Датчик зенитного угла буровой скважины

 

Использование1 в области измерений пространственного положения буровых скважин Сущность изобретениядатчик содержит отвес с источником света, фотоприемник и светофильтр Толщина светофильтра увеличивается от центра к периферии . При увеличении зенитного угла выходной сигнал фотоприемника уменьшается из-за увеличивающегося ослабления светового потока светофильтром . 5 ил

(19) RU (11) (51) 5 Е 21 В 47 62

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4891 416/03 (22) 13.1 2.90 (46) 15.1293 бюл. Йв 45-46 (71) Свердловский горный институт им.В.В.Вахрушева (72) Сковородников И.Г„Сковородников О.И. (73) Уральский горный институт им.В.В.Вахрушева (54) ДАТЧИК ЗЕНИТНОГО УГЛА БУРОВОЙ

СКВАЖИНЫ. (57) Использование: в области измерений пространственного положения буровых скважин. Сущность изобретения: датчик содержит отвес с источником света, фотоприемник и светофильтр, Толщина светофильтра увеличивается от центра к периферии. При увеличении зенитного угла выходной сигнал фотоприемника уменьшается из-за увели. чивающегося ослабления светового потока светофильтром. 5 ил.

2004787

15

30

50

Изобретение относится к геологораэведочной технике, точнее к инклинометрамустройствам для измерения углов искривления буровых скважин.

Известны скважинные инкли IoMGTpbl, в которых чувствительным элементом зенитного угла служит отвес, Отклонение отвеса от вертикали определяют разными способами: непосредственным отсчетом или дистанционно, с помощью реостатных, индуктивных, магнитных или ферроэондовых преобразователей. Каждому из способов определения положения отвеса присущи свои недостатки; способу непосредственного отсчета и реостатному - низкая производительность измерений, магнитному и индуктивному - снижение чувствительности датчика, связанное с реакцией преобразователя, феррозондовомувысокая сложность измерительной схемы.

Известны также инклинометры с чувствительным элементом зенитного угла в виде отвеса с фотопреобразователем положения отвеса в электрический сигнал, к числу которых относится и прототип изобретения.

Этот инклинометр содержит соосно установленные отвес с источником света, фотоприемник и анализатор изображения, Источник света на отвесе экранирован со стороны фотоприемника, его свет направлен в противоположную сторону на сферическое зеркало, ось которого наклонена по отношению к оси инклинометра и которое приводится во вращение с помощью электромотора, Это сферическое вращающееся зеркало входит в состав анализатора иэображения, который включает также линзуконденсор, раэмешенную над фотоприемником. На плоской поверхности линзы-конденсатора нанесены чередующиеся прозрачные и непрозрачные секторы, При отклонении отвеса от вертикали луч света от источника, отраженный вращающимся зеркалом, описывает на плоской поверхности линзы-конденсора окружность, центр которой смещается относительно центра линзы тем больше, чем больше зенитный угол скважины. Когда луч света, перемещающийся по поверхности линзы-конденсора, пересекает светлую полосу, фотоприемник вырабатывает импульс напряжения, По чередованию широких и узких импульсов напряжения и определяют зенитный угол. Как видно из приведенного описания, известное устройство имеет довольно сложную конструкцию: анализатор изображения в нем включает в себя вращающееся сферическое зеркало, электромотор и линзу-конденсор с чередующимися прозрачными непрозрачными секторами.

Процесс измерений зенитного угла с таким датчиком также сложен - он требует анализа посл еда вател ь ности импул ьсов напряжения различной ширины (длительности).

Предлагаемое изобретение имеет целью упрощение конструкции датчика и процесса измерений с ним.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике. содержащем соосно размещенные отвес с источником света, фотоприемчик и анализатор иэображения, анализатор иэображения выполнен в виде светофильтра переменной, увеличивающейся от центра к периферии, толщины.

Поскольку ослабление светового потока светофильтром зависит от толщины последнего, а она на пути от источника света к фотоприемнику изменяется в зависимости от угла отклонения источника от вертикали, то и величина сигнала, вырабатываемого фотоприемником, зависит от отклонения источника от вертикали и благодаря этому непосредственно по величине сигнала, снимаемого с фотоприемника, можно определить величину зенитного угла датчика.

Таким образом, анализатор изображения в предлагаемом устройстве представляет из себя одну единственную деталь— светофильтр переменной толщины, соосно установленный между источником света и фотоприемником, а процесс измерений с предлагаемым датчиком сводится к измерению амплитуды сигнала (постоянного тока или напряжения), снимаемого с фотоприемника.

