RU2101487C1

RU2101487C1 - Gyroscopic inclinometer without gimbal and method of its using

Info

Publication number: RU2101487C1
Application number: RU94045552A
Authority: RU
Inventors: Ю.М. Андрианов; О.Д. Богомолов; В.М. Вечтомов; Н.В. Герасимов; Ю.Б. Люсин; Л.И. Пензин; Г.Г. Пуляевский; В.Ф. Сабаев; В.А. Саенко; М.В. Чичинадзе; И.Ш. Шульман
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт "Дельфин"
Priority date: 1994-12-29
Filing date: 1994-12-29
Publication date: 1998-01-10
Also published as: RU94045552A

Abstract

FIELD: oil and gas production industry. SUBSTANCE: this is for checking direction of drill-hole or position of drilling tool in process of drilling. In operation of instrument, measured are values of seeming accelerations and projections of angular velocity in axes of instrumental trihedron by means of three single-axis accelerometers and two three-stage gyroscopes installed in body of inclinometer and rigidly connected with it. Gyroscope output signals are amplified and converted together with output signals of accelerometers into code. These signals are corrected depending on temperature inside inclinometer body. Determined are values of inclinometric angles by means of computer located in inclinometer body. These values are coded and transmitted to day surface through communication link. Computer inputs are connected with outputs of accelerometers, temperature sensor and gyroscope angle sensors through pre-amplifiers, and outputs are connected through code-current converters with corresponding sensors of gyroscope moments. All amplifiers and converters are accommodated inside body of instrument. This allows for drilling without stops, simplifies design and reducers dimensions of instrument, widens potentialities of its use in narrow bore-holes. EFFECT: high efficiency. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной аппаратуре, которая предназначена для контроля за траекторией ствола скважины или за положением бурильного инструмента относительно окружающего пространства при бурении скважин в процессе их строительства в нефтяной и газовой промышленности. The invention relates to measuring equipment, which is designed to control the trajectory of the wellbore or the position of the drilling tool relative to the surrounding space when drilling wells during construction in the oil and gas industry.

В настоящее время в мировой практике наиболее широко распространены инклинометры, которые для измерения зенитного угла (наклона оси скважины относительно вертикали) используют акселерометры или маятниковые индикаторы горизонта, а для определения азимута (угла отклонения от меридиана) магнитные или гироскопические компасы [1]
Недостатком магнитных инклинометров является невысокая точность измерения углов из-за подверженности влиянию магнитных масс бурильных труб и магнитных аномалий окружающей породы, ухудшающих точность определения азимута, которая особенно необходима, например, при кустовом и направленном бурении.Currently, inclinometers are the most widespread in the world, which use accelerometers or pendulum indicators of the horizon to measure the zenith angle (inclination of the axis of the well relative to the vertical), and magnetic or gyroscopic compasses to determine the azimuth (angle of deviation from the meridian [1]
The disadvantage of magnetic inclinometers is the low accuracy of measuring angles due to exposure to magnetic masses of drill pipes and magnetic anomalies of the surrounding rock, which worsen the accuracy of azimuth determination, which is especially necessary, for example, in cluster and directional drilling.

В качестве прототипа, наиболее близкого по своим техническим решениям к предлагаемому изобретению, выбран гироскопический инклинометр, содержащий два трехстепенных гироскопа и три одноосных акселерометра, жестко закрепленных в сенсорном блоке, который подвешен в карданном кольце со следящей системой стабилизации, отрабатывающей в ноль его положение вокруг продольной оси инклинометра [2]
Способ вычисления углов в этом инклинометре заключается в счислении величин зенитного угла и азимута по известным алгоритмам инерциальной навигации, использующим выходные данные гироскопов и акселерометров, кодировании этих данных и передачи их по кабелю в компьютер, находящийся на поверхности, который производит все вычисления. В процессе измерения углов регулярно проводятся кратковременные остановки инклинометра, во время которых происходит автоматическая коррекция его выходных данных.A gyroscopic inclinometer containing two three-stage gyroscopes and three uniaxial accelerometers rigidly mounted in the sensor unit, which is suspended in a cardan ring with a tracking stabilization system that fulfills to zero its position around the longitudinal, is selected as the prototype closest in technical solutions to the proposed invention. inclinometer axis [2]
The method of calculating the angles in this inclinometer consists in calculating the values of the zenith angle and azimuth according to the known inertial navigation algorithms using the output data of gyroscopes and accelerometers, encoding these data and transferring them via cable to a computer located on the surface that performs all the calculations. In the process of measuring angles, short-term stops of the inclinometer are regularly held, during which automatic correction of its output data takes place.

