Гироскопическое устройство разворота скважинного прибора

 

Изобретение относится к геофизическому приборостроению и предназначено для геофизических исследований. Техническим результатом является повышение качества и производительности работы устройства. Разворот скважинного прибора (СП) относительно его продольной оси производится за счет гироскопического момента двух управляемых гироскопов без использования устройств фиксации о стенки скважины. Для этого в СП установлены два гиромотора (ГМ) в рамках, оси вращения которых перпендикулярны к осям вращения роторов и продольной оси СП. Направления вращения роторов ГМ противоположны. На оси подвеса одной из рамок установлены датчик угла и задатчик момента, рамки между собой связаны механизмом-антипараллелограммом, обеспечивающим их разнонаправленный поворот. Момент задатчика момента вызывает ускоренное вращение рамок. При этом создается гироскопический момент, действующий по продольной оси СП. В случае преодоления указанным моментом момента трения между стенками скважины и СП последний начинает разворачиваться вокруг своей продольной оси. После отключения питания задатчика момента движение СП прекращается. При наличии второй рамки с ГМ значительно упрощается закон управления устройством разворота СП. 1 ил.

Изобретение относится к области геофизического приборостроения, а именно к устройствам для осуществления разворота скважинной аппаратуры в буровой скважине, например сверлящих перфораторов, керноотборников и др.

В практике геофизических исследований скважин возникают проблемы разворота либо отдельных элементов скважинного прибора, либо всего прибора в целом. Так, известно устройство для проведения гамма-каротажа, в котором экран модулятора, расположенный внутри скважинного прибора, вращается с помощью двигателя (авт.св. 203799 СССР. Прибор для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважинах. БИ 21, 1967 г.). В тех случаях, когда необходимо развернуть корпус скважинного прибора, с внешней поверхностью которого связаны определенные датчики или инструмент, применяются устройства заякоревания одной части скважинного прибора, а другая, подлежащая развороту, приводится во вращение с помощью электропривода (пат. 2090751 РФ. Устройство для поворота скважинных приборов. БИ 26 (2ч.), 1997 г.). Недостатком таких устройств является необходимость жесткой фиксации их со стенками скважины; при этом осуществляющие данную операцию узлы механизма заякоревания в условиях бурового раствора, высоких температур и давлений являются элементами низкой эксплуатационной надежности.

Наиболее близким к предлагаемой конструкции устройства является устройство разворота, используемое в комплексном скважинном приборе геофизического комплекса (пат. 2112877 РФ. Геофизический комплекс. БИ 16, 1998 г.), которое выбрано в качестве прототипа. В указанном устройстве поворот скважинного прибора производится за счет создания управляемым гироскопом гироскопического момента. Конструкция устройства содержит гиромотор, ротор которого вращается в опорах, закрепленных в рамке, которая в свою очередь установлена в корпусе скважинного прибора в опорах, обеспечивающих ей одну степень свободы вращения вокруг оси, перпендикулярной продольной оси скважинного прибора. Ось вращения ротора гиромотора перпендикулярна оси подвеса рамки. С осью подвеса рамки связаны задатчик момента и датчик угла. В целом совокупность устройства разворота и скважинного прибора можно представить в виде трехстепенного гироскопа, внешней рамкой которого является корпус скважинного прибора. Процесс разворота последнего осуществляется следующим образом. На задатчик момента поступает сигнал, при этом по оси подвеса рамки создается момент, однако в начальный период времени прецессия внешней рамки гироскопа (вращение скважинного прибора) отсутствует, так как по продольной оси скважинного прибора действует большой момент сил трения между скважинным прибором и стенками скважины. При этих условиях рамка с вращающимся ротором начинает ускоренно вращаться под действием момента задатчика момента и тем самым по продольной оси скважинного прибора создается возрастающий гироскопический момент, который в дальнейшем преодолевает момент сопротивления и производит разворот скважинного прибора на некоторый угол. Величина этого угла ограничена уменьшением упомянутого гироскопического момента (вследствие уменьшения эффективного кинетического момента гироскопа) по причине постепенного отклонения оси вращения ротора гиромотора от исходного положения, при котором упомянутая ось перпендикулярна продольной оси скважинного прибора. Следующий цикл дальнейшего разворота скважинного прибора возможен после приведения оси вращения ротора гиромотора в исходное положение, для чего задатчик момента развивает момент противоположного знака и меньшей величины, чем первоначальный момент. В этом случае создаваемый гироскопический момент не преодолевает момента сопротивления сил трения между стенками скважины и скважинным прибором и последний остается неподвижным (не совершает вращения в обратную сторону).

