Инклинометр

 

Назначение: изобретение относится к измерению пространственного положения оси буровой скважины, в частности к гироскопическим инклинометрам , способным работать в непрерывном и точечном режимах измерения при движении скважинного прибора в обсаженных и необсаженных скважинах без использования магнитного поля Земли. Сущность изобретения: для повышения производительности инклинометрических работ при неподвижном относительно Земли скважинном приборе с помощью наземного вычислителя по информации блоков двухкомпонентного акселерометра , двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости и трехстепенного двухрежимного гироскопа, размещенных в скважинном приборе , определяется азимут плоскости наклонения скважины и азимут главной оси гироскопа, который заносится в память наземного вычислителя. Затем инклинометр переводится в режим непрерывного движения. При этом положение оси скважины определяется наземным вычислителем по информации с блоков акселерометра и трехстепенного гироскопа с использованием значения азимута, заложенного в память вычислителя. Компенсация ухода трехстепенного гироскопа осуществляется вводом в наземный вычислитель широты места проведения измерений, а также определенной заранее систематической составляющей скорости дрейфа Трехстепенный гироскоп работает в двух режимах гироскопа направления / в режиме выставки / и свободного гироскопа - в режиме продвижения. 1 ил.

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам опислник изоБркткния L.!

К ПАТЕНТУ (21) 4850035/ОЭ (22) 10.07,90 (46) 15.12.93 Бюл. Мя 45-46 (71) Томский политехнический институт им.С.М.Кирова (72) Белянин Л.Н„Глазкин О.В.; Гурин Л.Б.; Мартемьянов В.М.; Самойлов С.Н. (73) Белянин Лев Николаевич (54) ИНКЛИНОМЕТР (57) Назначение: изобретение относится к измере— нию пространственного положения оси буровой скважины, в частности к гироскопическим инклинометрам, способным работать в непрерывном и точечном режимах измерения при движении скважинного прибора в обсаженных и необсаженных скважинах без использования магнитного поля

Земли. Сущность изобретения: для повышения производительности инклинометрических работ при неподвижном относительно Земли скважинном приборе с помощью наземного вычислителя по информации блоков двухкомпонентного акселеро(в) RU (11) 2004786 С1 (51) 5 Е21В47 02 метра, двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости и трехстепенного двухрежимного гироскопа, размещенных в скважинном приборе, определяется азимут плоскости наклонения скважины и азимут главной оси гироскопа, который заносится в память наземного вычислителя. Затем инклинометр переводится в режим непрерывного движения. При этом положение оси скважины определяется наземным вычислителем по информации с блоков акселерометра и трехстепенного гироскопа с использованием значения азимута, зало- . женного в память вычислителя. Компенсация ухода трехстепенного гироскопа осуществляется вводом в наземный вычислитель широты места проведения измерений, а также определенной заранее систематической составляющей скорости дрейфа

Трехстепенный гироскоп работает в двух режимах: гироскопа направления / в режиме выставки / и свободного гироскопа — в режиме продвижения. 1

2004786

15

Изобретение относится к устройствам для измерения геометрических характеристик оси буровой скважины, в частности к гироскопическим инклинометрам, способным работать в непрерывном и точечном режимах измерения при движении скважинного прибора в обсаженных и необсаженных скважинах беэ использования магнитного поля Земли.

К числу измеряемых геометрических характеристик оси буровой скважины QTHocAT" ся зенитный угол и азимут плоскости наклонения оси в каждой точке скважины.

Зенитный угол измеряется с помощью маятниковых устройств, либо с помощью акселерометров, размещаемых в скважинном приборе инклинометра. Известны инклинометры, (аналоги данного изобретения), в которых азимут плоскости наклонения определяется с помощью различных приборов, построенных на основе позиционных гироскопических датчиков. В качестве примера можно привести инкинометры ИГ-2, ИГ-70, ИГ-50, которые используют свойство трехстепенного гироскопа сохранять положение главной оси неизменным в пространстве, Б корпусах скважинных приборов этих и н клинометров размещается трехстепенный гироскоп, внешняя ось которого направлена по продольной оси скважинного прибора, После разгона ротора гироскоп занимает определенное положение относительно плоскости меридиана, которое в дальнейшем при проведении замеров в буровой скважине используется как опорное.

Сигнал датчика угла, связанного с внешней осью гироскопа и осью маятникового устройства, устанавливающегося в плоскость наклонения, проступает по каротажному кабелю на поверхность, где используется для вычисления азимута плоскости наклонения, Наиболее существенным недостатком данных инклинометров является длительность и сложность процесса выставки (ориентации) гироскопа на поверхности Земли, Наличие стальных конструкций вблизи места проведения измерений ограничивает использование для целей выставки датчиков, реагирующих на магнитное поле Земли; применение других средств не всегда возможно по причинам экономического характера, погодных условий, повышенных требований к квалификации обслуживающего персонала. Кроме того, в процесс выставки неизбежно вносятся ошибки субъективного характера.

