анализатора 7. Двухкомпонентный акселерометр 9 выдает сигналы, пропорциональные проекциям а_х, а_y вектора ускорения силы тяжести на оси чувствительности акселерометра. По этим сигналам блок вычислителя рассчитывает зенитный β и апсидальный γ углы блока чувствительных элементов
β arctg
γ arctg-
Двухкомпонентный датчик угловой скорости 8 определяет составляющие ω_х и ω _y угловой скорости вращения Земли Ω₃ на те же оси чувствительности. Эти составляющие зависят от широты места исследований Φ, зенитного β и апсидального γ углов, азимута α
ω_x=Ω₃ (cosΦ·cosα·cosβ·cosγ+sinΦ·sinβ·cosγ-cosΦ·sinα·sinγ)
ω_y=-Ω₃ (cosΦ·cosα·cosβ·sinγ+sinΦ·sinβ·sinγ+cosΦ·sinα·cosγ)
Необходимые для расчетов величины g, Φ вводятся в блок вычислителя с помощью блока ввода констант 11. По алгоритму, построенному на основе приведенных выражений, блок вычислителя 6 определяет азимут плоскости наклонения скважинного прибора α Полученное значение азимута затем используется для определения азимута главной оси трехстепенного гироскопа. Если скважинный прибор в процессе выставки совершает непредусмотренные движения, то с чувствительных элементов снимаются сигналы, изменяющиеся во времени. Блок анализатора 7 определяет это и управляет ключевым элементом 10, который разрывает канал выдачи информации с блока вычислителя в наземную аппаратуру.

После проведения выставки блок чувствительных элементов отсоединяется от скважинного прибора и последний опускается в скважину для проведения ее замеров обычным порядком.

Вариант технической реализации наземной системы выставки предполагает анализ сигналов чувствительных элементов и блокировку вывода информации с вычислителя (ЭВМ) осуществлять программными методами. Блок ввода констант при этом клавиатура ЭВМ.

Использование: изобретение предназначено для определения пространственного положения оси буровых скважин. Сущность изобретения: комплекс гироинклинометра состоит из наземной аппаратуры и скважинного прибора, содержащего трехстепенный гироскоп с внешней осью, направленной по продольной оси скважинного прибора. Дополнительно комплекс снабжен наземной системой выставки. Система выставки состоит из блоков вычислителя, ввода констант, анализатора, ключевого элемента и блока чувствительных элементов. На период выставки блок чувствительных элементов однозначно механически соединяется с корпусом скважинного прибора. При неподвижном скважинном приборе по информации с чувствительных элементов - двухкомпонентных акселерометра и гироскопического датчика угловой скорости - блок вычислителя определяет зенитный и апсидальный углы и азимут плоскости наклонения блока чувствительных элементов а, следовательно и скважинного прибора. Для блокировки выдачи информации в наземную аппаратуру при случайных движениях скважинного прибора блок анализатора управляет ключевым элементом, разрывая канал связи вычислителя и наземной аппаратуры. 1 ил.

КОМПЛЕКС ГИРОИНКЛИНОМЕТРА, содержащий наземную аппаратуру и связанный с ее первым входом посредством каротажного кабеля скважинный прибор, имеющий трехстепенный гироскоп, внешняя ось которого направлена по продольной оси скважинного прибора, отличающийся тем, что он снабжен наземной системой выставки скважинного прибора, состоящей из присоединяемого к скважинному прибору блока чувствительных элементов, блока вычислителя, блока ввода констант, блока анализатора и ключевого элемента, причем блок чувствительных элементов содержит двухкомпонентный гироскопический датчик угловой скорости и двухкомпонентный линейный акселерометр, выходы которых подключены к первому входу блока вычислителя и входу блока анализатора, к второму входу блока вычислителя подключен выход блока ввода констант, выход блока вычислителя через включевой элемент подключен к второму входу наземной аппаратуры, а выход блока анализатора подключен к управляющему входу ключевого элемента.