ИНКЛИНОМЕТР Российский патент 1998 года по МПК G01C9/00 E21B47/22 

Изобретение относится к области геодезии, а именно к устройствам для определения ориентации ствола скважины.

Известны инклинометры, использующие датчики наклона (маятники, уровни, акселерометры) для определения зенитного угла скважины и датчики магнитного поля для определения азимута [1] Недостатком этих инклинометров является то, что они не могут работать в скважине, заключенной в стальную обсадную трубу (экранируется магнитное поле). Затруднительно их использовать и в составе бурильной колонны, из-за значительного искажения магнитного поля стальными массами.

Известны инклинометры, в которых азимут передается с поверхности Земли в скважину посредством гироскопов. Можно отметить два недостатка таких инклинометров. Во-первых, из-за дрейфа гироскопов время, в течение которого они "держат" азимут, ограничивается десятками минут. Во-вторых, работающие гироскопы очень чувствительны к ударам и вибрациям, и азимут часто "теряется" уже при опускании прибора в скважину, что заставляет поднимать прибор на поверхность и все начинать сначала. Как первое, так и второе делают невозможным применение этих инклинометров во время бурения.

Известен инклинометр, выбранный нами за прототип, который содержит акселерометры для определения наклонов и точные гироскопы, способные самостоятельно определять направление на север в процессе выставки [1]
Недостатком прототипа является наличие точных гироскопов. Это приводит к большим диаметрам измерительной части (63,5 мм для прототипа), высокой стоимости, большой чувствительности к ударам и вибрациям.

Целью изобретения является уменьшение диаметра измерительной части, повышение вибро- и ударостойкости, уменьшение стоимости.

Эта цель достигается тем, что в инклинометр, содержащий акселерометры, устанавливается каретка с направляющими, подключенная к механизму возвратно-поступательного движения, а акселерометры устанавливаются на каретке.

На чертеже изображена схема инклинометра. Он содержит направляющие 1, по которым может перемещаться каретка 2, приводимая в движение возвратно-поступательным механизмом 3. На каретке установлены акселерометры 4, сигналы с которых поступают в блок обработки информации 5.

Рассмотрим работу инклинометра в случае, когда движение каретки осуществляется по синусоидальному закону. После опускания инклинометра в нужную точку скважины в течение времени t₁ при неработающем механизме возвратно-поступательных движений и неподвижной каретке снимаются и вводятся в блок обработки показания акселерометров. Эти показания постоянны и равны проекциям ускорения силы тяжести на оси чувствительности акселерометров. Затем включается механизм возвратно-поступательных движений, и каретка с акселерометрами приводится в колебательные движения. В течение времени t₂ вновь снимаются и вводятся в блок обработки показания акселерометров. Эти показания, кроме постоянной части, содержат уже и переменные составляющие, вызванные действием ускорений разгона торможения и ускорением Кориолиса.

Рассмотрим алгоритм обработки информации. При этом для упрощения выкладок будем полагать, что акселерометров три, их оси чувствительности взаимно ортогональны, ось чувствительности одного из акселерометров направлена вдоль направляющих. Свяжем с направляющими систему координат x, y, z, причем ось y направим вдоль направляющих. Введем систему координат ξ, η, L, связанную с Землей (восток-север-вертикаль). Нам необходимо по снятым показаниям акселерометров вычислить параметры ориентации, устанавливающие связь систем x, y, z и ξ, η, L.
Связь введенных выше систем можно задать матрицей D направляющих косинусов, приведенной в таблице (см. Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация, М. Наука, 1976).

Сигналы акселерометров при движущейся со скоростью V каретке определяются соотношениями

где
Ω_г, Ω_в горизонтальная и вертикальная составляющие скорости вращения Земли;
g ускорение силы тяжести.

