RU2017950C1 - Method for determination of well zenith and sight angles - Google Patents
Method for determination of well zenith and sight angles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2017950C1 RU2017950C1 SU4935054A RU2017950C1 RU 2017950 C1 RU2017950 C1 RU 2017950C1 SU 4935054 A SU4935054 A SU 4935054A RU 2017950 C1 RU2017950 C1 RU 2017950C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- orthogonal
- electrodes
- angle
- output signal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин. The invention relates to geophysical surveys of wells.
Известен способ определения отклонения буровых скважин [1], по которому производится измерение зенитного угла буровой штанги с помощью чувствительных элементов датчика, расположенных в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Зенитный угол скважины моделируется на поверхности. A known method for determining the deviation of boreholes [1], which is used to measure the zenith angle of the drill rod using sensitive sensor elements located in three mutually perpendicular planes. The Zenith angle of the well is modeled on the surface.
Недостатками способа являются высокая трудоемкость из-за необходимости моделирования скважинного расположения штанги на поверхности по измеренным составляющим зенитного угла и малая точность из-за нестабильности параметров датчика. The disadvantages of the method are the high complexity due to the need to simulate the downhole location of the rod on the surface according to the measured components of the zenith angle and low accuracy due to the instability of the sensor parameters.
Известен способ определения зенитного и визирного углов [2] с помощью датчика маятникового типа с индукционными преобразователями, измеряющего ортогональные составляющие β1 и β2 зенитного угла θ визирного угла φ, связанные следующими тригонометрическими соотношениями:
tgθ = ; (1)
tgφ = ; (2)
tg β1=cosφ ˙ tgθ; (3)
tgβ2 =sinφ ˙ tgθ. (4)
К преимуществу способа относится возможность автоматизации определений зенитного и визирного углов скважины, к недостаткам - невысокая точность вычисления этих углов при изменении температуры окружающей среды.A known method for determining the zenith and sighting angles [2] using a pendulum type sensor with induction transducers that measures the orthogonal components β 1 and β 2 of the zenith angle θ of the sight angle φ, associated with the following trigonometric relations:
tgθ = ; (1)
tgφ = ; (2)
tg β 1 = cosφ ˙ tgθ; (3)
tgβ 2 = sinφ ˙ tgθ. (4)
The advantage of the method includes the ability to automate the determination of the anti-aircraft and target angles of the well, and the disadvantages are the low accuracy of calculating these angles with changing ambient temperature.
Известен способ определения зенитного и визирного углов объекта в скважине [3] , принятый в качестве прототипа. Он включает измерение электролитическим датчиком ортогональных составляющих зенитного угла в функции преобразования:
βj=f(Kj, Uj), где j - оси чувствительности датчика;
Uj - выходной сигнал датчика, при этом коэффициент преобразования Kj датчика определяется путем установки его на известный (с высокой точностью) угол наклона, прямое измерение или вычисление зенитного и визирного углов по тригонометрическим формулам (1) и (2).A known method for determining the anti-aircraft and target angles of an object in a well [3], adopted as a prototype. It includes the measurement by an electrolytic sensor of the orthogonal components of the zenith angle in the conversion function:
β j = f (K j , Uj), where j are the sensitivity axes of the sensor;
U j is the output signal of the sensor, while the conversion coefficient K j of the sensor is determined by setting it to a known (with high accuracy) angle of inclination, direct measurement or calculation of the zenith and target angles using the trigonometric formulas (1) and (2).
Блок-схема измерителя наклона с электролитическим датчиком цилиндрического типа включает формирователь квадратурных сигналов из опорного напряжения, которым запитаны электроды датчика. Выходные напряжения с дифференциально включенных пар электродов датчика описываются выражениями
Ux=-Uax ˙ sinω t; (5)
Uy=-Uay ˙cos ω t, (6) где Uax, Uay - амплитудные значения сигналов;
ω - круговая частота;
t - время.The block diagram of a tilt meter with a cylindrical-type electrolytic sensor includes a quadrature signal driver from a reference voltage that feeds the sensor electrodes. The output voltages from the differential-connected pairs of sensor electrodes are described by the expressions
U x = -U ax ˙ sinω t; (5)
U y = -U ay ˙cos ω t, (6) where U ax , U ay are the amplitude values of the signals;
ω is the circular frequency;
t is time.
Сигналы суммируются на общем сопротивлении нагрузки, и через согласующий усилитель суммарный сигнал подается на амплитудно-фазовый дискриминатор (АФД) в виде
Uин=Umин ˙ sin(ω t+ φин); (7)
Uоп= Umоп ˙ sin ω t, (8) где Umин и Umоп - амплитудные значения напряжения измерителя наклона и опорного генератора;
φин - фазовый сдвиг измерителя наклона (пропорциональный визирному углу).The signals are summed over the total load resistance, and through the matching amplifier, the total signal is fed to the amplitude-phase discriminator (AFD) in the form
U in = U min ˙ sin (ω t + φ in ); (7)
U op = U mop ˙ sin ω t, (8) where U min and U mop are the amplitude values of the voltage of the tilt meter and the reference generator;
φ in - phase shift of the tilt meter (proportional to the line of sight).
АФД формирует напряжение, несущее информацию об амплитуде и фазе сигнала измерителя величины и направления наклона. Выходные напряжения АФД подаются на отклоняющие пластины х и у осциллографа через коммутатор:
Uxин=KUmин ˙ sin φин; (9)
Uyин=KUmин ˙ cos φин, (10) где K - коэффициент пропорциональности.The AFD generates a voltage that carries information about the amplitude and phase of the signal of the meter of magnitude and direction of inclination. The output voltage of the AFD is supplied to the deflection plates x and the oscilloscope through the switch:
U xin = KU min ˙ sin φ in ; (9)
U yin = KU min ˙ cos φ in , (10) where K is the proportionality coefficient.
