Инклинометр

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в нефтепромысловой геофизике для определения углового положения буровой скважины, а также в геомагнитной навигации для определения углов курса, крена и тангажа подвижного объекта. Сущность: инклинометр содержит корпус, трехкомпонентный магнитометрический датчик, трехкомпонентный акселерометр, немагнитную платформу и регулировочное устройство. Акселерометр размещен на немагнитной платформе. Регулировочное устройство выполнено с возможностью изменения крена и тангажа магнитометрического датчика относительно платформы. Технический результат повышение точности определения углового положения корпуса инклинометра и буровой скважины. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в нефтепромысловой геофизике для определения углового положения буровой скважины, а также в геомагнитной навигации для определения углов курса, крена и тангажа подвижного объекта.

Известен инклинометр [1], состоящий из корпуса инклинометра, трехкомпонентного магнитометрического датчика, размещенного в карданной рамке, груза-эксцентрика, закрепленного к карданной рамке, двух карданных подвесов, закрепленных на упомянутой карданной рамке, двух однокомпонентных магнитометрических датчиков, каждый из которых размещен на соответствующем карданном подвесе, при этом один однокомпонентный датчик размещен на карданном подвесе с возможностью измерения горизонтальной, а второй однокомпонентный датчик размещен на втором карданном подвесе с возможностью измерения вертикальной составляющей вектора индукции геомагнитного поля. С помощью груза-эксцентрика одна из осей трехкомпонентного датчика ориентирована по направлению продольной оси корпуса инклинометра, а вторая ось этого датчика перпендикулярна осям датчиков, размещенных на карданных подвесах. Все рамки с датчиками размерены в корпусе инклинометра.

Известный инклинометр работает следующим образом. Под действием груза-эксцентрика, жестко связанного с карданной рамкой, которая может вращаться вокруг продольной оси корпуса инклинометра, трехкомпонентный датчик устанавливается так, что одна ось датчика остается соосной с продольной осью корпуса инклинометра, вторая ось датчика будет перпендикулярна к продольной оси корпуса инклинометра, а значит, и к оси скважины и находится в плоскости наклона корпуса инклинометра, при этом третья ось этого датчика остается ортогональной к первой и второй осям. Один из однокомпонентных датчиков находится в карданном подвесе и под действием груза устанавливается вертикально, а второй однокомпонентный датчик находится на втором карданном подвесе и под действием груза занимает горизонтальное положение. Таким образом, в известном инклинометре осуществляется измерение вертикальной и двух взаимно ортогональных горизонтальных составляющих вектора индукции геомагнитного поля. Вертикальная ось первого однокомпонентного датчика коллинеарна оси выбранной опорной системы координат и направлена вниз. Вторая ось выбранной системы координат направлена по касательной к магнитному меридиану в сторону севера. Направление этой оси определяют по направлений горизонтальной составляющей вектора индукции геомагнитного поля, равной векторной сумме двух измеренных горизонтальных составляющих вектора опорной магнитной индукции. Третья ось выбранной опорной системы координат перпендикулярна первым двум направлениям и ориентирована в сторону востока. По сигналам с датчиков, пропорциональных составляющим вектора индукции геомагнитного поля на оси чувствительности датчиков, определяют расчетным путем азимутальный и зенитный углы корпуса инклинометра, а следовательно, и скважины, в которой находится корпус инклинометра.

В состав известного инклинометра [1] входят три подвижных элемента, чувствительных к направлению вектора силы тяжести, выполненных в виде наружной карданной рамки и двух карданных подвесов, на которых размещены один трехкомпонентный и два однокомпонентных магнитометрических датчика. Погрешность балансировки карданных подвесов от положения равновесия и частоты собственных колебаний карданных подвесов в процессе бурения скважины - все это приводит к погрешности определения углового положения скважины [2] Наличие карданных подвесов и груза-эксцентрика приводит к увеличению габаритов и веса инклинометра, карданные подвесы, закрепленные на карданной рамке с осью вращения, совпадающей с продольной осью корпуса инклинометра, не обеспечивают возможность бурения скважины, у которой зенитный угол должен изменяться в пределах от 0° до 180°. Так, например, бурение двух скважин, начинающихся с вертикальных направлений, а затем с переходом на горизонтальные направления в нефтеносном слое с целью соединения этих скважин требует высокой точности определения угловых положений инклинометров. В известном инклинометре не предусмотрено технического решения задачи определения взаимного углового положения датчиков, например, размещенных в карданных подвесах и датчика в карданной рамке, ось чувствительности которого должна находиться в горизонтальной плоскости, что приводит к погрешности определения углового положения скважины при наличии неколлинеарности осей чувствительности упомянутых датчиков.

