ИНКЛИНОМЕТР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК G01R33/02 E21B47/02 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в нефтепромысловой геофизике для определения углового положения буровой скважины и корпуса инклинометра, а также в геомагнитной навигации для определения курса судна.

Известно устройство для определения углового положения буровой скважины (Ковшов Г. Н. , Сергеев А.Н. Цифровой преобразователь азимута с непрерывной регистрацией. /Геофизическая аппаратура. Л.: Недра, 1980, вып. 70, с. 110-115). Известное устройство состоит из наземного пульта и корпуса инклинометра (скважинного снаряда) с размещенными в нем наружной карданной рамкой с эксцентричным смещением центра тяжести, ось которой коаксиальна продольной оси цилиндрического корпуса инклинометра, корпусом внутренней карданной рамки, закрепленным на оси наружной карданной рамки, внутренней карданной рамки, ось которой закреплена на корпусе этой же рамки, двумя феррозондами с взаимно ортогональными осями чувствительности к вектору магнитной индукции, один из которых закреплен во внутренней карданной рамке с возможностью удержания оси этого феррозонда в горизонтальной плоскости и перпендикулярно оси вращения внутренней рамки, а второй феррозонд закреплен в наружной карданной рамке. Наземный пульт известного устройства состоит из источника стабильной частоты, двух идентичных каналов обработки сигналов с феррозондов и устройства преобразования сигнала азимута в градусной мере.

Известное устройство работает следующим образом. Продольная ось инклинометра, находящегося в буровой скважине, совпадает с направлением скважины. В наклонной скважине наружная карданная рамка, поворачиваясь, устанавливает ось вращения внутренней карданной рамки перпендикулярно к плоскости наклона скважины. После того, как рамки установятся, оси обоих феррозондов будут находиться в горизонтальной плоскости, при этом ось феррозонда, закрепленного в наружной рамке, будет перпендикулярна плоскости наклона, а ось второго феррозонда - параллельна плоскости наклона, которая проходит через продольную ось инклинометра и вертикальную ось, пересекающую продольную ось инклинометра. С помощью источника стабильной частоты осуществляется перемагничивание магниточувствительных элементов феррозондов. В результате этого под действием горизонтальной составляющей геомагнитного поля в феррозондах возникают информационные напряжения вторых гармоник, амплитуды которых пропорциональны синусу и косинусу азимутального угла. Эти напряжения усиливаются, детектируются и модулируются двумя каналами обработки сигналов феррозондов. Промодулированные сигналы подаются на устройство преобразования сигнала в азимутальный угол в градусной мере, регистрация которого осуществляется блоком индикации этого устройства.

Известное устройство отличается сложностью конструкции, в состав которого входят два феррозондовых магнитометра и система двух подвижных элементов, чувствительных к вектору силы тяжести, выполненных в виде двух карданных рамок, которые с закрепленными на них феррозондовыми датчиками должны быть тщательно установлены по плавучести и дифференту. Погрешности балансировки карданных рамок, отклонение каждой из рамок от положения равновесия в процессе бурения скважины и частоты собственных колебаний рамок - все это приводит к погрешности определения углового положения корпуса известного устройства, а, значит, и углового положения скважины, в частности азимутального угла скважины (Ковшов Г.Р., Солонина Н.Н. Увеличение виброустойчивости преобразователя угла установки отклонения. /Геофизическая аппаратура. Л.: Недра, 1984, вып. 79, с. 105-109).

Известен инклинометр (авт. св. N 804822, 1981, БИ N 6), который по совокупности существенных признаков наиболее близок предлагаемому и принят за прототип. Известный инклинометр состоит из корпуса инклинометра; трехкомпонентного магниточувствительного датчика, размещенного в карданной рамке с одной степенью свободы относительно вращения этой рамки вокруг продольной оси корпуса инклинометра; груза-эксцентрика, закрепленного к карданной рамке; двух карданных подвесов, закрепленных на упомянутой карданной рамке с одной степенью свободы; двух однокомпонентных магниточувствительных датчиков, каждый из которых размещен на соответствующем карданном подвесе. При этом один однокомпонентный датчик размещен на карданном подвесе с возможностью измерения горизонтальной, а второй однокомпонентный датчик размещен на втором карданном подвесе с возможностью измерения вертикальной составляющих вектора магнитной индукции геомагнитного поля. С помощью груза-эксцентрика одна из осей чувствительности трехкомпонентного датчика ориентирована соосно продольной оси корпуса инклинометра, а вторая ось чувствительности этого датчика перпендикулярна осям чувствительности датчиков, размещенных на карданных подвесах. Все рамки с датчиками размещены в корпусе инклинометра.

