RU2095563C1

RU2095563C1 - Gyroscopic inclinometer

Info

Publication number: RU2095563C1
Application number: RU95112144A
Authority: RU
Inventors: Л.Н. Белянин; А.Н. Голиков; В.М. Мартемьянов; С.Н. Самойлов
Original assignee: Томский политехнический университет
Priority date: 1995-07-13
Filing date: 1995-07-13
Publication date: 1997-11-10
Also published as: RU95112144A

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: this relates to devices for determining spacious position of bore-hole axis. Gyroscopic inclinometer has ground surface equipment and down hole instrument connected to ground surface equipment by logging cable. Installed in aforesaid instrument is three-degree-of-freedom gyroscope having main axis levelling system. At large zenith angles, performed is changing of gyroscope sensitivity axes to obtain information for determining change of azimuth of deviation plane by means of angle sensor installed along internal axis of gyroscope. Cycle of measuring in mode of large zenith angles is performed at setting outer frame of gyroscope to vertical plane according to information from sensors of apsidal angle and angle of outer frame turning by means of outer frame detent and moment sensor located along outer axis. Transfer of gyroscope to operation at large zenith angles is effected by gyroscope control unit. This resulted in wider potentialities of inclinometer operation in wells with large zenith angles and also in horizontal wells. EFFECT: high efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к приборам и системам для определения пространственного положения оси буровых скважин, более конкретно к гироскопическим инклинометрам, способным производить измерения, в том числе, и в горизонтальных буровых скважинах. The invention relates to instruments and systems for determining the spatial position of the axis of boreholes, and more particularly to gyroscopic inclinometers capable of making measurements, including in horizontal boreholes.

Чаще всего гироскопический инклинометр с проводным каналом связи состоит из наземной аппаратуры и скважинного прибора, связанных каротажным кабелем. В скважинных приборах таких инклинометров используются гироскопическите датчики, различающиеся по конструкции и по виду измеряемых параметров движения. В настоящее время начали широко применяться в качестве чувствительных элементов скважинных приборов гироскопические датчики угловой скорости /1/. Замеряя при неподвижном скважинном приборе компоненты угловой скорости вращения Земли, датчики угловой скорости выдают информацию в вычислитель, где она обрабатывается по соответствующим алгоритмам совместно с информацией датчиков зенитного и апсидального углов, и в конечном итоге вычислитель определяет инклинометрические параметры данной точки скважины. Несмотря на несомненные преимущества, в частности, автономную привязку к географическому Северу, работа с таким прибором возможна только в точечном режиме измерений, который недостаточно производителен, так как каждый цикл измерений требует необходимое время для разгона ротора гироскопического датчика и его торможения после проведения измерений. Most often, a gyroscopic inclinometer with a wired communication channel consists of ground equipment and a downhole tool connected by a wireline cable. In downhole instruments of such inclinometers, gyroscopic sensors are used that differ in design and in the type of measured motion parameters. At present, gyroscopic angular velocity sensors / 1 / have begun to be widely used as sensitive elements of downhole tools. When measuring the components of the angular velocity of the Earth’s rotation with a stationary downhole tool, the angular velocity sensors provide information to the calculator, where it is processed according to the appropriate algorithms together with the information of the zenith and apsidal angle sensors, and ultimately, the calculator determines the inclinometric parameters of this well point. Despite the undoubted advantages, in particular, autonomous reference to the geographic North, operation with such a device is possible only in the spot measurement mode, which is not productive enough, since each measurement cycle requires the necessary time to accelerate the gyro sensor rotor and slow it down after taking measurements.

