Способ измерения зенитных и азимутальных углов

 

Изобретение относится к точному приборостроению и может быть использовано при инклинометрии скважин. Техническим результатом изобретения является расширение области применения способа и повышение точности определения параметров скважины при воздействии ударов вибраций и наличии магнитных масс. Для этого устанавливают в корпусе скважинного прибора три жестко закрепленных феррозонда и три акселерометра. Оси их чувствительности образуют ортогональную измерительную систему координат. Опускают корпус скважинного прибора в скважину на определенную глубину. Измеряют с помощью феррозондов компонентов полного вектора геомагнитного поля. По показаниям акселерометров определяют компоненты полного вектора силы тяжести. По полученным данным вычисляют промежуточные значения азимутального и зенитного углов. Далее производят сравнение текущего замера со средним значением четырех замеров, отстающих от текущего на четыре записи, относительно допуска. Если текущий замер находится за пределами допуска, то его заменяют на среднее. После этого производят осреднение определенного числа предыдущих замеров и заменяют значение текущего измерения на осредненное. Затем производят фильтрацию посредством режекторного фильтра.

Изобретение относится к точному приборостроению и может быть использовано, например, при инклинометрии скважин.

Известен способ измерения угловых параметров пространственной ориентации скважинных приборов, включающий установку в корпусе скважинного прибора датчиков компонентов полного вектора геомагнитного поля в виде трех стержневых феррозондов, жестко закрепленных в корпусе скважинного прибора, оси чувствительностей которых ортогональны и вектора силы тяжести в виде рамки с эксцентричным грузом и синусно-косинусным вращающимся трансформатором, ротор которого закреплен на рамке, а статор в корпусе скважинного прибора, так, что оси чувствительности датчиков компонентов полного вектора геомагнитного поля образуют измерительную ортогональную систему координат, измерение сигналов датчиков на поверхности при совмещении осей координат измерительной системы с осями определенной заранее опорной системы координат, погружение объекта в скважину и измерение датчиками компонентов Т_х, Т_y, T_z полного вектора Т геомагнитного поля и параметров ориентации подвижных элементов датчиков компонентов силы тяжести по их отношению к вектору ускорения свободного падения с последующим вычислением для каждой группы измерений в данной точке траектории скважины системы углов Эйлера и параметров угловой ориентации корпуса скважинного объекта относительно опорной системы координат. С целью повышения точности измерения перед погружением в скважину ориентируют корпус скважинного объекта вертикально и по измеренным на поверхности сигналам с датчиков компонентов геомагнитного поля определяют и фиксируют значения sin ν и cos ν угла ν магнитного наклонения для данной широты местности, а при скважинных измерениях по сигналам с датчиков компонентов вектора силы тяжести определяют и фиксируют значения sin ϕ и cos ϕ угла ϕ ориентации корпуса скважинного прибора в апсидальной плоскости наклона скважины в данной точке траектории, при этом с учетом зафиксированных значений и измеренных в скважине компонентов Т_х, Т_y, T_z полного вектора Т геомагнитного поля определяют и фиксируют два значения зенитного угла Θ_1,2 из выражения

после чего при неизменных значениях компонентов Т_х, Т_y, T_z и угла ϕ задают приращение Δν углу м магнитного наклонения и вновь определяют и фиксируют два значения зенитного угла Θ‘_1,2, затем сравнивают попарно значения углов Θ₁ и Θ’₂, Θ₂, и Θ’₂ и при условии равенства углов Θ₁=Θ’₂ вычисляют и фиксируют значения sinΘ=sinΘ₁ и cosΘ=cosΘ₁, а при условии равенства углов Θ₂=Θ’₂ вычисляют и фиксируют значения sinΘ=sinΘ₂ и cosΘ=cosΘ₂, причем азимут α вычисляют из выражения

Недостатком данного способа является ограниченная область применения, так как феррозонды не работоспособны вблизи стальных муфт обсадной колонны, а датчик гравитационного поля Земли обладает низкой точностью измерения при наличии ударов и вибраций.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу определения зенитных и азимутальных углов является способ определения зенитного и азимутального углов, включающий установку в корпусе скважинного прибора трех жестко закрепленных феррозондов и трех акселерометров, причем их оси чувствительности образуют ортогональную измерительную систему координат, опускание корпуса скважинного прибора в скважину на определенную глубину, измерение с помощью феррозондов компонентов полного вектора геомагнитного поля, определения по показаниям акселерометров компонентов полного вектора силы тяжести и вычисления по полученным данным азимутального и зенитного углов по формулам

где a₁, a₂, а₃, b₁, b₂, b₃ - величины, пропорциональные сигналам, выдаваемым феррозондами и акселерометрами, и c=a₁b₁+a₂b₂+a₃b₃ (2), где с - временная переменная.

Недостатком данного способа является ограниченная область применения, так как феррозонды не работоспособны вблизи стальных муфт обсадной колонны, и появляется погрешность датчиков (феррозондов и акселерометров) при воздействии ударов и вибраций.

Целью настоящего изобретения является расширение области применения способа измерения зенитного и азимутального угла.

Указанная цель обеспечивается тем, что предложен способ, в котором устранение погрешностей измерения от внешних возмущающих факторов, например ударов, магнитных масс (таких как стальные муфты в обсадной колоне бурящихся скважин), осуществляется следующим образом:

определяются азимутальный и зенитный углы скважины посредством магнитогравитационного инклинометра, включающего установку в корпусе скважинного прибора трех жестко закрепленных феррозондов и трех акселерометров, причем их оси чувствительности образуют ортогональную измерительную систему координат, опускание корпуса скважинного прибора в скважину на определенную глубину, измерение с помощью феррозондов компонентов полного вектора геомагнитного поля, определение по показаниям акселерометров компонентов полного вектора силы тяжести и вычисление по полученным данным промежуточных значений азимутального и зенитного углов по формулам

где a₁, а₂, а₃, b₁, b₂, b₃ - величины, пропорциональные сигналам, выдаваемым феррозондами и акселерометрами, и c=a₁b₁+a₂b₂+a₃b₃, где с - временная переменная, i - текущий такт работы инклинометра.