Известный инклинометр работает следующим образом. Под действием груза-эксцентрика, жестко связанного с карданной рамкой, которая может вращаться вокруг продольной оси корпуса инклинометра, трехкомпонентный датчик устанавливается так, что одна ось чувствительности датчика остается соосной с продольной осью корпуса инклинометра, вторая ось чувствительности трехкомпонентного датчика будет перпендикулярна к продольной оси корпуса инклинометра, а значит и к оси скважины и находится в плоскости наклона корпуса инклинометра (в плоскости наклона скважины), а третья ось чувствительности этого датчика остается ортогональной к первой и второй осям. Один из однокомпонентных датчиков находится в карданном подвесе и под действием груза устанавливается вертикально, а второй однокомпонентный датчик находится на втором карданном подвесе и под действием груза занимает горизонтальное положение. Таким образом, в известном инклинометре осуществляется измерение вертикальной и двух взаимно ортогональных горизонтальных составляющих вектора магнитной индукции геомагнитного поля. Вертикальная ось первого однокомпонентного датчика коллинеарна оси, выбранной опорной системы координат, направленной вниз. Вторая ось, выбранной опорной системы координат, направлена по касательной к магнитному меридиану в сторону севера. Направление этой оси определяют по направлению горизонтальной составляющей вектора магнитной индукции геомагнитного поля, равной векторной сумме двух измеренных горизонтальных составляющих вектора магнитной индукции. Третья ось, выбранной опорной системы координат, перпендикулярна первым двум направлениям и ориентирована в сторону востока. По сигналам с датчиков, пропорциональных составляющим вектора магнитной индукции геомагнитного поля на оси чувствительности датчиков, определяют расчетным путем азимутальный и зенитный углы корпуса инклинометра, а следовательно, и скважины, в которой находится корпус инклинометра.

В состав известного инклинометра входят три подвижных элемента, чувствительных к направлению вектора силы тяжести выполненных в виде наружной карданной рамки и двух карданных подвесов, на которых размещены один трехкомпонентный и два однокомпонентных магниточувствительные датчики. Погрешности балансировки карданных подвесов от положения равновесия в процессе бурения скважины и частоты собственных колебаний карданных подвесов - все это приводит к погрешности определения углового положения корпуса инклинометра, а значит и углового положения скважины (Ковшов Г.Н., Солонина Н.Н. Увеличение виброустойчивости преобразователя угла установки отклонителя. /Геофизическая аппаратура. Л. : Недра, 1984, вып. 79, с. 105-109). Наличие карданных подвесов приводит к увеличению веса инклинометра. Кроме того, известное техническое решение не обеспечивает определение апсидального угла, а значит не обеспечивает в полной мере определение углового положения корпуса инклинометра. Карданные подвесы в известном техническом решении, закрепленные на карданной рамке с осью вращения, совпадающей с продольной осью корпуса инклинометра, не обеспечивают возможности бурения скважины, у которой зенитный угол должен изменяться в процессе бурения от 0^o до 180^o. Так, например, бурение двух скважин, начинающихся с вертикальных направлений, а затем переходом на горизонтальные направления в нефтеносном слое с целью соединения этих скважин, требует высокой точности определения азимутального и зенитного углов этих скважин. Так, если погрешность определения азимутального угла равна 2^o, то на расстоянии 2000 м от двух вертикальных скважин погрешность расхождения горизонтальных скважин может составить 70 м. Для бурения такой скважины можно было бы использовать один инклинометр при возможности измерения зенитного угла в пределах от 0^o до 180^o.

Задачей предлагаемого изобретения является создание инклинометра, отличающегося от известных простотой конструкции, меньшим весом, обеспечивающего измерение углового положения скважины, у которой зенитный угол может изменяться в пределах от 0^o до 180^o, а также возможностью определения углового положения корпуса инклинометра.

Поставленная задача решается за счет использования одной карданной рамки с осью вращения, коллинеарной продольной оси корпуса инклинометра, измерении составляющих вектора магнитной индукции геомагнитного поля двумя однокомпонентными магниточувствительными датчиками, размещенными на карданной рамке, и тремя однокомпонентными магниточувствительными датчиками, жестко связанными с корпусом инклинометра, а также измерении составляющих вектора ускорения силы тяжести трехкомпонентным датчиком акселерометра, жестко связанным с корпусом инклинометра. Кроме того, поставленная задача решается и за счет измерения составляющих вектора магнитной индукции геомагнитного поля двумя однокомпонентными датчиками, Размещенными на карданной рамке, тремя однокомпонентными магниточувствительными датчиками, жестко связанными с корпусом инклинометра, и измерении составляющей вектора ускорения силы тяжести однокомпонентным датчиком акселерометра, жестко связанного с корпусом инклинометра. Поставленная задача, исключающая только определение углового положения корпуса инклинометра, решается за счет измерения составляющих вектора магнитной индукции геомагнитного поля двумя однокомпонентными магниточувствительными датчиками, размещенными на карданной рамке корпуса инклинометра, и однокомпонентными датчиком акселерометра и магниточувствительным датчиком, жестко связанным с корпусом инклинометра.

