ИНКЛИНОМЕТР МОДУЛЬНЫЙ ГИРОСКОПИЧЕСКИЙ (ВАРИАНТЫ)

Инклинометр модульный гироскопический предназначен для измерения зенитных и азимутальных углов в наклонно-направленных скважинах с аномальным геомагнитным полем Земли. Измерения могут производиться внутри бурового инструмента или обсадной колонны, а также в скважинах железорудных месторождений, когда использование обычных магнитометрических инклинометров невозможно. Малый диаметр скважинного прибора (не более 42 мм) дает возможность устанавливать в заданном направлении ориентирующие уипстоки (клинья) для бурения боковых стволов, обеспечивать ориентацию отклонителя малогабаритного бурового инструмента.
Инклинометр выпускается в двух вариантах исполнения: кабельном и автономном. В кабельном варианте спуск скважинного прибора в скважину производится на одножильном каротажном кабеле, который используется для его питания и оперативного двухстороннего обмена информацией между скважинным и наземным приборами при выполнении рабочей программы. В автономном варианте питание скважинного прибора осуществляется от модуля - блок аккумуляторный, а рабочая программа записывается и хранится в памяти скважинного прибора. Автономный вариант исполнения позволяет использовать прибор в горизонтальных и в восходящих скважинах железо-рудных месторождений. Перемещение прибора в вертикальных и горизонтальных стволах осуществляется с использованием различных комплектов труб буровых компоновок.
Устройство позволяет расширить область применения инклинометра за счет использования его в восходящих скважинах и железорудных месторождениях, повысить точность измерения за счет использования метода прямых измерений с использованием двухпозиционного гироскопирования, снизить трудоемкость работ за счет исключения операции привязки системы координат к известному дирекционному направлению.
Известно устройство для контроля забойных параметров при бурении и геофизических исследованиях скважины (патент на полезную модель RU №55868, кл. Е21В 47/02, 2006), которое содержит датчики азимута, зенитного и визирного углов, аналого-цифровой преобразователь, усилители, причем в качестве датчиков использованы три акселерометра и три магнитометра, выходы акселерометров соединены с цифровым мультиплексором, а выходы магнитометров - с дифференциальными усилителями, выходы цифрового мультиплексора и дифференциальных усилителей подключены к входам микроконтроллера, включающего устройство захвата и многоканальный аналого-цифровой преобразователь, при этом вход устройства захвата соединен с выходом цифрового мультиплексора, а входы аналого-цифрового преобразователя соединены с выходами дифференциальных усилителей и датчика температуры.
Недостатками данного устройства являются невозможность использования данного устройства в железорудных скважинах.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство (патент на полезную модель RU №47437, кл. Е21В 47/02, 2005), которое принято за прототип и содержит наземную аппаратуру и скважинный прибор, включающий устройство начальной выставки, центрирующее устройство, корпус, внутри которого расположен микромеханический датчик угловой скорости, двухкомпонентный микромеханический акселерометр, первый электронный блок, включающий аналого-цифровой преобразователь, контроллер и внутреннюю память. С помощью наземной аппаратуры скважинный прибор опускается в скважину. При подъеме скважинного прибора сигналы с датчика угловой скорости и двухкомпонентного акселерометра через аналого-цифровой преобразователь и контроллер поступают во внутреннюю память скважинного прибора. После подъема скважинного прибора осуществляется перезапись измерительной информации из внутренней памяти скважинного прибора в память наземной аппаратуры. Далее происходит камеральная обработка измерительной информации с помощью программно-аппаратных средств.
Недостатком данного устройства является то, что для контроля пространственного положения скважин малого диаметра необходимо осуществлять подъем скважинного прибора, т.е. измерительная информация используется только после ее перезаписи и обработки с помощью программно-аппаратных средств. Это увеличивает время обработки результатов. Кроме того, данное устройство невозможно использовать в восходящих скважинах и железорудных месторождениях. Устройство начальной выставки использует трудоемкую операцию привязки системы координат к известному дирекционному направлению, что снижает точность вычисления азимутальных углов.
