RU2128821C1

RU2128821C1 - Gyroscopic inclinometric system to check drilling parameters

Info

Publication number: RU2128821C1
Application number: RU97117134A
Authority: RU
Inventors: А.Ю. Ропяной; В.З. Скобло; С.А. Франкштейн; Л.В. Вербовый
Original assignee: Закрытое акционерное общество "НТ-Курс"
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 1999-04-10

Abstract

FIELD: geophysical examination of boreholes. SUBSTANCE: invention can be used in the capacity of telemetering system in boreholes of any profile including those in north areas at latitudes up to 80 degrees without usage of magnetic field of the Earth. Down-hole logging instrument has enclosure filled with working liquid that houses float carrying one or two sealed two-component gyroscopic transmitters of angular velocity. One butt of float rests against spring-loaded bellows that connects float with enclosure. Sealed connector is positioned beyond bellows. Aluminum heat remover and cooling battery are placed one after another in the other butt of float on its internal side. Copper heat remover soldered to enclosure is located behind this butt of float. Bellows filled with air under pressure and nipple to evacuate air and to fill this unit to evacuate air from it are arranged behind heat remover. Sealed hole is used to let wires from two- component gyroscopic transmitter of angular velocity and from cooling battery be passed to sealed connector from which information is sent over logging cable to ground unit that supplies power. EFFECT: provision for measurement of azimuth in process of drilling of small-diameter boreholes without setting zero on surface of ground. 2 dwg

Description

Изобретение относится к средствам геофизических исследований скважин, может быть использовано в качестве телеметрической системы в скважинах любого профиля как обсаженных, так и не обсаженных, включая скважины в районе Крайнего Севера на широте до 80^o без использования магнитного поля Земля.The invention relates to means for geophysical research of wells, can be used as a telemetric system in wells of any profile, both cased and uncased, including wells in the Far North at a latitude of up to 80 ^o without using the Earth's magnetic field.

Известен гироскопический инклинометр, содержащий два двухстепенных гироскопа угловой скорости, установленных на узле демпфирования, который выполнен в виде трехосного карданова подвеса (см.патент РФ N 2000544 кл.G 01 C 21/00 опубл.07.09.93). Known gyroscopic inclinometer containing two two-stage gyroscopes of angular velocity mounted on a damping unit, which is made in the form of a triaxial cardan suspension (see RF patent N 2000544 class G 01 C 21/00 publ. 07/07/93).

Основным, наиболее существенным, недостатком этого инклинометра является сложность и длительность его выставки по азимуту на поверхности Земли и значительный в процессе спуска и работы дрейф. The main, most significant, drawback of this inclinometer is the complexity and duration of its exhibition in azimuth on the Earth's surface and significant drift in the process of descent and operation.

Известен также гигроскопический инклинометр ИГ-36 (Чехословакия), содержащий трехстепенной свободный гироскоп в карданном подвесе (см. В.Х. Исаченко, Инклинометрия скважин. М.: Недра, 1987, с.79). Also known is the IG-36 hygroscopic inclinometer (Czechoslovakia) containing a three-degree free gyroscope in a gimbal (see V.Kh. Isachenko, Well inclinometry. M .: Nedra, 1987, p. 79).

Однако этот инклинометр также не является компасом и требует начальной выставки его главной оси по курсу на поверхности Земли. However, this inclinometer is also not a compass and requires an initial exposure of its main axis along the course on the Earth's surface.

Однако его преимуществом перед указанными выше инклинометрами является возможность измерения азимута во время бурения и небольшой наружный диаметр. However, its advantage over the above inclinometers is the ability to measure azimuth while drilling and a small outer diameter.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является гироскопическая инклинометрическая система, содержащая наземную аппаратуру и связанный с ней каротажным кабелем скважинный прибор, в корпусе которого жестко закреплены блок двухкомпонентного динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ) и блок двухкомпонентного акселерометра, соответствующие оси чувствительности которых параллельны между собой и перпендикулярны к продольной оси скважинного прибора (см.например, патент РФ N 2004786 кл. E 21 B 47/12 опубл.1995). The closest technical solution to the claimed one is a gyroscopic inclinometric system containing ground equipment and a downhole tool connected to it by a wireline cable, in the body of which a block of a two-component dynamically tuned gyroscope (DNG) and a block of a two-component accelerometer, the sensitivity axes of which are parallel to each other and perpendicular, are rigidly fixed to the longitudinal axis of the downhole tool (see, for example, RF patent N 2004786 class E 21 B 47/12 publ. 1995).