Основным недостатком прототипа гироскопического инклинометра и способа вычисления его углов является невозможность его использования в процессе бурения в качестве телеметрической системы (MWD-системы) из-за необходимости кабельной связи между датчиками инклинометра и компьютером, находящимся на поверхности. Прототипу, как любой гироскопической инерциальной системе, свойственно нарастание ошибок во времени, что накладывает определенные, достаточно жесткие границы по времени ее использования для съемки скважин и обуславливает необходимость регулярных остановок инклинометра в процессе измерений для проведения коррекций. Наличие одноосного карданного подвеса с приводом усложняет конструкцию системы и увеличивает габариты, что снижает ее надежность и ограничивает ее применение в узких скважинах. The main disadvantage of the gyroscopic inclinometer prototype and the method of calculating its angles is the impossibility of using it as a telemetry system (MWD system) during drilling due to the need for cable communication between the inclinometer sensors and a computer located on the surface. The prototype, like any gyroscopic inertial system, is characterized by an increase in time errors, which imposes certain, rather rigid boundaries on the time of its use for surveying wells and necessitates regular stops of the inclinometer in the measurement process for corrections. The presence of a uniaxial gimbal with a drive complicates the design of the system and increases its dimensions, which reduces its reliability and limits its use in narrow wells.

Заявляемое изобретение лишено указанных недостатков, так как обеспечивает определение направления ствола скважины и положения бурильного инструмента в процессе бурения, не требует при измерениях даже кратковременных остановок и не имеет в инклинометре одноосного карданного подвеса с приводом. The claimed invention is devoid of these drawbacks, as it provides a determination of the direction of the wellbore and the position of the drilling tool during drilling, does not require even short stops during measurements, and does not have a uniaxial gimbal with a drive in the inclinometer.

Предлагаемое устройство представляет собой бескарданный гироскопический инклинометр, содержащий корпус, в котором имеются два трехстепенных гироскопа и три одноосных акселерометра, а также установлены датчик температуры и цифровой вычислитель. Существенные отличия предлагаемого устройства инклинометра от известного прототипа состоят в том, что:
гироскопы и акселерометры установлены в корпусе и жестко с ним связаны;
вычислитель размещен в корпусе инклинометра;
дополнительно в корпусе инклинометра размещены предварительные усилители, преобразователи напряжение код, преобразователи код ток, при этом,
выходы датчиков углов гироскопов соединены со входами предварительных усилителей, выходы которых соединены со входами преобразователей напряжение - код, а выходы преобразователей напряжение код соединены со входами вычислителя; выходы акселерометров соединены со водами преобразователей напряжение код, выходы которых соединены со входами вычислителя; выходы вычислителя соединены со входами преобразователей код ток, выходы которых соединены с соответствующими датчиками моментов гироскопов;
выход датчика температуры соединен со входом преобразователя напряжение код, выход которого соединен со входом вычислителя.The proposed device is a gimballess gyroscopic inclinometer containing a housing in which there are two three-stage gyroscopes and three uniaxial accelerometers, as well as a temperature sensor and a digital computer. Significant differences of the proposed device inclinometer from the known prototype are that:
gyroscopes and accelerometers are installed in the housing and are rigidly connected with it;
the calculator is placed in the body of the inclinometer;
in addition, pre-amplifiers, voltage code converters, current code converters are placed in the inclinometer case, while
the outputs of the angle sensors of the gyroscopes are connected to the inputs of the preliminary amplifiers, the outputs of which are connected to the inputs of the voltage-code converters, and the outputs of the voltage-code converters are connected to the inputs of the calculator; the outputs of the accelerometers are connected to the waters of the voltage code converters, the outputs of which are connected to the inputs of the calculator; the outputs of the calculator are connected to the inputs of the code-current converters, the outputs of which are connected to the corresponding moment sensors of the gyroscopes;
the output of the temperature sensor is connected to the input of the voltage code converter, the output of which is connected to the input of the calculator.

