Инклинометр Советский патент 1985 года по МПК E21B47/22 

00 4 Изобретение относится к геофизическим скважинным приборам для измерения параметров искривления нефтяных и газовых скважин. Известен инклинометр, содержащий множительно-передаточные механизмы, осуществляющие преобразование масштаба углов, задаваемых маятниками большой длины 1. Однако такое выполнение конструкции инклинометра вследствие кинематических особенностей кулисных механизмов одновременно с повышением чувствительности и уменьшением осевых габаритов датчиков малых углов приводит к возникновению и увеличению нелинейности теоретических характеристик последних. Это требует внедения поправок в результать измерений либо использования специальных средств автоматической линеаризации упомянутых характеристик, что связано с большими затратами времени на обработку полезной информации, либо с усложнением измерительной схемы инклинометра. Кроме того, измерительная система инклинометра, включающая рамку-маятник с размеш,енными вдоль нее датчиками, имеет недостаточно высокую плотность компоновки датчиков, что отрицательно сказывается на работе приборов в комценсированном охранном кожухе при высоких температурах и давлениях скважинной среды. Заполнение же пустот металлическими фигурными болванками, служащими для уменьшения объема компенсирующей жидкости, приводит к усложнению ориентирующей способности рамки-маятника. Известен также инклинометр, содержащий корпус, в котором размещена и шарнирно связана с ним рамка-маятник с эксцентричным грузом, в которой расположены маятниковый датчик больших углов и блок маятниковых датчиков малых углов, включающий два реостатных преобразователя. взаимодействующих с заключенными между неподвижными упорами маятниками большой длины, оси качания которых перпендикулярны оси вращения рамки маятника и между собой 2. Недостатками этого инклинометра являются значительный осевой габарит рамкнмаятника вследствие последовательного размещения вдоль ее оси маятников большои длины и невысокая чувствительность кинематически связанных с последними параметрических преобразователей вследствие ограничения длины их параметрических элементов (реохордов) диаметром рамки-маятника. Цель изобретения - повышение точноети измерения углов в скважинах с высокими температурой и давлением. Указанная цель достигается тем, что в инклинометре, содержащем корпус, шарнирно связанный с ним датчик азимута/ рамку-маятник с эксцентричным грузом, в которой расположены маятниковый датчик больших углов и блок маятниковых датчиков малых углов, включающий два реостатных преобразователя, взаимодействующих с заключенными между неподвижными упорами маятниками большой длины, оси качания которых перпендикулярны оси вращения рамки-маятника и между собой, блок маятниковых датчиков малых углор снабжен двумя дополнительными маятниками, длина которых больше длины его основных, а каждый из преобразователей выполнен в виде двух параллельно разнесенных секций, при этом дополнительные маятники установлены между упорами и оси качания их взаимно перпендикулярны и соосно совмещены в единой плоскости с осями качания основных маятников. На фиг. 1 изображен инклинометр,, общий вид, разрез;на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. ; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1. Инклинометр содержит корпус 1, име° Д полого цилиндра, внутри которого соосно с ним между верхним 2 и нижним 3 мостами размещена рамка-маятник 4 с эксцентрично закрепленным на ней грузом 5. AlOCTbi жестко соединены с корпусом 1 и при помощи шарикоподшипников 6 и 7 и полуосей рамки-маятника 4 образуют с последней одноподвижную вращательную кине.матическую пару карданового подвеса. Внутри рамкк-маятника 4 в верхней ее части расположен датчик азимута (не показан), который может иметь различное конструктивное исполнение. При этом непременным атрибутом кинематической связи датчика азимута с рамкой-маятником 4 является кольцо карданового подвеса (не показано), внутренняя пара полуосей которого служит для шарнирного соединения с кожухом упомянутого датчика, имеющим центр тяжести ниже указанных полуосей, а внешняя - для шарнирного закрепления на внутренних стенках рамкимаятника 4, причем одна из пар полуосей совмещена с плоскостью ориентации рамкимаятника 4, проходящей через продольную ось и центр тяжести груза 5. Под датчиком азимута в рамке-маятнике 4 последовательно размещены датчик больших углов и блок маятниковых датчиков малых углов. Датчик больших углов включает в себя жестко связанный с рамкой-маятни-ком 4 фигурный мост 8 с винтовыми упорами 9 и ГО, маятник 