Способ определения пространственного положения скважинного снаряда
Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин и позволяет повысить томность определения пространственного положения с кважинного снаряда (С). Измеряют на поверхности компоненты (К) внешнего магнитного поля (МП) датчик ми скважинного С Оси датчиков совмещают с осями опорной системы координат, перемещают С и измеряют К внешнего МП в скважине. В дополнение к внешнему МП создают искусственное МП двумя взаимоортогональными источниками с равными по величине магнитными моментами. Один из моментов ориентируют по направлению силы тяжести, а другой - в апсидальной плоскости При каждом новом положении С производят два измерения К суммарного МП при возбуждении вначале одного источника МП, а затем другого Вычисляют приращение К суммарного МП и определяют пространственную ориентацию осей скважинного С 5 ил сл
C0t03 СОВГТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (Я)5 Е 21 В 47/02
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
-! .„ l 4 <,< yeÄß с
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4737907/03 (22) 14.07,89 (46) 30.12.91. Бюл. ¹ 48
{71) Институт геофизики Уральского отделения АН СССР (72) А. А, Яковлев и А. Н. Ратушняк (53) 622.242(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
¹ 804822, кл, Е 21 В 47/02, 1979.
Авторское свидетельство СССР
¹ i 076573, кл. Е 21 В 47/022, 1982. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ СКВАЖИННОГО СНАРЯДА (57) Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин и позволяет повысить точность определения пространственного положения скважинного снаряда
Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин и предназначено для определения угловых характеристик положения перемещаемых объектов, в частности для определения положения скважинного снаряда.
Цель изобретения — повышение точности определения положения скважинного снаряда.
На фиг, 1 приведена структурная схема устройства для реализации способа; на фиг.
2 — расположение осей неподвижной системы координат, вектора Н силы тяжести, вспомогательных осей р, р и оси t снаряда; на фиг, 3 — положение датчиков Д1, Д2, ДЗ, ориентация их осей т1, 12, тз оси t снаряда и ооиентация осей источников искусственного магнитного поля с моментами Ма и М; на фиг. 4 — ориентация вспомогательных осей р, p, R и оси Z неподвижной системы
„,,59ДД 1701901 А1 (С). Измеряют на поверхности компоненты (К) внешнего магнитного поля (МП) датчиками скважинного С. Оси датчиков совмещаю1 с осями опорной системы координат, перемещают С и измеряют К внешнего МП в скважине. B дополнение к внешнему МП создают искусственное МП двумя взаимоортогональными источниками с равными ilo величине магнитными моментами. Один из моментов ориентируют по направлению силы тяжести, а другой — в апсидальной плоскости. При каждом новом положении С производят два измерения К суммарного
МП при возбуждении вначале одного источника МП, а затем другого. Вычисляют приращение К суммарного МП и определяют пространственную ориентацию осей скважинного С. 5 ил, координат, на фиг. 5 — взаимное расположение осей датчиков, осей неподвижной системы координат и осей источников искусственного магнитного поля.
Устройство для реализации способа содержит скважинный снаряд 1 с датчиками
2 — 4 магнитного поля, оси которых совпадают с осями снаряда 1 и образуют подвижную систему координат. В состав устройства входят также источники 5 и б искусственного магнитного поля, например соленоиды, соединительные провода 7, измерительный узел 8, источник 9 ЭДС для питания узла 8 и источников 5 и б и переключатель 10.
Способ реализуется следующим образом.
Совмещают оси датчиков 2-4 скважин ного снаряда 1 с осями опорной неподвижной системы координат и с помощью измерительного узла 8 датчиками 2 — 4 изме1701901 ряют на поверхности компоненты внешнего магнитного поля. Перемещают снаряд 1 в скважине (не показана) и в loBb измеряют компоненты внешнего магнитного поля. Затем в дополнение к внешнему магнитному полю создают искусственное магнитное поле двумя расположенными в скважинном снаряде 1 взаимоортогональными источниками 5 и 6 с равными по величине магнитными моментами, Причем момент источника 5 ориентируют пс направлению силы тяжести, а момент источника б — в аксидальной плоскости скважины. При каждом новом положении снаряда 1 в скважине осуществляют два измерения компонент суммарного магнитного поля при возбуждении от источника 9 ЭДС вначале одного источника 5 поля, а затем другого источника б поля, например, замыкая переключателем
10 один из проводов 7. По результатам измерений вычисляют приращение компонент магнитного поля и определяют и рира щение, пространственную ориентацию осей скважинного снаряда 1 по значениям синусов и косинусов трех углов, Оси Х, У, Z (фиг. 2) образуют неподвижну о сисгему координат, а ось с снаряда 1 образует вместе с осью Z аксиальную плоскость (выделена штриховкой), Повернув систему координат XYZ относительно оси Z на угол а; получают систему координат pp Z. Причем осьp лежит на пересечении апсидальной и горизонтальной плоскостей (часть горизонтальной плоскости между осями Y и р заштрихована), Угол а определ.",ет положение апсидальной плоскости ZO p относительно пло-кости 7ОУ и плоскости ZO p относительно плоскости
ZOX, а угол Р, показанный на фиг, 2, — положение оси t относительно Оси Z в апсидальной плоскости.
