ГИРОИНКЛИНОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК E21B47/02 

Изобретение относится к области приборов и систем для определения ориентации в пространстве осей буровых скважин, а более конкретно к гироскопическим инклинометрам (гироинклинометрам).

Отличительная особенность гироскопических инклинометров заключается в том, что они в процессе работы для определения азимута плоскости наклонения не используют магнитное поле Земли. Структура, принцип действия, порядок работы каждого гироинклинометра зависят от того, какого типа гироскопические датчики используются в этих приборах. Самая распространенная на сегодняшний день схема гироинклинометра содержит трехстенный гироскоп, внешняя ось которого расположена на продольной оси скважинного прибора [1] В этом случае используется свойство трехстепенного гироскопа сохранять неизменным в пространстве положение главной оси. Это положение, заранее определяемое в процессе начальной выставки, относительно плоскости меридиана, при проведении замеров используется как опорное. Сигнал датчика угла, связанного с внешней осью гироскопа и осью маятникового устройства, устанавливающегося в плоскость наклонения, поступает по каротажному кабелю на поверхность, где используется для вычисления азимута плоскости наклонения скважины. Такие гироинклинометры позволяют производить измерения в процессе движения скважинного прибора по скважине. Недостатком гироинклинометров такой схемы является сложность и продолжительность процесса начальной выставки скважинного прибора на поверхности, когда он приводится в искусственно созданную плоскость наклонения, азимут которой однозначно определяется вспомогательными инструментальными средствами, функционально не входящими в комплекс гироинклинометра, и показания датчика гироскопа согласуются с этим азимутом. От указанного недостатка свободны схемы, построенные по принципу аналитического гирокомпасирования [2] В данном случае основным чувствительным элементом является блок гироскопического датчика угловой скорости, по информации которого, а также блока акселерометров, наземный вычислитель определяет азимут плоскости наклонения. Здесь гироскопический датчик выдает информацию об абсолютной угловой скорости движения скважинного прибора в момент проведения измерения, но не является хранителем определенного направления в пространстве. Нахождение положения скважинного прибора относительно плоскости меридиана требует определения компонент вектора угловой скорости вращения Земли, поэтому всякие движения скважинного прибора относительно Земли в момент проведения измерения недопустимы. По этой причине инклинометры указанного типа могут быть использованы только в режиме точечных измерений. Данный режим имеет сравнительно невысокую производительность, так как время уходит на успокоение колебаний скважинного прибора после его перемещения по скважине и на подготовку гироскопического датчика к измерению в каждой исследуемой точке оси скважины.

Положительный эффект дает сочетание в гироинклинометре принципов аналитического гирокомпасирования и определения азимута плоскости наклонения с помощью трехстепенного гироскопа с внешней осью, расположенной вдоль продольной оси скважинного прибора. Гироинклинометр такого типа выбран в качестве прототипа [3] Скважинный прибор данного инклинометра содержит блок многокомпонентного акселерометра, блок двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости и трехстепенный гироскоп. Наземный вычислитель содержит блок компенсации видимого ухода трехстепенного гироскопа и систематической составляющей его дрейфа, а также задатчик режимов работы гироинклинометра, осуществляющий изменение алгоритмов работы вычислителя. Работа гироинклинометра осуществляется следующим образом. В начале процесса исследований при неподвижном скважинном приборе производится определение азимута главной оси трехстепенного гироскопа (выставка). Двухкомпонентный датчик угловой скорости определяет составляющие ω_x и ω_y угловой скорости вращения Земли Ω₃ на оси OX и OY, связанные с корпусом скважинного прибора. Составляющие ω_x и ω_y зависят от широты места Φ, зенитного b и апсидального g углов:

По алгоритму, построенному на основе приведенных выражений, наземный вычислитель определяет азимут главной оси трехстепенного гироскопа α_г. В алгоритме учитывается угол ψ поворота внешней рамки трехстепенного гироскопа относительно корпуса скважинного прибора и рассчитанные по сигналам блока многокомпонентного акселерометра зенитный b и ансидальный g углы

где Ax, Ay, Az проекции ускорения силы тяжести на оси OX, OY, OZ;
g ускорение силы тяжести;
α₀ азимут плоскости наклонения в точке проведения выставки.