Предлагаемый способ выработки инклинометрических углов заключается в том, что сначала величины зенитного угла, азимута и угла положения отклонителя вычисляют и кодируют в инклинометре, затем передают их по каналу связи любого типа на поверхность Земли, где преобразуют к виду, удобному для отображения на дисплее или принтере. При этом цифровой вычислитель инклинометра согласно изобретению выполняет следующие операции:
корректирует выходные сигналы гироскопов, работающих в режиме измерения угловой скорости, и акселерометров в зависимости от температуры внутри корпуса инклинометра;
вычисляет величины трех углов взаимного положения трехгранника, связанного с корпусом инклинометра, относительно географического трехгранника в зависимости от сигнала акселерометра с осью чувствительности, параллельной продольной оси инклинометра;
счисляет грубые значения углов взаимного положения трехгранников по сигналам измерений, производимых акселерометрами, и сигналам измерений проекций угловой скорости, производимых гироскопами, путем алгебраических и тригонометрических преобразователей;
счисляет точные значения углов взаимного положения трехгранников по сигналам акселерометров и сигналам измерений проекций угловой скорости путем интегрирования системы дифференциальных уравнений типа Пуассона, при этом грубые значения углов используются как в качестве начальных условий, так и для формирования дополнительных слагаемых в правых частях системы дифференциальных уравнений;
счисляет зенитный угол, азимут инклинометра и угол положения отклонителя по величинам точных значений углов взаимного положения трехгранников.The proposed method for generating inclinometric angles is that first the values of the zenith angle, azimuth and position angle of the deflector are calculated and encoded in an inclinometer, then they are transmitted via any type of communication channel to the Earth’s surface, where they are converted to a form convenient for display on a display or printer . In this case, the digital calculator of the inclinometer according to the invention performs the following operations:
corrects the output signals of gyroscopes operating in the mode of measuring angular velocity and accelerometers depending on the temperature inside the inclinometer body;
calculates the values of the three angles of the relative position of the trihedron associated with the inclinometer body relative to the geographic trihedron depending on the accelerometer signal with a sensitivity axis parallel to the longitudinal axis of the inclinometer;
calculates rough values of the angles of the relative position of the trihedra according to the measurement signals produced by the accelerometers and the measurement signals of the projections of the angular velocity produced by the gyroscopes by means of algebraic and trigonometric transducers;
calculates the exact values of the angles of the relative position of the trihedra according to the accelerometer signals and the measurement signals of the projections of the angular velocity by integrating a system of differential equations of Poisson type, while rough values of the angles are used both as initial conditions and for the formation of additional terms on the right-hand sides of the system of differential equations;
calculates the zenith angle, inclinometer azimuth, and the divergence angle by the values of the exact values of the angles of the relative position of the trihedra.

Предлагаемое устройство бескарданного гироскопического инклинометра и способ выработки углов зенитного угла, азимута и угла положения отклонителя, используемый в нем, обладает практической возможностью выполнять свои функции как в качестве каротажного инклинометра (при кабельной связи забой устье), так и в составе телеметрической забойной системы (MWD-системы) в процессе бурения скважины с беспроводным каналом связи любого типа предпочтительно при турбинном бурении. The proposed device is a gimballess gyroscopic inclinometer and a method for generating zenith angle, azimuth, and diverter angle used in it, has the practical ability to perform its functions both as a logging inclinometer (for cable communication, the mouth of the mouth) and as part of a telemetric downhole system (MWD -systems) while drilling a well with a wireless communication channel of any type, preferably during turbine drilling.

Исключение из конструкции одноосного кардана со следящим приводом упрощает устройство инклинометра и позволяет уменьшить его наружный диаметр, что расширяет возможности его применения в том числе и в более узких скважинах и повышает надежность его работы. An exception to the design of a uniaxial cardan with a follower drive simplifies the design of the inclinometer and reduces its outer diameter, which expands the possibilities of its application, including in narrower wells, and increases the reliability of its operation.

Применение цифрового вычислителя, встроенного в корпус инклинометра, обеспечивает:
повышение точности измерения инклинометрических углов за счет более точного управления гироскопами и осуществления температурной коррекции показаний гироскопов и акселерометров,
повышение скорости и надежности передачи информации на поверхность Земли при беспроводном канале связи за счет сокращения объема передаваемой информации.The use of a digital computer built into the inclinometer case provides:
improving the accuracy of measuring inclinometric angles due to more precise control of gyroscopes and the implementation of temperature correction of gyroscopes and accelerometers,
increasing the speed and reliability of information transfer to the Earth’s surface with a wireless communication channel by reducing the amount of information transmitted.

При эксплуатации бескарданного гироскопического инклинометра время его работы не ограничено и в процессе измерений специальных остановок не требуется. Поэтому его применение не накладывает ограничений на технологический процесс бурения и не требует дополнительных затрат времени при бурении. When operating a gimballess gyroscopic inclinometer, its operation time is not limited and no special stops are required during the measurement process. Therefore, its application does not impose restrictions on the technological process of drilling and does not require additional time spent on drilling.

Дополнительно с помощью бескарданного гироскопического инклинометра можно определять место бурильного инструмента (его координаты) в скважине, если одним из известных способов и аппаратуры измеряется длина колоны буровых труб или длина каротажного кабеля от устья до забоя. Additionally, using a gimballess gyroscopic inclinometer, you can determine the location of the drilling tool (its coordinates) in the well if one of the known methods and equipment measures the length of the drill pipe string or the length of the wireline from the mouth to the bottom.

