Инклинометр

(51)5 Е 21 В 4 ПАТЕНТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОВЕДОМСТВО СГОСПАТЕНТ СС ИЯ ПИСАН ЕЛЬСТВУ СВ ВТОРСКО(22),25,12,90 (46) 15,01.93, Бюл. М 2 (71) Всесоюзный научно-исследовэтельски институт нефтепромысловой геофизики (72) Н,П.Рогатых и Л.А,Куклина (56) Авторское свидетельство СССР М. 120795, кл, Е 21 В 47/022, 1959.Авторское свидетельство СССР М 785468, кл. Е 21 В 47/022, 1980.ИсаченкоВ,Х. Инклинометрия скважин М.: Недра, 1987, с, 51, рис. 27, (54) ИНКЛИНОМЕТР (57) Использование: и промысловой геофи зике для пространственной ориентаци стволов обсаженных скважин, а также сква жин, проведенных в средах с магнитным аномалиями, Сущность; изобрете чает в себя два одинаковых гироскопических узла, в каждый из которых введены одинаковые датчики угловых перемещений внутренних рамок, главные оси гироскопов располагаются подуглом 90 + 10 симметрично относительно плоскости меридиана, В процессе работы инклинометра с помощью датчиков угловых перемещений внутренних и внешних рамок 10, 11 и 4, 5 непрерывно измеряются угловые перемещения рамок. Сигналы датчиков содержат необходимую информацию о пространственной ориентации корпуса инклинометра. Азимуг, зенитный и визирный углы определяются в процессе обработки сигналов датчиков по соответствующим алгоритмам. 1 з,п. ф-лы, 2 ил.Изобретение относится к промысловой геофизике и может использоваться для определения траекторий стволов обсаженных скважин, а также скважин, проведенных в области магнитных аномалий Известен гироскопический инклинометр, содержащий гироскопический курсоуказатель и гироскопический указатель искривления, внешние рамки которых расположены соосно с корпусом инклиномет 10 ра, а также элементы коррекции указателей, включающие три корректирующих мотора и жидкостные маятниковые переключатели, при этомдвакорректирующих мотора свяэаны с внутренними рамками гироскопических указателей, а третий - с осью вращения внешней рамки указателя искривления. Коррекция курсоуказателя производится по сигналам жидкостйого маятникового пере 20 ключателя, установленного на внешней рамке указателя искривления,Недостатком данного инклинометра является сложность конструкции, обусловленная с одной стороны стремлением измерения непосредственно параметров 25 искривления, а с другой стороны - необходимостью использования для этого большого числа корректирующих элементов Недостаток состоит также в низкой точноция курсоуказателя производится по сигналу жидкостного переключателя, установленного на внешней рамкеуказателя искривления, но поворот внешней рамки указателя искривления и уход гироскопа курсоуказателя не являются адекватными параметрами, вследствие того, что они относятся к различным гироскопическим системам. Кроме того недостатком инклинометра является отсутствие какихлибо диапазонных датчиков угловых перемещений, по сигналам которых производится определение измеряемых параметров, что не позволяет использовать инклинометр в качестве полностью завершенного в функциональном отношении устройства. 45 Известен также гироскопический инклинометр, содержащий два гироскопа, на 50 правляющие векторы главных осей которых расположены параллельно и встречно, датчик азимута, датчик угла наклона скважины (зенитного угла), следящего систему с исполнительным двигателем, электромотор, а также счетно-решающий узел и введенный в следящую систему коммутирующий блок, при этом выходы датчиков угла наклона и азимута через коммутирующий блок связаны с исполнительньм двигателем следящей сти измерения азимута, поскольку коррек системы, а датчик азимута соединен со счетно-решающим узлом.Недостатком этого гироскопического инклинометра является сложность конструкции и невысокая экономичность, обусловленные использованием трех следящих систем, две из которых предназначены для горизонтальной стабилизации датчика азимута, а третья - для установки движка датчика азимута в соответствии с йаправлениями главных осей гироскопов, Кроме того, недостатком является низкое быстродействие, которое вытекает из необходимости измерения азимута в два такта.Поскольку при измерении азимута осуществляется разворот внешней рамки датчика азимута, приводящий к изменению показаний датчика угла наклона, т.е, к ошибке, измерение угла наклона должно осуществляться.