RU2018647C1

RU2018647C1 - Azimuth transducer of well inclinometer

Info

Publication number: RU2018647C1
Authority: RU
Inventors: И.Г. Сковородников
Original assignee: Уральский горный институт им.В.В.Вахрушева
Priority date: 1991-04-22
Filing date: 1991-04-22
Publication date: 1994-08-30

Abstract

FIELD: measurement of space position of wells. SUBSTANCE: transducer has transparent spherical float 6 with circular magnet 7 and hemispherical plate 8 whose optical density varies in proportion to angular coordinate. Float has rotation shaft coinciding with longitudinal axis of transducer. Light source 2 and photodetector 3 are located on opposite sides of float 6 and displaced from rotation axle of float 6 through angle in the order of 45 deg. Well azimuth is determined by amplitude of output signal of photodetector. EFFECT: higher efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к геологоразведочной технике, точнее к инклинометрам - устройствам для измерения пространственного положения буровых скважин. The invention relates to exploration equipment, more specifically to inclinometers - devices for measuring the spatial position of boreholes.

Известны преобразователи азимута скважинных инклинометров, содержащие магнитную стрелку, положение которой относительно корпуса инклинометра определяется с помощью электронно-оптических преобразователей [1 и 2]. Known azimuth converters of downhole inclinometers containing a magnetic needle, the position of which relative to the body of the inclinometer is determined using electron-optical converters [1 and 2].

Однако этим инклинометрам присуща высокая сложность. However, these inclinometers are characterized by high complexity.

Наиболее простым из устройств этого типа является прототип предлагаемого технического решения - преобразователь азимута из оптоэлектронного инклинометра [3] . Этот преобразователь включает корпус с установленными в нем источником света и фотоприемником, между которыми размещена сферическая камера, вращающая сферический поплавок. Поплавок выполнен из прозрачного материала и содержит кольцевой магнит с явно выраженными полюсами и полусферическую пластинку с оптической плотностью, изменяющейся пропорционально угловой координате, отсчитанной от направления на северный полюс магнита. Центр тяжести поплавка смещен книзу, Пространство между стенками сферической камеры и поплавком заполнено двумя несмешивающимися жидкостями: нижняя жидкость имеет плотность больше, а верхняя - меньше, чем объемная плотность поплавка. Плотность поплавка подбирается так, чтобы она была равна среднему арифметическому от плотности обеих жидкостей. Материал поплавка не смачивается обеими жидкостями. Выполнение этих условий приводит к тому, что сферический поплавок располагается точно в центре сферической камеры. Источник света и фотоприемник размещены вдоль пpодольной оси преобразователя (всего инклинометра). При измерении азимута искривления скважины преобразователь устанавливается в скважине на нужной глубине, поплавок под действием силы тяжести поворачивается около горизонтальной оси так, что плоскость кольцевого магнита занимает горизонтальное положение, а кольцевой магнит разворачивает поплавок около вертикальной оси до тех пор, пока линия полюсов север-юг не расположится по направлению магнитного меридиана. Световой поток от источника попадает на фотоприемник, пройдя через прозрачный сферический поплавок и пластинку переменной оптической плотности. Оптическая плотность пластины на пути светового потока зависит от угла поворота корпуса преобразователя относительно магнитного меридиана. Таким образом по сигналу, вырабатываемому фотопреобразователем, определяют азимутальный угол скважины. The simplest of the devices of this type is the prototype of the proposed technical solution - the azimuth converter from the optoelectronic inclinometer [3]. This converter includes a housing with a light source and a photodetector installed in it, between which a spherical camera is placed, rotating a spherical float. The float is made of a transparent material and contains an annular magnet with pronounced poles and a hemispherical plate with an optical density that varies in proportion to the angular coordinate counted from the direction to the north pole of the magnet. The center of gravity of the float is shifted downward. The space between the walls of the spherical chamber and the float is filled with two immiscible liquids: the lower liquid has a density higher and the upper one less than the bulk density of the float. The density of the float is selected so that it is equal to the arithmetic mean of the density of both liquids. The float material is not wetted by both liquids. The fulfillment of these conditions leads to the fact that the spherical float is located exactly in the center of the spherical chamber. The light source and photodetector are placed along the longitudinal axis of the transducer (the entire inclinometer). When measuring the azimuth of the curvature of the well, the transducer is installed in the well at the desired depth, the float rotates around the horizontal axis under the action of gravity so that the plane of the ring magnet occupies a horizontal position, and the ring magnet turns the float around the vertical axis until the north-south pole line will not be located in the direction of the magnetic meridian. The light flux from the source enters the photodetector, passing through a transparent spherical float and a plate of variable optical density. The optical density of the plate in the path of the light flux depends on the angle of rotation of the transducer housing relative to the magnetic meridian. Thus, the azimuthal angle of the well is determined by the signal generated by the photoconverter.