Рассчитанный азимут главной оси гироскопа α_г вводится в память вычислителя. Затем гироинклинометр переводится в режим непрерывного движения вдоль оси скважины, а вычислитель решает задачу ориентации, используя только сигналы трехступенчатого гироскопа и многокомпонентного акселерометра; азимут плоскости наклонения при этом определяется следующим образом
α = α_г+ ε + (Ω₃sinΦ + ω_др)•t,
где ε = arctg [cosβ•tg (γ+ψ)] угловое положение главной оси трехстепенного гироскопа относительно плоскости наклонения;
(Ω₃sinΦ + ω_др) суммарная скорость ухода гироскопа;
t текущее время с момента перехода на режим непрерывного движения скважинного прибора.

Компенсация отклонения главной оси трехстепенного гироскопа, вызываемого видимым уходом и дрейфом, производится вводом в наземный вычислитель величин широты места Φ проведения измерений, скорости вращения Земли W₃ а также определяемой заранее систематической составляющей скорости дрейфа ω_др.

Недостатком данной схемы является то, что ошибки режима выставки переносятся на результаты замеров, осуществляемых в режиме движения скважинного прибора. Указанные ошибки возникают за счет того, что в режиме выставки не исключаются подвижки (незначительные перемещения) скважинного прибора, вызываемые, например вытягиванием кабеля, током жидкости, влиянием сотрясений почвы при работе тяжелой техники вблизи места проведения измерений. Другим источником ошибок режима выставки являются помехи электрического происхождения, эпизодически проникающие в канал передачи информации с чувствительных элементов в наземный вычислитель. Уменьшение указанных ошибок выставки приводит к повышению точности инклинометрических работ.

Задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в повышении точности проведения инклинометрических измерений.

Решение поставленной задачи предлагается осуществить введением в состав гироинклинометра дополнительных устройств, которые производили бы анализ поступающей с чувствительных элементов в вычислитель информации и, в случае, если она искажена, препятствовали бы ее дальнейшему использованию. В режиме выставки чувствительные элементы скважинного прибора реагируют на составляющие угловой скорости вращения Земли и составляющие ускорения силы тяжести, и если скважинный прибор неподвижен относительно Земли (непременное условие процесса выставки), то должна наблюдаться неизменность во времени всей поступающей с чувствительных элементов информации. Несоблюдение последнего условия означает либо подвижку скважинного прибора, либо влияние электрических помех на канал передачи информации. Суть предлагаемого изобретения заключается в том, что в режиме выставки в наземный вычислитель поступает только неизменяемая информация, а изменяющаяся во времени игнорируется и вычисления не производятся.

Состав предлагаемого гироинклинометра приведен на чертеже.

Скважинный прибор 1 связан каротажным кабелем 2 с наземной аппаратурой 3, в состав которой входят наземный вычислитель 8, задатчик режимов работы гироинклинометров 9, блок анализатора сигналов акселерометра и датчика угловой скорости 10, двухканальный ключевой элемент 11. В состав скважинного прибора входят чувствительные элементы: трехстепенный гироскоп 4, блок многокомпонентного акселерометра 5, блок двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости 6. Информация с трехстепенного гироскопа снимается с датчика угла 7.

Гироинклинометр в режиме выставки работает следующим образом. Посредством задатчика режимов работы гироинклинометра 9 задаются условия работы вычислителя 8 и подключается к работе блок анализатора сигналов 10. Сигнал с датчика угла 7 трехстепенного гироскопа поступает в вычислитель 8 непосредственно, а сигналы с блока акселерометра 5 и с блока датчика угловой скорости 6 через замкнутые контакты двухканального ключевого элемента 11. Эти контакты замкнуты в течение всего времени, пока сигналы с блока акселерометра 5 и с блока датчика угловой скорости 6 остаются неизменными.

Если в течение заданного промежутка времени анализа отсутствуют изменения указанных сигналов, то вычислитель по поступающей информации определяет азимут главной оси гироскопа, заносит его в память и информирует о готовности гироинклинометра к переводу в режим движения. Если в течение времени анализа произошло изменение хотя бы одного из сигналов, блок анализатора сигналов 10 определяет это и управляет двухканальным ключевым элементом 11, разрывающим цепь поступления сигналов с акселерометра 5 и датчика угловой скорости 6 в вычислитель 8. Последний при этом никаких вычилений не производит, препятствуя переводу гироинклинометра в режим движения. Такое состояние гироинклинометра продолжается до тех пор, пока блок анализатора сигналов 10 не определит, что сигналы датчиков угловой скорости и акселерометра перестали изменяться. После этого блок анализатора дает команду на замыкание ключевого элемента 11 и начинается обработка поступающей информации вычислителем. Если по истечении времени анализа не произошло нового сбоя информации, то по сигналу вычислителя возможен перевод гироинклинометра в режим движения. Для осуществления последнего задатчиком режимов работы 9 изменяются алгоритмы работы вычислителя 8 и отключается блок анализатора сигналов 10. Контакты двухканального ключевого элемента 11 при работе гироинклинометра в режиме движения остаются все время замкнутыми.