при отключенной следящей системе азимута, т,е. следящая система датчика азимута и следящая система внешней рамки датчика воздействуют на общий элемент конструкции, а именно: на внешнюю рамку, то при их параллельной работе возникает неопределенность, и инклинометр является неработоспособным, Это обстоятельство не учитывается в данном инклинометре. Устранения нежелательного эффекта может быть достигнуто только путем разнесения во времени циклов работы укаэанных следящих систем, но это, в свою очередь, приводит к дальнейшему снижению быстродействия и необходимости проведения замеров только при остановке движения скважинного прибора, что также является существенным недостаткомНаиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является гирополукомпас, который принят в качестве прототипа, и содержащий цилиндрический корпус, внешнюю рамку, ось вращения которой соосна с корпусом, датчик угла поворота внешней рамки относительно корпуса, внутреннюю рамку с осью вращения, пер-пендикулярной оси вращения внутренней рамки, гироскоп, кожух которого закреплен во внутренней рамке, а главная ось перпендикулярна оси вращения внутренней рамки .и лежит в горизонтальной плоскости, а также систему маятниковой коррекции, включающую датчик угла отклонения внутренней рамки от плоскости горизонта и моментный двигатель, ротор которого связан с осью вращения внешней рамки.Достоинствами гирополукомпаса посравнению с гироскопом направления других типов в планеиспользования в инклинометрах является воэможность применения маятниковой коррекции и установки момен 17882243,Пере танавлив ), 0=0), нием ба д началом работы инклинометр усается в вертикальное положение оторое характеризуется совмещеисов Во и В 1. При этом датчики тного двигателя по оси внешней рамки. Первое позволяет существенно упростить конструкцию, т,к. дает возможностьиспользовать в качестве датчика угла отклонения внутренней рамки простейшие, нодовольно точные, жидкостные маятниковыепереключатели, второе позволяет использовать более громоздкие, но более точные,моментные двигатели, что увеличивает точность системы коррекции гироскопа и точность измерений в целом.Недостаток известного устройства состойт в том, что не позволяет измерять зенитный и визирнйй углы скважины. Спомощью этого устройства также нельзя определить азимут скважины, т,к. последнийпараметр определен как физическая величина только тогда, когда ось корпуса (осьвнешней рамки) не совпадает с вертикальюместности, но в этом случае сигналы датчикаугла поворота внешней рамки будут зависеть как от азимута, так и от зенитного ивизирного углов, и величины сигналов нельзя адекватно сопоставить с величиной азимута без дополнительной информации, Спомощью данного устройства можно измерить только азимут обьектов, перемещающихся в горизонтальной плоскости, носохраняющих вертикальное положение осивнешней рамки.Целью изобретения является расширение.функциональных возможностей за счетизмерения зенитного и визирного углов, атакже повышение уровня унификации,На фиг. 1 и фиг, 2 представлена структурная кинематическэя схема инклинометрэ,Инклинометр включает в себя цилиндрический корпус 1, внешние рамки 2, 3, осивращения которых совпадают с продольнойосью корпуса 1, датчики углов поворотоввнешних рамок 4, 5, внутренние рамки 6, 7,оси вращения которых перпендикулярныосям вращения внешних рамок 2, 3, гироскопы 8, 9, кожухи которых закреплены навнутренних рамках 6, 7, а главные оси перпендикулярны осям вращения внутреннихрамок 6, 7 и лежат в горизонтальной плоскости, датчики угловых перемещений рамок10, 11, а также системы маятниковой коррек(9 ии гироскопов 8, 9, состоящие соответ. ственно из датчиков углов отклонениявнутренних рамок от плоскости горизонта12, 13, и моментных двигателей 14, 15, связанных с осями вращения внешних рамок 2, углов поворотов внешних рамок 4. 5 показывают значения углов фа 1 = Р, Че 1 =д а датчики угловых перемещений внутренних рамок 10, 11 - айаг = фь 2 = 90 О. В этом положении "производится запуск и рэзэр рертировэние гироскопов, после чего прибор опускается в скважину. В процессе непрерывного подъема инклинометра направляющие векторы главных осей гироскопов а, Б сохраняют пространственную "0 ориентацию, заданную исходным положением инклинометра. В то же время пространственное положение корпуса 1 инклинометра меняется в соответствии с .траекторией скважины, вследствие чего меяются и углы относительных поворотоввнешних и внутренних рамок. При работе инклинометра осуществляется непрерывное измерение значений углов поворотов внешних рамок фа 1, ф ь 1 и внутренних рамок ф 2,фь 2 . С помощью полученных значений углов определяются координаты направляющих векторов главных осей гироскопов. ь= соя фь 1, 3 и фь 2, зи 9 фь 130 з и фь 2, соз фь 2) по которым вычисляются значения азимута,зенитного и визирного углов; саТ) (о ы 19 са ь)ппя(ьаа и ЧаслпЧпс ап йп,сопЧос+соо(и Ча)п пгАппЧо,(ааЧпсссаЧпг)Ча Чьс.