Этот преобразователь довольно прост по своей конструкции, однако ему присущ недостаток, связанный с тем, что оптическая плотность пластины на пути светового потока зависит не только от азимутального угла скважины, но и от ее зенитного угла. При одном и том же азимутальном угле выходной сигнал фотопреобразователя будет разным при различных зенитных углах. This transducer is quite simple in design, but it has a disadvantage associated with the fact that the optical density of the plate in the path of the light flux depends not only on the azimuth angle of the well, but also on its zenith angle. At the same azimuthal angle, the output of the photoconverter will be different at different zenith angles.

Точность измерений азимутальных углов уменьшается с уменьшением зенитного угла скважины, т.е. по мере уменьшения отклонения продольной оси преобразователя от вертикали. The accuracy of azimuthal angle measurements decreases with a decrease in the zenith angle of the well, i.e. as the deviation of the longitudinal axis of the transducer from the vertical decreases.

Цель изобретения - повышение точности измерения азимута при малых зенитных углах скважины. The purpose of the invention is to improve the accuracy of azimuth measurements at small zenith angles of the well.

Поставленная цель достигается тем, что в известном преобразователе азимута скважинного инклинометра, включающем корпус с установленными в нем источником света и фотоприемником, между которыми размещена сферическая камера, заполненная жидкостью и вмещающая сферический прозрачный поплавок с магнитом и полусферической пластиной, оптическая плотность которой изменяется пропорционально угловой координате, сферический поплавок установлен с возможностью вращения относительно продольной оси преобразователя, а источник света и фотоприемник размещены под углом к оси преобразователя. This goal is achieved by the fact that in the well-known azimuth transducer of a downhole inclinometer, which includes a housing with a light source and a photodetector installed in it, between which there is a spherical chamber filled with liquid and containing a spherical transparent float with a magnet and a hemispherical plate, the optical density of which changes in proportion to the angular coordinate , the spherical float is mounted rotatably relative to the longitudinal axis of the transducer, and the light source and photodetector Nickname placed at an angle to the axis of the transducer.

Установка сферического поплавка с возможностью вращения относительно продольной оси всего преобразователя предотвращает поворот поплавка относительно горизонтальной оси при изменении угла отклонения преобразователя от вертикали. Поплавок может поворачиваться только около продольной оси вращения под действием магнитного поля Земли. Одновременное смещение источника света и фотоприемника относительно оси вращения поплавка приводит к тому, что световой поток проходит через пластину переменной оптической плотности на одном и том же расстоянии от ее центра независимо от угла наклона преобразователя. В результате исключается влияние изменений зенитного угла на результаты измерения азимута, что и обеспечивает достижение цели изобретения. Поскольку положение поплавка в сферической камере определяется осью вращения, то в предложенном устройстве отпадает необходимость заполнять камеру двумя несмешивающимися жидкостями разной плотности, достаточно использовать одну жидкость, плотность которой близка к объемной плотности поплавка. При соблюдении этого условия поплавок оказывается взвешенным в жидкости, что уменьшает нагрузку на опоры оси вращения и обеспечивает свободную ориентировку кольцевого магнита по направлению магнитного меридиана. По этой же причине отпадает необходимость в смещении центра тяжести поплавка книзу. Оптимальным является расположение центра тяжести в центре поплавка. The installation of a spherical float with the possibility of rotation relative to the longitudinal axis of the entire transducer prevents the float from rotating relative to the horizontal axis when the angle of the transducer deviates from the vertical. The float can only rotate around the longitudinal axis of rotation under the influence of the Earth's magnetic field. The simultaneous displacement of the light source and the photodetector relative to the axis of rotation of the float leads to the fact that the light flux passes through the plate of variable optical density at the same distance from its center, regardless of the angle of inclination of the transducer. As a result, the influence of changes in the zenith angle on the azimuth measurement results is excluded, which ensures the achievement of the purpose of the invention. Since the position of the float in the spherical chamber is determined by the axis of rotation, in the proposed device there is no need to fill the chamber with two immiscible liquids of different densities, it is enough to use one liquid whose density is close to the bulk density of the float. If this condition is met, the float is suspended in the liquid, which reduces the load on the supports of the axis of rotation and provides free orientation of the ring magnet in the direction of the magnetic meridian. For the same reason, there is no need to shift the center of gravity of the float down. The optimal location is the center of gravity in the center of the float.

