ГИРОСКОПИЧЕСКАЯ ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ БУРЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01C9/00 E21B47/22 

Изобретение относится к средствам геофизических исследований скважин, может быть использовано в качестве телеметрической системы в скважинах любого профиля как обсаженных, так и не обсаженных, включая скважины в районе Крайнего Севера на широте до 80^o без использования магнитного поля Земля.

Известен гироскопический инклинометр, содержащий два двухстепенных гироскопа угловой скорости, установленных на узле демпфирования, который выполнен в виде трехосного карданова подвеса (см.патент РФ N 2000544 кл.G 01 C 21/00 опубл.07.09.93).

Основным, наиболее существенным, недостатком этого инклинометра является сложность и длительность его выставки по азимуту на поверхности Земли и значительный в процессе спуска и работы дрейф.

Известен также гигроскопический инклинометр ИГ-36 (Чехословакия), содержащий трехстепенной свободный гироскоп в карданном подвесе (см. В.Х. Исаченко, Инклинометрия скважин. М.: Недра, 1987, с.79).

Однако этот инклинометр также не является компасом и требует начальной выставки его главной оси по курсу на поверхности Земли.

Однако его преимуществом перед указанными выше инклинометрами является возможность измерения азимута во время бурения и небольшой наружный диаметр.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является гироскопическая инклинометрическая система, содержащая наземную аппаратуру и связанный с ней каротажным кабелем скважинный прибор, в корпусе которого жестко закреплены блок двухкомпонентного динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ) и блок двухкомпонентного акселерометра, соответствующие оси чувствительности которых параллельны между собой и перпендикулярны к продольной оси скважинного прибора (см.например, патент РФ N 2004786 кл. E 21 B 47/12 опубл.1995).

Однако он не может быть использован для измерения азимута во время бурения, в связи с малым диапазоном измерения угловой скорости.

Целью изобретения является измерение азимута во время бурения без выставки на поверхности Земли в скважинах малого диаметра.

Поставленная цель достигается тем, что гироскопическая инклинометрическая система контроля параметров бурения, содержащая наземный блок, соединенный каротажным кабелем со скважинным приборов в кожухе, содержащим двухкомпонентный гироскопический датчик угловой скорости, в кожухе, заполненном поддерживающей жидкостью, установлен поплавок, в котором размещены один или два двухкомпонентных гироскопических датчика угловой скорости, выполненных герметичными, одна ось чувствительности двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости перпендикулярна оси кожуха, а другая расположена под углом 45^o к оси кожуха, первый торец поплавка выполнен с герметичным отверстием и оперт на подпружиненный сильфон, за которым установлен герметичный разъем, соединенный жгутом, пропущенным через герметичное отверстие с двухкомпонентным гироскопическим датчиком угловой скорости, во втором торце поплавка с его внутренней стороны расположены один за другим первый теплоотвод и теплоохлаждающая батарея, второй торец поплавка снаружи оперт на второй теплоотвод, за которым последовательно размещены сильфон, заполненный воздухом, и ниппель, при этом электрические выводы теплоохлаждающей батареи через герметичное отверстие подключены к герметичному разъему.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена конструкция части скважинного прибора; на фиг.2 представлено расположение двух двухкомпонентных гироскопических датчиков угловой скорости при измерении азимута в диапазоне от 0^o до 360^o при измерении зенитного угла от 0 до 180^o.

Вся гироскопическая инклинометрическая система контроля параметров бурения не изображена на чертеже, т.к. является тривиальной.

Скважинный прибор содержит: заполненный поддерживающий жидкостью защитный кожух 1, в котором установлен поплавок 2, внутри которого установлены один или два герметичных двухкомпонентных гироскопических датчика 3 угловой скорости.

Один торец поплавка 2 выполнен с герметичным отверстием 4, этот торец поплавка 2 опирается на подпружиненный сильфон 5, который жестко связывает поплавок 2 с кожухом 1, за сильфоном 5 размещен герметичный разъем 6, в другом торце поплавка 2 размещены один за другим теплоотвод 7 алюминиевый и теплоохлаждающая батарея 8, а за этим торцом поплавка 2 расположен теплоотвод 9 медный, припаянный к кожуху 1. За теплоотводом 9 установлен сильфон 10, заполненный воздухом под давлением, и ниппель 11 для вакуумирования блока и заполнения его поддерживающей жидкостью.

Герметичное отверстие 4 служит для пропускания провода от двухкомпонентного гироскопического датчика 3 угловой скорости и от теплоохлаждающей батареи 8 к герметичному разъему 6, от которого вся информация передается в электронный блок (на чертеже не показан) по каротажному кабелю информация передается на наземный блок, с которого по кабелю подается питание в скважинный блок 3.

Гироскопическая инклинометрическая система контроля параметров бурения работает следующим образом.

Измерение азимута ствола скважины во время бурения осуществляется с помощью двухкомпонентного гироскопического датчика 3 угловой скорости. Происходит измерение одновременно при прямом и обратном включении по двум ортогональным осям чувствительности.

Это исключает появления ошибок от небаланса масс в связи с тем, что случайная составляющая дрейфа датчика 3 угловой скорости от включения к включению не превышает 0,12^o/час.

