Инклинометр Советский патент 1993 года по МПК E21B47/02 

Изобретение относится к промысловой геофизике и может использоваться для определения траекторий стволов обсаженных скважин, а также скважин, проведенных в области магнитных аномалий.

Известен гироскопический инклинометр, содержащий гироскопический курсоу- казатёль и гироскопический указатель искривления, внешние рамки которых расположены соосно с корпусом инклинометра, а также элементы коррекции указателей, включающие три корректирующих мотора и жидкостные маятниковые переключатели, при этом два корректирующих мотора связаны с внутренними рамками гироскопических указателей, а третий-с осью вращения внешней рамки указателя искривления. Коррекция курсоуказателя производится по сигналам жидкостного маятникового переключателя, установленного- на внешней рамке указателя искривления.

Недостатком данного инклинометра является сложность конструкции, обусловленная с одной стороны стремлением измерения непосредственно параметров искривления, а с другой стороны - необходимостью использования ;цля этого большого числа корректирующих элементов. Недостаток состоит также в низкой точности измерения азимута, поскольку коррекция курсоуказателя производится по сигналу жидкостного переключателя, установленного на внешней рамке указателя искривления, но поворот внешней рамки указателя искривления и уход гироскопа курсоуказатёля не являются адекватными параметрами, вследствие того, что они относятся к различным гироскопическим системам. Кроме того недостатком инклинометра является отсутствие каких- либо диапазонных датчиков угловых перемещений, по сигналам которых производится определение измеряемых параметров, что не позволяет использовать инклинометр в качестве полностью завершенного в функциональном отношении устройства.

Известен также гироскопический инклинометр, содержащий два гироскопа, направляющие векторы главных осей которых расположены параллельно и встречно, датчик азимута, датчик угла наклона скважины (зенитного -угла), следящего систему с исполнительным двигателем, электромотор, а также счетно-решающий узел и введенный в следящую систему коммутирующий блок, при этом выходы датчиков угла наклона и азимута через коммутирующий блок связаны с исполнительным двигателем следящей

системы, а датчик азимута соединен со счетно-решающим узлом.

Недостатком этого гироскопического инклинометра является сложность конструкции и невысокая экономичность, обусловленные использованием трех следящих систем, две из которых предназначены для горизонтальной стабилизации датчика азимута, а третья - для установки движка дат0 чика азимута в соответствии с направлениями главных осей гироскопов. Кроме того, недостатком является низкое быстродействие, которое вытекает из необходимости измерения азимута в два такта.

5 Поскольку при измерении азимута осуществляется разворот внешней рамки датчика азимута, приводящий к изменению показаний датчика угла наклона, т.е. к ошибке, измерение угла наклона должно осуществ0 ляться.при отключенной следящей системе азимута, т.е. следящая система датчика азимута и следящая система внешней рамки датчика воздействуют на общий элемент конструкции, а именно: на внешнюю рамку,

5 то при их параллельной работе возникает неопределенность, и инклинометр является неработоспособным. Это обстоятельство не учитывается в данном инклинометре. Устранения нежелательного эффекта может быть

0 достигнуто только путем разнесения во времени циклов работы указанных следящих систем, но это, в свою очередь, приводит к дальнейшему снижению быстродействия и необходимости проведения замеров только

5 при остановке движения скважинного прибора, что также является существенным недостатком.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является

0 гирополукомпас, который принят в качестве прототипа, и содержащий цилиндрический корпус, внешнюю рамку, ось вращения которой соосна с корпусом, датчик угла поворота внешней рамки относительно корпуса,

5 внутреннюю рамку с осью вращения, перпендикулярной оси вращения внутренней рамки, гироскоп, кожух которого закреплен во внутренней рамке, а главная ось перпендикулярна оси вращения внутренней рамки

0 и лежит в горизонтальной плоскости, а также систему маятниковой коррекции, включающую датчик угла отклонения внутренней рамки от плоскости горизонта и моментный двигатель, ротор которого связан с осью

5 вращения внешней рамки.