На экране осциллографа радиус R отклонения светового пятна от центра трубки характеризует величину угла наклона
α = R = , (11) а угол отклонения радиуса - вектора R от вертикали - угол
φин= arctg, (12) т.е. определяются по формулам, аналогичным (1) и (2), если принять, что
Uхин=K1tg β1; (13)
Uуин= K2tg β2, (14) где K1 и K2 - коэффициенты преобразования (или передачи) по соответствующим осям j чувствительности датчиках. Обычно они равны или немного отличаются друг от друга.On the oscilloscope screen, the radius R of the deviation of the light spot from the center of the tube characterizes the angle of inclination
α = R = , (11) and the angle of deviation of the radius of the vector R from the vertical is the angle
φ yn = arctg , (12) i.e. are determined by formulas similar to (1) and (2), if we assume that
U hin = K 1 tg β 1 ; (thirteen)
U yuin = K 2 tg β 2 , (14) where K 1 and K 2 are the conversion (or transmission) coefficients along the corresponding sensitivity axes j of the sensors. Usually they are equal or slightly different from each other.
Коэффициенты К, К1, К2 определяются известным способом [4] при поверке основных погрешностей прибора, например, в поверочной установке УПН-1. С помощью поворотного стола и оптического квадранта задают действительное (точное) значение составляющей зенитного угла при нормальных по температуре (20± 5оС) условиях измерения и снимают соответствующие показания выходного сигнала вольтметром. Измеренную составляющую зенитного угла в случае датчика прототипа определяют по формуле
= arctgKj·U, (15) где θ - индекс, соответствующий определенному значению зенитного угла; Kj - коэффициенты преобразования по осям j, определяемые как отношение величины тангенса верхнего предела измерения угла βаj в градусах к соответствующему напряжению в вольтах Uaj:
Kj= , (16)
При поверке с высокой точностью задается физическая величина угла наклона βаj датчика в плоскости каждой из его осей чувствительности, по которой определяются коэффициент передачи датчика, а также систематическая и случайная составляющие его основной погрешности. К преимуществам способа-прототипа следует отнести высокую точность измерения угла наклона, к недостатку - значительную зависимость выходного сигнала от изменения температуры среды, окружающей датчик.The coefficients K, K 1 , K 2 are determined in a known manner [4] when checking the basic errors of the device, for example, in the calibration unit UPN-1. By means of the turntable and an optical quadrant define actual (current) value of the zenith angle component at normal temperature (20 ± 5 ° C), measuring conditions and remove the appropriate voltmeter reading output. The measured component of the zenith angle in the case of the prototype sensor is determined by the formula
= arctgK j , (15) where θ is the index corresponding to a certain value of the zenith angle; K j are the conversion coefficients along the j axes, defined as the ratio of the tangent of the upper limit of measuring the angle βa j in degrees to the corresponding voltage in volts Ua j :
K j = , (sixteen)
During verification, the physical value of the angle of inclination βa j of the sensor is set with high accuracy in the plane of each of its sensitivity axes, which determines the transmission coefficient of the sensor, as well as the systematic and random components of its basic error. The advantages of the prototype method include the high accuracy of measuring the angle of inclination, the disadvantage is the significant dependence of the output signal on changes in the temperature of the environment surrounding the sensor.
Относительное изменение напряжения на выходе датчика дифференциальной ортогональной пары электродов от изменения его температуры может быть описано формулой
ΔU(t) = = , (17) где η - температурный коэффициент объемного расширения электролита;
Δ t - разность температур,
to - начальная температура.The relative change in voltage at the output of the sensor of a differential orthogonal electrode pair from a change in its temperature can be described by the formula
ΔU (t) = = , (17) where η is the temperature coefficient of volume expansion of the electrolyte;
Δ t is the temperature difference,
t o - initial temperature.
Для реальных датчиков с электролитами различного химического состава изменение выходного сигнала за счет изменения коэффициента передачи датчика при повышении температуры от 20 до 200оС составляет до 30% от верхнего предела измерения. Поэтому обеспечить необходимую точность измерения кривизны скважины таким датчиком невозможно.For real sensors with different chemical composition electrolytes output signal change due to changes with increasing temperature sensor transmission factor from 20 to 200 ° C is up to 30% of the span. Therefore, it is impossible to provide the necessary accuracy for measuring the well curvature with such a sensor.
Целью изобретения является повышение точности определения зенитного и визирного углов скважины при изменении температуры среды, окружающей датчик. The aim of the invention is to increase the accuracy of determining the anti-aircraft and target angles of the well when the temperature of the medium surrounding the sensor changes.
