ПРИБОР КАРОТАЖА СКВАЖИНЫ
WELL LOGGING DEVICE

Область техники
Данное изобретение относится к аппарату для шагового перемещения устройства между различными позициями шагового перемещения вокруг оси шагового перемещения. Изобретение также относится к прибору каротажа скважины, содержащему такой аппарат, в случае чего устройство, как правило, содержит сенсор, используемый при каротаже скважины. Изобретение также относится к способу осуществления операции каротажа скважины.
Предпосылки к созданию изобретения
Нижеследующее обсуждение предпосылок к созданию изобретения приводится, исключительно чтобы способствовать пониманию данного изобретения. Данное обсуждение не является подтверждением или допущением, что любой из материалов, о котором идет речь, является или являлось частью общедоступного известного уровня техники на дату приоритета заявки.
Во время операции бурения скважины существует необходимость исследовать трассу ствола скважины, чтобы определять, выдерживается ли траектория в пределах допустимых ограничений. Каротаж ствола скважины обычно осуществляется с применением прибора для каротажа, который движется вдоль ствола скважины, чтобы получить необходимую информацию, или, по меньшей мере, данные, по которым необходимую информацию можно определить. Информация относительно трассы ствола скважины может, как правило, включать наклон, азимут и глубину.
Приборы для каротажа, как правило, содержат сенсорные устройства для измерения направленности и абсолютного значения местного гравитационного поля, а также скорости вращения Земли. Эти измерения соответствуют позиции и ориентации прибора для каротажа в стволе скважины. Позиция, наклон и/или азимут можно вычислить по этим измерениям.
Сенсорные устройства могут содержать акселерометры для измерения направленности и абсолютного значения местного гравитационного поля и гироскопы для измерения скорости вращения Земли, по которым можно вычислить азимут.
Имеющиеся в продаже гироскопы обладают систематическими погрешностями, которые могут серьезно вредить точности измерения.
С тем чтобы устранить или, по меньшей мере, уменьшить систематические погрешности, известно применение шагового перемещения гироскопов на 180 градусов между двумя позициями шагового перемещения, причем измерения проводятся в двух позициях шагового перемещения. Поскольку позиции шагового перемещения отстоят друг от друга на 180 градусов, измерения будут противоположными, то есть измерения дают одинаковые данные, но с противоположной полярностью. С этими измерениями систематические погрешности могут быть устранены или сокращены.
Имеющиеся в продаже акселерометры также обладают систематическими погрешностями, с которыми можно поступить подобным образом.
Чтобы шагово перемещать сенсорные устройства, такие как гироскопы и/или акселерометры, между различными позициями шагового перемещения, необходим механизм шагового перемещения внутри прибора для каротажа.
Также необходимо ориентировать сенсорные устройства, так чтобы две ортогональные измерительные оси занимали выбранную плоскость, которая, как правило, является горизонтальной.
Необходимость шагово перемещать и ориентировать сенсорные устройства может делать прибор для каротажа дорогостоящим и сложным и может быть особенно проблематичной, когда требуется прибор для каротажа компактной конструкции.
На этом фоне и на фоне проблем и трудностей, связанных с этим, было разработано данное изобретение.
Раскрытие изобретения
Согласно первому аспекту изобретения предоставлено устройство для шагового перемещения приспособления вокруг оси шагового перемещения, причем устройство содержит основание, опору для поддерживания приспособления для вращения вокруг оси шагового перемещения, причем опора содержит поворотное крепление, поддерживаемое на основании для вращения вокруг поперечной оси, пересекающей ось шагового перемещения, механизм привода шагового перемещения для шагового перемещения приспособления вокруг оси шагового перемещения, причем механизм привода шагового перемещения содержит ведущую часть и ведомую часть, причем ведущая часть выполнена на основании, а ведомая часть выполнена на поворотном креплении и соединена с возможностью передачи приводного усилия с приспособлением, ведомая часть способна входить в зацепление и выходить из зацепления с ведущей частью при вращении поворотного крепления вокруг поперечной оси, посредством чего, когда ведомая часть находится в зацеплении с ведущей частью, она может получать приводное усилие, приводящее к шаговому перемещению приспособления вокруг оси шагового перемещения.
При этой конструкции не требуется, чтобы ведущая часть размещалась на опоре, которая несет приспособление. Устранение необходимости размещать ведущую часть на опоре ведет к компактной конструкции и предлагает полезное уменьшение размера устройства.
Ведущая часть может содержать ведущий элемент, приспособленный к установке несимметрично относительно центра, для вращения вокруг ведущей оси. Ведущий элемент может содержать ведущий штырь, сформированный как цилиндрический штифт.
Ведущий элемент может обеспечиваться на одном конце ведущего вала, который имеет ось вращения и который сформирован как кривошип, причем ведущий элемент сдвинут от оси вращения ведущего вала.
Ведущая часть может дополнительно содержать приводной двигатель шагового перемещения, взаимно соединенный с возможностью передачи приводного усилия с ведущим валом, для выборочного поворачивания ведущего вала вокруг его оси в любом из двух направлений. При вращении ведущего вала вызывается латеральное передвижение установленного несимметрично относительно центра ведущего элемента по круговой траектории вокруг оси.
Ведомая часть может содержать головку шагового перемещения, вращательно установленную на опоре и соединенную с приспособлением, причем головка шагового перемещения способна входить в зацепление с ведущим элементом, чтобы получать от него приводное вращательное усилие. Головка шагового перемещения может содержать пластину шагового перемещения, сформированную так, чтобы определять профиль кулачка, представляющий рабочую поверхность кулачка. Профиль кулачка может быть сформирован так, чтобы определять выемку, которая может принимать ведущий штырь. Профиль кулачка также может определять два прилива на противоположных сторонах выемки.
При вращении ведущего вала вызывается латеральное передвижение установленного несимметрично относительно центра ведущего элемента по круговой траектории вокруг оси вращения ведущего вала, что сообщает вращение пластине шагового перемещения и, таким образом, подвергает приспособление движению шагового перемещения.
