Переворачивающийся инклинометр с гиродатчиками
Изобретение относится к устройствам измерения наклона и направления буровых скважин, в частности к скважинным инклинометрам. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства. В частности, предложена платформа датчиков на карданном подвесе, выполненная с возможностью установки в корпусе инструмента, имеющего продольную ось, которая содержит наружный карданный подвес, наружное устройство углового позиционирования, соединенное c наружным карданным подвесом для вращeния наружного карданного подвеса относительно корпуса инструмента вокруг оси вращения наружного карданного подвеса; внутренний карданный подвес; внутреннее устройство углового позиционирования, соединенное c внутренним карданным подвесом, для вращeния внутреннего карданного подвеса относительно наружного карданного подвеса вокруг оси вращения внутреннего карданного подвеса; и гиродатчик, соединенный c внутренним карданным подвесом. Причем наружный карданный подвес соединен с возможностью свободного вращения c корпусом инструмента. Внутренний карданный подвес соединен с возможностью свободного вращения c наружным карданным подвесом. Гиродатчик имеет измерительную ось, по существу, ортогональную оси вращения внутреннего карданного подвеса. 4 н. и 21 з.п. ф-лы, 3 ил.
[1] Данная заявка является не предварительной заявкой, которая испрашивает приоритет по предварительной патентной заявке U.S. 62/081,936, зарегистрирована 19 ноября 2014 г. и полностью включена в виде ссылки в данном документе.
Область техники/Область изобретения
[2] Настоящее изобретение относится к скважинным инклинометрам.
Предпосылки изобретения
[3] Знание расположения скважин и данных инклинометрии являются полезными для разработки подземных залежей нефти и газа. Точное знание положения ствола скважины на измеренной глубине, включающего в себя угол наклона и азимут, можно применять для достижения геометрического проектного местоположения, например, нефтеносного продуктивного пласта. Дополнительно, наклонно-направленное бурение ствола скважины обычно основано на применении одного или нескольких направленных устройств, таких как отклоняющие переводники и роторные управляемые системы (РУС) для управления направлением бурения по правильной траектории ствола скважины. Угол между направлением координатной оси направленного устройства и внешней системой координат называется углом торца инструмента, и определяет направление отклонения ствола скважины. Наклонно-направленное бурение осуществляют, сравнивая расположения ствола скважины с требуемой траекторией и выбирая угол торца инструмента и другие параметры бурения для ведения проходки ствола скважины и ее коррекции для направления по заданной траектории. Измерение угла торца инструмента таким образом может являться компонентом для управление направлением бурения и контроля расположения ствола скважины.
[4] Измерение угла наклона и азимута ствола скважины можно применять в инклинометрии. Угол наклона является углом между продольной осью ствола скважины или бурильной колонны или другого скважинного инструмента, установленного в стволе скважины и вектором силы тяжести, и азимут является углом между горизонтальной проекцией продольной оси и направлением на север, измеренным с помощью магнитoметра (направление на северный магнитный полюс) или с помощью гирокомпаса (географический север).
[5] Одним способом определения ориентации и местоположения скважинного инструмента относительно вектору угловой скорости Земли является гироскопическая инклинометрия, именуемая в данном документе, измерениями с помощью гирокомпаса, для определения положения торца гироскопического инструмента, угла наклона и азимута. В гирокомпасе применяют один или несколько гироскопических датчиков, именуемых в данном документе, как гиродатчики для обнаружения вращения Земли и определения направления на географический север от скважинного инструмента, направления координатной оси для торца гироскопического инструмента и азимута. Вместе с тем, при высоком угле наклона, т.e. в случае, если скважинный инструмент расположен почти горизонтально относительно силе тяжести, гиродатчик с одной измерительной осью, по существу, ортогональной скважинному инструменту, может не обладать функциональной возможностью определения географического севера с достаточный точностью. Дополнительно, ошибки в отсчетах по гиродатчику, вызванные, например, и без ограничения этим, систематическими ошибками или неуравновешенностью масс, могут не обнаруживаться и вызывать ошибку в определении географического севера.
[6] Определение ориентации, положения, угла наклона и азимута скважинного инструмента может включать в себя определение гравитационной ориентации торца инструмента или магнитной ориентации торца инструмента с применением одного или нескольких акселерометров или магнитометров, соответственно. Акселерометры можно применять для обнаружения локального гравитационного поля, в котором обычно преобладает гравитация Земли, для определения направления к центру Земли. Данное направление можно применять, как направление координатной оси для гравитационной ориентации торца инструмента. Магнитoметры можно аналогично применять для обнаружения локального магнитного поля, в котором обычно преобладает магнитное поле Земли, для определения направления на северный магнитный полюс. Данное направление можно применять, как направление координатной оси для магнитной ориентации торца инструмента. Вместе с тем, ошибки в отсчетах датчиков, такие как систематическая ошибка или боковое отклонение, могут не обнаруживаться и создавать ошибки в определении ориентации торца инструмента.
[7] Обычно, гравитационную ориентацию торца инструмента используют кроме случаев, когда угол наклона очень мал, например, такой и без ограничения этим, как 5° или меньше. При малых углах наклона акселерометры с ортогональными осями могут измерять только небольшой гравитационный сигнал. При малых углах наклона гироскопическую или магнитную ориентацию торца инструмента традиционно используют для ориентирования к проектному направлению бурения вследствие мощного сигнала поперек оси вектора скорости вращения земли или магнитного поля.
Сущность изобретения
[8] Настоящее изобретение предлагает платформу датчиков на карданном подвесе. Платформа датчиков на карданном подвесе может быть установлена в корпусе инструмента, имеющего продольную ось. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя наружный карданный подвес. Наружный карданный подвес может соединяться c корпусом инструмента, обеспечивая свободного вращения. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя наружное устройство углового позиционирования, соединенное c наружным карданным подвесом, для вращeния наружного карданного подвеса относительно корпуса инструмента вокруг оси вращения наружного карданного подвеса. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя внутренний карданный подвес, соединенный с возможностью свободного вращения c наружным карданным подвесом. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя внутреннее устройство углового позиционирования, соединенное c внутренним карданным подвесом с возможностью вращeния внутреннего карданного подвеса относительно наружного карданного подвеса вокруг оси вращения внутреннего карданного подвеса. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя гиродатчик, соединенный c внутренним карданным подвесом.
[9] Настоящее изобретение также предлагает соответствующий способ. Способ может включать в себя создание платформы датчиков на карданном подвесе, установленной в корпусе инструмента. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя наружный карданный подвес. Наружный карданный подвес может соединяться с обеспечением свободного вращения c корпусом инструмента. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя наружное устройство углового позиционирования, соединенное c наружным карданным подвесом для вращeния наружного карданного подвеса относительно корпуса инструмента вокруг оси вращения наружного карданного подвеса. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя внутренний карданный подвес, соединенный с возможностью свободного вращения c наружным карданным подвесом. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя внутреннее устройство углового позиционирования, соединенное c внутренним карданным подвесом для вращeния внутреннего карданного подвеса относительно наружного карданного подвеса вокруг оси вращения внутреннего карданного подвеса. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя гиродатчик, соединенный c внутренним карданным подвесом. Способ может включать в себя получение первого измерения, когда гиродатчик с наружным карданным подвесом занимает первое положение относительно корпуса инструмента и внутренний карданный подвес занимает первое положение относительно наружного карданного подвеса. Способ может включать в себя поворот внутреннего карданного подвеса во второе положение относительно наружного карданного подвеса. Способ может включать в себя выполнение второго измерения гиродатчиком. Способ может включать в себя поворот наружного карданного подвеса во второе положение относительно корпуса инструмента. Способ может включать в себя выполнение третьего измерения гиродатчиком.