Предлагаемое изобретение представляет три устройства (инклинометра), связанных между собой настолько, что они образуют единый изобретательский замысел.

Предлагаемый инклинометр (по первому варианту), включающий корпус инклинометра с размещенной в нем карданной рамкой, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, груз-эксцентрик, размещенный на карданной рамке, два однокомпонентных магниточувствительных датчика, размещенных на карданной рамке, ось чувствительности одного из которых перпендикулярна плоскости, проходящей через ось вращения карданной рамки и центр тяжести груза-эксцентрика, а ось чувствительности второго - перпендикулярна оси чувствительности первого датчика и оси вращения карданной рамки, третий однокомпонентный магниточувствительный датчик, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, четвертый и пятый однокомпонентные магниточувствительные датчики с взаимно ортогональными осями чувствительности, снабжен трехкомпонентным датчиком акселерометра с взаимно ортогональными осями чувствительности и распределителем напряжений, который подключен к выводам первого и второго магниточувствительных датчиков, при этом третий, четвертый, пятый магниточувствительные датчики и трехкомпонентный датчик акселерометра жестко связаны с корпусом инклинометра, ось чувствительности третьего датчика перпендикулярна осям чувствительности четвертого и пятого датчиков, а одна из осей чувствительности акселерометра коллинеарна оси вращения карданной рамки.

Предлагаемый инклинометр (по второму варианту), включающий корпус инклинометра с размещенной в нем карданной рамкой, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, груз-эксцентрик, размещенный на карданной рамке, два однокомпонентных магниточувствительных датчика, размещенных на карданной рамке, ось чувствительности одного из которых перпендикулярна плоскости, проходящей через ось вращения карданной рамки и центр тяжести груза-эксцентрика, а ось чувствительности второго перпендикулярна оси чувствительности первого датчика и оси вращения карданной рамки, третий однокомпонентный магниточувствительный датчик, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, четвертый и пятый однокомпонентные магниточувствительные датчики с взаимно ортогональными осями чувствительности, снабжен однокомпонентным датчиком акселерометра, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, и распределителем напряжений, который подключен к выводам первого и второго магниточувствительных датчиков, при этом третий, четвертый, пятый магниточувствительные датчики и датчик акселерометра жестко связаны с корпусом инклинометра, а ось чувствительности третьего датчика перпендикулярна осям чувствительности четвертого и пятого датчиков.

Предлагаемый инклинометр(по третьему варианту), включающий корпус инклинометра с размещенной в нем карданной рамкой, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, груз-эксцентрик, размещенный на карданной рамке, два однокомпонентных магниточувствительных датчика, размещенных на карданной рамке, ось чувствительности одного из которых перпендикулярна плоскости, проходящей через ось вращения карданной рамки и центр тяжести груза-эксцентрика, а ось чувствительности второго перпендикулярна оси чувствительности первого датчика и оси вращения карданной рамки, и третий однокомпонентный магниточувствительный датчик, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, снабжен однокомпонентным датчиком акселерометра, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, и распределителем напряжений, который подключен к выводам первого и второго магниточувствительных датчиков, при этом третий магниточувствительный датчик и датчик акселерометра жестко связаны с корпусом инклинометра.

Применение в предлагаемом техническом решении по первому варианту карданной рамки с грузом-эксцентриком, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, двух однокомпонентных магниточувствительных датчиков, размещенных на карданной рамке определенным образом, распределителя напряжений, подключенного к выводам этих датчиков, жестко связанных с корпусом инклинометра трехкомпонентного датчика акселерометра и трех однокомпонентных магниточувствительных датчиков с взаимно ортогональными осями чувствительности, а также коллинеарность оси вращения карданной рамки с одной из осей чувствительности датчика акселерометра и осью чувствительности одного из магниточувствительных датчиков, жестко связанных с корпусом инклинометра, обеспечивает определение как углового положения продольной оси корпуса инклинометра, а, значит, и углового положения скважины, так и углового положения корпуса инклинометра по используемым значениям измеренных составляющих вектора ускорения силы тяжести датчиком акселерометра и измеренных составляющих вектора магнитной индукции с помощью магниточувствительных датчиков при возможном изменении зенитного угла продольной оси корпуса инклинометра, а, значит, и скважины в диапазоне от 0^o до 180^o, азимутального угла продольной оси корпуса инклинометра в диапазоне от 0^o до 360^o и апсидального угла корпуса инклинометра в диапазоне от 0^o до 360^o. Кроме того, в предлагаемом инклинометре по сравнению с прототипом на карданной рамке размещены не три, а два однокомпонентных магниточувствительных датчика и отсутствуют два карданных подвеса, что упрощает конструкцию и снижает вес предлагаемого инклинометра.