Цель достигается тем, что по способу определения зенитного и визирного углов скважины электролитическим датчиком, включающему измерение выходного сигнала Uj дифференциально включенными ортогональными парами электродов датчика по осям j его чувствительности, определение коэффициентов передачи Kj датчика путем его установки на известный угол наклона αj, измерение (вычисление) ортогональных составляющих зенитного угла в функции преобразования β αj=f(Kj, U αj) для определения основной погрешности датчика при его наклоне на угол αj,, измерение зенитного и визирного углов или их вычисление по тригонометрическим формулам, после установки датчика под углом ajпроизводится его нагревание (охлаждение) в рабочем диапазоне температур и измерение одновременно с сигналом Uij дифференциальных пар выходного сигнала Uiz, пропорционального электрическому сопротивлению ziпараллельно включенной ортогональной пары электродов датчика, вычисляется действительное (текущее) значение коэффициентов передачи Kijдифференциально включенных ортогональных пар электродов, составляется непрерывная зависимость
Kij= f(Uiz), (18) которая используется для вычисления ортогональных составляющих зенитного угла в функции преобразования:
βij= f(Kij(Uiz), Uij, (19) где i - момент времени измерения, при этом выходной сигнал может быть пропорционален только активной или только реактивной составляющей параллельно включенных ортогональных пар электродов.The goal is achieved by the fact that by the method of determining the zenith and sighting angles of the well by an electrolytic sensor, including measuring the output signal U j by differential orthogonal pairs of sensor electrodes along the axes j of its sensitivity, determining the transmission coefficients K j of the sensor by setting it to a known inclination angle α j , measurement (calculation) of the orthogonal components of the zenith angle in the transformation function β α j = f (K j , U α j ) to determine the basic error of the sensor when it is tilted at an angle α j , the zenith and sighting angles or their calculation using trigonometric formulas, after installing the sensor at an a j angle, it is heated (cooled) in the operating temperature range and simultaneously measured with the signal U ij the differential pairs of the output signal U iz proportional to the electrical resistance z i connected in parallel an orthogonal pair of sensor electrodes, the actual (current) value of the transmission coefficients K ij of the differential-connected orthogonal pair of electrodes is calculated, a continuous addictive
K ij = f (Ui z ), (18) which is used to calculate the orthogonal components of the zenith angle in the transformation function:
β ij = f (K ij (U iz ), U ij , (19) where i is the instant of measurement, while the output signal can be proportional only to the active or only reactive component of the parallel connected orthogonal pairs of electrodes.
В результате способ приобретает качественно новое содержание и позволяет расширить область его применения для геофизических исследований высокотемпературных скважин, при этом обеспечивается высокая точность измерения ортогональных составляющих зенитного угла и конечного результата - зенитного и визирного углов независимо от температурной нестабильности и инерционности датчика. As a result, the method acquires a qualitatively new content and allows to expand the scope of its application for geophysical studies of high-temperature wells, while ensuring high accuracy in measuring the orthogonal components of the zenith angle and the final result, the zenith and sighting angles, regardless of the temperature instability and inertia of the sensor.
Известны технические решения, в которых имеются признаки, сходные с заявленными в предлагаемом способе. Так, например, известен способ контроля температуры геофизических датчиков при помощи дистанционных термометров [5] . Термодатчик устанавливается на корпус геофизического датчика, при этом устанавливается зависимость изменения коэффициента передачи геофизического датчика от изменения его температуры. Установленная зависимость служит для внесения поправок в показания датчика на температуру окружающей среды. Однако осуществить такой контроль температуры электролитического датчика зенитного угла сложно. Кроме того, он не обеспечивает заданной точности измерения в динамике, т.е. при изменении температуры окружающей среды при перемещении прибора по скважине. Основным препятствием здесь является тепловая инерция датчика, обусловленная высокой теплостойкостью электролита и его малой теплопроводностью. Known technical solutions in which there are signs similar to those stated in the proposed method. So, for example, there is a known method for monitoring the temperature of geophysical sensors using remote thermometers [5]. The temperature sensor is installed on the body of the geophysical sensor, while the dependence of the change in the transmission coefficient of the geophysical sensor on the change in its temperature is established. The established dependence serves to amend the sensor readings for ambient temperature. However, it is difficult to carry out such control of the temperature of the electrolytic sensor of the zenith angle. In addition, it does not provide a given measurement accuracy in dynamics, i.e. when the ambient temperature changes when moving the device along the well. The main obstacle here is the thermal inertia of the sensor, due to the high heat resistance of the electrolyte and its low thermal conductivity.
В способе [2] для датчика зенитного угла маятникового типа определение основной погрешности измерения и вычисление ортогональных составляющих при проверке производится в функции преобразования:
β αj=KjU αj.In the method [2] for the pendulum type zenith angle sensor, the determination of the main measurement error and the calculation of the orthogonal components during verification is performed in the conversion function:
β α j = K j U α j .
Паспортное значение коэффициента Kj определяется в поверочной установке при нормальных условиях измерения (20± 5оС), при этом измеряется еще один выходной сигнал от датчика, представляющего собой такой же (идентичный) измерительный элемент, что и служащий для измерения составляющих зенитного угла по осям j. Однако ось вращения этого дополнительного элемента жестко зафиксирована под углом по величине близким к верхнему пределу измерения зенитного угла. Выходной сигнал дополнительного элемента используется в качестве стандарт-сигнала, значение физической величины которого в градусах аjст.с, определяется (вычисляется) по каждой из осей чувствительности датчика во время поверки.Passport coefficient K j is determined calibration setting under normal measurement conditions (20 ± 5 ° C), the measured one output signal from the sensor, representing the same (identical) measuring element, which serves for measuring constituents zenith angle of axes j. However, the axis of rotation of this additional element is rigidly fixed at an angle of magnitude close to the upper limit of the measurement of the zenith angle. The output signal of the additional element is used as a standard signal, the physical value of which in degrees a jst.s , is determined (calculated) by each of the sensitivity axes of the sensor during calibration.