Недостаток указанного устройства проявляется в том, что при отклонении рамки с вращающимся ротором наряду с постепенным уменьшением полезного гироскопического момента, действующего по продольной оси скважинного прибора, появляется возрастающий гироскопический момент, приложенный к поперечной оси скважинного прибора, что изменяет момент трения между стенками скважины и корпусом скважинного прибора. Совместное действие указанных гироскопических моментов приводит к сложному движению скважинного прибора, что существенно усложняет условия управления разворотом последнего.

Задачей настоящего изобретения является создание гироскопического устройства разворота, обеспечивающего однозначный закон управления угловым движением скважинного прибора.

Решение поставленной задачи достигается тем, что гироскопическое устройство разворота скважинного прибора, содержащее гиромотор, установленный в первой рамке, ось подвеса которой с помощью опор закреплена в корпусе скважинного прибора так, что она направлена перпендикулярно продольной оси последнего и оси вращения ротора гиромотора, а также содержащее задатчик момента и датчик угла, связанные с осью подвеса первой рамки, дополнено второй рамкой с гиромотором, ротор которого вращается в противоположном направлении, причем ось подвеса второй рамки параллельна оси подвеса первой рамки и, кроме того, обе рамки связаны между собой механизмом-антипараллелограммом.

Сущность изобретения заключается в том, что гироскопический момент, действующий по поперечной оси скважинного прибора, вызванный появлением проекции вектора кинетического момента первого гиромотора на продольную ось скважинного прибора при отклонении оси вращения ротора от исходного положения, компенсируется противоположно направленным гироскопическим моментом такого же происхождения от второго гиромотора. Кроме указанного преимущества, использование двух, связанных антипараллелограммом гиромоторов, позволяет удвоить величину полезного гироскопического момента.

Состав предлагаемого гироскопического устройства разворота скважинного прибора приведен на чертеже. Скважинный прибор 1, подвешенный на каротажном кабеле 2, находится в скважине 3. Скважинный прибор содержит первую рамку 4 с гиромотором 5. Эта рамка установлена в корпусе скважинного прибора в опорах 6 так, что ее ось подвеса перпендикулярна как продольной оси скважинного прибора, так и оси вращения ротора гиромотора 5, который обладает кинетическим моментом ₁. С осью подвеса первой рамки 4 связаны задатчик момента 7 и датчик угла 8. Первая рамка 4 посредством механизма-антипараллелограмма 9 (показан в виде пары зубчатых секторов) связана со второй рамкой 10, в которой установлен гиромотор 11, направление вращения ротора (вектора кинетического момента H₂) которого противоположно по отношению к первому гиромотору 5. Опоры подвеса 12 второй рамки обеспечивают ее вращение вокруг оси, параллельной оси подвеса первой рамки.

