Инклинометр

 

Изобретение предназначено для определения азимутальных и зенитных углов в глубоких скважинах. В корпусе размещен чувствительный элемент в виде немагнитной поплавковой камеры с опорами подвеса, ось которых параллельна оси корпуса. Поплавковая камера имеет маятниковость. В поплавковой камере с помощью опор подвеса установлены два немагнитных поплавка. Поплавки имеют маятниковости. Первый поплавок содержит синусно-косинусный вращающийся трансформатор, а во втором поплавке установлены два магнитометра, измерительная ось первого магнитометра параллельна оси подвеса второго поплавка, а измерительная ось второго магнитометра перпендикулярна оси подвеса второго поплавка и плечу его маятника. Зазоры между поплавками, поплавковой камерой и корпусом соединены и заполнены жидкостью. Гироскопический датчик угловой скорости размещен в первом поплавке, его измерительная ось параллельна оси первого поплавка, а ось вращения ротора перпендикулярна оси подвеса первого поплавка и плечу его маятника. Выходы гироскопического датчика и магнитометров соединены со входом вычислительного устройства, в котором определяется географический и магнитный углы курса инклинометра, а также его зенитный угол. Технический результат заключается в обеспечении процесса измерения инклинометром азимутального угла в обсаженных ферромагнитными трубами скважинах, а также при работающем буре. 3 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, конкретно к устройствам, позволяющим определять значение азимутальных и зенитных углов в глубоких скважинах при наклонно-направленном бурении нефтяных, газовых, геологоразведочных скважинах, а также при аттестации имеющихся обсаженных скважин.

Известен гироскопический инклинометр (Салов Е.А., Кривоносов Р.И., Ильчанинов В.П. и др. авт. св. 1002551, кл. E 21 B 47/002, 1983, "Гироскопический инклинометр"), содержащий корпус, трехстепенный гироскоп, два датчика углов поворота, закрепленных на подвижной эксцентричной рамке, измерительный датчик угловой скорости, моментальный двигатель, преобразовательный блок и два цифровых фазометра, причем датчик угловой скорости установлен на наружной раме трехстепенного гироскопа так, что его ось чувствительности расположена перпендикулярно вектору момента трехстепенного гироскопа, его выход соединен с моментным двигателем, статор которого размещен на наружной рамке гироскопа, а ротор - на внутренней.

Недостатком данного инклинометра является большая сложность из-за необходимости применения двух прецизионных гироскопов - трехстепенного и двухстепенного.

Известен автономный гироскопический инклинометр (Фр., 254 1366, кл. E 21 B 42/022, 1985), содержащий закрепленные на корпус зонда трехкомпонентный акселерометр, двухкомпонентное лазерное гироскопическое устройство с ортогональными осями чувствительности, перпендикулярными оси скважин, преобразователь и компьютер, алгоритм функционирования которого включает фильтр Калмана. Компьютер определяет место положения и углы ориентации зонда.

Недостатками данного устройства являются высокая стоимость и низкая точность определения азимутального угла.

Также известен бескарданный инклинометр (Плотников П.К., Ледовской В.И., авт. св. 755999, кл. E 21 B 47/022, 1980).

Устройство содержит два соосно-последовательных установленных двухстепенных вибрационных гиротахометра, выходные оси которых параллельны оси корпуса, а оси собственных вращений ортогональны ей, имеются также глубиномер и вычислительное устройство.

Недостатком устройства является необходимость применения пары прецизионных вибрационных гиротахометров, которые промышленностью не освоены.