Задачей является создание устройства, обеспечивающего необходимую точность измерения параметров траектории скважин малого диаметра, повышение точности измерений скважинных параметров, улучшение эксплуатационных характеристик.
Технический результат достигается тем, что в кабельном варианте выполнения устройства (фиг.1) спуск скважинного прибора в скважину производится на одножильном каротажном кабеле, который используется для его питания и оперативного двухстороннего обмена информацией между скважинным и наземным приборами при выполнении рабочей программы. В автономном варианте (фиг.1) питание скважинного прибора осуществляется от модуля - блок аккумуляторный (4), а рабочая программа записывается и хранится в памяти скважинного прибора (3). Автономный вариант исполнения позволяет использовать прибор в горизонтальных и в восходящих скважинах железо-рудных месторождений. Перемещение прибора в вертикальных и горизонтальных стволах осуществляется с использованием различных комплектов труб буровых компоновок.
В измерительную систему скважинного прибора входят три акселерометра и динамически настраиваемый гироскоп ДНГ. Устройство позволяет применять для азимутальных измерений метод прямых измерений с использованием двухпозиционного гирокомпосирования, что исключает трудоемкую операцию привязки системы координат к известному дирекционному направлению и повышает точность вычисления азимутальных углов. Для этого, в описываемом приборе, вместо жестких, использованы так называемые «виртуальные» упоры для разворота на 180°. Точный разворот осуществляется по сигналам энкодера, входящего в конструкцию двигателя разворота.
Устройство позволяет расширить область применения инклинометра за счет использования его в восходящих скважинах и железорудных месторождениях, повысить точность измерения за счет использования метода прямых измерений с использованием двухпозиционного гироскопирования, снизить трудоемкость работ за счет исключения операции привязки системы координат к известному дирекционному направлению.
Устройство может использоваться в двух вариантах.
Вариант1 (кабельное исполнение):
- прибор наземный;
- прибор скважинный.
Вариант 2 (автономное исполнение):
- прибор скважинный;
- аккумуляторный блок.
Оба варианта комплектуются пружинными центраторами для повышения вибро- и ударопрочности скважинного прибора при его спуске и подъеме в скважине, а также комплектом технологических кабелей, необходимых при работе с инклинометром.
Данное техническое решение позволяет обеспечить необходимую точность измерения параметров траектории скважин малого диаметра, повысить точность измерений скважинных параметров, улучшить эксплуатационные характеристики устройства.
На фиг.1 показаны основные модули для скважинного прибора для обоих вариантов исполнения, а на фиг.2 изображена его функциональная схема.
Автономный вариант исполнения (фиг.1) включает в себя следующие модули: перо-ориентатор (1) или центратор нижний (2), прибор скважинный (3), блок аккумуляторный (4), переходник (5), центратор верхний (6), ловитель (7). Кабельный вариант исполнения (фиг.1) включает в себя модули: перо-ориентатор (1) или центратор нижний (2), прибор скважинный (3), кабельная головка (8), центратор верхний (6).
Модули для скважинного прибора соединены между собой штекерными разъемами и защищены от внешнего гидростатического давления охранными кожухами. Герметизация модулей обеспечивается резиновыми уплотнительными кольцами, размещенными в переходниках. Наземный и скважинный приборы соединяются с помощью каротажного кабеля.
В измерительную систему скважинного прибора (фиг.2) входят три акселерометра Ах, Ay, Az и динамически настраиваемый гироскоп ДНГ.
Для обеспечения требуемого диапазона измерения проекций служат дифференциальные усилители ДУ с фильтрами низкой частоты ФНЧ. Преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму осуществляется трехканальным аналого-цифровым преобразователем АЦП. Цифровая информация, поступающая с акселерометров, используется для определения ориентации скважинного прибора относительно вектора силы тяжести. Отклонение продольной оси скважинного прибора в азимутальном направлении измеряется гироскопическим датчиком ДНГ.
