Способ измерения проекций вектора угловой скорости вращения земли для определения азимута ствола скважины и устройство для его осуществления (варианты)

 

Назначение: изобретение относится к инклинометрии и может быть использовано для измерения угловых параметров скважины в любой точке ее траектории как в открытом, так и обсаженном стволе. Сущность изобретения: способ основан на измерении сигналов гидроскопического датчика угловой скорости в исходном положении оси чувствительности и после ее разворотов на угол 90 град. по и против часовой стрелке и последующем осуществлении обратного включения гиромотора датчика угловой скорости и измерения сигналов в тех же положения: . Инклинометрический прибор содержит несущий контейнер, поворотную рамку, датчик угла поворота (синусо-косинусный вращающийся трансформатор), датчик угловой скорости от одного до трех акселерометров, исполнительный механизм разворота рамки, блоки коммутации, реверса и фильтрации, усилитель, вторичный источник питания и вычислитель. Приводятся формулы для расчета зенитного, азимутального углов и угла поворота инклинометра. 4 м. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области инклинометрии скважин и может быть использовано для контроля за положением в пространстве оси ствола наклонно направленных скважин.

Известен инклинометрический прибор [1] для определения азимута и зенитного угла скважины, т.е. углов ее отклонения от направлений, жестко связанный с поверхностью Земли у основания ствола (фиг.1). Эти направления фиксируются [2] ортогональной правой системой координат OXYZ, ось OZ которой направлена вертикально вниз, OX по географическому меридиану на север, OY - на восток. Азимут (А) угол между плоскостью географического меридиана и апсидальной плоскостью. Апсидальная плоскость вертикальная плоскость, проходящая через касательную к оси ствола скважины (продольную ось инклинометра 21 в точке измерения). Зенитный угол (Q) угол между осями Z и Z1.

Прибор [1] включает двухкомпонентные датчики первичной информации (ДПИ) гидроскопический датчик угловой скорости (ДУС) и акселерометр, которые предназначены для измерения проекций вектора угловой скорости вращения Земли и вектора ускорения силы тяжести на оси связанной с корпусом прибора ортогональной системы координат (одна из осей системы совпадает с продольной осью прибора, две других перпендикулярны к ней). Обработка информации и ДПИ по известным алгоритмам, например [2] при известной широте места расположения скважины, позволяет определить азимут и зенитный гол ее ствола.

Для получения требуемых точностей определения параметров скважины необходимы высокоточные ДПИ. В частности, для ДУС погрешность измерения проекций угловой скорости вращения Земли, несущих информацию об угловом отклонении связанной с корпусом инклинометра системы координат, от направления географического меридиана должна лежать в пределах 0,01-0,1 град./ч.

Недостатком прибора [1] является относительно низкая точность определения азимута, это связано с невозможностью выделения из показаний ДПИ реальных начальных ошибок в момент измерения, что особенно важно для ДУС.

Начальные ошибки ДУС делятся на зависящие (WP) и независящие (WO) от ускорения силы тяжести. Погрешности ДУС типа WP определяются разбалансом масс относительно его выходной оси. Очевидно, что погрешность от разбаланса начинает проявляться при отклонении этой оси от вертикали места, достигая максимальной величины при горизонтальном положении выходной оси ДУС. Погрешности ДУС типа WO определяются наличием магнитных тяжений, тяжением токоподводов, неидеальностью изготовления элементов опор и т.д. Эта погрешность имеет тенденцию меняться от запуска к запуску, оставаясь в запуске стабильной.

Известен также скважинный прибор [3] с поворотной рамкой, на которой установлены одноосные ДУС и акселерометр, оси чувствительности которых совпадают, датчик угла поворота рамки относительно корпуса, а также механизм рамки. Преимуществом этого прибора по отношению к предыдущему является отсутствие взаимного влияния каналов (один канал измерения).

Рассмотрим работу этого прибора.

В каждой исследуемой точке скважины, вращая рамку, непрерывно измеряют текущие значения проекций векторов угловой скорости вращения Земли и ускорений силы тяжести на оси чувствительности ДУС и акселерометра. Угол поворота осей чувствительности ДПИ, относительно связанной с корпусом прибора ортогональной системы координат, регистрируется по сигналу с датчика угла. Максимальный сигнал с ДУС соответствует направлению на север, максимальный сигнал с акселерометра снимается при прохождении им апсидальной плоскости. Сигналы с ДПИ и датчика угла обрабатывают по соответствующим алгоритмам в вычислителе и при наличии информации о широте места определяют зенитный угол и азимут скважины. Понятно, что составляющая сигнала ДУС, пропорциональная погрешности типа WO, оставаясь в запуске постоянной, может быть отделена от гармонической составляющей, несущей информацию о проекции на ось чувствительности ДУС вектора угловой скорости Земли.

Недостатком данного прибора является тот факт, что при отклонении выходной оси ДУС от вертикали места часть сигнала, определяемая моментом разбаланса (WP), при вращении платформы будет изменяться по гармоническому закону аналогично полезной части сигнала. Разделить эти сигналы в процессе измерения не представляется возможным. Недостатком является также и то, что в процессе вращения рамки из-за неперпендикулярности осей чувствительности ДПИ к оси вращения рамки (погрешности изготовления деталей и сборки) изменяются также проекции угловой скорости последней и центростремительного ускорения на оси чувствительности ДПИ, что при неравномерном вращении может привести к существенным ошибкам.