Применение в предлагаемом техническом решении по второму варианту карданной рамки с грузом-эксцентриком, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, двух однокомпонентных магниточувствительных датчиков, размещенных на карданной рамке определенным образом, распределителя напряжений, подключенного к выводам этих датчиков, жестко связанных с корпусом инклинометра однокомпонентного датчика акселерометра и трех однокомпонентных магниточувствительных датчиков с взаимно ортогональными осями чувствительности, а также коллинеарность оси вращения карданной рамки с осью чувствительности датчика акселерометра и осью чувствительности одного из магниточувствительных датчиков, жестко связанных с корпусом инклинометра, обеспечивает определение как углового положения продольной оси корпуса инклинометра, а, значит, и углового положения скважины, так и углового положения корпуса инклинометра по используемым значениям измеренных составляющих вектора ускорения силы тяжести датчиком акселерометра и вектора магнитной индукции с помощью магниточувствительных датчиков при возможном изменении зенитного угла продольной оси корпуса инклинометра, а, значит, и скважины в диапазоне от 0^o до 180^o, азимутального угла продольной оси корпуса инклинометра в диапазоне от 0^o до 360^o и апсидального угла корпуса инклинометра в диапазоне от 0^o до 360^o. Кроме того, в предлагаемом техническом решении как и по первому варианту по сравнению с прототипом на карданной рамке размещены не три, а два однокомпонентных магниточувствительных датчика и отсутствуют два карданных подвеса, что упрощает конструкцию и снижает вес предлагаемого инклинометра.

Применение в предлагаемом техническом решении по третьему варианту карданной рамки с грузом-эксцентриком, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, двух однокомпонентных магниточувствительных датчиков, размещенных на карданной рамке определенным образом, распределителя напряжений, подключенного к выводам этих датчиков, жестко связанных с корпусом инклинометра однокомпонентных датчика акселерометра и магниточувствительного датчика, оси чувствительности которых коллинеарны оси вращения карданной рамки, обеспечивает определение углового положения продольной оси корпуса инклинометра, а значит, и скважины по используемым значениям измерений составляющей вектора ускорения силы тяжести датчиком акселерометра и измеренных составляющих вектора магнитной индукции с помощью магниточувствительных датчиков при возможном изменении зенитного угла продольной оси корпуса инклинометра, а значит, и скважины в диапазоне от 0^o до 180^o и азимутального угла продольной оси корпуса инклинометра в диапазоне от 0^o до 360^o. Кроме того, в предлагаемом инклинометре по сравнению с прототипом на карданной рамке размещены не три, а два однокомпонентных магниточувствительных датчика, используются не пять, а четыре однокомпонентных датчика и отсутствуют два карданных подвеса, что упрощает конструкцию и снижает вес предлагаемого инклинометра.

Таким образом, технический результат предлагаемого инклинометра выражается в упрощении конструкции и уменьшении веса инклинометра, а также в возможности измерения углового положения скважины и корпуса инклинометра, у которых в процессе бурения зенитный угол может изменяться в пределах от 0^o до 180^o.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими графическими материалами.

На фиг. 1 изображена структурная схема инклинометра по первому варианту.

На фиг. 2 изображена структурная схема инклинометра по второму варианту.

На фиг. 3 изображена структурная схема инклинометра по третьему варианту.

Предлагаемый инклинометр по первому варианту (фиг.1) состоит из корпуса инклинометра 1, карданной рамки 2, в которой ось вращения FF' коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра 1 (на фиг.1 ось FF' совпадает с продольной осью корпуса инклинометра), груза-эксцентрика 3, размещенного на рамке 2, центр тяжести которого находится в точке А, к которой приложен вектор силы тяжести груза-эксцентрика 3, два однокомпонентных магниточувствительных датчика 4 и 5, размещенных на рамке 2, распределителя напряжений 6, подключенного к выводам датчиков 4 и 5, трех однокомпонентных магниточувствительных датчиков 7-9 с взаимно ортогональными осями чувствительности и трехкомпонентного датчика акселерометра (датчика ускорения силы тяжести) 10, жестко связанных с корпусом 1, при этом ось чувствительности NN' датчика 7 и ось чувствительности LL' датчика 10 коллинеарны оси FF', которая коллинеарна оси O'Z', ось чувствительности датчика 5 O'Y'перпендикулярна плоскости, проходящей через ось FF' и центр тяжести А груза-эксцентрика 3, а ось чувствительности датчика 4 OX' перпендикулярна оси FF' и оси чувствительности O'Y' датчика 5.