Более производительными являются инклинометры, содержащие в скважинном приборе трехстепенные гироскопы с внешней осью, направленной по продольной оси скважинного прибора. Эти гироскопические датчики могут работать при непрерывном движении скважинного прибора. Главная ось такого гироскопа сохраняет неизменным свое положение в пространстве, что дает возможность в любой момент времени по информации, снимаемой с датчика угла по внешней оси гироскопа, а также информации датчиков зенитного и апсидального углов рассчитать азимут плоскости наклонения скважины /2/. Для качественной работы такого гироскопического датчика необходимо обеспечить расположение главной оси гироскопа в горизонтальной плоскости, что достигается применением системы нивелирования главной оси. Наиболее эффективны электромеханические системы нивелирования, состоящие из маятникового чувствительного элемента, установленного по внутренней оси гироскопа, и датчика момента, установленного по внешней оси. Гироскопический инклинометр, содержащий в составе скважинного прибора трехстепенный гироскоп с подобной системой нивелирования, выбран в качестве прототипа /3/. Маятниковый чувствительный элемент выдает электрический сигнал, пропорциональный углу отклонения главной оси от плоскости горизонта; этот сигнал поступает на датчик момента, расположенный по внешней оси, который развивает момент такого знака, что гироскоп прецессирует в сторону уменьшения угла отклонения главной оси от плоскости горизонта. More productive are inclinometers containing three-step gyroscopes in the downhole tool with an external axis directed along the longitudinal axis of the downhole tool. These gyroscopic sensors can operate with continuous movement of the downhole tool. The main axis of such a gyroscope maintains its position in space unchanged, which makes it possible at any time to calculate the azimuth of the inclination plane of the well / 2 / from the information taken from the angle sensor along the external axis of the gyroscope, as well as information from the anti-aircraft and apsidal angle sensors. For the high-quality operation of such a gyroscopic sensor, it is necessary to ensure the location of the main axis of the gyroscope in the horizontal plane, which is achieved by using the leveling system of the main axis. The most effective electromechanical leveling systems, consisting of a pendulum sensing element mounted on the internal axis of the gyroscope, and a torque sensor mounted on the external axis. A gyroscopic inclinometer containing a three-stage gyroscope with a similar leveling system as part of a downhole tool is selected as a prototype / 3 /. The pendulum sensing element generates an electrical signal proportional to the angle of deviation of the main axis from the horizon plane; this signal is transmitted to a torque sensor located on the external axis, which develops a moment of such a sign that the gyroscope precesses in the direction of decreasing the angle of deviation of the main axis from the horizontal plane.

Недостатком такого гироскопического инклинометра является возможность нарушения работы трехстепенного гироскопа при больших зенитных углах скважины. При неизменном положении главной оси относительно плоскости горизонта и увеличении зенитного угла скважины происходит отклонение перпендикулярного положения к плоскости внешней рамки от главной оси гироскопа. При этом происходит уменьшение эффективного значения кинетического момента гироскопа (в частности, при наклоне скважинного прибора вокруг оси, совпадающей с внутренней осью гироскопа, это уменьшение происходит по закону H_o•cosβ где b зенитный угол скважины), что заметно сказывается на точности работы прибора. При больших зенитных углах внутренняя рамка либо ложится на упоры, либо ее плоскость начинает совмещаться с плоскостью внешней рамки (происходит "сложение рамок"); в обоих случаях гироскоп теряет свойство удерживать свою главную ось неизменной в пространстве и происходит потеря информации, на основании которой рассчитывается азимут плоскости наклонения. Указанное ограничение по использованию трехстепенного гироскопа существенно снижает диапазон применения гироскопического инклинометра, так как в настоящее время парк скважин, имеющих горизонтальные участки траектории оси, возрастает.The disadvantage of such a gyroscopic inclinometer is the possibility of disruption of the three-stage gyro at large zenith angles of the well. When the main axis remains unchanged relative to the horizon plane and the zenith angle of the well increases, the perpendicular position deviates to the plane of the outer frame from the main axis of the gyroscope. In this case, the effective value of the kinetic moment of the gyroscope decreases (in particular, when the downhole tool is tilted around an axis that coincides with the internal axis of the gyroscope, this decrease occurs according to the law H _o • cosβ where b is the zenith angle of the well), which significantly affects the accuracy of the device. At large zenith angles, the inner frame either rests on the stops, or its plane begins to coincide with the plane of the outer frame (there is a "folding of frames"); in both cases, the gyroscope loses the ability to keep its main axis unchanged in space and information is lost, on the basis of which the azimuth of the inclination plane is calculated. The indicated restriction on the use of a three-stage gyroscope significantly reduces the range of application of the gyroscopic inclinometer, since at present the fleet of wells having horizontal sections of the axis trajectory is increasing.