Известен способ выделения из основного сигнала ДУС начальных ошибок типа WO и WP. Его называют испытанием в четырех положениях [4] Испытания прибора проводят в одном запуске.

Испытания УС проводят в следующей последовательности.

1. ДУС устанавливают на измерительной головке так, чтобы его выходная ось была расположена горизонтально и направлена на юг. Входная ось ДУС направлена вертикально вверх. В этом случае сигнал с ДУС (U1) U1 K · Vb + U0 + Uwp1, (1) где K коэффициент передачи ДУС (В/угл.град/ч); Uв вертикальная составляющая угловой скорости вращения Земли, на широте места проведения испытаний (град/ч); U0 составляющая сигнала, пропорциональная начальной ошибке, не зависящей от ускорения силы тяжести (В); Uwp1 составляющая сигнала, пропорциональная начальной ошибке, зависящей от ускорения силы тяжести, для первого положения (B).

Разделив левую и правую части выражения (1) на коэффициент передачи ДУС, получим угловую скорость, измеряемую ДУС в данном положении: W1 Vв + WO + WP1, где W1 U1/K; WO UO/K; WP1 UP1/K,
здесь W1 угловая скорость, измеренная ДУС;
W0 измеряемая угловая скорость, пропорциональная начальной ошибке, не зависящей от ускорения силы тяжести;
WP1 измеряемая угловая скорость, пропорциональная начальной ошибке, зависящей от ускорения силы тяжести.

В дальнейшем для лучшего понимания сути проблемы, имея ввиду сигнал с ДУС будем понимать, что этот сигнал соответствует угловой скорости, измеряемой этим ДУС.

2. ДУС поворачивают на 90^o против часовой стрелки, т.е. его входную ось направляют на Запад
W2 W0 + WP2,
где W2 сигнал с ДУС во втором положении;
WP2 составляющая начальной ошибки, зависящей от ускорения силы тяжести, для второго положения.

Далее осуществляют еще два поворота на 90^o против часовой стрелки так, что ось чувствительности ДУС устанавливается последовательно вертикально вниз (W3) и на восток (W4). Соответственно имеем
W3 -Vb + W0 WP1,
W4 WO WP2.

Тогда
WP1 (W3)/2 Vb,
WP2 (W2 W4)/2,
W0 (W2 + W4)/2.

Таким образом, вставляя ось чувствительности ДУС по направлениям, проекции угловой скорости Земли на которые известны, удается отделить начальные ошибки ДУС от полезного сигнала. С другой стороны, очевидно, что подобную методику невозможно использовать в условиях работы в скважине, когда проекции угловой скорости вращения Земли на ось чувствительности ДУС являются неизвестными величинами. Покажем это, установив ДУС в произвольное исходное положение и осуществляя последовательно три поворота на 90^o относительно выходной оси. В этом случае мы считаем четыре сигнала, которые включают следующие составляющие:
W1 W31 + W0 + WP1;
W2 W3 + W0 + WP2;
W3 -W31 + W0 WP1;
W4 -W32 + W0 WP2,
где W31, W32 сигналы, соответствующие проекциям вектора угловой скорости Земли на оси чувствительности ДУС в соответствующих положениях.

Понятно, что, имея полученные сигналы, невозможно отделить полезную часть сигналов (W31, W32) от сигналов разбаланса (WP1, WP2).

Известен также способ уменьшения погрешностей интегрирующего гироскопа (измерителя угловой скорости), установленного на гиростабилизированной платформе [5] Этот способ заключается в периодическом реверсировании кинематического момента (что для прибора является новым запуском). В момент переключения на реверс одного гироскопа стабилизация платформы осуществляется по второму и наоборот.

Предположим, что подобный измеритель угловой скорости используется для измерения проекции угловой скорости Земли на ось его чувствительности. В этом случае при прямом и обратном включении гиромотора сигналы с измерителя будут включать следующие составляющие:
W W3 + W0 + WP;
WГ=-W3 + WГ0 + WP,
где W сигнал с измерителя при прямом включении гиромотора;
WГ сигнал с измерителя при обратном включении гиромотора (новый запуск);
W3 сигнал, пропорциональный проекции угловой скорости Земли на ось чувствительности измерителя.

Обработав полученные результаты, имеем:
(W-WГ)/2=W3 + (W0 WГ0)/2.

То есть рассмотренный способ реверсирования кинематического момента может быть реализован только при высокой стабильности начальной ошибки WO от запуска к запуску (WO, WГO), что для ДУС, выполненных по классической схеме, не имеет места. Как показала практика, для двухстепенных гироскопических ДУС, выполненных на опорах качения или скольжения (шарикоподшипники, камневые опоры и т.д.) [6] начальная ошибка типа WO от запуска к запуску может меняться не только по абсолютной величине, но и по знаку. В запуске эта ошибка стабильна, но по абсолютной величине может более чем на два порядка превышать величину реальной переносной угловой скорости, которая подлежит измерению (не более 0,1 град/ч).

Известен также наземный гирокомпас [7] который состоит из двухстепенного ДУС, расположенного на поворотной платформе. ДУС на платформе устанавливается таким образом, что его выходная ось совпадает с осью платформы, выставленной по вертикали места измерения. Платформу последовательно устанавливают в три положения и измеряют сигналы с ДУС:
в исходном положении платформы, азимут (А) которой нужно определить
W1 Vг1 + W0;
после поворота платформы от исходного положения на угол 90^o
W2 Vг2 + 0W;
после поворота платформы от исходного положения на угол 180^o
W3 Vг1 + W0,
где Vг1, Vг2 проекция горизонтальной составляющей угловой скорости Земли (Vг в месте проведения работ на оси чувствительности ДУС в соответствующих положениях
Vг1 VгsinA, Vг2 VгcosA.