На фиг. 1 представлена схема расположения гироскопов и акселерометров в корпусе инклинометра относительно координатных осей связанного с ним трехгранника; на фиг. 2 структурно-функциональная блок-схема управления инклинометра; на фиг. 3 блок-схема алгоритма вычисления углов инклинометра. In FIG. 1 shows the arrangement of gyroscopes and accelerometers in the inclinometer body relative to the coordinate axes of the associated trihedron; in FIG. 2 structural and functional block diagram of the inclinometer control; in FIG. 3 is a flow chart of an inclinometer angle calculation algorithm.

Бескарданный гироскопический инклинометр (БГИ) представляет собой герметичный цилиндрический корпус 1 диаметром 90 мм, выполненный из прочной стали и состоящий из трех разъемных секций (секции на фиг. 1 не показаны). Beskardanny gyroscopic inclinometer (BGI) is a sealed cylindrical body 1 with a diameter of 90 mm, made of durable steel and consisting of three detachable sections (sections in Fig. 1 are not shown).

Внутри одной секции находится блок чувствительных элементов деталь сложной конфигурации, в пазах которой установлены в определенном положении два трехстепенных гироскопа 2, 3 (

ось собственного вращения гироскопа) и три одноосных акселерометра 4, 5, 6 (

оси чувствительности акселерометров). Блок посредством штыря, совпадающего с продольной осью корпуса, жестко связан с амортизационным устройством, демпфирующим возмущающие воздействия вибрации и ударов на чувствительные элементы при работе в забое.Inside one section is a block of sensitive elements, a part of a complex configuration, in the grooves of which two three-degree gyroscopes 2, 3 (

axis of gyroscope proper rotation) and three

uniaxial accelerometers

4, 5, 6 (

axis of sensitivity of accelerometers). The block by means of a pin coinciding with the longitudinal axis of the housing is rigidly connected to a shock-absorbing device damping the disturbing effects of vibration and shock on the sensitive elements when working in the face.

Во второй секции размещены блоки питания, преобразующие напряжение, вырабатываемое турбогенератором или передаваемое по кабелю, во все виды вторичного электропитания, необходимые для функционирования БГИ. In the second section there are power supplies that convert the voltage generated by the turbogenerator or transmitted via cable into all types of secondary power supply necessary for the operation of the BGI.

В третьей секции установлены узлы и блоки цифрового вычислителя с входными и выходными преобразователями, который управляет работой БГИ и вырабатывает углы, определяющие положение корпуса инклинометра по данным измерений чувствительных элементов. In the third section, the nodes and blocks of the digital computer with input and output converters are installed, which controls the operation of the BIG and generates angles that determine the position of the inclinometer body according to the measurement data of sensitive elements.

Гироскопы 2, 3 и акселерометры 4 6 жестко закреплены в корпусе 1 инклинометра. При этом акселерометры установлены так, что их оси чувствительности

взаимно ортогональны, а ось чувствительности одного из них

параллельна продольной оси инклинометра, реализуя такими образом трехгранник координатных осей X Y Z, связанный с корпусом 1 инклинометра. Ось собственного вращения гироскопа

совпадает с продольной осью инклинометра или параллельна ей, а ось второго гироскопа

перпендикулярна ей. При этом три оси прецессии гироскопов совпадают с тремя осями

чувствительности акселерометров, а четвертая ось остается резервной.Gyroscopes 2, 3 and accelerometers 4 6 are rigidly fixed in the housing 1 of the inclinometer. At the same time, accelerometers are installed so that their sensitivity axes

mutually orthogonal, and the sensitivity axis of one of them

parallel to the longitudinal axis of the inclinometer, thus realizing the trihedron of the coordinate axes XYZ, connected with the body 1 of the inclinometer. Axis of gyro rotation

coincides with the longitudinal axis of the inclinometer or parallel to it, and the axis of the second gyroscope

perpendicular to her. In this case, the three axes of the precession of the gyroscopes coincide with the three axes

accelerometer sensitivity, and the fourth axis remains the backup.

Кроме чувствительных элементов в корпусе инклинометра (фиг. 2) размещены:
предварительные усилители (ПУ) 7 сигналов датчиков угла (ДУ) гироскопов 2, 3,
преобразователи напряжения этих аналоговых сигналов в код (ПНК) 8,
преобразователи напряжение код (ПНК) 9 сигналов, вырабатываемых акселерометрами 4 6,
датчик температуры 10, установленный в блоке чувствительных элементов,
преобразователь напряжение код (ПНК) 11 сигнала датчика температуры,
преобразователь код ток (ПКТ) 12 сигналов управления гироскопами, вырабатываемых вычислителем 13, в токи управления, поступающие на датчики моментов (ДМ) гироскопов 2, 3.In addition to the sensitive elements in the body of the inclinometer (Fig. 2) are placed:
pre-amplifiers (PU) 7 signals of angle sensors (remote control) of gyroscopes 2, 3,
voltage converters of these analog signals to code (PNK) 8,
voltage code converters (PNK) 9 signals generated by accelerometers 4 6,
a temperature sensor 10 mounted in the sensor unit,
voltage code converter (PNK) 11 temperature sensor signal,
code current transducer (FCT) 12 gyro control signals generated by the calculator 13 into control currents supplied to the moment sensors (DM) of gyroscopes 2, 3.