[10] Настоящее изобретение также предлагает соответствующий способ. Способ может включать в себя создание платформы датчиков на карданном подвесе, установленной в корпусе инструмента. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя наружный карданный подвес. Наружный карданный подвес может соединяться с обеспечением свободного вращения c корпусом инструмента. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя наружное устройство углового позиционирования, соединенное c наружным карданным подвесом для вращeния наружного карданного подвеса относительно корпуса инструмента вокруг оси вращения наружного карданного подвеса. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя внутренний карданный подвес, соединенный с возможностью свободного вращения c наружным карданным подвесом. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя внутреннее устройство углового позиционирования, соединенное c внутренним карданным подвесом, для вращeния внутреннего карданного подвеса относительно наружного карданного подвеса вокруг оси вращения внутреннего карданного подвеса. Ось вращения внутреннего карданного подвеса могут быть, по существу, ортогональной оси вращения наружного карданного подвеса. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя внутренний ограничитель перемещения, установленный для ограничения вращения внутреннего карданного подвеса так, что внутренний карданный подвес контактирует с ограничителем перемещения, когда поворачивается до первого угла наклона относительно оси вращения наружного карданного подвеса, и когда поворачивается до второго угла наклона относительно оси вращения наружного карданного подвеса. Платформа датчиков на карданном подвесе может включать в себя гиродатчик, соединенный c внутренним карданным подвесом. Способ может включать в себя получение первого измерения, когда гиродатчик с наружным карданным подвесом занимает первое положение относительно корпуса инструмента и внутренний карданный подвес имеет первый угол наклона. Способ может включать в себя поворот внутреннего карданного подвеса до второго угла наклона. Способ может включать в себя выполнение второго измерения гиродатчиком. Способ может включать в себя поворот наружного карданного подвеса во второе положение относительно корпуса инструмента. Способ может включать в себя выполнение третьего измерения гиродатчиком.
Краткое описание чертежей
[11] Настоящее изобретение становится более понятным после прочтения следующего подробного описания с прилагаемыми фигурами. Обращаем внимание, что согласно стандартной отраслевой практикe, различные элементы вычерчены без соблюдения масштаба. Фактически, размеры различных элементов можно произвольно увеличивать или уменьшать для ясности при рассмотрении.
[12] На фиг. 1 показано сечение скважинного инструмента соответствующего по меньшей мере одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[13] На фиг. 2 показана схема платформы датчиков, соответствующей по меньшей мере одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[14] На фиг. 3 показана схема платформы датчиков, соответствующей по меньшей мере одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
[15] Понятно, что следующее раскрытие дает много отличающихся вариантов осуществления или примеров для реализации отличающихся признаков различных вариантов осуществления. Конкретные примеры компонентов и устройств описаны ниже для упрощения настоящего раскрытия. Указанное, естественно, является только примерами и не накладывает ограничений. В дополнение, в настоящем раскрытии могут повторяться ссылочные позиции и/или буквы. Данное повторение служит для упрощения и ясности и не диктует взаимосвязи между различными вариантами осуществления и/или рассмотренными конфигурациями.
[16] На фиг. 1 показан скважинный инклинометр 10, установленный в стволе 20 скважины. Скважинный инклинометр 10 может быть частью бурильной колонны, колонны инструмента или любого другого инструмента, который может быть установлен в стволе скважины. В некоторых вариантах осуществления скважинный инклинометр 10 может быть частью колонны наклонно-направленного бурения. В некоторых вариантах осуществления скважинный инклинометр 10 может быть частью системы измерений во время бурения (MWD). В некоторых вариантах осуществления скважинный инклинометр 10 может быть частью спускаемой на вспомогательном канате измерительной системы. В некоторых вариантах осуществления скважинный инклинометр 10 может быть инструментом, отдельным от других скважинных инструментов или бурильных колонн. Скважинный инклинометр 10 может включать в себя корпус 12 инструмента. Корпус 12 инструмента может включать в себя кожух 14 датчика. Кожух 14 датчика может являться объемом, выполненным в корпусе 12 инструмента. Платформа 100 датчиков на карданном подвесе может быть установлена в кожухе 14 датчика. Хотя платформа 100 датчиков на карданном подвесе показана установленной в трубчатом скважинном инклинометре 10, специалисту в данной области техники, воспользовавшемуся данным раскрытием, понятно, что платформа может быть установлена в любом скважинном инструменте или другой конструкции без отклонения от объема данного изобретения. Например, и без ограничения этим, скважинный инклинометр 10ʹ и кожух 14ʹ датчика, как показано на фиг. 1, может быть установлен отдельно от корпуса и в корпусе 12 инструмента. Для данного раскрытия продольная ось 15 скважинного инклинометра 10 определена, как проходящая в направлении, по существу, параллельном стволу 20 скважины на позиции скважинного инклинометра 10.
[17] Как показано на фиг. 2, платформа 100 датчиков на карданном подвесе может включать в себя наружный карданный подвес 101. Наружный карданный подвес 101 может быть соединен c корпусом 12 инструмента так, что наружный карданный подвес 101 может свободно вращаться относительно него. В некоторых вариантах осуществления ось X вращения наружного карданного подвеса может быть, по существу, соосной или параллельной продольной оси 15 скважинного инклинометра 10. В некоторых вариантах осуществления ось X вращения наружного карданного подвеса может быть не соосной или наклонной к продольной оси 15 корпуса 12 скважинного инклинометра 10. В некоторых таких вариантах осуществления угол между осью X вращения наружного карданного подвеса и продольной осью 15 может образовывать угол наклона наружного карданного подвеса, и может быть известно направление оси X вращения наружного карданного подвеса относительно продольной оси 15. В некоторых вариантах осуществления наружный карданный подвес 101 может включать в себя платформу 103 датчиков на наружном карданном подвесе. Как рассмотрено ниже в данном документе, один или несколько датчиков могут быть соединены c платформой 103 датчиков на наружном карданном подвесе.
[18] В некоторых вариантах осуществления наружный карданный подвес 101 может быть соединен c корпусом 12 инструмента наружным устройством 105 углового позиционирования. Наружное устройство 105 углового позиционирования может быть высокомоментным двигателем, шаговым двигателем, бесколлекторным двигателем, двигателем с коллектором, редукторным двигателем, пьезоэлектрическим двигателем, вращающим исполнительным механизмом, линейным исполнительным механизмом, гидравлическим исполнительным механизмом, пневматическим исполнительным механизмом или их комбинацией. Наружное устройство 105 углового позиционирования может быть установлено между наружным карданным подвесом 101 и корпусом 12 инструмента так, что приведение в действие наружного устройства 105 углового позиционирования может обеспечивать вращение наружного карданного подвеса 101 относительно корпуса 12 инструмента. В некоторых вариантах осуществления наружное устройство 107 измерения углового положения может присоединяться между наружным карданным подвесом 101 и корпусом 12 инструмента. Наружное устройство 107 измерения углового положения может измерять параметры относительного вращения между наружным карданным подвесом 101 и корпусом 12 инструмента. Наружное устройство 107 углового позиционирования может быть любым устройством с функциональными возможностями измерения параметров относительного вращения между наружным карданным подвесом 101 и корпусом 12 инструмента и может включать в себя, например, и без ограничения этим, круговой датчик положения, оптический кодовый датчик, емкостный кодовый датчик, магнитный кодовый датчик, вращающийся потенциометр, вращающийся регулируемый дифференциальный преобразователь, синхронизатор или их комбинации. В некоторых вариантах осуществления, в которых наружное устройство 105 углового позиционирования является шаговым двигателем, относительное вращение между наружным карданным подвесом 101 и корпусом 12 инструмента может быть определено по меньшей мере частично подсчетом числа шагов, выполненных шаговым двигателем. В некоторых вариантах осуществления один или несколько наружных ограничителей 102 перемещения, как рассмотрено дополнительно в данном документе ниже, могут быть включены в состав, например, и без ограничения этим, для обеспечения шагового перемещения или точки отсчета для шагового двигателя. Специалисту в данной области техники, пользующемуся данным раскрытием, понятно, что конкретные, показанные на прилагаемых фигурах наружное устройство 105 углового позиционирования и наружное устройство 107 измерения углового положения являются только примером и не служат для ограничения объема данного изобретения. Например, в некоторых вариантах осуществления наружное устройство 107 измерения углового положения может быть установлено в наружном устройстве 105 углового позиционирования или как его часть. В других вариантах осуществления одно или оба, наружное устройство 105 углового позиционирования и наружное устройство 107 измерения углового положения могут быть установлены на расстоянии от оси X вращения наружного карданного подвеса, и одна или несколько осей (не показано) могут соединять наружный карданный подвес 101 с корпусом 12 инструмента. Специалисту в данной области техники, пользующемуся данным раскрытием, понятно, что дополнительные механизмы, включающие в себя, например, и без ограничения этим, подшипники, коробки передач и т.д. можно применять без отхода от объема данного изобретения.
