ГИРОСКОПИЧЕСКИЙ ИНКЛИНОМЕТР

Полезная модель относится к области точного приборостроения, а именно к гироскопическим измерителям (инклинометрам) параметров траекторий нефтяных, газовых, геотермальных, железорудных и других скважин. Предназначено для использования в навигационных системах комплексов наклонно-горизонтального бурения.
В настоящее время для решения практических задач определения пространственной ориентации скважин различного назначения кроме обеспечения точностных характеристик, к инклинометру предъявляются жесткие требования по массо-габаритным показателям (особенно по наружному диаметру - (38…42) мм), по минимизации электропотребления, по условиям работы при высоких окружающих температурах 100…150C°, при большом окружающем давлении 60 Мпа, а совмещение бурового снаряда и инклинометра в единый комплекс еще более ужесточает эти требования из-за жестких условий, в которых предполагается эксплуатировать прибор (например, условия повышенных виброударных возмущений, превышающих обычные в 10…100 раз). Выполнить эти подчас противоречивые требования чрезвычайно сложно.
Известны устройства (1), (2) гироскопического типа, в которых, как правило, гироскопы работают в режимах датчиков угловых скоростей (ДУС), измеряющих составляющие проекции угловой скорости вращения Земли. Акселерометры измеряют проекции ускорения силы тяжести. Результаты измерений обрабатываются, после чего определяется зенитный угол и азимутальное направление ствола скважины.
Недостатком известных устройств является то, что наличие внешнего двухосного подвеса, а также наличие трех или более чувствительных элементов резко увеличивает количество электронных блоков, энергопотребление, массу и габариты инклинометра, ограничивает точностные характеристики устройства из-за взаимовлияния чувствительных элементов между собой и нестабильности баз взаимопривязки элементов.
Известен гироскопический инклинометр (3), содержащий гироскопический измеритель угловой скорости и акселерометр, размещенные на поворотной платформе, установленной в корпусе с возможностью неограниченного вращения относительно его продольной оси, привод и датчик углового положения поворотной платформы, устройство электрической связи между поворотной платформой и корпусом, а также блок сервисных электронных устройств и блок обработки информации. Измерителем угловой скорости в данном устройстве является динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ). В данном устройстве измеряют в нескольких ориентациях проекции угловой скорости вращения Земли и проекции ускорения силы тяжести на оси, связанные с корпусом инклинометра, и вычисляют азимут и зенитный угол скважины по величинам сигналов с ДНГ и акселерометра.
Как известно, например, (4), (5) используемый в данном устройстве ДНГ чувствителен к вибрации и имеет малую ударную прочность, что предопределяет необходимость его виброударной защиты с применением амортизаторов и вибропоглощающих элементов. А для обеспечения точности ДНГ в широком диапазоне температур необходимо его термостатирование. Вышеперечисленные особенности затрудняют использование ДНГ в инклинометре при совмещении инклинометра и бурового устройства в едином комплексе. И в то же время инклинометры на ДНГ до настоящего времени остаются востребованными из соображений точности, не достижимой при использовании других типов гироскопов требуемых габаритов.
Целью предлагаемого изобретения является создание малогабаритного гироскопического инклинометра высокой точности с улучшенными эксплуатационными параметрами, а именно с возможностью его использования в условиях значительных виброударных нагрузок и в широком диапазоне температур.
Поставленная цель достигается тем, что в гироскопическом инклинометре, содержащем гироскопический измеритель угловой скорости и акселерометр, размещенных на поворотной платформе, установленной в корпусе с возможностью неограниченного вращения относительно его продольной оси, привод и датчик углового положения поворотной платформы, устройство электрической связи между поворотной платформой и корпусом, а также блок сервисных электронных устройств и блок обработки информации, гироскопическими измерителями угловой скорости являются динамически настраиваемый гороскоп и волоконно-оптический гироскоп.
Кроме того:
- динамически настраиваемый гороскоп и волоконно-оптический гироскоп установлены соосно;
- динамически настраиваемый гороскоп и волоконно-оптический гироскоп могут быть установлены под известным углом друг к другу;
- динамически настраиваемый гироскоп и волоконно-оптический гироскоп могут быть размещены в общем корпусе;.
