Цифровой феррозондовый измеритель азимута

 

Изобретение относится к промысловой геофизике и позволяет повысить точность определения магнитного азимута скважины. Измеритель содержит генератор 1 возбуждения, делитель 2 частоты, преобразователи (П) 20 и 3 в виде двух ортогональных феррозондов, коммутаторы 10, 11 и 12, сумматор 13, усилитель 14 и фазочувствительный детектор 15. Измеритель также содержит элементы И 21 и ИЛИ 19, счетный триггер 16, блок (Б) 23 вычислений азимутального угла, Б 17 управления, формирователь 18 кодов и регистр (Р) 22 памяти. Информативный сигнал с феррозондов П 3 поступает поочередно через коммутаторы 10,11,12 в сумматор 13 и компенсируется сигналом с П 20. В момент компенсации формирователем 18 на цифровых входах П 20 и выходе Р 22 формируется код, соответствующий амплитуде информативного сигнала. С выхода Р 22 коды поступают в Б 23, в котором производится вычисление азимутального угла. Логические значения сигналов с триггера 16 дают информацию в Б 23 о квадранте расположения магнитной оси измерителя. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

С01.1ИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (I9) 01) (50 4 E 1 В 47 02

8,;Е3 й1Ы1 : .г Б1 .

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPGHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ о

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЭОБРЕТЕКИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 4327973/23-03 (22) 12.11.87 (46) 07.07.89. Бюл. М 25 (71) Краснодарский филиал Научно-исследовательского института морской геофизики Всесоюзного морского научно-производственноro rеолоro-геофизического объединения по разведке нефти и газа Союзмергео" (72) Н. Д. Пустовалов (53) 622.241.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1184930, кл. Е 21 В 47/02, 1985.

Авторское свидетельство СССР

У 1025877, кл. E 21 В 47/02, 1983.

2 (54) Ц 1ФРОВОЙ ФЕРРОЗОНДОВЬ1Й ИЗМЕРИТЕЛЬ АЗИМУТА (57) Изобретение относится к промысловой геофизике и позволяет повысить точность определения магнитного азимута скважины. Измеритель содержит генератор 1 возбуждения, делитель 2 частоты, преобразователи (П) 20 и 3 в виде двух ортогональных ферроэондов, коммутаторы 10, 11 и 12, сумма- тор I 3,,усилитель 14 и фазочувствительный детектор 15. Измеритель содержит элементы И 21 и ИЛИ 19, счетный триггер 16, блок (Б) 23 вычислений азимутального угла, Б 17 управ1492036 ления, формирователь 18 кодов и регистр (P) 22 памяти. Информативный сигнал с феррозондон II 3 поступает попоочередно через коммутаторы 10 11

l 2 в сумматор 13 и компенсируется сигналом с П 20. В момент компенсации форм иро в а т еле м 1 8 н а;ифров ых входах П 20 и выходе P 22 формирует-.

Изобретение относится к промысловой геофизике и предназначено для определения магнитного азимута искривленной скважины.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

На чертеже представлена функциональная схема феррозондового измерителя азимута.

Цифровой феррозондоный измеритель азимута содержит генератор 1 возбуж— дения, выход которого соединен с вхо- 25 дом делителя 2 частоты, магнитомодуляционный преобразователь 3 н виде двух ортогональных феррозондов с последовательно соединенными обмотками

4 и 5 возбуждения, один из свободных 30 концов которых соединен с общей шиной, а другой является нходом преобраэон ателя 3, соединенным с выходом делителя 2 частоты. Ортогональные феррозонды преобразователя 3 имеют основные сигнальные обмотки 6 и 7 и дополнительные сигнальные обмотки 8 и 9, идентичные основньи . Начала обмоток 6 и 7 соединены с общей шиной, а концы являются первым и третьим ны- 40 ходами преобразователя 3. Концы обмоток 8 и 9 соединены с общей шиной, а начала являются вторым и четвертым выходами преобразователя 3.

