RU2004786C1 - Инклинометр - Google Patents

Abstract

Назначение: изобретение относитс  к измерению пространственного положени  оси буровой скважины, в частности к гироскопическим инклинометрам , способным работать в непрерывном и точечном режимах измерени  при движении сква- жинного прибора в обсаженных и необсаженных скважинах без использовани  магнитного пол  Земли. Сущность изобретени : дл  повышени  производительности инклинометрических работ при неподвижном относительно Земли скважинном приборе с помощью наземного вычислител  по информации блоков двухкомпонентного акселерометра , двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости и трехстепенного двухрежим- ного гироскопа, размещенных в скважинном приборе , определ етс  азимут плоскости наклонени  скважины и азимут главной оси гироскопа, который заноситс  в пам ть наземного вычислител . Затем инклинометр переводитс  в режим непрерывного движени . При этом положение оси скважины определ етс  наземным вычислителем по информации с блоков акселерометра и трехстепенного гироскопа с использованием значени  азимута, заложенного в пам ть вычислител . Компенсаци  ухода трехстепенного гироскопа осуществл етс  вводом в наземный вычислитель широты места проведени  измерений, а также определенной заранее систематической составл ющей скорости дрейфа Трехстепенный гироскоп работает в двух режимах гироскопа направлени  / в режиме выставки / и свободного гироскопа - в режиме продвижени . 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к устройствам дл  измерени  геометрических характеристик оси буровой скважины, в частности к гироскопическим инклинометрам, способным работать в непрерывном и точечном режимах измерени  при движении сква- жинного прибора в обсаженных и необсаженных скважинах без использовани  магнитного пол  Земли.

К числу измер емых геометрических характеристик оси буровой скважины относ тс  зенитный угол и азимут плоскости наклонени  оси в каждой точке скважины. Зенитный угол измер етс  с помощью ма т- . никовых устройств, либо с помощью акселерометров , размещаемых в скважинном приборе инклинометра. Известны инклинометры , (аналоги данного изобретени ), в которых азимут плоскости наклонени  определ етс  с помощью различных приборов , построенных на основе позиционных гироскопических датчиков. В качестве примера можно привести иикинометры ИГ-2, ИГ-70, ИГ-50, которые используют свойство трехстепенного гироскопа сохран ть положение главной оси неизменным в пространстве . В корпусах скважинных приборов этих инклинометров размещаетс  трехстепенный гироскоп, внешн   ось которого направлена по продольной оси скважиниого прибора. После разгона ротора гироскоп занимает определенное положение относительно плоскости меридиана, которое в дальнейшем при проведении замеров в буровой скважине используетс  как опорное. Сигнал датчика угла, св занного с внешней осью гироскопа и осью ма тникового устройства , устанавливающегос  в плоскость наклонени , проступает по каротажному кабелю на поверхность, где используетс  дл  вычислени  азимута плоскости наклонени . Наиболее существенным недостатком данных инклинометров  вл етс  длительность и сложность процесса выставки (ориентации ) гироскопа на поверхности Земли. Наличие стальных конструкций вблизи места проведени  измерений ограничивает использование дл  целей выставки датчиков, реагирующих на магнитное поле Земли; применение других средств не всегда возможно по причинам экономического характера , погодных условий, повышенных требований к квалификации обслуживающего персонала. Кроме того, в процесс выставки неизбежно внос тс  ошибки субъективного характера.

Недостатки, про вл ющиес  при начальной выставке, полностью отсутствуют в гироскопических инклинометрах, схемы определени  азимута плоскости наклонени 

которых построены по принципу аналитического построени  опорных направлений. В качестве примера приведем гироскопический инклинометр фирмы Тиродейта, который выбран в качестве прототипа предлагаемого инклинометра. Указанный инклинометр содержит скважинный прибор и св занный с последним при помощи каротажного кабел  наземный вычислитель.

