ИНКЛИНОМЕТР

Полезная модель относится к устройствам для определения пространственного положения скважины и может быть использована в промысловой геофизике при бурении наклонно-направленных скважин.
Известны инклинометры, использующие гироскопический эффект быстровращающихся тел для сохранения заранее заданного направления в пространстве (Авт. свид. СССР 1002551, МКИ Е 21 В 47/02, 1983 г.). Перед опусканием инклинометра в скважину проводят его ориентирование, запускают гироскоп, наблюдают и компенсируют его дрейф.
Из-за неточности компенсации дрейфа происходит накопление погрешности определения азимутального направления. Время работы гироскопического инклинометра в скважине, в течение которого ошибка измерения не выходит за пределы допустимой погрешности, составляет около часа, поэтому такие инклинометры требуют проведения периодической калибровки на поверхности и не могут быть использованы в глубоких скважинах. Недостатком гироскопического инклинометра является также возможность нарушения его работы при больших зенитных углах, поэтому они не могут быть использованы в горизонтальных скважинах.
Известен инклинометр, содержащий корпус, три взаимно ортогональных датчика магнитного поля, два однокомпонентных датчика, карданные подвесы и груз-эксцентрик (Авт. свид. СССР №804822, 1981 г.).
Наличие карданных подвесов и груза-эксцентрика приводят к увеличению габаритов и веса известного инклинометра. Погрешность балансировки карданных подвесов влечет за собой ошибку в определении угловых параметров скважины. Кроме того, такие устройства вследствие своих конструктивных особенностей не предназначены для использования при бурении горизонтальных скважин.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является инклинометр, содержащий корпус, трехкомпонентный магнитометрический датчик, трехкомпонентный акселерометр, размещенный на немагнитной платформе, и регулировочное устройство. Одна из осей магнитометра и одна из осей акселерометра коллинеарны продольной оси корпуса инклинометра. Регулировочное устройство предназначено для изменения углов крена и тангажа трехкомпонентного магнитометрического датчика относительно немагнитной платформы. Выводы
магнитометрического датчика и выводы акселерометра подключены к вычислительному блоку (Патент РФ №2247942, МПК7 G 01 С 9/00, Е 21 В 47/022, опубл. 2005 г.).
Недостатком известного устройства является отсутствие возможности проверки работоспособности магнитометрического датчика во время нахождения в скважине. В то же время жесткие условия работы в скважине (высокая температура, вибрация, удары) делают весьма вероятным выход инклинометра из строя.
Наличие дополнительного механического узла регулировки снижает надежность устройства. Инструментальный метод обеспечения коллинеарности осей магнитометра и акселерометра не исключает возможность ошибки. Кроме того, во время работы в скважине коллинеарность осей может быть нарушена, вследствие смещения положения регулировочного устройства под воздействием механических факторов.
В известном устройстве в качестве магнитометрического датчика использован трехкомпонентный феррозонд, выполненный в виде цилиндра с диаметром 31,3 мм и образующей 52,5 мм, акселерометры с габаритными размерами 5×5×2 мм и регулировочное устройство, аналогичное применяемому в теодолите. Таким образом, известный инклинометр имеет достаточно большие габаритные размеры, что ограничивает возможность его применения.
Еще один недостаток известного устройства выявляется в тех случаях, когда нужно заменить акселерометр. Такая необходимость нередко возникает в процессе работы и связана, например, с выбором акселерометра, обеспечивающего требуемую точность. В известной конструкции сделать это весьма затруднительно, т.к. разные акселерометры имеют разные габаритные размеры и требуют различного конструктивного исполнения платформы, на которую они устанавливаются.
Задачей полезной модели является повышение надежности инклинометра, уменьшение его габаритов и улучшение потребительских свойств.
