Датчик углов наклона скважины Советский патент 1992 года по МПК E21B47/02 G01C9/10 

Изобретение относится к средствам измерения углов, в частности к приборам для измерения уклонов с помощью катящихся тел, и предназначено для определения углов отклонения объектов в пространстве от некоторого наперед заданного направления в бурении скважин.

Известен датчик угла наклона скважины, содержащий корпус, сферически вогнутую подпружиненную направляющую крышку с ответной поверхностью, между которыми расположен шарик.

Недостатком известного устройства являются низкие технологические возможности измерения. Конструкция датчика допускает измерение угла наклона лишь 1 раз за цикл. В соответствии с углом наклона шарик механически фиксируется между сферически вогнутой подпружиненной направляющей крышкой и ответной поверхно- стью, в конце цикла измерения датчик необходимо извлечь на поверхность и снять показания измерения.

Наиболее близким к предлагаемому является датчик углов наклона, содержащий корпус из диэлектрического материала, имеющий полость в форме поверхности вращения с расположенными на внутренней поверхности полости электрическими контактами в виде пары соосных токопро- водных спиралей, одна из которых выполнена в виде резистивного элемента, и токопроводный чувствительный элемент в виде шара.

Этот датчик позволяет расширить тех- нвлогические возможности измерения, так как расположенные на внутренней поверхности полости электрические контакты, выполненные в виде пары соосных токопроводных спиралей, одна из которых выполнена в виде резистивного элемента, и токопроводный чувствительный элемент в виде шара позволяют преобразовать измеряемый угол наклона в напряжение. Результат измерения можно фиксировать регистрирующим прибором или передавать по каналу связи.

Недостатком этого устройства является невысокая эффективность измерения вследствие наличия зон нечувствительно- сти, обусловленных конечностью шага спиралей, а также вследствие сложности обеспечения надежного гальванического контакта между чувствительным элементом и тОкопроводными спиралями.

Целью изобретения является повышение эффективности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что датчик углов наклона скважины, содержащий корпус из диэлектрического материала,

заполненный рабочей средой с гравитационным подвижным чувствительным элементом, снабжен вторым гравитационным подвижным чувствительным элементом, системами катушек индуктивности, корпус вы- полнен в виде двух кольцеобразных немагнитных трубок, расположенных во взаимноперпендикулярных плоскостях и охваченных системами катушек индуктивности, чувствительные элементы помещены внутрь кольцеобразных трубок, а магнитные и электрические свойства материала гравитационных подвижных чувствительных элементов и рабочей среды удовлетворяют логической формуле

А1ФА2-1.

где А1 - булева переменная, характеризующая соотношение электрических проводи- мостей. А1 1 (А1 0), когда электрическая проводимость веществ гравитационных подвижных чувствительных элементов больше (меньше или равна) электрической проводимости рабочей среды;

А2 - булева переменная, характеризующая соотношение магнитных проводимо- стей А2 1 (А2 0). когда магнитная проницаемость веществ гравитационных подвижных чувствительных элементов больше или равна (меньше) магнитной проницаемости рабочей среды;

СР- знак логического суммирования по модулю два.

Выполнение корпуса в виде кольцеобразных трубок позволяет помещенным в них гравитационным подвижным чувствительным элементам занять положение, соответствующее их . минимальной потенциальной энергии в поле тяготения в соответствии с плотностью их веществ и плотностью рабочей среды, заполняющей полости трубок.

Выполнение корпуса в виде системы двух кольцеобразных трубок, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, .позволяет по положению гравитационных подвижных чувствительных элементов однозначно определить отклонение корпуса в пространстве от некоторого наперед заданного направления.

Подбор веществ гравитационных подвижных чувствительных элементов и рабочей среды внутренних полостей корпуса с магнитными.и электрическими свойствами, удовлетворяющими логической формуле

А1&А21- 1,

позволяет изменить индуктивности измерительных катушек при перемещении внутри них гравитационных подвижных чувствительных элементов.

Выполнение корпуса (трубок) из диэлектрического немагнитного материала позво- ляет избежать воздействия вещества корпуса на взаимодействие измерительных катушек с гравитационными подвижными чувствительными элементами и рабочей средой, заполняющей полости.

Охват диэлектрических немагнитных кольцеобразных трубок, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, системами катушек индуктивности, размещенных вдоль трубок, позволяет преобразовать перемещения гравитационных подвижных чувствительных элементов, вещества которых и рабочая среда внутренних полостей корпуса имеют электрические и магнитные свойства, удовлетворяющие логической формуле

A16FA2-1,

в электрические сигналы в соответствии с углами отклонения датчика, что позволяет оперативно измерить сколь угодно малые углы отклонения датчика от некоторого наперед заданного направления.