Устройство может дополнительно содержать механизм привода наклона для выборочного поворачивания поворотного крепления вокруг поперечной оси. Это способствует передвижению ведомой части в зацепление и из зацепления с ведущей частью. Когда это целесообразно, это также может использоваться, чтобы ориентировать приспособление по поперечной оси.
Механизм привода наклона может содержать мотор привода наклона, взаимно соединенный с возможностью передачи приводного усилия с поворотным креплением. Мотор привода наклона может быть взаимно соединен с возможностью передачи приводного усилия с поворотным креплением посредством приводной трансмиссии, содержащей кольцевое зубчатое колесо, установленное на поворотном креплении совмещенно с поперечной осью. Приводная трансмиссия может дополнительно содержать ведущий вал и ведущую шестерню, которая жестко установлена на ведущем вале и которая находится в зубчатом зацеплении с кольцевым зубчатым колесом. При этой конструкции поворотное крепление может выборочно подвергаться поперечному вращению вокруг поперечной оси путем приведения в действие мотора привода наклона, причем направленность поперечного вращения определяется направленностью вращения приводного двигателя.
Приспособление, поддерживаемое для вращения вокруг оси шагового перемещения, может содержать сенсорное приспособление. Сенсорное приспособление может быть любого целесообразного типа; например, сенсорное приспособление может содержать один или более гироскопов, один или более акселерометров или их сочетание.
Если сенсорное приспособление содержит гироскоп, то он может быть двухосевым гироскопом, установленным на опоре, так чтобы две измерительные оси перпендикулярны оси шагового перемещения.
Если сенсорное приспособление содержит акселерометр, то он может представлять собой двухосевой акселерометр, установленный на опоре, так чтобы две измерительные оси были перпендикулярны оси шагового перемещения.
Сенсорным приспособлением может быть составное приспособление, содержащее двухосевой гироскоп и двухосевой акселерометр, причем соответственные измерительные оси перпендикулярны оси шагового перемещения. Двухосевой гироскоп и двухосевой акселерометр могут быть связаны для синхронного вращения вокруг оси шагового перемещения.
Может быть необходимо выравнивать ведомую часть по отношению к ведущей части перед тем, как приводить в действие ведущую часть. А именно, может быть необходимо выравнивать наклон поворотного крепления перед шаговым перемещением, так чтобы пластина шагового перемещения находилась в положении, соответствующем положению ведущего элемента, причем ведущий элемент принимается в выемку в пластине шагового перемещения. Система оптического выравнивания может быть предоставлена для сенсорного выравнивания между ведущей частью и ведомой частью для функционального зацепления между ними, посредством чего ведомая часть может получать от ведущей части приводное усилие, приводящее к шаговому перемещению сенсорного приспособления вокруг оси шагового перемещения.
Система оптического выравнивания может содержать первый передатчик оптического сигнала и первый приемник оптического сигнала, приспособленный взаимодействовать для подтверждения того, что выравнивание выполнено правильно.
Первый передатчик оптического сигнала может быть приспособлен генерировать и проецировать модулированный луч света от платформы шагового перемещения в направлении, перпендикулярном поверхности пластины шагового перемещения и радиальном относительно оси шагового перемещения. Первый передатчик оптического сигнала может содержать центральную апертуру в пластине шагового перемещения и приспособление оптического излучения, расположенное за апертурой для излучения модулированного луча света.
Первый приемник оптического сигнала может содержать соответствующую апертуру и оптический детектор, установленный вне поворотного крепления, как правило, на основании, таким образом, чтобы две апертуры выравнивались и модулированный луч отслеживался, когда пластина шагового перемещения находится в правильной позиции.
Система оптического выравнивания также может быть сформирована, чтобы отслеживать, что приспособление было правильно шагово перемещено вокруг оси шагового перемещения в желаемую позицию шагового перемещения. При конструкции, где для приспособления есть две позиции шагового перемещения, причем угол между двумя позициями шагового перемещения составляет 180 градусов, система оптического выравнивания может содержать передатчик оптического сигнала и второй передатчик оптического сигнала, смещенный относительно первого передатчика оптического сигнала. Второй передатчик оптического сигнала может содержать вторую апертуру в пластине шагового перемещения и приспособление оптического излучения, расположенное за апертурой, для излучения модулированного луча света.
Система оптического выравнивания дополнительно содержит первый приемник оптического сигнала и один или более дополнительных приемников оптического сигнала, смещенных относительно первого приемника оптического сигнала. Например, может быть два дополнительных приемника оптического сигнала на противоположных сторонах первого приемника оптического сигнала. При этой конструкции первый передатчик оптического сигнала и первый приемник оптического сигнала взаимодействуют, чтобы обеспечивать подтверждение выравнивания наклона поворотного крепления перед шаговым перемещением, так чтобы пластина шагового перемещения находилась в положении, соответствующем положению ведущего элемента. Дополнительно, второй передатчик оптического сигнала взаимодействует с дополнительными приемниками оптического сигнала, чтобы обеспечивать подтверждение того, что сенсорное приспособление было правильно шагово перемещено в необходимую позицию шагового перемещения. Поскольку угол между двумя позициями шагового перемещения составляет 180 градусов, один из двух дополнительных приемников оптического сигнала функционирует, чтобы регулировать одну позицию шагового перемещения, а другой из двух дополнительных приемников оптического сигнала функционирует, чтобы регулировать вторую позицию шагового перемещения.
Такая конструкция обеспечивает простую и в то же время высокоэффективную систему выравнивания, которая устраняет потребность в кодирующем устройстве положения вращения, которое могло бы увеличить стоимость, размер и сложность устройства.
Может существовать необходимость в обеспечении электрического соединения между основанием и поворотным креплением, которое поддерживается на основании, для вращения вокруг поперечной оси. Как правило, в основании размещается электронная схема, которая находится в электрической связи с компонентами на поворотном креплении.
Электрическое соединение может обеспечиваться гибким соединительным кабелем, который проходит между поворотным креплением и основанием, причем один концевой сегмент кабеля соединен с поворотным креплением, другой концевой сегмент кабеля соединен с основанием, и промежуточный сегмент кабеля сформирован как петля.