11, щарнирно подвешенный к мосту 8 и несущий токосъемную щетку 12, контактирующую с контактной дорожкой реохорда 13, размещенного на электроизоляционной пла- те 14, установленной на поверхности моста 15. При этом ось качания маятника 11 перпендикулярна плоскости ориентации рамки-маятника 4. Щетка 12 смещена относительно центра тяжести маятника 11, жестко соединена с последним и при вертикальном положении продольной оси рамки-маятника 4 указывает своим токосъемным концом на начало контактной дорожки реохорда 13, как показано на фиг. 1. Упор 10 контактирует с телом маятника 11, а упор 9 служит для ограничения углового перемещения последнего с целью предотвращения выхода с контактной дорожки реохорда 13 щетки 12 и защиты ее от удара о стенку рамки-маятника 4. Мост 15 жестко связан с рамкой-маятником 4 и имеет вид соосно ориентированного с ней цилиндра с четырьмя взаимно перпендикулярно размещенными в единой плоскости радиальными отверстиями, в которых с помощью осей и щарикоподшипников подвешены маятНИКИ 16-19 большой длины, входящие в состав блока маятниковых датчиков малых углов. Для обеспечения монтажно-демонтажных работ и свободного качания маятников 16-19 в заданном для них диапазоне углов Б нижнем торце моста 15 предусмотрены четыре Т-образные прорези, сообщающиеся с вышеупомянутыми радиальными отверстиями (фиг. 2). Каждый из маятников 16-19 для ограничения углово 0 пере.мещения заключен между двумя упора.ми, зо фиксированными в теле фигурного моста 20, жестко соединенного с рамкой-маятником 4 (фиг. 3). Свободные концы маятников 16-19 жестко связаны с соответствующими токосъемными щетками 2i-24 двух пар параллельно разнесенных секций реостатных преобразователей. При этом одна пара параллельно разнесенных секций состоит из смонтированных на электроизоляционных платах 25 и 26 реохордов 27 и 28 и контактирующих с их контактными дорожками щеток 21 и 23, а другая - из смонтированных на электроизоляционных платах 29 и 30 реохордов 31 и 32 и контактирующих с их контактными дорожками щеток 22 и 24 (фиг. 4). Платы 25, 26, 29 и 30 жестко закреплены на основании 33 рамкимаятника 4. При вертикальном положении продольной оси последней цетки 21, 22, 23 и 24 своими токосъемными концами указывают на начало контактных дорожек реохордов 27, 28, 31 и 32. Установку щеток 21, 22, 23 и 24 в такое положение обеспечивают с помощью .маятниковых грузов 34, 35, 36 и 37, смонтированных на маятниках 16, 17, 18 и 19 с возможностью поворота и фиксации, например, при помощи осевых винтов. Для обеспечения возмож нести настройки инклинометра в стенках рамки-маятника 4 предусмотрены технологические и смотровые окна. Расстояние между осью подвеса каждого из маятников 16, 17, 18 и 19 и контактной дорожкой каждого из реохордов 27, 28, 31 и 32 определяется диаметром рамки-маятника 4 и максимальны.м зенитным углом, при котором происходит совмещение плоскости ориентации упомянутой рамки с плоскостью искривления скважины. Обычно величина этого угла, определяемая- конструктивными особенностями инклинометра, не превышает 5°. Исходя из этого угол качания каждого из маятников 16, 17, 18 и 19 принят равным 5°. При это.м угол качания маятника И, обеспечивающий измерение максимально возможного для скважины зенитного угла S, уменьшен до величины . Таким образом, диапазон измерени я зенитных углов скважины от О до о разбивается на два поддиапазона: от О до 5 и от 5 до i . Оценивая компоновку преобразователей блока датчиков малы.ч углов (см. фиг. 4) нетрудно убедиться в том, что суммарная д.тина параллельных между собой реохордов 27, 28 и 31, 32 больше максимальной ДЛИНЫ диаметрально расположенного в рамке-маятнике 4 реохорда. Благодаря этому в предлагаемом инклинометре по сравнению с известны.м при одном и том же значении угла di и одинаковом диаметре рамки-маятника 4 расстояние между осью подвеса каждого из маятников большой длины и контактнои дорожкой каждого из реохордов блока, маятниковых датчиков малых углов превышает ранее допусти.мое значение. Это при значительно меньшем осевом габарите блока маятниковых датчиков малых углов приводит к повышению чувствительности последних, а следовательно, и к повышению точности измерения инклинометра в целом. При этом идеальные выходные характеристики упомянутых датчиков остаются неизменными, сохранив вид линейной функции. Инклино.