Предлагаемый инклинометр по второму варианту (фиг. 2) состоит из корпуса инклинометра 11, карданной рамки 12, у которой ось вращения FF' коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра 11 (на фиг. 2 ось FF' совпадает с продольной осью корпуса инклинометра), груза-эксцентрика 13, размещенного на рамке 12, центр тяжести которого находится в точке А, к которой приложен вектор силы тяжести груза-эксцентрика 13, два однокомпонентных магниточувствительных датчика 14 и 15, размещенных на рамке 12, распределителя напряжений 16, подключенного к выводам датчиков 14 и 15, трех однокомпонентных магниточувствительных датчиков 17-19 с взаимно ортогональными осями чувствительности и однокомпонентного датчика акселерометра 20, жестко связанных с корпусом 11, при этом ось чувствительности NN' датчика 17 и ось чувствительности LL' датчика 20 коллинеарны оси FF', которая коллинеарна оси O'Z', ось чувствительности датчика 15 O'Y' перпендикулярна плоскости, проходящей через ось FF' и центр тяжести А груза-эксцентрика 13, а ось чувствительности датчика 14 OX' перпендикулярна оси FF' и оси чувствительности O'Y' датчика 15.

Предлагаемый инклинометр по третьему варианту (фиг. 3) состоит из корпуса инклинометра 21, карданной рамки 22, у которой ось вращения FF' коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра 21 (на фиг. 3 ось FF' совпадает с продольной осью корпуса инклинометра), груза-эксцентрика 23, размещенного на рамке 22, центр тяжести которого находится в точке А, к которой приложен вектор силы тяжести груза-эксцентрика 23, два однокомпонентных магниточувствительных датчика 24 и 25, размещенных на рамке 22, распределителя напряжений 26, подключенного к выводам датчиков 24 и 25, однокомпонентного магниточувствительного датчика 27 и однокомпонентного датчика акселерометра 28, жестко связанных с корпусом 21, а ось чувствительности NN' датчика 27, ось чувствительности LL' датчика 28 и ось FF' коллинеарны оси O'Z', при этом ось чувствительности датчика 25 O'Y' перпендикулярна плоскости, проходящей через ось FF' и центр тяжести А груза-эксцентрика 23, а ось чувствительности датчика 24 OX' перпендикулярна оси FF' и оси чувствительности O'Y' датчика 25.

Предлагаемый инклинометр работает следующим образом. Сигналы с датчиков 4, 5, 7-9 (фиг.1) для первого варианта, с датчиков 14, 15, 17-19 (фиг.2) для второго варианта и с датчиков 24, 25, 27 (фиг. 3) для третьего варианта пропорциональны проекциям вектора магнитной индукции геомагнитного поля на оси чувствительности этих датчиков (Ковшов Г. Н., Сергеев А.Н. Цифровой преобразователь азимута с непрерывной регистрацией./ Геофизическая аппаратура. Л. : Недра, 1980, вып. 70, с. 110-115; Афанасьев Ю.В. Феррозондовые преобразователи. Л.: Энергоатомиздат, 1986), а сигналы с датчика 10 (фиг. 1) для первого варианта пропорциональны проекциям вектора ускорения силы тяжести q_z, q_x,q_y на оси чувствительности этого датчика 10, сигнал с датчика 20 (фиг. 2) для второго варианта и сигнал с датчика 28 (фиг. 3) для третьего варианта пропорциональны проекции вектора ускорения силы тяжести q_z на оси чувствительности соответствующих датчиков (Шваб И.А., Селезнев А.В. Измерение угловых ускорений. М.: Машиностроение, 1983). Перед началом измерений устанавливают корпус инклинометра, например по уровню или отвесу, так, чтобы его продольная ось совпадала с вертикалью. Измеряют с помощью датчиков 7 (фиг. 1), 17 (фиг. 2), 27 (фиг.3) соответственно для первого, второго и третьего вариантов вертикальную составляющую B_ZT вектора магнитной индукции геомагнитного поля. Одновременно измеряют с помощью датчиков 8 и 9 (фиг. 1), 18 и 19 (фиг. 2), 24 и 25 (фиг.3) соответственно для первого, второго и третьего вариантов две горизонтальные составляющие B'_XT и B'_YT вектора геомагнитного поля. Затем определяют горизонтальную составляющую вектора магнитной индукции геомагнитного поля B_XT и угол магнитного наклонения J из следующих выражений

J = arctq B_XT/B_ZT
или

где знак "+" соответствует северному полушарию, а знак "-" - южному полушарию.

Магнитное наклонение J для данной местности постоянно и слабо изменяется от долготы и широты (Кожухов В.П., Воронов В.В., Григорьев В.В. Магнитные компасы. М.: Транспорт, 1981).

Отпускают инклинометр в скважину. Ось вращения FF' рамки 2 (фиг. 1), рамки 12 (фиг. 2), рамки 22 (фиг. 3) соответственно для первого, второго и третьего вариантов коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, которая совпадает с осью буровой скважины. Отклонение оси FF' от вертикали соответствует и отклонению скважины от вертикали.