Однако он не может быть использован для измерения азимута во время бурения, в связи с малым диапазоном измерения угловой скорости. However, it cannot be used to measure azimuth while drilling, due to the small measuring range of angular velocity.

Целью изобретения является измерение азимута во время бурения без выставки на поверхности Земли в скважинах малого диаметра. The aim of the invention is the measurement of azimuth while drilling without exhibiting on the Earth's surface in small diameter wells.

Поставленная цель достигается тем, что гироскопическая инклинометрическая система контроля параметров бурения, содержащая наземный блок, соединенный каротажным кабелем со скважинным приборов в кожухе, содержащим двухкомпонентный гироскопический датчик угловой скорости, в кожухе, заполненном поддерживающей жидкостью, установлен поплавок, в котором размещены один или два двухкомпонентных гироскопических датчика угловой скорости, выполненных герметичными, одна ось чувствительности двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости перпендикулярна оси кожуха, а другая расположена под углом 45^o к оси кожуха, первый торец поплавка выполнен с герметичным отверстием и оперт на подпружиненный сильфон, за которым установлен герметичный разъем, соединенный жгутом, пропущенным через герметичное отверстие с двухкомпонентным гироскопическим датчиком угловой скорости, во втором торце поплавка с его внутренней стороны расположены один за другим первый теплоотвод и теплоохлаждающая батарея, второй торец поплавка снаружи оперт на второй теплоотвод, за которым последовательно размещены сильфон, заполненный воздухом, и ниппель, при этом электрические выводы теплоохлаждающей батареи через герметичное отверстие подключены к герметичному разъему.This goal is achieved by the fact that the gyroscopic inclinometric system for monitoring drilling parameters, comprising a ground block connected by a wireline cable to downhole tools in a casing containing a two-component gyroscopic angular velocity sensor, a float is installed in the casing filled with supporting fluid, in which one or two two-component are placed sealed gyroscopic angular velocity sensors, one sensitivity axis of a two-component gyroscopic angular velocity sensor speed is perpendicular to the axis of the casing, and the other is located at an angle of 45 ^o to the axis of the casing, the first end of the float is made with a sealed hole and rests on a spring-loaded bellows, behind which there is a sealed connector connected by a harness passed through a sealed hole with a two-component gyroscopic angular velocity sensor, in the second end of the float, on its inner side, the first heat sink and heat-cooling battery are located one after the other, the second end of the float is externally supported by the second heat sink, after which a bellows filled with air and a nipple are placed, and the electrical terminals of the heat-cooling battery are connected through a sealed hole to the sealed connector.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена конструкция части скважинного прибора; на фиг.2 представлено расположение двух двухкомпонентных гироскопических датчиков угловой скорости при измерении азимута в диапазоне от 0^o до 360^o при измерении зенитного угла от 0 до 180^o.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a design of a part of a downhole tool; figure 2 presents the location of two two-component gyroscopic angular velocity sensors when measuring azimuth in the range from 0 ^o to 360 ^o when measuring the zenith angle from 0 to 180 ^o .

Вся гироскопическая инклинометрическая система контроля параметров бурения не изображена на чертеже, т.к. является тривиальной. The entire gyroscopic inclinometric system for monitoring drilling parameters is not shown in the drawing, because is trivial.

Скважинный прибор содержит: заполненный поддерживающий жидкостью защитный кожух 1, в котором установлен поплавок 2, внутри которого установлены один или два герметичных двухкомпонентных гироскопических датчика 3 угловой скорости. The downhole tool comprises: a protective casing 1 filled with a fluid, in which a float 2 is installed, inside of which one or two sealed two-component gyroscopic angular velocity sensors 3 are installed.

Один торец поплавка 2 выполнен с герметичным отверстием 4, этот торец поплавка 2 опирается на подпружиненный сильфон 5, который жестко связывает поплавок 2 с кожухом 1, за сильфоном 5 размещен герметичный разъем 6, в другом торце поплавка 2 размещены один за другим теплоотвод 7 алюминиевый и теплоохлаждающая батарея 8, а за этим торцом поплавка 2 расположен теплоотвод 9 медный, припаянный к кожуху 1. За теплоотводом 9 установлен сильфон 10, заполненный воздухом под давлением, и ниппель 11 для вакуумирования блока и заполнения его поддерживающей жидкостью. One end of the float 2 is made with a sealed hole 4, this end of the float 2 is supported by a spring-loaded bellows 5, which rigidly connects the float 2 to the casing 1, a sealed connector 6 is placed behind the bellows 5, the aluminum heat sink 7 is placed one after the other in the float 2 and aluminum a heat-cooling battery 8, and behind this end of the float 2 there is a copper heat sink 9 soldered to the casing 1. Behind the heat sink 9 a bellows 10 is installed, filled with air under pressure, and a nipple 11 for evacuating the unit and filling it with a supporting liquid Stu.