- динамически настраиваемый гироскоп установлен в общем корпусе через виброгасящие элементы;
- дополнительно на поворотной платформе размещен двухкомпонентный датчик горизонта;
- в качестве привода поворотной платформы использован многополюсный шаговый двигатель;
- в качестве датчика углового положения поворотной платформы использован оптический датчик.
Последние образцы отечественных и зарубежных производителей ВОГ по своим массогабаритным и точностным характеристикам приблизились к ДНГ, но значительно превосходят их по виброударной стойкости и менее зависимы от температуры. Совместное использование ДНГ и ВОГ в одном инклинометре значительно расширяет эксплуатационные возможности инклинометра. Позволяет в зависимости от температурных и механических условий эксплуатации использовать в качестве измерителя угловой скорости или ДНГ, или ВОГ, или оба сразу в оптимальном соотношении.
Дополнительный датчик горизонта необходим для упрощения алгоритма при определении азимута и зенитного угла скважины. Поскольку достаточно его работы в режиме индикатора перехода через горизонт, использован датчик горизонта на основе микромеханических датчиков фирмы Analog Devices (США) с габаритами (5*4*2) мм.
Сущность изобретения иллюстрируется конструктивно-кинематической схемой прибора (Фиг.1).
Гироскопический инклинометр включает в себя (Фиг.1) гироскопический блок 1 в составе ДНГ и ВОГ, микромеханический акселерометр 2 маятникового типа, двухкомпонентный датчик горизонта 3, например, выполненный на основе датчиков АДХL-210 (США). Указанные чувствительные элементы размещены на поворотной платформе 4, установленной на подшипниках в корпусе 5 с возможностью неограниченного вращения относительно его продольной оси. Поворотная платформа имеет привод 6, например многополюсный шаговый двигатель, и датчик углового положения (ДУП) 7 платформы относительно корпуса, например, многополюсный поворотный трансформатор или оптический датчик. Для электрической связи чувствительных элементов с сервисной электроникой по оси поворотной платформы установлено устройство электрической связи между поворотной платформой и корпусом, (например, щеточный коллектор) 8. В отсеке электронных устройств размещены блок сервисных электронных устройств 9 и блок обработки информации 10 (микропроцессор). На корпусе имеется электроразъем 11. Блок сервисных электронных устройств имеет в своем составе блок питания, блок управления, усилители и аналого-цифровые преобразователи сигналов с чувствительных элементов и с датчика углового положения. Корпус инклинометра может иметь защитный герметичный кожух 12, выполненный например из титана, с герморазъемом 13. Кожух фиксируется относительно корпуса с помощью кольцевых шайб 14 из материала с малой теплопроводностью. Полость между корпусом и кожухом может быть вакуумирована для улучшения теплового режима прибора.
Гироскопический инклинометр работает следующим образом.
Инклинометр в составе буровой колонны или отдельно опускают в скважину на нужную глубину. По кабелю, связывающему инклинометр с наземным оборудованием, подают питание. При подаче питания в блоке управления запускается циклограмма измерений, по исполнении которой поворотная платформа разворачивается в заданные ориентации и в каждой из них осуществляется съем информации с ДНГ или ВОГ, акселерометра и датчика горизонта.. Усиленные и преобразованные в цифровую форму сигналы поступают в блок обработки информации, где они предварительно обрабатываются и запоминаются. По завершении полного оборота блок обработки информации начинает вычислительные операции для определения азимутального и зенитного углов. Результаты вычислений могут накапливаться в запоминающем устройстве или в режиме реального времени или по запросу передаваться в наземное оборудование потребителю. Для повышения точности определения угловой ориентации скважины измерительные циклы могут быть повторены. Далее питание снимают и инклинометр опускают в следующую точку скважины и т.д. При нахождении инклинометра в составе буровой колонны, питание на него подают после остановки бура. Возможны иные методы работы с инклинометром, Например: точные точечные измерения по вышеописанной методике в начале и конце траектории скважины и интегрирование сигналов в процессе непрерывного опускания и/или подъема инклинометра.
Изготовлены опытные образцы инклинометра. Экспериментальная проверка подтвердила высокую эффективность заявленного технического решения.
Источники информации:
1. RU 2030574, C1, 1995;
2. RU 2095563, C1, 1997;
3.RU 2104490, C1, 1998;
4. Новиков Л.З., и др., Механика динамически настраиваемых гироскопов, М, "Наука", 1985;
5. RU 2282717, C1, 2005.