Проведение измерений датчиком ДНГ требует организации двух каналов обратной связи. Элементами каналов служат датчики углов ДУх и ДУу и датчики моментов ДМх и ДМу, размещенные внутри корпуса ДНГ, а также внешние электронные устройства:
- предварительные усилители сигналов датчиков углов ПУх и ПУу;
- фазочувствительные выпрямители ФЧВ;
- фильтры низкой частоты ФНЧ;
- аналого-цифровой преобразователь АЦП;
- цифро-аналоговые преобразователи ЦАПх и ЦАПу.
Назначение обратных связей заключается в удержании нулевого положения быстровращающегося ротора относительно корпуса гироскопа. Ротор, в силу основного свойства гироскопических приборов, сохраняет неизменным свое положение в инерциальном пространстве, а корпус гироскопа вращается вместе с земным шаром. Математическая обработка сигналов обратной связи с использованием расчетов по каналу акселерометров дает непосредственное значение азимутального угла.
Устройство позволяет применять для азимутальных измерений метод прямых измерений с использованием двухпозиционного гирокомпосирования, что исключает трудоемкую операцию привязки системы координат к известному дирекционному направлению и повышает точность вычисления азимутальных углов. Для этого в описываемом приборе, вместо жестких, использованы так называемые «виртуальные» упоры для разворота на 180°. Точный разворот осуществляется по сигналам энкодера, входящего в конструкцию двигателя разворота. Использование энкодера позволяет увеличить количество измерительных положений корпуса гироскопа, в принципе, до неограниченного числа. В устройстве по желанию потребителя могут быть использованы 2, 4, 6 или 12 измерительных положений. Осреднение показаний гироскопа за один оборот корпуса дополнительно увеличивает точность определения азимутальных углов.
Независимость показаний гироскопа от температуры окружающей среды обеспечивает система термостатирования датчика, состоящая из нагревательной обмотки НО корпуса и блока термостата БТ. Рабочая температура поддерживается с точностью ±0,1°С.
Ядром измерительного комплекса скважинного прибора служит программируемый микроконтроллер (МК). Его программа обеспечивает:
- связь с рабочей программой наземного компьютера через блок приема-передачи и жилу каротажного кабеля;
- выработку через генератор сигналов возбуждения рабочих частот для функционирования гироскопа ДНГ;
- управление аналого-цифровым преобразователем измерительных сигналов акселерометров и гироскопа;
- обработку сигналов рассогласования гироскопического датчика и выработку сигналов для их компенсации через цифро-аналоговые преобразователи ЦАПх и ЦАПу;
- необходимую настройку качества и быстродействия обратных связей гироскопа;
- управление системой термостатирования гироскопического датчика;
- обеспечение работы инклинометра в автономном варианте по линиям связи Rx, Тх с аккумуляторным блоком.
Использование микропроцессора и двухстороннего обмена с наземным компьютером дает возможность производить настройку обратных связей гироскопа и системы термостатирования без доступа к элементам электронных схем скважинного прибора - все необходимые операции выполняются через программное обеспечение наземного компьютера.
Наземный прибор конструктивно выполнен в виде сборного настольного блока.
Внутри блока закреплена основная плата с установленными на ней разъемами, в которые по направляющим вставляются и затем фиксируются с помощью винтов рабочие блоки. Каждый блок представляет собой законченный электронный узел, в котором на лицевую панель выведены органы управления и контроля.
В варианте 2 используется аккумуляторный блок, который содержит четыре перезаряжаемые батареи с элементами защиты и программируемый микроконтроллер. Функциональная схема аккумуляторного блока приведена на фиг.3.
Защита батарей обеспечивает:
- ограничение максимального напряжения на каждом гальваническом элементе;
- предохранение батарей от понижения напряжения блока ниже 12,5 В;
- ограничение максимальных значение токов заряда и разряда.