На фиг.1 показан датчик, вмонтированный в корпус инклинометра в вертикальном положении, продольный разрез; на фиг,2тот же датчик при его отклонении от вертикали; на фиг.3 - условные обозначения для расчета зависимости величины выходного сигнала датчика от угла отклонения от вертикали; на фиг,4- источник света, ход световых лучей от него до фотоприемника и форма светового пятна при вертикальном (А-А) и наклонном (В-В) положении датчика; на фиг.5 - зависимости выходного сигнала датчика от зенитного угла при различных значениях минимальной толщины светофильтра, Предлагаемый датчик включает в себя отвес в виде нити 1 с источником света 2 на нижнем конце, фотоприемник 3 и светофильтр 4, расположенные соосно в цилиндрической измерительной камере 5

Фотоприемник 3 имеет форму плоского круга. Источник света 2 может быть выполнен, например, в виде лампочки накаливания 6 и конденсора 7, собирающего лучи от лампоч2004787

10 и

Ф,t (1) где К - коэффициент преобразования фото15 приемника, MA/лм;

t - коэффициент пропускания, равный отношению светового потока, прошедшего через светофильтр, к световому потоку, падающему на него при единичной толщине

20 светофильтра, t < 1;

h - толщина светофильтра на пути прохождения светового потока.

Тот факт, что при отклонении датчика от вертикали световой поток будет падать на

25 поверхность фотоприемника под углом падения, равным зенитному углу датчика фФ = Ф .cos р), полностью компенсируется тем, что в этом случае увеличивается площадь светового пятна на фотоприемнике.

30 Если при падении света по нормали к поверхности фотоприемника (= О) световое пятно представляет собой круг радиуса r u площадь лР, то при отклонении датчика от вертикали пятно становится эллиптическим а5 (фиг. 4), большая полуось эллипса Ь увеличивается по мере увеличения наклона датчика b = r/сов ф, соответственно увеличивается и площадь эллипса S = к а Ь = л 2/cos rp.

Поскольку радиус фотоприемника боль40 ше радиуса светового потока, последний на фиг.4 изображен в виде единичного луча.

Как видно из фиг.3, толщина h светофильтра на пути светового потока может быть выражена как:

Л= —

cosy где 1- расстояние от точки подвеса отвеса до центра светового фильтра;

hp - минимальная толщина светофильтра (над центром расстояния I: hp = и I, тогда получим — с

cosy CoSp

Подставим выражение (2) в формулу(1)

55 и получим зависимость выходного сигнала от зенитного угла датчика в виде

Измерительная камера датчика 5 размещается в корпусе инклинометра 8, который соединяется каротажным кабелем 9 с наземным измерительным пультом, содержащим стабилизированный источник питания осветителя и гальванометр для измерения выходного сигнала фотоприемника, При вертикальном расположении датчика (фиг.1) световой поток от источника 2 попадает на фотоприемник 3 через минимальный по толщине слой светофильтра 4, и фотопреобразователь вырабатывает максимальный сигнал. При отклонении датчика от вертикали (фиг.2) на пути светового потока оказывается часть светофильтра большей толщины, поглощение света в нем увеличивается и фотопреобразователь 3 вырабатывает меньший сигнал, Выходной сигнал, (3) ки 6 в параллельный пучок. Пример такого выполнения источника света показан на фиг.1 и 2. В случае использования в качестве источника света лампочки накаливания светофильтр должен быть нейтральным, равномерно ослабляющим поток света во всей излучаемой области.

В качестве источника света 2 может быть использован также светоизлучающий диод с направленным излучением. Светофильтр в этом случае должен избирательно поглощать излучение светодиода. И в этом и в другом случае удобнее всего стеклянный светофильтр абсорбционного типа, отличающийся высокой оптической однородностью и постоянством оптических характеристик. Коэффициент пропускания такого фильтра одинаков по всему объему.

Нижняя поверхность светофильтра 4 плоская, прилегает к фотоприемнику 3, верхняя

- вогнутая, имеющая минимальную толщину в центре, максимальную - на краях.

На фиг.1-3 изображен светофильтр со сферической верхней поверхностью. Сферическая форма поверхности светофильтра удобна тем, что независимо от угла отклонения отвеса световые лучи источника будут падать на светофильтр по нормали к его поверхности, а это, во-первых, обеспечит повышение точности измерений за счет сохранения постоянного отражения света и, во-вторых, упростит выполнение расчетов зависимости. выходного сигнала от угла наклона датчика, поскольку в этом случае отпадает необходимость учитывать преломление световых лучей. Но в принципе форма верхней поверхности светофильтра 4 может быть и иной, обеспечивающей нужную зависимость выходного сигнала от угла наклона датчика. будет тем меньше, чем больше отклонение датчика от вертикали (зенитный угол).