[19] В некоторых вариантах осуществления платформа 100 датчиков на карданном подвесе может включать в себя внутренний карданный подвес 111. Внутренний карданный подвес 111 может соединяться с обеспечением свободного вращения c наружным карданным подвесом 101 так, что внутренний карданный подвес 111 может вращаться относительно него. В некоторых вариантах осуществления ось Y вращения внутреннего карданного подвеса может иметь отклонение на угол К наклона от оси X вращения наружного карданного подвеса. В некоторых таких вариантах осуществления угол К наклона может задаваться. В некоторых вариантах осуществления ось Y вращения внутреннего карданного подвеса может быть, по существу, перпендикулярной оси X вращения наружного карданного подвеса, т.e. может иметь место случай, где угол К наклона равен 90°. В некоторых вариантах осуществления угол К наклона может иметь величину между 0° и 90°. В некоторых вариантах осуществления угол К наклона может иметь величину между 5° и 35°. В некоторых вариантах осуществления угол К наклона может иметь величину между 10° и 20°. В некоторых вариантах осуществления внутренний карданный подвес 111 может включать в себя платформу 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе. Как рассмотрено ниже в данном документе, один или несколько датчиков могут быть соединены c платформой 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе. В некоторых вариантах осуществления угол К наклона может по меньшей мере частично определять наружный диаметр платформы 100 датчиков на карданном подвесе. В некоторых вариантах осуществления угол К наклона может быть выбран таким, чтобы платформа 100 датчиков на карданном подвесе имела требуемый наружный диаметр.
[20] В некоторых вариантах осуществления внутренний карданный подвес 111 может быть соединен c наружным карданным подвесом 101 с помощью внутреннего устройства 115 углового позиционирования. Внутреннее устройство 115 углового позиционирования может быть высокомоментным двигателем, шаговым двигателем, бесколлекторным двигателем, двигателем с коллектором, редукторным двигателем, пьезоэлектрическим двигателем, вращающим исполнительным механизмом, линейным исполнительным механизмом, гидравлическим исполнительным механизмом, пневматическим исполнительным механизмом или их комбинацией. Внутреннее устройство 115 углового позиционирования может быть установлено между внутренним карданным подвесом 111 и наружным карданным подвесом 101 так, что приведение в действие внутреннего устройства 115 углового позиционирования может обеспечивать вращение внутреннего карданного подвеса 111 относительно наружного карданного подвеса 101. В некоторых вариантах осуществления внутреннее устройство 117 измерения углового положения может быть присоединено между внутренним карданным подвесом 111 и наружным карданным подвесом 101. Внутреннее устройство 117 измерения углового положения может измерять относительное вращение между внутренним карданным подвесом 111 и наружным карданным подвесом 101. Внутреннее устройство углового позиционирования 117 может быть любым устройством с функциональными возможностями измерения относительного вращения между наружным карданным подвесом 101 и внутренним карданным подвесом 111 и может включать в себя, например, и без ограничения этим, круговой датчик положения, оптический кодовый датчик, емкостный кодовый датчик, магнитный кодовый датчик, вращающийся потенциометр, вращающийся регулируемый дифференциальный преобразователь, синхронизатор или их комбинации. В некоторых вариантах осуществления в которых внутреннее устройство 115 углового позиционирования является шаговым двигателем, относительное вращение между наружным карданным подвесом 101 и внутренним карданным подвесом 111 может быть определено по меньшей мере, частично подсчетом числа шагов, выполненных шаговым двигателем. В некоторых вариантах осуществления один или несколько внутренних ограничителей 112 перемещения, как рассмотрено дополнительно в данном документе ниже, могут быть включены в состав, например, и без ограничения этим, для обеспечения шагового перемещения или точки отсчета для шагового двигателя. Специалисту в данной области техники, пользующемуся данным раскрытием, понятно, что конкретные, показанные на прилагаемых фигурах, внутреннее устройство 115 углового позиционирования и наружное устройство для 117 измерения углового положения являются только примером и не служат для ограничения объема данного изобретения. Например, в некоторых вариантах осуществления внутреннее устройство 117 измерения углового положения может быть установлено во внутреннем устройстве 115 углового позиционирования или как его часть. В других вариантах осуществления одно или оба, внутреннее устройство 115 углового позиционирования и внутреннее устройство 117 измерения углового положения могут быть установлены на расстоянии от оси Y вращения внутреннего карданного подвеса, и одна или несколько осей (не показано) могут соединять внутренний карданный подвес 111 с наружным карданным подвесом 101. Специалисту в данной области техники, пользующемуся данным раскрытием, понятно, что дополнительные механизмы, включающие в себя, например, и без ограничения этим, подшипники, коробки передач и т.д. можно применять без отхода от объема данного изобретения.
[21] В работе, благодаря вращению наружного карданного подвеса 101, платформа 103 датчиков на наружном карданном подвесе может вращаться вокруг оси X вращения наружного карданного подвеса. Аналогично, при вращении внутреннего карданного подвеса 111 платформа 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе может вращаться вокруг оси Y вращения внутреннего карданного подвеса. При комбинировании вращения наружного карданного подвеса 101 и внутреннего карданного подвеса 111 датчики, соединенные c платформой 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе могут переустанавливаться, меняя ориентацию, при этом, не требуя наводки по азимуту, скольжения или вращения скважинного инклинометра 10. Аналогично, датчики, соединенные c платформой 103 датчиков на наружном карданном подвесе, могут переустанавливаться при вращении наружного карданного подвеса 101 вокруг оси X вращения наружного карданного подвеса, при этом не требуя наводки по азимуту, скольжения или вращения скважинного инклинометра 10. В некоторых вариантах осуществления одно или оба, наружный карданный подвес 101 и внутренний карданный подвес 111 могут вращаться по меньшей мере на полный оборот или только на часть оборота.
[22] В некоторых вариантах осуществления один или несколько наружных ограничителей 102 перемещения, как показано на фиг. 3, могут быть соединены c корпусом 12 инструмента так, что наружный карданный подвес 101 контактирует с наружным ограничителем 102 перемещения, когда наружный карданный подвес 101 установлен в первом положении вращения или втором положении вращения относительно корпуса 12 инструмента. Специалисту в данной области техники, пользующемуся данным раскрытием, понятно, что наружные ограничители 102 перемещения при использовании в данном документе могут быть любой конструкцией или конструкциями, которые ограничивают вращение наружного карданного подвеса 101 относительно корпуса 12 инструмента, и не обязательно должны являться ограничивающей перемещение пластиной, как показано на фиг. 3.
[23] В некоторых вариантах осуществления, например, и без ограничения этим, таком, как показано на фиг. 3, внутренний карданный подвес 111ʹ может иметь ось Yʹ вращения внутреннего карданного подвеса, по существу, ортогональную оси X вращения наружного карданного подвеса. В таком варианте осуществления угол Кʹ наклона внутреннего карданного подвеса 111ʹ можно менять вращением внутреннего карданного подвеса 111ʹ вдоль оси Yʹ вращения внутреннего карданного подвеса. Внутренний карданный подвес 111ʹ может, например, изменять положение для изменения от угла Кʹ наклона до второго угла наклона, показанного, как второй угол Кʹʹ наклона. В некоторых вариантах осуществления наружный карданный подвес 101 и внутренний карданный подвес 111 могут быть ограничены в перемещении одним или несколькими ограничителями перемещения или останавливающими пластинами. В некоторых вариантах осуществления один или несколько внутренних ограничителей 112 перемещения могут быть соединены c наружным карданным подвесом 101 так, что внутренний карданный подвес 111ʹ контактирует с внутренними ограничителями 112 перемещения, когда внутренний карданный подвес 111ʹ установлен с первым углом наклона и вторым углом наклона, показанным на фиг. 3, как углы Kʹ и Kʹʹ наклона. Хотя показано только относительно внутреннему карданному подвесу 111ʹ, специалисту в данной области техники, пользующемуся данным раскрытием, понятно, что внутренние ограничители 112 перемещения при использовании в данном документе могут иметь любую конструкцию или конструкции, которые ограничивают вращение внутреннего карданного подвеса 111ʹ относительно наружного карданного подвеса 101, и не ограничены останавливающей пластиной, показанной на фиг. 3. В таком варианте осуществления угол Кʹ наклона между внутренним карданным подвесом 111ʹ и наружным карданным подвесом 101 меняется вращением внутреннего карданного подвеса 111ʹ вокруг оси Yʹ вращения внутреннего карданного подвеса. В некоторых таких вариантах осуществления внутренний карданный подвес 111ʹ может контактировать с внутренним ограничителем 112 перемещения, когда вращается до первого угла Кʹ наклона и когда вращается до второго угла Кʹʹ наклона. В некоторых вариантах осуществления внутренние ограничители 112 перемещения могут быть установлены так, что углы Кʹ и Kʹʹ наклона могут, по существу, быть равными по абсолютной величине и иметь противоположные направления относительно оси X вращения наружного карданного подвеса. В некоторых вариантах осуществления угол Кʹ наклона может составлять, по существу, 45° от оси X вращения наружного карданного подвеса, и угол Кʹʹ наклона может составлять, по существу, 45° от оси X вращения наружного карданного подвеса, имея противоположное направление. В таком варианте осуществления платформа 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе может быть повернута, по существу, на 90°. В некоторых вариантах осуществления углы Кʹ и Kʹʹ наклона могут быть не равными. В некоторых вариантах осуществления углы Kʹ и Kʹʹ наклона могут иметь величину между 1° и 45°. В некоторых вариантах осуществления углы Kʹ и Kʹʹ наклона могут иметь величину между 5° и 35°. В некоторых вариантах осуществления углы Kʹ и Kʹʹ наклона могут иметь величину между 10° и 20°.