Рассчитанная физическая величина стандарт-сигнала используется для уточнения величины коэффициентов преобразования Kjt датчика, которые изменяются под воздействием изменяющейся температуры t окружающей среды при перемещении датчика в скважине:
Kjt = , (20) поскольку аjст.с. величина постоянная,
Kjt=f(Uijст.с.), (21) а значение составляющей рассчитывается как
βij=Kjt U*ij=f(Kjt(Uijст.с.), U*ij... (22)
Как видно, формулы (19) и (22) схожи. Отличие предлагаемого способа заключается в том, что коэффициент Kij определяется выходным сигналом, пропорциональным изменяющемуся импедансу параллельно включенной пары электродов по соответствующей оси чувствительности, т.е. по той же паре электродов, по которой выполняется измерение самой составляющей βij.The calculated physical value of the standard signal is used to clarify the value of the conversion coefficients K j t of the sensor, which change under the influence of the changing ambient temperature t when the sensor moves in the well:
K j t = , (20) since a jst.s. constant value
K j t = f (U ijst.s. ), (21) and the value of the component is calculated as
β ij = K j t U * ij = f (K j t (U ijst.s. ), U * ij ... (22)
As can be seen, formulas (19) and (22) are similar. The difference of the proposed method lies in the fact that the coefficient K ij is determined by the output signal proportional to the changing impedance of a parallel pair of electrodes along the corresponding sensitivity axis, i.e. for the same pair of electrodes, which is used to measure the component β ij itself .
В техническом решении аналога коэффициент Kjt определяется выходным сигналом элемента, слабо отражающим состояние основных (рабочих) элементов-маятников, связанных с преобразователями угла поворота. Общим для них можно рассматривать только степень идентичности тройки индукционных преобразователей угла поворота. Однако сделать совершенно идентичными индукционные преобразователи практически невозможно. Поэтому предложенное техническое решение имеет значительные преимущества по точности, а также упрощает техническое исполнение (не нужен дополнительный элемент для организации стандарт-сигнала).In the technical solution of the analogue, the coefficient K j t is determined by the output signal of the element, weakly reflecting the state of the main (working) pendulum elements associated with the angle of rotation converters. Common to them can only be considered the degree of identity of the three induction angle transducers. However, making induction converters completely identical is almost impossible. Therefore, the proposed technical solution has significant advantages in accuracy, and also simplifies the technical execution (no additional element is needed to organize a standard signal).
Таким образом, ни одно из решений прототипа или аналогов не позволяет осуществить точное измерение зенитного и визирного углов скважины при изменении температуры среды, окружающей датчик. Thus, none of the solutions of the prototype or analogues allows for accurate measurement of the zenith and target angles of the well when the temperature of the medium surrounding the sensor changes.
Только установка электрического датчика на известный угол βaj, его нагревание (охлаждение) в рабочем диапазоне температур и дополнительное измерение выходного сигнала Uiz, пропорционального электрическому сопротивлению параллельно включенной пары ортогональных электродов датчика, вычисление действительных значений коэффициентов передачи Kijдифференциально включенных ортогональных пар электродов, составление непрерывной зависимости Kij= f(Uiz) и ее использование для вычисления ортогональных составляющих зенитного угла скважины в функции преобразования
βij= f(Kij(Uiz), Uij) позволяют достичь принципиально нового эффекта и цели. Поэтому предложенное решение обладает существенными отличиями.Only installing an electric sensor at a known angle β aj , heating (cooling) it in the operating temperature range and additionally measuring the output signal U iz proportional to the electrical resistance of a parallel-connected pair of orthogonal sensor electrodes, calculating the actual values of the transmission coefficients K ij of differential-connected orthogonal electrode pairs, compilation of a continuous dependence K ij = f (U iz ) and its use for calculating the orthogonal components of the zenith angle of the well in f conversion functions
β ij = f (K ij (Ui z ), U ij ) make it possible to achieve a fundamentally new effect and goal. Therefore, the proposed solution has significant differences.
Предложенный способ реализуется с помощью электролитического датчика с электролитическими ячейками цилиндрической формы (фиг.1-3) и электрической схемы (фиг.4). Датчик содержит корпус 1 с двумя парами ортогональных электролитических ячеек А, В и М, N, расположенных симметрично относительно центра на расстоянии r. Ячейки образованы корпусом 1 из проводящего материала и электродами 2 на изоляторах 3. Ячейки связаны между собой отверстиями 4, образуя сообщающиеся сосуды. Полость ячеек заполнена электролитом 5. The proposed method is implemented using an electrolytic sensor with electrolytic cells of a cylindrical shape (Fig.1-3) and an electrical circuit (Fig.4). The sensor comprises a
В вертикальном положении датчика площади So электродов 2 ячеек, смачиваемые электролитом 5, равны между собой. Площади наружного (корпуса) и внутреннего (центрального) электродов ячейки различны, поэтому определяющей для работы является площадь меньшего электрода, т.е. So.In the vertical position of the sensor, the area S o of the electrodes of 2 cells wetted by the
Расстояние между электродами (фиг.3) d=(d1-d2)/2, где d1 - диаметр центрального электрода; d2 - диаметр ячейки в корпусе. Электрическое сопротивление столба электролита высотой ho (вертикальное положение датчика) имеет величину
Ro= , (23) где ρ - удельное электрическое сопротивление электролита.The distance between the electrodes (figure 3) d = (d 1 -d 2 ) / 2 , where d 1 is the diameter of the Central electrode; d 2 is the diameter of the cell in the housing. The electrical resistance of an electrolyte column with a height h o (vertical position of the sensor) is
R o = , (23) where ρ is the electrical resistivity of the electrolyte.