Кабель может представлять собой плоский многожильный кабель.
Петля может быть размещена в кабельной розетке, содержащей две противоположные стороны и открытый конец, через который проходит кабель.
Петля может содержать два прямых сегмента и поворотный сегмент, проходящий между двумя прямыми сегментами. Два прямых сегмента могут ограничиваться и направляться сторонами кабельной розетки, причем один прямой сегмент приспособлен подвергаться переносному перемещению, скользя по смежной стороне кабельной розетки при вращении поворотного крепления. Это обеспечивает относительное перемещение между поворотным креплением и основанием.
Такая конструкция обеспечивает простое и в то же время высокоэффективное электрическое соединение между сообщаемостью между поворотным креплением и основанием, которое является компактным и устраняет потребность в обычном токосъемном кольце для электрического соединения.
Как упоминалось ранее, приспособление поддерживается для вращения вокруг оси шагового перемещения между позициями шагового перемещения. Может существовать необходимость в электрическом соединении между приспособлением и опорой, которая несет приспособление, таким образом, чтобы выдерживать передвижение шагового перемещения.
Электрическое соединение может обеспечивать гибкий соединительный кабель, проходящий между приспособлением и опорой, причем один концевой сегмент кабеля соединен с приспособлением, другой концевой сегмент кабеля соединен с опорой, и промежуточный сегмент кабеля обмотан вокруг оси шагового перемещения. Кабель может содержать плоский многожильный кабель, чтобы обеспечивать компактную конструкцию. Как правило, кабель размещается вокруг приспособления в пространстве между приспособлением и окружает опору, в которой размещено приспособление. Промежуточный сегмент может быть обмотан несколько раз, чтобы выдерживать относительное вращательное передвижение между приспособлением шагового перемещения и опорой. Поскольку приспособление поворачивается вокруг оси шагового перемещения из одной позиции шагового перемещения в другую, обмотанный промежуточный сегмент просто скручивается и раскручивается согласно направлению передвижения, причем все время сохраняется электрическое соединение.
Такая конструкция обеспечивает простое и в то же время высокоэффективное электрическое соединение между сенсорным устройством и поворотным креплением, которое является компактным и устраняет потребность в обычном токосъемном кольце для электрического соединения.
Согласно второму аспекту изобретения предоставлен прибор для каротажа скважин, содержащий приспособление согласно первому аспекту изобретения, где устройство содержит сенсорное устройство.
Согласно третьему аспекту изобретения предоставлен прибор для каротажа скважин, содержащий сенсорное устройство, способное вращаться вокруг оси шагового перемещения, основание, опору для поддерживания сенсорного устройства для вращения вокруг оси шагового перемещения, причем опора содержит поворотное крепление, поддерживаемое на основании для вращения вокруг поперечной оси, пересекающей ось шагового перемещения, механизм наклонного привода для выборочного вращения поворотного крепления вокруг поперечной оси, и механизм привода шагового перемещения для шагового перемещения сенсорного устройства вокруг оси шагового перемещения, механизм привода шагового перемещения, содержащий ведущую часть и ведомую часть, причем ведущая часть обеспечивается на основании, а ведомая часть обеспечивается на поворотном креплении и соединена с возможностью передачи приводного усилия с сенсорным устройством, ведомая часть способна входить в зацепление и выходить из зацепления с ведущей частью при вращении поворотного крепления вокруг поперечной оси, посредством чего, когда ведомая часть находится в зацеплении с ведущей частью, она может получать приводное усилие, приводящее к шаговому перемещению сенсорного устройства по оси шагового перемещения.
Согласно четвертому аспекту изобретения обеспечивается способ выполнения операции каротажа скважин с использованием прибора для каротажа скважин согласно второму или третьему аспекту изобретения.
Согласно пятому аспекту изобретения обеспечивается способ выполнения операции каротажа скважин, предусматривающий: помещение прибора для каротажа в выбранное положение в пределах ствола скважины, причем прибор для каротажа содержит сенсорное устройство, по меньшей мере, с двумя измерительными осями; ориентирование сенсорного устройства, так чтобы две измерительные оси занимали выбранную плоскость; получение измерения от сенсорного устройства в выбранном положении; передвижение сенсорного устройства в позицию шагового перемещения, в которой сенсорное устройство может шагово перемещаться вокруг оси шагового перемещения, перпендикулярной двум измерительным осям; возвращение шагово перемещенного сенсорного устройства в позицию, в которой две измерительные оси занимали выбранную плоскость; и получение дальнейших измерений от сенсорного устройства в выбранном положении.
Способ может предусматривать последовательное помещение прибора для каротажа в одно или более дополнительно выбранные положения в пределах ствола скважины; ориентирование сенсорного устройства, так чтобы две измерительные оси занимали выбранную плоскость в дополнительно выбранном положении; получение измерения от сенсорного устройства в дополнительно выбранном положении; передвижение сенсорного устройства в позицию шагового перемещения, в которой сенсорное устройство может шагово перемещаться вокруг оси шагового перемещения, перпендикулярной двум измерительным осям; возвращение шагово перемещенного сенсорного устройства в позицию, в которой две измерительные оси занимали выбранную плоскость в дополнительно выбранном положении; и получение дополнительного измерения от сенсорного устройства в далее выбранном положении.