Целью изобретения является расширение диапазона зенитных углов скважин, при которых возможно измерение азимута плоскости наклонения с помощью трехстепенного гироскопа и расширение за счет этого сферы применения гироскопического инклинометра. The aim of the invention is to expand the range of zenith angles of wells, in which it is possible to measure the azimuth of the inclination plane using a three-stage gyroscope and to expand due to this scope of application of the gyroscopic inclinometer.

Указанная цель достигается тем, что гироскопический инклинометр, состоящий из наземной аппаратуры и скважинного прибора, содержащего датчики зенитного и апсидального углов, а также трехстепенный гироскоп с маятниковой системой нивелирования, дополняется соответствующими элементами, позволяющими осуществить перемену осей чувствительности гироскопа при работе скважинного прибора при больших зенитных углах. Для этого в состав трехстепенного гироскопа вводятся датчик угла по внутренней оси, арретир внутренней рамки, переключатель режима работы датчика, момента, выключатель этого датчика момента, при этом выходы всех датчиков углов связаны с наземной аппаратурой. Сигналы, с помощью которых производятся подключения датчика момента и арретира, вырабатываются блоком управления гироскопом, который в свою очередь управляется задатчиком режимов работы гироскопа. При переключении осей чувствительности гироскопа основная информация, необходимая для определения азимута плоскости наклонения скважины, поступает с датчика угла по внутренней оси при условии, что плоскость внешней рамки гироскопа будет совмещена с вертикальной плоскостью. В таком случае изменение азимута плоскости наклонения будет фиксироваться измерением угла поворота внешней рамки гироскопа вместе с корпусом скважинного прибора относительно внутренней рамки, удерживаемой в пространстве вращающимся ротором. Эффективность замера изменения угла азимута плоскости наклонения, лежащего в горизонтальной плоскости, зависит от отклонения внутренней оси гироскопа (плоскости внешней рамки) от вертикальной плоскости, поэтому с гироскопом связана система приведения внешней рамки в вертикальную плоскость. В состав упомянутой системы входит датчик момента по внешней оси гироскопа, переключатель режимов работы датчика момента, выключатель датчика момента и арретир внутренней рамки гироскопа. Осуществление переключения режимов работы гироскопа производится по командам блока управления, который в свою очередь управляется задатчиком режима работы гироскопа. При измерении в скважине с малыми зенитными углами гироскоп использует систему нивелирования, при этом электрическая энергия от схемы питания датчика момента поступает на последний через маятниковый чувствительный элемент; при переключении на режим работы гироскопа с большими зенитными углами энергия на датчик момента также поступает с упомянутой схемы питания, но через последовательно включенные выключатель датчика момента и переключатель режимов работы датчика момента. This goal is achieved by the fact that the gyroscopic inclinometer, consisting of ground-based equipment and a downhole tool containing zenith and apsidal angle sensors, as well as a three-stage gyroscope with a pendulum leveling system, is supplemented by appropriate elements that allow changing the gyro sensitivity axes during operation of the downhole tool with large anti-aircraft corners. For this, a three-stage gyroscope introduces an angle sensor along the internal axis, an arrestor of the internal frame, a switch for the sensor’s operating mode, a moment, a switch for this moment sensor, and the outputs of all the angle sensors are connected to ground-based equipment. The signals with which the torque sensor and the arrestor are connected are generated by the gyroscope control unit, which in turn is controlled by the dial of the gyroscope operating modes. When switching the axes of sensitivity of the gyroscope, the basic information necessary to determine the azimuth of the inclination plane of the well comes from the angle sensor along the internal axis, provided that the plane of the outer frame of the gyroscope is aligned with the vertical plane. In this case, the change in the azimuth of the inclination plane will be recorded by measuring the angle of rotation of the outer frame of the gyroscope together with the body of the downhole tool relative to the inner frame held in space by the rotating rotor. The efficiency of measuring the change in the azimuth angle of the inclination plane lying in the horizontal plane depends on the deviation of the gyroscope's internal axis (the plane of the outer frame) from the vertical plane; therefore, a system for bringing the outer frame into the vertical plane is connected with the gyroscope. The structure of the mentioned system includes a torque sensor along the external axis of the gyroscope, a switch of the operating modes of the torque sensor, a torque sensor switch and an arrestor of the inner frame of the gyroscope. The switching of the gyroscope operating modes is carried out according to the commands of the control unit, which in turn is controlled by the dial of the gyroscope operating mode. When measuring in a borehole with small zenith angles, the gyroscope uses a leveling system, while the electric energy from the power supply circuit of the torque sensor enters the latter through the pendulum sensing element; when switching to the operation mode of the gyroscope with large zenith angles, the energy to the torque sensor also comes from the aforementioned power circuit, but through the torque sensor switch and the torque sensor operating mode switch.