Программируемый микроконтроллер выполняет роль наземного компьютера и реализует программу автономных измерений, получение, хранение и считывание результатов. Порт USB используется для записи задания перед проведением измерений и считывания полученных результатов из энергонезависимой памяти. По линиям связи Тх, Rx осуществляется взаимодействие между микроконтроллерами скважинного прибора и аккумуляторного блока.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом.
Вариант 1
Скважинный прибор (3) с помощью каротажного кабеля подключается через центратор верхний (6) и кабельную головку (8) к наземному прибору, который через USB- или СОМ-порт соединен с наземным компьютером. С другой стороны, скважинный прибор соединяется с пером-ориентатором (1) или центратором нижним (2). Перо-ориентатор (1) используется для ориентированной стыковки скважинного прибора с буровой колонной, верхний (6) и нижний (2) центраторы - для совмещения оси скважинного прибора с осью скважины и для повышения вибро- и ударопрочности прибора. Кабельная головка (8) служит переходником для прибора скважинного (3) и центратора верхнего (6) при работе с центраторами. При работе без центраторов соединение с кабельным наконечником каротажного кабеля осуществляется через кабельную головку (8).
Прибор вывешивается в устье скважины и запускается рабочая программа. Включается питание скважинного прибора, контролируется напряжение питания и запускается гироскоп.Во время разогрева гироскопа до рабочей температуры, по сигналу энкодера, устанавливается начальное положение корпуса гироскопа в системе координат скважинного прибора. Во время спуска скважинного прибора в режиме «непрерывный опрос инклинометра» осуществляется слежение за величиной напряжения питания скважинного прибора и удерживается требуемый диапазон. После перемещения скважинного прибора (3) в заданную точку измерения, производится контроль его неподвижности, для чего используются сигналы акселерометров. Включается режим измерения азимутального угла. После измерения сигналов по осям чувствительности X и Y гироскопа, производится его разворот на угол 180° и осуществляется новое измерение сигналов. Измеренные сигналы, по жиле каротажного кабеля, через наземный прибор передаются в компьютер. С помощью рабочей программы компьютера, по разности одноименных сигналов гироскопа в двух положениях, определяется азимут в гироскопической системе координат.
Количество положений корпуса гироскопа может быть увеличено до 4, 6 и 12. В этих положениях также используются разности противоположных сигналов, и окончательный результат получается более точным, путем осреднения данных за один оборот. Точность выставки каждого положения осуществляется энкодером и достигает величины 0,01-0,05°.
По окончании работы отключается питание скважинного прибора при его вывешенном состоянии на устье скважины. Через 2 минуты скважинный прибор извлекается из скважины. Результаты замеров записываются в архив рабочей программы, их можно просмотреть, распечатать и сохранить в виде LAS-файла для последующей обработки.
Вариант 2
Гироскопический модуль скважинного прибора (3) соединяется с модулем блок аккумуляторный (4). С помощью компьютера, на котором установлена рабочая программа, через кабель, в энергозависимую память скважинного прибора (3) записывается задание на проведение измерений. В задании предусматривается время включения питания скважинного прибора, время разогрева гироскопа, время для доставки прибора в первую точку измерения, время перемещения от одной точки измерения в соседнюю, общее количество таких точек, количество измерений в каждой точке.
После завершения записи, скважинный прибор (3) отсоединяется от компьютера. Нижний конец скважинного прибора соединяется с пером-ориентатором (1), который обеспечивает ориентацию прибора в скважине, или центратором нижним (2). Блок аккумуляторный (4) через переходник (5) соединяется с центратором верхним (6), на который, вместо кабеля, устанавливается ловитель (7). Верхний (6) и нижний (2) центраторы используются для совмещения оси скважинного прибора с осью скважины и для повышения вибро- и ударопрочности прибора.
Перемещение скважинного прибора по скважине может производиться трубами бурового инструмента или специальной лебедкой с индикатором глубины. Контроль за выполнением задания осуществляется по движущейся на экране компьютера диаграмме исполнения. По завершении работы, скважинный прибор (3) извлекается из скважины и снова соединяется с компьютером, который считывает данные из памяти и обрабатывает полученные результаты.