Элементы матрицы D₇, D₈, D₉ определяются по интегральным показаниям акселерометров, снятых в статике в течение времени

Элементы D₄, D₆ вычисляем по показаниям акселерометров, снятым в динамике в течение времени t₂. При этом для подавления шумов целесообразно воспользоваться методом синхронного детектирования. Текущую скорость v можно определить или с помощью какого-либо независимого датчика, или по показаниям акселерометра y

В течение времени t₂ накапливаем следующие интегралы

Элементы D₄, D₆ определяются соотношениями

Воспользовавшись свойствами единичности и ортогональности матрицы D, можно определить и все остальные ее элементы. В частности
D₂ (D₄D₉ D₁D₆) D₅ - (D₇D₄ + D₉D₆)/D₈
Зенитный угол β и азимут g скважины определяются соотношениями

Точность определения зенитного угла в предлагаемом инклинометре не отличается от прототипа и других инклинометров, где используются акселерометры.

Оценим точность определения азимута. Эта точность может ограничиваться чувствительностью и шумами акселерометров. Чувствительность современных маятниковых акселерометров находится на уровне 10^-6g-10^-7g при диапазоне измерения ±10g. Чувствительность можно довести до 10^-8g при сокращении диапазона до 1•g. Средняя величина ускорения Кориолиса, по которой и определяется фактически азимут, составляет 2•10^-5g при амплитуде колебаний 50 см и частоте 2 Гц, что позволяет определить азимут с приемлемой погрешностью, меньшей одного градуса.

Что касается шумов, то можно полагать, что при стационарном характере движения по направляющим, например периодическом, с постоянным периодом и амплитудой, их влияние будет тоже стационарным и учитываемым.

Для практической проверки работоспособности предлагаемого устройства был осуществлен простейший эксперимент. По направляющим от оптической скамьи вручную в течение трех минут помещался взад-вперед блок из трех акселерометров. Информация с акселерометров вводилась в ЭВМ и обрабатывалась по алгоритму, описанному выше. Была получена погрешность определения азимута 6-8 мин, что всего в два раза больше требуемой для скважинной инклинометрии. Можно полагать, что реализация механизма стационарных возвратно-поступательных движений и увеличение чувствительности акселерометров позволит еще в 2-3 раза повысить точность.

Применение акселерометров для определения азимута вместо точных гироскопов позволяет прежде всего уменьшить диаметр измерительной части (до 30-36 мм) и сделать инклинометр вибро- и ударостойким. Это позволяет включить инклинометр в состав практически любой буровой колонны, причем без каких-либо специальных немагнитных вставок.

Кроме того, стоимость предлагаемого инклинометра может быть меньше стоимости инклинометра с гироскопами, поскольку точные (чувствующие Землю) гироскопы являются очень сложными и дорогими приборами.

Изобретение относится к устройствам для определения ориентации ствола скважины. Сущность изобретения: для измерения зенитного угла азимута применяются только акселерометры, для определения азимута акселерометры приводятся в колебательное движение и азимут определяется по ведичине возникшего при этом Кориолисова ускорения. Инклинометр содержит направляющие, по которым передвигается каретка, подключенная к механизму возвратно-поступательных движений. Акселерометры установлены на каретке и их выходы подключены к блоку обработки информации. Для возможности точной обработки сигнала акселерометра и вычисления азимута в инклинометр введен датчик текущей скорости каретки, который может быть выполнен как интегратор показаний акселерометра, ось чувствительности которого направлена вдоль направляющих. 2 з.п. ф-лы, 1 табл. 1 ил.

1. Инклинометр, содержащий акселерометры и блок обработки информации, отличающийся тем, что в него введены направляющие с кареткой, подключенной к механизму возвратно-поступательного движения, при этом акселерометры установлены на каретке. 2. Инклинометр по п.1, отличающийся тем, что в него введен датчик скорости движения каретки. 3. Инклинометр по п.2, отличающийся тем, что датчик скорости движения каретки выполнен в виде интегратора сигнала акселерометра.