На чертеже дано устройство предлагаемого гироскопического инклинометра. The drawing shows the device of the proposed gyroscopic inclinometer.

Скважинный прибор 1 связан с наземной аппаратурой 2 каротажным кабелем 3. Трехстепенный гироскоп 4 имеет датчик момента 5 по внешней оси, датчики угла по внешней оси 6 и по внутренней оси 7. В режиме исследования скважин с малыми зенитными углами датчик момента 5 управляется маятниковым чувствительным элементом 8, который связан со схемой питания датчика момента 9. Все операции по переключению режимов работы гироскопа осуществляются по командам блока управления 10, который в свою очередь управляется задатчиком режимов работы гироскопа 11. Командный сигнал на переключение режима работы гироскопа приходит на задатчик режимов 11 по каротажному кабелю с наземной аппаратуры 2. Задатчик режимов работы гироскопа 11 управляет также переключателем режимов работы датчика момента 12. Отключение датчика момента 5 производится по командам блока управления 10 выключателем датчика момента 13. На внешней рамке гироскопа установлен арретир 14 внутренней рамки, который по сигналу блока управления 10 осуществляет приведение главной оси гироскопа в положение, перпендикулярное плоскости внешней рамки и удержание ее в этом положении. Для определения положения плоскости внешней рамки гироскопа относительно вертикальной плоскости на блок управления 10 подается сигнал с датчика апсидального угла 15. The downhole tool 1 is connected to the ground equipment 2 by a logging cable 3. The three-stage gyroscope 4 has a torque sensor 5 along the external axis, angle sensors along the external axis 6 and along the internal axis 7. In the well exploration mode with small zenith angles, the torque sensor 5 is controlled by a pendulum sensing element 8, which is connected with the power supply circuit of the torque sensor 9. All operations for switching the gyroscope operating modes are carried out according to the commands of the control unit 10, which in turn is controlled by the dial of the gyroscope 11. Another signal for switching the gyroscope operating mode comes to the mode dial 11 via a logging cable from ground equipment 2. The gyroscope mode dial 11 also controls the torque sensor operating mode switch 12. The torque sensor 5 is disconnected by the commands of the control unit 10 by the torque sensor switch 13. On an external frame of the gyroscope is equipped with an arrestor 14 of the internal frame, which, by the signal of the control unit 10, brings the main axis of the gyroscope to a position perpendicular to the plane of the external frame and keeping her in that position. To determine the position of the plane of the outer frame of the gyroscope relative to the vertical plane, a signal from the apsidal angle sensor 15 is supplied to the control unit 10.

Гироскопический инклинометр работает следующим образом. Gyroscopic inclinometer works as follows.