Герметичное отверстие 4 служит для пропускания провода от двухкомпонентного гироскопического датчика 3 угловой скорости и от теплоохлаждающей батареи 8 к герметичному разъему 6, от которого вся информация передается в электронный блок (на чертеже не показан) по каротажному кабелю информация передается на наземный блок, с которого по кабелю подается питание в скважинный блок 3. The sealed hole 4 serves to pass the wire from the two-component gyroscopic sensor 3 of the angular velocity and from the heat-cooling battery 8 to the sealed connector 6, from which all information is transmitted to the electronic unit (not shown) through the wireline information is transmitted to the ground unit, from which the cable is supplied with power to the borehole block 3.

Гироскопическая инклинометрическая система контроля параметров бурения работает следующим образом. A gyroscopic inclinometric system for monitoring drilling parameters works as follows.

Измерение азимута ствола скважины во время бурения осуществляется с помощью двухкомпонентного гироскопического датчика 3 угловой скорости. Происходит измерение одновременно при прямом и обратном включении по двум ортогональным осям чувствительности. The measurement of the azimuth of the wellbore during drilling is carried out using a two-component gyroscopic sensor 3 of the angular velocity. Measurement takes place simultaneously with forward and reverse connection along two orthogonal sensitivity axes.

Это исключает появления ошибок от небаланса масс в связи с тем, что случайная составляющая дрейфа датчика 3 угловой скорости от включения к включению не превышает 0,12^o/час.This eliminates the occurrence of errors due to mass unbalance due to the fact that the random component of the drift of the angular velocity sensor 3 from on to on does not exceed 0.12 ^o / hour.

Оси чувствительности двухкомпонентного гироскопического датчика 3 угловой скорости расположены - одна перпендикулярна к оси защитного кожуха 1, а другая под углом 45^o к его оси, что обеспечивает возможность измерения азимута от 0 до 360^o в диапазоне зенитного угла от 0 до 100^o с одним датчиком и от 0^o до 180^o с двумя датчиками (см. фиг.2), а также угол установки отклонения при вертикальном положении колонны за счет измерения проекции угловой скорости на ось чувствительности двухкомпонентного гироскопического датчика угловой скорости, расположенной под углом 45^o к оси корпуса.The sensitivity axes of the two-component gyroscopic sensor 3 of the angular velocity are located - one perpendicular to the axis of the protective cover 1, and the other at an angle of 45 ^o to its axis, which makes it possible to measure the azimuth from 0 to 360 ^o in the range of the zenith angle from 0 to 100 ^o with one sensor and from 0 ^o to 180 ^o with two sensors (see figure 2), as well as the installation angle of the deviation in the vertical position of the column by measuring the projection of the angular velocity on the sensitivity axis of the two-component gyroscopic angular velocity sensor, located th at an angle of 45 ^o to the axis of the housing.

Поскольку двухкомпонентный гироскопический датчик 3 угловой скорости прибор прецизионный и рассчитан на работу при перегрузках, не превышающих 5 g, которые в 5 - 10 раз меньше реальных перегрузок, возникающих при бурении, то для его точной работы необходимо создать условия. Поэтому, для того чтобы датчик обеспечивал необходимую точность в течение длительного времени работы необходимо обеспечить его амортизацию. Для чего применен защитный кожух 1, в котором установлен поплавок 2 с двухкомпонентным гироскопическим датчиком 3 угловой скорости. Поплавок в данном случае выполняет роль амортизатора. Для обеспечения свободного перемещения поплавка 2 применены сильфоны 10 и 5, расположенные с двух сторон от поплавка 2. Сильфон 10 заполнен воздухом под давлением, а сильфон 5 подпружинен. Since the two-component gyroscopic sensor 3 of the angular velocity is a precision instrument and is designed to operate under overloads not exceeding 5 g, which are 5 to 10 times less than the actual overloads arising from drilling, it is necessary to create conditions for its accurate operation. Therefore, in order for the sensor to provide the necessary accuracy for a long time, it is necessary to ensure its cushioning. What is the use of a protective casing 1, in which a float 2 is installed with a two-component gyroscopic sensor 3 of angular velocity. The float in this case acts as a shock absorber. To ensure free movement of the float 2, bellows 10 and 5 are used, located on both sides of the float 2. The bellows 10 is filled with air under pressure, and the bellows 5 is spring-loaded.