[24] В работе, благодаря вращению наружного карданного подвеса 101, платформа 103 датчиков на наружном карданном подвесе может вращаться вокруг оси X вращения наружного карданного подвеса. Аналогично, благодаря вращению внутреннего карданного подвеса 111ʹ, платформа 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе может перемещаться от первого угла Кʹ наклона до второго угла Кʹʹ наклона. Благодаря комбинированию вращения наружного карданного подвеса 101 и внутреннего карданного подвеса 111ʹ, датчики, соединенные c платформой 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе, могут переустанавливаться в многочисленные различные варианты ориентации, не требуя наводки по азимуту, скольжения или вращения скважинного инклинометра 10. Аналогично, датчики соединенные c платформой 103 датчиков на наружном карданном подвесе могут переустанавливаться, благодаря вращению наружного карданного подвеса 101 вокруг оси X вращения наружного карданного подвеса, не требуя наводки по азимуту, скольжения или вращения скважинного инклинометра 10. В некоторых вариантах осуществления одно или оба, наружный карданный подвес 101 и внутренний карданный подвеса 111ʹ могут поворачиваться по меньшей мере на полный оборот или только на часть оборота.
[25] При проведении инклинометрии, как показано на фиг. 2, скважинный инклинометр 10 может быть установлен в стволе 20 скважины на позиции, где требуется инклинометрия, называемой в данном документе, как точка инклинометрии. Наружный карданный подвес 101 может вращаться между двумя или больше положениями. В каждом положении наружного карданного подвеса 101 внутренний карданный подвес 111 может аналогично вращаться между двумя или больше положениями. В каждом положении наружного карданного подвеса 101, можно снимать одно или несколько показаний датчиков, установленных в платформе 103 датчиков на наружном карданном подвесе в каждом его положении. В каждом положении внутреннего карданного подвеса 111 при каждом положении наружного карданного подвеса 101, можно снимать показания датчиков, установленных во внутренней платформе 113 датчиков на карданном подвесе. Благодаря вращению наружного карданного подвеса 101 и внутреннего карданного подвеса 111, измерительные оси любых датчиков, соединенных c платформой 103 датчиков на наружном карданном подвесе и платформой 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе могут перемещаться, не требуя наводки по азимуту, скольжения или вращения скважинного инклинометра 10.
[26] В некоторых вариантах осуществления ориентацию наружного карданного подвеса 101 и внутреннего карданного подвеса 111 можно определить с помощью одного или нескольких из следующего: гравитационной, магнитной или инерциальной системы координат, или можно измерить относительно скважинного инструмента 10 с датчиками.
[27] В некоторых вариантах осуществления с использованием гравитационной системы координат, можно применять один или несколько акселерометров для определения ориентации наружного карданного подвеса 101 и внутреннего карданного подвеса 111 относительно гравитационного поля Земли. Как показано на фиг. 2, например, и без ограничения этим, в некоторых вариантах осуществления один или несколько акселерометров 131 могут быть соединены c корпусом 12 инструмента. Акселерометры 131 могут обнаруживать гравитационное поле Земли относительно корпуса 12 инструмента. Наружное устройство 107 измерения углового положения можно применять для обнаружения относительной ориентации между корпусом 12 инструмента и наружным карданным подвесом 101. Внутреннее устройство 117 измерения углового положения можно применять для обнаружения относительной ориентации между внутренним карданным подвесом 111 и наружным карданным подвесом 101. Специалисту в данной области техники, пользующемуся данным раскрытием, понятно что, хотя три акселерометра 131 показаны на фиг. 2, меньше или больше акселерометров можно применять без отхода от объема данного изобретения.
[28] В некоторых вариантах осуществления один или несколько акселерометров могут быть соединены c платформой 103 датчиков на наружном карданном подвесе. Например, в некоторых вариантах осуществления один акселерометр 141 может быть соединен c платформой 103 датчиков на наружном карданном подвесе. В некоторых вариантах осуществления акселерометр 141 может быть установлен так, что его измерительная ось проходит под углом или наклонена относительно оси X вращения наружного карданного подвеса. В некоторых вариантах осуществления акселерометр 141 может быть установлен так, что его измерительная ось, по существу, ортогональна оси X вращения наружного карданного подвеса. Показания датчика, акселерометра 141 можно считывать при различной ориентации наружного карданного подвеса 101 для определения ориентации наружного карданного подвеса 101 относительно гравитационного поля Земли. В некоторых вариантах осуществления сравнение показаний датчика могут обеспечивать определение любой систематической ошибки акселерометра.
[29] В некоторых вариантах осуществления второй акселерометр 143 может быть соединен c платформой 103 датчиков на наружном карданном подвесе. В некоторых вариантах осуществления второй акселерометр 143 может быть установлен так, что его измерительная ось, по существу, ортогональна измерительной оси акселерометра 141. В вариантах осуществления, в которых измерительная ось акселерометра 141 ориентирована, по существу, ортогонально оси X вращения наружного карданного подвеса, второй акселерометр 143 может быть установлен так, что его измерительная ось совместно ортогональна измерительной оси акселерометра 141 и оси X вращения наружного карданного подвеса. В некоторых вариантах осуществления второй акселерометр 143 может быть установлен так, что его измерительная ось, по существу, параллельна оси X вращения наружного карданного подвеса.
[30] В некоторых вариантах осуществления третий акселерометр 145 может быть соединен c платформой 103 датчиков на наружном карданном подвесе. В некоторых вариантах осуществления акселерометры 141, 143 и 145 можно ориентировать так, что их измерительные оси взаимно ортогональны. В некоторых вариантах осуществления акселерометры 141, 143 и 145 ориентированы так, что никакая измерительная ось акселерометра не соосна с осью X вращения наружного карданного подвеса. Вращение наружного карданного подвеса 101 может, например, и без ограничения этим, обеспечивать обнаружение систематической ошибки в акселерометрах 141, 143, 145 или обнаружение отказа. В некоторых вариантах осуществления больше трех акселерометров можно соединить c платформой 103 датчиков на наружном карданном подвесе без отхода от объема данного изобретения.
[31] В некоторых вариантах осуществления, в которых никакие акселерометры не соединены c платформой 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе, относительную ориентацию между внутренним карданным подвесом 111 и наружным карданным подвесом 101 можно определять с помощью внутреннего устройства 117 измерения углового положения. В некоторых вариантах осуществления, таких как показанный на фиг. 3, в которых применяют внутренние ограничители 112 перемещения, относительную ориентацию между внутренним карданным подвесом 111ʹ и наружным карданным подвесом 101 можно определить по известным углам Kʹ и Kʹʹ наклона, как рассмотрено выше в данном документе.
[32] В некоторых вариантах осуществления один или несколько акселерометров могут быть соединены c платформой 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе. Например, в некоторых вариантах осуществления один акселерометр 151 может быть соединен c платформой 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе. В некоторых вариантах осуществления акселерометр 151 может быть установлен так, что его измерительная ось проходит под углом или является наклонной относительно оси Y вращения внутреннего карданного подвеса. В некоторых вариантах осуществления акселерометр 151 может быть установлен так, что его измерительная ось, по существу, ортогональна оси Y вращения внутреннего карданного подвеса. Показание акселерометра 151 можно считывать при различной ориентации наружного карданного подвеса 101 для определения ориентации наружного карданного подвеса 101 относительно гравитационного поля Земли. В некоторых вариантах осуществления сравнение показаний датчика может обеспечить определение любой систематической ошибки акселерометра.