Краткое описание графических материалов
Изобретение станет понятнее из ссылок на следующее описание одного конкретного варианта осуществления, как показано на сопутствующих графических материалах, где:
фигура 1 представляет собой вид в перспективе прибора для каротажа скважин согласно варианту осуществления, причем часть наружной кожуха удалена, чтобы показать внутренние особенности;
фигура 2 представляет собой вид, подобный фигуре 1, но с удаленными дополнительными деталями, чтобы показать дополнительные внутренние особенности;
фигура 3 представляет собой схематический вид сверху поворотного крепления для сенсорного устройства, способного перемещаться между двумя позициями шагового перемещения, причем поворотное крепление сформировано как платформа шагового перемещения, и механизм шагового перемещения, способный функционировать в соединении с платформой шагового перемещения;
фигура 4 представляет собой вид сбоку конструкции, показанной на фигуре 3;
фигура 5 представляет собой вид в перспективе платформы шагового перемещения и механизма шагового перемещения, причем платформа шагового перемещения показана в первой позиции;
фигура 6 представляет собой вид, подобный фигуре 5, за тем исключением, что платформа шагового перемещения показана повернутой во вторую позицию для работы механизма шагового перемещения;
фигура 7 представляет собой дополнительный вид в перспективе, иллюстрирующий, в частности, механизм шагового перемещения;
фигура 8 представляет собой дополнительный вид в перспективе, иллюстрирующий, в частности, платформу шагового перемещения и ведущую часть механизма шагового перемещения;
фигура 9 представляет собой дополнительный вид в перспективе платформы шагового перемещения, иллюстрирующий, в частности, средство смещения для смещения сенсорного устройства в соответственные позиции шагового перемещения;
фигура 10 представляет собой дополнительный вид платформы шагового перемещения, иллюстрирующий средство смещения;
фигуры 11, 12 и 13 представляют собой ряд видов, иллюстрирующих операцию шагового перемещения;
фигура 14 представляет собой схематический вид сверху платформы шагового перемещения, сенсорного устройства, вращательно поддерживаемого платформой, и гибкого соединительного кабеля, который проходит между сенсорным устройством и платформой, чтобы обеспечивать электрическое соединение между ними, причем сенсорное устройство показано в первой шагово перемещенной позиции;
фигура 15 представляет собой вид, подобный фигуре 14, за тем исключением, что сенсорное устройство показано во второй шагово перемещенной позиции;
фигура 16 представляет собой вид в разрезе, также иллюстрирующий платформу шагового перемещения, сенсорное устройство и гибкий соединительный кабель, который проходит между сенсорным устройством и платформой;
фигура 17 представляет собой вид в перспективе, иллюстрирующий платформу шагового перемещения, сенсорное устройство и гибкий соединительный кабель, который проходит между сенсорным устройством и платформой;
фигура 18 представляет собой схематический вид сбоку платформы шагового перемещения и гибкого соединительного кабеля, который проходит от платформы, чтобы обеспечивать электрическое соединение с электросхемой, находящейся в ином месте в пределах прибора, причем платформа шагового перемещения показана в повернутой позиции;
фигура 19 представляет собой вид, подобный фигуре 18, за тем исключением, что платформа шагового перемещения показана в другой повернутой позиции;
фигура 20 представляет собой вид в перспективе прибора для каротажа скважин, иллюстрирующий, в частности, платформу шагового перемещения и гибкий соединительный кабель, который проходит от платформы, чтобы обеспечивать электрическое соединение с электрической схемой, находящейся в ином месте в пределах прибора;
фигура 21 представляет собой схематический вид системы оптического выравнивания для сенсорного выравнивания между ведущей частью и ведомой частью механизма шагового перемещения, причем ведомая часть, которая установлена на платформе шагового перемещения, показана в первой шагово перемещенной позиции;
фигура 22 представляет собой вид, подобный фигуре 21, за тем исключением, что ведомая часть показана во второй шагово перемещенной позиции;
фигура 23 представляет собой вид в разрезе платформы шагового перемещения, иллюстрирующий, в частности, ведомую часть и ту часть системы оптического выравнивания, которая на ней обеспечена;
фигура 24 представляет собой вид в перспективе части основания прибора для каротажа скважин, иллюстрирующий, в частности, ведущую часть и ту часть системы оптического выравнивания, которая на ней обеспечена;
фигура 25 представляет собой схематический вид составного сенсорного устройства, используемого в приборе для каротажа скважин; и
Фигура 26 представляет собой вид в разрезе в перспективе платформы шагового перемещения, иллюстрирующий, в частности, составное сенсорное устройство, которое на ней поддерживается.
Наилучшее(-ие) техническое(-ие) выполнение(-я) изобретения
Согласно графическим материалам показана система 10 каротажа скважин для направленного каротажа стволов скважин. Система 10 каротажа скважин сформирована как прибор, который, для удобства, обозначается такой же ссылочной позицией 10.
Прибор 10 содержит корпус 11, размер и форма которого приспособлены для передвижения вдоль ствола скважины при каротаже скважины, где максимальный условный диаметр, как правило, составляет около 45 мм.
В корпусе 11 размещаются одиночный механический гироскоп 13 и одиночный акселерометр 15.
Гироскоп 13 и акселерометр 15 жестко закреплены относительно друг друга, чтобы обеспечить сенсорный блок, который далее будет именоваться составным сенсорным устройством 17. В этом варианте осуществления гироскоп 13 представляет собой двухосевой гироскоп, и акселерометр 15 представляет собой двухосевой акселерометр. Естественно, в блоке датчиков также возможны другие конфигурации. Две измерительные оси для гироскопа 13 обозначены на фигуре 25 ссылочными позициями 13а и 13b. Подобным образом, две измерительные оси для акселерометра 15 обозначены на фигуре 25 ссылочными позициями 15а и 15b.
Прибор 10 сформирован для выборочного вращения сенсорного устройства 17 вокруг первой и второй взаимно перпендикулярных осей 1, 2, которые для удобства будут именоваться поперечной и вертикальной осями соответственно. Первая и вторая оси 1, 2 показаны на фигуре 2.
Корпус 11 содержит продольную ось 3, вокруг которой он может крениться, которая будет именоваться осью крена. Когда прибор 10 находится в стволе скважины, ось 3 крена выравнивается с продольной протяженностью смежного сегмента ствола скважины, в котором прибор 10 расположен в любой данный момент времени.
Вертикальная ось 2 перпендикулярна измерительной оси двухосевого гироскопа 13 и двухосевого акселерометра 15.
Вращение вокруг поперечной оси 1 и оси 3 крена позволяет выравнивать соответственные плоскости измерительной оси гироскопа 13 и акселерометра 15, как требуется. В этом варианте осуществления требуется, чтобы гироскоп 13 и акселерометр 15 передвигались в сенсорные позиции, в которых их соответственные измерительные оси расположены в горизонтальных плоскостях.
