инклинометр

Формула изобретения

Инклинометр, содержащий зонд, в котором размещены верхний маятник, корпус верхнего маятника, нижний маятник, корпус нижнего маятника, статор, ротор и вычислительный блок, отличающийся тем, что введены трехкомпонентный магнитометр, установленный на зонде, пружина для связи нижнего маятника с его корпусом, датчик угла, размещенный на оси нижнего маятника, и демпфер нижнего маятника, при этом верхний маятник свободно подвешен в своих опорах и имеет неограниченный угол поворота, на верхнем маятнике установлен ротор, а на корпусе верхнего маятника - статор синусно-косинусного вращающегося трансформатора, оси подвесов маятников соосны с продольной осью зонда, измерительная ось нижнего маятника, перпендикулярная его плечу и оси подвеса, совпадает с одной из поперечных осей зонда, причем выходы трехкомпонентного магнитометра, синусно-косинусного вращающегося трансформатора и датчик угла соединены с соответствующими входами вычислительного блока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и к геофизике, конкретно - к устройствам, позволяющим определять значения азимутальных и зенитных углов в глубоких скважинах при наклонно-направленном бурении нефтяных, газовых, геологоразведочных скважин.

Известен гироскопический инклинометр (А.с. 1002551, кл. E 21 B 47/02, Б N 9, 1983), содержащий корпус, трехстепенный гироскоп, два датчика углов поворотов, закрепленных на подвижной эксцентрической рамке, измерительный датчик угловой скорости, моментный двигатель, преобразовательный блок и два цифровых фазометра, причем датчик угловой скорости установлен на наружной рамке трехстепенного гироскопа так, что его ось чувствительности расположена перпендикулярно вектору кинетического момента трехстепенного гироскопа, его выход соединен с моментным двигателем, статор которого размещен на наружной рамке гироскопа, а ротор - на внутренней.

Недостатком данного инклинометра являются большие сложность конструкции и стоимость из-за необходимости применения двух прецизионных гироскопов - трехстепенного и двухстепенного.

Известен автономный гироскопический инклинометр (N 2541366, кл. E 21 B 42/022, 1985), содержащий закрепленные на корпусе зонда трехкомпонентный акселерометр, двухкомпонентное лазерное гироскопическое устройство с ортогональными осями чувствительности, перпендикулярными оси скважины, преобразователь и компьютер, алгоритм функционирования которого включает фильтр Калмана. Компьютер определяет координаты местоположения и углы ориентации зонда.

Недостатком данного устройства является высокая стоимость и низкая точность определения азимутального угла.

Известен инклинометр (А.с. 804822, кл. E 21 B 47/02, Б N 6, 1981), содержащий корпус, датчики магнитного поля, маятниковые кардановы подвесы и груз-эксцентрик, причем три ортогональных магнитометра установлены в наружной рамке с эксцентриком, обеспечивающим установку наружной рамки в апсидальной плоскости, а два других магнитометра установлены на двух маятниках, оси подвесов которых параллельны между собой и перпендикулярны плоскости эксцентрика, при этом ось чувствительности магнитометра, расположенного на верхнем маятнике, параллельна плечу маятника, а ось чувствительности магнитометра, укрепленного на нижнем маятнике, лежит в апсидальной плоскости и перпендикулярна плечу этого маятника.

Известен магнитометрический многоточечный инклинометр (ИММ) (Техническое описание и инструкция по эксплуатации инклинометра магнитометрического многоточечного ИММ 73 - 120/60. АЯЖ 1.000.018. ТО, М-во топлива и энергетики РФ, ассоциация "Нефтегазгеофизика" НПФ "Геофизика", г. Уфа, - 1990, 104 с.), который содержит корпус и чувствительный элемент, выполненный в виде немагнитной поплавковой камеры, опоры подвеса которой расположены по продольной оси корпуса инклинометра и которая имеет маятник, плечо которого перпендикулярно оси подвеса поплавковой камеры, на корпусе этой камеры с помощью опор подвеса установлены еще два немагнитных поплавка, оси подвесов которых перпендикулярны плоскости, включающей ось подвеса поплавковой камеры и плечо ее маятника, при этом поплавки имеют маятники, плечи которых перпендикулярны осям их подвесов, зазоры между поплавками и поплавковой камерой и корпусом заполнены поддерживающей жидкостью, верхний из маятников содержит синусно-косинусный вращающийся трансформатор, обеспечивающий возможность преобразования угла поворота верхнего поплавка, называемого зенитным, в электрические сигналы, пропорциональные его синусу и косинусу, а на нижнем поплавке установлены два магнитометра, измерительная ось первого из них параллельна оси подвеса этого поплавка, а измерительная ось второго магнитометра перпендикулярна оси подвеса этого поплавка и плечу его маятника. С помощью этих магнитометров измеряются компоненты вектора напряженности магнитного поля Земли, а следовательно, азимутальный угол.