[33] В некоторых вариантах осуществления второй акселерометр 153 может быть соединен c платформой 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе. В некоторых вариантах осуществления второй акселерометр 153 может быть установлен так, что его измерительная ось по существу, ортогональна измерительной оси акселерометра 151. В вариантах осуществления в которых измерительная ось акселерометра 151 ориентирована, по существу, ортогонально оси Y вращения внутреннего карданного подвеса, второй акселерометр 153 может быть установлен так, что его измерительная ось ортогональна совместно измерительной оси акселерометра 151 и оси Y вращения внутреннего карданного подвеса. В некоторых вариантах осуществления второй акселерометр 153 может быть установлен так, что его измерительная ось, по существу, параллельна оси Y вращения внутреннего карданного подвеса.
[34] В некоторых вариантах осуществления третий акселерометр 155 может быть соединен c платформой 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе. В некоторых вариантах осуществления акселерометры 151, 153 и 155 могут быть ориентированы так, что их измерительные оси взаимно ортогональны. В некоторых вариантах осуществления акселерометры 151, 153 и 155 ориентированы так, что никакая измерительная ось акселерометра не соосна с осью Y вращения внутреннего карданного подвеса. Вращение наружного карданного подвеса 101 или внутреннего карданного подвеса 111 может, например, и без ограничения этим, обеспечивать обнаружение систематической ошибки в акселерометрах 151, 153, 155 или обнаружение отказа. В некоторых вариантах осуществления больше трех акселерометров могут быть соединены c платформой 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе без отхода от объема данного изобретения.
[35] В некоторых вариантах осуществления, в которых никакие акселерометры не соединены c платформой 103 датчиков на наружном карданном подвесе, относительную ориентацию между внутренним карданным подвесом 111 и наружным карданным подвесом 101 можно определять, применяя внутреннее устройство 117 измерения углового положения. В некоторых вариантах осуществления, в которых акселерометры установлены на двух или больше платформах 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе, платформе 103 датчиков на наружном карданном подвесе и корпусе 12 инструмента, отсчеты показаний каждого акселерометра и внутреннего устройства 117 измерения углового положения и наружного устройства 107 измерения углового положения можно использовать, например, и без ограничения этим, для обнаружения систематической ошибки или обнаружения отказа на любом из акселерометров.
[36] В некоторых вариантах осуществления с использованием магнитной системы координат, один или несколько магнитoметров можно применять для определения ориентации наружного карданного подвеса 101 и внутреннего карданного подвеса 111 относительно локального магнитного поля. Магнитoметры могут быть соединены c корпусом 12 инструмента (магнитoметры 137), соединены c платформой 103 датчиков на наружном карданном подвесе (магнитoметры 147) или соединены c платформой 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе (магнитoметры 157). Магнитoметры можно устанавливать и применять способом во многом аналогичным рассмотренному выше в данном документе для акселерометров.
[37] В некоторых вариантах осуществления позиционирующий гиродатчик 161 может быть соединен c платформой 103 датчиков на наружном карданном подвесе. Позиционирующий гиродатчик 161 можно, например, и без ограничения этим, применять для обнаружения вращения наружного карданного подвеса 101 относительно инерциальной системы координат в пространстве. Хотя это не показано, один или несколько позиционирующих гиродатчиков могут быть установлены во внутреннем карданном подвесе 111 или корпусе 12 инструмента.
[38] Специалисту в данной области техники, пользующемуся данным раскрытием, понятно что комбинацию устройств измерения углового положения, акселерометров, позиционирующего гиродатчика и магнитoметров можно использовать для определения ориентации наружного карданного подвеса 101 и внутреннего карданного подвеса 111.
[39] В некоторых вариантах осуществления гиродатчик 121 может быть соединен c платформой 113 датчиков на внутреннем карданном подвесе. Гиродатчик 121 может в некоторых вариантах осуществления являться гиродатчиком с одной степенью свободы, измерительная ось которого, по существу, перпендикулярна оси Y вращения внутреннего карданного подвеса. Благодаря вращению наружного карданного подвеса 101 и внутреннего карданного подвеса 111, измерительная ось гиродатчика 121 может вращаться, проходя через некоторую последовательность вариантов ориентации относительно скважинному инклинометру 10. С помощью снятия многочисленных отсчетов при различной ориентации гиродатчика 121, можно получить измерения вектора угловой скорости Земли, в случае, если фиксированный гиродатчик с одной измерительной осью может не обладать функциональной возможностью точного измерения, например, при значительных углах наклона.
[40] В некоторых вариантах осуществления наружный карданный подвес 101 может поворачиваться в два или больше положений. В каждом положении ориентация наружного карданного подвеса 101 может быть определена, как рассмотрено выше в данном документе. В некоторых вариантах осуществления наружный карданный подвес 101 может вращаться в три положения. В некоторых таких вариантах осуществления угловой интервал между тремя положениями может составлять, по существу, 120°. В некоторых таких вариантах осуществления внутренний карданный подвес 111 может являться стационарным относительно наружного карданного подвеса 101, а наружный карданный подвес 101 являться вращающимся.
[41] В некоторых вариантах осуществления при каждом положении наружного карданного подвеса 101 внутренний карданный подвес 111 может поворачиваться в два или больше положений. В некоторых вариантах осуществления внутренний карданный подвес 111 может поворачиваться в два положения, угловой интервал между которыми составляет, по существу, 180°. В других вариантах осуществления внутренний карданный подвес 111 может поворачиваться в два положения, угловой интервал между которыми меньше 180° так, как в варианте осуществления, рассмотреном выше в данном документе и показанном на фиг. 3.
[42] В некоторых вариантах осуществления гиродатчик 121 может выполнять измерение в каждом положении внутреннего карданного подвеса 111 и наружного карданного подвеса 101. В некоторых вариантах осуществления гиродатчик 121 может быть установлен так, что его измерительная ось выставляется по трем ортогональным осям, обеспечивая измерение трех пространственных составляющих вектора угловой скорости Земли с применением гиродатчика 121 с одной измерительной осью. В некоторых вариантах осуществления гиродатчик 121 может быть установлен и измерения могут быть выполнены для идентификации, обнаружения или оценки любой систематической ошибки гиродатчика или неуравновешенности масс гиродатчика.
[43] Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления, благодаря вращению внутреннего карданного подвеса 111 и наружного карданного подвеса 113, отсчеты с гиродатчика 121 можно применять для обнаружения или оценки азимута, угла торца гиродатчика, любой систематической ошибки гиродатчика, неуравновешенности масс гиродатчика или других ошибок гиродатчика. В некоторых вариантах осуществления отсчеты с гиродатчика 121 можно комбинировать с отсчетами другого датчика, в том числе, отсчетами с одного или нескольких акселерометров 141, 143, 145, 151, 153 и 155; магнитoметров 147; наружного устройства 107 измерения углового положения; внутреннего устройства 117 измерения углового положения; или их комбинациями для обнаружения или оценки азимута, угла торца гиродатчика, любой систематической ошибки гиродатчика, неуравновешенности масс гиродатчика или других ошибок гиродатчика. Обнаруженную или полученную в результате оценки систематическую ошибку гиродатчика и неуравновешенность масс гиродатчика можно использовать, например, и без ограничения этим, для улучшения точности определенного угла торца гиродатчика и азимута скважинного инклинометра 10 на основе измерений гиродатчика 121. В некоторых вариантах осуществления вращение наружного карданного подвеса 101 и внутреннего карданного подвеса 111 может быть выбрано таким, что первое измерение с гиродатчика 121 снимают, когда гиродатчик 121 ориентирован в первом направлении, и второе измерение снимают с гиродатчика 121, когда гиродатчик 121 ориентирован в направлении противоположном направлению первого измерения. В некоторых вариантах осуществления многочисленные измерения гиродатчика 121 можно снять так, что каждое, первое, второе и третье измерение гиродатчика 121 снимают при отличающейся ориентации с помощью вращения одного или обоих, внутреннего карданного подвеса 111 и наружного карданного подвеса 101. В некоторых вариантах осуществления можно использовать три или больше отсчетов с гиродатчика при отличающейся ориентации гиродатчика 121. В некоторых вариантах осуществления можно снять три отсчета с гиродатчика, таких, когда измерительная ось гиродатчика 121 ориентирована вдоль одной из трех взаимно ортогональных осей во время каждого измерения. В некоторых вариантах осуществления шесть или больше отсчетов с гиродатчика можно использовать. В некоторых вариантах осуществления можно снять шесть отсчетов с гиродатчика, так, можно снять три отсчета с гиродатчика, когда измерительная ось гиродатчика 121 ориентирована по одной из трех взаимно ортогональных осей во время каждого измерения, и другие три можно снять вдоль трех взаимно ортогональный осей в направлениях, противоположных первым трем измерениям.
