СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗЕНИТНОГО И ВИЗИРНОГО УГЛОВ Российский патент 1998 года по МПК E21B47/02 

Изобретение относится к области промысловой геофизике и может быть использовано для определения зенитного и визирного углов траектории скважины и скважинных объектов.

Известен способ определения зенитного и визирного углов, включающий измерение сигналов с датчиков угла поворота, установленных на осях вращения одностепенных маятников, расположенных в корпусе скважинного прибора так, что оси вращения маятников и продольная ось корпуса прибора образуют прямоугольную систему координат, и определение зенитного и визирного углов по измеренным сигналам [1].

Кроме того известен способ определения зенитного и визирного углов, реализованный в устройстве [2], в котором измеряют сигналы с датчиков угловых перемещений, установленных на осях вращения одностепенных маятников, расположенных в корпусе преобразователя так, что оси их вращения и продольная ось корпуса образуют прямоугольную систему координат, а зенитный и визирный углы определяют по измеренным значениям сигналов с датчиков [2].

Недостатки аналогов следующие. Ограниченный диапазон измерений по зенитному углу (θ≤45^°), обусловленный тем, что при больших значениях зенитного угла (θ<45^°) устанавливающий момент одного из маятников в определенных диапазонах визирного угла может быть неэффективным, что приводит к большим погрешностям измерений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения зенитного и визирного углов, реализованный в устройстве [3], включающий установку в корпусе преобразователя трех одностепенных маятников с датчиками угловых перемещений, измерение сигналов с датчиков, дискретизацию диапазонов измерения, селективный выбор сигналов с двух датчиков из трех, устанавливающие моменты маятников которых в данных диапазонах являются наиболее эффективными, и определение зенитного и визирного углов по измеренным сигналам [3].

Недостатки прототипа: низкая точность определения зенитного θ и визирного ϕ углов, обусловленная тем, что при обработке результатов измерений не учитывают угловые параметры отклонения осей вращения маятников от ортонормированного базиса прямоугольной системы координат корпуса.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности определения зенитного и визирного углов путем учета априорно измеренных угловых параметров отклонения осей вращения маятников от базиса корпуса, характеризующих инструментальные погрешности.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения зенитного и визирного углов, реализованном в устройстве [3]; включающем установку в корпусе преобразователя трех одностепенных маятников с датчиками угловых перемещений, измерение сигналов с датчиков, дискретизацию диапазонов измерения, селективный выбор сигналов с двух датчиков из трех, устанавливающие моменты которых в данных диапазонах являются наиболее эффективными, и определение зенитного и визирного углов по измеренным сигналам, маятники устанавливают так, что оси их вращения ориентированы перпендикулярно продольной оси корпуса, а в проекциях на апсидальную плоскость - плоскость, перпендикулярную продольной оси корпуса, составляют между собой углы в 120^o, измеряют угловые параметры δ_i и χ_i(i = 1,2,3), характеризующие инструментальные погрешности, а зенитный θ и визирный φ углы определяют по измеренным значениям углов поворота маятников β_i ( i = 1, 2, 3) и численным значениям δ_i и χ_i (i = 1, 2, 3).

Пример конкретного выполнения способа. На фиг. 1 представлена реализация предложенного способа в преобразователе зенитного и визирного углов, содержащем корпус 1, три I м, II м, III м) одностепенных маятников 2, 3 и 4, на осях вращения которых установлены датчики угловых перемещений (ДУП) 5, 6 и 7, мультиплексор 8, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, телеметрическую линию связи 10, вычислительное устройство (ВУ) 11 и блок управления 12. Оси вращения маятников I м, II м и III м перпендикулярны продольной оси OO₁ корпуса 1, а их проекции на апсидальную плоскость (плоскость, перпендикулярную продольной оси OO₁) составляют между собой углы в 120^o. Прямоугольная система координат - базис (R₀ (O, X₀, Y₀, Z₀) связана с корпусом 1, а базисы R₁ (O, X₁, Y₁, Z₁), R₂ (O, X₂, Y₂, Z₂) и R₃ (O, X₃, Y₃, Z₃) связаны соответственно с первым (I м) маятником 2, вторым (II м) маятником 3 и третьим (III м) маятником 4, причем оси OX₁, OX₂ и OX₃ направлены вдоль осей вращения маятников и, кроме того, ось OX₁ совпадает с осью OX₀ базиса корпуса R₀ (O, X₀, Y₀, Z₀). В идеальном случае, т. е. при отсутствии углов отклонения осей вращения маятников δ_i и χ_i (i = 1, 2, 3) от осей OX₁, OX₂ и OX₃ их базисов, сигналы датчиков угловых перемещений или углы поворота маятников β₁,β₂ и β₃ связаны с искомыми зенитным θ и визирным φ углами следующей системой уравнений:

Анализ кинематической схемы данного преобразователя на основе трех одностепенных маятников с точки зрения физической природы маятника позволяет определить для каждого маятника диапазоны визитного φ угла при больших значениях зенитного θ угла (θ>45^°), в которых его устанавливающий момент становится неэффективен: для первого маятника I м 0 - 30, 150 - 210, 330 - 360^o; для второго маятника II м 30 - 90, 210 - 270^o; для третьего маятника III м 90 - 150, 270 - 330^o.

Поэтому в первом диапазоне искомые зенитный θ и визирный φ углы определяют по измеренным значениям β₂ и β₃ во втором диапазоне - по β₁ и β₃ в третьем диапазоне - по β₁ и β₂.
Сигналы β₁,β₂ и β₃ с датчиков угловых перемещений 5, 6 и 7 через мультиплексор 8 поступают на вход АЦП 9, где преобразуются в цифровые коды Q_i(i = 1, 2, 3), пропорциональные углам поворота маятников 2, 3 и 4 при их ориентировании по вектору силы тяжести при отклонении корпуса 1 от вертикали на зенитный угол θ и его повороте вокруг собственной оси на визирный угол φ, отсчитываемый в апсидальной плоскости относительно плоскости наклона.

Далее коды Q_i (i = 1, 2, 3) с выхода АЦП 9 через ТЛС10 поступают в ВУ11 для дальнейшей обработки результатов измерения. БУ12 отрабатывает управляющие команды на мультиплексор 8, АЦП 9 и ТЛС10.

При реальном изготовлении преобразователя и сборке в соответствии с разбросом технических и технологических параметров в пределах полей допусков возникают отклонения осей вращения маятников от осей OX_j, базисов R_j (j = 1, 2, 3), выражающиеся численными значениями углов δ_i и χ_i (i = 1, 2, 3), которые обусловливают возникновение инструментальных погрешностей измерения: δ₁ - угол отклонения оси вращения первого маятника от оси OX₁ в плоскости OX₁Z₁ базиса OX₁Y₁Z₁, связанного с первым маятником, параметр δ₂ - угол отклонения оси вращения второго маятника от оси OX₂ в плоскости OX₂Z₂ базиса OX₂Y₂Z₂, связанного со вторым маятником, параметр χ₂ - угол отклонения оси вращения второго маятника от оси OX₂ в плоскости OX₂Y₂ базиса OX₂Y₂Z₂, параметр δ₃ - угол отклонения оси вращения третьего маятника от оси OX₃ в плоскости OX₃Z₃ базиса OX₃Y₃Z₃, связанного с третьим маятником и параметр χ₃ - угол отклонения оси вращения третьего маятника от оси OX₃ в плоскости OX₃Y₃ базиса OX₃Y₃Z₃.

При ненулевых значениях δ_i и χ_i (i = 1, 2, 3) углы β₁,β₂ и β₃ поворота маятников 2, 3 и 4 связанны с определяемыми зенитным θ и визирным φ углами уравнениями:

где ψ = φ+120^°,ω = φ-120^°.
Искомые углы θ и φ в соответствии с данными уравнениями в дискретизированных диапазонах визирного угла с учетом того, что величины δ_i и χ_i малы, т. е. sinδ_i≈ δ_i, cosδ_i= cosχ_i≈ 1, sinχ_i≈ χ_i определяют следующим образом: в первом диапазоне φ 0-30^o, 150-210^oC, 330-360^oC


во втором диапазоне φ 30-90^o, 210-270^o


в третьем диапазоне φ 90-150^o, 270-330^o


Угловые параметры δ_i и χ_i (i = 1, 2, 3), входящие в данные выражения, определяют априорно в следующей последовательности. Задают корпусу 1 зенитный угол θ, равный 45^o, и вращают вокруг продольной оси ОО1 до достижения нулевого сигнала с ДУП4 первого (1 м) маятника 2 (т.е. до достижения β₁= 0). Это пространственное положение принимают за начало отсчета визирного угла (φ = 0). Затем поворачивают корпус 1 в положительном направлении на 90^o. При этом сигнал с ДУП4 будут соответствовать