Поскольку в рассмотренном случае имеем три измеренных сигнала при трех неизвестных составляющих (Vг1, Vг2, WO), составляющие сигналов, необходимые для вычисления азимута (Vг1, Vг2, легко выделяются. Однако этой методикой можно воспользоваться только при вертикальном положении выходной оси ДУС. При работе же в скважине, ось которой произвольно ориентирована, возникает та же проблема разделения полезной составляющей сигнала и ошибок, что и для методики испытания ДУС в четырех положениях [4] Как следует из приведенных материалов, решение задачи повышения точности измерения параметров наклонных скважин непосредственно связано с проблемой измерения с высокой точностью проекций вектора угловой скорости вращения Земли на оси чувствительности ДУС. Более того, на базе относительно простых и дешевых, выполненных на опорах качения или скольжения и нашедших широкое распространение двухстепенных гироскопических датчиков угловой скорости, вообще невозможно создать инклинометрический прибор без разработки оригинального способа выделения из сигнала ДУС составляющей, несущей информацию о проекции угловой скорости вращения Земли на ось чувствительности датчика, что необходимо для определения азимута ствола скважины.

Поэтому настоящая заявка объединяет несколько предложений, относящихся к разным объектам (способ и два устройства), так как они служат одной цели и могут быть применены лишь совместно.

В качестве прототипа выбрано решение [7] как наиболее близкое по своей технической сути к предлагаемым.

Цель предлагаемых технических решений повышение точности определения азимута ствола скважины, имеющейся произвольное угловое положение в пространстве, путем выделения полезного сигнала из показаний, входящего в состав инклинометрического прибора гироскопического ДУС.

Эта цель достигается тем, что измерения сигналов производят в исходном положении оси чувствительности (W₁) и после ее разворотов от исходного положения на угол 90^o по часовой стрелке (сигналы W₂ и W₃) и против нее, затем осуществляют обратное включение гиромотора ДУС (реверс кинетического момента) и производят измерение сигналов в тех же трех положениях (WГ₁, WГ₂, WГ₃), а проекции вектора угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС в соответствующих трех положениях определяют по формулам
W31 [2·(W1 WГ1) +WГ2 W2 + WГ3 W3]/4;
W32 (W2 W3 WГ2 + WГ3)/4;
W33 (WГ2 Г3 W2 + W3)/4,
где W31, W32, W33 проекции вектора угловой скорости Земли на ось чувствительности ДУС в соответствующих положениях.

Реализация предложенного способа осуществляется за счет аппаратных решений, заложенных в предлагаемых инклинометрических приборах.

На фиг. 1 приведены рабочие системы координат; на фиг.2 компоновка ДПИ; на фиг.3, 6, 7 функциональные блок-схемы инклинометрических приборов, построенных на базе ДУС и реализующих последовательность измерений по предлагаемому способу; на фиг. 4, 5 принципиальные схемы блоков.

Предлагаемые решения направлены не только на повышение точности измерения, но и обеспечивают минимизацию диаметра инклинометрического прибора, что имеет исключительно важное значение, поскольку этот прибор должен свободно проходить через внутренний диаметр замковых соединений наиболее широко используемых бурильных труб малого и среднего диаметра [2, 8]
Наиболее общая задача инклинометрии скважин (определения азимута при неограниченном диапазоне изменения зенитных углов) может быть решена с помощью трех ДУС и трех акселерометров со взаимно ортогональными осями чувствительности (входные оси) каждой из триад. И если компоновка такой триады современных акселерометров обеспечивает малый диаметр инклинометрического прибора, то установка трех ДУС (например, выполненных по классической схеме) существенно увеличит его диаметр (фиг.2). Дело в том, что длина таких ДУС превышает их диаметр в 2-3 раза [6]
Предлагаемые конструкции прибора содержат только один ДУС, продольная (выходная) ось которого совпадает с продольной осью инклинометрического прибора, что обеспечивает минимизацию диаметра последнего и позволяет определять с достаточной степенью точности азимут наклонных скважин при зенитных углах 80^o на широте Москвы.

На фиг.3 представлен инклинометрический прибор, обеспечивающий измерение азимута наклонных скважин при зенитных углах 80^o, а самого зенитного угла в неорганиченном диапазоне.

Инклинометрический прибор включает несущий контейнер 1, поворотную рамку 2, расположенную в несущем контейнер 1, поворотную рамку 2, расположенную в неcущем контейнере таким образом, что ось ее вращения совпадает с продольной осью этого контейнера, датчик угла поворота 3 (синусно-косинусный вращающийся трансформатор), установленный на оси поворотной рамки, ДУС 4, расположенный на поворотный рамке таким образом, что его выходная ось ДУС совпадает с осью вращения этой рамки, расположенные на корпусе прибора три акселерометра 5, 6, 7, оси чувствительности которых взаимно ортогональны, причем ось чувствительности одного из них совпадает с продольной осью несущего контейнера, ось второго совпадает по направлению с осью чувствительности ДУС в исходном положении поворотной рамки, а ось третьего направлена так, чтобы три оси составляли правый трехгранник, исполнительный механизм 8, связанный с осью поворотной рамки, блоки коммутации 9, реверса 10 и фильтрации 11, усилитель 12, вторичный источник питания 13 и вычислитель 14, при этом выходы вторичного источника питания соединены с входами акселерометров, датчика угла поворота, усилителя, вычислителя и первыми входами ДУС и блока реверса, выход вычислителя с первым входом блока коммутации и вторым входом блока реверса, выход датчика угла поворота связан с вторым входом блока коммутации, выход которого через усилитель соединен с входом исполнительного механизма, выход блока реверса связан с вторым входом ДУС, а выходы акселерометров (через блок фильтрации) и ДУС с входами вычислителя, обрабатывающего полученную информацию. Первичное питание и команды подаются на прибор с наземной аппаратуры.