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 2). The device operates as follows (see Fig. 2).

Аналоговый сигнал датчика угла гироскопа 2 через предварительный усилитель 7 проходит в преобразователь напряжение код (ПНК) 8, с выхода которого закодированный цифровой сигнал поступает в скважинный цифровой вычислитель (СЦВ) 13. The analog signal of the angle sensor of the gyroscope 2 through the preamplifier 7 passes to the voltage code converter (PNK) 8, from the output of which the encoded digital signal is fed to the downhole digital computer (SCV) 13.

Вычислитель 13 согласно заданному программой алгоритму (который будет описан ниже) вырабатывает цифровой сигнал, пропорциональный угловой скорости относительно оси Z гироскопа 2. Этот сигнал трансформируется преобразователем код ток (ПКТ) 12 в ток, который поступает на датчик момента гироскопа 2 и вызывает его прецессию к положению равновесия. Аналогичным образом осуществляется управление гироскопами и по остальным осям прецессии: оси Y гироскопа 2 и осям X и Y гироскопа 3. The calculator 13 according to the algorithm specified by the program (which will be described below) generates a digital signal proportional to the angular velocity relative to the Z axis of the gyroscope 2. This signal is transformed by the current-code converter (PCT) 12 into the current, which is supplied to the gyroscope torque sensor 2 and causes its precession to equilibrium position. Similarly, the gyroscopes are controlled along the other axes of the precession: the Y axis of the gyroscope 2 and the X and Y axes of the gyroscope 3.

Сигналы a_x, a_y, a_z трех акселерометров 4, 5, 6 после преобразования в ПНК 9 поступают в скважинный вычислитель 13.The signals a _x , a _y , a _{z of} three accelerometers 4, 5, 6 after conversion to PNK 9 are fed to the downhole computer 13.

Кроме того, в вычислитель поступает после преобразования в ПНК 11 сигнал датчика температуры 10. Этот сигнал используется в СЦВ 13 для выработки величин, компенсирующих тепловые дрейфы гироскопов и акселерометров, возникающие при изменении температуры внутри блока чувствительных элементов. Характеристики тепловых дрейфов типов гироскопов и акселерометров, примененных в инклинометре, определяются экспериментально, после чего записываются в память вычислителя. In addition, after the conversion to PNK 11, the temperature sensor 10 receives the signal from the temperature sensor 10. This signal is used in SCV 13 to generate values that compensate for the thermal drifts of gyroscopes and accelerometers that occur when the temperature inside the block of sensitive elements changes. The characteristics of thermal drifts of the types of gyroscopes and accelerometers used in the inclinometer are determined experimentally, and then recorded in the memory of the calculator.

На основании информации, полученной от гироскопов, акселерометров и датчика температуры, СЦВ вырабатывает сигналы для управления гироскопами, вычисляет промежуточные величины и величины инклинометрических углов: зенитного, азимута и угла положения отклонителя и кодирует их для ввода в аппаратуру канала связи. Закодированная информация инклинометра по каналу связи (беспроводному или кабельному) поступает в наземный цифровой вычислитель (компьютер), который расшифровывает полученную информацию, вырабатывает численные значения инклинометрических углов с учетом запаздывания в прохождении ее по каналу связи и передает данные на экран монитора и записывающую аппаратуру. Based on the information received from gyroscopes, accelerometers, and a temperature sensor, the SCV generates signals for controlling gyroscopes, calculates intermediate values and inclinometric angles: zenith, azimuth, and the angle of the position of the diverter and encodes them for input into the communication channel equipment. The encoded information of the inclinometer via the communication channel (wireless or cable) enters the ground digital computer (computer), which decrypts the received information, generates numerical values of the inclinometric angles taking into account the delay in its passage through the communication channel and transfers data to the monitor screen and recording equipment.