Известен инклинометр (патент США N 3587176, кл. G 01 C 9/16, 1971), содержащий зонд, в котором размещены верхний маятник, корпус верхнего маятника, нижний маятник, корпус нижнего маятника, статор, ротор и вычислительный блок, при этом верхний маятник установлен над нижним маятником. Данное устройство является наиболее близким аналогом заявленному инклинометру.

В инклинометре по патенту США не удается максимально уменьшить диаметр при одновременном обеспечении больших величин маятниковостей у маятников, что необходимо при высокой точности измерения углов зенита и азимута.

Данный недостаток может быть значительно уменьшен путем такой установки двух маятников, при которой оси их подвесов параллельны оси зонда инклинометра, а трехкомпонентный магнитометр, не имеющий карданова подвеса, установить в зонде инклинометра. Как известно, диаметр маятника обычно значительно меньше его длины.

Задачей изобретения является снижение диаметра зонда инклинометра. Поставленная задача решается за счет того, что в инклинометр, содержащий зонд, в котором размещены верхний маятник, корпус верхнего маятника, нижний маятник, корпус нижнего маятника, статор, ротор и вычислительный блок, введены трехкомпонентный магнитометр, установленный на зонде, пружина для связи нижнего маятника с его корпусом, датчик угла, размещенный на оси нижнего маятника, и демпфер нижнего маятника, при этом верхний маятник свободно подвешен в своих опорах и имеет неограниченный угол поворота, на верхнем маятнике установлен ротор, а на корпусе верхнего маятника - статор синусно-косинусного вращающегося трансформатора, оси подвесов маятников соосны с продольной осью зонда, измерительная ось нижнего маятника, перпендикулярная его плечу и оси подвеса, совпадает с одной из поперечных осей зонда, причем выходы трехкомпонентного магнитометра, синусно-косинусного вращающегося трансформатора и датчика угла соединены с соответствующими входами вычислительного блока.

На фиг. 1 изображен инклинометр; на фиг. 2 представлены схемы поворотов координатных трехгранников; на фиг. 3 - углы поворотов ₁ и ₂ верхнего и нижнего маятников соответственно.

Инклинометр состоит из зонда 1, с которым связан правый ортогональный трехгранник OXYZ, причем OY - продольная ось, а OX и OZ - поперечные оси. Внутри зонда 1 установлен верхний маятник 2, ось подвеса 3 которого совпадает с продольной осью зонда 1. Корпус 4 верхнего маятника 2 закреплен на зонде 1. На подвесе 3 верхнего маятника 2 закреплен ротор 5, а на корпусе 4 - статор 6 датчика угла, выполненного в виде синусно-косинусного вращающегося трансформатора с соответствующими выходными обмотками 7 и 8. Плечо l₁ верхнего маятника 2 направлено по оси OX и представляет собой расстояние от его центра масс до оси подвеса.

Под верхним маятником 2 (по направлению силы тяжести) расположен нижний маятник 9, причем ось его подвеса 10 совпадает с осью подвеса верхнего маятника 2. Нижний маятник 9 выполнен в виде акселерометра, например, с механической пружиной для связи нижнего маятника с его корпусом (В точных инклинометрах может быть применена "электрическая пружина", то есть может быть использован компенсационный принцип измерения). Это реализовано тем, что подвес 10 связан через посредство рычага 11 и пружин 12 с корпусом 13 маятника 9. В свою очередь, корпус 13 маятника 9 закреплен на зонде 1. Плечо l₂ маятника 9 направлено вдоль оси OZ. На подвесе 10 маятника 9 размещен ротор 14, а на корпусе 13 маятника 9 - статор 15 датчика угла, включающего соответствующие выходные обмотки 16 и 17. В качестве датчика угла маятника 9 может быть применен либо синусно-косинусный вращающийся трансформатор, либо датчик индукционного типа. На подвесе 10 маятника 9 и на его корпусе 13 размещены элементы демпфера (не показаны). Конструктивно маятники выполняют, например, в виде поплавков с гидростатической разгрузкой опор шарикоподшипникового или другого типа. В маятниках 2 и 9 жидкость и поплавки выполняют роль демпферов. Маятниковость создается, например, за счет эксцентрического изготовления поплавка по отношению к цапфам поплавка (См., например, с. 22 - 23 книги Коновалова С.Ф. и др. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. Ч. III. - М.: Высшая школа, 1980, 128 с.).