откуда находят угловой параметр δ₁:

Далее поворачивают корпус до положения φ = -120^°.
При этом измеряют значение β₂₁:

из которого находят, ограничиваясь первым приближением, параметр χ₂:
χ₂= tgβ₂₁.
Затем, корпус преобразователя вращают в положительном направлении, устанавливают φ = -30^° и измеряют значение β₂₂:

из которого находят значение угла δ₂:

Угловые параметры χ₃ и δ₃ определяют по значениям β₃₁ и β₃₂ по аналогичной методике, задавая соответствующие повороты корпуса преобразователя на углы φ = 120^° и φ = 30^°:

χ₃= tgβ₃₁;


Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить точность определения зенитного θ и визирного φ углов путем априорного измерения угловых параметров δ_i и χ_i (i = 1, 2, 3), обусловливающих инструментальные погрешности, и их дальнейшего учета при обработке результатов измерений углов поворота маятников β_i (i = 1, 2, 3).

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 933968, кл. E 21 B 47/022, 1981.

2. Авторское свидетельство СССР N 1298363, кл. E 21 B 47/02, 1987.

2. Авторское свидетельство СССР N 1328497, кл. E 21 B 47/02, 1987 (прототип).

Способ определения зенитного и визирного углов применяется в промысловой геофизике для определения траектории скважинных объектов. Устанавливают в корпусе три одностепенных маятника с датчиками угловых перемещений, измеряют соответствующие сигналы этих перемещений и выбирают два значения из трех измеренных сигналов в дискретизованных диапазонах визирного угла ϕ, ориентируют оси вращения маятников перпендикулярно продольной оси корпуса и под углом 120° друг к другу в проекциях на аспидальную плоскость, измеряют символизирующий инструментальные погрешности угол отклонения оси вращения каждого i маятника относительно оси ОХ_i в плоскости ОХ_iZ_i базиса OX_iY_iZ_i, связанного с соответствующим i-м маятником. Определяют зенитный и визирный углы с учетом угловых перемещений и углов отклонений из соответствующих математических выражений для каждого из трех диапазонов визирного угла 0-30°, 150 - 210°, 330 - 360°; 30-90°, 210 -270°; 90 - 150°, 270 - 330°. Предложенный способ позволяет повысить точность определения зенитного и визирного углов путем учета угловых параметров, характеризующих инструментальные погрешности. 1 ил.

Способ определения зенитного и визирного углов, включающий установку в корпусе трех одностепенных маятников с датчиками угловых перемещений, измерение сигналов с датчиков угловых перемещений β₁, β₂ и β₃, селективный выбор значений, измеренных с двух маятников из трех, в дискретизованных диапазонах визирного угла и определение зенитного и визирного углов по измеренным значениям сигналов с датчиков угловых перемещений, отличающийся тем, что маятники устанавливают так, что оси их вращения ориентированы перпендикулярно продольной оси корпуса, а в проекциях на апсидальную плоскость составляют между собой углы в 120^o, измеряют параметр δ₁ - угол отклонения оси вращения первого маятника от оси OX₁ в плоскости OX₁Z₁ базиса OX₁Y₁Z₁, связанного с первым маятником, параметр δ₂ - угол отклонения оси вращения второго маятника от оси OX₂ в плоскости OX₂Z₂ базиса OX₂Y₂Z₂, связанного с вторым маятником, параметр χ₂ - угол отклонения оси вращения второго маятника от оси OX₂ в плоскости OX₂Y₂ базиса OX₂Y₂Z₂, параметр δ₃ - угол отклонения оси вращения третьего маятника от оси OX₃ в плоскости OX₃Z₃ базиса OX₃Y₃Z₃, связанного с третьим маятником, и параметр χ₃ - угол отклонения оси вращения третьего маятника от оси OX₃ в плоскости OX₃Y₃ базиса OX₃Y₃Z₃, а зенитный θ и визирный ϕ углы определяют следующим образом: в первом диапазоне 0 - 30, 150 - 210, 330 - 360^o


во втором диапазоне 30 - 90, 210 - 270^o


в третьем диапазоне 90 - 150, 270 - 330^o

t