Инклинометр

САНИЕ ИЗОБРЕТЕН К ПАТЕНТ Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(71) Томский политехнический институт им.С.М,Кирова(73 Белянин Лев Николаевич(57) Назначение: изобретение относится к измере -нию пространственного положения оси буровойскважины, в частности к гироскопическим инклинометрам, способным работать в непрерывном и точечном режимах измерения при движении скважинного прибора в обсаженных и необсаженныхскважинах без использования магнитного поляЗемли. Сущность изобретения: для повышенияпроизводительности инклинометрических работ принеподвижном относительно Земли скважинномприборе с помощью наземного вычислителя по информации блоков двухкомпонентного акселеро(В) ИЗ (11) 2004786 С 1(51) 5 Е 21 В 47 02 метра, двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости и трехстепенного двухрежимного гироскопа, размещенных в скважинном приборе, определяется азимут плоскости наклонения скважины и азимут главной оси гироскопа, который заносится в память наземного вычислителя. Затем инклинометр переводится в режим непрерывного движения. При этом положение оси скважины определяется наземным вычислителем по информации с блоков акселерометра и трехстепенного гироскопа с использованием значения азимута, зало- . женного в память вычислителя, Компенсация ухода трехстепенного гироскопа осуществляется вводом в наземный вычислитель широты места проведения измерений, а также определенной заранее систематической составляющей скорости дрейфа Трехстепенный гироскоп работает в двух режимах: гироскопа направления / в режиме выставки / и свободного гироскопа - в режиме продвижения. 110 15 20 25 30 35 40 50 55 Изобретение относится к устройствам для измерения геометрических характеристик оси буровой скважины, в частности к гироскопическим инклинометрам, способным работать в непрерывном и точечном режимах измерения при движении скоажинного прибора в обсаженных и необсаженных скважинах беэ использооанил магнитного поля Земли,К числу измеряемых геометрических характеристик оси буровой скважины относлтсл зенитный угол и азимут плоскости наклонения оси в каждой точке скважины. Зенитный угол измеряетсл с помощью мэятниковых устройств, либо с помощью акселерометров, размещаемых о скважинном приборе инклинометра. Известны инклинометры, (аналоги данного изобретения), в которых азимут плоскости наклонения определлетсл с помощью различных приборов, построенных на основе позиционных гироскопических датчиков. В качестве примера можно привести инкинометры ИГ, ИГ, ИГ, которые используют свойство трехстепенного гироскопа сохранять положение главной оси неизменным в пространстве, Б корпусах скоажинных приборов этих инклинометроо размещаетсл трехстепенный гироскоп, внешняя ось которого направлена по продольной оси скважинного прибора, После разгона ротора гироскоп занимает определенное положение относительно плоскости меридиана, которое в дальнейшем при проведении замероо в буроной скважине используетсл как опорное. Сигнал датчика угла, связанного с внешней осью гироскопа и осью маятникового устройства, устанаолинающегося в плоскость наклонения, проступает по каротажному кабелю на поверхность, где используетсл длл вычисления азимута плоскости наклонения, Наиболее существенным недостатком данных инклинометров являетсл длительность и сложность процесса выставки (ориентации) гироскопа на поверхности Земли, Наличие стальных конструкций вблизи места проведения измерений ограничивает использование для целей выставки датчиков, реагирующих на магнитное поле Земли; применение других средств не осегдэ возможно по причинам экономического характера, погодных условий, повышенных требований к квалификации обслуживающего персонала. Кроме того, в процесс выстаоки неизбежно вносятся ошибки субъективного характера.Недостатки, проявляющиеся при начальной выставке, полностью отсутствуют в гироскопических инклинометрах, схемы определения азимута плоскости наклонения которых построены по принципу аналитического построения опорных направлений, В качестне примера приведем гироскопический инклинометр фирмы Тиродейта", который выбран в качестве прототипа предлагаемого инклинометрэ. Указанный инклинометр содержит скважин ный прибор и связанный с последним при помощи кэротажного кабеля наземный вычислитель. Имеющиеся в скважинном приборе блок днухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости (на основе динамически настраиваемого гироскопа) и блок двухкомпонентного линейного акселерометра расположены таким образом, что их соответствующие оси чувствительности параллельны между собой и перпендикулярны оси скнажинного прибора, Направления осей чувствительности блоков датчиков первичной информации (угловой скорости и линейного ускорения) и продольнал ось скважинного прибора представляют приборную систему координат. Сигналы блока датчика .