Известен инклинометр (Пономарев В.Н., Нехорошков В.Л. и Мухаметшин А.А., авт. св. 804822, кл. E 21 B 47/02, 1981), содержащий корпус, датчики магнитного поля, маятниковые кардановы подвесы и груз-эксцентрик, причем три ортогональных магнитометра установлены в наружной рамке с эксцентриком, обеспечивающим установку наружной рамки в апсидальной плоскости, а два других магнитометра установлены на двух маятниках, оси подвесов которых параллельны между собой и перпендикулярны плоскости эксцентрика, при этом ось чувствительности магнитометра, расположенного на первом маятнике, параллельна плечу маятника, а ось чувствительности магнитометра, закрепленного на втором маятнике, лежит в апсидальной плоскости и перпендикулярна плечу этого маятника.

Известен магнитометрический многоточечный инклинометр (ИММ) [4], который содержит корпус и чувствительный элемент, выполненный в виде магнитной поплавковой камеры, опоры подвеса которой расположены по продольной оси корпуса инклинометра и которая имеет маятниковость, плечо которой перпендикулярно оси подвеса поплавковой камеры, на этой камере с помощью опор подвеса установлены два немагнитных поплавка, оси подвесов которых перпендикулярны плоскости, включающей ось подвеса поплавковой камеры и плечо ее маятника, при этом поплавки имеют маятниковость, плечи которых перпендикулярны осям подвесов поплавков, зазоры между поплавками, поплавковой камерой и корпусом заполнены поддерживающей жидкостью, первый из поплавков содержит синусно-косинусный вращающийся трансформатор, обеспечивающий возможность преобразования угла поворота первого поплавка, называемого зенитным, в электрические сигналы, пропорциональные его синусу и косинусу, а на втором поплавке установлены два магнитометра, измерительная ось первого из них параллельна оси подвеса этого поплавка, а измерительная ось второго магнитометра перпендикулярна оси подвеса этого поплавка и плечу его маятниковости. С помощью этих магнитометров измеряются компоненты вектора напряженности магнитного поля Земли, а, следовательно, азимутный угол.

Данное устройство выбрано в качестве прототипа. Недостатком прототипа является то, что с его помощью нельзя производить измерения азимутального угла в обсаженных ферромагнитными трубами скважинах, а также нельзя производить измерения при работающем буре.

Данный недостаток может быть устранены путем введения в инклинометр гироскопического датчика угловой скорости (ДУС), а именно путем установки ДУСа с электрической пружиной на первом поплавке таким образом, что его измерительная ось параллельна оси подвеса поплавка, а ось собственного вращения ротора гироскопа перпендикулярна этой оси и плечу маятника поплавка. В этом случае в установившемся режиме ДУС будет измерять компоненту горизонтальной составляющей вектора угловой скорости вращения Земли, перпендикулярной апсидальной плоскости. Эта составляющая известна для исследуемой скважины с высокой точностью. Следовательно, с помощью вычислительного устройства можно определить азимут апсидальной плоскости по отношению к географическому Северу. Данное измерение может быть осуществлено в обсаженных ферромагнитными трубами скважинах и при работающем буре. В необсаженных ферромагнитными трубами скважинах информация с магнитометров является дублирующей и может быть использована для повышения надежности и точности определения угла курса в результате ее комплексной обработки с сигналом ДУСа. В обсаженных скважинах через определенное расстояние устанавливают легкосплавные беррилиевые трубы. На этих участках информация с магнитометров используется для определения угловой скорости дрейфа ДУСа, последующей ее компенсации и повышения таким образом точности определения угла курса по всей длине скважины.

Задачей изобретения является обеспечение процесса измерения инклинометром азимутального угла в обсаженных ферромагнитными трубами скважинах, а также при работающем буре.

