МАЛОГАБАРИТНЫЙ ИНЕРЦИАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ СКВАЖИН МАЛОГО ДИАМЕТРА

МАЛОГАБАРИТНЫЙ ИНЕРЦИАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ СКВАЖИН МАЛОГО ДИАМЕТРА
Полезная модель относится к области гироскопического приборостроения, а именно, к инклинометрам скважин и может быть использована для промера и контроля пространственной ориентации пробуренных скважин малого диаметра, а также для информационного обеспечения скважинного прибора при направленном бурении скважин, особенно, при разветвленогоризонтальном бурении малого диаметра из обсаженных, ранее пробуренных скважин.
Известны гироскопические инклинометры( Уттект ГУ. де-Вард Дж.П. Новый гироскоп для геофизических исследований. Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, 1983, N3,c.14-19; патент РФ N 2030574, Е 21 В47/02, Бюл. N7, 10.03.95), построенные на базе блоков акселерометров (измерителей ускорений) и датчиков угловых скоростей (измерителей угловых скоростей) на основе трехстепенных гироскопов, например, динамически настраиваемых гироскопов, которые жестко закреплены в корпусе скважинного прибора .При этом датчики угловых скоростей в гироинклинометре (патент РФ N 2030574) в процессе формирования измерительной информации устанавливают последовательно каждый датчик в два положения, отличающиеся друг от друга разворотом на 180° относительно оси, перпендикулярной к осям измерения угловых скоростей.
Указанные инклинометры имеют следующие недостатки: инклинометр работает только в точечном режиме, что увеличивает время обследования скважин и приводит к снижению производительности инклинометрических работ.
Известен малогабаритный гироскопический инклинометр (RU 2178523 1999.04.06, СОЮ 19/00, Е 21D47/022). Инклинометр содержит гироскоп, два маятниковых акселерометра, блок электроники для питания чувствительных элементов и передачи информации на наземную аппаратуру, прочную герметическую оболочку, систему виброгасителей и амортизаторов. Для механической и электрической связи с наземной аппаратурой используется каротажный кабель. Реверсивное вращение гироскопа на 180° в процессе измерений осуществляется двигателем постоянного тока через многоступенчатый редуктор, имеющий только один вал и одну ось, а стабильность ориентации гироскопа при измерениях обеспечивается за счет
GO 1C 19/00
прижатия упора к базовым плоскостям с помощью одной пружины в обеих позициях, что позволяет использовать инклинометр в скважинах малого диаметра. Указанный инклинометр имеет следующие недостатки: -ограниченный диапазон измерений по зенитным углам: искомые углы ориентации вычисляются для скважин с зенитными углами 60°,т.е. данное устройство не может быть применено в забойных системах при бурении горизонтальных скважин (значения зенитных углов горизонтальных скважин 90°);
-только точечный режим работы, при котором вычисление искомых углов осуществляется на каждой точке стояния при спуске или (и) подъеме прибора, что увеличивает общее время съемки.
Задачи, на решение которых направлена настоящая полезная модель, заключаются в обеспечении возможности проведения всех инклинометрических измерений (вычисление азимута, зенитного угла, угла поворота отклонителя) в скважинах малого диаметра ( 42 мм), зенитный угол ствола которых может меняться в диапазоне от 0° до 180°при любом значении азимута в диапазоне от 0° до 360° а также обеспечение, кроме точечного, непрерывного режима работы, при котором искомые углы вычисляются непрерывно без остановки прибора.
Поставленные задачи решены следующим образом.
Малогабаритный инерциальный измерительный модуль для скважин малого диаметра, содержит блок чувствительных элементов, включающий миниатюрный динамически настраиваемый гироскоп в одноосном кардановом подвесе, и два акселерометра, блок электроники для питания чувствительных элементов и передачи информации на наземную аппаратуру, герметическую оболочку, систему виброгасителей и амортизаторов и отличается тем, что блок чувствительных элементов (ЧЭ) дополнительно содержит второй миниатюрный динамически настраиваемый гироскоп, вектор кинетического момента которого ортогонален вектору кинетического момента первого гироскопа, и третий акселерометр. Кроме того, ЧЭ содержит датчики углов, установленные на автокомпенсационных осях вращения гироскопов, с помощью которых определяют текущее положение гироскопов относительно корпуса прибора.
Полезная модель поясняется рисунками, на фиг. 1 представлена принципиальная схема малогабаритного инерциального измерительного модуля (МИИМ), на фиг. 2 - система координат.
МИИМ содержит блок чувствительных элементов (ЧЭ), выполненный в виде двух миниатюрных динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ) 1 с приводами автокомпенсационных углов поворотов от двигателей 2, двух датчиков угла 3, расположенных на осях вращения и блока акселерометров 4, содержащих три ортогонально расположенных линейных акселерометра. Кроме того, МИИМ содержит блок электроники для питания чувствительных элементов и передачи информации на наземную аппаратуру, прочную герметическую оболочку, систему виброгасителей и амортизаторов (на рисунке не показаны).
