ИНКЛИНОМЕТР Российский патент 1998 года по МПК G01C9/16 E21B47/22 

Изобретение относится к горной промышленности и к геофизике, конкретно - к устройствам, позволяющим определять значения азимутальных и зенитных углов в глубоких скважинах при наклонно-направленном бурении нефтяных, газовых, геологоразведочных скважин.

Известен гироскопический инклинометр (А.с. 1002551, кл. E 21 B 47/02, Б N 9, 1983), содержащий корпус, трехстепенный гироскоп, два датчика углов поворотов, закрепленных на подвижной эксцентрической рамке, измерительный датчик угловой скорости, моментный двигатель, преобразовательный блок и два цифровых фазометра, причем датчик угловой скорости установлен на наружной рамке трехстепенного гироскопа так, что его ось чувствительности расположена перпендикулярно вектору кинетического момента трехстепенного гироскопа, его выход соединен с моментным двигателем, статор которого размещен на наружной рамке гироскопа, а ротор - на внутренней.

Недостатком данного инклинометра являются большие сложность конструкции и стоимость из-за необходимости применения двух прецизионных гироскопов - трехстепенного и двухстепенного.

Известен автономный гироскопический инклинометр (N 2541366, кл. E 21 B 42/022, 1985), содержащий закрепленные на корпусе зонда трехкомпонентный акселерометр, двухкомпонентное лазерное гироскопическое устройство с ортогональными осями чувствительности, перпендикулярными оси скважины, преобразователь и компьютер, алгоритм функционирования которого включает фильтр Калмана. Компьютер определяет координаты местоположения и углы ориентации зонда.

Недостатком данного устройства является высокая стоимость и низкая точность определения азимутального угла.

Известен инклинометр (А.с. 804822, кл. E 21 B 47/02, Б N 6, 1981), содержащий корпус, датчики магнитного поля, маятниковые кардановы подвесы и груз-эксцентрик, причем три ортогональных магнитометра установлены в наружной рамке с эксцентриком, обеспечивающим установку наружной рамки в апсидальной плоскости, а два других магнитометра установлены на двух маятниках, оси подвесов которых параллельны между собой и перпендикулярны плоскости эксцентрика, при этом ось чувствительности магнитометра, расположенного на верхнем маятнике, параллельна плечу маятника, а ось чувствительности магнитометра, укрепленного на нижнем маятнике, лежит в апсидальной плоскости и перпендикулярна плечу этого маятника.

Известен магнитометрический многоточечный инклинометр (ИММ) (Техническое описание и инструкция по эксплуатации инклинометра магнитометрического многоточечного ИММ 73 - 120/60. АЯЖ 1.000.018. ТО, М-во топлива и энергетики РФ, ассоциация "Нефтегазгеофизика" НПФ "Геофизика", г. Уфа, - 1990, 104 с.), который содержит корпус и чувствительный элемент, выполненный в виде немагнитной поплавковой камеры, опоры подвеса которой расположены по продольной оси корпуса инклинометра и которая имеет маятник, плечо которого перпендикулярно оси подвеса поплавковой камеры, на корпусе этой камеры с помощью опор подвеса установлены еще два немагнитных поплавка, оси подвесов которых перпендикулярны плоскости, включающей ось подвеса поплавковой камеры и плечо ее маятника, при этом поплавки имеют маятники, плечи которых перпендикулярны осям их подвесов, зазоры между поплавками и поплавковой камерой и корпусом заполнены поддерживающей жидкостью, верхний из маятников содержит синусно-косинусный вращающийся трансформатор, обеспечивающий возможность преобразования угла поворота верхнего поплавка, называемого зенитным, в электрические сигналы, пропорциональные его синусу и косинусу, а на нижнем поплавке установлены два магнитометра, измерительная ось первого из них параллельна оси подвеса этого поплавка, а измерительная ось второго магнитометра перпендикулярна оси подвеса этого поплавка и плечу его маятника. С помощью этих магнитометров измеряются компоненты вектора напряженности магнитного поля Земли, а следовательно, азимутальный угол.

Известен инклинометр (патент США N 3587176, кл. G 01 C 9/16, 1971), содержащий зонд, в котором размещены верхний маятник, корпус верхнего маятника, нижний маятник, корпус нижнего маятника, статор, ротор и вычислительный блок, при этом верхний маятник установлен над нижним маятником. Данное устройство является наиболее близким аналогом заявленному инклинометру.

В инклинометре по патенту США не удается максимально уменьшить диаметр при одновременном обеспечении больших величин маятниковостей у маятников, что необходимо при высокой точности измерения углов зенита и азимута.

Данный недостаток может быть значительно уменьшен путем такой установки двух маятников, при которой оси их подвесов параллельны оси зонда инклинометра, а трехкомпонентный магнитометр, не имеющий карданова подвеса, установить в зонде инклинометра. Как известно, диаметр маятника обычно значительно меньше его длины.