Известен инклинометр [3], который по совокупности существенных признаков наиболее близок предлагаемому и принят за прототип. Инклинометр состоит из корпуса инклинометра, трех акселерометров с взаимно ортогональными осями и трехкомпонентного магнитометрического датчика, размещенного на корпусе инклинометра, при этом магнитометрический датчик и акселерометры размещены на корпусе инклинометра так, что одна из осей датчика и одна из осей соответствующего акселерометра коллинеарны продольной оси корпуса инклинометра.

Известный инклинометр [3] работает следующим образом. По сигналам с трехкомпонентного магнитометрического датчика, пропорциональным проекциям вектора индукции геомагнитного поля на оси чувствительности датчика, и сигналам с акселерометров, пропорциональным проекциям вектора ускорения силы тяжести на оси чувствительности акселерометров, определяют расчетным путем азимутальный, визирный и зенитный углы корпуса инклинометра, а значит, определяют и угловое положение скважины, в которой находится корпус инклинометра.

В известном техническом решении [3] магнитометрический и датчик и акселерометры размещают так, чтобы их оси были коллинеарны. Однако продольные оси чувствительных элементов к измеряемым параметрам магнитометрического датчика и акселерометров могут не совпадать с осями чувствительности акселерометров к проекциям вектора ускорения силы тяжести на эти оси и с осями чувствительности магнитометрического датчика к проекциям вектора магнитной индукции на упомянутые оси датчика [4, 5]. Так, например, угол между осью чувствительности (магнитной осью магнитометрического датчика и продольной осью магниточувствительного элемента датчика, в частности, феррозонда может составить более 10’ [4].Неколлинеарность магнитных осей упомянутого датчика с осями чувствительности акселерометров или при отсутствии сведений о взаимных угловых положениях этих осей (при отсутствии привязки осей) приводит к погрешности определения углового положения корпуса инклинометра, а значит, и скважины.

Задачей предлагаемого изобретения является создание инклинометра, обеспечивающего возможность привязки магнитных осей трехкомпонентного магнитометрического датчика к осям чувствительности акселерометров, уменьшающей погрешность определения углового положения корпуса инклинометра, а значит, и скважины. Поставленная задача решается за счет использования немагнитной платформы с размещенным на ней трехкомпонентным акселерометром, и регулировочного устройства, выполненного с возможностью изменения углов крена и тангажа магнитометрического датчика относительно немагнитной платформы, установленной в корпусе инклинометра.

Предлагаемый инклинометр, включающий трехкомпонентный магнитометрический датчик, трехкомпонентный акселерометр и корпус инклинометра, продольная ось которого коллинеарна одной из осей трехкомпонентного датчика и одной из осей трехкомпонентного акселерометра, снабжен немагнитной платформой, размещенной в корпусе инклинометра, и регулировочным устройством, при этом трехкомпонентный акселерометр размещен на немагнитной платформе, а регулировочное устройство выполнено с возможностью изменения углов крена и тангажа трехкомпонентного магнитометрического датчика относительно упомянутой платформы.

Применение в предлагаемом техническом решении трехкомпонентного магнитометрического датчика и трехкомпонентного акселерометра, у каждого из которых одна из осей коллинеарна продольной оси корпуса инклинометра, в совокупности с немагнитной платформой, на которой размещен трехкомпонентный акселерометр, и регулировочным устройством, выполненным с возможностью изменения углов крена и тангажа трехкомпонентного магнитометрического датчика относительно немагнитной платформы, обеспечивает привязку магнитных осей трехкомпонентного датчика к осям чувствительности трехкомпонентного акселерометра, что значительно уменьшает погрешность определения углового положения корпуса инклинометра в опорной системе координат, например, геомагнитной системе координат, а следовательно, и буровой скважины, в которой находится корпус инклинометра.

Таким образом, технический результат предлагаемого инклинометра выражается в обеспечении привязки магнитных осей трехкомпонентного магнитометрического датчика к осям чувствительности трехкомпонентного акселерометра, значительно уменьшающей погрешность определения углового положения (углов курса, крена, тангажа) корпуса инклинометра, а следовательно, и углов курса, тангажа буровой скважины, в которой находится корпус инклинометра.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется следующими графическими материалами.

