ДАТЧИК УГЛА НАКЛОНА СКВАЖИНЫ Российский патент 1998 года по МПК G01B7/305 E21B47/02 

Изобретение относится к области промысловой геофизики и может быть использовано при строительстве нефтяных и газовых скважин, в частности, при строительстве наклонно-направленных и горизонтальных скважин, где требуется высокая точность измерения зенитных углов и высокая надежность проведения измерений.

Известен датчик угла наклона, включающий заполненную двумя несмешивающими жидкостями кольцевую полость, образованную двумя коаксиально расположенными цилиндрическими стаканами, где одна из несмешивающихся - электропроводящая, а другая диэлектрик. На внутренних стенках цилиндрических стаканов установлены электроды, имеющие слой диэлектрика. В зависимости от величины перемещения границы раздела жидкостей в кольцевой полости относительно первоначальной происходит изменение электрической емкости, значения которой соответствует углу наклона [1].

Недостатком устройства является низкая точность измерений, обусловленная недостаточной чувствительностью емкостного преобразователя и сильного влияния на его показания температуры окружающей среды. Даже в случает небольшого зазора между электродами емкостного преобразователя (2 - 3 мм) и значительной осевой протяженности электродов (200 - 300 мм) емкостной преобразователь образует электрическую емкость очень малой величины (менее 10 пф). При этом добротность измерительной цепи низка (составляет доли единиц), а резонансная частота очень велика (сотни МГц), что обуславливает "размытость" резонансных кривых, и как следствие - низкую чувствительность к изменению угла наклона и соответственно - низкую точность измерений.

Кроме того, сильное искажающее влияние изменения температуры окружающей среды также приводит к снижению точности измерений.

Известен датчик угла наклона [2]. Данное устройство является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и принято за прототип. Датчик угла наклона содержит корпус, выполненный в виде двух коаксиально установленных цилиндрических стаканов с образованием между ними герметичной круговой полости. Круговая полость заполнена двумя несмешивающимися жидкостями, в качестве одной из которых использована ртуть, являющаяся гамма-поглощающим экраном, а в качестве второй - вязкая жидкость, являющаяся амортизирующей жидкостью.

Во внутреннем стакане размещен свинцовый экран с коллимационным окном, направленным в сторону торцовой поверхности стакана, по оси которого установлен источник гамма-излучения, а на наружной торцовой поверхности внешнего стакана напротив коллимационного окна установлен детектор гамма-излучения. При изменении величины зенитного угла будет соответственно изменяться уровень ртути относительно оси датчика. При этом будет изменяться интенсивность гамма-излучения. Указанный датчик угла наклона по сравнению с емкостным позволяет несколько повысить точность измерений, поскольку он обладает более высокой чувствительностью и на его показания практически не влияет изменение температуры окружающей среды.

Вместе с тем он имеет ряд существенных недостатков, к основным из которых можно отнести следующее.

Датчик требует применение сложной электронной схемы, а также фотоумножителелй и кристаллов NaI(Tl) для регистрации гамма-излучения, что в значительной степени усложняет конструкцию и снижает надежность в работе, особенно в процессе бурения при воздействиях интенсивных вибраций.

Применение ртути и радиоактивного источника создает значительные трудности при работе и обслуживании устройства, связанные с технической сложностью выполнения, условий техники безопасности для защиты персонала от радиоактивного излучения и возможности отравлений парами ртути.

Как показала практика, кристаллы NaI(Tl) не всегда обладают круговой симметрией, т. е. не всегда имеют одинаковую чувствительность по периметру в радиальном направлении, поэтому регистрируемая интенсивность гамма-излучения будет зависеть не только от зенитного угла, хотя и от осевого положения корпуса прибора в скважине, хотя и не в значительной степени. Так, погрешность в определении зенитных углов за счет влияния указанного фактора может составить ± 1 - 2^o, что приводит к снижению точности измерений.

Задачей предлагаемого технического решения является упрощение конструкции, повышение надежности в работе и точности измерений, а также обеспечение условий техники безопасности для обслуживающего персонала.

Поставленная задача достигается тем, что известное устройство для измерения угла наклона скважины, содержащее корпус из двух коаксиально расположенных цилиндрических стаканов с образованием между ними герметичной круговой полости, частично заполненной жидким металлом, согласно изобретению снабжено электронагревателем, расположенным на наружной поверхности внешнего цилиндрического стакана вдоль ее длины и резисторным элементом, выполненным в виде однорядной спиральной обмотки, расположенной на наружной поверхности внутреннего цилиндрического стакана вдоль его длины, электрически контактирующей в процессе измерений с жидким металлом, при этом в качестве жидкого металла применен расплавленный легкоплавкий сплав, в частности сплав Вуда. При этом внешний цилиндрический стакан выполнен из электропроводного материала, а внутренний - из изоляционного материала.

