FI123405B - Menetelmä porauslaitteen anturien kalibroimiseksi - Google Patents

Description

Menetelmä porauslaitteen anturien kalibroimiseksi

Keksinnön tausta

Keksinnön kohteena on menetelmä antureiden kalibroimiseksi po-rauslaitteessa, jossa on liikkuva alusta, alustan liikesuuntaan nähden poik-5 kisuuntaisen vaaka-akselin ympäri kääntyvästi asennettu runko ja runkoon pystysuuntaisen akselin ympäri kääntyvästi asennettu ylävaunu sekä kulma-anturi ylävaunun kääntökulman mittaamiseksi rungon suhteen ja painovoimaan perustuvat anturit ylävaunun kaltevuuden mittaamiseksi.

Liikkuvissa porauslaitteissa käytetään erilaisia mittauslaitteita ja/tai 10 antureita, joiden avulla poratanko ja siten muodostuva porareikä saadaan halutun suuntaiseksi ja haluttuun paikkaan. Tyypillisesti nämä mittauslaitteet ovat painovoimaan perustuvia kallistusantureita sekä erilaisten liikkuvien osien liikkeitä ilmaisevia antureita. Tyypillisiä esimerkkejä ovat nivelten kulma-anturit sekä lineaarista liikettä ilmaisevat etäisyys- tai liikeanturit. Samoin käytetään 15 lisäksi kompassisuuntaa ilmaisevia mittalaitteita tai satelliittinavigointiin perustuvia mittalaitteita, joilla mitataan porauslaitteen kompassisuuntaa ja paikkaa maailman koordinaatistossa.

Yksinkertaisen mittalaitteen, kuten esimerkiksi poratangon kallistusta kuvaavan mittalaitteen kalibrointi voidaan tehdä yksinkertaisesti vähäisillä 20 työkaluilla, esimerkiksi käyttämällä vesivaakaa tai vastaavaa laitetta ja kääntämällä sen avulla poratanko pystysuoraan. Tällöin voidaan mittalaitteen näytöstä katsoa antureiden virheet. Monimutkaisemmissa mittalaitteissa käytetään yleensä useita antureita ja ne mittaavat useita suuntia ja kulmia, jolloin sellaisen kalibrointi ei ole kovin helppoa.

25 Nykyään laitteiden kalibrointi tehdään tyypillisesti tehdasympäristös- co £ sä, missä on riittävä määrä erilaisia referenssimittalaitteita ja kalibrointiin voi- ^ daan järjestää erilaisia kaltevia tasoja, sijainniltaan tunnettuja pisteitä ja muita

CVJ

9 tarvittavia laitteita tai välineitä. Tällöin myös käytettävissä on kalibrointiin hyvin ™ perehtyneitä henkilöitä, jotka kykenevät näitä laitteita ja välineitä käyttämään.

| 30 Nykyisten kalibrointimenetelmien ongelmana on mittalaitteiden puu- te tai kalibroinnille epäsuotuisa ympäristö tai se, että kalibroitava laite täytyy h? usein kuljettaa mittauspaikalle kalibrointia varten. Se aiheuttaa sekä aikahuk- kaa että kustannuksia. Lisäksi, mikäli jostain syystä on tarpeen tarkistaa lait-o ^ teen kalibrointi, sitä ei voida tehdä nopeasti paikan päällä ja sitä varten joudu- 35 taan kuljettamaan suuri määrä mittalaitteita ja muuta varustusta. Tämä saattaa myös aiheuttaa mittaus-ja kalibrointivirheitä kehnojen olosuhteiden vuoksi.

2

Keksinnön lyhyt selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan menetelmä, millä ainakin osa porauslaitteen antureista voidaan kalibroida myös kenttäolosuhteissa nykyistä helpommin ja vähemmillä välineillä tai kalibrointi voidaan suorit-5 taa ilman erillisiä mittauslaitteita. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on ominaista, että porauslaite siirretään sen alla olevalla pinnalle sellaiseen asemaan, että se pysyy tukevasti paikallaan kallistelematta, kun puomistoa käännetään kääntöakselin ympäri, 10 että puomistoa käännetään kääntöakselin ympäri rungon suhteen useisiin eri kääntymäkulma-asentoihin, että kussakin kääntymäkulma-asennossa mitataan kääntymäkulman arvoja kallistusantureiden antamat kallistusarvot ja että mitattujen kääntymäkulman arvon ja kallistusantureiden kallis-15 tusarvojen perusteella määritellään kallistusantureiden poikkeama-arvot todellisesta kallistuskulmasta.