Недостатки, проявляющиеся при начальной выставке, полностью отсутствуют в гироскопических инклинометрах, схемы определения азимута плоскости наклонения которых построены по принципу аналитического построения опорных направлений, В качестве примера приведем гироскопический инклинометр фирмы Тиродейта", который выбран в качестве прототипа предлагаемого инклинометра. Указанный инклинометр содер>кит скважин ный прибор и связанный с последним при помощи каротажного кабеля наземный вычислитель.

Имеющиеся в скважинном приборе блок двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости (на основе динамически настраиваемого гироскопа) и блок двухкомпонентного линейного акселерометра расположены таким образом, что их соответствующие оси чувствительности параллельны между собой и перпендикулярны оси скважинного прибора, Направления осей чувствительности блоков датчиков первичной информации (угловой скорости и линейного ускорения) и продольная ось скважинного прибора представляют приборную систему координат. Сигналы блока датчика .угловой скорости есть величины, пропорциональные проекциям на ост приборной системы координат вектора угловой скорости вращения сква>кинного прибора в инерционном пространстве. Аналогично сигналы блока акселерометра пропорциональны проекциям вектора кажущегося линейного ускорения на те же оси, Выставка производится автономно при неподвижном относительно Земли скважинном приборе; в этом случае блок датчика угловой скорости замеряют только проекции угловой скорости вращения Земли. Необходимая информация для определения углов отклонения продольной оси скважинного прибора от вертикали и поворота скважинного прибора вокруг продольной оси поступает с блока линейного акселерометра. При этом наземным вычислителем, входящим в состав инклинометра, определяется положение приборной системы координат относительно системы координат, ориентированной географически, в частности определяются зенитный угол и азимут плоскости наклонения оси скважины, Особенностью инклинометра, выбранного в качестве прототипа, является то, что он используется только в режиме точечных измерений, когда геометрические параметры оси буровой скважины фиксируются в определенных точках вдоль укаэанной оси буровой скважины фиксируются в огределенных точках вдоль указанной оси при неподвижном скважинном приборе. Указанный режим позволил снизить требования к диапазону изменения чувствительных элементов. Режим работы инклинометра-прототипа обладает мен ь2004786 шей производительностью по сравнению с режимом измерений в процессе непрерывного движения скважинного прибора, т.к. время процесса инклинометрических исследований увеличивается эа счет времени остановок окважинного прибора для проведения измерений в определенных точках оси буровой скважины.

Целью изобретения является повышение производительности инклинометрических работ, которое должно быть достигнуто без повышения требований к датчику угловой скорости и наземному вычислителю, беэ значительного увеличения стоимости инклинометрического комплекса.

Поставленная цель достигается тем, что инклинометр содержит в скважинном приборе блок двухкомпонентного avcenepoметра, блок двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости, а также трехстепенный гироскоп. Указанный гироскоп снабжен переключателем переводе его из режима гироскопа направления в режим свободного гироскопа и обратно, Наземный вычислитель инклинометра содержит блок компенсации видимого ухода трехстепенного гироскопа и систематической составляющей его дрейфа. Блоком компенсации является та часть структуры наземного вычислителя (аппаратная или программная), которая определяет величину вертикальной составляющей угловой скорости вращения Земли, суммирует ее с величиной скорости дрейфа трехстепенного гироскопа, полученную сумму интегрируют по времени и окончательное значение величины поправки вводит в вычисленное значение азимута плоскости наклонения. Более высокую производительность работы предлагаемому инклинометру придает введение функциональной связи между датчиками, работающими в режиме выставки (блок акселерометра, блок датчика угловой скорости) и датчиками, работающими в режиме непрерывного движения (блок аксеоерометра и трехстепенный гироскоп). Данная функциональная связь осуществляется через наземный вычислитель, который в момент переключения из режима выставки в режим непрерывного движения связывает информацию об азимуте плоскости наклонения, вычисленную на основе сигналов блока датчика угловой скорости и блока акселерометра с информацией трехстепенного гироскопа, При неподвижном относительно

Земли скважинном приборе с помощью наземного вычислителя по информации блоков акселерометра, датчика угловой скорости и трехстепенного гироскопа определяется азимут плсскости наклонения и

8 трехстепенный гироскоп 6. Переключение режимов трехстепенного гироскопа осуществляется коммутацией его цепи нивелирования, состоящей из маятникового чувствительного элемента 9 и датчика мо35 мента 10. Блок компенсации 11 наземного вычислителя предназначен для компенсации видимого ухода трехстепенного гироскопа и систематической составляющей его

40 дрейфа. 12 - датчик угла трехстепенного гироскопа.

Инклинометр работает следующим образом. В начале процессе исследований при неподвижном скважинном приборе производится определение азимута главной оси трехстепенного гироскопа; при этом последний работает в режиме азимутального гироскопа направления (цепь системы нивелирования замкнута). Двухкомпонентный датчик угловой скорости определяет составляющие со,, и > угловой скорости вращения

Земли Qs на оси ОХ и ОУ, связанные с корпусом скважинного прибора и которые зависят от широты места р, зенитного P v апсидального у углов:

55 вх = A(cosp cosa cosP сазу +

+ sing sing cosy - cosp slna s lny ); азимут главной оси гироскопа. Последний заносится в память наземного вычислителя.

