Способ определения пространственного положения скважинного снаряда Советский патент 1991 года по МПК E21B47/02 

Изобретение относится ч геофизическим исследованиям скважин и предназначено для определения угловых характеристик положения перемещаемых объектов в частности для определения положения скважинного t наряда

Цель изобретения повышение точности определения положения скважинного снаряда

На фиг 1 приведена структурная схема устройства для реализации способа, на фиг 2 - расположение осей неподвижной системы координат вектора Р силы тяжести вспомогательных осей р, оси t снаряда, на фиг 3 - положение датчиков Д1. Д2 ДЗ ориентация их осей ti 12 13 оси t снаряда и ориентация осей источников искусственно- го магнитного поля с моментами Ма и Мб, на фиг 4 - ориентация вспомогательных осей р, (f R и оси Z неподвижной системы

координату на фиг 5 - взаимное расположение осей датчиков, осей неподвижной системы координат и осей источников искусственного магнитного поля

Устройство для реализации способа содержит скважинный снаряд 1 с датчиками 2-4 магнитного поля оси которых совп.зда юте осями снаряда 1 и образуют подвижную систему координат В состав устройства входят также источники 5 и 6 искусственно го магнитного поля например соленоиды соединительные провода 7 измерительный узел 8, источник 9 ЭДС для питания узла 8 и источников 5 и 6 и переключатель 10

Способ реализуется следующим ohpa- зом

Совмещают оси датчиков 2 4 сквах ин ного снаряда 1 с осями опорной неподвижной системы координат и с помощью измерительного yQi,i Ь датчиками 2 4 и .ме

А

м о

Ч)

о

ряют на поверхности компоненты внешнего магнитного поля. Перемещают снаряд 1 в скважине (не показана) и вновь измеряют компоненты внешнего магнитного поля. Затем в дополнение к внешнему магнитному полю создают искусственное магнитное поле двумя расположенными в скважинном снаряде 1 взаимоортогональными источниками 5 и 6 с равными по величине магнитными моментами. Причем момент источника 5 ориентируют по направлению силы тяжести, а момент источника 6 - в аксидальной плоскости сквэжинм. При каждом новом положении снаряда 1 в скважине осуществляют два измерения компонент суммарного магнитного поля при возбуждении от источника 9 ЭДС вначале одного источника 5 поля, а затем другого источника 6 поля, например, замыкая переключателем 10 один из проводов 7. По результатам измерений вычисляют приращение компонент магнитного поля и определяют приращение, пространственную ориентацию осей скважинного снаряда 1 по значениям синусов и косинусов трех углов.

Оси X, У, Z (фиг. 2) образуют неподвижную систему координат, а ось t снаряда 1 образует вместе с осью Z аксиальную плоскость (выделена штриховкой).

Повернув систему координат XYZ относительно оси Z на угол а, получают систему координат рр Z. Причем осьр лежит на пересечении аггсидэльной и горизонтальной плоскостей (часть горизонтальной плоскости между осями Y и заштрихована), Угол а определяет положение апсидальной плоскости ZOp относительно плоскости ZOY и плоскости ZO f относительно плоскости ZOX, а угол/9 , показанный на фиг. 2, - положение оси t относительно оси Z в апсидальной плоскости.

Датчики Di, Da, Оз (фиг. 4) имеют оси ti, t2, t3. Причем ось 1з датчика Оз совпадает с осью t снаряда 1. Оси источников искусственного магнитного поля (соленоидов) с моментами Ма и Мб сориентированы относительной осей t и R (ось R порождена осью р при повороте системы координат рр7- в апсидальной плоскости относительно оси р на угол совмещения оси Z с осью t). Заштрихованы: внизу часть апсидальной плоскости между осями Z и R, вверху часть плоскости, перпендикулярной оси t, в которой лежат оси (р, R, ti, t2. Причем ось 12 образует угол у с осью R, а ось ti образует угол 90° + с осью R.

Пусть постоянное внешнее магнитное поле Т имеет в фиксированной системе ко ординат компоненты Т/, Т (выбирают сис0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

тему координат так, чтобы Тх 0). Проектируя горизонтальную составляющую Ту на оси . получают

Т Ту cos a ,

Ту -Ту sin a.