Датчики D1, D2, Оз (фиг. 4) имеют оси с1, t2, t3. Причем ось t3 дагчика D3 совпадает с осью t снаряда 1. Оси источников искусственного магнитного поля (соленоидов) с моментами Ма и Мб сориентированы относительной осей с и R (ось R порождена осью р при повороте системы координат
pp Z в апсидальной плоскости относительно оси р на угол P go совмещения оси Z c осью t), Заштрихованы: внизу часть апсидальной плоскости между осями Z и R, вверху часть плоскости, Rерпендикулярной оси с, в которой лежат оси rp, R, tI, t2. Г1ричем ось
t2 образует угол у с осью R, а ось с1 Образует угол 90 + y с осью R.
Пусть постоянное внешнее магнитное поле Т имеет в фиксированной систе.1е координат компонен ы Т>, Гу (выбирают систему координат так, чтобы Тх = О), Проектируя горизонтальную составляющую Т> на оси р И р, получают
Т = Ту. cosa, 5 Ту=-Ту sin a.
ПРоектиРУЯ на ось t (t3) компоненты Tz u
Т, получают
Тз = Т, . Cos 3+ Ty . cos а sin р, Проектируя те же компоненты на ось R, 10 получают
Тг=Ту cosa cosj3 Tz sing.
Далее, проектируя компоненты Т, и Т на оси t1 и t2, получают
Г2= 1г cosy+ Т sin y, Т1=Т сов у- T sin y
Подставив полученные выражения для
Tr и Т„, получают
T1 = — Ту sIA Q c0s y — (Ту cos a cos p — Т, sin P)sin y, Т2 = (Ту соз а HOSP — Т sin j3) cosy-Ty з1п а SIll у (1)
Тз = Т, cosp+Ty сов а вопр
В случае, когда дополнительное магнитное поле создается соленоидом малых размеров с моментом М, его напряженность можно представить в следующем виде
8 = 3 R (М R)/R — М/R, где K — радиус-вектор, проведенный из точки наблюдения в цент0 соленоида, В данном случае R направлен по оси t для датчика D1 и против нее для датчика D2.
Поэтому поле В, создаваемое моментом Qа, имеет компоненты Bt = 3 М, cos P/R u
Bz =- -Ma/8, а проектируя на оси датчиков
D1, D2, Оз с учетом направления Б получают
В1, = sin p stn у M/R1
В = sing cosy М/Р 3 (2)
Вза = 2 COS P M/R33, где R1 — расстояние до датчиков D1 и D2 (расстояния от центра соленоидов до датчиКоВ D1, D2 P88HbI), Кз — расстояние до датчика D3.
Поле Е, создаваемое моментотм Мб, 45 3 имеет компоненты Bt = 3 . M6 sin p/R u
Ву= -M6/R, а проектируя на оси датчиков, получают
В16 = СОВ p Sill М/К1
В26 = С0$ /3 COS y M/R1 (3)
Взб = 2 sin p M/R3
В формулах (2), (3) учтено, что M> = Мб =
=M.
Таким образом, измерив компоненты
Т1, Т2, ТЗ внешнего поля, компоненты Т1а, Т2а, ТЗа пОлЯ при включенном источнике по ля с моментом Ма и компоненты Т16, T26. Тзб при включенном источнике поля с моментом Мб, вычислив приращения компонент
В1а, В2а, Вза l4 В16, В26, Взб пОля и зная величины Tz, Ty из систем (1) — (3), можно
1701901 однозначно определить косинусы и синугы углов а, j3, уи тем самым определить ориентацию осей снаряда относительно неподвижной систему XYZ, Формулы для определения значений синусов и косинусов указанных углов можно получить следующим образом, Из второго уравнения системы (3) имеют
cos y= -В26 R1 /Ы cosp
При возведении в квадрат первого и второго уравнения системы (3), получают
В1б + В2б =(M cosp/R1з), откуда
Icos Pl = /В1б + В2б M/R1..