Предложенная конструкция прибора предпочтительна при использовании трехкомпонентных акселерометров.

Блоки коммутации и реверса могут быть построены на базе электромеханических реле или бесконтактных переключающих элементов [9; 10] (фиг. 4, 5).

Усилитель, источник питания, блок фильтрации, вычислитель и его узлы выполнены на известных элементах и в соответствии с известными решениями [10-14]
Работает инклинометрический прибор либо в автоматическом режиме (последовательность операций формируется по жесткой программе вычислителем), либо по командам с наземной аппаратуры.

Предположим, что разбуривается наклонная скважина. В этом случае разбуривание осуществляется забойным инструментом отклоненным от продольной оси буровой колонны на некоторый фиксированный угол. Инклинометрический прибор располагают в буровой колонне по возможности ближе к забойному инструменту и фиксируют его таким образом, чтобы ось чувствительности ДУС в исходном положении (ось чувствительности прибора) лежала в плоскости отклонения забойного инструмента и была направлена в сторону его наклона. Ось чувствительности прибора совпадает по направлению с осью OX₁ (фиг.1), связанной с корпусом инклинометрического прибора ортогональной системой координат, ось OZ₁ которой направлена по продольной оси прибора в сторону забоя, а ось OY₁ направлена так, чтобы система координат была правой.

Процесс разбуривания наклонной скважины осуществляется в следующей последовательности. Выбирается требуемое угловое направление бурения относительно географического меридиана. С этим направлением должна совпадать плоскость, в которой отклонен на фиксированный угол забойный инструмент. Далее в процессе разбуривания при неработающем забойном инструменте (на остановках) подтверждается выбранное направление. В случае отклонения от этого направления его корректировка осуществляется поворотом буровой колонны.

Остановка забойного инструмента при определении азимута необходима для обеспечения нормальных условий работы ДУУ, диапазон работы которого (для повышения чувствительности и точности измерения) ограничен диапазон измерения 150-200 град/ч. После появления зенитного угла (появление угла фиксируется по сигналам с акселерометров, оси чувствительности которых совпадают с направлением осей OX1 и OY1) корректировка направления может осуществляться уже в процессе бурения по углу поворота инклинометра (F), который в идеальном случае должен быть равным нулю. В этом случае азимут аксидальной плоскости совпадает с требуемым направлением бурения относительно географического меридиана. Возможность измерения углов Q и F в процессе бурения обеспечивается высокой точностью измерения современными акселерометрами действующих ускорений в широком диапазоне. Для отделения полезного сигнала от высокочастотной составляющей служит блок фильтрации 11.

Рассмотрим работу инклинометрического прибора, приведенного на фиг.3.

При необходимости определения параметров скважины (положения забойного инструмента) на инклинометрический прибор подают первичное напряжение. Далее по соответствующим командам производятся следующим операции:
операция 1 измерение сигналов с акселерометров 5, 6, 7 (a1, a2, a3) и запись полученной информации в оперативную память вычислителя;
операция 2 измерение сигнала с ДУС (W₁) в исходном положении (в направлении оси OX₁ прибора) и запись полученной информации в оперативную память вычислителя;
операция 3 разворот поворотной рамки в положение, при котором ось чувствительности ДУС совпадает с направлением оси OY1;
операция 4 измерение сигнала с ДУС (W2) в положении, при котором лсь чувствительности ДУС совпадает с направлением оси OY1, и запись полученной информации в оперативную память вычислителя;
операция 5 разворот поворотной рамки в положение, в котором ось чувствительности ДУС развернута от направлении оси OY1 на 180^o;
операция 6 измерения сигнала с ДУС (W3) в положении, в котором ось чувствительности ДУС развернута от направления оси OY1 на 180^o, и запись полученной информации в оперативную память вычислителя; разворот поворотной рамки в исходное положение;
операция 7 реверсирование направления кинематического момента ДУС;
операция 8 повторение операции 2 (измерение сигнала WГ1);
операция 9 повторение операции 3;
операция 10 повторение операции 4 (измерение сигнала WГ2);
операция 11 повторение операции 5;
операция 12 повторение операции 6 (измерение сигнала WГ3);
операция 13 обработка полученной информации в вычислителе и выдача результата измерений.

Осуществляются указанные операции следующим образом.

В исходном положении оси чувствительности ДУС обмотки реле P1 и P2 блока коммутации 9 (фиг. 4) обеспечены и на вход усилителя 12 через нормально замкнутые контакты этих реле поступает сигнал с синусной обмотки датчика угла поворота (в исходном положении сигнал обмотки равен нулю). Точнее, в этом случае исходное положение является устойчивым положением следящей системы разворота поворотной рамки (датчик углового положения усилитель - исполнительный механизм поворотная рамка).

По командам измерения сигналов ДПИ вычислитель обеспечивает их измерение и запись информации в оперативную память.