На чертеже изображена структурная схема инклинометра. Предлагаемый инклинометр состоит из корпуса инклинометра 1, трехкомпонентного магнитометрического датчика 2, трехкомпонентного акселерометра 3, немагнитной платформы 4, размещенной в корпусе 1, и регулировочного устройства 5, выполненного с возможностью изменения углов крена и тангажа датчика 2 относительно платформы 4. При этом продольная ось NN’ корпуса 1 коллинеарна оси датчика 2 по направлению O’Z’ базовой системы координат O’Х’У’Z’ датчика 2 и оси акселерометра 3 по направлению оси OZ базовой системы координат OXYZ акселерометра 3.

Предлагаемый инклинометр работает следующим образом. Конструирование и изготовление датчика 2 (фиг.1) и акселерометра 3 не обеспечивают ортогональность магнитных осей датчика 2 и ортогональность осей чувствительности акселерометра 3 [4, 5]. Поэтому платформу 4 с датчиком 2, акселерометром 3 и устройством 5, связывающим платформу 4 с датчиком 2, предварительно размещают в трехкомпонентную меру магнитной индукции, с помощью которой по методике, изложенной в работе [4], приводят магнитные оси датчика 2 к ортогональному базису трехкомпонентной меры магнитной индукции.

Направляющие косинусы осей чувствительности акселерометра 3 относительно осей базовой системы координат OXZ могут быть определены с помощью поворотного устройства с возможностью вращения платформы 4 с датчиком 2, акселерометром 3 и устройством 5 вокруг трех взаимно ортогональных осей. Поворотным устройством может быть немагнитный теодолит или установка для поверки инклинометров УПИ-2 [3]. Поворачивая платформу 4 вокруг осей базовой системы координат и измеряя значения выходных сигналов с акселерометра 3, пропорциональных проекциям вектора ускорения силы тяжести q_xi, q_yi, q_zi, где i=1, 2,... - номера измерений, на соответствующие оси чувствительности акселерометра 3, определяют направляющие косинусы упомянутых осей акселерометра. Измеренные значения q_xi, q_yi, q_zi, можно представить в следующем виде:

q_xi=(n_1icosα_x’x+n_2icosα_x’y+n_3icosα_x’y)·q_z;

q_yi=(n_1icosβ_y’x+n_2icosβ_y’y+n_3icosβ_y’z)·q_z;

q_zi=(n_1icosγ_z’x+n_2icosγ_z’y+n_3icosγ_z’z)·q_z;

где n_1i=-sinΨ_i; n_2i=cosΨ_isinθ_i; n_3i=cosΨ_icosθ_i; (cosα_x’x, cosα_x’y, cosα_x’z), (cosβ_y’x, cosβ_y’y, cosβ_y’z), (cosγ_z’x, cosγ_z’y, cosγ_z’z) - направляющие косинусы соответствующих осей чувствительности акселерометра 3; θ_i и Ψ_i - углы курса и тангажа платформы 4 в ортогональном базисе; q_z - модуль вектора ускорения силы тяжести в месте проведения измерений. Решением приведенной системы уравнений являются ускорение силы тяжести q_z, углы крена θ_i и тангажа ϕ_i.

Датчик 2 и акселерометр 3, размещенные на платформе 4, привязаны к соответствующим ортогональным осям базовых систем координат. Поэтому оси базовых систем координат будем считать в дальнейшем, как оси соответствующие магнитным осям датчика 2 и осям чувствительности акселерометра 3. Ориентация же базовых осей датчика 2 и акселерометра 3 относительно друг друга неизвестна. Осями базовой системы координат для акселерометра 3 являются оси ОХ, ОУ, OZ поворотного устройства, на котором устанавливают платформу 4 с акселерометром 3 и датчиком 2. Этим поворотным устройством может быть немагнитная установка для поверки инклинометров УПИ-2 [3]. На площадке круглой платформы УПИ-2 [3] устанавливают платформу 4. Ось круглой платформы УПИ-2 при ориентации ее параллельно горизонтальной плоскости является осью ОУ соответствующей первой оси чувствительности акселерометра 3, ось, перпендикулярная оси ОУ и параллельная горизонтальной плоскости, является базовой осью ОХ, соответствующей второй оси акселерометра 3, и ось, перпендикулярная осям OX, ОУ и совпадающая по направлению с вектором ускорения силы тяжести, является базовой осью OZ. Оси ОХ, ОУ, OZ образуют правую тройку системы координат ОХУZ.