Далее инклинометр (фиг. 1) по первому варианту работает следующим образом. Под действием груза-эксцентрика 3 рамка 2 поворачивается вокруг оси FF' так, что плоскость наклона скважины, проходящая через центр тяжести А груза-эксцентрика 3 и ось вращения рамки FF', будет перпендикулярна оси чувствительности O'Y' датчика 5, при этом ось чувствительности OX' датчика 4 будет лежать в этой плоскости, а это значит, что она перпендикулярна осям O'Y' и FF'. Проекции вектора магнитной индукции геомагнитного поля на оси чувствительности датчиков 4, 5, 7-9 будут иметь следующий вид:
B_x4= -B_xтcosαcosγ+Β_zтsinγ;
B_y5= B_xтsinα;
B_z7= B_хтcosαsinγ+B_zтcosγ;
B_x8= (B_zтsinγ-B_xтcosαcosγ)sinβ-B_xтsinαcosβ;
B_y9= B_xтsinαsinβ+(B_zтsinγ-B_xтcosαcosγ)cosβ;
где B_x4, B_y5, B_z7, B_x8, B_y9 -проекции вектора магнитной индукции геомагнитного поля на оси чувствительности соответствующих датчиков 4, 5, 7-9; B_XT и B_ZT - проекции вектора магнитной индукции геомагнитного поля на оси выбранной опорной системы координат OXYZ, у которой ось OX совпадает с направлением горизонтальной составляющей вектора магнитной индукции B_XT геомагнитного поля, касательного к магнитному меридиану и направленного на северный магнитный полюс, ось OZ направлена по вертикали вниз, а ось OY перпендикулярна осям OX и OZ и направлена в сторону востока; α и γ - азимутальный и зенитный углы скважины или продольной оси корпуса инклинометра, а β - аспидальный угол корпуса инклинометра (Ковшов Г.Н., Алимбеков Р.И., Сираев А. Х. Инклинометр для определения скважины и направления отклонителя. /Геофизическая аппаратура. Л.: Недра, 1977, Вып. 62, с. 120-125).

Из первого и третьего уравнений определяют по два значения косинуса и синуса зенитного угла из следующих выражений


sinγ₁= (B_zт-B_z7cosγ₁)/B_x4;
sinγ₂= (B_zт-B_z7cosγ₂)/B_x4;
Вектор ускорения силы тяжести перпендикулярен горизонтальной плоскости, поэтому по измеренным проекциям вектора ускорения силы тяжести q_x,q_y,q_z, находят модуль косинуса зенитного угла Затем определяют разности модулей Действительное значение cosγ₁ или cosγ₂ будет соответствовать той разности, которая равна нулю или имеет по модулю наименьшее значение. По cosγ определяют sinγ, а затем и угол γ из следующих выражений:


Значение sinα определяют из второго уравнения для B_y5
sinα = B_y5/B_xт,
а значение cosα определяют из первого или третьего уравнения


При каждом измерении проекций вектора магнитной индукции B_x8, B_y9, B_z7 можно осуществить корректировку значений B_XT и B_ZT следующим образом:


Подставляя значения углов α и γ в уравнения, описывающие значения B_x8 и B_y9, определяют значение угла β. Углы α и γ определяют угловое положение скважины, а совокупность углов α, γ и β - угловое положение корпуса инклинометра.

Инклинометр (фиг. 2) по второму варианту работает следующим образом. Под действием груза-эксцентрика 13 рамка 12 поворачивается вокруг оси FF' так, что плоскость наклона скважины, проходящая через центр тяжести А груза-эксцентрика 13 и ось вращения рамки FF', будет перпендикулярна оси чувствительности O'Y' датчика 15. при этом ось чувствительности OX' датчика 14 будет лежать в этой плоскости, а это значит, что она перпендикулярна осям O'Y' и FF'. По измеренным значениям проекций вектора магнитной индукции датчиками 14, 15, 17-19 (фиг. 2) определяют аналогично как и для первого варианта два значения косинуса, два значения синуса зенитного угла и синус азимутального угла из следующих выражений:


sinγ₁= (B_zт-B_z17cosγ₁)/Β_x14;
sinγ₂= (B_zт-B_z17cosγ₂)/Β_x14;
sinα = B_y15/B_xт,
где B_X14, B_Y15, B_Z15 -проекции вектора магнитной индукции геомагнитного поля на оси чувствительности соответствующих датчиков 14, 15, 17.

Модуль вектора силы тяжести изменяется от географической широты, в частности, от полюса до экватора на 0,55% (Яворский Б.М., Детлав А.А. Справочник по физике. М. : 1974, с. 48) и от поверхности Земли на глубину 3000 м не более 0,1%. Поэтому за модуль вектора ускорения силы тяжести, который обозначен через q, можно взять стандартное (нормальное) значение, принятое для барометрических расчетов, равное 9,80665 м/с² или 9,81 м/с². В таком случае, по значению q_Z, измеренному датчиком 20 (фиг. 2) и известному значению q находят модуль косинуса зенитного угла

Затем определяют углы γ и α аналогично как и по первому варианту.