Для разворота оси чувствительности ДУС в положение, определенное операцией 3, по соответствующей команде с вычислителя на обмотку реле P1 подается сигнал, обеспечивая подключение ко входу усилителя 12 косинусной обмотки датчика углового положения через нормально разомкнутые контакты этого реле. В этом случае устойчивым положением следящей системы становится новое положение, смещенное относительно исходного на 90^o по часовой стрелке, если смотреть со стороны исполнительного механизма.

Для разворота оси чувствительности ДУС в положение, определяемое операцией 5, по соответствующей команде с вычислителя с обмотки реле P1 сначала снимается сигнал, а затем на обмотки P1 и P2 подаются сигналы, обеспечивающие переключение входа усилителя на косинусную обмотку, но с изменением фазы входного сигнала на 180^o через нормально разомкнутые контакты реле P2, что обеспечивает разворот рамки на 90^o против часовой стрелки от исходного положения, если смотреть со стороны исполнительного механизма. Для разворота в исходное состояние снимаются сигналы с обмоток P1 и P2.

Для обратного включения гиромотора ДУС (реверс кинетического момента) в соответствии с поступающей командой с вычислителя на обмотку реле P3 блока реверса 10 (фиг.5) подается сигнал, обеспечивая изменение порядка фаз питания гиромотора ДУС и вращения его ротора в направлении, обратном первоначальному.

Осуществив последовательно 12 рассмотренных операций, в оперативной памяти вычислителя имеем информацию, содержащую следующие составляющие:
W1 W31 + WO + WP1;
W2 W32 + WO + WP2;
W3 -W32 + WO Wp2;
WГ1-W31 + WГО + Р1;
WГ2 32 + WГO + WP2;
WГ3 32 + WГO WP2; (2)
a1 a01 + g1;
a2 a02 + g2;
a3 a03 + g3,
где а01, а02, а03 и g1, g2, g3 соответственно начальные ошибки каналов измерения проекций ускорений силы тяжести и проекции этого ускорения на оси OX1, OY1, OZ1, связанной с корпусом прибора ортогональной системы координат.

С целью компенсации систематических составляющих начальных ошибок a01, a02, a03 их значения определяют на этапе настройки прибора и вводят в блок памяти вычислителя с целью их компенсации на этапе первичной обработки информации.

Задачей первичной обработки информации сигналов с ДПИ является выделение из этих сигналов полезной информации (W31, W32, W1, W2, W3).

Из системы уравнений (2) имеем:
W31 [2·(W1 WГ1) + WГ2 W2 + WГ3 W3]/4; (3)
W32 [W2 W3 WГ2 + WГ3]/4.

Для сигналов с акселерометров после компенсации начальных ошибок получим:
g1 a1 a01,
g2 a2 a02,
g3 a3 a03.

Известно [2] что проекции векторов угловой скорости вращения Земли и ускорения силы тяжести на оси, связанной с корпусом прибора ортогональной системы координат, определяются выражениями:
W31 Vг(cosFcosQcosA sinFsinA) + VbcosFSigQ; (4)
W32 Vг(sinFcosQcosA + cosFsinA) VвsinFsinQ;
g1 GOcosFsinQ;
g2 GOsinFSINQ; (5)
g3 GOcosQ,
где Vг, Vв соответственно горизонтальная и вертикальная составляющие угловой скорости вращения Земли в месте проведения работ;
GO ускорение силы тяжести;
A и Q азимут и зенитный угол скважины (фиг.1);
F угол поворота инклинометра, измеряемый в плоскости, перпендикулярной продольной оси прибора между осью OX1 (осью чувствительности прибора) и апсидальной плоскостью. Этот угол равен нулю, когда ось OX1 лежит в апсидальной плоскости.

Для перехода к системе координат OXaYaZa, связанной с апсидальной плоскостью (ось Za совпадает с продольной осью прибора OZ1, оси OXa и OYa - лежат в плоскости перпендикулярной этой оси, причем ось OXa лежит в апсидальной плоскости, а ось OYa нормальная к последней) проведем следующие преобразования;
Wxa W31cosF W32sinF;
Wya W31sinF + W32cosF;
gxa g1cosF g2sinF; (6)
gya g1sinF + g2cosF;
gza g3;
где F arctg (g2/g1).

В результате имеем
Wxa VгcosQcosA + VвsinQ;
Wya VгsinA; (7)
gxa GOsinQ; gya O; gza GOcosQ.

Проведя с помощью вычислителя несложные операции с выражениями (7), с учетом формулы перехода (6) получим искомые параметры скважины в точке измерения
Q arctg ((g1cosF g2sinF)/g3); (8)
A arctg [[(W31sinF + W32cosF)cosQ] /[W31cosF W32sinF Vв(W1cosF - W2sinF)/GO] (9)
Здесь следует обратить внимание на следующий факт. При малых зенитных углах (до 5^o) за счет недокомпенсации начальных ошибок акселерометров могут возникнуть существенные ошибки в определении F, а следовательно, и A. Поэтому на начальном этапе разбуривания скважины необходимо вычислять азимут оси чувствительности (AO) инклинометрического прибора, которая, как отмечено, определяет положение плоскости отклонения забойного инструмента. Таким образом, определяя азимут оси OX1 прибора [15] контролируем правильность направления бурения относительно географического меридиана. В этом случае можно воспользоваться упрощенным алгоритмом, который с достаточной степенью точности позволяет определять это направление (даже при зенитных углах до 20^o):
AO= arctg [[W32 Vвg2/Go]/[W31 Vвg1/GO] (10)
На фиг. 6 представлен инклинометрический прибор, решающий те же задачи, что и только что рассмотренный, но при меньшем количестве акселерометров. Это становится возможным в том случае, если два акселерометра установить на поворотную рамку таким образом, чтобы ось чувствительности одного из них была направлена по продольной оси прибора в строну забоя, а ось второго совпадала по направлению с осью чувствительности ДУС. Такая конструкция предпочтительна при использовании одноосных акселерометров (с одной осью чувствительности).