Задачей изобретения является снижение диаметра зонда инклинометра. Поставленная задача решается за счет того, что в инклинометр, содержащий зонд, в котором размещены верхний маятник, корпус верхнего маятника, нижний маятник, корпус нижнего маятника, статор, ротор и вычислительный блок, введены трехкомпонентный магнитометр, установленный на зонде, пружина для связи нижнего маятника с его корпусом, датчик угла, размещенный на оси нижнего маятника, и демпфер нижнего маятника, при этом верхний маятник свободно подвешен в своих опорах и имеет неограниченный угол поворота, на верхнем маятнике установлен ротор, а на корпусе верхнего маятника - статор синусно-косинусного вращающегося трансформатора, оси подвесов маятников соосны с продольной осью зонда, измерительная ось нижнего маятника, перпендикулярная его плечу и оси подвеса, совпадает с одной из поперечных осей зонда, причем выходы трехкомпонентного магнитометра, синусно-косинусного вращающегося трансформатора и датчика угла соединены с соответствующими входами вычислительного блока.

На фиг. 1 изображен инклинометр; на фиг. 2 представлены схемы поворотов координатных трехгранников; на фиг. 3 - углы поворотов β₁ и β₂ верхнего и нижнего маятников соответственно.

Инклинометр состоит из зонда 1, с которым связан правый ортогональный трехгранник OXYZ, причем OY - продольная ось, а OX и OZ - поперечные оси. Внутри зонда 1 установлен верхний маятник 2, ось подвеса 3 которого совпадает с продольной осью зонда 1. Корпус 4 верхнего маятника 2 закреплен на зонде 1. На подвесе 3 верхнего маятника 2 закреплен ротор 5, а на корпусе 4 - статор 6 датчика угла, выполненного в виде синусно-косинусного вращающегося трансформатора с соответствующими выходными обмотками 7 и 8. Плечо l₁ верхнего маятника 2 направлено по оси OX и представляет собой расстояние от его центра масс до оси подвеса.

Под верхним маятником 2 (по направлению силы тяжести) расположен нижний маятник 9, причем ось его подвеса 10 совпадает с осью подвеса верхнего маятника 2. Нижний маятник 9 выполнен в виде акселерометра, например, с механической пружиной для связи нижнего маятника с его корпусом (В точных инклинометрах может быть применена "электрическая пружина", то есть может быть использован компенсационный принцип измерения). Это реализовано тем, что подвес 10 связан через посредство рычага 11 и пружин 12 с корпусом 13 маятника 9. В свою очередь, корпус 13 маятника 9 закреплен на зонде 1. Плечо l₂ маятника 9 направлено вдоль оси OZ. На подвесе 10 маятника 9 размещен ротор 14, а на корпусе 13 маятника 9 - статор 15 датчика угла, включающего соответствующие выходные обмотки 16 и 17. В качестве датчика угла маятника 9 может быть применен либо синусно-косинусный вращающийся трансформатор, либо датчик индукционного типа. На подвесе 10 маятника 9 и на его корпусе 13 размещены элементы демпфера (не показаны). Конструктивно маятники выполняют, например, в виде поплавков с гидростатической разгрузкой опор шарикоподшипникового или другого типа. В маятниках 2 и 9 жидкость и поплавки выполняют роль демпферов. Маятниковость создается, например, за счет эксцентрического изготовления поплавка по отношению к цапфам поплавка (См., например, с. 22 - 23 книги Коновалова С.Ф. и др. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. Ч. III. - М.: Высшая школа, 1980, 128 с.).

Верхний маятник 2 свободно подвешен в своих опорах и имеет неограниченный угол поворота вокруг оси OY. Трехкомпонентный магнитометр 18 может быть индукционным прибором аналогично прибору ИД-6, лишенному карданова подвеса. Вычислитель 19 может быть выполнен на основе микропроцессора, например, 1821BM85, 1834BM86 или аналогичных. Номером 20 показана немагнитная обсадная труба скважины или стенка необсаженной скважины. Выходные обмотки 7 и 8 синусно-косинусного вращающегося трансформаторного датчика угла маятника 2, выходные обмотки 16 и 17 датчика угла маятника 9 и выходы магнитометра через блоки сопряжения (не показаны) соединены с вычислительным блоком 19, выходы которого через кабель соединены с потребителями на поверхности Земли.

Работает устройство при наличии зенитного угла , угловых градусов, фиг. 2. На фиг. 2 изображены: 0ξηζ - географический правый ортогональный трехгранник, ось 0ξ которого направлена на север, а ось 0η - по вертикали в зенит; ψ,θ - углы азимута и зенита скважины, а γ - угол собственного вращения корпуса инклинометра l; g - ускорение силы тяжести; 0ξ_mη_mζ_m - магнитогеографический трехгранник, ось 0η_m которого совпадает с осью 0η , а ось 0ξ_m направлена на север, составляя с осью 0ξ угол магнитного склонения Δψ; ϕ - широта местонахождения скважины; - компоненты вектора напряженности магнитного поля Земли. На фиг. 3 изображены повороты правых ортогональных трехгранников o_i, u_i, v_i, w_i (i = 1,2), связанных с маятниками 2 и 9 соответственно, на углы β_i (i = 1,2). При этом угол β₁ не ограничен, а угол β₂ является малым.