Имеющиес  в скважинном приборе блок двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости (на основе динамически настраиваемого гироскопа) и блок двухкомпонентного линейного акселеро5 метра расположены таким образом, что их соответствующие оси чувствительности параллельны между собой и перпендикул рны оси скважинного прибора. Направлени  осей чувствительности блоков датчиков пер0 вичной информации (угловой скорости и линейного ускорени ) и продольна  ось скважинного прибора представл ют приборную систему координат. Сигналы блока датчика угловой скорости есть величины,

5 пропорциональные проекци м на ост приборной системы координат вектора угловой скорости вращени  сквэжинного прибора в инерционном пространстве. Аналогично сигналы блока акселерометра пропорцио0 нальны проекци м вектора кажущегос  линейного ускорени  на те же оси. Выставка производитс  автономно при неподвижном относительно Земли скважинном приборе; в этом случае блок датчика угловой скорости

5 замер ют только проекции угловой скорости вращени  Земли. Необходима  информаци  дл  определени  углов отклонени  продольной оси скважинного прибора от вертикали и поворота скважинного прибора

0 вокруг продольной оси поступает с блока линейного акселерометра. При этом наземным вычислителем, вход щим в состав инклинометра , определ етс  положение приборной системы координат1 относитель5 но системы координат, ориентированной географически, в частности определ ютс  зенитный угол и азимут плоскости наклонени  оси скважины. Особенностью инклинометра , выбранного в качестве прототипа,

0  вл етс  то, что он используетс  только а режиме точечных измерений, когда геометрические параметры оси буровой скважины фиксируютс  в определенных точках вдоль указанной оси буровой скважины фиксиру5 ютс  в определенных точках вдоль указанной оси при неподвижном скважинном приборе. Указанный режим позволил снизить требовани  к диапазону изменени  чувствительных элементов. Режим работы инклинометра-прототипа обладает меньшей производительностью по сравнению с режимом измерений в процессе непрерывного движени  скважинного прибора, т.к. врем  процесса инклинометрических исследований увеличиваетс  за счет времени остановок окважинного прибора дл  проведени  измерений в определенных точках оси буровой скважины.

Целью изобретени   вл етс  повышение производительности инклинометрических работ, которое должно быть достигнуто без повышени  требований к датчику угловой скорости и наземному вычислителю, без значительного увеличени  стоимости инк- линометрического комплекса.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что инклинометр содержит в скважинном приборе блок двухкомпонентного акселерометра , блок двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости, а также трехстепенный гироскоп. Указанный гироскоп снабжен переключателем перевода его из режима гироскопа направлени  в режим свободного гироскопа и обратно. Наземный вычислитель инклинометра содержит блок компенсации видимого ухода трехстепенного гироскопа и систематической составл ющей его дрейфа. Блоком компенсации  вл етс  та часть структуры наземного вычислител  (аппаратна  или программна ), котора  определ ет величину вертикальной составл ющей угловой скорости вращени  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 наклонени . Более высокую производительность работы предлагаемому инклинометру придает введение функциональной св зи между датчиками, работающими в режиме выставки (блок акселерометра , блок датчика угловой скорости ) и датчиками, работающими в режиме непрерывного движени  (блок аксеоеромет- ра и трехстепенный гироскоп). Данна  функциональна  св зь осуществл етс  через наземный вычислитель, который в момент переключени  из режима выставки в режим непрерывного движени  св зывает информацию об азимуте плоскости наклонени , вычисленную на основе сигналов блока датчика угловой скорости и блока акселерометра с информацией трехстепенного гироскопа. При неподвижном относительно Земли скважинном приборе с помощью наземного вычислител  по информации блоков акселерометра, датчика угловой скорости и трехстепенного гироскопа определ етс  азимут плсскости наклонени  и

азимут главной оси гироскопа. Последний заноситс  в пам ть наземного вычиспител . После окончани  процесса выставки инклинометр переводитс  в режим непрерывного 5 движени , при котором положение оси скважины определ етс  наземным вычислителем по информации с блока акселерометра и трехстепенного гироскопа, а также информации об азимуте главной оси гироскопа,

заложенной ранее в пам ть наземного вычислител  в момент перехода от режима выставки в режим непрерывного движени . Дл  повышени  точности работы трехстепенного гироскопа в режиме движени  сис5 тема нивелировани  его главной оси отключаетс  переключателем режимов работы .

На чертеже приведен состав предлагаемого инклинометра.

0 Скважинный прибор 1 св зан с наземным вычислителем 2 каротажным кабелем 3. В корпусе скважинного прибора размещены блок двухкомпонентного акселерометра 4, блок двухкомпонентного датчика угловой

5 скорости 5 и двухрежимный трехстепенный гироскоп 6. Задатчик режимов работы Вы- ставка+движение 7 переводит в необходимые режимы функционировани  наземный вычислитель 2 и посредством расположен0 ного в скважинном приборе переключател  8 трехстепенный гироскоп 6. Переключение режимов трехстепенного гироскопа осуществл етс  коммутацией его цепи нивелировани , состо щей из ма тникового

5 чувствительного элемента 9 и датчика момента 10. Блок компенсации 11 наземного вычислител  предназначен дл  компенсации видимого ухода трехстепенного гироскопа и систематической составл ющей его

0 дрейфа, 12 - датчик угла трехстепенного гироскопа .