Keksinnön olennainen ajatus on, että porauslaitteen puomistoa käännetään sen pystysuuntaisen kääntöakselin ympäri useisiin eri kulma-asentoihin ja tallennetaan jokaisessa kulma-asennossa kääntymäkulma ja kal-20 listumista ilmaisevien antureiden antamat kallistusarvot. Edelleen menetelmässä lasketaan kääntökulman ja kallistuksen arvojen perusteella trigonometristen laskentakaavioiden avulla antureiden antamien kaltevuusarvojen poikkeamat todellisesta kaltevuudesta eli antureiden 0-siirtymät.

Keksinnön etuna on, että kalibroinnissa ei tarvita erillisiä mittalaittei- 25 ta vaan kalibrointi voidaan suorittaa pelkästään porauslaitteen omilla antureilla „ ja ohjauslaitteeseen asennetulla ohjelmalla. Näin kalibrointi voidaan tehdä ken- o tälläkin helposti ja nopeasti tarvitsematta siirtää laitetta minnekään. Laitteissa, c\j joissa on käyttäjälle hytti, kalibrointi voidaan tehdä ilman, että käyttäjän tarvit- o ^ see nousta ulos hytistään.

£ 30 Kuvioiden lyhyt selostus Q_ cd Keksintöä selostetaan nyt lähemmin oheisissa piirustuksissa, joissa

CO

Fig. 1 esittää kaavamaisesti porauslaitetta sekä siihen liittyvää ^ koordinaatistoa, o ’ C\l 3

Fig. 2a ja 2b esittävät kaavamaisesti porauslaitteen kallistusanturei-den kalibroimista keksinnön mukaisella menetelmällä kääntelemällä puomis-toa,

Fig. 3a ja 3b esittävät kaavamaisesti antureiden kalibroinnilla saatu- 5 ja tuloksia,

Fig. 4a ja 4b esittävät kaavamaisesti puomiston kääntöanturin kalibrointia ja

Fig 5 esittää kaavamaisesti erästä toisenlaista porauslaitetta.

10 Kuvioiden yksityiskohtainen selostus

Kuviossa fig. 1 on esitetty porauslaite, jossa on liikkumista varten teloja käsittävä ja laitteen ei-esitetyn moottorin kuljettamana liikkuva alusta 1, johon runko 2 on kiinnitetty tarkemmin kuvioissa 4a ja 4b esitetyllä tavalla poik-kisuuntaisen akselin ympäri kääntyvästi. Edelleen porauslaitteessa on esimer-15 kinomaisesti ylävaunu 3, joka kääntyy runkoon 2 nähden kohtisuorassa olevan pystysuuntaisen kääntöakselin 4 ympäri. Kohtisuoralla kääntöakselilla 4 tarkoitetaan akselia, joka rungon 2 ollessa vaakasuorassa, on maan koordinaatistossa pystysuorassa. Tietenkin, kun runko kallistuu johonkin suuntaan, tämä kääntöakseli 4 kallistuu samaan suuntaan saman verran.

20 Ylävaunuun 3 on edelleen kiinnitetty nivelten avulla puomisto 5, jon ka päässä on syöttöpalkki 6 porakonetta 6a varten. Edelleen siinä on esitetty poratanko 6b ja porakruunu 6c. Ylävaunun 3 ja siten puomiston 5 kääntymistä rungon 2 suhteen mitataan kulma-anturilla 7 ja ylävaunun kaltevuutta ylävaunun 3 suhteen kiinteiden ja keskenään kohtisuorien koordinaatistoakseleiden 25 SX ja SY suunnassa mitataan ylävaunuun 3 kiinnitetyllä kallistusmittalaitteen 8 kallistusantureilla. Kallistusmittalaitteen 8 kallistusantureiden toiminta perustuu 5 yleisesti painovoimaan. Porauslaitteessa on edelleen laskinyksikkö 9, jonka

CNJ

^ laskee ylävaunun kallistuksen kallistusmittalaitteen 8 kallistusantureiden anta- ° mien kallistusarvojen perusteella.