Оси чувствительности двухкомпонентного гироскопического датчика 3 угловой скорости расположены - одна перпендикулярна к оси защитного кожуха 1, а другая под углом 45^o к его оси, что обеспечивает возможность измерения азимута от 0 до 360^o в диапазоне зенитного угла от 0 до 100^o с одним датчиком и от 0^o до 180^o с двумя датчиками (см. фиг.2), а также угол установки отклонения при вертикальном положении колонны за счет измерения проекции угловой скорости на ось чувствительности двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости, расположенной под углом 45^o к оси корпуса.

Поскольку двухкомпонентный гироскопический датчик 3 угловой скорости прибор прецизионный и рассчитан на работу при перегрузках, не превышающих 5 g, которые в 5 - 10 раз меньше реальных перегрузок, возникающих при бурении, то для его точной работы необходимо создать условия. Поэтому, для того чтобы датчик обеспечивал необходимую точность в течение длительного времени работы необходимо обеспечить его амортизацию. Для чего применен защитный кожух 1, в котором установлен поплавок 2 с двухкомпонентным гироскопическим датчиком 3 угловой скорости. Поплавок в данном случае выполняет роль амортизатора. Для обеспечения свободного перемещения поплавка 2 применены сильфоны 10 и 5, расположенные с двух сторон от поплавка 2. Сильфон 10 заполнен воздухом под давлением, а сильфон 5 подпружинен.

Осевая амортизация происходит за счет сжатия одного сильфона и растяжение другого без перетекания жидкости через узкий зазор между защитным кожухом 1 и поплавком 2. При действии осевого удара поплавок 2 перемещается внутри кожуха, создавая с одной стороны повышенное давление, а с другой - пониженное. При этом сильфон 10 уменьшает свой объем за счет сжатия воздуха, а другой 5 - увеличивает, обеспечивая перемещения поплавка. Кроме того, эти сильфоны 5 и 10 компенсируют тепловое расширение жидкости.

Во время бурения температура в скважине повышается до +100^oC и более градусов, на что не рассчитан двухкомпонентный гироскопический датчик угловой скорости, имеющий встроенную систему термостатирования, рассчитанную на поддержание температуры +75^oC при окружающей +70^oC. В связи с чем необходимо иметь температуру на корпусе датчика не более +70^oC.

Задача внешнего термостатирования двухкомпонентного гироскопического датчика 3 угловой скорости решается с помощью термоохлаждающей батареи 8, работающей на эффекте Пельтье. Термоохлаждающая батарея 8 со стороны теплоотвода 7 является "холодной", с другой стороны теплоотвода 9 - "горячей", температура которой выше температуры окружающей среды, причем более "горячей" чем окружающая среда.

Двухкомпонентный гироскопический датчик угловой скорости имеет две ортогонально расположенные оси чувствительности, на которые проектируется горизонтальная составляющая угловой скорости Земли, что позволяет измерять азимут без выставки на поверхности Земли при жестко закрепленном на корпусе датчике, а расположение датчика под углом 45^o позволяет производить измерение в скважинах малого диаметра 73 мм и более. Эта информация, а также информация с других датчиков инклинометра передается по каротажному кабелю на наземный блок.

Изобретение относится к средствам геофизических исследований скважин и может быть использовано в качестве телеметрической системы в скважинах любого профиля как обсаженных, так и не обсаженных, включая скважины в районе Крайнего Севера на широте до 80^o без использования магнитного поля Земли. Скважинный прибор содержит заполненный поддерживающей жидкостью кожух, в котором установлен поплавок с размещенными в нем одним или двумя герметичными двухкомпонентными гироскопическими датчиками угловой скорости. Один торец поплавка выполнен с герметичным отверстием. Этот торец поплавка опирается на подпружиненный сильфон, который связывает поплавок с кожухом. За сильфоном размещен герметичный разъем, в другом торце поплавка с внутренней его стороны размещены один за другим алюминиевый теплоотвод и теплоохлаждающая батарея. За этим торцом поплавка расположен медный теплоотвод, припаянный к кожуху. За теплоотводом установлен сильфон, заполненный воздухом под давлением и ниппель для вакуумирования блока и заполнения его поддерживающей жидкостью. Герметичное отверстие служит для пропускания провода от двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости и от теплоохлаждающей батареи к герметичному разъему, от которого по каротажному кабелю информация передается на наземный блок, а с него подается питание. Обеспечено измерение азимута во время бурения без выставки нуля на поверхности Земли в скважинах малого диаметра. 2 ил.

Гироскопическая инклинометрическая система контроля параметров бурения, содержащая наземный блок, соединенный каротажным кабелем со скважинным прибором в кожухе, содержащим двухкомпонентный гироскопический датчик угловой скорости, отличающаяся тем, что в кожухе, заполненном поддерживающей жидкостью, установлен поплавок, в котором размещены один или два герметичных двухкомпонентных гироскопических датчика угловой скорости, выполненных герметичными, одна ось чувствительности двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости перпендикулярна оси кожуха, а другая расположена под углом 45^o к оси кожуха, первый торец поплавка выполнен с герметичным отверстием и оперт на подпружиненный сильфон, за которым установлен герметичный разъем, соединенный жгутом, пропущенным через герметичное отверстие, с двухкомпонентным гироскопическим датчиком угловой скорости, во втором торце поплавка с его внутренней стороны расположены один за другим первый теплоотвод и теплоохладительная батарея, второй торец поплавка снаружи оперт на второй теплоотвод, за которым последовательно размещены сильфон, заполненный воздухом, и ниппель, при этом электрические выводы теплоохлаждающей батареи через герметичное отверстие подключены к герметичному разъему.