Геофизический комплекс

 

Изобретение относится к приборам и системам, предназначенным для исследования буровых скважин, в частности для пространственного определения углового положения скважинного прибора относительно скважины. В комплексном скважинном приборе установлен гиромотор в рамке, ось вращения которой перпендикулярна оси вращения ротора и продольной оси комплексного скважинного прибора. По оси вращения рамки установлен задатчик момента, на который с блока управления поступают сигналы, зависящие от рассогласования заданного и текущего значений апсидального угла. Под действием вырабатываемого момента рамка с ротором начинает ускоренно вращаться, создавая гироскопический момент, действующий по продольной оси комплексного скважинного прибора. В случае преодоления указанным моментом момента трения между стенками скважины и комплексным скважинным прибором, последний начинает разворачиться в сторону уменьшения угла рассогласования. При достижении комплексным скважинным прибором заданного углового положения, блок управления отключает задатчик момента, комплексный скважинный прибор под действием момента трения останавливается. 1 ил.

Изобретение относится к приборам и системам, предназначенным для исследования буровых скважин, а именно - к геофизическим комплексам, предназначенным для осуществления операций, при которых скважинный прибор должен быть расположен заданным образом относительно скважины.

Известен ряд геофизических измерительных систем (ГИС), определяющих те, либо иные параметры физических полей, существующих в окрестностях различных точек скважины [1]. Такие системы преимущественно состоят из наземной аппаратуры, связанной с помощью каротажного кабеля со скважинным прибором, который содержит датчики первичной информации, определяющие искомые параметры исследуемых физических полей. К недостаткам, которые присущи упомянутым выше ГИС, относится невозможность определения пространственного распределения характеристик физических полей относительно некоторого опорного направления в пространстве. Последнее объясняется тем, что в процессе исследования спускаемый на каротажном кабеле скважинный прибор (а следовательно и связанные с ним датчики первичной информации) занимает относительно скважины произвольное положение, главным образом относительно продольной его оси. Данный недостаток устраняется введением в состав ГИС специальной системы ориентации, позволяющей определить пространственное угловое положение скважинного прибора относительно некоторой системы координат, в которой также определено и положение скважины. В качестве примера укажем ГИС, в состав которой входит инклинометрический модуль [2]. Данный прибор, выбранный в качестве прототипа, предназначен для комплексного определения параметров скважины: ее пространственного положения, а также распределения характеристик окружающей среды относительно скважины. Инклинометрический модуль содержит набор чувствительных элементов, к числу которых, в частности, относятся датчики магнитного поля и акселерометры. Блок акселерометров представляет собой основу измерителя зенитного и апсидального углов, а датчики магнитного поля Земли - феррозонды выдают первичную информацию, которая наряду с информацией, получаемой с блока акселерометров, позволяет определить азимут плоскости наклонения скважинного прибора (того участка скважины, где в данный момент расположен скважинный прибор). С помощью инклинометрического модуля определяется пространственное положение скважинного прибора, а следовательно, и угловое положение диаграммы направленности датчика исследуемого физического поля относительно плоскости наклонения. Однако существенным недостатком такой ГИС является значительная сложность управления угловым положением скважинного прибора относительно скважины: так, если перемещение скважинного прибора вдоль оси скважины осуществляется достаточно просто изменением длины сматываемого каротажного кабеля, а величины зенитного и азимутального углов скважинного прибора практически определены стенками скважины, то целенаправленное управление изменением апсидального угла (т.е. вращение скважинного прибора вокруг его продольной оси) невозможно. В данной ситуации ориентирование зоны чувствительности датчика физического поля (предположим на заданной глубине погружения скважинного прибора) может быть произведено серией возвратно-поступательных перемещений скважинного прибора вдоль оси скважины; при этом скважинный прибор, произвольным образом вращаясь вокруг своей продольной оси, может занять необходимое положение. Очевидно, что вероятность получения при этом желаемого результата крайне незначительна в случае ограниченного числа упомянутых манипуляций, большое число последних ограничено временными рамками проведения исследований и ресурсом работы ГИС. В связи с отмеченным выше, возникает необходимость иметь ГИС, скважинный прибор которой мог бы совершать в скважине необходимые развороты вокруг своей продольной оси. Построение данной системы с использованием устройства заякоривания (жесткой фиксации) скважинного прибора или его части со стенками скважины нежелательно по причинам сложности и малой надежности конструкции прижимных устройств, а также значительного времени проведения цикла "фиксация-освобождение" скважинного прибора, что может значительно снизить производительность работ с использованием ГИС.