Вращение вокруг вертикальной оси 2 делает возможным шаговое перемещение гироскопа 13 и акселерометра 15 на различные позиции шагового перемещения, вследствие чего уменьшаются или нейтрализуются систематические погрешности в обоих устройствах. А именно, сенсорное устройство 17 способно выборочно вращаться вокруг вертикальной оси 2 между различными позициями шагового перемещения, как будет подробнее объяснено далее. В этом варианте осуществления сенсорное устройство 17 способно вращаться вокруг вертикальной оси 2 между двумя позициями шагового перемещения, угол между которыми составляет 180 градусов.
Хотя это не показано на графических материалах, обеспечивается приводной механизм для варьирования угла крена кожуха 29 в пределах ствола скважины; то есть для поворачивания кожуха 29 вокруг оси 3 крена.
Корпус 11 содержит основание 23, две боковые составляющие 25 и крышку 27, образующие кожух 29. Крышка 27 показана частично срезанной на фигуре 1, и две боковые составляющие 25 и крышка 27 удалены на фигуре 2, чтобы показать внутренние части.
Сенсорное устройство 17 поддерживается в поворотном креплении 31, размещенном в пределах кожуха 29. Поворотное крепление 31 сформировано как сферическая платформа 33 шагового перемещения, в которой сенсорное устройство 17 поддерживается для вращения вокруг вертикальной оси 2. При этой конструкции вертикальная ось 2 определяет ось 4 шагового перемещения, вокруг которой сенсорное устройство 17 может шагово перемещаться, как будет объяснено далее. Соответственно, различные измерительные оси гироскопа 13 и акселерометра 15 в целом перпендикулярны оси 4 шагового перемещения, как показано на фигуре 25.
Платформа 33 шагового перемещения содержит полый корпус 35, в котором вращательно поддерживает сенсорное устройство 17, как лучше всего видно на фигуре 16. Гироскоп 13 вращательно поддерживается в паре предварительно нагруженных подшипников 37, расположенных между гироскопом 13 и полым корпусом 35.
Платформа 33 шагового перемещения поддерживается в пределах кожуха 29 для вращения вокруг поперечной оси 1, которая пересекает ось 4 шагового перемещения. В иллюстрируемой конструкции платформа 33 шагового перемещения содержит две поворотные цапфы 41, имеющие оси, которые взаимодействуют, чтобы обеспечивать поперечную ось 1. Поворотные цапфы 41 вращательно поддерживаются в подшипниках 43, установленных на боковых составляющих 25.
Механизм 51 наклонного привода обеспечивается для выборочного поворачивания платформы 33 шагового перемещения вокруг поперечной оси 1. Это позволяет поворачивать сенсорное устройство 17 в любой выбранной плоскости вокруг поперечной оси 1 в целях сенсорного считывания.
Механизм 51 наклонного привода содержит мотор 53 привода наклона, взаимно соединенный с возможностью передачи приводного усилия с платформой 33 шагового перемещения. Мотор 53 привода наклона взаимно соединен с возможностью передачи приводного усилия с платформой 33 шагового перемещения посредством приводной трансмиссии 56, содержащей кольцевое зубчатое колесо 57, установленное на платформе 33 шагового перемещения совмещено с поперечной осью 1. Приводная трансмиссия 56 дополнительно содержит ведущий вал (не показано) и ведущую шестерню 61, жестко установленную на ведущем валу и находящуюся в зубчатом зацеплении с кольцевым зубчатым колесом 57. При этой конструкции платформу 33 шагового перемещения можно выборочно запускать в поперечное вращение вокруг поперечной оси 1 путем приведения в действие приводного двигателя 53, причем направленность поперечного вращения определяется направленностью вращения приводного двигателя.
Механизм 70 шагового перемещения обеспечивается для выборочного шагового перемещения сенсорного устройства 17 вокруг оси 4 шагового перемещения. Как упоминалось ранее, в этом варианте осуществления сенсорное устройство 17 способно вращаться вокруг оси 4 шагового перемещения между двумя позициями шагового перемещения, угол между которыми составляет 180 градусов.
Механизм 70 шагового перемещения содержит ведущую часть 71 и ведомую часть 72, приспособленные для выборочного взаимодействия, чтобы сообщать движение шагового перемещения сенсорному устройству 17.
Ведомая часть 72 содержит головку 73 шагового перемещения, вращательно установленную на платформе 33 шагового перемещения и соединенную с сенсорным устройством 17. Головка 73 шагового перемещения содержит пластину 75 шагового перемещения, сформированную так, чтобы определять профиль 77 кулачка, представляющий рабочую поверхность 79 кулачка. Профиль 77 кулачка сформирован так, чтобы определять выемку 81 и два прилива 83 на противоположных сторонах выемки.
Ведущая часть 71 содержит ведущий элемент 85, приспособленный сообщать вращение пластине 75 шагового перемещения. Ведущий элемент 85 установлен несимметрично относительно центра для вращения вокруг ведущей оси 86. Ведущий элемент 85 содержит ведущий штырь 87, обеспеченный на одном конце ведущего вала 89, содержащего ось вращения, соответствующую ведущей оси 86. Ведущий штырь 87 сформирован как цилиндрический штифт. Ведущий вал 89 сформирован как кривошип, причем ведущий штырь 87 сдвинут от оси вращения ведущего вала. Ведущая часть 71 дополнительно содержит приводной двигатель 93 шагового перемещения, взаимно соединенный с возможностью передачи приводного усилия с ведущим валом 89 для выборочного поворачивания ведущего вала вокруг ведущей оси 86 в любом из двух направлений. При вращении ведущего вала 89 вызывается латеральное передвижение установленного несимметрично относительно центра ведущего штыря 87 по круговой траектории вокруг ведущей оси 86, назначение которого будет объяснено позднее. Ведущий штырь 87 имеет "исходную" позицию, которую он занимает, когда не используется. Ведущий штырь показан в "исходной" позиции на фигурах 5 и 6.