Осевая амортизация происходит за счет сжатия одного сильфона и растяжение другого без перетекания жидкости через узкий зазор между защитным кожухом 1 и поплавком 2. При действии осевого удара поплавок 2 перемещается внутри кожуха, создавая с одной стороны повышенное давление, а с другой - пониженное. При этом сильфон 10 уменьшает свой объем за счет сжатия воздуха, а другой 5 - увеличивает, обеспечивая перемещения поплавка. Кроме того, эти сильфоны 5 и 10 компенсируют тепловое расширение жидкости. Axial depreciation occurs due to the compression of one bellows and the extension of the other without fluid flowing through the narrow gap between the protective casing 1 and the float 2. Under the action of axial impact, the float 2 moves inside the casing, creating high pressure on the one hand and low pressure on the other. In this case, the bellows 10 reduces its volume due to compression of the air, and the other 5 increases, providing movement of the float. In addition, these bellows 5 and 10 compensate for the thermal expansion of the liquid.

Во время бурения температура в скважине повышается до +100^oC и более градусов, на что не рассчитан двухкомпонентный гироскопический датчик угловой скорости, имеющий встроенную систему термостатирования, рассчитанную на поддержание температуры +75^oC при окружающей +70^oC. В связи с чем необходимо иметь температуру на корпусе датчика не более +70^oC.During drilling, the temperature in the well rises to +100 ^o C or more degrees, which is not designed for a two-component gyroscopic angular velocity sensor having a built-in temperature control system designed to maintain a temperature of +75 ^o C at an ambient of +70 ^o C. In this connection it is necessary to have a temperature on the sensor body of not more than +70 ^o C.

Задача внешнего термостатирования двухкомпонентного гироскопического датчика 3 угловой скорости решается с помощью термоохлаждающей батареи 8, работающей на эффекте Пельтье. Термоохлаждающая батарея 8 со стороны теплоотвода 7 является "холодной", с другой стороны теплоотвода 9 - "горячей", температура которой выше температуры окружающей среды, причем более "горячей" чем окружающая среда. The task of external temperature control of a two-component gyroscopic sensor 3 of the angular velocity is solved using a thermo-cooling battery 8, operating on the Peltier effect. The heat-cooling battery 8 on the side of the heat sink 7 is “cold”, on the other hand, the heat sink 9 is “hot”, the temperature of which is higher than the ambient temperature, and more hot than the environment.

Двухкомпонентный гироскопический датчик угловой скорости имеет две ортогонально расположенные оси чувствительности, на которые проектируется горизонтальная составляющая угловой скорости Земли, что позволяет измерять азимут без выставки на поверхности Земли при жестко закрепленном на корпусе датчике, а расположение датчика под углом 45^o позволяет производить измерение в скважинах малого диаметра 73 мм и более. Эта информация, а также информация с других датчиков инклинометра передается по каротажному кабелю на наземный блок.The two-component gyroscopic angular velocity sensor has two orthogonally located sensitivity axes onto which the horizontal component of the angular velocity of the Earth is projected, which makes it possible to measure the azimuth without exposure on the Earth's surface with the sensor rigidly fixed to the body, and the location of the sensor at an angle of 45 ^o allows measurement in small wells diameter 73 mm or more. This information, as well as information from other inclinometer sensors, is transmitted via a wireline cable to the ground unit.

Claims

A gyroscopic inclinometric system for monitoring drilling parameters, comprising a ground block connected by a logging cable to a downhole tool in a housing containing a two-component gyroscopic angular velocity sensor, characterized in that a float is installed in the housing filled with the supporting fluid, in which one or two sealed two-component gyroscopic sealed angular velocity sensors, one sensitivity axis of a two-component gyroscopic angular velocity sensor of growth is perpendicular to the axis of the casing, and the other is located at an angle of 45 ^o to the axis of the casing, the first end of the float is made with a sealed hole and rests on a spring-loaded bellows, behind which there is a sealed connector connected by a harness passed through a sealed hole with a two-component gyroscopic angular velocity sensor, in the second end face of the float, on its inner side, the first heat sink and heat-cooling battery are located one after the other, the second end of the float is externally supported by a second heat sink, followed by The bellows filled with air and the nipple are well placed, while the electrical terminals of the heat-cooling battery are connected through the sealed hole to the sealed connector.