Рассмотрим, как будет меняться величина i выходного сигнала датчика в зависимости от зенитного угла р при сферической форме верхней поверхности светофильтра.

Если обозначить световой поток, исходящий параллельным пучком из конденсора осветителя, через Ф, то сигнал 1, вырабатываемый под его действием фотоприемником, составит:

2004787 и-0.1 г: :—

cos

1+n -COSp и -0.05 и 0.01

7в град совр (1+n) - cos p (1+ и) - cos p (1+и) - cos p

1+n

0.9990

0.9962

0.9848

0,9659

0,9397

09063

0 8660

0,8192

0,7660

0.05

0,051

0.0538

0.0652

0,0841

0,1103

0.1437

0,1840 а,гзоб

0,2840

0,1

0.1010

0,1038

0,1152

0,1341

0,1603

0.1937

0,2340

0,2808

0.3340

9,891

9,597

8,549

7.203

5,862

4,679

3,700

2.917

2.293

19,588

18,516

15,(04

11,485

8.519

6,306

4,706

3,554

2,697

0.01

0.011

0.01З8

0.0252

0,0441

0,07ОЗ

0,1037

0,1440

О 1908

0,2440

90.188

72.188

39.079

21,902

13.367

8,740

6,014

4.293

3,139

О

2,5

25 зо

К "t Фо где 10 = - постоянная величина, характеризующая выходной сигнал при р=Оип=0, В таблице приведены расчетны выходного сигнала I для трех произвольно выбранных значений и = 0,1; 0;05 и 0,01 для зенитный углов от 0 до 40 .

По результатам этих расчетов на фиг.5 построены графики зависимости 1/Im8< от зенитного угла датчика, Как следует иэ этих графиков, зависимость )/1018х = f(p) легко можно изменять путем подбора минимальной толщины светофильтра ho.

При ho = 0,1 I u ho = 0,051 зависимость близка к линейной в пределах от 0 до 3035О, что очень удобно для практических целей.

Работает датчик следующим образом.

Подсоединяют датчик к каротажному кабелю, Через жилы кабеля подключают к источнику света стабилизированный источник питания, а к фотоприемнику - измерительный прибор, например нальванометр. Пе-. ред спуском в скважину производят градуировку датчика, для чего его закрепляют в зажиме специального градуировочного стола, заранее отнивелированного по установочным уровням. Приводят датчик в вертикальное положение. Включа)от питание источника света и берут отсчет Im»< по измерительному прибору.

Далее датчику в градуировочном столе придают определенные углы отклонения от вертикали с заданным шагом и при каждом угле производят замеры выходного сигнала.

Как видно по фиг.2, при отклонении от вертикали световой поток, попадающий «а фотоприемник, уменьшается за счет увеличения поглощения в светофильтре, и выходной сигнал датчика падает. По результатам градуировки строят график I = f{(/)), аналогичный изображенным на фиг.5.

5 После градуировки датчик на каротажном кабеле опуска)от в скважину и ведут непрерывную регистрацию выходного сигнала на диаграммной бумаге каротажного самописца в функции глубины скважины

10 при медленном перемещении датчика по стволу скважины или выполняют дискретные измерения при остановках датчика.

Величину зенитного угла скважины on15 ределяют по градуировочному графику.

Шкала измерительного гальванометра может быть проградуирована непосредственно в градусах зенитного угла.

По окончании измерений датчик извле20 ка)от из скважины, снова устанавливают вертикально, проверяют постоянство сигнала на выходе фотопреобразователя при вертикальном положении датчика и отключают питание осветителя.

25 Простая конструкция предлагаемого датчика и несложная методика измерений с ним могут обеспечить ему широкое применение в скважинных инклинометрах, пластовых HBKJIQHOMepax, керноориентаторах и

30 других устройствах, в которых необходимо определение зенитного угла буровой скважины. (56) Марамзин А.В., Блинов Г.А., Галиона

35 А.А. Технические средства для алмазного бурения. - M. Недра, 1982, с.285.

Исаченко В.X. Инклинометрия скважин, -.М.: Кедра, 1987, с.62-66.

Авторское свидетельство СССР

40 N 1239288, кл. Е 21.В 47/02, 1984.

2004787

Формула изобретения

ДАТЧИК ЗЕНИТНОГО УГЛА БУРОВОЙ

:СКВАЖИНЫ, содержащий соосно размещенные отвес с источником света, фотоприемник и анализатор изображения. отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции датчика и процесса измерений, анализатор изображения выполнен

5 в виде светофильтра переменной, увеличивающейся от центра к периферии, толщины.

2004787

2004787

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

Редактор Е.Полионова

Заказ 3389

Составитель Ю.Лупичева

Техред M. Мор гентал Корректор А. Мотыль

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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