Поставленная цель достигается тем, что в инклинометр, содержащий корпус, чувствительный элемент в виде немагнитной поплавковой камеры с опорами подвеса, ось которых параллельна оси корпуса, а поплавковая камера имеет маятниковость, причем плечо маятника перпендикулярно оси ее подвеса, а также два немагнитных поплавка, установленных в поплавковой камере с помощью опор подвеса, оси которых перпендикулярны плоскости, включающей ось подвеса поплавковой камеры и плечо ее маятника, поплавки имеют маятниковости, причем плечи маятников перпендикулярны осям подвеса поплавков, первый поплавок содержит синусно-косинусный вращающийся трансформатор, а во втором поплавке установлены два магнитометра, измерительная ось первого магнитометра параллельна оси подвеса второго поплавка, а измерительная ось второго магнитометра перпендикулярна оси подвеса второго поплавка и плечу его маятника, при этом зазоры между поплавками, поплавковой камерой и корпусом соединены и заполнены жидкостью введены гироскопический датчик угловой скорости и вычислительное устройство. Гироскопический датчик угловой скорости размещен в первом поплавке, при этом его измерительная ось параллельна оси первого поплавка, а ось собственного вращения ротора гироскопического датчика угловой скорости перпендикулярна оси подвеса первого поплавка и плечу его маятника. Выходы гироскопического датчика угловой скорости и магнитометров соединены с входом вычислительного устройства.

Конструкция инклинометра представлена на фиг.1, где 1 - корпус инклинометра, 2 - поплавковая камера. Соединения и свободу вращения ее в корпусе вокруг оси OY_n, параллельной оси скважины, обеспечивают опоры вращения 3 и 4, например шарикоподшипниковые. Маятниковость поплавковой камеры 2 обеспечивает конструкция поплавка, например, за счет утолщения стенки 5 поплавковой камеры по оси OX_n, где система координат OX_nY_nZ_n связана с поплавковой камерой 2. Поплавок 6 является нижним ("вторым"), он соединен с поплавковой камерой 2 с помощью, например, шарикоподшипниковых опор 7 и 8, обеспечивающих свободу вращения поплавка вокруг оси, параллельной оси OZ_n.

В зазор 9 между вторым поплавком 6 и поплавковой камерой 3 поступает жидкость из зазора 10 между корпусом 1 и поплавковой камерой 2. В качестве жидкости может выступать веретенное масло. Поплавок 6 взвешен в жидкости, что уменьшает трение в опорах 7 и 8. Аналогично взвешена поплавковая камера 2. Поплавок 6 имеет маятниковость за счет, например, утолщения стенки 11, причем в исходном вертикальном положении оси OY_n плечо маятника совпадает с этой осью. В поплавке 6 закреплены магнитометры 12 и 13, причем измерительная ось магнитометра 12 параллельна оси OZ_n, а измерительная ось магнитометра 13 перпендикулярна плечу маятника 11 и оси OX_n.

Первый поплавок 14 является гироскопическим. Ось его вращения OY_n параллельна оси вращения поплавка 6. Опоры 15 и 16 поплавка 14 выполнены аналогично опорам 7 и 8. Маятниковость поплавка 14 создается за счет, например, утолщения стенки 17. Зазор 18 между первым поплавком 14 и поплавковой камерой 2 выполнен аналогично зазору 9. На поплавке 14 закреплен ротор синусно-косинусного вращающегося трансформатора 19. В поплавке 14 размещен гироскопический датчик угловой скорости 20. На фиг. 1 изображен ДУС поплавкового типа с электрической пружиной, усилитель которой может быть размещен либо на поплавке 14, либо на корпусе 1 инклинометра (на фиг.1 не показано). Может быть применен ДУС на основе волоконно-оптического гироскопа или другого типа. Измерительная ось ДУСа параллельна оси подвеса OZ_n поплавкового гироузла (поплавка 14). В случае, когда ДУС классического типа, то ось собственного вращения направляется по оси OX_n (H - кинетический момент гироскопа), а ось подвеса рамки ДУСа - по оси OY_n.

На фиг.1 не показаны важные и нужные для работы гироскопического инклинометра токоподводы, сильфоны и др. элементы, но не существенные для понимания собственно изобретения. В частности, в состав устройства входит дополнительный соосный поплавковый камере 2 поплавок 21, имеющий маятниковость, плечо которой параллельно оси OX_n, и предназначенный для предохранения скручивания гибких токопроводов между поплавковой камерой 2 и поплавком 21.

