Инклинометр
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в нефтепромысловой геофизике для определения углового положения буровой скважины и в геомагнитной навигации для определения курса судна. Инклинометр содержит корпус с карданной рамкой, груз-эксцентрик, два однокомпонентных магниточувствительных датчика, три акселерометрических датчика, три магниточувствительных датчика и распределитель напряжений. Ось вращения карданной рамки коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра. Груз-эксцентрик и два однокомпонентных магниточувствительных датчика размещены на карданной рамке определенным образом. Распределитель напряжений подключен к выводам первого и второго магниточувствительных датчиков. Три акселерометрических датчика и три магниточувствительных датчика с ортоганальными осями чувствительности жестко связаны с корпусом инклинометра. Ось чувствительности третьего магниточувствительного датчика коллинеарна оси вращения карданной рамки. Оси чувствительности акселерометрических датчиков коллинеарны соответствующим осям чувствительности магниточувствительных датчиков. Технический результат состоит в упрощении конструкции, уменьшении веса, измерении углового положения корпуса инклинометра и скважины, зенитный угол которой изменяется от 0 до 180°. 1 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в нефтепромысловой геофизике для определения углового положения буровой скважины, а также в геомагнитной навигации для определения курса судна.
Известно устройство для определения углового положения буровой скважины (Ковшов Г. Н. , Сергеев А.Н. Цифровой преобразователь азимута с непрерывной регистрацией. /Геофизическая аппаратура. Л. , "Недра", 1980. Вып. 70. С. 110-115). Известное устройство состоит из наземного пульта и корпуса инклинометра (скважинного снаряда) с размещенными в нем наружной карданной рамкой с эксцентричным смещением центра тяжести, ось которой коаксиальна продольной оси цилиндрического корпуса инклинометра, корпусом внутренней карданной рамки, закрепленным на оси наружной карданной рамки, внутренней карданной рамки, ось которой закреплена на корпусе этой же рамки, двумя феррозондами с взаимно ортогональными осями чувствительности к вектору магнитной индукции, один из которых закреплен во внутренней карданной рамке с возможностью удержания оси этого феррозонда в горизонтальной плоскости и перпендикулярно оси вращения внутренней рамки, а второй феррозонд закреплен в наружной карданной рамке. Наземный пульт известного устройства состоит из источника стабильной частоты, двух идентичных каналов обработки сигналов с феррозондов и устройства преобразования сигнала азимута в градусной мере. Известное устройство работает следующим образом. Продольная ось инклинометра, находящегося в буровой скважине, совпадает с направлением скважины. В наклонной скважине наружная карданная рамка, поворачиваясь, устанавливает ось вращения внутренней карданной рамки перпендикулярно к плоскости наклона скважины. После того как рамки установятся, оси обоих феррозондов будут находиться в горизонтальной плоскости, при этом ось феррозонда, закрепленного в наружной рамке, будет перпендикулярна плоскости наклона, а ось второго феррозонда - параллельна плоскости наклона, которая проходит через продольную ось инклинометра и вертикальную ось, пересекающую продольную ось инклинометра. С помощью источника стабильной частоты осуществляется перемагничивание магниточувствительных элементов феррозондов. В результате этого под действием горизонтальной составляющей геомагнитного поля в феррозондах возникают информационные напряжения вторых гармоник, амплитуды которых пропорциональны синусу и косинусу азимутального угла. Эти напряжения усиливаются, детектируются и модулируются двумя каналами обработки сигналов феррозондов. Промодулированные сигналы подаются на устройство преобразования сигнала в азимутальный угол в градусной мере, регистрация которого осуществляется блоком индикации этого устройства. Известное устройство отличается сложностью конструкции, в состав которого входят два феррозондовых магнитометра и система двух подвижных элементов, чувствительных к вектору силы тяжести, выполненных в виде двух карданных рамок, которые с закрепленными на них феррозондовыми датчиками должны быть тщательно установлены по плавучести и дифференту. Погрешности балансировки карданных рамок, отклонение каждой из рамок от положения равновесия в процессе бурения скважины и частоты собственных колебаний рамок - все это приводит к погрешности определения углового положения корпуса известного устройства, а, значит, и углового положения скважины, в частности азимутального угла скважины (Ковшов Г. Н. , Солонина Н.Н. Увеличение виброустойчивости преобразователя угла установки отклонения. /Геофизическая аппаратура, Л.: "Недра". 