Датчик зенитного угла буровой скважины

(19) К 0 51) 5 Е 21 В 47 62 ИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К ПАТЕНТУ ИНЬ Комитет Российской Федерацш по патентам и товарным знакам(71) Свердловский горный институт им В.ВВахрушева(73) Уральский горный институт им.В.В,Вахруше(54) ДАТЧИК ЗЕНИТНОГО УГЛА БУРОВОЙСКВАЖ 1. (57) Использование: в области измерений пространственного положения буровых скважин. Сущность изобретения: датчик содержит отвес с источником света, фотоприемник и светофильтр, Толщина светофильтра увеличивается от центра к периферии. При увеличении зенитного угла выходной сигнал фотоприемника уменьшается из-за увели. чивающегося ослабления светового потока светофильтром. б ил.Изобретение относится к геологораэведочной технике, точнее к инклинометрамустройствам для измерения углов искривления буровых скважин.Известны скважинные инклинометры, в которых чувствительным элементом зенитного угла служит отвес, Отклонение отвеса от вертикали определяют разными способами: непосредственным отсчетом или дистанционно, с помощью реостатных, индуктивных, магнитных или ферроэондовых преобразователей. Каждому из способов определения положения отвеса присущи свои недостатки; способу непосредственного отсчета и реостатному - низкая производительность измерений, магнитному и индуктивному - снижение чувствительности датчика, связанное с реакцией преобразователя, феррозондовомувысокая сложность измерительной схемы.Известны также инклинометры с чувствительным элементом зенитного угла в виде отвеса с фотопреобразователем положения отвеса в электрический сигнал, к числу которых относится и прототип изобретения.Этот инклинометр содержит соосно установленные отвес с источником света, фотоприемник и анализатор изображения, Источник света на отвесе экранирован со стороны фотоприемника, его свет направлен в противоположную сторону на сферическое зеркало, ось которого наклонена по отношению к оси инклинометра и которое приводится во вращение с помощью электромотора, Это сферическое вращающееся зеркало входит в состав анализатора иэображения, который включает также линзуконденсор, размещенную над фотоприемником. На плоской поверхности линзы-конденсатора нанесены чередующиеся прозрачные и непрозрачные секторы, При отклонении отвеса от вертикали луч света от источника, отраженный вращающимся зеркалом, описывает на плоской поверхности линзы-конденсора окружность, центр которой смещается относительно центра линзы тем больше, чем больше зенитный угол скважины. Когда луч света, перемещающийся по поверхности линзы-конденсора, пересекает светлую полосу, фотоприемник вырабатывает импульс напряжения, По чередованию широких и узких импульсов напряжения и определяют зенитный угол. Как видно из приведенного описания, известное устройство имеет довольно сложную конструкцию: анализатор изображения в нем включает в себя вращающееся сферическое зеркало, электромотор и линзу-конденсор с чередующимися прозрачными непрозрачными секторами,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Процесс измерений зенитного угла с таким датчиком также сложен - он требует анализа посл еда вател ь ности импул ьсов напряжения различной ширины (длительности),Предлагаемое изобретение имеет целью упрощение конструкции датчика и процесса измерений с ним.Поставленная цель достигается тем, что в датчике. содержащем соосно размещенные отвес с источником света, фотоприемчик и анализатор иэображения, анализатор иэображения выполнен в виде светофильтра переменной, увеличивающейся от центра к периферии, толщины.Поскольку ослабление светового потока светофильтром зависит от толщины последнего, а она на пути от источника света к фотоприемнику изменяется в зависимости от угла отклонения источника от вертикали, то и величина сигнала, вырабатываемого фотоприемником, зависит от отклонения источника от вертикали и благодаря этому непосредственно по величине сигнала, снимаемого с фотоприемника, можно определить величину зенитного угла датчика.Таким образом, анализатор изображения в предлагаемом устройстве представляет из себя одну единственную деталь - светофильтр переменной толщины, соосно установленный между источником света и фотоприемником, а процесс измерений с предлагаемым датчиком сводится к измерению амплитуды сигнала (постоянного тока или напряжения), снимаемого с фотоприемника,На Фиг.1 показан датчик, вмонтированный в корпус инклинометра в вертикальном положении, продольный разрез; на фиг,2- тот же датчик при его отклонении от вертикали; на фиг.