После окончания процесса выставки инклинометр переводится в режим непрерывного движения, при котором положение оси скважины определяется наземным вычислителем по информации с блока акселерометра и трехстепенного гироскопа, а также информации об азимуте главной оси гироскопа, "0 заложенной ранее в память наземного вычислителя в момент перехода от режима выставки в режим непрерывного движения.

Для повышения точности работы трехстепенного гироскопа в режиме движения сис15 тема нивелирования его главной оси отключается переключателем режимов работы.

На чертеже приведен состав предлагаемого инклинометра.

Скважинный прибор 1 связан с наземным вычислителем 2 каротажным кабелем 3.

В корпусе скважинного прибора размещены блок двухкомпонентного акселерометра

4, блок двухкомпонентного датчика угловой

25 скорости 5 и двухрежимный трехстепенный гироскоп 6. Задатчик режимов работы Выставка+движение 7 переводит в необходимые режимы функционирования наземный вычислитель 2 и посредством расположенного в скважинном приборе переключателя

2004786 и у = Из (cosp cosa co@ sing +

+ sing. slnp slny +cosp slna cosу).

По алгоритму, построенному на основе приведенных выражений. Наземный вычислитель определяет азимут главной оси гиро- 5 скопа аг. В алгоритме учитывается угол ф поворота наружной рамки трехстепенного гироскопа относительно корпуса скважинного прибора и рассчитанные по сигналам блока двухкомпонентного акселе- 10 рометра зенитный Р и апсидальный углы:

1а +а

P =8rctg

15 где ах. ау - проекции ускорения силы тяже- 20 сти на оси ОХ, ОУ;

9 - ускорения силы тяжести; ао - азимут плоскости наклонения в точке проведения выставки, Рассчитанный азимут главной оси гиро- 25 скопа вводится в память вычислителя, Затем инклинометр переводится в режим непрерывного движения, при котором отключается цепь нивелирования трехстепенного гироскопа, а вычислитель решает 30 задачу ориентации, используя только сигналы трехстепенного гироскопа и двухкомпонентного акселерометра; азимут плоскости наклонения при этом определяется

35 правленной по продольной оси

; скважинного прибора, и цепью нивелирования, содержащей MBATHMKOBblA чувствительный элемент по внутренней оси, датчик момента по внешней оси и включенный между ними переключатель перевода гироскопа из режима гироскопа направления в режим свободного гироскопа и обратно, причем датчик угла соединен с третьим входом вычислителя, а вычислитель снабжен блоком компенсации види50 мого ухода гироскопа и систематической составляющей его дрейфа и задатчиком режимов работы выставка - движение, первый выход которого связан с переключателем перевода гироскопа, а второй соединен с четвертым входом вычислителя, с пятым входом вычислителя соединен выход блока компенсации. у arct9 (- — "); ах аг = ао+ агсщfcosP tg(y+ tP )), Формула изобретения

ИНКЛИНОМЕТР, содержащий наземный вычислитель и связанный с ним каротажным кабелем скважинный прибор, содержащий жестко связанные с его корпусом блок двухкомпонентного акселерометра и блок двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости, соответствующие оси чувствительности которых параллельны между собой и перпендикулярны к продольной оси скважинного прибора, а их выходы подключены к первому и второму входам вычислителя, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности инклинометрических работ, скважинный прибор снабжен трехстепенным гироскопом с датчиком угла по внешней оси, наа= аг+е +(Я, sing+60 др) t, е = arctg fcosP . tg(у+ ф )).- угловое положение главной оси трехстепенного гироскопа относительно плоскости наклонения; (Я sin p+o) др)- суммарная скорость ухода гироскопа;

t-текущее время с момента перехода на режим непрерывного движения.

Компенсация отклонения главной оси гироскопа, вызываемого видимым уходом и дрейфом, производится вводом в наземный вычислитель величин широты места р проведения измерений. скорости вращения

Земли Q, а также определенной заранее систематической составляющей скорости дрейфа вдр. (56) Павлов. В,А. Гироскопический эффект.

Его проявление и использование. Л.: Судостроение, 1985, с.122-124.

Гироскопический инклинометр ИГ-О.

Описание и инструкция по эксплуатации.ЧССР. Микротехна, национальное предприятие Модржаны, 1958, с.47.

Гироскопический инклинометр ИГ-50.

Описание и указания по обслуживанию.ЧССР. Микротехна, национальное предприятие Модржаны, 1975, с.114.

Уттект Г,У„де-Вард Дж,П. Новый гироскоп для геофизических исследований.

Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, 1983, hb 3, с.14-19.

2004786

Составитель В.Мартемьянов

Техред M.Moðlåíòàë Корректор А.Мотыль

Редактор Е.Полионова

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Заказ 3389

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101