Предлагаемый датчик снабжен вторым гравитационным подвижным чувствительным элементом, системами катушек индуктивности, его корпус выполнен в виде двух кольцеобразных немагнитных трубок, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях и охваченных системами катушек индуктивности, чувствительные элементы помещены внутрь кольцеобразных трубок, причем магнитные и электрические свойства веществ гравитационных подвижных чувствительных элементов и рабочей среды удовлетворяют логической формуле: А1ФА2 1.При помещении в полости трубок гравитационных подвижных чувствительных элементов и выполнении трубок криволинейными на рабочих участках перемещения чувствительных элементов устройство позволяет однозначно определить отклонение корпуса в пространстве по совокупности линейных координат.

При размещении катушек на криволинейных участках трубок можно преобразовать в электрический сигнал линейные координаты гравитационных подвижных чувствительных элементов, характеризующие отклонение датчика.

На фиг.1 схематически представлена конструкция датчика с ферритовыми шариками в качестве гравитационных подвижных чувствительных элементов и воздухом в качестве рабочей среды внутренних полостей; на фиг.2 и 3 - конструкция датчика с воздушными пузырьками и ферритовыми шариками в качестве гравитационных подвижных чувствительных элементов и ртути в качестве рабочей среды; на фиг.4 - основные элементы датчика в проекции на плоскость наклона скважины; на фиг.5 - 5 конструкция датчика, вид сверху.

Датчик углов содержит корпус 1 в виде двух кольцеобразных немагнитных диэлектрических трубок, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, 0 гравитационные подвижные чувствительные элементы 2, помещенные в полости корпуса 1. системы измерительных катушек 3 индуктивности, охватывающие трубки 1, а также рабочую среду 4, заполняющую внут5 ренние полости корпуса 1.

Датчик работает следующим образом. Чувствительные элементы 2. находящиеся во внутренней полости корпуса 1, наклоненного под углом к местной гравитацион0 ной вертикали, перемещаются под действием силы тяжести в точки, соответствующие их минимальной потенциальной энергии. При меняются индуктивности катушек 3.

5Для примера на фиг.1 магнитная прони;

цаемость гравитационных подвижных чувствительных элементов 2 (ферритовых шариков) значительно превышает магнитную проницаемость рабочей среды 4 (возду0 ха) (А2 1). При этом как феррит, так и воздух являются практически диэлектриками (А1 0), такое сочетание удовлетворяет логической формуле А1#-;А2. 1. Индуктивность катушек 3, расположенных напротив

5 чувствительных элементов 2, увеличивается. Для эффективного определения местоположения шариков через измерительные катушки рекомендуется пропускать токи достаточно низкой частоты.

0 Для примера на фиг.2 электрическая проводимость гравитационных подвижных чувствительных элементов 2 (воздушных пузырьков) значительно ниже электрической проводимости рабочей среды 4 (ртути), сле5 довательно А 1 0. В это же-время магнитная проницаемость как воздуха/так и ртути практически одинакова, они являются маг- нитодиэлектриками, следовательно А2 1. Такое сочетание свойств удовлетворяет

0 формуле

А1ФА2 1.

Индуктивность катушек 3. расположенных напротив чувствительных элементов 2. увеличивается. Для эффективного опреде5 ления местонахождения пузырьков через измерительные катушки 3 рекомендуется пропускать токи достаточно высокой частоты.

Для примера на фиг.З магнитная проницаемость гравитационных подвижных чувствительных элементов 2 (ферритовых шариков) значительно превышает магнитную проницаемость рабочей среды 4 (ртути), следовательно А 2 1. В это же время электрическая проводимость феррита значительно ниже проводимости ртути, следовательно . Такое сочетание свойств удовлетворяет формуле А1 Si A2 1 и усиливает изменение индуктивности катушек 3, расположенных вблизи гравитационных подвижных чувствительных элементов 2.

Индуктивность катушек 3, расположенных напротив чувствительных элементов 2, увеличивается. Для эффективного определения местонахождения шариков через из- мерительные катушки рекомендуется пропускать токи достаточно высокой частоты.

Для датчика, помещенного в наклонную скважину (фиг.4), зенитный угол д и визирный угол / отклонения скважины можно определить следующим образом:

tg д Лд2 (p + ig2 :

tg/3

tgV ...

где у и углы отклонения положения шариков 2 от оси датчика соответственно для верхней и нижней трубок 1.