Гироскопическое устройство разворота скважинного прибора работает следующим образом. Предварительно отметим, что совокупность подвешенного на каротажном кабеле корпуса скважинного прибора и каждой из рамок с гиромотором можно условно представить в виде трехстепенного гироскопа, внешней рамкой которого является корпус скважинного прибора, а ось ее вращения совпадает с продольной осью последнего. При подаче на задатчик момента 7 сигнала управления по осям подвеса первой 4 и второй 10 рамок начинают действовать управляющие моменты M_y1 и M_y2. Эти моменты стремятся вызвать вращение корпуса скважинного прибора (прецессию гироскопа) вокруг его продольной оси, однако большой момент трения между корпусом скважинного прибора и стенкой скважины препятствует этому вращению. Вследствие этого обе рамки 4 и 10 начнут под действием моментов M_y1 и M_y2 вращаться в противоположные стороны с равными скоростями и Возникающие при этих условиях гироскопические моменты и действуя согласно по продольной оси скважинного прибора, преодолевают момент сил трения между стенками скважины и скважинным прибором и начинают разворачивать последний со скоростью При этом обе рамки отклоняются от исходного положения, при котором оси вращения роторов гиромоторов перпендикулярны продольной оси скважинного прибора, на углы β₁ и β₂. Последние приводят к появлению компонент векторов кинетических моментов H₁•sinβ₁ и H₂•sinβ₂ по продольной оси скважинного прибора. Если рассмотреть взаимодействие угловой скорости и компоненты H₁•sinβ₁, то видно, что в этом случае создается гироскопический момент приложенный к поперечной оси скважинного прибора; такая ситуация имеет место при работе устройства-прототипа и является недостатком последнего. Однако в предлагаемом устройстве в то же самое время создается гироскопический момент направленный встречно моменту M_г*. Технически несложно обеспечить равенство этих моментов равенством кинетических моментов гиромоторов (учитывая, что передаточное отношение механизма-антипараллелограммма равно единице). Таким образом, действия возмущающих моментов на скважинный прибор взаимно компенсируются, и процесс управления разворотом последнего становится однозначным. При увеличении углов отклонения рамок до некоторой величины β_max (о чем свидетельствует информация с датчика угла 8) происходит отключение сигнала управления с задатчика момента 7. Управляющий момент исчезает, движение рамок с гиромоторами и скважинного прибора прекращается. Подготовка нового цикла разворота скважинного прибора заключается в том, что на задатчик момента подается такой сигнал, что создается управляющий момент обратного направления и меньшей величины по сравнению с первоначальным. Под действием этого момента рамки начинают поворачиваться к исходному положению, скорость их поворота мала для того, чтобы создать гироскопический момент, способный преодолеть момент сил трения скважинного прибора о стенку скважины. Поэтому при обратном ходе рамок скважинный прибор остается неподвижным; сигнал с задатчика момента снимается при приходе рамок в исходное положение (когда оси вращения роторов гиромоторов перпендикулярны продольной оси скважинного прибора), о чем будет свидетельствовать информация с датчика угла.

В качестве примера технической реализации устройства можно привести конструкцию, содержащую два гироблока (гиромоторы в гирокамерах), подвешенных в опорах общего корпуса и связанных между собой либо зубчатыми секторами, либо системой рычагов, обеспечивающих равнонаправленный разворот указанных гироблоков. В качестве задатчика момента и датчика угла могут быть использованы доступные, освоенные отечественной промышленностью элементы, эксплуатационные и конструктивные характеристики которых удовлетворяют требованиям, предъявляемым к конкретному устройству разворота.

Формула изобретения

Гироскопическое устройство разворота скважинного прибора, содержащее гиромотор, установленный в первой рамке, ось подвеса которой посредством опор связана с корпусом скважинного прибора и направлена перпендикулярно продольной оси последнего и оси вращения ротора гиромотора, задатчик момента и датчик угла, связанные с осью подвеса первой рамки, отличающееся тем, что в корпусе скважинного прибора с помощью опор установлена вторая рамка с гиромотором, направление вращения ротора которого противоположно направлению вращения ротора гиромотора первой рамки, причем ось подвеса второй рамки параллельна оси подвеса первой рамки и обе рамки связаны между собой механизмом-антипараллелограммом.

РИСУНКИ

Рисунок 1