Задачей настоящего изобретения является создание геофизического комплекса, имеющего безопорную систему разворота комплексного скважинного прибора вокруг его продольной оси.

Поставленная задача достигается тем, что в геофизическом комплексе, состоящем из наземной аппаратуры и связанного с ней каротажным кабелем комплексного скважинного прибора, содержащего систему его ориентации с датчиком апсидального угла и датчик физического поля, которые связаны с входом наземной аппаратуры, в состав комплексного скважинного прибора входит безопорное устройство его разворота вокруг продольной оси, содержащее гиромотор, ось ротора которого установлена в рамке, закрепленной в корпусе комплексного скважинного прибора с помощью опор, обеспечивающих ей одну степень свободы вращения вокруг оси, перпендикулярной как продольной оси комплексного скважинного прибора, так и оси ротора гиромотора, причем к рамке присоединены датчик угла, выход которого связан с первым входом блока управления, и задатчик момента, выход которого связан с выходом блока управления, а второй и третий входы последнего связаны соответственно с выходом датчика апсидального угла и с управляющим входом наземной аппаратуры.

Состав предлагаемого геофизического комплекса приведен на чертеже. Комплексный скважинный прибор 1 связан с наземной аппаратурой 2 каротажным кабелем 3. В состав комплексного скважинного прибора 1 входят датчики 4 физического поля и система ориентации 5, составной частью которой является датчик 6 апсидального угла. Выходы перечисленных устройств связаны со входом наземной аппаратуры 2. В скважинном приборе размещен гиромотор 7, содержащий ротор 8 и рамку 9. Ось подвеса 10 рамки 9 установлена в опорах 11, закрепленных в корпусе скважинного прибора 1. По оси подвеса 10 рамки 9 установлен датчик угла 12, сигнал с которого поступает на первый вход Вх1 блока управления 13, а второй вход Вх2 последнего соединен с выходом датчика апсидального угла. С рамкой 9 связан задатчик момента 14, на который поступает сигнал с выхода блока управления 13. Комплексный прибор находится в скважине 15.

Геофизический комплекс работает следующим образом.