В предлагаемом БГИ гироскопы используются в режиме измерителей угловой скорости. Для осуществления этой функции служат четыре контура регулирования, каждый из которых управляет прецессионным движением гироскопа относительно одной из осей его прецессии таким образом, чтобы привести его главную ось (ось собственного вращения) в положение равновесия, в котором сигнал соответствующего датчика угла равен нулю. Контур регулирования удерживает главную ось гироскопа в этом положении непрерывно. Следовательно, соответствующая проекция угловой скорости гироскопа совпадает с проекцией угловой скорости корпуса инклинометра, а величина ее определяется по величине сигнала управления гироскопа, который вырабатывается в вычислителе. In the proposed BGI, gyroscopes are used in the mode of measuring angular velocity. To perform this function, four control loops are used, each of which controls the precession movement of the gyroscope relative to one of its precession axes in such a way as to bring its main axis (axis of proper rotation) to the equilibrium position in which the signal of the corresponding angle sensor is zero. The control loop keeps the main axis of the gyroscope in this position continuously. Therefore, the corresponding projection of the angular velocity of the gyroscope coincides with the projection of the angular velocity of the inclinometer body, and its value is determined by the magnitude of the gyroscope control signal that is generated in the calculator.

Как видно из фиг. 1, гироскопы в инклинометре ориентированы относительно корпуса таким образом, что продольный гироскоп

измеряет проекции угловой скорости на оси X и Y, а поперечный

на оси Y и Z приборного трехгранника X, Y, Z.As can be seen from FIG. 1, the gyroscopes in the inclinometer are oriented relative to the body so that the longitudinal gyroscope

measures the projection of the angular velocity on the X and Y axis, and the transverse

on the Y and Z axes of the instrument trihedron X, Y, Z.

Заметим, что измерение проекции угловой скорости на ось Y осуществляется дважды. Note that the projection of the projection of the angular velocity on the Y axis is performed twice.

Поскольку все четыре контура регулирования идентичны, рассмотрим работу одного из них, измеряющего проекцию ω_x угловой скорости инклинометра на ось X. Датчик угла гироскопа 3 вырабатывает напряжение δ_у пропорциональное углу отклонения главной оси гироскопа 3 от нулевого положения. Сигнал после предварительного усиления в ПУ 7 поступает на вход ПНК 8, на выходе которого формируются цифровые импульсы с временным шагом h вида

где α_у угол рассогласования, измеряемый датчиком угла.Since all four control loops are identical, we consider the operation of one of them, which measures the projection ω _x of the inclinometer angular velocity onto the X axis. The gyro angle sensor 3 generates a voltage δ _y proportional to the angle of deviation of the main axis of the gyro 3 from the zero position. The signal after preliminary amplification in the control unit 7 is fed to the input of the PNA 8, at the output of which digital pulses with a time step h of the form

where α is _the mismatch angle measured by the angle sensor.

В скважинном вычислителе 13 цифровые сигналы суммируются по мере поступления и в момент времени t_k вырабатывается величина

По этим данным в вычислителе 13 формируется величина сигнала управления согласно алгоритму

где

промежуточная переменная;
k₁, k₂ коэффициенты управления.In the downhole computer 13, the digital signals are summed up as they arrive, and at time t _{k a} quantity is generated

According to these data, the value of the control signal is generated in the calculator 13 according to the algorithm

Where

intermediate variable;
k ₁ , k ₂ control coefficients.

Далее цифровой сигнал ω_x поступает из вычислителя 13 на ПКТ 12, который возбуждает датчик момента гироскопа 3. Последний вызывает прецессию гироскопа 3, приводящую его главную ось в нулевое положение. Величина ω_x одновременно является мерой проекции угловой скорости и используется в вычислителе 13 для выработки величин инклинометрических углов.Next, the digital signal ω _x comes from the calculator 13 to the PCT 12, which excites the moment sensor of the gyroscope 3. The latter causes the precession of the gyroscope 3, bringing its main axis to the zero position. The value of ω _x at the same time is a measure of the projection of the angular velocity and is used in the calculator 13 to generate the values of inclinometric angles.

Для вычисления величин углов азимута A, зенитного B и угла положения отклонителя C на входе вычислителя 13, кроме цифровых сигналов от ПНК 8, используемых в задаче управления гироскопами и формирования цифровых значений угловых скоростей ω_x, ω_y, ω_z, поступают сигналы от акселерометров a_x, a_y, a_z через ПНК 9 и сигнал датчика температуры 10 через ПНК 11. Все преобразователи вырабатывают цифровые сигналы так же, как описано выше при рассмотрении задачи управления гироскопами. При таком способе вычисления сигналы, вырабатываемые вычислителем 13, обладают повышенной помехоустойчивостью.To calculate the values of the azimuth angles A, Zenith B and the angle of the deflector C at the input of the calculator 13, in addition to digital signals from PNA 8 used in the task of controlling gyroscopes and generating digital values of angular velocities ω _x , ω _y , ω _z , signals from accelerometers are received a _x , a _y , a _z through PNA 9 and the signal of the temperature sensor 10 through PNA 11. All converters generate digital signals in the same way as described above when considering the task of controlling gyroscopes. With this method of calculation, the signals generated by the calculator 13, have increased noise immunity.