Можно выразить д и/ через линейные координаты:

)271):

tg/3

tg

tg

где И и la - линейные координаты положения шариков 3 от оси датчика соответственно для верхней и нижней трубок;

RI и Ra - радиусы кривизны соответственно верхней и нижней трубок.

Плоскость верхней трубки датчика (фиг.4) повернута относительно плоскости наклона скважины на угол у. Соответственно плоскость нижней трубки повернута относительно плоскости наклона скважины на угол 90° - у. Порядок построения проекций трубок на плоскость наклона скважины подробно приведен на фиг.4.

При этом Z1 Z11; X1 Хп cos удля верхней трубки,

Z1 Z11; X1 Xй cos (90 - у) для нижней трубки,

tp и ij} - проекции углов отклонения р и трубки гравитационных подвижных чувствительных элементов 2 от оси прибора (совпадающего в данном случае с осью скважины), на плоскость наклона скважины

9

-JL-.

t/.

±

cosy cos (90° -у)

гдеб1 - проекция зенитного угла д на плоскость наклона скважины;

р - проекция визирного угла ft на плоQ скость наклона скважины.

Изменение индуктивности может быть преобразовано в частотно-модулируемый сигнал, фазо-модулируемый сигнал, цифровой код и т.д. Сигналы можно регистриро5 вать автономным записывающим устройством или передавать по каналу связи к месту дальнейшей обработки.

Предлагаемый датчик обладает более высокой эффективностью измерений, так

Q как за счет снабжения его вторым гравитационным подвижным чувствительным элементом, системами катушек индуктивности, выполнения корпуса в виде двух кольцеобразных немагнитных трубок, расположен5 ных во взаимно перпендикулярных плоскостях и охваченных системами катушек индуктивности, а также подбору материала гравитационных подвижных чувствительных элементов и рабочей среды

Q внутренних полостей с магнитными и электрическими свойствами, удовлетворяющими логической формуле 1, он позволяет определить угол отклонения скважины в пространстве от заданного на5 правления через совокупность линейных ко- ординат гравитационных подвижных чувствительных элементов с высокой эффективностью.

Предлагаемый датчик обладает более

Q высокой надежностью благодаря бесконтактному взаимодействию измерительных преобразователей с чувствительными элементами.

Формула изобретения

с Датчик углов наклона скважины, содержащий корпус из диэлектрического материала, заполненный рабочей средой, с гравитационным подвижным чувствительным элементом, отличающийся тем,

Q что, с целью повышения эффективности измерений, он снабжен вторым гравитационным подвижным чувствительным элементом, системами катушек индуктивности, корпус выполнен в виде двух кольцеоб5 разных немагнитных трубок, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях и охваченных системами катушек индуктивности, чувствительные элементы помещены внутрь кольцеобразных трубок, причем магнитные и электрические свойства материала гравитационных подвижных чувствительных элементов и рабочей среды внутренних полостей корпуса удовлетворяют л обческой формуле

А1ФА2-1,

где А1 - булева переменная, характеризующая соотношение электрических проводимостёй материала гравитационных подвижных чувствительных элементов и рабочей среды;

А2 - булева переменная, характеризующая соотношение магнитных проницаемо- стей материала гравитационных подвижных чувствительных элементов и рабочей среды.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для измерения углов, и предназначено для использования преимущественно в бурении скважин. Цель - повышение эффективности измерений путем исключения зон нечувствительности положения чувствительного элемента и обеспечения гальванической развязки чувствительного элемента от измерительной цепи. Датчик углов наклона скважины содержит корпус из диэлектрического материала, заполненный рабочей средой, с гравитационным подвижным чувствительным элементом 2. Новым является снабжение датчика вторым гравитационным подвижным чувствительным элементом 2, системами катушек 3 индуктивности, выполнение корпуса в виде двух кольцеобразных немагнитных трубок, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях и охваченных системами катушек 3 индуктивности, помещение чувствительных элементов 2 внутрь кольцеобразных трубок 1. При этом магнитные и.электрические свойства материала гравитационных подвижных чувствительных элементов и рабочей среды внутренних полостей корп у са удовлетворяют логической формуле: 1, где А1 - булева переменная, характеризующая соотношение электрических проводимостей веществ гравитационных подвижных чувствительных элементов и рабочей среды, А2 - булева переменная, характеризующая соотношение магнитных проницаемостей веществ гравитационных подвижных чувствительных элементов и рабочей среды. 5 ил. СО С XI х| 00 о 01

срц2

.2

фиг. 4

е

Фиг. 5

N

/