В сс стан измерителя азимута входят 45 три коммутатора 10 — 12, причем выходы преобразонателя 3 соответственно соединены с информационньии входами первого 10 и второго 11 коммутаторов, выходы которых соответственно соединены с информационными входами третьего коммутатора 12, связанного своим выходом с перньи входо сумматора

13, выход которого соединен с входом избирательного усилителя 14, снязанного с фазочувствительным детектором 15.

Измеритель азимута содержит также счетный триггер 16, блок 7 упранлеся код, соответстнуюгшй амплитуде инфсрматинного сигнала. С выхода P 22 ксды поступают н 11 23, н котором производится вычисление азимутального угпа. Логические значения сигналов с триггера !Ь дают информацию в Б 23 о квадранте расположения магнитной оси измерителя. 1 ил. ния, формирователь 18 кодов, tl элементов ИЛИ 19, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 20, и элементов

И 21, регистр 22 памяти и блок 23 вычислений азимутального угла.

Второй вход сумматора 13 соединен с выходом ЦАП 20, вход опорного сигнала которого соединен с входом опорного сигнала фазочувствительного детектора 15 и с выходом генератора 1 возбуждения. Выход детектора 15 связан с нторьии входами элементов И и с входом управления счетного триггера 16. Выход триггера 16 соединен с входами управления первого 10 и второго 11 коммутаторов и с информационным входом блока 23 вычислений.

Счетный вход триггера 16 соединен с вторьи ныходом блока 17 управления, первый, третий, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно с входами управления третьего коммутатора 12, с входом управления формирователя 18 кодов, с входами сброса формирователя 18 кодов и регистра 22 памяти и с входом управления блока 23 вычислений. Каждый нечетный выход формирователя 18 кодов соединен с первым входом соответствующего элемента ИЛИ 19, а каждый четный выход формирователя 18 кодов соединен с первьи входом соответствующего элемента И 21. Выходы элементов

И 21 соединены с соответствующими информационными входами регистра 22 памяти, выходы которого соединены с соответствующими информационньии входами блока 23 вычислений и с вторыми входами соответствующих элементов

ИЛИ 19. Выходы элементов ИЛИ 19 соединены с соответствующими цифровьии входами ЦАП 20.

В магнитомодуляционном преобразователе 3 помимо ортогональных феррозондов может быть применен феррозонд кольцевого типа, содержаг!ий кольце1492036 6 вой сердечник, на которы11 нанесена обмотка возбуждения, а также две па ры идентичных сигнальных обмоток, каждая пара иэ которых перпендикуляр на другой и диаметрально охватывает сердечник.

Дпя соблюдения идентичности сигнальных обмоток 6, 8 и 7, 9 в каждом ортогональном Лерроэонде преобразователя 3 эти обмотки нанесены на сердечник (магнитопровод) биЛилярно и имеют между собой тесную индуктивную связь, Сумматор 13 сигналов, блок 17 управления и формирователь 18 кодов являются общеизвестными в технике измерений электрических и магнитных величин.

11апример, сумматор 13 может оыть выполнен на двух резисторах, одни концы которых соединены в общую точку, с которой снимается суммарный сигнал, а другие концы соединены соответственно с источником измеряемого (информативного) и компенсирующего сигналов.

Блок 17 управления тредстат-:ляет собой генератор импульсов, на выходах которого импульсы имеют соответствующую временную расстановку.

Формирователь 18 кодов представляет собой распределитель импульсов и может быть выполнен на работающем в режиме сдвига регистре, в котором происходит сдвиг единичного сигнала синхронно с импульсами, поступающими на его вход управления.

Цифровой феррозондовый измеритель азимута работает следующим образом.