МИИМ работает следующим образом. Двигатели 2 обеспечивают реверсивное вращение рамок с установленными в них ДНГ 1 в диапазоне углов ±180° вокруг осей, параллельных кинетическим моментам Н гироскопов. Углы
поворота рамок соответственно равны - Pi,p2- Блок акселерометров 4, расположенный на оси вращения, также участвует в процессе вращения (на угол поворота Pi). Реверсивные развороты служат для автокомпенсации инструментальных погрешностей чувствительных элементов (гироскопов и акселерометров). Датчики угла 3 измеряют текущие значения углов Ррр2,
которые затем передаются в вычислительное устройство скважинного прибора. Линейные акселерометры позволяют измерить, в общем случае, составляющие вектора Я (:0,vO,zo) кажущегося ускорения на оси
трехгранника , связанного с корпусом МИИМ, развернутого
относительно осей горизонтного трехгранника с географической ориентацией осей ENh на угол азимута А, зенитный угол 0 и угол ф поворота корпуса МИИМ вокруг продольной оси. Два ДНГ, образуя блок, позволяют измерить составляющие вектора ос () угловой скорости вращения
трехгранника  ™ измерения возможны потому, что ориентация осей чувствительности, как акселерометров, так и гироскопов, относительно трехгранника JToloZQ, известна и определяется двумяуглами
автокомпенсационного вращения pj, Р2, снимаемых соответственно с датчиков углов.
в точечном режиме работы МИИМ, когда измерения осуществляютоя в дискретные моменты времени на остановках, при отсутствии линейных перемещений и вращения измерительного блока, информация выходных сигналов блока ДНГ и линейных акселерометров будет:
(ujfQ  О8Шф8тЭ8тф- со8ф(8тЛсо8ф-соз со898тф), со.0 sinфsm6cosф + Qco8ф(siny48mф + co8 co89co8ф),   8тфсо80-Осо8ф8т9со8у4. Ид-О 8тЭ8тф, Пуо g8in6cosф,
zO gcose. В точечном режиме работы искомые углы:
-зенитный угол О и угол ф поворота корпуса МИИМ вокруг продольной оси ZQ
(угол поворота отклонителя) при условии, что зенитный угол , вычисляются по данным линейных акселерометров:
Jll
.,1
,  S J 0  arctg
«zO «xO
ф  arctg
-азимут A вычисляется no данным блока ДНГ:
со „1 8m ф-(0,1 СО8ф
А  2arctg  .
Псозф + сОд. 8тф +  СО8Ф-С021 sin0
Алгоритмическую основу непрерывного режима работы МИИМ составляют алгоритмы бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), которые условно можно разделить на алгоритмы выработки параметров ориентации и параметров поступательного движения, а также преобразования кажущихся ускорений.
МИИМ обеспечивает вычисление элементов матрицы направляющих
косинусов С, определяющей взаимную ориентацию горизонтной системы координат с географической ориентацией осей ENh и связанной с корпусом МИИМ системы координат
11 12 Ci3 C21 22 23  32 C33j XQ cos  cos ф + sin У cos 0 sin ф -sinЛcosф + cosy4cos9sinф sin 6 sin Ф Из элементов матрицы C вычисляются
(азимут А , зенитный угол 0, угол поворота откпонителя ф).
Матрица С может быть получена интегрированием уравнения Пуассона
В виде:
/,0 .-,0- -
--/, --/г0-« А --/,
где со/г  кососимметрические матрицы, соответствующие векторам горизонтного G)  N И связанного с
трехгранников.
Выражения для угловых скоростей горизонтного трехгранника ш;, имеют вид
V,
cOf -ф  --, сОд, X,cosф  Qcosф СО;,  X, sin9  Qsin9 +  где Q  7,292ll6-10 1/с  15 град./ч - угловая Земли, а
а(
+ h, () и для эллипсоида Красовского е  0,0066934, а  6378245 м.
Составляющие Beicropa и;, вычисляются по значениям составляющих линейной скорости и координатах места, выработанным в ИИМ. Составляющие вектора OUQ вычисляются по данным блока ДНГ.
0
0
со.0
R.
V,
1
(l-esin)  + sin cos9cosф -sin/ sinO sinv4sinф + cos cos9cosф  sin 0 cos Ф искомые углы ориентации угловой скорости вращения корпусом ИИМ COQ  з/о скорость суточного вращения
Задача преобразования кажущихся ускорений в ИИМ формулируется как задача нахождения проекций n,nf,nfj вектора Я на оси горизонтного трехгранника по информации об измеренных акселерометрами составляющих  вектора Я в осях связанного с ИИМ трехгранника  и по
0 вычисленной матрице С, определяющей взаимную ориентацию трехгранников
ЕШ и  .
В блоке выработки параметров поступательного движения осуществляется вычисление составляющих линейной скорости и координат места путем интегрирования составляющих «,идг,«;,.
Поскольку диаметр модуля (внутренний диаметр скважинного прибора) составляет не более 36мм, модуль может быть использован:
- в качестве устройства для промера и контроля траектории стволов в скважинах диаметром  42 мм;
в качестве модуля забойной телеизмерительной системы, использующейся при направленном бурении горизонтальных скважин, - в скважинах диаметром  89 мм.