сапЧсйп% ссаЧас Чьс ппЧЪпппЧъ соосга Ча,са Ч хЬ,С; 01 Х 1 У 1 = ),О, 1, 0),клонении главных осей гироско плоскости горизонта соответстатчики 12, 13 вырабатывают ассоглэсования, которые через ые устройства (нэ фиг. не показася на моментные двигатели 14, твом которых к внешним рамкам О При от пов 8,9 от вующие д сигналы р усилительн ны) подают 15, посредс2, 3 прикладываются моменты, доставляющие гироскопы прецессировать вокруг осей вращения внутренних рамок б, 7 до тех пор, пока главные оси гироскопов не вернутся в горизонтальную плоскость,Под действием вращения Земли главные оси гироскопов стремятся с течением времени развернуться по направлению меридиана. Поскольку в ин клинометре используются два идентичных гироскопа, оси которых расположены под одинаковыми углами к меридиональной плоскости, и направление меридиана 00 Х 0 задается суммой направляющих векторов главных осей (а + Ь), временной уход гироскопов приводит к одинаковым изменениям углов наклона главных осей относительно меридиональной плоскости, но це изменяет направление меридиана 00 Х 0, вследствие чего возрастает точность измерения азимута и визирного угла. Временной уход осей гироскопов происходит в горизонтальной плоскости, в связи с чем он принципиально не влияет на точность определения вертикали местности, которая задается направлением а х Ь), Погрешность определения вертикали обусловлена. только погрешностями работы систем коррекции гироскопов. Расположение главных осей гироскопов под углом 90 й 10 уменьшает влияние карданных погрешностей на точность конечных результатов измерений параметров,Применение в инклинометре двух одинаковых гироскопических узлов наряду с повышением уровня унификации прибора создает условия для повышения точности измерений, т.к. при симметричном расположении главных осей гироскопов относительно плоскости меридиан и одинаковый временной ухОд гироскопов не приводит к погрешности. В данном случае погрешность обуславливается только степенью неидентичности гироскопических узлов. Определение всех инклинометрических параметров посредством измерения относительных угловых перемещений рамок дает возможность использовать в инклинометре одинаковые датчики углов, например, синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы. Это в еще большей степени способствует унификации, т.к. для преобразования угловых перемещений всех рамок могут быть использованы одинаковые преобразователи или один преобразователь, общий для всех датчиков.Расчетно-экспериментальные исследования инклинометра показали, что погрешность измерения азимута составит 0,5 при О 50, погрешность измерения зенитного угла в диапазоне 00 - 70 составит 0,25, а погрешность измерения визирного угла будет равна ориентировочно 1,0 при О = 30 - 5 и 05 при О50. Исследования проведены из условия использо.вания в качестве датчиков 10 перемещений рамок синусно-косинусных трансформаторов класса точности 0,2 и применения 10-разрядного АцП,Формула изобретения 1. Инклинометр, содержащий цилиндрический корпус с размещенным в нем первым гирополукомпасом, включающим в себя внешнюю рамку, ось вращения которой расположена по оси корпуса, датчик угла поворота внешней рамки, внутреннюю 20 рамку, ось вращения которой перпендикулярна к оси вращения внешней рамки, гироскоп, кожух которого закреплен во внутреннейрамке, а главная ось перпендикулярна к оси вращения внутренней рамки и лежит в горизонтальной плоскости, а так 25 же систему маятниковой коррекции, содержащую датчик угла отклонения внутренней рамки от плоскости горизонта и моментный двигатель, ротор которого связан с осью вра 30 щения внешней рамкио т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей путем измерения зенитного и визирного углов, а также повышения уровня унификации, он снабжен размещенными в цилиндрическом корпусе вторым гирополукомпасом, идентичным по конструкции первому, а также первым и вторым датчиками относительных угловых перемещений рамок, размещенными на осях 40 вращения внутренних рамок соответственно первого и второго гирополукомпасов, при этом гироскопы установлены с возможностью расположения направляющих векторов главных осей гироскопов45 неколлинеарйо. 2. Инклинометр по и. 1, отл ич а ющий с я тем, что, с целью повышения точности ложения вектора, составленного из суммы направляющих векторов главных осей гироскопов, в меридиональной плоскости, а угол между главными осями гироскопов составляет от 80 до 100. 55 измерения азимута и визирного угла, гиро 50 скопы установлены с возможностью распоСоставитель Л. Куклина Редактор Техред М.Моргентал Корректор Н,Милюковательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 оизводствен з 59 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5