Инклинометр Советский патент 1989 года по МПК E21B47/02 

Изобретение относится к геологоразведочной технике и предназначено для измерения искривления скважин.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

На фиг. 1 приведена принципиальн схема инклинометра; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид Б на фиг. 1; на фиг. 4 - временные диаграммы опорных и измерительных импулсов.

Инклинометр содержит цилиндричес кий кожух 1 и соосно закрепленные в нем между источниками 2, 3 и приемн ками 4-7 света два корпуса 8 и 9, заполненные демпфирующей жидкостью. В корпусе 8, который имеет два прозрачных кольцевых окна 10, размещен чувствительный элемент азимута, выполненный в виде поплавка 11, закреленного на непрозрачном диске 12. В поплавке под углом к диску 12 в плоскостях, параллельных оси кожуха 1, расположены основной и дополнительный магниты 13. Такая установка магнитов 13 исключает возможность и расположения при измерениях в скважине в плоскости, перпендикулярной магнитным силовым линиям. Диск 12 имеет отверстие 14 и установлен в корпусе 8 с возможностью вращения в подпятниках 15 в плоскости, перпендикулярной оси кожуха 1.

В корпусе 9, которьп имеет два прозрачных кольцевых окна 16, размещен чувствительный элемент зенит

5

0

0

5 .

5

0

5

ного угла, выполненный в виде двух соосно установленных маятников, которые образованы двумя непрозрачными дисками 17 с закрепленными на них грузами 18.

Диски 17 имеют вырезы 19 (фиг. 3), закреплены на осях и установлены с возможностью вращения в плоскостях, перпендикулярных оси кожуха 1. При этом ось одного из дисков 17 установлена в подпятниках 20, закрепленных в корпусе 9, а ось другого диска - в подпятниках 21, закрепленных на оси первого диска. Диски 17 связаны между собой упругим элементом, вьтолненным, например, в виде спиральной пружины 22, Внутренний конец пружины 22 закреплен на оси одного из дисков 17, а наружный - на стойке 23, установленной на другом диске. Грузы 18 имеют отверстия 24,

В кожухе 1 установлена оптико-механическая система кругового одновременного опроса чувствительных элементов, азимута и зенитного угла световым лучом. Эта система выполнена в виде двух кольцевых призм 25 и 26, соосно закрепленных в кожухе 1, двух подвижных призм 27 и двигателя 28, кинематически связанного посредством зубчатой пары 29 с валом 30. На концах вала 30, соосно установленного в кожухе 1, закреплены обоймы 31,

в которых размещены призмы 27 с возможностью равномерного синхронного

51

вращения относительно оси кожуха 1 и оптического взаимодействия с чувствительными элементами, источниками 2, 3 и приемниками 4-7 света.

Инклинометр работает следующим образом.

Магниты 13, взаимодер1ствуя с магнитным полем Земли, устанавливают поплавок 11 с диском 12 в плоскости магнитного меридиана. При этом поплавок 11, компенсируя вес магнитов 13 и диска 12, снимает нагрузку с подпятников 15, обеспечивая ударо- прочность и минимальное трение в подпятниках 15.

Луч света от источника света 2 попадает на призму 27, где поворачивается на 90°, затем разделяется на два луча, которые поворачиваются на 90° параллельно оси кожуха 1.

При вращении обоймы 31 с призмами 27 два световых луча также вращаются. Один луч вращается по окружности с радиусом, на котором расположен приемник 5 света, а второй - по окружности с радиусом, на котором расположено отверстие 14 на диске 12. При совмещении луча с приемником 5 света образуется опорный импульс 0 (фиг. 4), При совмещении второго светового луча с отверстием 14 на диске 12 луч попадает на кольцевую призму 25 и на приемник 4 света, образуя измерительный импульс и.

При синхронном вращении призм 27 одновременно опрашивается световым лучом чувствительньпЧ элемент занит- ного угла. При наклоне кожуха 1, например, на угол в , грузы 18 маятников стремятся совместиться с плоскостью наклона и, поворачивая диски 17 при движении один навстречу другому, закручивают пружину 22 до тех пор, пока противодействующий момент пружины 22 не уравновесит вращающие моменты грузов 18. Вместе с тем, система из двух маятников займет положение, при котором равнодействующая веса грузов 18 совместится .с плоскостью наклона скважины.

Такггм образом, в положении равновесия при равных массах грузов 18 отверстия 24 в шх займут симметричное положение относительно плоскос- ,ти наклона, т.е. будут определять положение апсидальной плоскости. Угол раствора маятников d. (фиг. 3) зависит от угла 0 наклона оси при902646

бора, жесткости пружинь; 22, а также от веса грузов 18 и расстояния их центров тяжести от оси вращения дисков 17.

Уравнение равновесия для такой системы имеет вид:

С I sine, ()

10 где С - жесткость пружины;

f - угол закручивания пружины;

Р - вес груза;

г - расстояние центра тяжести

, груза от оси вращения; 5 d - угол раствора маятников; в - угол наклона оси прибора

(зенитный угол).

Обозначив величины, зависящие от С , у, Р и г., коэффициентами К, и 20 К, и решив уравнение (1) относительно в , получают вьфаже11ие для угла наклона

л К. -1

V arcsin- -K sin(2)

Определение значения угла d. и его положения относительно корпуса,

т.е. положения апсидальной плоскости, производится следующим образом.