Работа устройства поясняется фиг.2 и фиг.3, на которых изображены 0ζηζ - географическая система координат, (ось 0ζ направлена на север, ось 0η - в зенит); OX_nY_nZ_n - система координат, связанная с поплавковой камерой 2, OXYZ - система координат, связанная с корпусом 1, Ψ, Θ, γ - углы курса (азимута), зенита и собственного поворота корпуса инклинометра, α - угол поворота поплавковой камеры 2 относительно корпуса 1. Плоскость является апсидальной. На фиг. 3 изображены повороты систем координат OX_iY_iZ_i (i=1,2), т.е. первого поплавка 14 (i= 1) относительно поплавковой камеры 2 на угол β₁ и второго поплавка 6 (i=2) относительно поплавковой камеры 2; Tζ, Tη, Tζ - компоненты вектора напряженности магнитного поля Земли по осям географической системы координат; g - ускорение силы тяжести. Отметим, что в магнитогеографической системе координат имеем (ось 0ζ_м направлена по горизонтальной составляющей магнитной напряженности): Tη_м= Tη; Tζ_м= Tζ·cosλ-Tζ·sinλ; Tζ_м= 0, (1) где λ - угол магнитного склонения.

При включении инклинометра и при введении его в скважину происходят следующие процессы. За счет наличия зенитного угла 8 маятниковость поплавковой камеры 2 обеспечит ее разворот вокруг оси OY_n и установит ось OX_n почти апсидальной плоскости. Плечи маятников поплавков 6 и 14 установятся почти вертикально. В результате ось собственного вращения ДУСа будет горизонтальной, и сигнал с ДУСа 20 будет пропорционален угловой скорости ω_zп, , причем ω_zп= U·cosϕ·sinΨ, (2) где U - угловая скорость вращения Земли; ϕ - широта места нахождения скважины.

Из формулы (2) имеем sinΨ = ω_zп/U·cosϕ (3) Угол поворота первого маятника β₁= Θ, , второго β₂= -Θ . По этой причине сигнал синусно-косинусного вращающегося трансформатора равны
где K₂, K₂ - коэффициенты передачи соответствующих выходов синусно-косинусного вращающегося трансформатора.

Сигналы магнитометров равны
T_zп= Tζ_м·sinΨ; T_x2= Tζ_м·cosΨ
В вычислительном устройстве оценки углов географического и магнитного курсов из следующих алгоритмов:
б

Формула изобретения

Инклинометр, содержащий корпус, в котором размещен чувствительный элемент в виде немагнитной поплавковой камеры с опорами подвеса, ось которых параллельна оси корпуса, поплавковая камера имеет маятниковость, причем плечо маятника перпендикулярно оси ее подвеса, два немагнитных поплавка, установленных в поплавковой камере с помощью опор подвеса, оси которых перпендикулярны плоскости, включающей ось подвеса поплавковой камеры и плечо ее маятника, поплавки имеют маятниковости, причем плечи маятников перпендикулярны осям подвеса поплавков, первый поплавок содержит синусно-косинусный вращающийся трансформатор, а во втором поплавке установлены два магнитометра, измерительная ось первого магнитометра параллельна оси подвеса второго поплавка, а измерительная ось второго магнитометра перпендикулярна оси подвеса второго поплавка и плечу его маятника, при этом зазоры между поплавками, поплавковой камерой и корпусом соединены и заполнены жидкостью, отличающийся тем, что введены гироскопический датчик угловой скорости и вычислительное устройство, гироскопический датчик угловой скорости размещен в первом поплавке, при этом его измерительная ось параллельна оси первого поплавка, а ось собственного вращения ротора гироскопического датчика угловой скорости перпендикулярна оси подвеса первого поплавка и плечу его маятника, выход гироскопического датчика угловой скорости и магнитометров соединены с входом вычислительного устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3