При наклоне датчика уровень электролита занимает новое положение ho + Δh, т. е. изменяется на величину Δh, при этом площадь электрода, смоченная электролитом, равно So +Δ S, и сопротивление столба электролита становится равным
= , (24) где γ - проводимость электролита.When the sensor is tilted, the electrolyte level takes a new position h o + Δh, i.e., it changes by Δh, while the area of the electrode moistened with electrolyte is S o + Δ S, and the resistance of the electrolyte column becomes equal
= , (24) where γ is the electrolyte conductivity.
Запишем значение этого сопротивления для каждой электролитической ячейки датчика при наклоне его на угол α (фиг.5) и повороте вокруг оси 001 на угол φ относительно направления АВ, проведенного через центры электродов ячеек А и В. На фиг.5 показано расположение четырех электролитических ячеек А, В, М, N по направлениям соответственно АD, ВF, MK, NL, где r - радиус цилиндра, проведенного через центры ячеек.We write the value of this resistance for each electrolytic cell of the sensor when it is tilted by an angle α (Fig. 5) and rotated around the axis 00 1 by an angle φ relative to the direction AB drawn through the centers of the electrodes of cells A and B. Fig. 5 shows the location of four electrolytic cells A, B, M, N in the directions respectively AD, BF, MK, NL, where r is the radius of the cylinder drawn through the centers of the cells.
Если пренебречь поперечными размерами центральных электродов, то при наклоне на угол α цилиндра изменение смачиваемой поверхности электродов А и В определяется отрезками АА'=rtg α и ВВ'=,rtg α и
Δ SA( φ =0) =πd1rtg α ; (25)
Δ SB( φ =180o)=- πd1rtg α. (26)
При наклоне цилиндра на угол α и одновременном повороте его на угол φ электроды занимают новое положение, а изменение площадей их смачивания определится как
Δ SA= πd1rtg α ˙cos φ ; (27)
Δ SB=- πd1rtgα ˙cos φ ; (28)
Δ SM=- πd1rtgα ˙sin φ (29)
Δ SN= πd1rtg α ˙sin φ . (30)
На фиг.6 приведена дифференциальная схема включения датчика наклона для пары измерительных ячеек А и В. Здесь U - переменное напряжение генератора для питания мостовой схемы, R1 и R2 - сопротивления электролитических ячеек датчика наклона, которые в общем случае могут иметь комплексный характер, R - дополнительные сопротивления моста, Rн - сопротивление нагрузки. Корпус датчика заземлен.If we neglect the transverse dimensions of the central electrodes, then when the cylinder is tilted at an angle α, the change in the wetted surface of the electrodes A and B is determined by the segments AA '= rtg α and BB' =, rtg α and
Δ S A (φ = 0) = πd 1 rtg α; (25)
Δ S B (φ = 180 o ) = - πd 1 rtg α. (26)
When the cylinder is tilted at an angle α and rotated at an angle φ, the electrodes occupy a new position, and the change in their wetting areas is defined as
Δ S A = πd 1 rtg α ˙cos φ; (27)
Δ S B = - πd 1 rtgα ˙cos φ; (28)
Δ S M = - πd 1 rtgα ˙sin φ (29)
Δ S N = πd 1 rtg α ˙sin φ. (thirty)
Figure 6 shows the differential circuit for switching on the tilt sensor for a pair of measuring cells A and B. Here U is the alternating voltage of the generator to power the bridge circuit, R 1 and R 2 are the resistance of the electrolytic cells of the tilt sensor, which in general can be complex, R - additional resistance of the bridge, R n - load resistance. The sensor housing is grounded.
Для получения выражения выходного сигнала дифференциальной пары электродов можно воспользоваться методом холостого хода и короткого замыкания:
Uвых xx= - = ; (31)
Rвх к3= + . (32)
Ток на сопротивлении нагрузки
J = . (33)
Выходное напряжение
Uвых A,B= -JRн= . (34)
Так как
R1= и R2= и обозначив через
С= πd1r/2 постоянный коэффициент, зависящий от геометрических размеров датчика, и полагая, что
Rн> > R1, R2 и R, получают следующее выражение для выходного сигнала дифференциальной пары:
.To obtain the expression of the output signal of a differential pair of electrodes, you can use the method of idling and short circuit:
U o xx = - = ; (31)
R in k3 = + . (32)
Load Resistance Current
J = . (33)
Output voltage
U o A, B = -JR n = . (34)
As
R 1 = and R 2 = and denoting by
C = πd 1 r / 2 is a constant coefficient depending on the geometric dimensions of the sensor, and assuming that
R n >> R 1 , R 2 and R, get the following expression for the output signal of the differential pair:
.
Из него видно, что выходной сигнал дифференциальной пары не зависит от электропроводности электролита. Однако сохраняется зависимость выходного напряжения от параметра So, т.е. уровня электролита, который с изменением температуры окружающей среды не остается постоянным.It is seen from it that the output signal of the differential pair is independent of the electrolyte conductivity. However, the dependence of the output voltage on the parameter S o remains, i.e. the level of electrolyte, which does not remain constant with a change in ambient temperature.
Если обеспечить стабильным напряжение U генератора и обозначить через K(t) = - , т.е. So=f(t), то получают
=K
(35)
Решение системы уравнений (35) в отношении α и φ возможно при известном K(t).If the voltage U of the generator is stable and denoted by K (t) = - , i.e. S o = f (t), then get
= K
(35)
The solution of the system of equations (35) with respect to α and φ is possible with the known K (t).