[44] В некоторых вариантах осуществления, в которых внутренний карданный подвес 111 установлен под углом к наружному карданному подвесу 101, три или больше измерении можно выполнить с помощью гиродатчика 121, благодаря вращению наружного карданного подвеса 101. В некоторых таких вариантах осуществления, где на гиродатчик 121 не влияет неуравновешенность масс или другие ошибки датчика, азимут можно определить без вращения внутреннего карданного подвеса 111. В некоторых вариантах осуществления, в которых на гиродатчик 121 влияет неуравновешенность масс, можно использовать предыдущую оценку неуравновешенности масс или других ошибок датчика или можно привести в действие внутренний карданный подвес 111, как описано в данном документе для определения азимута, угла торца гиродатчика, неуравновешенности масс или других ошибок датчика.
[45] Специалисту в данной области техники, пользующемуся данным раскрытием, понятно, что внутренняя платформа 113 гиродатчиков не ограничена соединением с ней только одного гиродатчика. Например, и без ограничения этим, можно присоединить второй гиродатчик 121ʹ. В таком варианте осуществления можно использовать меньше отсчетов с гиродатчиков 121 и 121ʹ для генерирования дублирующих измерений, например, и без ограничения этим, для улучшения точности или обнаружения систематических ошибок или неуравновешенности масс. В некоторых вариантах осуществления с использованием многочисленных гиродатчиков 121, 121ʹ, требуемое число измерений можно выполнить с меньшим числом изменений ориентации наружного карданного подвеса 101 и внутреннего карданного подвеса 111, чем в вариантах осуществления с использованием одного гиродатчика 121. В некоторых вариантах осуществления можно использовать гиродатчики 121, 121ʹ, каждый измеряющий одну не имеющую систематической ошибки составляющую поперек оси вектора скорости вращения Земли также не имеющую систематической ошибки составляющую по продольной оси вектора скорости вращения Земли. В таком варианте осуществления измерения можно выполнять при 4 положениях: первом положении наружного карданного подвеса 101 и при первом и втором положении внутреннего карданного подвеса 111, а также втором положении наружного карданного подвеса 101, смещенного от первого положения, по существу, на 180° с внутренним карданным подвесом 111 в первом и втором положениях. В некоторых вариантах осуществления гиродатчик 121 или многочисленных гиродатчики 121, 121ʹ, могут иметь многочисленные измерительные входные оси.
[46] Кроме того, благодаря вращению наружного карданного подвеса 101 и внутреннего карданного подвеса 111, можно снять измерения любых других датчиков, соединенных с ними, таких, например, и без ограничения этим, как акселерометры 141, 143, 145, 151, 153 и 155 или магнитoметры 147, и можно использовать для определeния любой систематической ошибки данных датчиков. В некоторых вариантах осуществления два или больше измерений с датчиков можно снять с датчиков, установленных с отличающейся ориентацией, с помощью перемещения внутреннего карданного подвеса 111, наружного карданного подвеса 101, или обоих. В некоторых вариантах осуществления первое измерение можно сравнивать со вторым измерением датчика, выполненным после перемещения одного или обоих, внутреннего карданного подвеса 111 и наружного карданного подвеса 101. Поскольку измеряемое поле является в общем статичным, сравнение первого и второго измерений (или любых дополнительных выполненных измерений) могут обеспечить идентификацию систематической или другой ошибки. В некоторых вариантах осуществления измерения с датчиков можно использовать для вычислeния азимута, угла наклона, магнитной ориентации торца инструмента, гравитационной ориентации торца инструмента, или угла торца гиродатчика. Датчики, установленные на внутреннем карданном подвесе 111, наружном карданном подвесе 101 и корпусе 12 инструмента можно использовать для определения относительной ориентации внутреннего карданного подвеса 111 и наружного карданного подвеса 101 относительно друг друга и относительно корпуса 12 инструмента. Определение ориентации гиродатчика 121 можно выполнить по меньшей мере, частично, на основе измерений акселерометров 141, 143, 145, 151, 153 и 155; магнитoметров 147; наружного устройства 107 измерения углового положения; внутреннего устройства 117 измерения углового положения; или их комбинаций.
[47] В некоторых вариантах осуществления, как понятно специалисту в данной области техники, пользующемуся данным раскрытием, больше двух гиродатчиков или гиродатчики с несколькими измерительными осями можно применять без отхода от объема данного изобретения. В некоторых вариантах осуществления можно применять дополнительные гиродатчики, например, для добавления дублирующих отсчетов или на случай отказа датчиков.
[48] В некоторых вариантах осуществления вращение наружного карданного подвеса 101 и внутреннего карданного подвеса 111 может быть непрерывным или лишенным непрерывности. Вращения наружного карданного подвеса 101 и внутреннего карданного подвеса 111 в одном направлении не требуется.
[49] В некоторых вариантах осуществления азимут, вычисленная скорость вращения Земли, смещение, неуравновешенность масс, и другие параметры датчика, которые могут включать в себя величины, полученные с помощью системы уравнений, могут быть идентифицированы, определены или оценены. В некоторых вариантах осуществления можно использовать вычисления по замкнутым формулам. В таком варианте осуществления измерений любые отсчеты гиродатчиков можно преобразовывать, раскладывая на составляющие по осям (основные и квадратурные), а также пару составляющих смещения. Синфазный сигнал составляющих смещения является истиной систематической ошибкой датчика, а разность является сигналом. Составляющие поперечные оси могут поворачиваться в синфазные и несинфазные сигналы гиродатчика: несинфазный сигнал может быть пропорциональным синусу азимута, и смещение разности можно комбинировать с несинфазным сигналом для генерирования величины, пропорциональной косинусу азимута.
[50] Как пример, в варианте осуществления в котором ось Yʹ вращения внутреннего карданного подвеса, по существу, перпендикулярна оси X вращения наружного карданного подвеса таком, как вариант осуществления, показанный на фиг. 3, определение азимута скважинного инклинометра 10 может включать в себя преобразование измерений гиродатчика в синфазную, несинфазную составляющую и составляющую смещения для каждого из углов Kʹ, Kʹʹ наклона. При использовании в данном документе, ERH определяют, как горизонтальную составляющую скорости вращения Земли; ERV определяют, как вертикальную составляющую скорости вращения Земли; I является углом наклона корпуса 12 инструмента; Az является азимутом корпуса 12 инструмента; MUIX определяют, как эквивалент смещения массы вдоль оси внутренней рамки; MUSX определяют, как эквивалент смещения массы вдоль оси собственного вращения гиродатчика; TuOi определяют, как угол К наклона внутреннего карданного подвеса 111 или 111ʹ, где значок i соответствует углу К наклона для каждого последовательного положения внутреннего карданного подвеса 111 или 111ʹ; TFOn и TFOi определяют, как смещение наружного карданного подвеса 101 от корпуса 12 инструмента по отсчету наружного устройства 107 измерения углового положения; ACn является данными на выходе поперечного акселерометра, закрепленного на наружном карданном подвесе 101; ALn является данными на выходе акселерометра, измерительная ось которого соосна с продольной осью 15 корпуса 12 инструмента; AXʹ, AYʹ и AZʹ являются взаимно ортогональными составляющими гравитационной силы, системы координат, привязанной к корпусу 12 инструмента, при этом AZʹ является составляющей гравитационной силы, расположенной на одной прямой с продольной осью 15 корпуса 12 инструмента; N является числом угловых положений, в которые наружный карданный подвес 101 поворачивается; значок n или i соответствует отсчету для каждого последовательного углового положения наружного карданного подвеса 101 относительно корпуса инструмента; TfH определяют, как гравитационную ориентацию торца корпуса 12 инструмента, также известного как верхняя часть торца инструмента, или угол поворота вокруг продольной оси 15 корпуса 12 инструмента относительно вектора силы тяжести; IP определяют, как часть выходных данных гиродатчика, которая является синфазной с гравитационной силой, то есть, вертикальной составляющей выходных данных гиродатчика; и OP определяют, как часть выходных данных гиродатчика, которая является несинфазной с гравитационной силой, то есть является горизонтальной составляющей выходных данных гиродатчика. Специалисту в данной области техники, пользующемуся данным раскрытием, понятно, что для выставленных по оси датчиков, AX' может дать формула:
AYʹ может дать формула:
AZʹ может дать формула:
Из которой I можно определить следующим образом:
и TfH можно определить из следующей формулы:
[51] IP может дать формула:
(ERH cos(Az) cos(I)+(MUSX+ERV ) * sin(I)) * cos(TuOi),
и OP может дать формула
-(ERH sin(Az)+MUIX * sin(I))* cos(TuOi)
[52] При использовании в следующих уравнениях систематическая ошибка включает в себя часть по длине скважины скорости вращения Земли, а также систематическую ошибку гиродатчика. Для фиксированного угла наклона, TuO внутреннего карданного подвеса составляющая скорости вращения Земли по длине скважины не изменяется и поэтому выглядит, как систематическая ошибка, когда позиция наружного карданного подвеса 101 меняется. Специалисту в данной области техники, пользующемуся данным раскрытием, понятно, что для выставленных по оси датчиков систематическую ошибку может дать формула -(ERH cos(Az)sin(I) - (MUSX+ERV ) * cos(I)) sin(TuOi). При применении в следующих уравнениях, Gbias определяют, как систематическую ошибку гиродатчика, или часть выходных данных гиродатчика, которая не меняется с изменением ориентации гироскопа.