30 Edelleen kuviossa fig. 1 on esitetty alustan koordinaatisto x1, y1 ja | z1, missä x1 osoittaa porauslaitteen kulkusuuntaan eli suoraan eteenpäin, se- o) kä maan vetovoiman määrittelemä koordinaatisto xO, yO ja zO.

CO

Ylävaunun 3 kallistusta mittaavan kallistusmittalaitteen 8 kallistusan-^ tureiden kalibrointi tehdään seuraavalla tavalla. Porauslaite siirretään sopivalle 00 35 pinnalle, jossa porauslaite on tukevasti paikallaan kallistelematta, kun ylävau- nua 3 ja siihen kiinnitettyä puomistoa 5 siihen kiinnitettyine laitteineen käänne- 4 tään kääntöakselin 4 ympäri. Runko 2 ja ylävaunu 3 ovat samoin koko ajan samassa asennossa alustan 1 suhteen. Porauslaitteen alustan ei tarvitse olla vaakasuorassa eikä sen kaltevuuden tarvitse olla tunnettu, kunhan porauslaitteen runko 2 pysyy samassa asennossa kallistumatta kalibroinnin aikana.

5 Porauslaitteen ylävaunua 3 käännetään kuviossa 2a ja 2b näytetyllä tavalla kääntöakselin 4 ympäri eri kääntymäasentoihin i ja kussakin kääntymä-asennossa i rekisteröidään kulma-anturin 7 antama kääntymäkulma ST sekä kallistusmittalaitteen 8 kallistusantureiden antamat ylävaunun kallistusarvot akseleiden SX ja SY suunnassa. Edullisesti ylävaunua 3 käännetään riittävän 10 suuruinen kulma, esimerkiksi 90°, jolloin kallistusmittalaitteen 8 kallistusanturit ovat 90° kääntökulmassa, kuten ilmenee kuviosta fig. 2b. Kääntökulma voi tietenkin olla pienempi tai suurempi kuin 90°, koska antureiden mittausarvojen välillä on matemaattinen yhteys ja tällöin antureiden asennuksesta aiheutuvat virheet eli ns. offset- arvot voidaan laskea seuraavalla tavalla.

15 TY = asin( -sin(SX) cos(ST) + sin(SY) sin(ST)) (1) TX = asin( ( sin(SY) cos(ST) + sin(SX) sin(ST)) / cos(TY)), (2) 20 Joissa TY alustan pituussuuntainen kallistus, kiertyminen y0-akselin ympäri TX alustan sivuttainen kallistus, kiertyminen kiertyneen x0-akselin (x0--akselin) ympäri ST ylävaunun kiertymiskulma z-|-akselin ympäri, SX ylävaunun pituussuuntainen kallistus vaakatasoon nähden, co SY ylävaunun sivusuuntainen kallistus vaakatasoon nähden δ

CM

CM

cp £! Kuvioissa 3a ja 3b on kaavamaisesti esitetty erään laitteen kalib- x roinnissa saatujen odotettujen virhearvojen perusteella muodostuneet poraus- 25 laitteen pituus ja poikkisuuntaisten x- ja y-akselien suuntaiset kallistukset.

O) co Mikäli kallistusanturit olisivat ideaalisen tarkkoja, olisi jokaisessa i mittauspisteessä laskemalla saatu TX [i] ja TY [i] vakio, koska laitteen alusta- ^ hän ei liiku ylävaunua käännettäessä minnekään. Koska kallistusantureissa kuitenkin on 0-piste siirtymää eli asennuksen virheellisyydestä johtuvaa virhet- 5 tä, eivät TX[i]- ja TY[i]- arvot pysy vakiona vaan vaihtelevat ja se aiheuttaa ilmiön, joka näyttäisi alustan kallistuvan ylävaunun 3 kääntökulman muuttuessa.