Генератор 1 возбуждения через делитель 2 частоты питает обмотки 4 и

5 магнитомодуляционного преобразователя 3 переменным током с частотой и . Под действием педеменнрго магнитного потока, создаваемого в сердечниках феррозондов током возбуждения и постоянного магнитного поля Земли, в сигнальных обмотках 6, 8, 7 и 9 преобразователя 3 наводятся ЭДС, содержащие информативные гармоники

U с частотой 2 f . Амплитуды этих инар гармоник изменяются пропорционально синусу (у одного ферроэонда) и косинусу (у другого Леррозонда) угла ср поворота измерительной (магнитной) оси магнитомодуляционного преобразователя 3 относительно вектора Нт горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, т ° е. азимута, а их фазы относительно выходного сигнала генератора 1 возбуждения содержат информацию о квадранте расположения векто5 ра Г

Через коммутаторы 10, 11 и 12 сигнальные обмотки 6, 8, 7 и 9 могут подключаться к первому входу суммато10 ра 13. Обмотки 9 и 7 первого ортогонального феррозонда являются идентичными и включенньии встречно ° 11ри этом амплитуды сигналов U< и Uò на выходах обмоток 9 и 7 одинаковы, а

15 фазы этих сигналов отличаются на 180, С помощью коммутатора 10 одна из обмоток 9 или 7 может подключаться к первому входу коммутатора 12, а следовательно, с помощью коммутатора 1О

20 может меняться на 180 Лаза выходного сигнала первого ортогонального ферроэонда (фаза сигнала, поступающего на первый вход кою утатора 12). Обмотки

8 и 6 втЬрого ортогонального феррозон

25 да также являются идентичными и вкгпоченными встречно, а следовательно, с помощью коммутатора 11 фаза выходного сигнала второго ортогонального, о феррозонда может меняться на 180

30 К второму входу сумматора 13 подключен выход ЦАП 20, на вход опорного сигнала которого с выхода генератора

1 возбуждения поступает сигнал с частотой 2 f8. Этот сигнал также посту пает на опорный вход фаэочувствительного детектора 15. В сумматоре 13 осуществляется компенсация (уравновещивание) инЛормативной составляющей (т.е. гармоники с частотой 2 f ) инар

40 выходного сигнала м агнитомодуляцио нного преобразователя 3 выходным сигналом Uää UAII 20 (сигнал U<о противофазен инЛормативной гармонике Ugp ) .

С выхода сумматора 13 сигнал U,s pas45 баланса через избирательный усилитель

14, настроенный на частоту 2 fI,, поступает на вход Лазочувствительного детектора 15. В фаэочувствительном детекторе 15 происходит сравнение фа50 эы опорного сигнала с фазой сигнала, поступающего с выхода усилителя 14.

Если на выходе сумматора 13 сигнал с частотой 2 f имеет фазу, соответствующую фазе инЛормативной гармоники

U< + выходного сигнала магнитомодулянну ценного преобразователя 3, то на вы ходе детектора 15 формируется сигнал1 с логическим уровнем "1", Если фаза этого сигнала соответствует hase сиг1

1492036 нала компенсации U, то на выходе чо детектора 15 формируется сигнал с логическим уровнем 0 . В момент компенсации сигнала Uк„, сигналом U> код Б„на цифровых входах ЦАП 20 будет соответстновать (с погрешностьи квантования компенсируишего сигнала

П ) амплитуде измеряемого сигнала

U„„q,. По значении кода Nx Hà циЛроных входах ЦАП 20 в момент раннове сия сигналов U п, и U судят о величине выходного сигнала магнитомодуляционного преобразователя 3.

Управление работой функциональной схемы осуществляется импульсами, подаваемыми с 1-го — 5-го ныходон блока 17 управления соответственно на вход управления коммутатора 12, на счетный вход триггера 16, на вход управления формирователя 18 кодов, на входы сброса формирователя 18 кодов и регистра 22 памяти, на вход управлеиия блока 23 вычислений.

Процесс измерения азимута состоит из двух циклов.