Предлагаемое решение позволяет значительно упростить конструкцию прибора, так как для его работы не требуется применение фотоумножителей, детекторов гамма-излучения, сложной электронной схемы и т.п., благодаря чему значительно повышается надежность. Кроме того, предлагаемое решение позволяет обеспечить необходимую круговую симметрию измерительного датчика в радиальном направлении, что обеспечивает высокую точность измерений за счет независимости показаний от осевого положения корпуса прибора в скважине.

Путем выбора оптимального соотношение диаметра датчика, его длины, ширины круговой полости между цилиндрическими стаканами и диаметра провода спиральной обмотки резонаторного элемента можно обеспечить довольно высокую чувствительность датчика к изменению зенитного угла.

Предлагаемый датчик по сравнению с прототипом не требует применения радиоактивных источников и ртути, что значительно упрощает проведение работ с прибором и его изготовление, обеспечивает выполнение условий техники безопасности и предотвращает возможность заражения обслуживающего персонала при проведении работ.

Новыми признаками предложенного датчика угла наклона является:
он снабжен резисторным элементом, выполненным в виде однорядной спиральной обмотки, расположенной на наружной поверхности внутреннего цилиндрического стакана вдоль его длины, электрически контактирующей в процессе измерений с жидким металлом;
он снабжен электронагревателем;
в качестве жидкого металла применен легкоплавкий сплав, нагретый с помощью электронагревателя до температуры, превышающей температуру его плавления, в частности сплав Вуда.

Изобретение представлено чертежом, где на фиг. 1 и 2 схематично изображен общий вид устройства в разрезе по его продольной оси при вертикальном положении датчика (фиг. 1) и при наклонном его положении (фиг. 2).

Датчик угла наклона содержит корпус, выполненный в виде двух коаксиально расположенных цилиндрических стаканов: внешнего 1 и внутреннего 2 с образованием между ними герметичной круговой полости 3. Круговая полость 3 частично заполнена жидким металлом 4. Внутренний цилиндрический стакан 2 выполнен из непроводящего электрический ток материала (эбонит, текстолит), на наружной поверхности которого размещен резисторный элемент 5, выполненный из сплошной однорядной спиральной обмотки из тонкого высокоомного провода (нихром, констант), который электрически контактирует в процессе измерений с жидким металлом 4, находящимся в круговой полости 3. В качестве жидкого металла применен легкоплавкий сплав, нагретый с помощью нагревателя 6 до температуры, превышающей температуру его плавления, в частности, применен сплав Вуда, температура плавления которого составляет 67^oC.

Электронагреватель 6 расположен на наружной поверхности внешнего цилиндрического стакана и выполнен в виде спиральной обмотки из нихрома. Внешний цилиндрический стакан выполнен из металла (нержавеющая сталь), а внутренний - из изоляционного материала Датчик угла наклона имеет электрические выводы, соединенные с резисторным элементом 7, электронагревателем 8 и корпусом внешнего цилиндрического стакана 9.

Датчик угла наклона работает следующим образом.

Глубинный прибор, в котором вдоль оси размещен датчик, опускают в скважину на каротажном кабеле и устанавливают его неподвижно для проведения измерений угла наклона ствола скважины последовательно в каждой из точек наблюдения. Перед началом измерений включает электронагреватель 6 для превращения сплава Вуда 4 в жидкое состояние. В зависимости от изменения величины зенитного угла будет устанавливаться на такой же угол уровень 10 жидкого металла 4 относительно оси датчика. При этом в зависимости от зенитного угла жидкий металл 4 будет соответственно замыкать определенную часть резисторного элемента 5, причем, чем больше зенитный угол, тем большая часть резисторного элемента будет замкнута жидким металлом.

Путем измерения электрического сопротивления незамкнутой части резисторного элемента 5, используя соответствующий калибровочный график ϕ^°= f(R) , определяют значение зенитного угла ϕ^° .

Круговая полость 3 корпуса между внешним 1 и внутренним 2 цилиндрами частично заполнена жидким металлом 4. На наружной поверхности цилиндра 2 размещен резисторный элемент 5, электрически контактирующий в процессе измерений с жидким металлом 4, который нагревается с помощью электронагревателя 6 до температуры, превышающей температуру его плавления, электрические выводы 7, 8, 9 датчика соединены соответственно с резисторным элементом, электронагревателем и цилиндром 1. Измеряя электрическое сопротивление незамкнутой части резисторного элемента 5 и используя калибровочный график ϕ^o=f(R), определяют значение зенитного угла. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Датчик угла наклона скважины, содержащий корпус из двух коаксиально расположенных цилиндрических стаканов с образованием между ними герметичной круговой полости, частично заполненной жидким металлом, отличающийся тем, что он снабжен расположенным на наружной поверхности внешнего цилиндрического стакана вдоль него электронагревателем и резисторным элементом, выполненным в виде однорядной спиральной обмотки, расположенной на наружной поверхности внутреннего цилиндрического стакана вдоль него, при этом в качестве жидкого металла использован расплавленный легкоплавкий сплав, внешний цилиндрический стакан выполнен из электропроводного материала, в внутренний - из изоляционного материала. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве легкоплавкого сплава использован сплав Вуда.