Следовательно, выходной сигнал дифференциальной пары электродов является функцией угла наклона α , апсидального (визирного) угла φ и температуры, так как K(t)=f(t). Therefore, the output signal of the differential pair of electrodes is a function of the angle of inclination α, the apsidal (target) angle φ, and temperature, since K (t) = f (t).
Зависимость K(t) может быть описана выражением
K(t)= a1-b1ec1t, (36) где а1, b1, c1 - положительные числа аппроксимации.The dependence K (t) can be described by the expression
K (t) = a 1 -b 1 e c1t , (36) where a 1 , b 1 , c 1 are positive approximation numbers.
Для оценки выходного сигнала параллельно включенной ортогональной пары электродов обращаются к формуле (23). To evaluate the output signal of an orthogonal pair of electrodes connected in parallel, refer to formula (23).
Можно записать, что
= + , (37) где RA||B - сопротивление параллельно включенной ортогональной пары электродов ячеек А и В.It can be written that
= + , (37) where R A || B is the resistance of the parallel-connected orthogonal pair of electrodes of cells A and B.
При идентичности геометрических размеров электродов 2 (фиг.1) ячеек А и B SoA = SoB=So; ΔSA = ΔSB, следовательно, из выражения (37) можной найти
RA∥B= . (38)
Как видно из уравнения (38), сопротивление RA||B параллельно включенной идеальной ортогональной пары электродов не зависит от углов α и φ .When the geometric dimensions of the electrodes 2 (Fig. 1) are identical, cells A and BS oA = S oB = S o ; ΔS A = ΔS B ; therefore, from expression (37) we can find
R A∥B = . (38)
As can be seen from equation (38), the resistance R A || B of a parallel connected ideal orthogonal pair of electrodes does not depend on the angles α and φ.
В общем случае можно записать
RA∥B= ; RM∥N= , (39) где <N>rhot - электрическое удельное сопротивление электролита при фиксированной температуре t; St - уровень смоченной поверхности электродов при вертикальном датчике и фиксированной температуре t электролита.In general, you can write
R A∥B = ; R M∥N = , (39) where <N> rho t is the electrical resistivity of the electrolyte at a fixed temperature t; S t is the level of the wetted surface of the electrodes with a vertical sensor and a fixed temperature t of electrolyte.
При параллельном включении ячеек А, В, М, N
RA∥B∥M∥N= . (40)
Таким образом, сопротивление параллельно включенных ортогональных пар электродов определяется электрическим и удельным сопротивлением электролита <N>rhot и параметром St. Оба эти параметра зависят от температуры электролита. Причем с увеличением температуры параметр <N>rhot уменьшается по величине, а параметр St увеличивается, воздействуя таким образом, что RA||B уменьшается, т. е. воздействуют оба в одну и ту же сторону, увеличивая эффект от влияния температуры окружающей среды.With the parallel inclusion of cells A, B, M, N
R A∥B∥M∥N = . (40)
Thus, the resistance of parallel connected orthogonal pairs of electrodes is determined by the electric and specific resistance of the electrolyte <N> rho t and the parameter S t . Both of these parameters depend on the temperature of the electrolyte. Moreover, with increasing temperature, the parameter <N> rho t decreases in magnitude, and the parameter S t increases, acting in such a way that R A || B decreases, that is, they both act in the same direction, increasing the effect of the influence of temperature the environment.
Измерение RA||B может быть выполнено также по мостовой измерительной схеме на переменном токе питания:
RA∥B- Ro= C = K1UA∥B, (41) где UA||B - напряжение с выхода измерительной диагонали моста; I - ток питания; С1 - константа; R - сопротивление пассивного плеча, равное по величине такому сопротивлению активного плеча, при котором UA||B=0. Коэффициент K1 численно равен разности RA||B-Ro, bOM, при напряжении на выходе моста 1 В.Measurement R A || B can also be performed using a bridge measuring circuit using alternating current supply:
R A∥B - R o = C = K 1 U A∥B , (41) where U A || B is the voltage from the output of the measuring diagonal of the bridge; I is the supply current; C 1 is a constant; R is the resistance of the passive shoulder, equal in magnitude to that of the resistance of the active shoulder, at which U A || B = 0. The coefficient K 1 is numerically equal to the difference R A || B -R o , bOM, with a voltage at the output of the bridge 1 V.
В общем случае, учитывая реактивный (емкостный) характер сопротивления электролитической ячейки, можно записать
UZ=UA∥B=K1Z=f(t), (42) где Z = .In the general case, given the reactive (capacitive) nature of the resistance of the electrolytic cell, we can write
U Z = U A∥B = K 1 Z = f (t), (42) where Z = .
Если установить датчик под известным углом наклона βa и развернуть его вокруг собственной оси так, чтобы угол φ оказался равным нулю, т.е. установить в апсидальную плоскость ячейки А, В под углом βa=α, и, нагревая (охлаждая) датчик в рабочем диапазоне температур, одновременно измерить сигналы UAB и UA||B, то получают следующую зависимость для дифференциального выхода AB:
UABi= K1(ti)tgβa; K1(ti) = . (43)
Аналогичная операция с установкой в апсидальную плоскость ячеек MN( φ= 90o) дает
UMNi= K2(ti)tgβa; K2(ti) = . (44)
Или в общем виде уравнения (43) и (44) имеют вид
Kij(ti) = . (45)
Если β aj =45o, то Kij(ti)=Uij.