Menetelmän mukaisesti kummallekin kallistusmittalaitteen 8 kallis-tusanturille arvioidaan O-pistesiirtymän arvot SXoffset ja SYoffset, minkä jäl-5 keen alustan kallistukset TY ja TX lasketaan kussakin mittauspisteessä näiden 0-piste siirtymien avulla.

TY[i] = f ( SX[i]-SXoffset, SY[i]-SYoffset, ST[i]) (3) 10 TX[i] = f ( SX[i]-SXoffset, SY[i]-SYoffset, TY[i], ST[i]) (4)

Eri O-pistesiirtymien SXoffset ja SYoffset arvoilla saadaan erilaista vaihtelua alustan kallistuksiin TX[i] ja TY[i], Kun nämä arvot lasketaan parhaiten arvioiduilla O-pistesiirtymien SXoffset ja SYoffset arvoilla, saadaan alustan 15 kallistuksen arvojen vaihtelu minimoiduksi. Tämä on havainnollistettu kuviossa fig.3a, joka esittää kallistuskulmien muutokset kääntökulman funktiona silloin, kun O-pistesiirtymien SXoffset ja SYoffset arvot poikkeavat optimaalisista arvoista.

Kuviossa Fig. 3b puolestaan kuvaajat esittävät, miten oikean suu-20 ruiset O-pistesiirtymien SXoffset ja SYoffset arvot johtavat siihen, että kääntö-kulmasta riippumatta alustan kallistukselle saadaan aina olennaisesti oikeat arvot.

Käytännössä O-pistesiirtymien SXoffset ja SYoffset arvot voidaan laskea erilaisilla matemaattisilla menetelmillä, kuten esimerkiksi käyttämällä 25 pienimmän neliösumman menetelmää niin, että lasketaan eri kääntökulmien 0-pistesiirtymien arvojen pareille SXoffset ja SYoffset niitä vastaavien mittaus ar-o vosarjojen TY[i] ja TX[i] keskivirheiden neliöiden summa. Tämän jälkeen voi-

CM

^ daan valita se O-pistesiirtymien arvojen pari SXoffset ja SYoffset, joilla virhei- ° den neliöiden summa on pienin. Tämä laskenta voidaan tehdä laskinlaitteella

CM

^ 30 9, jota myös käytetään laitteen suuntausten paikantamislaitteena.

| Kuvioissa 4a ja 4b puolestaan on esitetty, kuinka ylävaunun ja sii- σ> hen kiinnitetyn puomiston tai vastaavasti pelkän puomiston kääntöanturi voi-

CO

daan kalibroida. Tässä lähtökohtana on se, että ylävaunun kallistusanturit on ^ kalibroitu edellä kuvatulla tavalla. Kun porauslaite on jo valmiiksi paikallaan tu- ™ 35 kevasti ja liikkumattomasti, pidetään ylävaunu 3 ja siten myös puomisto 5 po- 6 rauslaitteen suhteen samassa asennossa eikä sitä käännetä tästä asennosta alustan 1 suhteen kalibroinnin aikana.

Ylävaunun 3 ollessa tässä asemassa kääntöanturin 7 lukema tallennetaan muistiin. Tämän jälkeen kallistetaan ylävaunua porauslaitteen pi-5 tuussuunnassa aiemmin mainitun poikkisuuntaisen kallistusakselin 11 ympäri alustan 1 suhteen kuvioiden 4a ja 4b osoittamien ääriasentojen aja β välillä sopivin kallistuskulmavälein. Ääriasentokulmat aja β voivat olla erisuuruiset tai samansuuruiset.

Kussakin kallistuskulmassa mitataan kallistusmittauslaitteen 8 x- ja 10 y-akselien kallistusta ilmaisevien kallistusantureiden mittaamat kallistusarvot.

Näin saatujen arvojen, kallistuskulmien, samana pysyvän kääntö-kulman ja kalibroitujen kallistusantureiden antamien kallistusarvojen perusteella voidaan laskea käännön kulma-anturille 7 O-pistesiirtymä, jolla kallistusmitta-laitteen 8 antureiden mittausakselit ovat kääntöanturin 0-kulmassa mahdolli-15 simman hyvin porauslaitteen pituusakselin suhteen.