метр работает следующим образом. При отклонении корпуса 1 от вертикали на малый зенитный угол, при котором момент, вращающий рамку-маятник 4, недостаточен для установления плоскости ее ориентации в плоскости искривления скважины, измерение геометрических характеристик последней осуществляют с помощью датчика азимута и блока маятниковых датчиков малых углов. При этом датчик азимута горизонтируется с помощью кольца карданового подвеса, а одна пара маятников большой длины со взаимно перпендикулярными осями подвеса (16 и 17, 17 и 18; 18 и 19 либо 19 и 16) в отличие от трех других отклоняет свои токосъемные щетки от нулевых положений на соответствующих контактных дорожках реохордов (27 и 31; 31 и 28; 28 и 32 либо 32 и 27). Получаемые в этб|1 случае выходные сигналы инклинометра эквивалентны азимуту рамкимаятника 4 (или иначе азимуту ее плоскости ориентации) и двум составляющим зенитного угла скважины во взаимно перпендикулярных плоскостях. Зная величины с этих углов, можно с помощью известных в инклинометрии формул или номограмм с достаточной точностью определить зенитный угол скважины и направление плоскости ее искривления относительно географического меридиана Земли. При этом следует иметь ° ввиду,. что благодаря смещенному от продольной оси рамки-маятника 4 центру тяжести маятника М последний остается в соприкосновении с упором 10, а его щетка. 12 по-прежнему указывает на начало кон- 5 тактной дорожки реохорда 13, обеспечивая, таким образом, получение от датчика больщих углов выходного сигнала, эквивалентного углу 1. Причем этот сигнал не принимается во внимание до тех пор, пока сигналы, получаемые от блока -маятниковых датчиков малых углов, не будут соответствовать результирующему углу, равному зенитному углу S . Это позволяет исключить из результатов измерений по-. грешности, связанные с несовмещением плос-25 кости ориентации рамки-маятника 4 с плоскостью искривления скважины при малых зенитных углах (до 5°). При дальнейщем отклонении корпуса 1 от вертикали на зенитный угол, равный или больщий угла 6, плоскость ориентации рамки-маятника .4,0 как указано выще, достаточно точно совмещается с плоскостью искривления скважины. В этом случае положение щетки 12 на контактной дорожке реохорда 13 датчира больщих углов соответствует зенитному углу скважины, а выходной сигналдатчика азимута эквивалентен азимуту плоскости искривления скважины. При этом маятник 17 одного из датчиков малых углов находится в положении, соответствующем его максимально допустимому отклонению (при соприкосновении со своим упором) от исходной позиции. Причем выходной сигнал этого датчика в данном случае (как не несущий полезной информации) во внимание не принимается. Маятники 16, 18 и 19 остальных датчиков малых углов находятся в исходном состоянии, обеспечивающем получение нулевых выходных сигналов. Причем получение отличных от нуля выходных сигналов датчиков малых углов с маятниками 16 и 18 позволяет, как и в известных инклинометрах, судить о точности совпадения плоскости ориентации рамкимаятника 4 с плоскостью искривления скважины и при необходимости вводить в результаты измерений соответствующие поправки. Описываемая конструкция инклинометра не исключает возможности использования в его датчиках параметрических преобразователей иного типа, например индуктивных. Однако достаточно высокая термобаростойкость, простота конструкции и технологии изготовления, малые габаритные размеры, возможность работы как на постоянном, так и переменном токе, возможность получения выходных сигналов без предварительного усилия позволяют счи..j применение реостатных преобразователей предпочтительным в инклинометрах для исследования сверхглубоких скважин с малым заканчиваемым диаметром ствола, Использование изобретения повыщает эксплуатационные качества инклинометра и достоверность получаемой с его помощью информации о пространственном искривлении стволов скважин.

//

ФигА

--А

19

17Фиг. 2

ИНКЛИНОМЕТР, содержащий корпус, шарнирно связанный с ним датчик азимута, рамку-маятник с эксцентричным грузом, в которой расположены маятниковый датчик больших углов и блок маятниковых датчиков малых углов, включающий два реостатных преобразователя, взаимодействующих с заключенными между неподвижными упорами маятниками большой длины, оси качания которых перпендикулярны оси вращения рамки-маятника и между собой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения углов в скважинах с высокими температурой и давлением, блок маятниковых датчиков малых углов снабжен двумя дополнительными маятниками, длина которых больше длины его основных, а каждый из преобразователей выполнен в виде двух параллельно разнесенных секций, при этом дополнительные маятники установлены между упорами и оси качания их взаимно перпендикулярны и соосно совмещены в единой плоскости с (Л осями качания основных маятников.

26

23

фиг л