углооай скорости есть величины, пропорциональные проекциям на ост приборной системы координат вектора угловой скорости вращения скважинного прибора н инерционном пространстве. Аналогично сигналы блока экселерометра пропорциональны проекциям вектора кажущегося линейного ускоренил на те же оси, Выстанка производится автономно при неподвижном относительно Земли скважинном приборе; в этом случае блок датчика угловой скорости замеряют только проекции угловой скорости вращения Земли. Необходимая информация длл определения углов отклонения продольной оси скоажинного прибора от вертикали и поворота скважинного прибора вокруг продольной оси поступает с блока линейного акселерометра. При этом наземным вычислителем, оходящим о состав инклинометра, определяется положение приборной системы координатотносительно системы координат, ориентированной географически, н частности определяются зенитный угол и азимут плоскости наклонения оси скважины, Особенностью инклинометра, выбранного о качестве прототипа, является то, что он используетсл только о режиме точечных измерений, когда геометрические параметры оси буровой скважины фиксируются о определенных точках вдоль укаэанной оси буровой скважины фиксируются в огределенных точках вдоль указанной оси при неподвижном скважинном приборе. Указанный режим позволил снизить требования к диапазону изменения чувствительных элементов, Режим работы инклинометра-прототипа обладает мень 200478635 40 45 50 55 шей производительностью по сравнению с режимом измерений в процессе непрерывного движения скважинного прибора, т.к. время процесса инклинометрических исследований увеличивается эа счет времени остановок окважинного прибора для проведения измерений в определенных точках оси буровой скважины.Цепью изобретения является повышение производительности инклинометрических работ, которое должно быть достигнуто без повышения требований к датчику угловой скорости и наземному вычислителю, беэ значительного увеличения стоимости инклинометрического комплекса.Поставленная цель достигается тем, что инклинометр содержит в скважинном приборе блок двухкомпонентного акселерометра, блок двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости, а также трехстепенный гироскоп. Указанный гироскоп снабжен переключателем переводе его из режима гироскопа направления в режим свободного гироскопа и обратно, Наземный вычислитель инклинометра содержит блок компенсации видимого ухода трехстепенного гироскопа и систематической составляющей его дрейфа. Блоком компенсации является та часть структуры наземного вычислителя (аппаратная или программная), которая определяет величину вертикальной составляющей угловой скорости вращения Земли, суммирует ее с величиной скорости дрейфа трехстепенного гироскопа, полученную сумму интегрируют по времени и окончательное значение величины поправки вводит в вычисленное значение азимута плоскости наклонения. Более высокую производительность работы предлагаемому инклинометру придает введение функциональной связи между датчиками, работающими в режиме выставки (блок акселерометра, блок датчика угловой скорости) и датчиками, работающими в режиме непрерывного движения (блок аксеоерометра и трехстепенный гироскоп), Данная функциональная связь осуществляется через наземный вычислитель, который в момент переключения из режима выставки в режим непрерывного движения связывает информацию об азимуте плоскости наклонения, вычисленную нэ основе сигналов блока датчика угловой скорости и блока акселерометра с информацией трехстепенного гироскопа, При неподвижном относительно Земли скважинном приборе с помощью наземного вычислителя по информации блоков экселерометра, датчика угловой скорости и трехстепенного гироскопа определяется азимут плсскости наклонения и азимут главной оси гироскопа. Последний заносится в память наземного вычислителя.После окончания процесса выставки инклинометр переводится в режим непрерывного 5 движения, при котором положение оси скважины определяется наземным вычислителем по информации с блока акселерометра и трехстепенного гироскопа, а также информации об азимуте главной оси гироскопа, "0 заложенной ранее в память наземного вычислителя в момент перехода от режима выставки в режим непрерывного движения.Для повышения точности работы трехстепенного гироскопа в режиме движения сис тема нивелирования его главной осиотключается переключателем режимов работы.На чертеже приведен состав предлагаемого инклинометра.20 Скважинный прибор 1 связан с наземным вычислителем 2 каротажным кабелем 3.