Kuviossa fig. 5 on kaavamaisesti eräs toisenlainen porauslaite. Siinä on kuvion fig. 1 porauslaitetta muuten vastaava porauslaite, mutta siinä ei ole kallistusakselia alustan ja rungon välillä, joten runko kallistuu aina alustan mukana sen kanssa samalla tavalla. Tässä toteutusmuodossa porauslaittees-20 sa ei ole myöskään erillistä ylävaunua tai hyttiä käyttäjää varten, mutta sellaiset toki voisivat olla kuvion Fig. 1 mukaisen ratkaisun tavalla. Vastaavasti kuvion Fig. 1 mukainen porauslaite voisi olla ilman hyttiä ja erillistä ylävaunua.

Edelleen siinä on rungon kaltevuutta mittaava kallistusmittalaite 8 kallistusantureineen asennettu runkoon kiinteästi niin, että se ei käänny puo-25 miston 5 mukana puomistoa käännettäessä.

Tässä toteutusmuodossa kalibrointi suoritetaan syöttöpalkkiin 6 sen 5 suhteen liikkumattomasti asennetun syöttöpalkin kaltevuusmittauslaitteen 12

CNJ

^ kallistusantureiden avulla.

° Kalibroinnin aikana puomisto 5 ja syöttöpalkki 6 asetetaan ensin 30 asentoon, missä ne pystyvät kääntymään kääntöakselin 4 ympäri ympäristös- | sä olevien mahdollisten esteiden estämättä ja ne pidetään kalibroinnin aikana o) toistensa suhteen muuttumattomasti samassa asennossa porauslaitteen run- co gon (2) suhteen kääntymättömästi paikallaan. Syöttöpalkki 6 voidaan asentaa ^ esimerkiksi likimain pystysuuntaiseksi, mutta suunnalla ei ole sinänsä merkit- 00 35 täviä tarkkuusvaatimuksia, koska laskennassa nämä kaltevuuden poikkeamat voidaan ottaa huomioon.

7

Kun puomisto 5 syöttöpalkkeineen 6 on asennettu sopivaan asentoon, käännetään puomistoa kääntöakselin 4 ympäri eri kääntökulmiin ja samalla mitataan syöttöpalkin kaltevuusmittauslaitteen 12 kallistusantureiden antama kaltevuusarvo kussakin kääntökulman asennossa.

5 Kalibroinnin aikana voidaan mitata myös rungon 2 kallistusmittaus- laitteen 8 kallistusantureiden antamat kallistusarvot, jotka pysyvät vakiona puomiston kääntämisestä huolimatta, koska kallistusmittauslaite 8 ei käänny puomiston 5 mukana. Syöttöpalkin 6 kaltevuusmittauslaitteen 12 kallistusantureiden antamien lukemien perusteella voidaan rungon kallistusmittauslaitteen 8 10 kallistusantureiden offset-arvot määritellä niiden avulla.

Keksinnön mukaista menetelmää voidaan tietenkin soveltaa paitsi antureiden kalibroimiseen sopivalla tavalla tietokoneohjelman avulla käytettynä myös antureiden jatkuvatoimiseen kunnon valvontaan ja sellaisen ohjelman avulla jopa anturien kalibroiminen voitaisiin suorittaa automaattisesti.

15 Kuvioissa ja selityksessä on esitetty vain yksi esimerkinomainen laitteisto, missä menetelmää voidaan käyttää. Telojen sijaan alustassa voi olla pyörät, joiden avulla porauslaite liikkuu. Ylävaunu voi käsittää moottorin ja muut toimilaitteet mahdollisine ohjaamoineen sekä siihen kiinnitetyn ja sen kanssa kääntyvän porapuomin laitteineen. Vaihtoehtoisesti moottori ja muut 20 toimilaitteet voivat olla kiinni rungossa ja vain porapuomi laitteineen on kiinni ylävaunussa.

CO

δ

CM

CM

O

CM

X

IX

Q.