Новым в способе является то, что с определенным параметром (зенитный либо азимутальный угол) производят следующие действия: берется текущее измерение или замер и сравнивается со средним значением предыдущих замеров относительно определенного допуска (например, для зенитного угла допуск равен 0.5°, а для азимутального угла равен 1.5°), (при этом надо учесть, что текущее значение должно сравниваться со средним значением тактов отстающих приблизительно на четыре записи от текущего значения) и текущее значение заменяют на осредненное при непопадании в допуск. При непрерывном измерении имеется массив данных f₁, f₂, f₃,...,f_n, где f_n текущее измерение, затем находят среднее значение f_cp (например, четырех замеров, начиная с n-7 замера), которое находится из формулы, . Полученное значение сравнивается с текущим. Если текущее измерение не попадает в нужный допуск Δ, т.е. f_n<(f-Δ) или f_n>(f_cp+Δ), то f_n заменяют на f_cp. Значение допуска определяется в зависимости от измеряемого параметра.

После этого производят устранение знакопеременной погрешности относительно измеряемого параметра, например вибрации, при протаскивании инклинометра вдоль оси ствола скважины, следующим образом. Производят осреднение определенного числа предыдущих замеров (например, для зенитного угла равно 4, а для азимутального угла равно 10) и заменяют значения текущего измерения на осредненное. Т.е. значение текущего измерения f_n вычисляют по формуле

Значение числа предыдущих тактов (k) определяется в зависимости от измеряемого параметра, например при определении зенитного угла k можно взять равное 4, а при определение азимутального угла - равное 10. Затем производят фильтрацию посредством режекторного фильтра полученных данных для устранения шумов, накладываемых на измеряемые параметры.

Алгоритм режекторного фильтра:

i - текущее измерение

F[i] измеренный параметр

z0=F[i-2]

z1=F[i-1]

z2=F[i]

A=z1-z0

B=z2-z1

C=(A-B)/4

Если i=3, то значение F[i-2]=z0+A/2

Если i>3 F[i-2]=z1-C

z0=F[i-6]

z1=F[i-4]

z2=F[i-2]

A=z1-z0

B=z2-z1

C=(A-B)/4

Если i=7 F[i-6]=z0+A/2

Если 1>7 F[i-6]=z1-С

Где z0, z1, z2, А, В, С - временные переменные.

Фильтрованное значение получается после обработки 6 замеров.

Для реализации данного способа нужно обеспечить достаточно высокую частоту съема данных (не менее четырех раз в секунду). При такой высокой частоте съема данных основной параметр не может изменяться на большую величину за короткий промежуток времени. Кроме того, начало процесса должно начинаться с точки, где нет внешних возмущающих факторов.

Ниже приведен конкретный пример осуществления предлагаемого способа. В скважине (Вать-Еганское месторождение, 108 куст, скважина № 5072) проводили проверку способа магнитогравитационным инклинометром МИНК 42-100/50 (3). Максимальное расхождение между результатами, полученными предлагаемым способом и инклинометрией скважины гироскопическим инклинометром, не превышало 2° по азимутальному углу и 0.3° по зенитному углу, причем на эту величину влияет также и точность инклинометра, показания которого считали образцовыми, в то время как результаты, полученные способом, взятым за прототип, имели расхождение с результатами, принятыми за образцовые, в два раза большее, чем полученные предлагаемым способом.

Применение предлагаемого способа позволяет повысить точность определения параметров траектории скважины при воздействии ударов вибраций и наличии магнитных масс.

Источники информации, принятые во внимание

1. Авторское свидетельство СССР № 1543060, кл. Е 21 В 47/02, 1987 (аналог).

2. Г.Н.Ковшов, Р.И.Алимбеков, А.В.Жибер Инклинометры (Основы теории и проектирования). Уфа: Гилем, 1998. - 380 с.

3. Магнитный инклинометр непрерывный кабельный МИНК 42-100/50 Руководство по эксплуатации ИФДЖ.611137.002 РЭ 2001 г.

Формула изобретения

Способ определения азимута и зенитного угла скважины посредством магнитогравитационного инклинометра, включающий установку в корпусе скважинного прибора трех жестко закрепленных феррозондов и трех акселерометров, причем их оси чувствительности образуют ортогональную измерительную систему координат, опускание корпуса скважинного прибора в скважину на определенную глубину, измерение с помощью феррозондов компонентов полного вектора геомагнитного поля, определения по показаниям акселерометров компонентов полного вектора силы тяжести и вычисления по полученным данным промежуточных значений азимутального и зенитного углов по формулам

где a₁, а₂, а₃, b₁, b₂, b₃ - величины, пропорциональные сигналам, выдаваемым феррозондами и акселерометрами;

c=a₁b₁+a₂b₂+a₃b₃,

отличающийся тем, что производят сравнение текущего замера со средним значением четырех замеров, отстающих от текущего на четыре записи, относительно допуска и заменяют на среднее, если текущий замер находится за пределами допуска, после этого производят осреднение определенного числа предыдущих замеров и заменяют значения текущего измерения на осредненное и затем производят фильтрацию посредством режекторного фильтра.