З - условные обозначения для расчета зависимости величины выходного сигнала датчика от угла отклонения от вертикали; на фиг,4- источник света, ход световых лучей от него до фотоприемника и форма светового пятна при вертикальном (А-А) и наклонном (В-В) положении датчика; на фиг.5 - зависимости выходного сигнала датчика от зенитного угла при различных значениях минимальной толщины светофильтра,Предлагаемый датчик включает в себя отвес в виде нити 1 с источником света 2 на нижнем конце, фотоприемник 3 и светофильтр 4, расположенные соосно в цилиндрической измерительной камере 5, Фотоприемник 3 имеет форму плоского круга. Источник света 2 может быть выполнен, например, в виде лампочки накаливания 6 и конденсора 7, собирающего лучи от лампоч 2004787ки 6 в параллельный пучок. Пример такого выполнения источника света показан на фиг.1 и 2. В случае использования в качестве источника света лампочки накаливания светофильтр должен быть нейтральным, равномерно ослабляющим поток света во всей излучаемой области.В качестве источника света 2 может быть использован также светоизлучающий диод с направленным излучением. Светофильтр в этом случае должен избирательно поглощать излучение светодиода. И в этом и в другом случае удобнее всего стеклянный светофильтр абсорбционного типа, отличающийся высокой оптической однородностью и постоянством оптических характеристик. Коэффициент пропускания такого фильтра одинаков по всему обьему. Нижняя поверхность светофильтра 4 плоская, прилегает к фотоприемнику 3, верхняя - вогнутая, имеющая минимальную толщину в центре, максимальную - на краях.На фиг.1-3 изображен светофильтр со сферической верхней поверхностью. Сферическая форма поверхности светофильтра удобна тем, что независимо от угла отклонения отвеса световые лучи источника будут падать на светофильтр по нормали к его поверхности, а это, во-первых, обеспечит повышение точности измерений за счет сохранения постоянного отражения света и, во-вторых, упростит выполнение расчетов зависимости. выходного сигнала от угла наклона датчика, поскольку в этом случае отпадает необходимость учитывать преломление световых лучей. Но в принципе форма верхней поверхности светофильтра 4 может быть и иной, обеспечивающей нужную зависимость выходного сигнала от угла наклона датчика. Измерительная камера датчика 5 размещается в корпусе инклинометра 8, который соединяется каротажным кабелем 9 с наземным измерительным пультом, содержащим стабилизированный источник питания осветителя и гальванометр для измерения выходного сигнала фотоприемника,При вертикальном расположении датчика (фиг.1) световой поток от источника 2 попадает на фотоприемник 3 через минимальный по толщине слой светофильтра 4, и фотопреобразователь вырабатывает максимальный сигнал, При отклонении датчика от вертикали (фиг.2) на пути светового потока оказывается часть светофильтра большей толщины, поглощение света в нем увеличивается и фотопреобразователь 3 вырабатывает меньший сигнал, Выходной сигнал10 будет тем меньше, чем больше отклонение датчика от вертикали (зенитный угол).Рассмотрим, как будет меняться величинавыходного сигнала датчика в зависимости от зенитного угла р при сферическойформе верхней поверхности светофильтра.Если обозначить световой поток, исходящий параллельным пучком из конденсора осветителя, через Фо, то сигнал , вырабатываемый под его действием фотоприемником, составит:-К Л (1)где К - коэффициент преобразования фото приемника, мА/лм;1 - коэффициент пропускания, равныйотношению светового потока, прошедшего через светофильтр, к световому потоку, падающему на него при единичной толщине 20 светофильтра, т1;Л - толщина светофильтра на пути прохождения светового потока.Тот факт, что при отклонении датчика отвертикали световой поток будет падать на 25 поверхность фотоприемника под угломпадения, равным зенитному углу датчика фФ = Фо сов О), полностью компенсируется тем, что в этом случае увеличивается площадь светового пятна на фотоприемнике.30 Если при падении света по нормали к поверхности фотоприемника ( р= О) световое пятно представляет собой круг радиуса г и площадь лР, то при отклонении датчика от вертикали пятно становится эллиптическим 35 (фиг. 4), большая полуось эллипса Ь увеличивается по мере увеличения наклона датчика Ь = г/сов ф, соответственно увеличивается и площадь эллипса Я=да Ь= л 12/сазово.