σ> co N-

LO

δ

CM

Claims (7)

1. Menetelmä antureiden kalibroimiseksi porauslaitteessa, jossa on liikkuva alusta (1) ja runko (2) ja runkoon (2) nähden pystysuoran kääntöakse-lin ympäri kääntyvästi asennettu puomisto (5), kulma-anturi puomiston kääntö- 5 kulman mittaamiseksi rungon (2) suhteen sekä puomistoon (5) asennetut ja sen mukana kääntöakselin (4) ympäri kääntyvät painovoimaan perustuvat kal-listusanturit kaltevuuden mittaamiseksi kahden toistensa suhteen kohtisuorassa olevan koordinaattiakselin suunnassa, tunnettu siitä, että porauslaite siirretään sen alla olevalla pinnalla sellaiseen ase-10 maan, että se pysyy tukevasti paikallaan kallistelematta, kun puomistoa (5) käännetään kääntöakselin (4) ympäri, että puomistoa (5) käännetään kääntöakselin (4) ympäri rungon (2) suhteen useisiin eri kääntymäkulma-asentoihin, että kussakin kääntymäkulma-asennossa mitataan kääntymäkulman 15 arvo ja kallistusantureiden antamat kallistusarvot ja että mitattujen kääntymäkulman arvon ja kallistusantureiden kallis-tusarvojen perusteella määritellään kallistusantureiden poikkeama-arvot todellisesta kallistuskulmasta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 20 että kalibroitaessa kallistusantureina käytetään puomiston (5) kääntöakselin (4) puoleiseen päähän asennettuja kallistusantureita, jotka mittaavat rungon (2) kallistumaa ja jotka on asennettu puomistoon (5) siten, että ne kääntyvät kääntöakselin (4) ympäri puomiston (5) mukana sitä käännettäessä, mutta pysyvät kääntöakselin (4) suhteen muuten samassa asennossa puomiston liikkeistä 25 huolimatta.

„ 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, o että kallistusantureiden poikkeama-arvot lasketaan mitattuja kulma-arvoja käytti täen pienimmän neliösumman avulla, o

^ 4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu 30 siitä, että kallistusantureiden kalibroinnin jälkeen kalibroidaan kääntöakselin (4) £ kääntöanturi niin, että puomisto (5) pidetään kalibroinnin aikana porauslaitteen suhteen samassa asennossa porauslaitteen rungon (2) suhteen kääntymättö-[n mästi paikallaan, että luetaan kääntöanturin kääntökulman arvo, että kalliste- 5 taan runkoa (2) alustan (1) suhteen niiden välisen poikkiakselin (11) ympäri eri CVJ 35 kallistuskulmiin, mitataan kallistusmittauslaitteen kallistusantureiden kallistusarvot ja mitattujen kääntökulman ja kallistuskulmien arvojen perusteella las- ketään kääntöanturin antaman kääntökulman poikkeama kääntökulman todellisesta arvosta.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kalibroitaessa kallistusantureina käytetään puomiston (5) päässä olevaan 5 syöttöpalkkiin (6) asennettuja kallistusantureita, jotka mittaavat syöttöpalkin (6) kallistumaa ja että puomisto (5) ja syöttöpalkki (6) pidetään koko kalibroinnin ajan toistensa suhteen samassa asennossa niin, että kallistusanturit kääntyvät kääntöakselin (4) ympäri puomiston (5) mukana sitä käännettäessä, mutta pysyvät kääntöakselin (4) suhteen muuten samassa asennossa.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kalibroinnin aikana mitataan porauslaitteen runkoon asennetun ja puomiston (5) kääntämisen aikana rungon (2) mukana paikallaan pysyvien rungon (2) kallistusta mittaavien kallistusantureiden kaltevuusarvot ja määritellään runkoon asennettujen rungon (2) kallistusta mittaavien kallistusantureiden poik-15 keamat syöttöpalkin (6) kallistusantureiden avulla.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kallistusantureiden poikkeama-arvot lasketaan mitattuja kulma-arvoja käyttäen pienimmän neliösumman avulla. CO δ CM C\l O CM X cc CL CD CO LO δ CM