1984. Вып. 79. С. 105-109). Известен инклинометр (авт. свид. N 804822, 1981, БИ N 6), который по совокупности существенных признаков наиболее близок предлагаемому и принят за прототип. Известный инклинометр состоит из корпуса инклинометра; трехкомпонентного магниточувствительного датчика, размещенного в карданной рамке с одной степенью свободы относительно вращения этой рамки вокруг продольной оси корпуса инклинометра; груза-эксцентрика, закрепленного к карданной рамке; двух карданных подвесов, закрепленных на упомянутой карданной рамке с одной степенью свободы; двух однокомпонентных магниточувствительных датчиков, каждый из которых размещен на соответствующем карданном подвесе. При этом один однокомпонентный датчик размещен на карданном подвесе с возможностью измерения горизонтальной, а второй однокомпонентный датчик размещен на втором карданном подвесе с возможностью измерения вертикальной составляющих вектора магнитной индукции геомагнитного поля. С помощью груза-эксцентрика одна из осей чувствительности трехкомпонентного датчика ориентирована соосно продольной оси корпуса инклинометра, а вторая ось чувствительности этого датчика - перпендикулярна осям чувствительности датчиков, размещенных на карданных подвесах. Все рамки с датчиками размещены в корпусе инклинометра. Известный инклинометр работает следующим образом. Под действием груза-эксцентрика, жестко связанного с карданной рамкой, которая может вращаться вокруг продольной оси корпуса инклинометра, трехкомпонентный датчик устанавливается так, что одна ось чувствительности датчика остается соосной с продольной осью корпуса инклинометра, вторая ось чувствительности трехкомпонентного датчика будет перпендикулярна к продольной оси корпуса инклинометра, а, значит, и к оси скважины и находится в плоскости наклона корпуса инклинометра (в плоскости наклона скважины), а третья ось чувствительности этого датчика остается ортогональной к первой и второй осям. Один из однокомпонентных датчиков находится в карданном подвесе и под действием груза устанавливается вертикально, а второй однокомпонентный датчик находится на втором карданном подвесе и под действием груза занимает горизонтальное положение. Таким образом, в известном инклинометре осуществляется измерение вертикальной и двух взаимно ортогональных горизонтальных составляющих вектора магнитной индукции геомагнитного поля. Вертикальная ось первого однокомпонентного датчика коллинеарна оси выбранной опорной системы координат направлена вниз. Вторая ось выбранной опорной системы координат направлена по касательной к магнитному меридиану в сторону севера. Направление этой оси определяют по направлению горизонтальной составляющей вектора магнитной индукции геомагнитного поля, равной векторной сумме двух измеренных горизонтальных составляющих вектора магнитной индукции. Третья ось выбранной опорной системы координат перпендикулярна первым двум направлениям и ориентирована в сторону востока. По сигналам с датчиков, пропорциональных составляющим вектора магнитной индукции геомагнитного поля на оси чувствительности датчиков, определяют расчетным путем азимутальный и зенитный углы корпуса инклинометра, а следовательно, и скважины, в которой находится корпус инклинометра. В состав известного инклинометра входят три подвижных элемента, чувствительных к направлению вектора силы тяжести, выполненных в виде наружной карданной рамки и двух карданных подвесов, на которых размещены один трехкомпонентный и два однокомпонентных магниточувствительных датчика. Погрешности балансировки карданных подвесов от положения равновесия в процессе бурения скважины и частоты собственных колебаний карданных подвесов - все это приводит к погрешности определения углового положения корпуса инклинометра, а значит, и углового положения скважины (Ковшов Г.Н., Солонина Н.Н. Увеличение виброустойчивости преобразователя угла установки отклонителя. / Геофизическая аппаратура. Л.: "Недра", 1984. Вып. 79. С. 105-109), Наличие карданных подвесов приводит к увеличению веса инклинометра. Карданные подвесы в известном техническом решении, закрепленные на карданной рамке с осью вращения, совпадающей с продольной осью корпуса инклинометра, не обеспечивают возможности бурения скважины, у которой зенитный угол должен изменяться в пределах от 0o до 180o. Так, например, бурение двух скважин, начинающих с вертикальных направлений, а затем переходом на горизонтальные направления в нефтеносном слое с целью соединения этих скважин, требует высокой точности определения азимутального и зенитного углов этих скважин. Если погрешность определения азимутального угла равна 2o, то на расстоянии 2000 м от двух вертикальных скважин погрешность расхождения горизонтальных скважин может составить 70 м. Для бурения такой скважины можно было бы использовать один инклинометр при возможности измерения зенитного угла в пределах от 0o до 180o. Задачей предлагаемого изобретения является создание инклинометра, отличающегося от известных простотой конструкции, меньшим весом, обеспечивающего измерение углового положения скважины, у которой зенитный угол может изменяться в пределах от 0o до 180o, а также возможного определения углового положения корпуса инклинометра. Поставленная задача решается за счет использования одной карданной рамки с осью вращения, коллинеарной продольной оси корпуса инклинометра, измерении