[53] С учетом последовательности измерений GOn гиродатчика при фиксированном угле Tuo наклона и последовательности углов смещения торца инструмента, т.e. положений наружного карданного подвеса 101, можно решить следующую систему уравнений для определeния синфазной составляющей (IP), несинфазной составляющей (OP), и составляющей систематической ошибки:
[54] Принимая существующее определение угла наклона (I) и верхней части торца инструмента (TfH), обе пары синфазных и несинфазных составляющих можно преобразовать в одну составляющую синфазную и другую несинфазную с гравитационной силой. При делении обеих фаз на косинус фиксированного угла TuO наклона, синфазную составляющую может дать формула:
и несинфазная составляющая может быть пропорциональна следующему выражению:
.
Хотя данные уравнения предполагают отсутствие углового рассогласования, специалисту в данной области техники, пользующемуся данным раскрытием, понятно, что данные эффекты можно идентифицировать и компенсировать.
[55] С парой членов систематической ошибки, частное от деления разности на синус угла TuO наклона может быть пропорциональным следующему выражению:
.
Умножая данное уравнение на синус угла наклона и, составляющую синфазную с гравитационной силой на косинус угла наклона и складывая оба, получаем в результате:
.
Умножая синфазную составляющую на синус угла наклона и вычитая масштабированную разность смещения, MUSX можно вычислить из следующего:
[56] Синус составляющей азимута можно генерировать или прогнозировать, исключив влияние неуравновешенности масс, MUIX входной оси. Неуравновешенность масс входной оси можно заставить работать лучше, чем неуравновешенность масс оси собственного вращения, и можно скорректировать так, что величина RMS данных компонентов равна ERH.
[57] В некоторых вариантах осуществления для определения азимута, вычисленной скорости прецессии гироскопа, систематической ошибки и неуравновешенности масс применяют модель для решения прямой задачи, и можно использовать модель для измерения гиродатчика 121 в каждом положении, как рассмотрено выше в данном документе. В некоторых таких вариантах осуществления псевдоизмерения могут быть включены в каждую модель. Псевдоизмерения могут, например, и без ограничения этим, налагать ограничения на параметры или группы параметров. Окончательный набор параметров можно определить или оценить из минимизации меры ошибки между смоделированными и измеренными величинами.
[58] Как пример модели для решения прямой задачи, можно генерировать или прогнозировать модель прогнозируемых выходов GOi гиродатчика для данного угла I наклона и верхней части торца TfH инструмента, а также азимута Az. Для данного раскрытия, значок ʺiʺ указывает различные известные величины смещения TfOi торца инструмента и угла TuOi наклона. В некоторых вариантах осуществления выходные данные модели могут представлять собой следующее:
Систематическая ошибка (Gbias) гиродатчика, MUSX и MUIX может быть включена, как часть функция стоимости азимута, хотя взамен можно использовать эталонные значения. Решение функции стоимости может включать в себя минимизацию для некоторых измерений разностей между измеренными смоделированными выходными данными гиродатчика при различных углах торца инструмента и углах наклона. В некоторых вариантах осуществления можно использовать цифровое средство оптимизации, М-алгоритмы оценки и/или адаптивные фильтры. В некоторых вариантах осуществления разности между смоделированными и измеренными выходными данными могут представлять собой сумму квадратов разностей, сумму абсолютных величин разностей или другую модель. В некоторых вариантах осуществления могут применять заданные величины MUSX и MUIX, как исходные величины в оптимизации. В некоторых вариантах осуществления величины параметров оценки по измерениям по длине скважины и измерениям поперек оси можно объединять, применяя, например, но без ограничения этим комплиментарный фильтр.
[59] В некоторых вариантах осуществления внутренний карданный подвес 111 может быть неподвижно закреплен относительно наружного карданного подвеса 101. В некоторых таких вариантах осуществления скважинный инклинометр 10 можно эксплуатировать в режиме отсчета углового положения, известном в технике.
[60] Специалисту в данной области техники, пользующемуся данным раскрытием, понятно, что положения, в которых выполняются измерения гиродатчиком 121, не должны располагаться в антипараллельных направлениях для осуществления оценки текущей систематической ошибки гиродатчика, где систематическая ошибка является удовлетворительно стабильной, и ориентация корпуса 12 инструмента является, по существу, стабильной. Другими словами, хотя одну пару антипараллельных отсчетов можно выполнить для простого определения базовой систематической ошибки датчика, данная последовательность не является необходимой для такого определения.
[61] Электрические соединения между источником электропитания (не показано) и датчиками на платформе 103 датчиков на наружном карданном подвесе и внутренней платформе 113 датчиков на карданном подвесе можно выполнить, применяя любую систему известную в технике, в том числе, например, и без ограничения этим, гибкие кабели и токосъемные контактные кольца.
[62] В некоторых вариантах осуществления гиродатчик 121 может быть поплавковым. Как понятно специалисту в данной области техники, пользующемуся данным раскрытием, поплавковый гиродатчик может, например, и без ограничения этим, уменьшать чувствительность гиродатчика 121 к повреждениям от ударов и вибрации.
[63] В некоторых вариантах осуществления в дополнение к определению азимута, платформу 100 датчиков можно применять для определeния угла торца гиродатчика, статуса гиродатчика 121 или погрешности при определении азимута.
[64] Выше приведены признаки нескольких вариантов осуществления, по которым специалист в данной области техники может лучше понять аспекты настоящего изобретения. Такие признаки можно заменить любым из многочисленных альтернативных эквивалентов, только некоторые из которых раскрыты в данном документе. Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что можно успешно применять настоящее изобретение как основу для разработки или модификации других способов и конструкций для достижения целей и/или преимуществ вариантов аналогичных вариантам осуществления, представленным в данном документе. Специалист в данной области техники должен также понимать, что такие эквивалентные конструкции не отходят от сущности и объема настоящего изобретения и что можно выполнять различные изменения, замещения и замены описанного в данном документе без отхода от сущности и объема настоящего изобретения.
1. Платформа датчиков на карданном подвесе, выполненная с возможностью установки в корпусе инструмента, имеющего продольную ось, содержащая:
наружный карданный подвес, причем наружный карданный подвес соединен с возможностью свободного вращения c корпусом инструмента;
наружное устройство углового позиционирования, соединенное c наружным карданным подвесом для вращeния наружного карданного подвеса относительно корпуса инструмента вокруг оси вращения наружного карданного подвеса;
внутренний карданный подвес, причем внутренний карданный подвес соединен с возможностью свободного вращения c наружным карданным подвесом;
внутреннее устройство углового позиционирования, соединенное c внутренним карданным подвесом, для вращeния внутреннего карданного подвеса относительно наружного карданного подвеса вокруг оси вращения внутреннего карданного подвеса; и
гиродатчик, соединенный c внутренним карданным подвесом, причем гиродатчик имеет измерительную ось, по существу, ортогональную оси вращения внутреннего карданного подвеса.
2. Платформа датчиков на карданном подвесе по п. 1, в которой ось вращения наружного карданного подвеса, по существу, параллельна продольной оси корпуса инструмента.
3. Платформа датчиков на карданном подвесе по п. 1, в которой ось вращения внутреннего карданного подвеса установлена под углом к оси вращения наружного карданного подвеса.