В первом цикле измерения определяется знак фазы инЛормативной гармоники 0 1„„, выходного сигнала 1}з ч,1мн <р первого ортогонального феррозонда относительно сигнала 1}, возбуждения, т.е. определяется полуплоскость расположения магнитной оси первого ортогонального ферроэонда относительно вектора И„ горизонтальной состанляищей магнитного поля Земли, а амплитуда информативной гармоники U, „„,Р

И преобразуется в цифровой эквивалент

Из1.,Дпя этого сигнал с первого выхода блока 17 управления подкличает лодвикньй контакт коммутатора 12 к выходу коммутатора 10, а следовательно, одна из сигнальных обмогок 9 и

7 первого ортогонального феррозонда соединяется с первым входом сумматора 13. Затем на червертом выходе блока 17 управления формируется импульс, который поступает на входы сброса регистра 22 памяти и формирователя 18 кодов, в результате чего выходы регис тра 22, Лормиро нателя

18, а также выходы элементов ИЛИ 19 устанавливаются н нулевое значение, а следовательно, нулевое значение принимает амплитуда компенсирующего сигналя U на выходе ЦАП 20. При этом в занисимости от положения под вижного контакта коммутатора 10 (в

45 зависимости от сигнала на выходе триггера 16) к первому входу сумматора 13 будет подключена сигнальная ! обмотка 9 или 7, а Лаза инЛорматив ного сигнала на выходе сумматора 13 будет соответствовать Лазе информативного сигнала U»» сигнальной обмотки 9 или 7. Если Лаза информативной гармоники Uzп,„,„на выходе сумматора 13 соответствует Лазе компенсирующего сигнала Uz, то на выходе Аа-зочувстнительного детектора 15 устанавливается сигнал с логическим уровнем напряжения 0, который поступает на вход управления триггера 16 и переводит его в режим счета. Если же фаза информативной гармоники Б

9,1 вне про тив о положи а фа э е к омп енс ирующе го сигнала 1 0, то на ьыходе детектора

l5 устанавливается сигнал с логическим уровнем напряжения "1", запрещающий режим счета триггера 16. После этого на втором выходе блока 17 управления формируется импульс, который поступает на счетный вход триггера 16 и в зависимости от логического уровня (0 или "1 } си."нала на его входе управления либо переводит триггер 16 в новое состояние, либо не изменяет его состояния, а следовательно, подвижный контакт коммутатора 10 либо переключается, либо остается в снуем первоначальном состоянии. При этом Лаза изменяемого сигнала на первом входе сумматора 13 окажется противоположной Лазе сигнала Ц компенсации ПАП 20, а логическое значение сигнала на выходе триггера 16 будет указывать какая из сигнальных обмо— ток 9 или 7 подключена к первому входу сумматора 13, т.е. будет указывать знак Лазы информативного сигнала на выходе первого ортогонального феррозонда относительно фазы сигнала U возбуждения генератора l.

Затем осуществляется уравнонешивание информативной гармоники Ц,„

9 Ин р выходного сигнала U>z Леррозонда сигI налом П „компенсации ЦАП 20.

В первом такте уравновешивания с третьего выхода блока 17 управления на вход управления формирователя 18 кодов поступает первый импульс и на первом выходе формирователя 18 появляется единичный сигнал, который через первый элемент ИЛИ 19 включает первый (старший) разряд ЦАП 20. При

1492036

10 этом амплитуда компенсирующего скпв нала Uzi на выходе IIAII 20 получает скачкообразное приращение, по величине соответствующее весу старшего раз5 ряда °

Если в результате вкгпочения старшего разряда IIAII 20 амплитуда компенсирующего сигнала U ц„, (Upp< 1О

), то на выходе сумматора 3 фаза сигнала с частотой 2 f< будет соответствовать фазе инЛормативного выходного сигнала Г1з „„ортогонального Леррозонда и на вйходе Лазочув- 15 ствитвльного детектора 15 сигнал будет иметь логический уровень "1".

Если же в результате включения старк;его разряда ЦАП 20 оказывается, что

) U<»tt, то на выходе Лазочувст- 20

I вительногo детектора 15 устанавливается сигнал с логическим уровнем

0 . Затем с третьего выхода блока

17 управления на вход управления Лор мирователя 18 кодов поступает второи импульс и на выходе Лормирователя 18 происходит сдвиг единичного с "гнала с первого выхода на второй.