Решение задачи достигнуто в предлагаемой конструкции инклинометра. Инклинометр содержит корпус, в котором на немагнитной платформе установлен трехкомпонентный магнитометрический датчик и трехкомпонентный акселерометр. Одна из осей чувствительности датчика и одна из осей чувствительности акселерометра коллинеарны оси корпуса. Каждый чувствительный элемент магнитометрического датчика конструктивно объединен с соленоидом, управляемым микроконтроллером. В устройстве дополнительно установлен датчик температуры, осуществляющий измерение температуры внутри корпуса. Магнитометрический датчик, акселерометр, микроконтроллер с АЦП и датчик температуры выполнены на печатных платах. При этом конструктивно магнитометрический датчик и соленоиды расположены на первой плате, а
датчик температуры и микроконтроллер с АЦП на второй плате. Немагнитная платформа выполнена в виде двух модулей, связанных между собой разъемным соединением: модуля магнитометрического датчика и модуля акселерометра. Первая и вторая платы размещены вдоль оси корпуса с двух сторон платформы модуля магнитометрического датчика. Акселерометр установлен на платформе модуля акселерометра.
Конструкция инклинометра поясняется чертежом. На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства, на фиг.2 - его общий вид.
X
Y
Z
X
Y
Z
Инклинометр содержит корпус 1, в котором на немагнитной платформе установлен трехкомпонентный магнитометрический датчик 2, ориентированный в системе координат немагнитного корпуса, таким образом, что ось Z датчика совпадает с продольной осью NM корпуса, а оси Х и Y ортогональны оси Z и образуют правую декартовую систему. Каждый чувствительный элемент магнитометрического датчика Д, Д, Д конструктивно объединен с соленоидом С, С, C, управляемым микроконтроллером 3. Выход магнитометрического датчика соединен с АЦП микроконтроллера 3 и далее с электронным передающим блоком 4. Инклинометр содержит также трехкомпонентный акселерометр 5, ось Z′ которого коллинеарна оси Z магнитометрического датчика, и датчик температуры 6. Магнитометрический датчик, акселерометр, микроконтроллер с АЦП и датчик температуры выполнены на печатных платах. Конструктивно трехкомпонентный магнитометрический датчик и соленоиды размещены на первой печатной плате 7, а датчик температуры и микроконтроллер с АЦП на второй печатной плате 8. Все платы установлены на немагнитной платформе, выполненной в виде двух модулей 9 и 10, связанных между собой разъемным соединением 11. Первая и вторая платы (7 и 8) установлены с двух сторон платформы 9 модуля магнитометрического датчика. Акселерометр 5 установлен на платформе 10 модуля акселерометра. Такое размещение печатных плат обеспечивает удобство монтажа и компактность устройства.
Модульная конструкция инклинометра позволяет легко произвести замену одного из его датчиков, например, при изменении требований к их чувствительности или в случае выхода из строя.
Работа инклинометра основана на измерении в каждый момент времени координат двух независимых векторов: вектора ускорения свободного падения и вектора напряженности магнитного поля Земли. Первичная информация формируется в блоке датчиков, включающем три измерителя ускорений (трехкомпонентный акселерометр 5) и три измерителя напряженности магнитного поля (трехкомпонентный магнитометр 2). Погрешность измерений от возможной неколлинеарности осей компенсируют программными средствами. Аналоговые сигналы с акселерометра и магнитометра
поступают в микроконтроллер с АЦП 3, сюда же поступает сигнал датчика температуры 6, который осуществляет мониторинг внутри инклинометра и позволяет ввести температурную поправку в результаты измерений первичных датчиков. Затем сигнал через электронный передающий блок 4 скважинного модуля подается на наземное приемное устройство. Для проверки работоспособности магнитометрического датчика подают тестирующее напряжение на соленоиды и создают искусственное магнитное поле. По изменению показаний магнитометрического датчика судят об его исправности.
По сравнению с аналогами предлагаемая конструкция инклинометра имеет следующие преимущества:
1. Использование соленоидов для создания искусственного магнитного поля позволяет контролировать работоспособность магнитометрического датчика в любой магнитной обстановке, в том числе в скважине, что повышает надежность устройства.
2. Отказ от инструментального способа устранения неколлинеарности осей акселерометра и магнитометра и использование программных средств для учета возможной погрешности позволил исключить из конструкции механический узел и повысить надежность устройства.
3. Наличие датчика температуры обеспечивает повышение точности результатов измерений за счет введения температурной поправки.
4. Размещение всех датчиков на печатных платах и компоновка печатных плат вышеописанным способом обеспечивает компактность инклинометра и уменьшает его габаритные размеры.
5. Унификация конструктивного исполнения устройства обеспечивает простоту замены одного из его модулей, что улучшает потребительские свойства инклинометра.