Достоинствами гирополукомпаса по сравнению с гироскопом направления других типов в плане использования в инклинометрах является возможность применения маятниковой коррекции и установки моментного двигателя по оси внешней рамки. Первое позволяет существенно упростить кон- .струкцию, т.к.: дает возможность использовать в качестве датчика угла отклонения .внутренней рамки простейшие, но довольно точные, жидкостные маятниковые переключатели, второе позволяет использовать более громоздкие, но более точные, моментные двигатели, что увеличивает точность системы коррекции гироскопа и точность измерений в целом. ,

Недостаток известного устройства состоит в том, что не позволяет измерять зенитный и визирный углы скважины. С помощью этого устройства также нельзя определить азимут скважины, т.к. последний параметр определен как физическая величина только тогда, когда ось корпуса (ось внешней рамки) не совпадает с вертикалью местности, но в этом случае сигналы датчика угла поворота внешней рамки будут зави- сеть как от азимута, так и от зенитного и визирного углов, и величины сигналов нельзя адекватно сопоставить с величиной азимута без дополнительной информации. С помощью данного устройства можно изме- рить только азимут объектов, перемещающихся в горизонтальной плоскости, но сохраняющих вертикальное положение оси внешней рамки.

Целью изобретения является расширение.функциональных возможностей за счет измерения зенитного и визирного углов, а также повышение уровня унификации.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлена структурная кинематическая схема инклиномет- рэ. : - : .

Инклинометр включает в себя цилиндрический корпус 1, внешние рамки 2, 3, оси вращения которых совпадают с продольной осью корпуса 1, датчики углов поворотов внешних рамок 4, 5, внутренние рамки 6, 7, оси вращения которых перпендикулярны осям вращения внешних рамок 2, 3, гироскопы 8, 9, кожухи которых закреплены на внутренних рамках 6, 7, а главные оси перпендикулярны осям вращения внутренних рамок б, 7 и лежат в горизонтальной плоскости, датчики угловых перемещений рамок 10, 11, а такж;е системы маятниковой коррекции гироскопов 8, 9, состоящие соответ- ственно из датчиков углов отклонения внутренних рамок от плоскости горизонта 12, 13, и моментных двигателей 14, 15, связанных с осями вращения внешних рамок 2, 3,

Перед началом работы инклинометр устанавливается в вертикальное положение ( G 0), которое характеризуется совмещением базисов RO и RL При этом датчики

углов поворотов внешних рамок 4.5 показывают значения углов а1 /,1/|е1 fl а датчики угловых перемещений внутренних рамок 10, 11 -ipzi-Ц Ъ2 90°. В этом положении производится запуск и разар- рертирование гироскопов, поспе чего прибор опускается в скважину. В процессе непрерывного подъема инклинометра направляющие векторы главных осей гироскопов а, Б сохраняют пространственную ориентацию, заданную исходным положением инклинометра. В то же время пространственное положе ние корпуса 1 инклинометра меняется в соответствии с траекторией скважины, вследствие чего меняются и углы относительных поворотов внешних и внутренних рамок. При работе инклинометра осуществляется непрерывное измерение значений углов поворотов внешних рамок ipsi , тры и внутренних peh мок V a2 t Vba С помощью полученных значений углов определяются координаты направляющих векторов главных осей гирог скопов.

(COS ,Sin Va2 , Sir a2) COS )(1)

15 20 25

35

b (cos t/Jbi , sin / b2.sln ы .

30Sin Ipb2 .COS Vb2) (2)

по которым вычисляются значения азимута, зенитного и визирного углов:

. ТЦа.Т).( tt-014-Ц ,--,., .---- « c(

.nrct - ° и уЬ -;; 7 ь Уо. -аяЬ-ь.-Уа.Н пУу,у3,(,М|)|..«,;1|)

(coi4V «4 btl 2p

9.,

c(a«b U2c«|i STO5iis;nzpj ОГС13 5:n{Vbi.,{ jVo1- rt3V ct,4()tc«(l4-%,y .

U.Offtq Sy H COWg.S-.r,tfaiC05V|,,-co5yK5;n 1 Kce iyg,

« av.(J,l) 4 a,Va,c««l v,- ,,c65%,

IV)

(И .

где /3 0,5arctg

;C.(0,0, 1);OiXi

(1,0,0);OiYi (0, 1,0).

При отклонении главных осей гироскопов 8, 9 от плоскости горизонта соответствующие датчики 12, 13 вырабатывают сигналы рассогласования, которые через усилительные устройства (на фиг. не показаны) подаются на моментные двигатели 14, 15, посредством которых к внешним рамкам

2, 3 прикладываются моменты, доставляющие гироскопы прецессировать вокруг осей вращения внутренних рамок 6, 7 до тех пор, пока главные оси гироскопов не вернутся в горизонтальную плоскость.