При малых зенитных углах с наземной аппаратуры 2 поступает соответствующий командный сигнал на задатчик режимов работы гироскопа 11. При этом последний подключает посредством переключателя режимов работы датчика момента 12 ко входу датчика момента 5 маятниковый чувствительный элемент 8. Данная схема соответствует схеме, используемой в конструкции гироскопического инклинометра прототипа. При достижении определенного значения зенитного угла движение скважинного прибора по скважине прекращается, с помощью наземной аппаратуры 2 на задатчик режимов работы гироскопа 11 подается командный сигнал с целью переключения режима работы гироскопа. Одновременно с этим в память вычислителя наземной аппаратуры заносится последнее рассчитанное значение азимута плоскости наклонения, соответствующее той точке скважины, где была подана команда на переключение режима работы гироскопа. Это значение будет исходным для определения азимута при движении скважинного прибора по участку с большим значением зенитного угла. Выходной сигнал задатчика режимов работы гироскопа 11 с помощью переключателя режимов работы датчика момента 12 отключает маятниковый чувствительный элемент 8 от датчика момента 5, при этом разрывается цепь системы нивелирования гироскопа, а датчик момента подключается к цепи, которая будет управлять им при работе в режиме больших зенитных углов. Одновременно с этим задатчик режимов работы гироскопа 11 подает сигнал на блок управления гироскопом 10. Последний включает арретир 14, который приводит главную ось в положение, перпендикулярное внешней рамке, и механически соединяет внешнюю и внутреннюю рамки гироскопа. Затем блок управления 10, управляя выключателем 13, подает напряжение на датчик момента и вырабатываемый последним момент вращает заарретированный гироскоп как обычное инерционное тело. При этом вращении с датчика угла 6 снимается сигнал, соответствующий углу относительного поворота внешней рамки гироскопа и корпуса скважинного прибора, затем этот сигнал поступает на вход блока управления 10, где сравнивается с сигналом датчика апсидального угла 15, определяющим угловое положение скважинного прибора относительно его плоскости наклонения. Как только блок управления 10 определит, что угол поворота внешней рамки гироскопа и апсидальный угол равны по величине и имеют противоположные знаки (условие, что плоскость внешней рамки совместилась с вертикальной), блок управления 10 выдает команду на отключение арретира 14, механическое сцепление внутренней и внешней рамок гироскопа прекращается (трехстепенный гироскоп восстанавливает свои свойства), вращение внешней рамки гироскопа под действием датчика момента 5 прекращается. Одновременно с этим блок управления 10 подает сигнал на выключатель датчика момента 13, который в свою очередь отключает питание датчика момента 5. В результате перечисленных выше операций получен свободный трехстепенный гироскоп, плоскость внешней рамки которого лежит в вертикальной плоскости, а главная ось находится в плоскости горизонта. Гироскопический инклинометр подготовлен для работы на участке скважины с большим зенитным углом. При движении скважинного прибора с датчика угла 7, установленного по внутренней оси гироскопа, снимается информация, с использованием которой рассчитывается значение изменения начального азимута плоскости наклонения, и которое затем алгебраически суммируется с последним. В конце цикла проведения измерений на отдельном участке скважины наземный вычислитель запоминает конечное значение азимута плоскости наклонения, которое для последующего цикла измерений будет являться начальным. При необходимости проведения замеров последующего участка скважины с наземной аппаратуры на задатчик режимов работы гироскопа 11 вновь подается соответствующий сигнал: если скважина имеет большие зенитные углы, то происходит последовательное проведение операций, описанное выше; при исследовании скважины с меньшими зенитными углами задатчик режимов работы гироскопа 11 подключает посредством переключателя режимов работы 12 к датчику момента 5 маятниковый чувствительный элемент 8. At small zenith angles, the corresponding command signal is sent from the ground equipment 2 to the gyroscope operating mode dial 11. The latter connects the pendulum sensing element 8 to the input of the torque sensor 5 via the moment sensor 12 operating modes. This circuit corresponds to the circuit used in the design of the gyroscopic inclinometer prototype. When a certain value of the zenith angle is reached, the movement of the downhole tool along the well is stopped, with the help of ground equipment 2, a command signal is supplied to the gyroscope operating mode dial 11 to switch the gyroscope operation mode. At the same time, the last calculated azimuth value of the inclination plane corresponding to the point of the well where the command to switch the gyroscope operation mode was entered is stored in the memory of the ground equipment calculator. This value will be the initial one for determining the azimuth when moving the downhole tool along a section with a large value of the zenith angle. The output signal of the master of the gyroscope operating modes 11 using the switch of the operating modes of the torque sensor 12 disconnects the pendulum sensing element 8 from the torque sensor 5, while the circuit of the gyro leveling system is broken, and the torque sensor is connected to the circuit that will control it when operating in large anti-aircraft mode corners. At the same time, the mode dial of the gyroscope 11 supplies a signal to the gyroscope control unit 10. The latter includes an arrestor 14, which brings the main axis to a position perpendicular to the external frame and mechanically connects the external and internal gyroscope frames. Then, the control unit 10, controlling the switch 13, supplies voltage to the torque sensor and the last moment generated rotates the locked gyroscope like a normal inertial body. In this rotation, the signal corresponding to the angle of the relative rotation of the outer frame of the gyroscope and the downhole tool body is taken from the angle sensor 6, then this signal is fed to the input of the control unit 10, where it is compared with the signal of the apsid angle sensor 15, which determines the angular position of the downhole tool relative to its inclination plane . As soon as the control unit 10 determines that the angle of rotation of the outer frame of the gyroscope and the apsidal angle are equal in magnitude and have opposite signs (the condition that the plane of the external frame is aligned with the vertical), the control unit 10 issues a command to turn off the arrestor 14, mechanical coupling of the internal and external the scope of the gyroscope stops (a three-stage gyroscope restores its properties), the rotation of the outer frame of the gyroscope under the action of the moment sensor 5 stops. At the same time, the control unit 10 supplies a signal to the switch of the torque sensor 13, which in turn disconnects the power of the torque sensor 5. As a result of the above operations, a free three-stage gyroscope is obtained, the plane of the outer frame of which lies in the vertical plane, and the main axis is in the horizontal plane . A gyroscopic inclinometer is prepared for operation at a well site with a large zenith angle. When the downhole tool moves from an angle sensor 7 installed along the inner axis of the gyroscope, information is taken using which the value of the change in the initial azimuth of the inclination plane is calculated, and which is then algebraically summed with the latter. At the end of the measurement cycle in a separate section of the well, the ground computer remembers the final azimuth of the inclination plane, which will be the initial one for the next measurement cycle. If it is necessary to measure the subsequent section of the well from the ground equipment, the corresponding signal is again sent to the gyroscope operating mode dial 11: if the well has large zenith angles, then the sequential operations described above are performed; when examining a well with smaller zenith angles, the gyroscope operating mode dial 11 connects the pendulum sensing element 8 to the moment sensor 5 via the operating mode switch 12.