Для параллельного выхода имеют
UA||Bi=Uiz=K3zi. (46)
По результатам вычисления по формуле (45) и с учетом выражения (46) строится непрерывная зависимость
Kij = f(Uiz). (47)
Эта зависимость имеет вид графика (фиг.7).If you install the sensor at a known angle of inclination β a and rotate it around its own axis so that the angle φ is equal to zero, i.e. set the cells A, B in the apsidal plane at an angle β a = α, and, heating (cooling) the sensor in the operating temperature range, at the same time measure the signals U AB and U A || B , we obtain the following dependence for the differential output AB:
U ABi = K 1 (t i ) tgβ a ; K 1 (t i ) = . (43)
A similar operation with the installation in the apsidal plane of the cells MN (φ = 90 o ) gives
U MNi = K 2 (t i ) tgβ a ; K 2 (t i ) = . (44)
Or, in general, equations (43) and (44) have the form
K ij (t i ) = . (45)
If β a j = 45 o , then K ij (t i) = U ij.
For parallel output have
U A || Bi = U iz = K 3 z i . (46)
According to the results of calculations by formula (45) and taking into account expression (46), a continuous dependence is constructed
K ij = f (U iz ). (47)
This dependence has the form of a graph (Fig.7).
Вычисление ортогональных составляющих зенитного угла скважины проводится по формуле
βij= f(Kij(Uiz), Uij), значение Kij в которой определяется по измеренному в скважине значению Uiz с использованием зависимости (47).The calculation of the orthogonal components of the zenith angle of the well is carried out according to the formula
β ij = f (K ij (U iz ), U ij ), the value of K ij in which is determined by the U iz value measured in the well using dependence (47).
Электрическая схема (фиг.4) включает электролитический датчик 6, электроды которого через коммутатор 7 и мостовую цепь 8 подключены к генератору 9. Выход мостовой цепи подключен к цифровому вольтметру 10. Все элементы схемы или часть из них могут быть размещены в скважинном приборе. Мостовая цепь 8 и коммутатор 7 позволяют измерить с помощью вольтметра 10 сигналы датчика 6, пропорциональные импедансам дифференциального и параллельного включения ортогональных пар электродов. Для снятия зависимости Kij=f(zi) может быть использована камера тепла и холода, в которой датчик устанавливается под известным с высокой точностью углом наклона аj.The electrical circuit (figure 4) includes an electrolytic sensor 6, the electrodes of which are connected to a generator 9 through a
Предложенный способ реализуется следующей последовательностью операций. The proposed method is implemented by the following sequence of operations.
Датчик устанавливается в камере тепла и холода на известный угол наклона аj=45o (или близкий к верхнему пределу измерения) в плоскости чувствительности j любой пары. Температура в камере устанавливается нормальной в пределах 20± 5о. Определяется коэффициент передачи датчика по дифференциальному выходу j при нормальной температуре. При aj=45 Kj = αj датчика в рабочем диапазоне углов, при этом определяется основная погрешность датчика
=αj-, где βαj=f(Kj, Uαj ).The sensor is installed in the heat and cold chamber at a known angle of inclination a j = 45 o (or close to the upper limit of measurement) in the sensitivity plane j of any pair. The temperature in the chamber is set normal within 20 ± 5 ° . The transmittance of the sensor is determined from the differential output j at normal temperature. For a j = 45 K j = α j of the sensor in the working range of angles, while the basic error of the sensor is determined
= α j - , where β αj = f (K j , Uα j ).
Результаты определения параметров для опытного образца датчика сведены в табл.1. The results of determining the parameters for the prototype of the sensor are summarized in table 1.
Датчик снова устанавливается под углом наклона aj=45o, и производится его нагревание (охлаждение) в рабочем диапазоне температур датчика с одновременным (в пределах быстродействия коммутатора) измерением выходных сигналов Uij и Uiz, пропорциональных импедансам дифференциально и параллельно включенных ортогональных пар электродов. Данные измерения для опытного образца датчика сведены в табл.2. По данным измерения составляется непрерывная зависимость Kij= f(Uiz). Для опытного образца датчика она представлена на фиг.7.The sensor is again installed at an angle of inclination a j = 45 o , and it is heated (cooled) in the operating temperature range of the sensor with simultaneous (within the speed of the switch) measuring output signals U ij and U iz proportional to the impedances of the differential and parallel connected orthogonal electrode pairs . The measurement data for the prototype sensor are summarized in table 2. According to the measurement data, a continuous dependence K ij = f (U iz ) is compiled. For a prototype sensor, it is presented in Fig.7.
Прибор опускается в скважину, и производится во время подъема или спуска непрерывное измерение сигналов Uiz и Uij датчика.The device is lowered into the well, and during the ascent or descent, continuous measurement of the signals U iz and U ij of the sensor is performed.
Составляющая угла наклона скважины определяется по формуле
βij=f(Ki)(Uiz), Uij, или для электрического датчика цилиндрической формы по формуле
βij= arctg.The component of the angle of inclination of the well is determined by the formula
β ij = f (K i ) (U iz ), U ij, or for an electric sensor of cylindrical shape according to the formula
β ij = arctg .
Результаты измерения, аналогичные скважинным, при температуре среды 180оС, окружающей опытный образец датчика, при различных углах его наклона сведены в табл.3. Моделирование скважинных условий выполнено в камере тепла и холода, при этом значение угла наклона аj задано с точностью до одной угловой минуты. Оценка точности и работоспособности способа проведена по сопоставлению погрешности измерения датчиком при t=180oC с основной погрешностью при t=15oC.The measurement results similar to the borehole, at temperatures of 180 C, a prototype environment sensor with different angles of inclination are summarized in Table 3. Well conditions were simulated in a heat and cold chamber, while the value of the angle of inclination aj was set with an accuracy of one arc minute. Evaluation of the accuracy and efficiency of the method is carried out by comparing the measurement error with the sensor at t = 180 o C with the main error at t = 15 o C.
