Блок первичных преобразователей скважинного магнитометра- инклинометра

 

Использование: в геофизике, в шахтно-скважинных измерениях, а также при определении пространственного положения скважины в большом диапазоне зенитных углов. Сущность: устройство содержит три неподвижных жестко закрепленных в корпусе скважинного прибора феррозонда, вращающуюся рамку с эксцентрично расположенным грузом, маятник с вертикально укрепленной на его оси катушкой, систему из трех взаимно ортогональных выходных катушек. Катушка, укрепленная на маятнике, может поворачиваться вокруг своей оси на 360 град. и индуктивно связана с генератором переменного тока, что позволяет исключить осевой коллектор вращающейся рамки, повысить точность ее ориентации и расширить диапазон зенитных углов. Система из трех простых катушек позволяет повысить точность вычисления зенитного угла и угла поворота корпуса относительно плоскости наклона. 1 ил.

Изобретение относится к геофизике, а более конкретно к шахтно-скважинным магнитным измерениям, и может быть использовано при проведении эксплуатационной разведки железорудных месторождений в условиях шахт, а также для определения пространственного положения скважин с большим диапазоном зенитных углов и большой температурой (например, нефтяных при кустовом бурении).

Учитывая то, что в условиях шахт бурение скважины из горных выработок производится во всех направлениях (при зенитных углах от 0 до 180^o), необходимы специальные устройства для проведения измерений в таких условиях.

Известно устройство, содержащее два взаимно ортогональных жестко закрепленных феррозонда, вертикально отвешиваемый феррозонд и две плоские катушки, расположенные вокруг вертикального феррозонда. Недостатком данного устройства является то, что он не может работать при зенитных углах более 90^o.

Известно устройство, позволяющее производить измерение трех компонент геомагнитного поля в широком диапазоне зенитных углов, содержащее три феррозонда, ортогонально отвешиваемых при помощи системы маятников и помещенных во вращающуюся рамку, снабженную эксцентрично расположенным грузом и коллектором для подвода питания к феррозондам [1] Такая конструкция очень сложна и малонадежна. Кроме того, при малых зенитных углах скважины такая конструкция не обеспечивает требуемую точность ориентации феррозондов из-за трения в коллекторе вращающейся рамки.

Блок первичных преобразователей скважинного магнитометра-инклинометра, содержащий расположенные в корпусе три взаимно ортогональных жестко закрепленных между собой феррозонда, один из которых направлен вдоль оси скважинного прибора, и катушку, подключенную к генератору переменного тока, отличается тем, что он дополнительно содержит вращающуюся рамку с эксцентрично расположенным грузом, маятник, закрепленный во вращающейся рамке, и пять катушек, при этом вторая катушка закреплена на оси вращающейся рамки и индуктивно связана с первой катушкой, жестко связанной с корпусом прибора, третья катушка вертикально укреплена на оси маятника и подключена через контактные кольца и токосъемники к второй катушке, четвертая, пятая и шестая плоские катушки расположены взаимно ортогонально с охватом рамки, при этом витки четвертой катушки расположены в плоскости, перпендикулярной оси скважинного прибора.

На фиг. 1 изображена конструкция блока, где 1, 2, 3 феррозонды, жестко закрепленные в корпусе скважинного прибора; 4 первая катушка, подключенная к генератору переменного тока; 5 вторая катушка, закрепленная на оси вращающейся рамки 6; 7 эксцентрично расположенный груз; 8 маятник; 9 - третья катушка, установленная на маятнике так, что ее плоскость горизонтальна при любом зенитном угле; 10 контактные кольца; 11 токосъемники; 12 - четвертая плоская катушка, установленная так, что плоскость ее перпендикулярна оси скважинного прибора; 13, 14 пятая и шестая плоские катушки, установленные так, что их плоскости совпадают с осями феррозондов 2 и 3; 15 - генератор переменного тока.

Работает устройство следующим образом. При протекании переменного тока по катушке 4 в катушке 5 возникает ЭДС, которая создает ток в катушке 9. При этом катушкой 9 создается переменное магнитное поле, направленное вертикально вверх. Катушка 9 может поворачиваться на оси на 360^o.

В катушках 12, 13, 14 индуцируется ЭДС, величина которой будет определяться зенитным углом скважины и углом поворота плоских катушек относительно плоскости наклона скважины, в которой устанавливается вращающаяся рамка под действием груза 7. После выпрямления этих ЭДС синхронным детектором будем иметь: u₁₂=K₁₂·cosϕ u₁₃=K₁₂·sinϕ·sinα u₁₄=K₁₄·sinϕ·cosα где ϕ зенитный угол скважины; a угол поворота плоскости катушки 13 относительно плоскости наклона скважины; К К₁₄ K₁₂ K₁₃ коэффициенты, зависящие от направления генератора, число витков и геометрических размеров катушек.

Угол поворота плоскости катушки 13 относительно плоскости наклона скважины можно вычислить из отношения:
Зенитный угол можно вычислить:


Феррозондами 1, 2, 3 измеряются проекции вектора геомагнитного поля Т на оси феррозондов Z, X, Y при произвольном значении ϕ и a.

Измерив значения Z, X, Y и вычислив v и a, можно легко пересчитать их по известным формулам преобразования координат в значения компонент H_Z, H_X, H_Y в вертикальной системе координат, привязанной к плоскости наклона скважины.

H_Z вертикальная составляющая геомагнитного поля;
H_X -- горизонтальная составляющая геомагнитного поля, направленная в плоскости наклона скважины;
H_Y горизонтальная составляющая геомагнитного поля, направленная перпендикулярно плоскости наклона.

При этом может быть вычислен азимут скважины
А arctg (H_Y/H_X).

Таким образом, данное устройство позволяет производить измерения 3^X компонент геомагнитного поля, азимута и зенитного угла скважины в диапазоне зенитных углов 1^o 179^o.

К достоинствам конструкции следует отнести следующее:
так как подвижная рамка не содержит осевого коллектора и токосъемников, то точность ее установки в плоскости наклона при малых зенитных углах существенно повысится;
так как зенитный угол v и угол поворота a определяются из отношений напряжений, то эти отношения не зависят от стабильности напряжения генератора и изменения сопротивления катушек, поэтому можно получить высокую точность измерения этих параметров в широком интервале температур;
так как зенитный угол определяется по результатам измерения напряжения на выходе 3^X плоских катушек (хотя при небольших зенитных углах достаточно и 2^X напряжений), точность определения зенитного угла во всем диапазоне его измерения высокая и практически одинаковая;
конструкция проста в изготовлении, т. к. содержит из подвижных частей только одну вращающуюся рамку и один маятник с одной степенью свободы.

Формула изобретения

Блок первичных преобразователей скважинного магнитометра-инклинометра, содержащий расположенные в корпусе три взаимно ортогональных жестко закрепленных между собой феррозонда, один из которых направлен вдоль оси скважинного прибора, и катушку, подключенную к генератору переменного тока, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вращающуюся рамку с эксцентрично расположенным грузом, маятник, закрепленный во вращающейся рамке, и пять катушек, при этом вторая катушка закреплена на оси вращающейся рамки и индуктивно связана с первой катушкой, жестко связанной с корпусом прибора, третья катушка вертикально укреплена на оси маятника и подключена через контактные кольца и токосъемники ко второй катушке, четвертая, пятая и шестая плоские катушки расположены взаимно ортогонально с охватом рамки, при этом витки четвертой катушки расположены в плоскости, перпендикулярной оси скважинного прибора.

РИСУНКИ

Рисунок 1