Инклинометр
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
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
Г9СУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 (21) 4896371/03. (22),25.12.90 (46) 15,01.93, Бюл. М 2 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт нефтепромысловой геофизики (72) Н.П.Рогатых и Л.А.Куклина (56) Авторское свидетельство СССР N 120795, кл. Е 21 В 47/022, 1959. Авторское свидетельство СССР N785468,,кл. E 21 В 47/022, 1980. Исаченко В,Х. Инклинометрия скважин. M.; Недра, 1987, с, 51, рис. 27. (54) ИНКЛИНOMETP (57) Использование: и промысловой геофизике для пространственной ориентации стволов обсаженных скважин, а также скважин, проведенных в средах с магнитными аномалиями, Сущность; изобрете „„5Ц„„1788224 А1 2 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. Лзимуг, зенитный и визирный углы определяются в процессе обработки сигналов датчиков по соответствующим алгоритмам. 1 з,п. ф-лы, 2 ил. 1788224 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 курсоуказатель и гироскопический указатель искривления, внешние рамки которых расположены соосно с корпусом инклиномет10 ра, а также элементы коррекции указателей, включающие три корректирующих мотора и жидкостные маятниковые переключатели, при этом два корректирующих мотора свяэаны с внутренними рамками гироскопических указателей, а третий — с осью вращения внешней рамки указателя искривления. Коррекция курсоуказателя производится по сигналам жидкостйого маятникового пере20 ключател я, установлен ного. на вн ешней рамке указателя искривления. Недостатком данного инклинометра является сложность конструкции, обусловленная с одной стороны стремлением измерения непосредственно параметров 25 искривления, а с другой стороны — необходимостью использования для этого большого числа корректирующих элементов Недостаток состоит также в низкой точноция курсоуказателя производится по сигналу жидкостного переключателя, установленного на внешней рамке указателя искривления, но поворот внешней рамки указателя искривления и уход гироскопа курсоуказателя не являются адекватными параметрами, вследствие того, что они относятся к различным гироскопическим сис35 темам. Кроме того недостатком инклинометра является отсутствие каких- 40 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, на50 правляющие векторы главных осей которых расположены параллельно и встречно, датчик азимута, датчик угла наклона скважины (зенитного yrna), 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 исполнительнь|м двигателем следящей сти измерения азимута, поскольку коррек- 30 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 датчика азимута в соответствии с йаправлениями главных осей гироскопов, Кроме того, недостатком является низкое быстродействие, которое вытекает из необходимости измерения азимута в два такта. 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 осуществляться 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, то при их параллельной работе возникает неопределенность, и инклинометр является неработоспособным, Это обстоятельство не учитывается в данном инклинометре. Устранения нежелательного эффекта может быть достигнуто только путем разнесения во времени циклов работы укаэанных следящих систем, но это, в свою очередь, приводит к дальнейшему снижению быстродействия и необходимости проведения замеров только при остановке движения скважинного прибора, что также является существенным недостатком. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является - 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, 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 . 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 вращения внешней рамки. Достоинствами гирополукомпаса по сравнению с гироскопом направления других типов в плане использования в инклинометрах является воэможность применения маятниковой коррекции и установки момен1788224 тного двигателя по оси внешней рамки. Первое позволяет существенно упростить конструкцию, 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 состойт в том, что не позволяет измерять зенитный и визирнйй 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 зависеть 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 измерить только азимут обьектов, 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 кинематическэя схема инклинометрэ. 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 6, 7 и лежат в горизонтальной плоскости, датчики угловых перемещений рамок 10, 11, а также системы маятниковой коррек((ии 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 ус. танавливается в вертикальное положение (О= О), которое характеризуется совмещением базисов Rp u Rl. При этом датчики углов поворотов внешних рамок 4. 