Луч света от источника 3 преобразуется призмой 27 в два вращающихся луча. Первый луч вращается по окружности с радиусом, на котором установлен приемник 7 света, а второй - по окружности с радиусом, на котором расположены отверстия 24. При совмещении луча с приемником 7 образуется

опорный импульс 0. При совмещении второго луча с отверстиями 24 образуются последовательно два измерительных импульса и и 5 от приемника 6. При вращении вала 30 с постоянной

угловой скоростью LJ const измеряют время между опорным импульсом 0 и измерительными импульсами U и Uj и определяют положение системы магнитов 13 относительно корпуса,

а также положение системы из двух

маятников относительно корпуса и угол d между ними.

Например, на фиг. 4 представлено положение импульсов во времени в предположении совпадения опорных импульсов 0, 0 чувствительных элементов азимута и зенитного угла. Угол определяют по времени t между импульсами Ui и 1/3 в виде 0 ыс J.

Затем, с учетом известньсх для прибора постоянных С, I , Р н Гр, по формуле (2) вычисляют зенитный угол в .

Азимут Ч приб« положение магнитной системы относительно апсидапь- ной плоскости, определяют по времени

t 1 - между измерительным импульсом и, и серединой временного промежутка между измерительными импульсами U и Ua в виде (f npu5 .

Значение полученного азимута I/ при б будет соответствовать истинному значению азимута скважины только при значениях tf „рмб равных О , 90 , 180 , 270, так как угол ц g между плоскостью магнитного меридиана и апсидальной плоскостью измерен в нормальной плоскости по отношению к оси скважины.

В остальных случаях возникает ошибка, аналогичная карданной ошибке авиационных курсовых гироскопических приборов при кренах, кабрировании и пикировании самолета.

Истинное значение азимута if, скважины в плоскости горизонта при зенитном угле 0 определяется выражением

С,„„. arstg(,S- ;f). (3)

Данная конструкция инклинометра обеспечивает возможность импульсно- временной системы измерения, что позволяет повысить точность определения пространственных характеристик скважины и получить информацию, удобную для дальнейшей обработки в ЭВМ.

Формула изобретения

1. Инклинометр, содержащий цилинд рический кожух и соосно закрепленные в нем между источниками и приемниками света два корпуса, заполненные демпфиругацей жидкостью, в одном из

Q

5

Q

5 0

5

которых размещен чувствительный элемент азимута в виде поплавка с основным магнитом, а в другом - чувствительный элемент зенитного угла, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности измерения, он снабжен установленной в кожухе оптико-механической системой кругового одновременного опроса чувствительных элементов световым лучом, а чувствительный элемент азимута имеет дополнительный магнит и непрозрачный диск с отверстием, установленный в корпусе с возможностью вращения в плоскости, перпендикулярной оси кожуха, поплавок закреплен на диске, а магниты в поплавке расположены под углом к диску в плоскостях, параллельных оси кожуха, при этом чувствительный элемент занитно- го угла выполнен в щиде двух соосно установленных в корпусе маятников, которые образованы двумя дисками с закрепленными на них грузами, причем диски связаны между собой упругим элементом и установлены с возможностью вращения в плоскостях, перпендикулярных оси кожуха.

2.Инклинометр по п. 1, о т л и - ч ающийся тем, что оптико- механическая система кругового одновременного опроса чувствительных элементов световым лучом выполнена в виде двух кольцевых призм, соосно закрепленных в кожухе, двух подвижных призм и двигателя, кинематически связанного с валом, который установлен соосно в кожухе, и имеет на своих концах обоймы, при этом призмы размещены в обоймах с возможностью равномерного синхронного вращения относительно оси коЖуха и оптического взаимодействия с чувствительными элементами, источниками и приемниками света,

3.Инклинометр по п. 1, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен в виде спиральной пружины.

Вид

15

12

Фиг. 2

Изобретение относится к геологоразведочной технике и позволяет повысить точность измерения кривизны скважин. В кожухе (К) 1 соосно закреплены между источниками 2,3 и приемниками 4 - 7 света два корпуса 8 и 9, заполненные демпфирующей жидкостью. В корпусе 8 размещен чувствительный элемент (ЧЭ) азимута в виде поплавка 11, закрепленного на непрозрачном диске (Д) 12. В поплавке 11 под углом к Д 12 в плоскостях, параллельных оси К 1, расположены магниты 13. При этом Д 12 имеет отверстие 14 и установлен с возможностью вращения в плоскости, перпендикулярной оси К 1. В корпусе 9 размещен ЧЭ зенитного угла в виде двух соосно установленных маятников, которые образованы двумя Д 17 с закрепленными на них грузами 18. При этом Д 17 установлены с возможностью вращения в плоскостях, перпендикулярных оси К 1, и связаны между собой упругим элементом в виде спиральной пружины. Установлена в К 1 оптико-механическая система кругового одновременного опроса ЧЭ световым лучом. Эта система выполнена в виде соосно закрепленных в К 1 двух кольцевых призм 25 и 26, двух подвижных призм 27 и двигателя 28, кинематически связанного с валом 30. Вал 30 соосно установлен в К 1 и имеет на своих концах обоймы 31. Призмы 27 размещены в обоймах 31 с возможностью равномерного синхронного вращения относительно оси К 1 и оптического взаимодействия с ЧЭ, источниками 2, 3 и приемниками 4 - 7. При вращении призм 27 одновременно опрашиваются световым лучом ЧЭ азимута и зенитного угла. Приемники 4, 6 формируют измерительные импульсы, а приемники 5, 7 - опорные импульсы. По величине временного интервала между импульсами определяют азимут и зенитный угол. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Фиг.З

.

i