Поскольку радиус фотоприемника болЬ ше радиуса светового потока, последний нафиг.4 изображен в виде единичного луча.Как видно из фиг.З, толщина Л светофильтра на пути светового потока может быть выражена как:45Л= -созргде- расстояние от точки подвеса отвеса до центра светового фильтра;Ло - минимальная толщина светофильтра (над центром расстояния : Ло = и , тогда получимь. " - ,-1.+.Ы:.ЯЫ. сгсозе С 09 рПодставим выражение (2) в формулу(1) 55 и получим зависимость выходного сигналаот зенитного угла датчика в виде(1 Фи)со 51+и 0,9990 0.9962 0,9848 0,9659 0,9397 09063 0 8660 0,8192 0,7660 0,05 0,051 0,0538 0,0652 0,0841 0,1103 О.1437 0,184 О о,гзоб о 2840 О 0,1010 0,1038 0,11520,1341 0,1603 0 1937 02340 0,2808 0,3340 1 О 9,891 9,597 8,549 7.203 5,862 4,679 З,7 ОО 2,917 2,293 го19,586 18,516 15,104 11,485 8,519 6,306 4,706 3,554 2,697 О,О О.О 11 О,О 1 ЗВ0,0252 0,0441 О,О 70 З 0,1037 0,1440 О 1908 0,2440 1 ОО 90.188 72,188 39,079 21,902 13,367 8,740 6,О 14 4,293 3,139 о 2,5 5 1 О 15 20 25 Зо 35 40 К "1 Фогде Ь = - постоянная величина, характеризующая выходной сигнал при р=Оип=О,В таблице приведены расчетны выходного сигналадля трех произвольно выбранных значений и = 0,1; 0;05 и 0,01 для зенитный углов от 0 до 40.По результатам этих расчетов на фиг.5 построены графики зависимости 1/10 ох от зенитного угла датчика,Как следует иэ этих графиков, зависимость )/018 х = фр) легко можно изменять путем подбора минимальной толщины светофильтра Ьо,При Ьо = 0,1 и Ьо = 0,051 зависимость близка к линейной в пределах от 0 до 30- 35 О, что очень удобно для практических целей,Работает датчик следующим образом. Подсоединяют датчик к каротажному кабелю, Через жилы кабеля подключают к источнику света стабилизированный источник питания, а к фотоприемнику - измерительный прибор, например нальванометр. Пе-. ред спуском в скважину производят грэдуировку датчика, для чего его закрепляют в зажиме специального градуировочного стола, заранее отнивелированного по установочным уровням. Приводят датчик в вертикальное положение. Включают питание источника света и берут отсчет 1 пах по измерительному прибору.Далее датчику в градуировочном столе придают определенные углы отклонения от вертикали с заданным шагом и при каждом угле производят замеры выходного сигнала. Как видно по фиг.2, при отклонении от вертикали световой поток, попадающий на фотоприемник, уменьшается за счет увеличения поглощения в светофильтре, и выходной сигнал датчика падает. По результатам градуировки строят график= фр), аналогичный изображенным на фиг,5.5 После градуировки датчик на каротажном кабеле опуска)от в скважину и ведут непрерывную регистрацию выходного сигнала на диаграммной бумаге каротажного самописца в функции глубины скважины 10 при медленном перемещении датчика постволу скважины или выполняют дискретные измерения при остановках датчика.Величину зенитного угла скважины оп ределяют по градуировочному графику.Шкала измерительного гальванометра может быть прогрэдуирована непосредственно в градусах зенитного угла.По окончании измерений датчик извле кают иэ скважины, снова устанавливаютвертикально, проверя)от постоянство сигнала на выходе фотопреобрэзователя при вертикальном положении датчика и отключают питание осветителя.25 Простая конструкция предлагаемогодатчика и несложная методика измерений с ним могут обеспечить ему широкое применение в скважинных инклинометрах, пластовых наклономерах, керноориентаторах и 30 других устройствах, в которых необходимоопределение зенитного угла буровой скважины.(56) Марамзин А.В., Блинов Г.А., Галиона35 А.А. Технические средства для алмазногобурения, - М.: Недра, 1982, с.285.Исаченко В,Х. Инклинометрия скважин,Формула изобретения ДАТЧИК ЗЕНИТНОГО УГЛА БУРОВОЙ :СКВАЖИНЫ, содержащий соосно размещенные отвес с источником света, фото- приемник и анализатор изображения. отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции датчика и процесса измерений, анализатор изображения выполнен 5 в виде светофильтра переменной, увеличивающейся от центра к периферии, толщины.,Полионо Заказ 338 Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1