В качестве простого примера технической реализации можно привести следующий вариант: блок анализатора включенные в цепи сигналов датчика угловой скорости и акселерометра дифференцирующие элементы, нагрузкой которых служат обмотки реле, причем последнее является ключевым элементом, разрывающим цепи подачи указанных сигналов в вычислитель. Однако оптимальным является путь технической реализации заявляемого изобретения программными средствами, где анализ поступающей с чувствительных элементов информации, ее отбракована и обработка производятся одной наземной ЭВМ. Так, поступающая в вычислитель информация с чувствительных элементов может осредняться за некоторое время анализа, затем среднее значение параметра сравнивается с каждым из группы осредняемых и, если результаты сравнения не превышают некоторой заданной величины, то по найденному среднему значению параметра производится расчет искомой инклинометрической информации. В случае, если результаты сравнения превосходят заданный предел, информация вычислителем игнорируется и перевод гироинклинометра в режим движения запрещается.

По расчетам и экспериментам использование предлагаемого изобретения позволит повысить точность определения азимута плоскости наклонения скважины в 2 3 раза.

Список литературы
1. Исаченко В.Х. Инклинометрия скважин. М. Недра, 1987 с. 78-83 - АНАЛОГ.

2. Патент Великобритании N 2009418. НКИ G1N. МКИ G 01 C 23/00. Бюллетень "Изобретения стран мира". N 2, 1980. АНАЛОГ.

3. Патент России N 2004786, МКИ E 21 B 47/02 "Инклинометр". Бюллетень изобретений, N 45-46, 1993. ПРОТОТИП.

Назначение: изобретение относится к приборам для определения пространственного положения оси буровых скважин. Сущность изобретения: гироинклинометр содержит наземную аппаратуру и скважинный прибор. В состав скважинного прибора входят трехстепенный гироскоп, блоки многокомпонентного акселерометра и двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости. В режиме выставки производится аналитическое гирокомпасирование при неподвижном приборе с помощью блоков акселерометра и датчика угловой скорости и вычислителя, входящего в состав наземной аппаратуры. При этом определяется азимут главной оси трехстепенного гироскопа, значение которого используется при работе гидроинклинометра в режиме движения. С целью снижения ошибок определения азимута плоскости наклонения в режиме выставки, поступающая с блоков многокомпонентного акселерометра и двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости информация анализируется блоком анализатора. В случае неповторяемости информации анализатор управляет двухканальным ключевым элементом, который препятствует ее поступлению в вычислитель. 1 ил.

Гироинклинометр, состоящий из наземной аппаратуры и связанного с ней каротажным кабелем скважинного прибора, содержащего жестко связанные с его корпусом блок многокомпонентного акселерометра и блок двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости, трехстепенный гироскоп с датчиком угла по внешней оси, причем соответствующие оси чувствительности блока многокомпонентного акселерометра и блока двухкомпонентного датчика угловой скорости параллельны между собой и перпендикулярны продольной оси скважинного прибора, по которой также направлена внешняя ось трехстепенного гироскопа, датчик угла которого соединен с первым входом содержащегося в составе наземной аппаратуры вычислителя, к второму входу которого подсоединен первый выход задатчика режимов работы гироинклинометра, отличающийся тем, что наземная аппаратура снабжена блоком анализатора и двухканальным ключевым элементом, причем первый вход ключевого элемента и первый вход блока анализатора соединены с выходом блока многокомпонентного акселерометра, второй вход ключевого элемента и второй вход блока анализатора соединены с выходом блока двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости, выход блока анализатора соединен с третьим входом ключевого элемента, первый и второй выходы ключевого элемента соединены соответственно с третьим и четвертым входами вычислителя, а второй выход задатчика режимов работы гироинклинометра соединен с третьим входом блока анализатора.