Вариант технической реализации блока управления гироскопом - микропроцессор, входящий в состав элементов скважинного прибора и осуществляющий управление приведенной выше последовательностью операций. A variant of the technical implementation of the gyroscope control unit is a microprocessor, which is part of the downhole tool elements and controls the above sequence of operations.

Claims

Gyroscopic inclinometer, including ground equipment and a downhole tool connected to it by a wireline cable, comprising zenith and apsidal angle sensors, a three-stage gyroscope with a pendulum sensing element along the inner axis and angle and moment sensors on the outer axis directed along the longitudinal axis of the downhole tool, sensor power supply moment, while the outputs of all angle sensors are connected to ground equipment, characterized in that a gyroscope operating mode adjuster, a control unit are introduced into the downhole tool a gyroscope, a torque sensor switch and a torque sensor operating mode switch, an arrester of the inner frame, the first, second and third inputs of the control unit are connected respectively to the apsal angle sensor output, the setter output and the output of the angle sensor of the gyroscope external axis, and the first and second block outputs controls are connected respectively to the input of the arrestor of the inner frame of the gyroscope and to the control input of the switch, the output of which is connected to the first input of the switch, and connected to the second input of the switch nen pendulum sensor element Cotorro input connected to the output of the torque sensor power supply circuit, which is also connected to the output from the switch input, the input torque sensor connected to the switch output, a control input coupled to an output setpoint, the input of which is connected to surface equipment.