Значение угла β определяют из уравнений:
B_x18= (B_zтsinγ-B_xтcosαcosγ)sinβ-B_xтsinαcosβ;
B_y19= (B_zтsinγ-B_xтcosαcosγ)cosβ+B_xтsinαsinβ,
где B_x18 и B_y19 - проекции вектора магнитной индукции геомагнитного поля, измеренные датчиками 18 и 19 (фиг. 2). Углы α и γ определяют угловое положение скважины, а совокупность углов α, γ, β - угловое положение корпуса инклинометра.

При каждом измерении проекций вектора магнитной индукции B_z17, B_x18, B_y19 можно осуществлять корректировку значений B_XT и B_ZT следующим образом


Инклинометр (фиг.3) по третьему варианту работает следующим образом. Под действием груза-эксцентрика 23 рамка 22 поворачивается вокруг оси FF' так, что плоскость наклона скважины, проходящая через центр тяжести А груза-эксцентрика 23 и ось вращения FF' рамки 22 будет перпендикулярна оси чувствительности O'Y' датчика 25, при этом ось чувствительности OX' датчика 24 будет лежать в этой плоскости, а это значит, что эта ось перпендикулярна осям O'Y' и FF'.

По измеренным проекциям вектора магнитной индукции датчиками 24, 25, 27 (фиг. 3) и составляющей вектора ускорения силы тяжести q_z датчиком 28 определяют аналогично как и для второго варианта два значения косинуса, два значения синуса зенитного угла, синус азимутального угла и модель косинуса зенитного угла из следующих выражений:


sinγ₁= (B_zт-B_z27cosγ₁)/B_x24;
sinγ₂= (B_zт-B_z27cosγ₂)/B_x24;
sinα = B_y25/B_xт;

где B_x24, B_y25, B_z27 - проекции вектора магнитной индукции геомагнитного поля на оси чувствительности соответствующих датчиков 24, 25 и 27. Из полученных уравнений определяют углы α и γ аналогично как и для инклинометра по первому и второму вариантам. Азимутальный угол α и зенитный угол γ определяют угловое положение скважины.

При каждом измерении проекций вектора магнитной индукции B_x24, B_y25, B_z27 можно осуществлять корректировку значений B_XT и B_ZT следующим образом


В инклинометре (его вариантах) сигналы, пропорциональные измеренным проекциям вектора магнитной индукции, с датчиков 4 и 5 (фиг. 1) для первого варианта, с датчиков 14 и 15 (фиг. 2) для второго варианта, с датчиков 24 и 25 (фиг.3) для третьего варианта подаются на соответствующий распределитель напряжений 6 (фиг. 1) для первого варианта, 16 (фиг. 2) для второго варианта, 26 (фиг. 3) для третьего варианта, каждый из которых обеспечивает подачу упомянутых сигналов на устройство обработки информации.

Таким образом, техническое решение по первому и второму вариантам обеспечивает определение углового положения как скважины, так и корпуса инклинометра, а по третьему варианту - углового положения скважины. Наличие в предлагаемом техническом решении по сравнению с прототипом только одной карданной рамки с осью вращения, коллинеарной оси скважины, упрощает конструкцию и снижает вес инклинометра. Кроме того, предлагаемый инклинометр (его варианты) обеспечивает возможность определения углового положения скважины любого направления, то есть при изменении ее зенитного угла от 0^o до 180^o и азимутального угла от 0^o до 360^o, при этом инклинометр по первому и второму вариантам кроме определения углового положения скважины обеспечивает определение углового положения корпуса инклинометра при изменении апсидального угла от 0^o до 360^o.

Использование в заявляемом инклинометре (его вариантах) вычислительного блока позволит автоматизировать процесс определения углового положения скважины и углового положения корпуса инклинометра. Для этого выводы датчиков предлагаемого инклинометра (его вариантов) следует подключить через усилительно-преобразовательные блоки, например, к преобразователю измерительному многоканальному (ПИМ-1, сертификат N 15660-96, Госстандарт России), разработанному АО "АТИС" (г.С.-Петербург). В предлагаемом техническом решении магниточувствительные датчики в совокупности с услительно-преобразовательными блоками (каждый блок состоит из усилителя, синхронного детектора и генератора переменной ЭДС) могут быть выполнены аналогично как и в известном устройстве (Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986, с. 108-110, 117, 127-139, 162-168; Ковшов Г.Н., Сергеев А.П. Цифровой преобразователь азимута с непрерывной регистрацией. /Геофизическая аппаратура. Л. : Недра, 1980, вып.70, с.112), распределитель напряжений может быть реализован аналогично как и в инклинометре (Ковшов Г.Н., Сергеев А.П. Цифровой преобразователь азимута с непрерывной регистрацией/ Геофизическая аппаратура. Л. : Недра, 1980, вып. 70, с.110-115), а датчики акселерометров могут быть выполнены аналогично известным датчикам акселерометров (Мельников В.Е. Электромеханические преобразователи на базе кварцевого стекла. М.: Машиностроение, 1984, с. 22-27, 105-112, 118-119; Шваб И.А., Селезнев А.В. Измерение угловых ускорений. М.: Машиностроение, 1983). В предлагаемом инклинометре (его вариантах) могут быть использованы датчики акселерометров, измеряющие как постоянное ускорение силы тяжести, так и только изменение постоянного ускорения, а также двухкомпонентные и трехкомпонентные магниточувствительные датчики с совмещенными магнитными центрами вместо двух однокомпонентных датчиков, размещенных на карданной рамке, и однокомпонентных магниточувствительных датчиков по первому и второму вариантам, жестко связанных с корпусом инклинометра (Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приоры, Л,: Энергоатомиздат, 1986, с. 55).