Инклинометр работает следующим образом . В начале процессе исследований при

5 неподвижном скважинном приборе производитс  определение азимута главной оси трехстепенного гироскопа; при этом последний работает в режиме азимутального гироскопа направлени  (цепь системы ниве0 лировани  замкнута). Двухкомпонентный датчик угловой скорости определ ет составл ющие (Ох, (о у угловой скорости вращени  Земли Q3 на оси ОХ и OY, св занные с корпусом скважикного прибора и которые

5 завис т от широты места р . зенитного апсидального у углов:

Из (cosy) cosa cos/ cosy + + slny sin/ cosy -cosp slna slny );

uy - Q3(cosy cosa cos/J siny + + sirup sin/3 slny +costp slna cosy).

По алгоритму, построенному на основе приведенных выражений. Наземный вычислитель определ ет азимут главной оси гироскопа Of. В алгоритме учитываетс  угол ip поворота наружной рамки трехстепенного гироскопа относительно корпуса сква- жинного прибора и рассчитанные по сигналам блока двухкомпонентного акселерометра зенитный ft и апсидальный у углы:

0-ar«g- +2 ; Vgz - ax-Haft

y arctg(-|i); «г «о + arctg cos/9 tg(y + V ),

где ах, ау - проекции ускорени  силы т жести на оси OX, OY;

g - ускорени  силы т жести;

аь - азимут плоскости наклонени  в точке проведени  выставки.

Рассчитанный азимут главной оси гироскопа вводитс  в пам ть вычислител . Затем инклинометр переводитс  в режим непрерывного движени , при котором отключаетс  цепь нивелировани  трехстепенного гироскопа, а вычислитель решает задачу ориентации, использу  только сигналы трехстепенного гироскопа и двухкомпонентного акселерометра; азимут плоскости наклонени  при этом определ етс 

+ е +(Ог др) -т,

Б arctgfcos/ tg( у + ip ) - угловое положение главной оси трехстепенного ги- роскопа относительно плоскости наклонени ;

( sin р+со др) - суммарна  скорость ухода гироскопа;

t-текущее врем  с момента перехода на режим непрерывного движени .

Компенсаци  отклонени  главной оси гироскопа, вызываемого видимым уходом и дрейфом, производитс  вводом в наземный вычислитель величин широты места р про- ведени  измерений, скорости вращени  Земли QJ, а также определенной заранее систематической составл ющей скорости дрейфа О)др.

(56) Павлов В.А. Гироскопический эффект. Его про вление и использование. Л.: Судостроение , 1985, с.122-124.

Гироскопический инклинометр ИГ-0, Описание и инструкци  по эксплуатации. ЧССР . Микротехна, национальное предпри тие Модржаны, 1958, с.47.

Гироскопический инклинометр ИГ-50. Описание и указани  по обслуживанию. - ЧССР. Микротехна, национальное предпри тие Модржаны, 1975, с.114.

Уттект ГУ., де-Вард Дж.П. Новый гироскоп дл  геофизических исследований. Нефть, газ и нефтехими  за рубежом, 1983, №3, с.14-19.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   ИНКЛИНОМЕТР, содержащий наземный вычислитель и св занный с ним каротажным кабелем скважинный прибор, содержащий жестко св занные с его корпусом блок двухкомпонентного акселерометра и блок двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости , соответствующие оси чувствительности которых параллельны между собой и перпендикул рны к продольной оси сква- жинного прибора, а их выходы подключены к первому и второму входам вычислител , отличающийс  тем, что, с целью повышени производительности инклинометрических работ, скважинный прибор снабжен трехстепенным гироскопом с датчиком угла по внешней оси, на0

   правленной по продольной оси скважинного прибора, и цепью нивелировани , содержащей ма тниковый чувствительный элемент по внутренней оси, датчик момента по внешней оси и включенный между ними переключатель перевода гироскопа из режима гироскопа направлени  в режим свободного гироскопа и обратно, причем датчик угла соединен с третьим входом вычислител , а вычислитель снабжен блоком компенсации видимого ухода гироскопа и систематической составл ющей его дрейфа и задатчиком режимов работы выставка - движение, первый выход которого св зан с переключателем перевода гироскопа, а второй е соединен с четвертым входом вычислител , с п тым входом вычислител  соединен выход блока компенсации.

   J Л.

   II