Пластина 75 шагового перемещения и ведущий штырь 87 приспособлены взаимодействовать, чтобы способствовать шаговому перемещению сенсорного устройства 17 вокруг оси 4 шагового перемещения при приведении в действие приводного двигателя 93 шагового перемещения. Такое взаимодействие включает в себя вращение платформы 33 шагового перемещения вокруг поперечной оси 1, вследствие чего головка 73 шагового перемещения движется к ведущей части 71 в рабочую позицию, как показано на фигурах 4-7 и фигурах 11-13. На этой стадии ось вращения пластины 75 шагового перемещения (которая соответствует оси 4 шагового перемещения) параллельна оси вращения 91 ведущего вала 89. При этой конструкции последующее вращение ведущего вала 89 под действием приводного двигателя 93 шагового перемещения приводит к тому, что ведущий штырь 87 покидает свою "исходную" позицию и движется латерально по круговой траектории вокруг ведущей оси 86 в направлении, соответствующем направлению вращения ведущего вала 89. Движущийся ведущий штырь 87 зацепляет профиль 77 кулачка пластины 75 шагового перемещения. Взаимодействие между движущимся ведущим штырем 87 и профилем 77 кулачка вызывает вращение пластины 75 шагового перемещения вокруг своей оси вращения (которая соответствует оси 4 шагового перемещения). Это приводит к тому, что сенсорное устройство 17 начинает шаговое перемещение вокруг оси 4 шагового перемещения. В частности, действие шагового перемещения вызывается взаимодействием между латерально движущимся ведущим штырем 87 и пластиной 75 шагового перемещения и завершается под влиянием механизма 94 смещения над линией центров, как будет описано позднее.
Ведущий штырь 87 продолжает движение по круговой траектории и в конечном счете возвращается в "исходную" позицию, ожидая следующего действия шагового перемещения.
При этой конструкции одно полное поворачивание ведущего вала 89 вызывает шаговое перемещение на 180 градусов из одной позиции шагового перемещения в другую.
После шагового перемещения сенсорного устройства 17 механизм 51 наклонного привода может приводиться в действие, чтобы поворачивать платформу 33 шагового перемещения вокруг поперечной оси 1 и возвращать сенсорное устройство в его начальную позицию, чтобы продолжать изучение правильной плоскости.
Направление шагового перемещения, разумеется, контролируется направлением вращения ведущего вала 89 под влиянием приводного двигателя 93 шагового перемещения.
Механизм 94 смещения над линией центров, который показан на фигурах 9 и 10, способен работать так, чтобы смещать сенсорное устройство 17 в соответствующие позиции шагового перемещения. Механизм 94 смещения над линией центров содержит бистабильный пружинный механизм 95, который может проходить через позицию над линией центров, чтобы смещать сенсорное устройство 17 в соответствующую позицию шагового перемещения. Бистабильный пружинный механизм 95 функционально взаимно соединен с сенсорным устройством 17 и расположен на платформе 33 шагового перемещения противоположно по отношению к головке 73 шагового перемещения.
Бистабильный пружинный механизм 95 содержит пружину 96 и торцевую пластину 97, способную вращаться синхронно с сенсорным устройством 17. Один конец пружины 96 соединен с эксцентриковым штырем 98 на торцевой пластине 97, а другой конец пружины 96 соединен с закрепленным штырем 99, установленным на части полого корпуса 35, в котором вращательно поддерживается сенсорное устройство 17.
Механизм 104 ограничения обеспечивается для ограничения диапазона вращения сенсорного устройства 17 до двух позиций шагового перемещения, угол между которыми составляет 180 градусов.
Когда сенсорное устройство 17 движется из одной позиции шагового перемещения в другую, пружина 96 изначально растягивается во время движения от одной позиции шагового перемещения, пока не достигнет позиции над линией центров, а потом сжимается во время движения к другой позиции шагового перемещения, после того как проходит через позицию над линией центров. Таким образом, бистабильный пружинный механизм 95 функционирует, чтобы смещать сенсорное устройство 17 в соответствующую позицию шагового перемещения.
Необходимо выравнивать платформу 33 шагового перемещения по отношению к ведущему штырю 87, перед тем как приводить в действие механизм 71 шагового перемещения. А именно, необходимо выравнивать наклон платформы 33 шагового перемещения перед шаговым перемещением, так чтобы пластина 75 шагового перемещения находилась в положении, соответствующем положению ведущего штыря 87. С этой целью предоставлена система 130 оптического выравнивания, как будет подробно описано позднее.
Как упоминалось выше, сенсорное устройство 17 способно вращаться внутри платформы 33 шагового перемещения между позициями шагового перемещения. Существует необходимость установить электрическое соединение между сенсорным устройством 17 и платформой 33 шагового перемещения, разместив относительное движение между ними, когда шагово перемещается сенсорное устройство 17. С этой целью гибкий соединительный кабель 100 проходит между сенсорным устройством 17 и платформой 33 шагового перемещения, причем один концевой сегмент 101 кабеля 100 соединен с сенсорным устройством 17, другой концевой сегмент 102 соединен с платформой 33 шагового перемещения, а промежуточный сегмент 103 обмотан вокруг оси 4 шагового перемещения. При этой конструкции кабель 100 размещается в пространстве 105 между сенсорным устройством 17 и платформой 33 шагового перемещения, как лучше всего видно на фигурах 14-17. Промежуточный сегмент 103 обмотан несколько раз, чтобы выдерживать относительное вращательное движение, не подвергая кабель 100 неблагоприятному напряжению и не снижая срока его службы. В данном варианте осуществления кабель 100 содержит плоский многожильный кабель для обеспечения компактной конструкции.
Когда сенсорное устройство 17 поворачивается из одной позиции шагового перемещения в другую, обмотанный промежуточный сегмент 103 просто скручивается и раскручивается согласно направлению движения, причем все время сохраняется электрическое соединение.
Такая конструкция обеспечивает простое и в то же время высокоэффективное электрическое соединение между сенсорным устройством 17 и поворотным креплением 3, что является компактным и устраняет потребность в обычном токосъемном кольце для электрического соединения.