составляющих вектора магнитной индукции геомагнитного поля двумя однокомпонентными магниточувствительными датчиками, размещенными на карданной рамке, и тремя однокомпонентными магниточувствительными датчиками, жестко связанными с корпусом инклинометра, а также измерении составляющих вектора ускорения силы тяжести тремя акселерометрическими датчиками, жестко связанными с корпусом инклинометра. Предлагаемый инклинометр, включающий корпус инклинометра с размещенной в нем карданной рамкой, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, груз-эксцентрик, размещенный на карданной рамке, два однокомпонентных магниточувствительных датчика, размещенных на карданной рамке, ось чувствительности одного из которых перпендикулярна плоскости, проходящей через ось вращения карданной рамки и центр тяжести груза-эксцентрика, а ось чувствительности второго - перпендикулярна оси чувствительности первого датчика и оси вращения карданной рамки, третий однокомпонентный магниточувствительный датчик, ось чувствительности которого коллинеарна оси вращения карданной рамки, четвертый и пятый однокомпонентные магниточувствительные датчики с взаимно ортогональными осями чувствительности, снабжен тремя акселерометрическими датчиками и распределителем напряжений, который подключен к выводам первого и второго магниточувствительных датчиков, при этом третий, четвертый и пятый магниточувствительные датчики и три акселерометрических датчика жестко связаны с корпусом инклинометра, ось чувствительности третьего магниточувствительного датчика перпендикулярна осям чувствительности четвертого и пятого магниточувствительных датчиков, ось чувствительности первого акселерометрического датчика коллинеарна оси чувствительности третьего магниточувствительного датчика, ось чувствительности второго акселерометрического датчика коллинеарна оси чувствительности четвертого магниточувствительного датчика и ось чувствительности третьего акселерометрического датчика коллинеарна оси чувствительности пятого магниточувствительного датчика. Применение в предлагаемом техническом решении карданной рамки с грузом-эксцентриком, ось вращения которой коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, двух однокомпонентных магниточувствительных датчиков, размещенных на карданной рамке определенным образом, распределителя напряжений, подключенного к выводам этих датчиков, трех однокомпонентных магниточувствительных датчиков с взаимно ортогональными осями чувствительности и трех акселерометрических датчиков, жестко связанных с корпусом инклинометра, а также коллинеарность оси чувствительности одного из трех магниточувствительных датчиков, жестко связанных с корпусом инклинометра, оси вращения карданной рамки и коллинеарность осей чувствительности акселерометрических датчиков соответствующим осям чувствительности магниточувствительных датчиков, жестко связанных с корпусом инклинометра, обеспечивает определение как углового положения продольной оси корпуса инклинометра, а значит, и углового положения скважины, так и углового положения корпуса инклинометра по измеренным значениям составляющих вектора ускорения силы тяжести акселерометрическими датчиками и измеренным составляющим вектора магнитной индукции магниточувствительными датчиками при возможном изменении зенитного угла продольной оси корпуса инклинометра, а значит, и скважины в диапазоне от 0o до 180o, азимутального угла продольной оси корпуса инклинометра в диапазоне от 0o до 350o и апсидального угла корпуса инклинометра в диапазоне от 0o до 360o. Кроме того, в предлагаемом инклинометре по сравнению с прототипом на карданной рамке размещены не три, а два однокомпонентных магниточувствительных датчика и отсутствуют два карданных подвеса, что упрощает конструкцию и снижает вес предлагаемого инклинометра. Таким образом, технический результат предлагаемого инклинометра выражается в упрощении конструкции и уменьшении веса инклинометра, а также возможности измерения углового положения скважины и корпуса инклинометра, у которых в процессе бурения зенитный угол может изменяться в пределах от 0o до 180o. Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими графическими материалами. На чертеже изображена структурная схема инклинометра. Предлагаемый инклинометр состоит из корпуса инклинометра 1, карданной рамки 2, у которой ось вращения FF' коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра 1 (на чертеже ось FF' совпадает с продольной осью корпуса инклинометра), груза-эксцентрика 3, размещенного на рамке 2, центр тяжести которого находится в точке A, к которой приложен вектор силы тяжести





























Значение угла курса






Z7sin


S = BX8cos




По значениям






BZT = -BX8sin




а значение Bxт - по одному из двух следующих выражений, у которого модуль знаменателя имеет наибольшее значение:
BXT = (BZ7sin




При n2 = cos









sin


sin


Затем определяют разности модулей |cos


















определяют из второго уравнения для By5
sin

а значение cos



Угол










Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1