Угол смещения оси источник света - фотоприемник относительно оси вращения поплавка, с точки зрения повышения точности измерений, должен быть достаточно большим, близким к 90^о. Однако при таком расположении источника света и фотоприемника требуется увеличить диаметр всего преобразователя, что, учитывая ограниченные диаметры современных скважин, нежелательно. Максимальный угол между осью вращения поплавка и осью источник света - фотоприемник, при котором не требуется увеличивать диаметр преобразователя, составляет около 45^о.The angle of displacement of the axis of the light source - the photodetector relative to the axis of rotation of the float, from the point of view of increasing the accuracy of measurements, should be sufficiently large, close to 90 ^about . However, with this arrangement of the light source and the photodetector, it is required to increase the diameter of the entire transducer, which, given the limited diameters of modern wells, is undesirable. The maximum angle between the axis of rotation of the float and the axis of the light source is a photodetector, at which it is not necessary to increase the diameter of the converter, is about 45 ^about .

Изучение специальной литературы и патентных источников показывает, что отличительные признаки предложенного устройства не встречаются в известных технических решениях. Это позволяет утверждать, что предложенное устройство удовлетворяет критерию "существенные отличия". A study of the specialized literature and patent sources shows that the distinguishing features of the proposed device are not found in well-known technical solutions. This allows us to argue that the proposed device meets the criterion of "significant differences".

На фиг.1 изображен продольный разрез предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - вид сверху на полусферическую пластину, оптическая плотность которой изменяется пропорционально угловой координате φ; на фиг.3 - график зависимости выходного сигнала фотоприемника от азимутального угла преобразователя. Figure 1 shows a longitudinal section of the proposed Converter; in FIG. 2 is a top view of a hemispherical plate whose optical density varies in proportion to the angular coordinate φ; figure 3 is a graph of the dependence of the output signal of the photodetector on the azimuthal angle of the Converter.

Преобразователь азимута состоит из корпуса 1, в котором установлены источник света 2 и фотоприемник 3. Между источником света 2 и фотоприемником 3 расположена сферическая измерительная камера 4, выточенная в цилиндре 5 из оргстекла. В камере 4 размещен прозрачный сферический поплавок 6, в котором расположен кольцевой магнит 7 с явно выраженными полюсами и полусферическая пластина 8, оптическая плотность которой изменяется пропорционально угловой координате φ, как это условно показано на фиг.2. Сферический поплавок снабжен остриями 9 и 10, благодаря которым он может поворачиваться относительно оси АВ, совпадающей с продольной осью всего преобразователя. Пространство между поплавком 6 и стенками камеры 4 заполнено прозрачной жидкостью 11, плотность которой близка к объемной плотности поплавка. Источник света 2 состоит из лампочки накаливания 12 и конденсора 13. Ось π/2-3 π/2 смещена относительно оси АВ на угол около 45^о. Корпус преобразователя имеет эксцентрично расположенный груз, благодаря которому в скважине преобразователь всегда разворачивается так, чтобы источник света 2 и фотоприемник 3 располагались в вертикальной плоскости, проходящей через ось скважины в точке измерения (так называемая апсидальная плоскость). Этот груз должен располагаться на одной вертикали с фотоприемником 3. На наружной стороне корпуса 1 преобразователя нанесена метка напротив источника света 2. Метка и груз на чертеже не показаны.The azimuth transducer consists of a housing 1, in which a light source 2 and a photodetector 3 are installed. Between the light source 2 and a photodetector 3 there is a spherical measuring chamber 4, machined from plexiglass in the cylinder 5. A transparent spherical float 6 is placed in the chamber 4, in which an annular magnet 7 with pronounced poles and a hemispherical plate 8 are located, the optical density of which changes in proportion to the angular coordinate φ, as is conventionally shown in FIG. 2. The spherical float is equipped with points 9 and 10, due to which it can rotate relative to the axis AB, which coincides with the longitudinal axis of the entire transducer. The space between the float 6 and the walls of the chamber 4 is filled with a transparent liquid 11, the density of which is close to the bulk density of the float. The light source 2 consists of an incandescent bulb 12 and a condenser 13. The axis π / 2-3 π / 2 is offset relative to the axis AB by an angle of about 45 ^about . The transducer housing has an eccentrically located load, thanks to which the transducer is always turned in the well so that the light source 2 and the photodetector 3 are located in a vertical plane passing through the axis of the well at the measurement point (the so-called apsid plane). This load should be located on the same vertical line with the photodetector 3. On the outside of the converter housing 1, a mark is applied opposite the light source 2. The mark and load are not shown in the drawing.