5 показы83lOT ЗНаЧЕНИЯ УГЛОВ фаЧ = P, ф a) =/ а датчики угловых перемещений внутренних рамок 10, 11 — ga2 = фь2 = 90О. В этом положении "производится запуск и рэзэр5 рертировэние гироскопов, после чего прибор опускается в скважину. В процессе непрерывного подъема инклинометра направляющие векторы главных осей гироскопов а, 5 сохраняют пространственную "0 ориентацию, заданную исходным положением инклинометра. В то же время пространственное положение корпуса 1 инклинометра меняется в сбответствии с траекторией скважины, вследствие чего меяются и углы относительных поворото внешних и внутренних рамок. При работе инклино метра осуществл яется н еп реры вное измерение значений углов поворотов внешних рамок фа1,фью ивнутреннихраМОК Qa2 ф Ь2 . С ПОМощЬЮ ПолуЧЕННЫХ значений углов определяются координаты направляющих векторов главных осей гироскопов. b =(cos @bi, sin фь2, sin ф ь1 30 $; и фь2, cos )() ь2) (2) по которым вычисляются значения азимута, зенитного и визирного углов;, т(<а ь) (а ьЛ са 4агсааьг»г- t »»taoottoгааа(»» -гга)»агг » еагга (а».сса»ь ) ага (са»4е ага а ь ) oo 2(» 40 е аа& е . q с(ась) ) а» а(гг» ) l а»» Ч ааа ас»Ч4ггас»Ч»ааtсае(4», ггo,) аt Ns.(аг») а» 4а,»e»to mott), -co»4t», o»t»,te»4 (Ч и а (с — .агс)д 45 "" "" "4 " "ь» "" "»"" *""" где р =0,5агсга; С-.(0, 0. 1) . 01Х, laxbI а .Ъ =(1,0,0); ОчЧч =(0,1,0). При отклонении главных осей гироскопов 8, 9 от плоскости горизонта соответствующие датчики 12, 13 вырабатывают 55 сигналы рассогласования, которые через усилительные устройства (на фиг. не показаны) подаются на моментные двигатели 14, 15, посредством которых к внешним рамкам 25 а =(С0$ фа1 Sln f a2, $)П фа, $)П tpa2) СО$ фа2) (1} 1788224 2, 3 прикладываются моменты, доставляющие гироскопы прецессировать вокруг осей вращения внутренних рамок 6, 7 до тех riop, 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 пло ;кости, и направление меридиана ОоХо задается суммой направляющих векторов главных осей (а + b), временной уход гироскопов приводит к одинаковым изменениям углов наклона главных осей относительно меридиональной плоскости, ноне изменяет направление меридиана ОоХО, вследствие чего возрастает точность измерения азимута и визирного угла. Временной уход осей гироскопов происходит в горизонтальной плоскости, в связи с чем он принципиально не влияет на точность определения вертикали местности, которая задается направлением (а х b). Погрешность определения вертикали обусловлена. только погрешностями работы систем коррекции гироскопов. Расположение главных осей гироскопов под углом 90О +. 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 инклинометрических параметров посредством измерения относительных угловых перемещений рамок дает возможность использовать в инклинометре одинаковые датчики углов, например, cinнусно-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 О> 5О, погрешность измерения зенитного угла в диапазоне Оо — 70 составит 0,25, а погрешность измерения визирного угла будет равна ориентировочно 1,0 при О =- Зо — 5 и 0,5 при О > 5О. Исследования проведены из условия использо.вания в качестве датчиков 10 перемещений рамок синусно-косинусных трансформаторов класса точности 0,2 и применения 10-разрядного АцП. Формула изобретения 1. Инклинометр, содержащий цилиндрический корпус с размещенным в нем первым гирополукомпасом, включающим в себя внешнюю рамку, ось вращения которой расположена по оси корпуса, датчик угла поворота внешней рамки, внутреннюю 20 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 так25 же систему маятниковой коррекции, содержащую датчик угла отклонения внутренней рамки от плоскости горизонта и моментный двигатель, ротор которого связан с осью вра30 щения внешней рамки,,отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей 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 40 вращения внутренних рамок соответственно первого и второго гирополукомпасов, при этом гироскопы установлены с воэможностью расположения направляющих векторов главных осей гироскопов 45 неколлинеарйо. 2. Инклинометр по и. 1, отл ич а ю щий с я тем, что, с целью повышения точности ложения вектора, составленного из суммы направляющих векторов главных осей гироскопов, в меридиональной плоскости, а угол между главными осями гироскопов составляет от 80 до 100О. 55 измерения азимута и визирного угла, гиро50 скопы установлены с возможностью распо1788224! Составитель Л. Куклина Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н,Милюкова Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 59 Тираж - Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