Предлагаемый инклинометрический прибор состоит из несущего контейнера 1, поворотной рамки 2, расположенной в несущем контейнере таким образом, что ось ее вращения совпадает с продольной осью этого контейнера, датчика угла поворота 3 (синусно-косинусного вращающегося трансформатора), установленного на оси поворотной рамки, ДУС 4 и акселерометров 5, 6, расположенных на той же рамке таким образом, что выходная ось ДУС и ось чувствительности одного из акселерометров совпадает с осью вращения этой рамки, ось чувствительности другого [6] совпадает по направлению с осью чувствительности ДУС, исполнительного механизма 7, связанного с осью поворотной рамки, блоков коммутации 8, реверса 9 и фильтрации 10, усилителя 11, вторичного источника питания 12 и вычислителя 13; при этом выходы вторичного источника питания соединены с входами акселерометров, датчика угла поворота, усилителя, вычислителя и первыми входами ДУС и блока реверса, выход вычислителя с первым входом блока коммутации и вторым входом блока реверса, выход датчика угла поворота связан с вторым входом блока коммутации, выход которого через усилитель соединен с входом исполнительного механизма, выход блока реверса связан с вторым входом ДУС, а выходы ДУС и акселерометров (через блок фильтрации) с входами вычислителя. Первичное питание и команды подаются на прибор с наземной аппаратуры 14.

Работает прибор следующим образом.

При необходимости определения параметров скважины (положения забойного инструмента) на инклинометрический прибор подают первичное напряжение. Далее по соответствующим командам производятся соответствующие операции:
операция 1 измерение сигнала с акселерометра 5 (a3) и запись информации в оперативную память вычислителя;
операция 2 измерение сигнала с ДУС (W1) и акселерометра 6 (a1) в исходном положении (в направлении оси OX1 прибора) и запись полученной информации в оперативную память вычислителя;
операция 3 разворот поворотной рамки в положение, при котором ось чувствительности ДУС совпадает с направлением оси OY1;
операция 4 измерение сигналов с ДУС (W2) и акселерометра 6 (a2) в положении, определяемом операцией 3, и запись полученной информации в оперативную память вычислителя;
операция 5 разворот поворотной рамки в положение, в котором ось чувствительности ДУС развернута от направления оси OY1 на 180^o;
операция 6 измерение сигнала с ДУС (W3) и акселерометра 6 (a21) в положении, определяемом операцией 5, и запись полученной информации в оперативную память вычислителя; разворот поворотной рамки в исходное положение;
операция 7 реверсирование направления кинетического момента ДУС;
операция 8 повторение операции 2, но с измерением только сигнала с ДУЦ (WГ1);
операция 9 повторение операции 3;
операция 10 повторение операции 4, но с измерением только сигнала с ДУС (WГ2);
операция 11 повторение операции 5;
операция 12 повторение операции 6, но с измерением только сигнала с ДУС (WГ3);
операция 13 обработка полученной информации в вычислителе и выдача результатов измерения. Осуществляются все операции по аналогии с их реализацией в инклинометрическом приборе, приведенном на фиг.3.

Осуществив последовательно 12 рассмотренных операций, в оперативной памяти вычислителя имеем информацию, определяемую выражениями (2), а также информацию с акселерометров
a1 a0 + g1;
a2 a0 + g2;
a3 a03 + g3;
a21 a0 g2,
где a0 начальная ошибка акселерометра, ось чувствительности которого совпадает по направлению с осью чувствительности ДУС.

Систематическая составляющая a03 определяется на этапе настройки и зашивается в память вычислителя.

Первичная обработка информации с ДУС осуществляется по формулам (3), а для сигналов с акселерометров имеем:
g1 [2a1 (a2 + a21)]/2;
g2 [a2 a21]/2; (11)
g3 a3 a03. (12)
Далее как и в предыдущем случае по формулам (8)-(10) вычисляются параметры скважины или положения забойного инструмента.

Конструкцию инклинометрического прибора можно максимально упростить и обеспечить его минимально возможные габариты и стоимость, если из состава прибора исключить акселерометр, ось чувствительности которого совпадает с направлением продольной оси прибора. Такой прибор приведен на фиг.7.

Инклинометрический прибор состоит из несущего контейнера 1, поворотной рамки 2, расположенной в несущем контейнере таким образом, что ось ее совпадает с продольной осью этого контейнера, датчика угла поворота 3 (синусно-косинусного вращающегося трансформатора), установленного на оси поворотной рамки, ДУСа 4 и акселерометра 5, расположенных на той же рамке таким образом, что выходная ось ДУС совпадает с осью вращения этой рамки, а ось чувствительности акселерометра совпадает по направлению с осью чувствительности ДУС, исполнительного механизма 6, связанного с осью поворотной рамки, блока коммутации 7, реверса 8 и фильтрации 9, усилителя 10, вторичного источника питания 11 и вычислителя 12; при этом выходы вторичного источника питания соединены с входами акселерометра, датчика угла поворота, усилителя, вычислителя и первыми входами ДУС и блока реверса, выход вычислителя с первым входом блока коммутации и вторым входом блока реверса, выход датчика угла поворота связан с вторым входом блока коммутации, выход которого через усилитель соединен с входом исполнительного механизма, выход блока реверса связан с вторым входом ДУС, а выходы ДУС и акселерометра (через блок фильтрации) с входами вычитателя. Первичное питание и команды подаются на прибор с наземной аппаратуры 13.