Также существует потребность в электрическом соединении между платформой 33 шагового перемещения и основанием 23, в котором размещается электронная схема для прибора 10 для каротажа. С этой целью гибкий соединительный кабель 110 проходит между платформой 33 шагового перемещения и электронной схемой (не показано), причем один концевой сегмент 111 кабеля 110 соединен с платформой 33 шагового перемещения, другой концевой сегмент 112 соединен с электронной схемой, и промежуточный сегмент 113 сформирован как петля 115, как показано на фигурах 18, 19 и 20. В данном варианте осуществления кабель 110 содержит плоский многожильный кабель. Петля 115 размещается в кабельной розетке 117, содержащей две противоположные стороны 118 и открытый конец 119, через который проходит кабель. Петля 115 содержит два прямых сегмента 121, 122 и поворотный сегмент 123, проходящий между двумя прямыми сегментами. Два прямых сегмента 121, 122 ограничиваются и направляются сторонами 118 кабельной розетки 117, причем прямой сегмент 121 приспособлен подвергаться переносному движению, скользя по смежной стороне 118 кабельной розетки 117, когда платформа 33 шагового перемещения поворачивается. Это выдерживает относительное движение между платформой 33 шагового перемещения и электронной схемой. Когда прямой сегмент 121 кабеля 110 скользит, поворотный сегмент 123 крутится в пределах кабельной розетки 117 синхронно с переносом прямого сегмента 121. Части кабеля 110, составляющие прямые сегменты 121, 122 и поворотный сегмент, разумеется, разнятся, поскольку прямой сегмент переносит, а поворотный сегмент 123 крутится.
Такая конструкция обеспечивает простое и в то же время высокоэффективное электрическое соединение между сообщаемостью между платформой 33 шагового перемещения и основанием 23, которое является компактным и устраняет потребность в обычном токосъемном кольце для электрического соединения. Петля 115 предпочтительно имеет относительно большой радиус кривизны, чтобы избежать неблагоприятного напряжения на кабель 110 и сокращения его срока службы.
Как описывалось ранее, необходимо выравнивать платформу 33 шагового перемещения, перед тем как приводить в действие механизм 70 шагового перемещения. А именно, необходимо выравнивать наклон платформы 33 шагового перемещения перед шаговым перемещением, так чтобы пластина 75 шагового перемещения находилась в положении, соответствующем положению ведущего штыря 87. Система 130 оптического выравнивания способна работать так, чтобы опознавать верное выравнивание между ведущей и ведомой частями 71, 72 для функционального зацепления между ними, посредством чего ведомая часть 72 может получать приводное усилие от ведущей части 71, чтобы вызывать шаговое перемещение сенсорного устройства вокруг оси 4 шагового перемещения.
Теперь согласно фигурам 21 и 22 система 130 оптического выравнивания содержит первый передатчик 131 оптического сигнала и первый приемник 133 оптического сигнала, которые взаимодействуют, чтобы подтверждать, что выравнивание верно. Первый передатчик 131 оптического сигнала приспособлен генерировать и проецировать модулированный луч света от платформы 33 шагового перемещения в направлении, перпендикулярном поверхности пластины 75 шагового перемещения и параллельном оси 4 шагового перемещения. А именно, первый передатчик 131 оптического сигнала содержит центральную апертуру 137 в пластине 75 шагового перемещения и устройство оптического излучения (не показано), расположенное за апертурой 137, для излучения модулированного луча света. Первый приемник 133 оптического сигнала содержит соответствующую апертуру 141 и оптический детектор 143, установленный вне платформы 33 шагового перемещения, как правило, на основании 23 таким образом, чтобы апертуры 137, 141 выравнивались и модулированный луч отслеживался, когда пластина 75 шагового перемещения находится в правильной позиции.
В этом варианте осуществления система 130 оптического выравнивания также сформирована, чтобы отслеживать, что сенсорное устройство 17 было правильно шагово перемещено в желаемую позицию шагового перемещения. Как упоминалось ранее, есть две позиции шагового перемещения для сенсорного устройства 17, причем угол между двумя позициями шагового перемещения составляет 180 градусов.
В иллюстрируемой конструкции система 130 оптического выравнивания дополнительно содержит второй передатчик 132 оптического сигнала, сдвинутый от первого передатчика 131 оптического сигнала. Второй передатчик 132 оптического сигнала содержит вторую апертуру 138 в пластине 75 шагового перемещения и устройство оптического излучения (не показано), расположенное за апертурой 138, для излучения модулированного луча света.
Система 130 оптического выравнивания дополнительно содержит один или более дополнительных приемников 134 оптического сигнала, сдвинутых от первого приемника 133 оптического сигнала. В показанной конструкции имеется два дополнительных приемника 134а, 134b оптического сигнала на противоположных сторонах первого приемника 133 оптического сигнала. Дополнительный приемник 134а оптического сигнала содержит соответствующую апертуру 142а и оптический детектор 144а. Дополнительный приемник 134b оптического сигнала содержит соответствующую апертуру 142b и оптический детектор 144b.
При этой конструкции первый передатчик 131 оптического сигнала и первый приемник 133 оптического сигнала взаимодействуют, чтобы обеспечивать подтверждение выравнивания наклона платформы 33 шагового перемещения перед шаговым перемещением, так чтобы пластина 75 шагового перемещения находилась в положении, соответствующем положению ведущего штыря 87. Далее, второй передатчик 132 оптического сигнала взаимодействует с дополнительными приемниками 134 оптического сигнала, чтобы обеспечивать подтверждение, что сенсорное устройство 17 было верно шагово перемещено в желаемую позицию шагового перемещения. Поскольку угол между двумя позициями шагового перемещения составляет 180 градусов, дополнительный приемник 134а оптического сигнала функционирует, чтобы регулировать одну позицию шагового перемещения, а дополнительный приемник 134b оптического сигнала функционирует, чтобы регулировать другую позицию шагового перемещения. Фигура 21 иллюстрирует конструкцию, где сенсорное устройство 17 находится в первой позиции шагового перемещения, причем второй передатчик 132 оптического сигнала взаимодействует с дополнительным приемником оптического сигнала 134а, чтобы обеспечивать подтверждение, что сенсорное устройство 17 было верно шагово перемещено в первую позицию шагового перемещения. Подобным образом, фигура 22 иллюстрирует конструкцию, где сенсорное устройство 17 находится во второй позиции шагового перемещения, причем второй передатчик 132 оптического сигнала взаимодействует с дополнительным приемником 134b оптического сигнала, чтобы обеспечивать подтверждение, что сенсорное устройство 17 было верно шагово перемещено во вторую позицию шагового перемещения.