Инклинометр может быть использован в нефтепромысловой геофизике для определения углового положения буровой скважины и корпуса инклинометра, а также в геомагнитной навигации для определения курса судна. Инклинометр состоит из корпуса с размещенной в нем карданной рамкой, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса, груза/эксцентрика, размещенного на карданной рамке, двух однокомпонентных магниточувствительных датчиков, размещенных на карданной рамке, жестко связанных с корпусом инклинометра трех однокомпонентных магниточувствительных датчиков с взаимно ортогональными осями чувствительности. По первому варианту инклинометр содержит трехкомпонентный датчик акселерометра, жестко связанный с корпусом. По второму варианту инклинометр содержит однокомпонентный датчик акселерометра, жестко связанный с корпусом. По третьему варианту инклинометр содержит жестко связанные с корпусом однокомпонентный магниточувствительный датчик и однокомпонентный датчик акселерометра. Обеспечена простота конструкции, уменьшен вес, обеспечена возможность определения углового положения корпуса инклинометра. 3 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Инклинометр, включающий корпус инклинометра с размещенной в нем карданной рамкой, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, груз-эксцентрик, размещенный на карданной рамке, два однокомпонентных магниточувствительных датчика, размещенных на карданной рамке, ось чувствительности одного из которых перпендикулярна плоскости, проходящей через ось вращения карданной рамки и центр тяжести груза-эксцентрика, а ось чувствительности второго перпендикулярна оси чувствительности первого датчика и оси вращения карданной рамки, третий однокомпонентный магниточувствительный датчик, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, четвертый и пятый однокомпонентные магниточувствительные датчики с взаимно ортогональными осями чувствительности, отличающийся тем, что он снабжен трехкомпонентным датчиком акселерометра с взаимно ортогональными осями чувствительности и распределителем напряжений, который подключен к выводам первого и второго магниточувствительных датчиков, при этом третий, четвертый, пятый магниточувствительные датчики и трехкомпонентный датчик акселерометра жестко связаны с корпусом инклинометра, ось чувствительности третьего датчика перпендикулярна осям чувствительности четвертого и пятого датчиков, а одна из осей чувствительности датчика акселерометра коллинеарна оси вращения карданной рамки. 2. Инклинометр, включающий корпус инклинометра с размещенной в нем карданной рамкой, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, груз-эксцентрик, размещенный на карданной рамке, два однокомпонентных магниточувствительных датчика, размещенных на карданной рамке, ось чувствительности одного из которых перпендикулярна плоскости, проходящей через ось вращения карданной рамки и центр тяжести груза-эксцентрика, а ось чувствительности второго перпендикулярна оси чувствительности первого датчика и оси вращения карданной рамки, третий однокомпонентный магниточувствительный датчик, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, четвертый и пятый однокомпонентные магниточувствительные датчики с взаимно ортогональными осями чувствительности, отличающийся тем, что он снабжен однокомпонентным датчиком акселерометра, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, и распределителем напряжений, который подключен к выводам первого и второго магниточувствительных датчиков, при этом третий, четвертый, пятый магниточувствительные датчики и датчик акселерометра жестко связаны с корпусом инклинометра, а ось чувствительности третьего датчика перпендикулярна осям чувствительности четвертого и пятого датчиков. 3. Инклинометр, включающий корпус инклинометра с размещенной в нем карданной рамкой, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, груз-эксцентрик, размещенный на карданной рамке, два однокомпонентных магниточувствительных датчика, размещенных на карданной рамке, ось чувствительности одного из которых перпендикулярна плоскости, проходящей через ось вращения карданной рамки и центр тяжести груза-эксцентрика, а ось чувствительности второго перпендикулярна оси чувствительности первого датчика и оси вращения карданной рамки, и третий однокомпонентный магниточувствительный датчик, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, отличающийся тем, что он снабжен однокомпонентным датчиком акселерометра, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, и распределителем напряжений, который подключен к выводам первого и второго магниточувствительных датчиков, при этом третий магниточувствительный датчик и датчик акселерометра жестко связаны с корпусом инклинометра.