Алгоритмы вычисления проекций силы тяжести на оси X, Y, Z проиллюстрируем на примере одного акселерометра. Выходной сигнал a_x акселерометра 4 после прохождения ПНК 9 трансформируется в цифровые импульсы

где h временной шаг.We will illustrate the algorithms for calculating the projections of gravity on the X, Y, Z axis using an example of an accelerometer. The output signal a _{x of the} accelerometer 4 after passing through PNA 9 is transformed into digital pulses

where h is the time step.

После суммирования величин Δv_x на интервале осреднения T_оср. в вычислителе 13 вырабатывается сглаженная величина ускорения

Аналогично вырабатывается цифровое значение температуры, измеренной датчиком 10 в корпусе инклинометра. В зависимости от температуры, а точнее по ее отклонению от номинального значения, в вычислителе 13 к величинам ускорений a_x, a_y, a_z и угловых скоростей ω_x, ω_y, ω_z добавляются корректирующие поправки, учитывающие тепловой дрейф акселерометров и гироскопов. Характеристики этих поправок определяются экспериментально и зависят от конкретных типов гироскопов и акселерометров.After summing the values of Δv _x on the averaging interval T _av. the calculator 13 produces a smoothed acceleration value

The digital temperature value measured by the sensor 10 in the inclinometer case is similarly generated. Depending on the temperature, or rather on its deviation from the nominal value, in calculator 13, correction values taking into account the thermal drift of accelerometers and gyroscopes are added to the values of accelerations a _x , a _y , a _z and angular velocities ω _x , ω _y , ω _z . The characteristics of these corrections are determined experimentally and depend on the specific types of gyroscopes and accelerometers.

Для повышения точности выработки выходной информации в широком диапазоне изменения зенитного угла от 0 до 180^o в вычислительный алгоритм заложены три варианта решения задачи. Эти варианты соответствуют трем диапазонам изменения зенитного угла: от 0 до 45^o, от 45 до 135^o и от 135 до 180^o.To improve the accuracy of generating output information in a wide range of variation of the zenith angle from 0 to 180 ^o in the computational algorithm incorporated three options for solving the problem. These options correspond to three ranges of variation of the zenith angle: from 0 to 45 ^o , from 45 to 135 ^o and from 135 to 180 ^o .

Выбор варианта осуществляется по показаниям акселерометра 6 с осью чувствительности

, ориентированной по продольной оси инклинометра, т.е. в зависимости от сигнала a_z. Критериями выбора варианта служат три неравенства

где g ускорение силы тяжести.The choice of option is carried out according to the readings of the accelerometer 6 with the sensitivity axis

oriented along the longitudinal axis of the inclinometer, i.e. depending on the signal a _z . The criteria for choosing an option are three inequalities

where g is the acceleration of gravity.

Для примера рассмотрим вариант вычислительного алгоритма, который осуществляется при выполнении первого неравенства. As an example, consider a variant of a computational algorithm that is implemented when the first inequality is fulfilled.

После выбора варианта вычисления (см. фиг. 3), который является вторым шагом вычислительного алгоритма, вычисляются грубые значения углов рассогласования α, β, γ трехгранника X Y Z, связанного с корпусом инклинометра, и географического трехгранника x h z (см. фиг. 1), по формулам

Вычисление точных значений углов α, β, γ осуществляется путем решения системы трех дифференциальных уравнений

где U угловая скорость вращения Земли;
v известная широта места.After choosing the calculation option (see Fig. 3), which is the second step of the computational algorithm, the rough values of the mismatch angles α, β, γ of the XYZ trihedron associated with the inclinometer body and the geographic trihedron xhz (see Fig. 1) are calculated according to formulas

The exact values of the angles α, β, γ are calculated by solving a system of three differential equations

where U is the angular velocity of the Earth;
v known latitude of the place.

В качестве начальных условий для вычисления точных значений углов a, β, γ берутся их грубые значения
b(0) = β_н, γ(0) = γ_н, α(0) = α_н. (9)
Демпфирующие члены d_β, d_γ, d_α формируются с использованием грубых значений углов b_н и γ_н.As initial conditions for calculating the exact values of the angles a, β, γ, their rough values are taken
b (0) = β _n , γ (0) = γ _n , α (0) = α _n (nine)
The damping terms d _β , d _γ , d _α are formed using rough values of the angles b _n and γ _n .