Работает прибор следующим образом.

При необходимости определения параметров скважины (положения забойного инструмента) на инклинометрический прибор подают первичное напряжение. Затем по соответствующим командам производятся 12 операций, соответствующих операциям со 2 по 13, проводимых в инклинометрическом приборе, изображенном на фиг.6.

Далее азимуты скважины или положение забойного инструмента вычисляются по формулам (9) и (10), а зенитный угол (в случае отсутствия информации W3) определяют по формуле
Q (arcsin [sgr(g1^2 ++g2^2)]/GO),
которая следует из выражений (5).

Итак, разработан способ выделения полезного сигнала из показаний гироскопического датчика угловой скорости, входящего в состав инклинометрических приборов, предназначенных для исследования и прокладки наклонных скважин. Точность предлагаемого способа не зависит от углового положения прибора в пространстве и от диапазона рабочих температур.

Предложенный способ обеспечивает возможность создания инклинометрических приборов на базе различного типа датчиков угловой скорости, в том числе и на базе относительно простых, дешевых и получивших широкое распространение двухстепенных ДУС, выполненных по классической схеме.

Источники информации.

1. Патент США, кл. 33 304 N 4244116, 1981.

2. Исаченко В.Х. Инклинометрия скважин. М. Наука, 1987.

3. Патент США, кл. 33 302 N 4559713, 1985.

4. Методы испытаний датчиков угловых скоростей. Отраслевой центр анализа и обобщения научно-технической информации, 1972.

5. Савант С. и др. Принципы инерциальной навигации. М. Мир, 1965.

6. Данилин В.П. Гироскопические приборы. М. Высшая школа, 1965.

7. Гироскопические приборы и системы./Под редакцией Д.С.Пельпора. М. Высшая школа, 1988.

8. Марамзин А. В. и др. Технические средства для алмазного бурения, Л. Недра, 1982.

9. Ройзен В.З. Миниатюрные герметичные электромагнитные реле, Л. Энергия, 1976.

10. Потемкин И. С. Функциональные узлы на потенциальных элементах, М. Энергия, 1976.

11. Балашов Е.П. и др. Микропроцессоры и микропроцессорные системы. М. Радио и связь. 1981.

12. Варламов И. В. и др. Микропроцессоры в бытовой технике. М. Радио и связь, 1990.

13. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. М. Радио и связь, 1990.

14. Хоровиц П. и др. Искусство схемотехники, Т. 1 и 2, М. Мир, 1984.

15. Ишлинский А.Ю. Механика относительного движения и силы инерции, М. Наука, 1981.

Формула изобретения

1. Способ измерения проекций вектора угловой скорости вращения Земли для определения азимута ствола скважины, заключающийся в последовательном развороте датчика угловой скорости (оси его чувствительности) относительно его выходной оси в фиксированные угловые положения, измерении сигналов датчика угловой скорости в этих положениях и последующей математической обработке полученной информации, отличающийся тем, что измерения сигналов производят в исходном положении оси чувствительности (сигнал W1) и после ее разворотов от исходного положения на угол 90 угл. град. по и против часовой стрелки (сигналы W2 и W3), затем осуществляют обратное включение гиромотора датчика угловой скорости (реверс кинетического момента) и производят измерение сигналов в тех же положениях (сигналы WГ1, WГ2, WГ3), проекции вектора угловой скорости вращения Земли на ось чувствительности датчика угловой скорости в соответствующих положениях, а также основные инклинометрические параметры определяют путем математической обработки полученной информации по формулам
W31 [2(W1 WГ1) + WГ2 W2 + WГ3 W3] / 4;
W32 [W2 W3 WГ2 + WГ3] / 4;
W33 [WГ2 + WГ3 W2 + W3] / 4;
Q -arctg[(g1CosF g2SinF) / g3]
или
Q = arcsin(sgr(g1∧2+g2∧2)]/gO];
F -arctg(g2/g1)
при малых углах Q (менее 5 угл.град.)
АО -arctg[(W32 Vв·g2/g0)/(W31 Vв·g1/g0)]
при больших углах Q (не более 80 угл.град.)
A -arctg([(W31SinF + W32CosF)CosQ] / [W31CosF W32SinF) Vв(g1CosF - g2SinF) / g0]),
где W31, W32, W33 вычисленные проекции вектора угловой скорости вращения Земли на ось чувствительности датчика угловой скорости в соответствующих положениях;
Q зенитный угол ствола скважины;
АО азимут оси чувствительности датчика угловой скорости в исходном положении;
А азимут ствола скважины;
F угол отклонения оси чувствительности датчика угловой скорости в исходном положении относительно апсидальной плоскости;
g1, g2, g3, известные проекции вектора силы тяжести соответственно на ось, совпадающую с осью чувствительности датчика угловой скорости в исходном положении, на ось, совпадающую с осью чувствительности датчика угловой скорости в положении после разворота на 90 угл. град. по часовой стрелке, а также на ось, ортогональную первым двум;
Vв, g0 соответственно известные вертикальная составляющая угловой скорости вращения Земли и ускорение силы тяжести в месте проведения работ.