Устанавливают базовые оси УПИ-2 в горизонтальной плоскости. Mагнитное наклонение С за исключением магнитных полюсов) меньше по модулю 90°. Поэтому вращая платформу 4 вокруг оси OZ от 0° до 180° добиваются регулировочным устройством о постоянства выходного сигнала по компоненте "Z" датчика 2. В этом случае магнитная ось O’Z’датчика 2 по компоненте "Z" будет коллинеарна оси OZ, а магнитные оси О’Х’ и О’У’ будут принадлежать плоскости, коллинеарной плоскости горизонта. Направляющие косинусы магнитной оси O’Z’ относительно осей ОХ и ОУ равны нулю, а относительно оси OZ - единице. Направляющие косинусы магнитных осей O’Х’ и О’У’ относительно оси OZ будут равны нулю. Для этой ориентации магнитных осей датчика 2 по измеренным проекциям вектора магнитной индукции В_x’, В_y’, В_z’ определяют

где В_XM - проекция горизонтальной составляющей вектора индукции геомагнитного поля; В_T - модуль вектора индукции геомагнитного поля; J - магнитное наклонение. Вектор направлен на север по касательной к магнитному меридиану.

Поворачивают U-образную подставку УПИ-2 [3] вокруг оси OZ так, чтобы выходной сигнал с датчика 2 по компоненте "У" был равен нулю, а =. Затем поворачивают круглую платформу УПИ-2 [3] на 90° так, чтобы ось О’У’ была ориентирована в сторону вектора ускорения силы тяжести. Вращают U-образную подставку УПИ-2 вокруг вертикальной оси до значения сигнала на выходе датчика 2 по компоненте "Z", равного нулю. Магнитная ось O’Z’ (по компоненте "Z") датчика 2 будет перпендикулярна вертикальной плоскости, проходящей через ОУ’ и ОХ при совмещении точек O’ и O. Определяют угол λ_x’x=j-τ между осями O’Х’ и ОХ; угол λ_x’у=90°-λ_x’x между осями О’X’ и ОУ; угол λ_y’y=λ_x’x между осями О’У’ и ОУ; угол λ_y’x=90°+λ_x’x между осями О’У’ и ОХ, где τ=arctq(В_y’/В_x’). Направляющие косинусы магнитных осей ОX’, О’У’, O’Z’ датчика 2 в базовой системе координат OXYZ можно представить в следующем виде: l₁=cosλ_x’x; m₁=cosλ_x’y; n₁=cosλ_x’z=0; l₂=cosλ_y’x; m₂=cosλ_y’y; n₂=cosλ_y’z=0; l₃=cosλ_z’x=0; m₃=cosλ_z’y=0; n₃=cosλ_z’z=1. По известным (l₁, m₁, n₁), (l₂, m₂, n₂), (l₃, m₃, n₃) измеренные датчиком 2 проекции вектора магнитной индукции приводят к базовой системе координат ОХУZ [6.].

Таким образом, привязка магнитных осей датчика 2 к осям чувствительности трехкомпонентного акселерометра 3 осуществляется вне корпуса инклинометра. Затем корпус инклинометра 1 устанавливают по вертикали, а платформу 4 размещают в корпусе 1 так, чтобы выходные сигналы с акселерометра 3 по компонентам "X" и "У" были бы равны нулю. После этого инклинометр, состоящий из корпуса инклинометра 1, датчика 2, акселерометра 3, платформы 4 и устройства 5, готов к работе.

Осуществляют синхронное измерение проекций вектора ускорения силы тяжести акселерометром 3 (фиг.1) и проекции вектора магнитной индукции датчиком 2. По измеренным проекциям вектора ускорения силы тяжести q_xi, q_yi, q_zi определяют угол крена в пределах от 0° до ±180° и угол тангажа в пределах от 0° до ±90° следующим образом. Решая приведенную систему трех уравнений для q_xi, q_yi, q_zi, определяют n_1i=-sinΨ_i, n_2i=cosΨ_isinθ_i, n_3i=cosΨ_icosθ_i. Находят Ψ_i и θ_i, например, из выражений Ψ_i=-arcsin n_1i, θ_i=arctq(n_2i/n_3i). При и оставляют Ψ_i=-arcsin n_1i и θ_i=arctq(n_2i/n_3i). При и определяют Ψ_i и θ_i из следующих выражений: Ψ_i=-arcsinn_1i, θ_i=arccos(n_3i/cosΨ_i). Знак θ_i соответствует знаку угла θ_i=arctq(n_2i/n_3i).