Верхний маятник 2 свободно подвешен в своих опорах и имеет неограниченный угол поворота вокруг оси OY. Трехкомпонентный магнитометр 18 может быть индукционным прибором аналогично прибору ИД-6, лишенному карданова подвеса. Вычислитель 19 может быть выполнен на основе микропроцессора, например, 1821BM85, 1834BM86 или аналогичных. Номером 20 показана немагнитная обсадная труба скважины или стенка необсаженной скважины. Выходные обмотки 7 и 8 синусно-косинусного вращающегося трансформаторного датчика угла маятника 2, выходные обмотки 16 и 17 датчика угла маятника 9 и выходы магнитометра через блоки сопряжения (не показаны) соединены с вычислительным блоком 19, выходы которого через кабель соединены с потребителями на поверхности Земли.

Работает устройство при наличии зенитного угла , угловых градусов, фиг. 2. На фиг. 2 изображены: 0 - географический правый ортогональный трехгранник, ось 0 которого направлена на север, а ось 0 - по вертикали в зенит; , - углы азимута и зенита скважины, а - угол собственного вращения корпуса инклинометра l; g - ускорение силы тяжести; 0_mmm - магнитогеографический трехгранник, ось 0_m которого совпадает с осью 0 , а ось 0_m направлена на север, составляя с осью 0 угол магнитного склонения ; - широта местонахождения скважины; - компоненты вектора напряженности магнитного поля Земли. На фиг. 3 изображены повороты правых ортогональных трехгранников o_i, u_i, v_i, w_i (i = 1,2), связанных с маятниками 2 и 9 соответственно, на углы _i (i = 1,2). При этом угол ₁ не ограничен, а угол ₂ является малым.

При наличии зенитного угла и угла собственного вращения момент силы от ускорения силы тяжести g установит плечо маятника 2 по линии действия проекции ускорения силы тяжести (в апсидальной плоскости), следовательно, проекция W₁ ускорения силы тяжести g на ось 0₁ равна нулю, т.е.

W₁= W_zcos_i+W_xsin_i= 0 (1)

Из фиг. 2 следует, что проекции ускорения силы тяжести g на оси O₁X и O₁Z равны:

W_1x= g sincos; W_1z= g sinsin (2)

Подставив (2) в (1), получаем:

tg₁= -W_1z/W_1x= -tg; ₁= - (3)

Этим показано, что угол поворота маятника 2 относительно зонда 1 равен по величине углу собственного вращения зонда, но с обратным знаком. Этот угол преобразуется синусно-косинусным вращающимся трансформаторным датчиком угла в электрические сигналы, пропорциональные sin₁, cos₁, , которые подаются в вычислительный блок 19.

В маятнике 9 происходит следующий процесс. Под действием момента силы от проекции ускорения g на ось O₂U₂ происходит поворот маятника 9 относительно зонда 1 на угол ₂ до тех пор, пока этот момент не уравновесится моментом силы от пружины 12. В установившемся режиме имеем:



где

K_n - жесткость пружины; m₂l₂ - маятниковость нижнего маятника 9.

Угол ₂ преобразуется датчиком угла маятника 9 в электрический сигнал, который подается в вычислительный блок 19. В вычислительном блоке 19 по алгоритму, полученному из (1) - (4) и имеющему вид



определяется зенитный угол . Сигналы углов и используются в вычислителе также для определения азимутального угла скважины по алгоритму:

,

где _m - магнитный азимут зонда, T_x, T_y, T_z - сигналы трехкомпонентного магнитометра по осям OX, OY, OZ соответственно. Истинный, географический азимут, как следует из фиг. 2, определяется в вычислительном блоке 19 по алгоритму:

= _m+, (8)

где определяется из карты магнитных склонений.

Отметим, что при отсчете угла азимута по часовой стрелке знак угла нужно изменить на обратный.

Достоинством предложенного инклинометра является возможность значительного уменьшения его диаметра, что требуется для обследования скважин малого диаметра, а также устранение в верхнем маятнике и алгоритмическая компенсация погрешностей перекрестной связи в нижнем маятнике по алгоритму (6).