Г1ри этом единичный сигнал с вто— рого выхода Лормирователя 18 кодов 30 поступает на первый вход первого элемента И 21 и разрешает запись Bbl ходного сигнала (соответствующего

"1" или "0") фазочувствительного детектора 15 в первый (старший) разряд регистра 22 памяти, с первого выхода которого этот сигнал ("1" или "0") через первый элемент ИЛИ 19 фиксирует старший разряд ЦАП 20 в состояние пl» ипи п0". 40

Во втором такте уравновешивания с третьего выхода блока 17 управления на вход управления Лормирователя 18 кодов поступает третий импульс и на выходе Лормирователя I S происходит 45 сдвиг единичного сигнала с второго выхода на третий. Этот единичный сигнал через второй элемент ИЛИ 19 включает второй (последующий младший)

Разряд ЦАП 20 и тем самым вызывает 50 скачкообразное приращение амплитуды компенсирующего сигнала 11 . В зависимости от величины сигнала Uz (Бя1 или Бд() ) Бз7 ин я.1 ин р фазочувствител го детектора 15 ус- 55 танавливается сигнал с логическим уровнем "1".или "0". Затем с третьего выхода блока 17 управления на вход управления формирователя 18 кодов поступает импульс и единичный сигнал с третьего выхода Лормирователя 18 кодов передвигается на четвертый выход, откуда поступает на первый вход второго элемента И 21 и разрешает запись выходного сигнала (! или "0 ) фазочувствительного детектора 15 во второй разряд регистра 22 памяти, а следовательно, второй разряд ГГЛП 20 Ликсируется в со— со .тоянии 1 или 0 . Лиалогичным образом выполня тея последующие так— ты уравновешивания.

Уравновешивание информативного сигнала Ц,„ ортогонального.феррозонда завершается эа ш тактов, равных числу разрядов ЦАП 20. По окончании уравновешивания код N>> на выхоI де регистра 22 памяти будет соответствовать амплитуде уравновешиваемого сигнала Ц „ц с погрешностью шага квантования Г,2„ . С выхода регистра 22. памяти код N>> поступает в блок 23 вычислений, в который также поступа- ет сигнал с выхода триггера 16, индицирувщий знак Лазы сигнала U9, относительно сигнала L, возбужденияi

После этого выполняется второй цикл измерения, при котором определяется знак фазы информативной гарм и з, „„выходног сигнала U> < второго ортогонального Леррозонда относительно сигнала возбуждения, т ° е. определяется полуплоскость расположения магнитной оси второго ортогональногo феррозонда относительно вектора Н горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, а амплитуда инЛормативной гармоники

U>e и„преобразуется в цифровой эквивалент N8e Для этого сигнал с первого выхода блока 17 управления подключает подвижный контакт коммутатора 12 к выходу коммутатора 11, а следовательно, одна из сигнальных обмоток,8 или 6 второго ортогонального феррозонда соединяется с первым входом сумматора 13, после чего схема измерителя азичута работает аналогично первому циклу измерения. По окончанию второго цикла измерения логические сигналы с выходов регистра 22 памяти и триггера 16 поступают в блок 23 вычислений.

После завершения первого и второго циклов измерения на пятом выходе блока 17 управления формируется .им1492036

l2 пульс, который поступает на вход управления блока 23 вычислений! и разрешает выполнение вычислений. В блоке

23 производится вычисление величины

5 азимутального угла г!, т.е. угла между магнитной (измерительной) осью измерителя азимута в горизонтальной составляющей вектора 11„магнитного поля Земли, в соответствии с зависимо- 10 стью

"!и агсtg = arctg

8,6 ИН 8. 6

Логические значения сигналов, по— ступивших со счетного триггера 16 в

I блок 23, дают информацию о квадранте расположения вектора Н, относительно 20 магнитной оси измерите "я азимута.