Проектируя на ось t (ts) компоненты Tz и Та получают

Тз Tz cos ft + Ту cos a sin ft.

Проектируя те же компоненты на ось R, получают

Тг Ту cos а cos ft - Т7 sin ft.

Далее, проектируя компоненты Тг и Ту на оси ti и t2, получают

Т2 ТГ cosy + Т sin у,

Ti Т-у cos у-Тг sin у

Подставив полученные выражения для Тг и Ту, получают

Ti - Ту sin a. cos у - (Ту cos а cos ft - - Tz sin /3)sln у,

T2 (Ту cos а cos/3-Tz sin p) cosy - -Ту sin а sin у(1)

Тз Tz -cos/3 -(-Ту cos a sin/3 .

В случае, когда дополнительное магнитное поле создается соленоидом малых размеров с моментом М, его напряженность можно представить в следующем виде

В - 3 R (Jtf R)/R5 - U/R3, где R - радиус-вектор, проведенный из точки наблюдения в центр соленоида.

В данном случае R направлен по оси t для датчика Di и против нее для датчика D2. Поэтому поле В, создаваемое моментом ТЯа, имеет компоненты Bt 3 Ма cos/J/R3 и Bz -Ma/R , а проектируя на оси датчиков Di, D2, Оз с учетом направления f, получают

Bia sin ft sin у M/Ri3

В2а sin/ -COSy M/Ri3(2)

Вза 2 cos ft M/R33,

где RI - расстояние до датчиков Di и 02 (расстояния от центра соленоидов до датчиков DI, Ог равны);

R3 - расстояние до датчика Оз.

Поле В, создаваемое моментотм МБ, имеет компоненты Bt 3 Мб и BJJ -Me/R , а проектируя на оси датчиков, получают

Bie cos/3 sin у M/Ri3

В2б -cos ft cosy M/Ri3(3)

Взе 2 sin ft M/Rs3

В формулах (2), (3) учтено, что Ма Мб -М.

Таким образом, измерив компоненты Ti, TZ. Тз внешнего поля, компоненты Tia, , Тза поля при включенном источнике поля с моментом Ма и компоненты Т1бД2б Тзб при включенном источнике поля с моментом Мб, вычислив приращения компонент

Bla. B2a, Вза И Bl6. B26, Взб ПОЛЯ И ЗНЭЯ

величины Tz. Ту из систем (1) - (3), можно

однозначно определить косинусы и синусы углов (t,fl. уи тем самым определить ориентацию осей снаряда относительно неподвижной систему XYZ.

Формулы для определения значений синусов и косинусов указанных углов можно получить следующим образом.

Из второго уравнения системы (3) имеют

cos у -В26 Ri3/M cos/

При возведении в квадрат первого и второго уравнения системы (3), получают 2 -(М -cos/VRi3)2.

M/Ri

316 В2б

откуда

icos fl 1б2 +В26 Так как лУ2 .то cos/ 0 и cos/ Icos/II . поэтому

cosy -B2fi/B6,(4)

где Вб VB62 + В62.

Аналогичным образом из первого уравнения получают

slny Bio/Вб .(5)

Выражают из третьего уравнения системы (2) cos ft и имеют

Вза/2 M/Ra3. Возведя в квадрат третьи уравнения систем (2) и (3) и сложив, получают

В3а2 + В362 (2 М/Яз3)2- Подставив в предыдущее уравнение значение 2 M/Ra3, получают

cos / В3а/Вз.(6)

где Вз ВЗа2 +В362.

Аналогично из третьего уравнения системы (3) имеют

sln/ЬВзб/Вз(7)

Для определения косинуса и синуса угла «используют систему (1), Умножая первое на уравнение на cos у , а второе - на sin у, получают

Ti cos у -Ту sin a cos 2 у- -Ту- COS a sin/) cosy sin у,

Т 2 sin у (Ту cos а cos / -Tz sin /3) x

x cos у sin у- Ту sin a -sin2 у. Складывая эти выражения, получают

Ti COS у + Т2 sin у - Ту sin a . Откуда, выразив косинус и синус у из (4) и (5), определяют sin а в виде

sin а (Ti В26 Т2 Bif.)/Ty Вб (8) Выражение для cos а получают из третьего уравнения аналогичным образом cos а (Тз - Вз - Tz Вза)/Ту - Взб (9) Таким образом получены выражения для всех величин с помощью которых однозначно определяются углы а,/, у. В случае, когда ось t совпадает с осью Zfsln / 0. cos

