СКВАЖИННЫЙ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ЦИФРОВОЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
BOREHOLE THREE-COMPONENT DIGITAL ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений величины сейсмических колебаний горных пород на разной глубине с определением угловой ориентации скважинного трехкомпонентного цифрового акселерометра для повышения точностных характеристик получаемой информации и выявления направления на источник возбуждения сейсмических волн.
Известно устройство для азимутальной ориентации трехкомпонентного сейсмометра, включающее произвольно ориентированный и опорный ориентированный сейсмометры, при этом эти сейсмометры лежат в разных плоскостях (RU, патент №2022302, G01V 1/16, 1990).
Недостатком данного устройства является низкая точность и достоверность измерения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для азимутальной ориентации, включающее блок сбора данных с источником питания, блок электроники, состоящий из аналого-цифрового преобразователя, соединенного с микропроцессором, и трехкомпонентный акселерометрический датчик, соединенный с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), датчик горизонтальный, установленный на поворотном столе с круговой отсчетной шкалой и редуктором, выход которого соединен с одним из входов АЦП, а другой вход АЦП соединен с горизонтальной компонентой трехкомпонентного акселерометрического датчика, установленного в скважине, а также плату управления шаговым двигателем, коммутатор и шаговый двигатель, выходной вал которого соединен с входом редуктора, блок формирования импульсов, вход которого соединен с выходом сейсмометра, и реверсивный счетчик шагов, вход которого соединен с выходом блока формирования импульсов (RU, патент №2233459, G01V 1/16, 1/40, 2004).
Недостаткпми данного устройства являются низкая точность и достоверность измерения из-за высоких требований к идентичности характеристик горизонтального сейсмометра, установленного на поверхности, и горизонтальной компоненты трехкомпонентного сейсмометра, установленного в скважине, и значительных ошибках, которые могут возникнуть при повороте поворотного стола на угол, при котором разность показаний сейсмометров близка к 0, а также из-за не учета наклонов скважины от местной гравитационной вертикали, которые не измеряются.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности измерений сейсмических колебаний в скважине.
Техническим результатом является повышение точности и достоверности измерения сейсмических колебаний.
Технический результат в скважинном трехкомпонентном цифровом акселерометре, включающем блок сбора данных с основным источником питания, блок электроники, состоящий из аналого-цифрового преобразователя, соединенного с микропроцессором, и трехкомпонентный акселерометрический датчик, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, достигается тем, что он снабжен наклономером, трехкоординатным магнитометром и установленным в блоке электроники вторичным источником питания, при этом наклономер и трехкоординатный магнитометр соединены с микропроцессором, причем трехкомпонентный акселерометрический датчик, наклономер, трехкоординатный магнитометр и блок электроники соединены с вторичным источником питания и установлены в водонепроницаемом корпусе, выполненном из нержавеющей стали.
Введение в устройство наклономера необходимо для определения наклона акселерометра в скважине, а магнитометра - для определения ориентации акселерометра по сторонам света, что позволяет определять полное угловое положение скважинного трехкомпонентного цифрового акселерометра относительно вектора магнитного поля Земли в данном месте и местной гравитационной вертикали с дальнейшим пересчетом в географические координаты. Соединение наклономера и трехкоординатного магнитометра с микропроцессором необходимо для вычисления по получаемым от них данных по заданной программе величин углового положения трехкомпонентного акселерометра.
Установка трехкомпонентного акселерометрического датчика, наклономера, трехкоординатного магнитометра, блока электроники и вторичного источника питания в водонепроницаемом корпусе, выполненном из нержавеющей стали, дает возможность устанавливать акселерометр и в обводненных скважинах с агрессивными средами на глубине до 100 метров.
Приведение величин измеряемых по каждой из осей чувствительности скважинного трехкомпонентного цифрового акселерометра ускорений к географическим координатам с необходимой точностью (малой погрешностью) позволяет повысить точность получаемых данных о переменных ускорениях вмещающих грунтов по географическим координатам и, тем самым, достоверность измерений.
Скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр поясняется чертежом, где на фигуре представлена общая схема устройства.
Скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр состоит из герметичного водонепроницаемого корпуса 1, выполненного из нержавеющей стали, в котором размещены трехкомпонентный акселерометрический датчик 2, наклономер 3, трехкоординатный магнитометр 4, блок электроники 5. Блок электроники 5 включает аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, соединенный с микропроцессором 7, и вторичный источник питания 8, который обеспечивает необходимыми величинами напряжения питания все вышеуказанные устройства. Блок сбора данных 9 выполнен с основным источником питания 10. Выход трехкомпонентного акселерометрического датчика 2 соединен с входом АЦП 6. Выходы наклономера 3, трехкоординатного магнитометра 4 и АЦП 6 соединены с входом микропроцессора 7, а с его выхода сигнал поступает на блок сбора данных 9 по кабелю 11. Акселерометр опущен на тросе 12 в скважину 13. С помощью трехкоординатного магнитометра 4 измеряются все три компоненты магнитного поля Земли в системе координат, связанной с прибором. Учет данных с наклономера 3, который измеряет проекции ускорения свободного падения на оси чувствительности прибора, позволяет с помощью программы, зашитой в микропроцессоре 7, перейти к определению ориентации прибора в географических координатах Земли. С помощью скважинного трехкомпонентного цифрового акселерометра ведутся непрерывные измерения уровня сейсмического фона, тогда как его угловое положение определяется с периодичностью Т (задается программно), что позволяет вести наблюдения за деформационно-оползневыми процессами в районе скважины и учитывать их в ходе непрерывных сейсмических наблюдений.
Скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр работает следующим образом.
х
у
z
x
y
z
Перед спуском акселерометра в скважину в память заносятся данные о величинах компонент магнитного поля Земли Н, Н, H, измеренные с помощью магнитометра 4. При этом акселерометр выставлен по вертикали и ориентирован так, что его горизонтальные оси чувствительности совпадают с направлениями на географический север и восток соответственно. После спуска акселерометра в скважину и окончательной его установки в ней на длительные измерения, подаются напряжения питания на магнитометр 4 и наклономер 3. В течение 10 мин с последующим усреднением данных проводятся измерения компонент магнитного поля Земли в координатах акселерометра, а также величин проекций ускорения свободного падения G, G, G на оси чувствительности акселерометра. Оси чувствительности магнитометра 4, наклономера 3 и трехкомпонентного акселерометрического датчика 2 в акселерометре совмещены. По измеренным компонентам магнитного поля Земли и ускорения свободного падения с учетом занесенных перед спуском в память данных вычисляются и запоминаются компоненты углового положения прибора в скважине относительно географических координат. После этого магнитометр 4 и наклономер 3 выключаются, и напряжение питания подается на трехкомпонентный акселерометрический датчик. Частота опроса данного датчика 2 не менее 40 Гц, данные о сейсмических колебаниях акселерометра по трем осям чувствительности, пересчитанные с помощью занесенных в память компонент углового положения акселерометра на оси, совпадающие с географическими координатами, передаются в цифровом виде в блок сбора данных 9.
Предлагаемый скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр позволяет повысить точность и достоверность измерений уровня и величины сейсмических колебаний в месте установки акселерометра за счет определения угловой ориентации скважинного трехкомпонентного цифрового акселерометра по азимуту и по отклонению оси акселерометра относительно местной гравитационной вертикали, а возможность повторных измерений углового положения акселерометра позволяет использовать его в системах мониторинга сейсмической опасности в течение долгого времени. Кроме того, небольшие габариты акселерометра позволяют проводить измерения в скважинах малых диаметров, а его герметичность и использование для изготовления корпуса нержавеющей стали делает акселерометр экологически безопасным и дает возможность использовать его в скважинах, заполненных агрессивными жидкостями. Скважинный трехкомпонентный цифровой акселерометр позволяет не только автоматически определить его угловое положение, но и учитывать возможное изменение углового положения во времени.