Данное техническое рещение представляет собой одноканальный измеритель, в котором преобразование выход- 25 ных сиг!!алов Ь и IJ8 6 !!н Орто! О нальных ферроэондов в кОдн !Ч91 и N8 6 выполняется поочередно, а измеряемая величина находится через отношение кодов ", „. и N ., что исключает пог — 30

8,61 решности измерения, свойствеш!ые известному двухканальному устройству, а именно иск !ючает мультипликативные составля!о!1 ие погрешности коэффициента передачи ортогональных феррозон- 35 дов, избирательного i силптеля 4, фазочувствительного дете..тора 15 и

ЦАП 20, а также погре!!Ности измерения, связа!нные с нестаб !леностью амплитуд Ныходного напряжения Г, гене- 40 ратор возбуждения и амплитуды опорно." Напряжения IIAI1 20. Кроме того, измерительный преобразователь (преобразователь информативных сигналов ферроэондов в коды) в данной 45 схеме О .вачен общей обратной связью, в цепи !;оторой стоит образцовый элемент — IIAII, Погрешность измерения не зависит от нелинейности и нестабильности фуш.ций преобразования избирательного усилителя и фазочувствительного детектора, а определяется в оановном погрешностями нелинейности и квантования ЦАП, а также погрешностью функции преобразования ортогональных феррозондов (магнитомодуляционного преобразователя), которые практически могут быть достаточно мальки.

Формул а изc!бр етения

Цифровой феррозондоный измеритель азимута, содержащий генератор возбуждения, выход которого соединен с входом делителя частоты, магнитомодуляционный прео бразов атель в виде двух ортогональных феррозондов с последовательно соединенными обмотками возбуждения, один из свободных концов которых соединен с общей шиной, а другой является входом преобразовате- ля, с основными сигнальными обмотками, начала которых соединены с общей шиной, а концы являются первым и третьим выходами преобразователя, вход которого соединен с выходом делителя частоты, соединенные между собой иэ— .бирательный усилитель и фазочувствительный детектор, вход опорного сигнала которого соединен с выходом генератора возбуждения, и три коммутатора,отличающийся тем, что, с целью п.-вышения точности измерения, он снабжен сумматором, счетным триггером, ци1>роаналоговым преобразователем, п элементами И и п элеь!ент,!ми ИЛИ, формирователем кодов, регистром памяти, блоком вычислений азимутального угла и блоком управления, а каждый феррозонд снабжен дополнительной с и гнал ьной о бмо тк ой, идентичной основнои, при этом концы дополнительных обмоток соединены с общей шиной, а начала являются вторым и четвертым выходами магнитомодуляционного преобразователя, выходы которого соответственно соедин ны с информационными входами первого и второго коммутаторов, выходы которых соответственно соединены с информа-, ционными входами третьего коммутатора, связанного своим выходом с первым входом сумматора, выход которого соединен с входом избирательного усилителя, а второй вход — с выходом цифроаналогового преобразователя, вход опорного сигнала которого соединен с входом опорного сигнала фазочувствительного детектора, связанного своим выходом с вторыми входами элементов И и входом управления счетного триггера, выход которого соединен с входами управления первого и второго коммутаторов и информационным входом блока вычислений, а счетный вход триггера — с вторым выходом, блока управления, первый, третий, четвертый и пятый выходы которого сп1492036

14 рыми входами соответствующих элементов ИЛИ, выходы которых соединены с соответствующими цифровыми входами цифроаналогового преобраэователя.

Составитель А. Цветков

Редактор В. Бугренкова Техред A. Кравчук Корректор М. Шароши

Закаэ 3847/33 Тирах 514 Подписное

ВЯИИПИ Государственного комитета по иэобретенияи и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раужская наб., д. 4/5

Проиэводственно-иэдательский комбинат "Патент", г.ухгород, ул. Гагарина,101 единены соответственно с входом управления третьего коммутатора, вхо дом управления формирователя кодов, входами сброса формирователя кодов и регистра памяти и входом управления блока вычислений, причем кахдый нечетный выход формирователя кодов соединен с первым входом соответствующего элемента ИЛИ, каждый четный выход формирователя кодов соединен с первым входом соответствующего элемента

И, а их выходы соеДинены с соответствующими информационными входами ре» гистра памяти, выходы которого соединены с соответствующими и формационными входами блока вычислений и вто