В корпусе скважинного прибора размещены блок двухкомпонентного акселерометра 4, блок двухкомпонентного датчика угловой 25 скорости 5 и двухрежимный трехстепенныйгироскоп б. Задатчик режимов работы Выставка+движение 7 переводит в необходимые режимы функционирования наземный вычислитель 2 и посредством расположенЗ 0 ного в скважинном приборе переключателя 8 трехстепенный гироскоп б. Переключение режимов трехстепенного гироскопа осуществляется коммутацией его цепи нивелирования, состоящей из маятникового чувствительного элемента 9 и датчика момента 10. Блок компенсации 11 наземного вычислителя предназначен для компенсации видимого ухода трехстепенного гироскопа и систематической составляющей его дрейфа, 12 - датчик угла трехстепенного гироскопа. Инклинометр работает следующим образом. В начале процессе исследований при неподвижном скважинном приборе производится определение азимута главной оси трехстепенного гироскопа; при этом последний работает в режиме азимутального гироскопа направления (цепь системы нивелирования замкнута). Двухкомпонентный датчик угловой скорости определяет составляющие в, и у угловой скорости вращения Земли Йз на оси ОХ и ОУ, связанные с корпусом скважинного прибора и которые зависят от широты места р, зенитного 3 и апсидального у углов; вх = И(созр соза созе сазу +2004786 иу=- Из(созф соях соф 3 з 1 п) + + залпу зпр зпу + созе залпа соз у).По алгоритму, построенному на основе приведенных выражений. Наземный вычислитель определяет азимут главной оси гиро скопа аг. В алгоритме учитывается угол ф поворота наружной рамки трехстепенного гироскопа относительно корпуса скважинного прибора. и рассчитанные по сигналам блока двухкомпонентного акселе рометра зенитный Р и апсидальный у углы:1 а +а Р = агстц где ах, ау - проекции ускорения силы тяже сти на оси ОХ, ОУ;9 - ускорения силы тяжести;ао - азимут плоскости наклонения в точке проведения выставки,Рассчитанный азимут главной оси гиро скопа вводится в память вычислителя, Затем инклинометр переводится в режим непрерывного движения, при котором отключается цепь нивелирования трехстепенного гироскопа, а вычислитель решает 30 задачу ориентации, используя только сигналы трехстепенного гироскопа и двухкомпонентного акселерометра; азимут плоскости наклонения при этом определяется 35 правленной по продольной оси ;скважинного прибора, и цепью нивелирования, содержащей маятниковый чувствительный элемент по внутренней оси, датчик момента по внешней оси и включенный между ними переключатель перевода гироскопа из режима гироскопа направления в режим свободного гироскопа и обратно, причем датчик угла соединен с третьим входом вычислителя, а вычислитель снабжен блоком компенсации видимого ухода гироскопа и систематической составляющей его дрейфа и задатчиком режимов работы выставка - движение, первый выход которого связан с переключателем перевода гироскопа, а второй соединен с четвертым входом вычислителя, с пятым входом вычислителя соединен выход блока компенсации. изобретен Форм 1 с- агссц (- - " );эхЙо + д ГС 19(созВтя( + ф ),ИНКЛИНОМЕТР, содержащий наземный вычислитель и связанный с ним каротажным кабелем скважинный прибор, содержащий жестко связанные с его корпусом блок двухкомпонентного акселерометра и блок двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости, соответствующие оси чувствительности которых параллельны между собой и перпендикулярны к продольной оси скважинного прибора, а их выходы подключены к первому и второму входам вычислителя, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности инклинометрических работ, скважинный прибор снабжен трехстепенным гироскопом с датчиком угла по внешней оси, наа= аг+е +(й зп у+со др) е = агс 19(созЗ с 9(у+ф )3 - угловое положение главной оси трехстепенного гироскопа относительно плоскости наклонения;( Й з 1 п у+и др) - суммарная скорость ухода гироскопа;т-текущее время с момента перехода нэ режим непрерывного движения.Компенсация отклонения главной оси гироскопа, вызываемого видимым уходом и дрейфом, производится вводом в наземный вычислитель величин широты места р проведения измерений. скорости вращения Земли Я, а также определенной заранее систематической составляющей скорости дрейфа вдр,(56) Павлов. В,А. Гироскопический эффект. Его проявление и использование. Л.: Судостроение, 1985, с.122-124,Гироскопический инклинометр ИГ-О. Описание и инструкция по эксплуатэции,- ЧССР. Микротехна, национальное предприятие Модржаны, 1958, с,47.Гироскопический инклинометр ИГ. Описание и указания по обслуживанию.- ЧССР. Микротехна, национальное предпри. ятие Модржаны, 1975, с,114.Уттект Г,Уде-Вард Дж,П. Новый гироскоп для геофизических исследований. Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, 1983, Ь 3, с.14-19.2004786 Редактор Е,Полисное Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента 3035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5