Из сопоставления данных табл.1 и 3 видно, что основная погрешность датчика Δ βαj при нормальной температуре (t=15oC) и погрешность Δ βij при рабочей температуре 180оС небольшие по величине. Они не превышают величины 0,16о. Из основной погрешности может быть выделена систематическая составляющая для учета в результатах измерения. В данном примере случайная погрешность не превысила величины 0,01о.From a comparison of Table 1 and Table 3 data shows that the bulk of the sensor error Δ β αj at normal temperature (t = 15 o C) and the error Δ β ij at an operating temperature of 180 ° C small in magnitude. They do not exceed a value of 0.16 about . From the basic error, a systematic component can be distinguished for inclusion in the measurement results. In this example, the random error did not exceed the value of 0.01 about .
Вычисление зенитного и визирного углов для любого момента времени производится по формулам, аналогичным формулам (1) и (2). The calculation of the zenith and sighting angles for any moment of time is performed according to formulas similar to formulas (1) and (2).
Claims (2)
βij = f (Kij(Uiz) , Uij) ,
где i - момент времени измерения.1. THE METHOD FOR DETERMINING THE ZENIT AND VISIOR WELL ANGLES, including measuring the output signal U j by differential orthogonal pairs of electrodes of the electrolytic sensor along the axes j of its sensitivity, determining the transmission coefficients K j of the sensor by setting it to a known angle β αj , measuring or calculating the orthogonal components of the zenith angle in the conversion function β αj = f (K j , U αj ), determining the basic error of the sensor when it is tilted through the angle α j , measuring the zenith and target angles, or their calculation using trigonometric formulas, characterized in that, in order to increase accuracy when the ambient temperature changes, after installing the sensor at an angle α j , it is heated or cooled in the operating temperature range and measured simultaneously with the output signal U ij of the differential-connected pairs of orthogonal electrodes sensor output signal U iz proportional to the electrical resistance Z i parallel connected orthogonal pair of electrodes, calculate the current value of the transmission coefficients K ij of differentially connected orthogonal pairs of electrodes make up a continuous dependence K ij = f (U iz ) and the orthogonal components of the zenith angle are calculated from it
β ij = f (K ij (U iz ), U ij ),
where i is the instant of measurement.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4935054 RU2017950C1 (en) | 1991-05-06 | 1991-05-06 | Method for determination of well zenith and sight angles |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4935054 RU2017950C1 (en) | 1991-05-06 | 1991-05-06 | Method for determination of well zenith and sight angles |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2017950C1 true RU2017950C1 (en) | 1994-08-15 |
Family
ID=21573872
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4935054 RU2017950C1 (en) | 1991-05-06 | 1991-05-06 | Method for determination of well zenith and sight angles |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2017950C1 (en) |
-
1991
- 1991-05-06 RU SU4935054 patent/RU2017950C1/en active
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
1. Патент СССР N 1119, кл. E 21B 47/022, 1929. * |
2. Авторское свидетельство СССР N 933968, кл. E 21B 47/022, 1982. * |
3. Дейнега Г.А., Никонов В.Г. Разработка датчиков ориентации с улучшенными метрологическими характеристиками. Общество "Знание" УССР, К., 1982 (Автоматика и электроника). * |
4. Кривоносов Р.И. Пластовая наклонометрия скважин. М.: Недра, 1988, с.58-63. * |
5. Кривко Н.Н. и др. Промыслово-геофизическая аппаратура и оборудование. М.: Недра, 1981, с.32-38. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3290786A (en) | Attitude sensing apparatus | |
US4587741A (en) | Ball inclinometer | |
US3442023A (en) | Vertical sensor | |
US4422243A (en) | Dual axis capacitive inclination sensor | |
Chakraborty et al. | Study on further modification of non-contact capacitance type-level transducer for a conducting liquid | |
US2399674A (en) | Alternating current power bridge | |
US2592941A (en) | Apparatus for determining location of bubbles in tubes in level instruments | |
US2544012A (en) | Indicating and control device | |
CN108489628A (en) | A kind of measureing method of high-temperature | |
CN107132417B (en) | A kind of precision resister measurement method of reactive circuit parameter drift | |
US3377861A (en) | Electronic liquid measuring system | |
RU2017950C1 (en) | Method for determination of well zenith and sight angles | |
US3114209A (en) | Level sensor | |
US3612991A (en) | Paramagnetic gas sensor having capacitive position sensing and ac null balancing feedback | |
US6490808B1 (en) | Topographic measuring device | |
US2288310A (en) | Apparatus for geoelectric and seismic investigations | |
US6753678B2 (en) | Voltage detector with improved accuracy | |
GB2427279A (en) | Portable inclinometer comprising a gas heater | |
CN106932023A (en) | Ice body internal stress deformation detecting system and glacier movement assessment system | |
SU1137298A1 (en) | Device for measuring tilt angle | |
US3076885A (en) | Temperature control system for viscous fluid instrumentation | |
SU879434A1 (en) | Thermomagnetic gas analyzer | |
GB2296569A (en) | Electronic spirit level | |
SU1149128A1 (en) | Displacement pickup | |
Anderson et al. | Measurement of electrolyte conductance with a four-electrode alternating current potentiometer |