Так как ф! C .тг/2, то cosP О и
cos P = Icos P l, поэтому
cos y= -В26/Вб, где Be= Вб +Вб
Аналогичным образом из первого уравнения получают
sin y= В16/B6. (5)
Выражают изтретьегоуравнения системы (2) cosôи имеют
cos P = Вза/2 M/Rs, Возведя в квадрат третьи уравнения систем (2) и (3) и сложив, получают
ВЗа + ВЗб = (2 M/Взз) .
Подставив в предыдущее уравнение значение 2 M/йз, получают
cos P- Вза/Вз. (8) где Вз = ВЗа + ВЗб
Аналогично из третьего уравнения системы (3) имеют
sin p = Взб/Вз (7)
Для определения косинуса и синуса угла а используют систему (1). Умножая первое на уравнение íà cos y, а второе — на з!и у, получают
Т1 . COSY = — Tó sin а cos 2yТу cos а cos p — Т, sin Д cos y sin у, Т2 Siny = (Ty cos a . cosp-T, sing) X
Х COS y sin у — Ty sin а з!п2 у.
Складывая эти выражения, получают
T1 С0$ y + Т2 з!и y = Ту sin a, От куда, выразив косинус и синус у иэ (4) и (5), определяют sin а в виде
sin а= (T1 В26-Т2 В16)/Ту Вб (8)
Выражение для cos а получают из третьего уравнения аналогичным образом
cos а= (Тз . Вз — Tz B3a)/Ty . B36 (9)
Таким образом, получены выражения для всех величин, с помощью которых однозначно определяются углы а, j3, у. В случае, когда ось t совпадает с осью Z(sin P = О, cos
/3=- 1), формулу (9) использовать нельзя. так как в этом случае Взб = О, но поскольку информацию о равенстве нулю угла /3л.гко получить из проверки значений Взб. В1 и
5 В2а, то нужно воспользоваться другим выражением для cos а. Поскольку при/3 =- О первое и второе уравнения системы (1) переходят в следующие
Т, = - Ty з!пасоз у- Ту соз а sin y, т";=- ту cosa cosу Ту slnгх sin y, (10) то, умножив первое уравнение на синус, а второе — на косинус угла у и вычтя его из первого, получают T1 Sin y — Т2 cos у =
= Ту cos а. Откуда следует, что
cos а = -(Т2 В26 + Т1 В16)/Вб Ту (1 1)
Пример, Пусть неподвижная система координат ориентирована следующим образом: ось Х направлена на восток, ось У на север, ось Z вверх. Положим, что T» = О, Ty = — 1, Т = 2 и a = О, P = 30", } 45 . По формулам (1) находят T! = (1 — 4/2), Т. = -T1, Тз = УЗ + 1/2.
По формулам 2)и (3) получают
В1а = -1/2 <2/2 М/R1, Вра =
1/2 2/2 M/R1з, Вза = 2 3/2 М/Кз, B16 = УЗ/2 2/2 М/R1, В26 =
30 — 1/3/2 1/2/2 M/R1, Взб = 2 1, 2
M/Ra .
Используя выражения, определяющие величины Вз и Вб, находят их в виде Бб =
= 1/3/2 M/R1, Вз = 2 М/Rs .
35 Затем, подставив в формулы (4), (5) (6), (7), (8) и (9) вычисленные значения входящих в них величин, определяют синусы и косинусы в виде sin у = 1/ 2, cos у = 1/ /2. Следовательно угол у = 45 . Далее находят sin
40 P = 1/2, cos /3 = З/2, следовательно, угол
Р =ЗОО. Затем находят sin а = О, cos а = 1, следовательно, угол а = О .
Изобретение по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности определения ориентации осей скважинного снаряда за счет использования датчиков одной физической природы — датчиков магнитного поля, повышение достоверности определения положения осей снаряда без использования данных инклинометрии и позволяет определить ориентацию снаряда при его произвольном положении.
Формула изобретения
Способ определения пространственно55 го положения скважинного снаряда, включающий измерение нэ поверхности компонент внешнего магнитного поля датчиками скважинного снаряда, оси которых совмещают с осями опорной системы к юрдинат, пространственное перемещение снаряда, измерение компонент внешнего магнитного поля в скважине и вычисление по ним угловых координат. о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности определения положения снаряда, в дополнение к внешнему магнитному полю создают искусственное магнитное поле двумя расположенными в скважинном снаряде взаимоортогональными источниками с равными по величине магнитными моментами. один из которых ориентируют по направлению оси тяжести, а другой — в апсидальной плоскости скважины, и при каждом новом положении снаряда осуществляют
5 два измерения компонент суммарного магнитного поля при возбуждении вначале одного источника поля, а затем другого, вычисляют приращение компонент магнитного поля и определяют пространст10 венную ориентацию осей скважинного снаряда.
1701901