С управляющего выхода пульта наземной аппаратуры 2 по каротажному кабелю 3 передается сигнал, соответствующий требуемому апсидальному углу положения комплексного скважинного прибора 1 в скважине 15. Сигнал поступает на третий вход Вх3 блока управления 13, где сравнивается с текущим значением сигнала датчика 6 апсидального угла системы ориентации 5. При рассогласовании этих сигналов блок управления 13 выдает управляющий сигнал на задатчик момента 14, при этом последний создает момент M_дм1 вокруг внутренней оси подвеса 10 (ОХ) трехстепенного гироскопа, который можно представить состоящим из вращающегося ротора 8, внутренней рамки 9 и внешней рамки (корпуса комплексного скважинного прибора 1), причем условная ось вращения последней совпадает с продольной осью комплексного скважинного прибора OZ. Момент M_дм1, действующий на рамку 9 с ротором 8 в течение фиксированного интервала времени, также действует и на комплексный скважинный прибор вокруг оси ОХ и уравновешивается моментом сил реакции вследствие касания корпуса комплексного скважинного прибора 1 со стенками скважины 15. Вращение внешней рамки вокруг продольной оси OZ комплексного скважинного прибора в начальный период времени не происходит, т.к. по этой оси гироскоп зафиксирован большим моментом сопротивления (трения) M_c. При таких условиях под действием момента M_дм1 задатчика момента 14 внутренняя рамка 9 с ротором 8 начнет ускоренно поворачиваться в опорах 11 вокруг оси OX как обычное твердое тело, и при этом вокруг оси OZ возникает гироскопический момент, равный , где H - кинетический момент ротора; - угловая скорость вращения рамки 9 вокруг оси 10. По мере нарастания угловой скорости соответственно будет увеличиваться гироскопический момент M_г1, величина которого в определенный момент времени превысит момент M_с сил сопротивления и комплексный скважинный прибор 1 при этом начнет разворачиваться вокруг продольной оси OZ с угловой скоростью в направлении, которое было задано знаком момента M_дм1, создаваемого задатчиком момента 14 по соответствующему сигналу с блока управления 13. С появлением углового движения комплексного скважинного прибора 1 с угловой скоростью вокруг продольной оси OZ, на рамку 9 с ротором 8 вокруг оси OX начнет действовать гироскопический момент , противоположно направленный моменту M_дм1 и уравновешивающий его. В этом случае рамка 9 с ротором 8 будет двигаться с постоянной угловой скоростью, достигнутый к тому моменту времени, когда комплексный скважинный прибор начал вращаться вокруг продольной оси OZ. За время действия момента M_дм1 комплексный скважинный прибор 1 повернется вокруг продольной оси на некоторый угол в сторону уменьшения рассогласования между заданным и текущим значениями апсидального угла. Затем на задатчик момента 14 с блока управления 13 поступает сигнал противоположного знака по отношению к первому. В этом случае создаваемый задатчиком момента 14 момент M_дм2, много меньший чем M_дм1, начнет разворачивать рамку 9 с ротором 8 вокруг оси OX к начальному положению, когда ось вращения ротора перпендикулярна продольной оси комплексного скважинного прибора 1. Указанное реверсивное движение рамки 9 с ротором 8 вокруг оси OX будет происходить со значительно меньшей угловой скоростью, чем под действием момента M_дм1 задатчика момента 14. Последнее обеспечивается соответствующим подбором уровня управляющего сигнала. В этом случае возникающий по оси OZ гироскопический момент M_г3 будет меньше момента M_с сил сопротивления, действующего вокруг продольной оси комплексного скважинного прибора и последний останется неподвижным, а рамка 9 с ротором 8 с малой угловой скоростью с течением времени вернется в исходное положение, при котором с датчика 12 на блок управления 13 поступает сигнал на отключение управляющего сигнала на задатчик момента 14. Дальнейший разворот комплексного скважинного прибора происходит путем повторения цикла операций, рассмотренного выше, до тех пор, пока комплексный скважинный прибор не займет заданного положения, при котором рассогласование между текущим и заданным значениями апсидального угла не будут меньше порога чувствительности датчика 6 апсидального угла.

В качестве примера технической реализации заявляемого устройства можно привести скважинный прибор, содержащий датчики исследуемого физического поля, датчик апсидального угла, электрический гиромотор, электрический двигатель - задатчик момента. В качестве датчика угла может быть применен любой электрический датчик. Блок управления - любое логическое устройство (построенное на реле, микропроцессоре и других элементах дискретного действия), обеспечивающее необходимую совокупность сигналов, управляющих элементами, входящими в состав устройства разворота.

Формула изобретения

Геофизический комплекс, состоящий из наземной аппаратуры и связанного с ней каротажным кабелем комплексного скважинного прибора, содержащего систему его ориентации с датчиком апсидального угла и датчик физического поля, которые связаны с входом наземной аппаратуры, отличающийся тем, что в состав комплексного скважинного прибора входит безопорное устройство его разворота вокруг продольной оси, содержащее гиромотор, ось ротора которого установлена в рамке, закрепленной в корпусе комплексного скважинного прибора с помощью опор, обеспечивающих ей одну степень свободы вращения вокруг оси, перпендикулярной как продольной оси комплексного скважинного прибора, так и оси ротора гиромотора, причем к рамке присоединены датчик угла, выход которого связан с первым входом блока управления, и задатчик момента, вход которого связан с выходом блока управления, а второй и третий входы последнего связаны соответственно с выходом датчика апсидального угла и с управляющим выходом наземной аппаратуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1