При и определяют Ψ_i и θ_i из следующих выражений: θ_i=arctq(n_2i/n_3i); Ψ_i=arccos(n_3i/cosθ_i). Знак Ψ_i должен соответствовать знаку угла Ψ_i=-arcsin n_1i.

При и определяют Ψ_i и θ_i из следующих выражений: а знак θ_i должен соответствовать знаку θ_i=arctq(n_2i/n_3i). Ψ_i=arcсos(n_2i/sinθ_i), а знак Ψ_i должен соответствовать знаку Ψ_i=-arcsin n_1i.

Такое определение углов Ψ_i и θ_i обеспечивает наименьшую погрешность измерения угла Ψ_i в пределах от 0° до ±90° и угла θ_i в пределах от 0° до ±180°.

По измеренным проекциям вектора магнитной индукции датчиком 2 и известным углам крена и тангажа определяют угол курса корпуса инклинометра 1 по алгоритму, аналогичному [3, 5].

Привязка магнитных осей датчика 2 к осям чувствительности трехкомпонентного акселерометра 3 исключает погрешность определения углового положения корпуса инклинометра 1, обусловленную неколлинеарностью осей чувствительности акселерометра 3 и магнитных осей датчика 2, что повышает точность определения углового положения корпуса инклинометра 1, а значит, и буровой скважины.

Использование в заявляемом техническом решении вычислительного блока позволит автоматизировать процесс определения углового положения скважины. Для этого выводы датчика 2 через усилительно-преобразовательные блоки и выводы акселерометра 3 следует подключить, например, к преобразователю измерительному многоканальному (ПИМ-1, сертификат №15660-96, Госстандарт России). В предлагаемом техническом решении магнитометрический датчик в совокупности с усилительно-преобразовательными блоками могут быть выполнены аналогично, как и в известном устройстве [4]. В частности, магнитометрическим датчиком может быть трехкомпонентный феррозонд, выполненный в виде цилиндра с диаметром 31,3 мм и образующей 52,5 мм, разработанный АОЗТ "Маг-Сенсоре" (г.С.-Петербург). В предлагаемом техническом решении могут быть использованы акселерометры, приведенные в работе [7]. Кроме упомянутых акселерометров могут быть применены акселерометры типа ADXL 202 E с габаритными размерами 5 мм × 5 мм × 2 мм. Выходные сигналы с трехкомпонентного магнитометрического датчика и трехкомпонентного акселерометра могут сниматься с помощью бесконтактного токосъемника аналогичного [8]. Регулировочное устройство 6 может быть выполнено аналогично, как и у теодолита, например, Т2 в виде треножника и трех подъемных винтов, связывающих платформу 4 с треножником, на котором можно разместить датчик 2.

Литература

1. АС № 804822 Е 21 В 47/02. Инклинометр./Понаморев В.Н., Нехорошков В.Л., Мухаметшин А.А.//Открытия. Изобретения. 1981. БИ № 6.

2. Ковшов Г.Н., Солонина Н.Н. Увеличение виброустойчивости преобразователя угла установки отклонителя./Геофизическая аппаратура. Л: "Недра". 1984. Вып.79. С.105-109.

3. Алимбеков P.И., Баймуратов Ю.Г., Зайко А.И., Сорокин А.А, //Измерительная техника. 2002. № 11. С.23.

4. Афанасьев ЮВ. Феррозондовые приборы. Л.: "Энергоатомиздат". 1986. 188 с.

5. Миловзоров Г.В.//Измерительная техника. 1996. № 10. С.22.

6. Ефимов Н.B. Квадратичные формы и матрицы. М.: "Наука". 1975. 160 с.

7. Мельников В.Е. Электромеханические преобразователи на базе кварцевого стекла. М.: "Машиностроение". 1984. 160 с.

8. Миловзоров Г.В.//Измерительная техника. 1997. № 8. С.29.

Инклинометр, включающий трехкомпонентный магнитометрический датчик, трехкомпонентный акселерометр и корпус инклинометра, продольная ось которого коллинеарна одной из осей трехкомпонентного датчика и одной из осей трехкомпонентного акселерометра, отличающийся тем, что он снабжен немагнитной платформой, размещенной в корпусе инклинометра, и регулировочным устройством, при этом трехкомпонентный акселерометр размещен на немагнитной платформе, а регулировочное устройство выполнено с возможностью изменения углов крена и тангажа трехкомпонентного магнитометрического датчика относительно упомянутой платформы.