ИНКЛИНОМЕТР

Полезная модель относится к бурению нефтяных и газовых скважин и предназначена для контроля забойных параметров при бурении и геофизических исследованиях скважины.
Известна автономная система для измерения параметров траектории скважины в процессе бурения, содержащая последовательно соединенные датчики, первый коммутатор, АЦП, второй коммутатор, второй выход которого соединен с выходом генератора тестовых команд, блок памяти, выход которого соединен с входом блока приема информации, выход которого соединен с входом блока масштабирования, блок регистрации, блок визуальной индикации и блок управления записью, выход которого соединен с входом первого и второго коммутаторов, таймер и блок памяти (АС СССР №941558, кл. Е 21 В 47/022, 1982 г.).
Недостатками известной системы являются низкая точность построения траектории скважины, так как измерение производится в точках, а интервал между точками измерения равняется длине свечи, и низкая достоверность измерений, так как параметр в данной точке скважины измеряется один раз и возможно ошибочное измерение.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является глубинное устройство для цифровой регистрации параметров траектории скважины, включающее датчики азимута, зенитного и визирного углов, подключенные к информационным входам коммутатора, выход которого через аналого-цифровой преобразователь подключен к входу блока памяти, блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора и блока памяти, а первый вход блока управления подключен к выходу таймера. При этом процесс измерения совмещается с технологическим процессом подъема колонны бурильных труб для смены долота. Глубинное устройство после окончания очередного долбления сбрасывается внутрь колонны бурильных
труб, в нижней части которого находится немагнитная бурильная труба (немагнитная вставка). В процессе подъема бурильного инструмента на поверхность в момент останова колонны бурильных труб для отвинчивания очередной свечи, глубинным устройством осуществляется измерение и результаты заносятся в блок памяти (величины зенитного угла, азимута и времени). После извлечения прибора из скважины он подключается к наземному устройству, которое считывает зафиксированную в блоке памяти глубинного устройства информацию (АС СССР №903565, кл. Е 21 В 47/02, 1980 г.).
Недостатком данного устройства является то, что оно производит измерение только при смене долота (т.е. при подъеме колонны бурильных труб), и не позволяет получать информацию о пространственном положении забоя на длине одной проходки до смены отработавшего долота. Этот недостаток существенен при бурении пород средней и мягкой твердости с высокой скоростью проходки.
Задачей полезной модели является повышение точности измерений скважинных параметров и создание простого и экономичного инклинометра.
Поставленные цели достигаются тем, что в инклинометре, содержащем датчики азимута, зенитного и визирного углов, аналого-цифровой преобразователь, усилители, в качестве датчиков использованы три акселерометра и три магнитометра, причем 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.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого инклинометра.
Инклинометр (фиг.1) включает в себя три акселерометра 1, 2, 3, три магнитометра 6, 7, 8, источник питания 5, цифровой мультиплексор 4, дифференциальные усилители 10, 11, 12, микроконтроллер 13, включающий в себя устройство 14 захвата и многоканальный аналого-цифровой преобразователь 15, датчик температуры 9.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом.
Информация о пространственной ориентации вырабатывается на основании сигналов трех акселерометров 1, 2, 3 и трех магнитометров 6, 7, 8. Выходной сигнал акселерометра пропорционален проекции вектора силы тяжести на измерительную ось акселерометра. Акселерометры закреплены так, чтобы их измерительные оси были примерно ортогональными. Аналогично, выходной сигнал магнитометра пропорционален проекции вектора напряженности магнитного тполя (Земли) на измерительную ось магнитометра. Магнитометры закреплены так, чтобы их измерительные оси были примерно ортогональны. Для коррекции температурного дрейфа акселерометров, магнитометров и электронной схемы используется сигнал датчика 9 температуры. В инклинометре применены акселерометры 1, 2, 3 с импульсным (электрическим) выходом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). С акселерометров сигналы поступают на цифровой мультипликатор 4, управляемый микроконтроллером 13. С помощью мультиплексора 4 выбирается поочередно один из трех сигналов акселерометров и подается на встроенное в микроконтроллер 13 устройство 14 захвата, с помощью которого определяется параметр ШИМ сигнала. Устройство 14 захвата преобразует длительность импульса в цифровой код, обрабатываемый затем микроконтроллером 13. Использование мультиплексора 4 позволяет применять микроконтроллеры с одним устройством захвата, которые дешевле и круг которых шире по сравнению с микроконтроллерами, имеющими три и более встроенных устройств захвата. В качестве акселерометров могут быть использованы приборы ADXL 202 фирмы Analog Devices. В качестве цифрового мультиплексора используется соответствующая интегральная микросхема. В
-3
качестве магнитометров 6, 7, 8 применены магниторезистивные мосты, питаемые от источников 5 напряжения. Питание от источника напряжения минимизирует температурный дрейф смещения выходного сигнала мостов, что повышает точность измерений. Выходные сигналы магнитометров усиливаются дифференциальными усилителями 10, 11, 12 и поступают на многоканальный встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 15 микроконтроллера 13 и преобразуются в цифровой код. Выходным сигналом магниторезистивного моста магнитометра является разность напряжений между двумя выводами, пропорциональная напряженности магнитного поля. Еще на один вход АЦП 15 подается сигнал с датчика 9 температуры -напряжение, пропорциональное температуре. В качестве магнитометров могут использоваться микросхемы НМС 1021 фирмы Honeywell, датчика 9 температуры - микросхема ТМР 36 фирмы Analog Devices. Для измерения зенитного угла сточностью 0,1 градуса, необходимой для геофизической аппаратуры, требуется точность измерения компонентов вектора ускорения свободного падения - выходных сигналов акселерометров -10 g. Использование акселерометров с аналоговыми выходами по напряжению или току и диапазона измерений ±1 g потребовало бы применения АЦП с разрешающей способностью не менее 11-ти двоичных разрядов. Использование акселерометров с ШИМ выходом позволяет применять более дешевые и доступные микроконтроллеры с встроенным 10-ти разрядным АЦП, точность которого достаточна для преобразования сигналов магнитометра и датчика температуры. Микроконтроллер 13 на основании показаний датчика 9 температуры производит коррекцию сигналов акселерометров и магнитометров и вычисляет параметры пространственной ориентации прибора - зенитный угол, азимут, визирный угол - которые передаются по последовательному каналу связи потребителю в виде цифрового кода. В качестве микроконтроллера 13 может быть применен прибор ATmegal63 фирмы Atmel.
Предлагаемый инклинометр является более дешевым по сравнению с известными аналогами, вследствие своей простоты он имеет более высокую
надежность и обеспечивает достаточную точность измерений, необходимую при буровых и геофизических работах, контроля профиля трубопроводов, штолен, рельсовых путей, при прокладке коммуникаций бестраншейным методом, в навигационных системах.