4. Платформа датчиков на карданном подвесе по п. 3, в которой ось вращения внутреннего карданного подвеса, по существу, перпендикулярна оси вращения наружного карданного подвеса.
5. Платформа датчиков на карданном подвесе по п. 4, дополнительно содержащая внутренний ограничитель перемещения, причем внутренний ограничитель перемещения установлен для ограничения вращения внутреннего карданного подвеса между первым углом наклона и вторым углом наклона относительно оси вращения наружного карданного подвеса.
6. Платформа датчиков на карданном подвесе по п. 5, в которой первый угол наклона и второй угол наклона имеют противоположные направления от оси вращения наружного карданного подвеса.
7. Платформа датчиков на карданном подвесе по п. 1, дополнительно содержащая один или несколько акселерометров, соединенных c внутренним карданным подвесом.
8. Платформа датчиков на карданном подвесе по п. 1, дополнительно содержащая один или несколько магнитoметров, соединенных c внутренним карданным подвесом.
9. Платформа датчиков на карданном подвесе, выполненная с возможностью установки в корпусе инструмента, имеющего продольную ось, содержащая:
наружный карданный подвес, причем наружный карданный подвес соединен с возможностью свободного вращения c корпусом инструмента;
наружное устройство углового позиционирования, соединенное c наружным карданным подвесом для вращeния наружного карданного подвеса относительно корпуса инструмента вокруг оси вращения наружного карданного подвеса, причем ось вращения наружного карданного подвеса установлена под углом к продольной оси корпуса инструмента,
внутренний карданный подвес, причем внутренний карданный подвес соединен с возможностью свободного вращения c наружным карданным подвесом;
внутреннее устройство углового позиционирования, соединенное c внутренним карданным подвесом, для вращeния внутреннего карданного подвеса относительно наружного карданного подвеса вокруг оси вращения внутреннего карданного подвеса; и
гиродатчик, соединенный c внутренним карданным подвесом.
10. Платформа датчиков на карданном подвесе, выполненная с возможностью установки в корпусе инструмента, имеющего продольную ось, содержащая:
наружный карданный подвес, причем наружный карданный подвес соединен с возможностью свободного вращения c корпусом инструмента;
наружное устройство углового позиционирования, соединенное c наружным карданным подвесом для вращeния наружного карданного подвеса относительно корпуса инструмента вокруг оси вращения наружного карданного подвеса;
внутренний карданный подвес, причем внутренний карданный подвес соединен с возможностью свободного вращения c наружным карданным подвесом;
внутреннее устройство углового позиционирования, соединенное c внутренним карданным подвесом, для вращeния внутреннего карданного подвеса относительно наружного карданного подвеса вокруг оси вращения внутреннего карданного подвеса;
гиродатчик, соединенный c внутренним карданным подвесом, и
один или несколько акселерометров, соединенных c наружным карданным подвесом или корпусом инструмента, или
один или несколько магнитoметров, соединенных c наружным карданным подвесом или корпусом инструмента, или
позиционирующий гиродатчик, соединенный c наружным карданным подвесом, причем позиционирующий гиродатчик имеет измерительную ось, по существу, параллельную оси вращения наружного карданного подвеса.
11. Платформа датчиков на карданном подвесе по п. 10, дополнительно содержащая наружное устройство для измерения углового положения, присоединенное между наружным карданным подвесом и корпусом инструмента.
12. Платформа датчиков на карданном подвесе по п. 10, дополнительно содержащая внутреннее устройство измерения углового положения, присоединенное между внутренним карданным подвесом и наружным карданным подвесом.
13. Платформа датчиков на карданном подвесе по п. 10, которая соединена c бурильной колонной или системой вспомогательного каната.
14. Платформа датчиков на карданном подвесе по п. 10, дополнительно содержащая наружный ограничитель перемещения, причем наружный ограничитель перемещения установлен для ограничения вращения наружного карданного подвеса относительно корпуса инструмента.
15. Способ исследования скважины, в котором:
обеспечивают платформу датчиков на карданном подвесе, установленную в корпусе инструмента, причем платформа датчиков на карданном подвесе включает в себя:
наружный карданный подвес, соединенный с возможностью свободного вращения c корпусом инструмента;
наружное устройство углового позиционирования, соединенное c наружным карданным подвесом для вращeния наружного карданного подвеса относительно корпуса инструмента вокруг оси вращения наружного карданного подвеса;
внутренний карданный подвес, соединенный с возможностью свободного вращения c наружным карданным подвесом;
внутреннее устройство углового позиционирования, соединенное c внутренним карданным подвесом для вращeния внутреннего карданного подвеса относительно наружного карданного подвеса вокруг оси вращения внутреннего карданного подвеса; и
гиродатчик, соединенный c внутренним карданным подвесом;
получают первое измерение, когда гиродатчик с наружным карданным подвесом занимает первое положение относительно корпуса инструмента и внутренний карданный подвес занимает первое положение относительно наружного карданного подвеса;
осуществляют поворот внутреннего карданного подвеса во второе положение относительно наружного карданного подвеса;
выполняют второе измерение гиродатчиком;
осуществляют поворот наружного карданного подвеса во второе положение относительно корпуса инструмента, причем положение внутреннего карданного подвеса становится третьим положением;
выполняют третье измерение гиродатчиком и
осуществляют идентификацию неуравновешенности масс гиродатчика или ошибки на основе по меньшей мере части первого, второго и третьего измерений.
16. Способ по п. 15, в котором дополнительно определяют азимут или отклонение торца корпуса инструмента гиродатчика.
17. Способ по п. 15, в котором дополнительно определяют ориентацию гиродатчика при каждом из первого, второго и третьего измерений относительно корпуса инструмента.
18. Способ по п. 16, в котором платформа датчиков на карданном подвесе дополнительно содержит один или несколько акселерометров, соединенных c одним или несколькими внутренними карданными подвесами, наружным карданным подвесом или корпусом инструмента, и азимут корпуса инструмента определяют по меньшей мере частично на основе снятия показаний акселерометров.
19. Способ по п. 16, в котором платформа датчиков на карданном подвесе дополнительно содержит один или несколько магнитoметров, соединенных c одним или несколькими внутренними карданными подвесами, наружным карданным подвесом или корпусом инструмента, и азимут корпуса инструмента определяют по меньшей мере частично на основе снятия показаний магнитoметров.
20. Способ по п. 16, в котором платформа датчиков на карданном подвесе дополнительно содержит одно или оба: внутреннее устройство измерения углового положения, присоединенное между внутренним карданным подвесом и наружным карданным подвесом, и/или наружное устройство для измерения углового положения, присоединенное между наружным карданным подвесом и корпусом инструмента, и азимут корпуса инструмента определяют по меньшей мере частично на основе снятия показаний любого подходящего устройства измерения углового положения.
21. Способ по п. 15, в котором платформа датчиков на карданном подвесе дополнительно содержит один или несколько акселерометров, соединенных c одним или обоими внутренним карданным подвесом и/или наружным карданным подвесом, при этом дополнительно осуществляют:
снятие первого измерения ускорения с акселерометра в первом, втором или третьем положении и
определение азимута или угла наклона корпуса инструмента.
22. Способ по п. 21, в котором дополнительно осуществляют:
выполнение второго измерения ускорения, когда акселерометр занимает положение, отличающееся от первого, второго или третьего положений; и
идентификацию ошибки акселерометра или систематической ошибки на основе первого и второго измерений ускорения.
23. Способ по п. 15, в котором платформа датчиков на карданном подвесе дополнительно содержит один или несколько магнитoметров, соединенных c одним или обоими внутренним карданным подвесом и/или наружным карданным подвесом, при этом дополнительно осуществляют:
выполнение первым магнитoметром измерений, когда магнитoметр занимает первое положение, второе положение или третье положение;
и определение азимута или угла наклона корпуса инструмента.
24. Способ по п. 23, в котором дополнительно осуществляют:
выполнение вторым магнитoметром измерений, когда магнитoметр занимает положение, отличающееся от первого, второго или третьего положений; и
идентификацию ошибки магнитoметра или систематической ошибки на основе первого и второго измерений магнитoметра.
25. Способ по п. 15, в котором платформа датчиков на карданном подвесе дополнительно содержит внутренний ограничитель перемещения, причем внутренний ограничитель перемещения установлен для ограничения вращения внутреннего карданного подвеса, и в первом положении и втором положении внутренний карданный подвес контактирует с ограничителями вращения внутреннего карданного подвеса.