Поскольку гироскоп 13 и акселерометр 15 жестко соединены между собой, они подвергаются шаговому перемещению синхронно. Таким образом, измерительные оси гироскопа 13 и акселерометра 15 могут выравниваться, чтобы нейтрализовать систематические погрешности.
Теперь будет описана работа прибора 10 для каротажа ствола скважины.
При выполнении операции каротажа ствола скважины прибор 10 передвигается вдоль ствола скважины, как правило, подвешенным на проволочном канате. В каждом положении, где требуется измерение для каротажа, прибор 10 останавливают и потом активируют, и запускается процесс каротажа. Процесс каротажа предусматривает изменение угла крена кожуха 29 и потом поворачивание платформы 33 шагового перемещения вокруг поперечной оси 1 с использованием механизма 51 наклонного привода, чтобы передвигать соответствующие плоскости измерительных осей гироскопа 13 и акселерометра 15, как требуется. Как правило, измерительные оси передвигаются в позиции, где они выравниваются с соответствующими горизонтальными плоскостями. Когда платформа 33 шагового перемещения поворачивается, кабель 110 движется, чтобы выдерживать относительное движение между платформой 33 шагового перемещения и электронной схемой, установленной на основании 23, тем самым сохраняя электрическое соединение между сообщаемостью между платформой 33 шагового перемещения и электронной схемой, как описывалось ранее.
В этом варианте осуществления требуется, чтобы измерительные оси гироскопа 13 и акселерометра 15 были в точности на одном уровне с соответствующими горизонтальными плоскостями. Когда измерительные оси находятся на одном уровне, тогда первое измерение, или набор первых измерений, может быть снят.Чтобы уменьшить или нейтрализовать систематические погрешности, обычной практикой является шагово перемещать гироскоп 13 и акселерометр 15 на 180 градусов, чтобы получать второе измерение, или набор вторых измерений. Затем первое и второе измерения обрабатываются известным образом, чтобы получить результирующее измерение, в котором уменьшены или нейтрализованы систематические погрешности. Чтобы шагово переместить сенсорное устройство 17 для снятия второго измерения или набора вторых измерений, в первую очередь необходимо повернуть платформу 33 шагового перемещения вокруг поперечной оси 1, используя механизм 51 наклонного привода, чтобы передвинуть головку 73 шагового перемещения к ведущей части 71 в позицию, показанную на фигурах 4-7 и фигурах 11-13. На этом этапе ось вращения пластины 75 шагового перемещения (которая соответствует оси 4 шагового перемещения) параллельна оси 91 вращения ведущего вала 89.
Система 130 оптического выравнивания используется, чтобы обеспечить выравнивание наклона платформы 33 шагового перемещения по отношению к ведущему штырю 87, перед тем как запускать в работу приводной двигатель 93 шагового перемещения, как описывалось ранее.
Последующее вращение ведущего вала 89 под действием приводного двигателя 93 шагового перемещения вызывает латеральное движение ведущего штыря 87 по круговой траектории вокруг оси 91 в направлении, соответствующем направлению вращения ведущего вала 89. Движущийся ведущий штырь 87 взаимодействует с пластиной 75 шагового перемещения, приводя к тому, что она поворачивается вокруг своей оси вращения (которая соответствует оси 4 шагового перемещения). Это приводит к тому, что сенсорное устройство 17 шагово перемещается вокруг оси 4 шагового перемещения на 180 градусов и принимает вторую позицию шагового перемещения. Электрическое соединение между сенсорным устройством 17 и платформой 33 шагового перемещения сохраняется посредством гибкого соединительного кабеля 100, обмотанного вокруг оси 4 шагового перемещения, как описывалось ранее.
После шагового перемещения сенсорного устройства 17 механизм 51 наклонного привода может быть приведен в действие, чтобы поворачивать платформу 33 шагового перемещения вокруг поперечной оси 1 и возвращать сенсорное устройство в его более раннюю позицию, в которой может быть снято второе измерение, или набор вторых измерений.
После снятия первого и второго измерения или набора измерений прибор 10 может быть отключен, а затем передвинут в следующую позицию внутри ствола скважины, в которой следует снять дальнейшее измерение для каротажа. В следующей позиции прибор 10 приводится в действие и запускается процесс каротажа, как описывалось ранее.
Процедура продолжается, пока не завершится каротаж.
В описанном варианте осуществления сенсорное устройство 17 содержит гироскоп 13 и акселерометр 15. Процесс шагового перемещения, применительно к акселерометру, имеет положительный эффект нейтрализации его систематических погрешностей, тем самым позволяя устройству с низкими эксплуатационными характеристиками выравнивать сенсорную плоскость гироскопа с точностью до градуса, что иначе достижимо лишь при использовании более мощного и дорогого акселерометра. Более того, процесс шагового перемещения характеризуется дополнительным преимуществом устранения любых ошибок в выравнивании измерительных осей между гироскопом и акселерометром.
В другом варианте осуществления, который не показан, акселерометра может и не быть, в таком случае сенсорное устройство 17 может содержать только гироскоп 13.
Следует понимать, что объем изобретения не ограничивается объемом описываемого варианта осуществления.
Модификации и усовершенствования могут выполняться без выхода за пределы объема изобретения.
Далее, следует понимать, что изобретение может найти применение в других аппаратах, устройствах и механизмах, кроме приборов для каротажа скважин.
По всему тексту описания и формулы изобретения, если только контекст не требует иного, слово "содержать" или такие производные, как "содержит" или "содержащий", будет пониматься как подразумевающее включение заявленной целостности или группы целостностей, но не исключение любой другой целостности или группы целостностей.