При наличии зенитного угла θ и угла собственного вращения γ момент силы от ускорения силы тяжести g установит плечо маятника 2 по линии действия проекции ускорения силы тяжести (в апсидальной плоскости), следовательно, проекция W_ω1 ускорения силы тяжести g на ось 0_ω1 равна нулю, т.е.

W_ω1= W_zcosβ_i+W_xsinβ_i= 0 (1)
Из фиг. 2 следует, что проекции ускорения силы тяжести g на оси O₁X и O₁Z равны:
W_1x= g sinθcosγ; W_1z= g sinθsinγ (2)
Подставив (2) в (1), получаем:
tgβ₁= -W_1z/W_1x= -tgγ; β₁= -γ (3)
Этим показано, что угол поворота маятника 2 относительно зонда 1 равен по величине углу собственного вращения зонда, но с обратным знаком. Этот угол преобразуется синусно-косинусным вращающимся трансформаторным датчиком угла в электрические сигналы, пропорциональные sinβ₁, cosβ₁, , которые подаются в вычислительный блок 19.

В маятнике 9 происходит следующий процесс. Под действием момента силы от проекции ускорения g на ось O₂U₂ происходит поворот маятника 9 относительно зонда 1 на угол β₂ до тех пор, пока этот момент не уравновесится моментом силы от пружины 12. В установившемся режиме имеем:

где
K_n - жесткость пружины; m₂l₂ - маятниковость нижнего маятника 9.

Угол β₂ преобразуется датчиком угла маятника 9 в электрический сигнал, который подается в вычислительный блок 19. В вычислительном блоке 19 по алгоритму, полученному из (1) - (4) и имеющему вид

определяется зенитный угол θ . Сигналы углов θ и γ используются в вычислителе также для определения азимутального угла скважины по алгоритму:
,
где ψ_m - магнитный азимут зонда, T_x, T_y, T_z - сигналы трехкомпонентного магнитометра по осям OX, OY, OZ соответственно. Истинный, географический азимут, как следует из фиг. 2, определяется в вычислительном блоке 19 по алгоритму:
ψ = ψ_m+Δψ, (8)
где Δψ определяется из карты магнитных склонений.

Отметим, что при отсчете угла азимута по часовой стрелке знак угла ϕ нужно изменить на обратный.

Достоинством предложенного инклинометра является возможность значительного уменьшения его диаметра, что требуется для обследования скважин малого диаметра, а также устранение в верхнем маятнике и алгоритмическая компенсация погрешностей перекрестной связи в нижнем маятнике по алгоритму (6).

Инклинометр предназначен для определения углов азимута и зенита обсаженных немагнитными трубами или необсаженных скважин. Инклинометр содержит зонд, в котором размещены верхний маятник, нижний маятник, статор, ротор и вычислительный блок. На зонде размещен трехкомпонентный магнитометр, имеется пружина для связи нижнего маятника с его корпусом. Датчик угла размещен на оси нижнего маятника, который содержит демпфер. Верхний маятник свободно подвешен в своих опорах и имеет неограниченный угол поворота. На верхнем маятнике установлен ротор. На корпусе верхнего маятника размещен статор синусно-косинусного вращающегося трансформатора. Оси подвесов маятников соосны с продольной осью зонда. Измерительная ось нижнего маятника, перпендикулярная его плечу и оси подвеса, совпадает с одной из поперечных осей зонда. Выходы трехкомпонентного магнитометра, синусно-косинусного вращающегося трансформатора и датчика угла соединены с соответствующими входами вычислительного блока. 3 ил.

Инклинометр, содержащий зонд, в котором размещены верхний маятник, корпус верхнего маятника, нижний маятник, корпус нижнего маятника, статор, ротор и вычислительный блок, отличающийся тем, что введены трехкомпонентный магнитометр, установленный на зонде, пружина для связи нижнего маятника с его корпусом, датчик угла, размещенный на оси нижнего маятника, и демпфер нижнего маятника, при этом верхний маятник свободно подвешен в своих опорах и имеет неограниченный угол поворота, на верхнем маятнике установлен ротор, а на корпусе верхнего маятника - статор синусно-косинусного вращающегося трансформатора, оси подвесов маятников соосны с продольной осью зонда, измерительная ось нижнего маятника, перпендикулярная его плечу и оси подвеса, совпадает с одной из поперечных осей зонда, причем выходы трехкомпонентного магнитометра, синусно-косинусного вращающегося трансформатора и датчик угла соединены с соответствующими входами вычислительного блока.