Электрическая схема преобразователя азимута включает стабилизированный источник питания осветителя и измеритель сигнала, снимаемого с фотопреобразователя. The electrical circuit of the azimuth converter includes a stabilized illuminator power source and a signal meter taken from the photoconverter.

Порядок измерений с предложенным преобразователем таков. The measurement procedure with the proposed Converter is as follows.

Перед спуском в скважину преобразователь закрепляют в предварительно сориентированном по сторонам света установочном инклинометрическом столе УСИ-2. Корпус преобразователя в зажимах стола ориентируют меткой на север и придают ему отклонение в 10-20^о от вертикали, нижним концом на север. На лимбе установочного стола в это время установлен отсчет 0^о. Включают питание осветителя и берут отсчет показаний по шкале измерительного прибора, подключенного к выходу фотопреобразователя. Далее меняют ориентировку преобразователя через 10-20^о и при каждой из них снимают показания измерительного прибора. По достижении азимута 360^о строят градиуровочный график (фиг. 3). Затем преобразователь опускают в скважину и проводят измерения либо поточечно с остановками преобразователя через 20-50 м по стволу скважины, либо непрерывно при медленном перемещении преобразователя. В последнем случае в качестве измерительного прибора используют какой-либо из каротажных регистраторов (Н-361, ПАСК-8 или НО65).Before the descent into the well, the transducer is fixed in a pre-oriented installation of the USI-2 inclinometer table. The transducer case in the table clamps is oriented with the label to the north and gives it a deviation of 10-20 ^about from the vertical, with the lower end to the north. On the limb of the installation table at this time, the countdown is set to 0 ^o . They turn on the power of the illuminator and take a readout on the scale of the measuring device connected to the output of the photoconverter. Next, change the orientation ^{of the} transducer 10-20 and each of them take readings of the measuring instrument. Upon reaching azimuth 360 ^about build a graph of the graph (Fig. 3). Then, the transducer is lowered into the well and measurements are taken either pointwise with the transducer stopping 20-50 m along the wellbore, or continuously with the transducer moving slowly. In the latter case, one of the logging loggers (N-361, PASK-8 or HO65) is used as a measuring device.

Повторение градуировки при разных углах наклона преобразователя свидетельствует, что выходной сигнал преобразователя не зависит от его зенитного угла. The repetition of calibration at different angles of inclination of the transducer indicates that the output signal of the transducer is independent of its zenith angle.

Claims

Borehole inclinometer azimuth converter, comprising a housing with a light source and a photodetector installed in it, between which a spherical chamber filled with a transparent liquid and containing a spherical transparent float with a magnet and a hemispherical plate, the optical density of which varies in proportion to the angular coordinate, characterized in that In order to increase the accuracy of azimuth measurement at small zenith angles of the well, a spherical float is installed with the possibility of rotation of the relative about the longitudinal axis of the transducer, and a light source and a photodetector placed at an angle to the axis of the transducer.