Под действием вращения Земли главные оси гироскопов стремятся с течением времени развернуться по направлению меридиана, Поскольку в инклинометре используются два идентичных гироскопа, оси которых расположены под одинаковыми углами к меридиональной плоскости, и направление меридиана 00Х0 задается суммой направляющих векторов главных осей (а + Ь), временной уход гироскопов приводит к одинаковым изменениям углов наклона главных осей относительно меридиональной плоскости, HOjje изменяет направление меридиана 00Х0, вследствие чегр возрастает точность измерения азимута и визирного угла. Временной уход осей гироскопов происходит в горизонтальной плоскости, в связи с: чём он принципиально не влияет на точность определения вертикали местностей, которая задается направлением (а х Ь). Погрешность определения вертикали обусловлена только погрешностями работы систем коррекции гироскопов. Расположение главных осей гироскопов под углом 90° ± 10° уменьшает влияние карданных погрешностей на точность конечных результатов измерений параметров.

Применение в инклинометре двух одинаковых гироскопических узлов наряду с повышением уровня унификации прибора создает условия для повышения точности измерений, т.к. при симметричном расположении главных осей гироскопов относительно плоскости меридиан и одинаковый временной уход гироскопов не приводит к погрешности. В данном случае погрешность обуславливается только степенью неидентичности гироскопических узлов. Определение всех инклинометрмческих параметров посредством измерения относительных угловых перемещений рамок дает возможность использовать в инклинометре одинаковые датчики углов, например, си- нусно-косинусные вращающиеся трансформаторы. Это в еще большей степени способствует унификации, т.к. для преобразования угловых перемещений всех рамок могут быть использованы одинаковые преобразователи или один преобразователь, общий для всех датчиков.

Расчетно-экспериментальные исследования инклинометра показали,что погрешность измерения азимута составит 0,5° при 0 5°, погрешность измерения зенитного угла в диапазоне 0°-70° составит 0,25°, а погрешность измерения визирного угла будет равна ориентировочно 1.0° при 0 - 3°-5° и 0,5° при 0 5°. Исследования проведены из условия использования в качестве датчиков перемещении рамок синусно-косинусных трансформаторов класса точности 0,2 и применения 10-разрядного АЦП.

Формула изобретения

1. Инклинометр, содержащий цилиндрический корпус с размещенным в нем первымгирополукомпасом, включающим в себя внешнюю рамку, ось вращения которой расположена по оси корпуса, датчик угла поворота внешней рамки, внутреннюю

рамку,.ось вращения которой перпендикулярна к оси вращения внешней рамки, гироскоп, кожух которого закреплен во внутренней рамке, а главная ось перпендикулярна к оси вращения внутренней рамки

и лежит в горизонтальной плоскости, а также систему маятниковой коррекции, содержащую датчик угла отклонения внутренней рамки от плоскости горизонта и моментный двигатель, ротор которого связан с осью вращения внешней рамки,.о тличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем измерения зенитного и визирного углов, а также повышения уровня унификации, он снабжен размещенными в цилиндрическом корпусе вторым гирополукомпасом, идентичным по конструкции первому, а также первым и вторым датчиками относительных угловых перемещений рамок, размещенными на осях

вращения внутренних рамок соответственно первого и второго гирополукомпасов, при этом гироскопы установлены с возможностью расположения направляющих векторов главных осей гироскопов

некрллинеарно.

2. Инклинометр по п. 1, от л и ч а ю щ и- й с я тем, что, с целью повышения точности измерения азимута и визирного угла, гирЪскопы установлены с возможностью расположения вектора, составленного из суммы направляющих векторов главных осей гироскопов, в меридиональной плоскости, а угол между главными осями гироскопов составляетотВОдо 100°.

Использование: в промысловой геофизике для пространственной ориентации стволов обсаженных скважин, а также скважин, проведенных в средах с магнитными аномалиями, Сущность: изобретение вклюй н. ии аи ю чает в себя два одинаковых гироскопических узла, в каждый из которых введены одинаковые датчики угловых перемещений внутренних рамок, главные оси гироскопов располагаются под углом 90° ± 10° симметрично относительно плоскости меридиана, В процессе работы инклинометра с помощью датчиков угловых перемещений внутренних и внешних рамок 10, 11 и 4, 5 непрерывно измеряются угловые перемещения рамок. Сигналы датчиков содержат необходимую информацию о пространственной ориентации корпуса инклинометра. Азимут, зенитный и визирный углы определяются в процессе обработки сигналов датчиков по соответствующим алгоритмам. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. ел G