2. Устройство измерения проекций вектора угловой скорости вращения Земли для определения азимута ствола скважины, содержащее несущий контейнер, поворотную рамку, расположенную в несущем контейнере таким образом, что ось ее вращения совпадает с продольной осью этого контейнера, датчик угловой скорости, расположенный на поворотной рамке таким образом, что его выходная ось совпадает с осью вращения этой рамки, исполнительный механизм, связанный с осью поворотной рамки, источник питания и вычислитель, при этом выход источника питания соединен с входом вычислителя и первым входом датчика угловой скорости, выход которого подключен к входу вычислителя, отличающееся тем, что на ось поворотной рамки устанавливают датчик угла поворота (синусно-косинусный вращающийся трансформатор), на несущем контейнере располагают три акселеромера, оси чувствительности которых взаимно ортогональны, причем ось чувствительности первого из них совпадает по направлению с осью чувствительности датчика угловой скорости в исходном положении, ось чувствительности второго ортогональна продольной оси несущего контейнера и развернута относительно исходного положения оси чувствительности датчика угловой скорости на 90 угл.град. по часовой стрелке, если смотреть на контейнер сверху, а ось третьего направлена по продольной оси контейнера в сторону забоя, вводят блоки коммутации, реверса, фильтрации и усилитель, при этом выходы источника питания соединяют с входами акселерометров, датчика угла поворота и первыми входами усилителя и блока реверса, выход вычислителя с первым входом блока коммутации и вторым входом блока реверса, выход датчика угла поворота связывают с вторым входом блока коммутации, выход которого через усилитель соединяют с входом исполнительного механизма, выход блока реверса связывают с вторым входом датчика угловой скорости, а выходы акселерометров через блок фильтрации с входами вычислителя.

3. Устройство измерения проекций вектора угловой скорости вращения Земли для определения азимута ствола скважины, содержащее несущий контейнер, поворотную рамку, расположенную в несущем контейнере таким образом, что ось ее вращения совпадает с продольной осью этого контейнера, датчик угловой скорости, расположенный на поворотной рамке таким образом, что его выходная ось совпадает с осью вращения этой рамки, исполнительный механизм, связанный с осью поворотной рамки, источник питания и вычислитель, при этом выход источника питания соединен с входом вычислителя и первым входом датчика угловой скорости, выход которого подключен к входу вычислителя, отличающееся тем, что на ось поворотной рамки устанавливают датчик угла поворота (синусно-косинусный вращающийся трансформатор), на поворотной рамке располагают два акселерометра, оси чувствительности которых взаимно ортогональны, причем ось чувствительности первого совпадает с осью чувствительности датчика угловой скорости, а ось чувствительности второго акселерометра с осью вращения рамки и направлена в сторону забоя, вводят блоки коммутации, реверса, фильтрации и усилитель, при этом выходы источника питания соединяют с входами акселерометров, датчика угла поворота и первыми входами усилителя и блока реверса, выход вычислителя с первым входом блока коммутации и вторым входом блока реверса, выход датчика угла поворота связывают с вторым входом блока коммутации, выход которого через усилитель соединяют с входом исполнительного механизма, выход блока реверса связывают с вторым входом датчика угловой скорости, а выходы акселерометров через блок фильтрации с входами вычислителя.

4. Устройство измерения проекций вектора угловой скорости вращения Земли для определения азимута ствола скважины, содержащее несущий контейнер, поворотную рамку, расположенную в несущем контейнере таким образом, что ось ее вращения совпадает с продольной осью этого контейнера, датчик угловой скорости, расположенный на поворотной рамке таким образом, что его выходная ось совпадает с осью вращения этой рамки, исполнительный механизм, связанный с осью поворотной рамки, источник питания и вычислитель, при этом выход источника питания соединен с входом вычислителя и первым входом датчика угловой скорости, выход которого подключен к входу вычислителя, отличающееся тем, что на ось поворотной рамки устанавливают датчик угла поворота (синусно-косинусный вращающийся трансформатор), на поворотной рамке располагают акселерометр таким образом, что ось его чувствительности совпадает по направлению с осью чувствительности датчика угловой скорости, вводят блоки коммутации, реверса, фильтрации и усилитель, при этом выходы источника питания соединяют с входами акселерометра, датчика угла поворота и первыми входами усилителя и блока реверса, выход вычислителя с первым входом блока коммутации и вторым входом блока реверса, выход датчика угла поворота связывают с вторым входом блока коммутации, выход которого через усилитель соединяют с входом исполнительного механизма, выход блока реверса связывают с вторым входом датчика угловой скорости, а выход акселерометра через блок фильтрации с входом вычислителя.

5. Устройство по пп. 2 4, отличающееся тем, что блок коммутации выполнен на двух электромагнитных реле, имеющих каждый по одной обмотке и по две контактные группы, включающие нормально замкнутый, нормально открытый и переключающий контакты, при этом вход блока коммутации, связанный с синусной обмоткой синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКТ), подключен к нормально замкнутым контактам первого реле, вход блока, связанный с косинусной обмоткой СКТ, подключен к нормально открытым контактам второго реле, во втором реле нормально открытый контакт первой группы присоединен к нормально замкнутому контакту второй группы, а нормально замкнутый контакт первой группы присоединен к нормально открытому контакту второй группы, нормально открытые контакты первого реле соответственно подключены к переключающим контактам второго реле, выход блока, связанный с входом усилителя, присоединен к переключающим контактам первого реле, входы блока, связанные с вычислителем, подключены к обмоткам реле.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7