Полученные точные значения углов рассогласования α, β, γ в дальнейшем используются для вычисления выходной информации инклинометрических углов. Зенитный угол B вычисляется по формуле

Вычисление азимута A инклинометра, т.е. ориентации апсидальной плоскости относительно географического Севера, осуществляется по формуле

при значениях зенитного угла B ≥ 2^o.The obtained exact values of the mismatch angles α, β, γ are further used to calculate the output information of inclinometric angles. Zenith angle B is calculated by the formula

Calculation of the azimuth A of the inclinometer, i.e. the orientation of the apsidal plane relative to the geographical North, is carried out according to the formula

at values of the zenith angle B ≥ 2 ^o .

При величинах угла B < 2^o значение азимутального угла принимается равным 0.When the values of the angle B <2 ^{o the} value of the azimuthal angle is taken equal to 0.

Вычисление угла положения угла отклонителя C производится по формуле
C = 360^°-α-A, (12)
где α и A величины углов, вычисленные ранее.The calculation of the angle of the angle of the diverter C is carried out according to the formula
C = 360 ^° -α-A, (12)
where α and A are the angles calculated previously.

Если направление скважины близко к вертикали (B < 2^o), то азимут A=0 и угол C определяет положение отклонителя относительно меридиана (Севера), которое необходимо для зарезки скважины. После зарезки скважины при величинах B > 2^o угол C отсчитывается от апсидальной плоскости по формуле (11).If the direction of the well is close to the vertical (B <2 ^o ), then the azimuth A = 0 and the angle C determines the position of the deflector relative to the meridian (North), which is necessary for the completion of the well. After well completion at values B> 2 ^o, angle C is counted from the apsidal plane according to formula (11).

Основное преимущество предлагаемого бескарданного гироскопического инклинометра и способа вычисления с его помощью инклинометрических углов заключается в возможности его использования в процессе бурения скважин в составе телеметрических забойных систем (MWD-систем) без нарушения технологического процесса бурения. Более того, применение бескарданного гироскопического инклинометра в сочетании с телеметрической забойной системой, измеряющей также технологические и геофизические данные, при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин по добыче нефти и газа позволит оптимизировать технологический процесс бурения и значительно повысить не только экономическую эффективность бурения скважин, но их производительность. The main advantage of the proposed gimballess gyroscopic inclinometer and the method for calculating inclinometric angles with it is the possibility of its use in the process of drilling wells as part of telemetric downhole systems (MWD systems) without disrupting the drilling process. Moreover, the use of a gimballess gyroscopic inclinometer in combination with a telemetric downhole system that also measures technological and geophysical data when drilling directional and horizontal oil and gas wells will optimize the drilling process and significantly increase not only the economic efficiency of well drilling, but their performance.

Claims

1. Beskardanny gyroscopic inclinometer, comprising a housing in which there are two three-stage gyroscopes, three uniaxial accelerometers and a temperature sensor, a computer, while the sensitivity axes of the accelerometers are mutually orthogonal, and the sensitivity axis of one of them is parallel to the longitudinal axis of the body, the main axis and two axis of the precession of each gyroscope are parallel to the axes of the accelerometers, the main axis of one gyroscope is parallel to the longitudinal axis of the body, and the main axis of the other is perpendicular to this axis, characterized in that We have pre-amplifiers, voltage-code converters, code-current converters, and the outputs of accelerometers and temperature sensors are connected through the corresponding voltage-code converters to the inputs of the calculator, the outputs of the gyroscope angle sensors are connected to the inputs of the calculator through the corresponding series-connected pre-amplifiers and voltage-code converters, and the outputs of the calculator connected through current code converters to the corresponding moment sensors of gyroscopes, while preliminary e amplifiers, converters code voltage current converters and computer code arranged in the housing, and gyroscopes and accelerometers rigidly connected with the housing.

2. The method of generating inclinometric angles, which consists in measuring the apparent accelerations and projections of the angular velocity along the axes of the instrument trihedron using accelerometers and gyroscopes located in the inclinometer, adjusting the output signals of gyroscopes and accelerometers depending on the temperature inside the inclinometer body and generating the values of the inclinometric angles, characterized in that the corrected signals of the gyroscopes and accelerometers calculate the rough values of the three angles of mutual the position of the instrument trihedron associated with the inclinometer body relative to the geographic trihedron depending on the magnitude of the accelerometer signal with the sensitivity axis parallel to the longitudinal axis of the inclinometer, by algebraic and trigonometric transformations and the exact values of these angles by integrating a system of differential equations of Poisson type using rough values of the angles of mutual the position of the trihedra, and the values of the inclinometric angles are determined by the values of the exact values th angles relative position of trihedron encode these values and transmitted to the Earth's surface over the communication channel.