1J, формулу (9) использовать нельзя, так как в этом случае , - 0. но поскольку информацию о равенстве нулю угла / ко получить из проверки значений Взь. Bia и

В2а. то нужно воспользоваться другим выражением для cos 7 . Поскольку при / - О первое и второе уравнения системы (1) переходят в следующие Ti - Ту sin a cos у - Ту cos а sin у ,

0 Т;. Ту COS (7 COS у - Ту sin (I sin у .

(Ю)

то, умножив первое уравнение на синус, а второе - на косинус угла у и вычтя его из первого, получают Ti siny-T2 cos у

5 Ту cos a . Откуда следует, что

В26- Ti В1б)/Вб Ту (11)

Пример. Пусть неподвижная система координат ориентирована следующим образом ось X направлена на восток, ось У на север, ось Z вверх. Положим, что Тх О, Ту 1. Tz 2 и а 0°. В 30°. у 45° По

jj.

формулам (1) находят Tt - (1 - v3/2), T2 - -Т1, Т3 1/2.

0

По формулам (2) и (3) получают Bia -1/2 /2 °-

1/2

M/R

M/Ri

В За 2

, Bja

M/R33

/2 V2/2 M/Ri3. В2б -/3/2 V2/2 M/Ri3, Взе 2 1/2 M/R33.

Используя выражения, определяющие величины Вз и BF,. находят их в виде (Зб

5

0

5

0

5

M/Ri . Вз 2 M/R3 .

Затем, подставив в формулы (4), (5) (6), (7), (8) и (9) вычисленные значения входящих в них величин, определяют синусы и косинусы в виде sin у , cos у 1,/v/2. Следовательно угол у 45°. Далее находят sin ft 1/2, cos ft V3 , следовательно, /гол / 30°. Затем находят sin a 0, cos a 1, следовательно, угол 0°.

Изобретение по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности определения ориентации осей скважинного снаряда за счет использования датчиков одной физической природы датчиков магнитного поля, повышение достоверности определения положения осей снаряда без использования данных инклинометрии и позволяет определить ориентацию снаряда при его произвольном положении.

Формула изобретения

Способ определения пространственного положения скважинного снаряда. чающий измерение на поверхности компонент внешнего магнитного поля датчиками скважинного снаряда оси которых совмещают с осями опорной системы к.юрдинат, пространственное перемещение снаряда, измерение компонент внешнею магнитного поля в скважине и вычисление по ним угловых координат, отличающийся тем, что. с целью повышения точности определения положения снаряда, в дополнение к внешнему магнитному полю создают искусственное магнитное поле дву мя расположенными в скважинном снаряде взаимоортогональными источниками с равными по величине магнитными момента0

ми один из которых ориентируют по направлению оси тяжести, а другой - в апси- дэльной плоскости скважины, и при каждом новом положении снаряда осуществляют два измерения компонент суммарного магнитного поля при возбуждении вначале одного источника поля, а затем доугого, вычисляют приращение компонент магнитного поля и определяют пространственную ориентацию осей скважинного снаряда

Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин и позволяет повысить томность определения пространственного положения с кважинного снаряда (С). Измеряют на поверхности компоненты (К) внешнего магнитного поля (МП) датчик ми скважинного С Оси датчиков совмещают с осями опорной системы координат, перемещают С и измеряют К внешнего МП в скважине. В дополнение к внешнему МП создают искусственное МП двумя взаимоортогональными источниками с равными по величине магнитными моментами. Один из моментов ориентируют по направлению силы тяжести, а другой - в апсидальной плоскости При каждом новом положении С производят два измерения К суммарного МП при возбуждении вначале одного источника МП, а затем другого Вычисляют приращение К суммарного МП и определяют пространственную ориентацию осей скважинного С 5 ил сл

«L 1,ю

У

7

фиг1

t

Я

$0°

#

фиг. 2

7

Ф ,М

V

У