МАЛОГАБАРИТНЫЙ ГИРОСКОПИЧЕСКИЙ ИНКЛИНОМЕТР

Малогабаритный гироскопический инклинометр относится к области точного геофизического приборостроения и может быть использован для обследования скважин приборами для траекторных измерений в скважинах с аномальным магнитным полем Земли, например, в обсадных колоннах, внутри бурового инструмента и на железорудных месторождениях.
Известен гироскопический инклинометр [1] RU 2030574 от 10.06.1991 г. основанный на измерении ускорения силы тяжести по трем взаимно перпендикулярным осям и измеритель угловой скорости по тем же осям, состоящий из двух трехстенных гироскопов, каждый из которых охвачен двумя внутренними отрицательными обратными связями, каждая из которых включает последовательно соединенные датчик угла на измерительной оси гироскопа, усилитель и датчик момента по перпендикулярной к датчику угла оси. Выходы измерителей ускорения и угловой скорости подключены к входам вычислителя азимута. Измеритель угловой скорости снабжен двумя поворотными осями, двумя исполнительными механизмами и двумя упорами. Исполнительные механизмы и упоры установлены по одному на каждой поворотной оси с возможностью поворота корпуса гироскопа вокруг поворотной оси и длительного удерживания его в положении 0° и 180°. Каждая поворотная ось жестко прикреплена к корпусу соответствующего гироскопа соединяет его с корпусом инклинометра и совпадает по направлению с линией вектора кинематического момента соответствующего гироскопа.
Недостатком описанного гироскопического инклинометра является то, что на каждый замер в точке измерения требуется довольно продолжительное время обследования, что приводит к снижению производительности инклинометрических работ.
7
Известен малогабаритный инерционный измерительный модуль для скважин малого диаметра [2] RU 33974 МПК Е21В 47/02, содержащий блок чувствительных элементов, включающий волоконно-оптический гироскоп, ось чувствительности которого ориентирована параллельно продольной оси корпуса прибора и ортогонально осям чувствительности динамически настраиваемого гироскопа, модуль содержит датчик угла, установленный на автокомпенсационной оси вращения динамически настраиваемого гироскопа.
Недостатком данного технического решения является влияние аппаратных средств преобразования и передачи информации с измерителей угловых скоростей и датчика, влияющих на точность показаний инклинометра.
7
Известен малогабаритный гироскопический инклинометр [3] RU 2178523 МПК Е21В 47/022, содержащий гироскоп, два маятниковых акселерометра, блок электроники для питания чувствительных элементов и передачи информации на наземную аппаратуру, прочную герметичную оболочку, систему виброгасителей и амортизаторов, каротажный кабель для механической и электрической связи с наземной аппаратурой. Реверсивное вращение гироскопа на 180° осуществляется двигателем постоянного тока через многоступенчатый редуктор, имеющий только один вал и одну ось, а стабильность ориентации гироскопа при измерениях обеспечивается за счет прижатия упора к базовым плоскостям с помощью одной пружины в обеих позициях, что позволяет использовать инклинометр в скважинах малого диаметра.
Требованиям к высокой точности азимутальных измерений и малым габаритам инклинометров по диаметру в настоящее время наиболее полно удовлетворяют динамически настраиваемые гироскопы. Однако их применение возможно для приборов, работающих в точечном режиме измерения. Использование этих датчиков в непрерывных инклинометрах невозможно из-за угловой скорости вращения скважинного прибора вокруг продольной оси при движении по стволу скважины. В точечном же режиме наибольшее применение нашел метод двухпозиционного гирокомпасирования, при котором измеряют сигналы с осей чувствительности гироскопа в фиксированных положениях 0 и 180° относительно корпуса скважинного прибора. Обеспечение гирокомпасного режима в упомянутых инклинометрах осуществляется разного рода приводами разворота с использованием датчиков момента [1, 3] или реверсивных двигателей-редукторов постоянного тока [2], а фиксированные состояния 0 и 180° достигаются жесткими упорами [1, 2] или применением датчиков углов [3].
Недостатками вышеперечисленных технических решений являются:
- довольно продолжительное время на каждый замер в точке измерения, что снижает производительность инклинометрических работ при большом количестве точек;
- зависимость показаний инклинометра от апсидиального угла скважинного прибора, в ряде случаев увеличивающая погрешность измерения азимута сверх установленного предела.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности азимутальных измерений в точечном режиме, а также непрерывных измерений непосредственно динамически настраиваемым гироскопом.
Задача решается тем, что малогабаритный гироскопический инклинометр, включающий гироскоп с блоком чувствительных элементов, двигатель постоянного тока, маятниковые акселерометры, блок электроники, каротажный кабель имеет малогабаритный двигатель-редуктор со встроенным цифровым датчиком угла поворота выходного вала (энкодером) и поворотное устройство с установленными двумя акселерометрами с ортогональными осями чувствительности, расположенными в диаметральной плоскости инклинометра и динамически настраиваемый гироскоп с возможностью неограниченного разворота с заранее выбранным постоянным шагом. Все элементы функциональной схемы размещены на амортизированном шасси и от наружного гидростатического давления защищены охранным кожухом с наружным диаметром 36-42 мм. Сигналы динамически настраиваемого гироскопа измеряются как в режиме 2-х позиционного гирокомпасирования в позициях 0-180°, так и в режиме многопозиционных ориентаций.
Описание конструкции устройства
Функциональная схема малогабаритного гироскопического инклинометра (далее инклинометра) представлена на фиг.1
x
y
z
хр
ур
хр
ур
Блок чувствительных элементов составляют три жестко установленных акселерометра 7 (A, A, A) со взаимно перпендикулярными осями чувствительности и динамически настраиваемый гироскоп ДНГ 14 с двумя акселерометрами 13 (А, А), закрепленнми в поворотном устройстве 12. Вектор кинетического момента гироскопа Н совпадает с продольной осью скважинного прибора и осью вращения поворотного устройства 12, а оси чувствительности акселерометров 13 (А, А) взаимно ортогональны и лежат в диаметральной плоскости инклинометра.
Для разворота поворотного устройства 12 в многопозиционные ориентации служит двигатель постоянного тока 9 с редуктором и цифровым датчиком угла поворота (энкодером) 10. Электрическую связь датчиков поворотного устройства 12 с электронными схемами инклинометра обеспечивает многоконтактный щеточный коллектор 11.
В состав блока электроники 2 входят:
- блок питания 3, преобразующий напряжение питания, поступающее по центральной жиле каротажного кабеля 1, во вторичные напряжения, требующиеся для функционирования всех электронных схем;
- блок приема-передачи 4, осуществляющий двусторонний информационный обмен командами и данными измерений с наземной аппаратурой;
- блок обработки сигналов датчиков 6 для преобразования аналоговых сигналов чувствительных элементов в цифровую форму;
- блок разворота 8, управляющий двигателем-редуктором 9 при обеспечении как точечного, так и непрерывного режимов измерения;
- программируемый микроконтроллер 5, являющийся ядром всего измерительного комплекса, организующий работу измерителей инклинометра по заданной программе и обмен информацией с наземной аппаратурой.
Все элементы функциональной схемы размещены на амортизированном шасси и от наружного гидростатического давления защищены охранным кожухом с наружным диаметром от 36 до 42 мм (на фиг.1 не показаны).
Работа устройства
x
y
z
В точечном режиме осуществляется привязка осей инклинометра к направлению географического меридиана и вертикальному направлению в точке измерения, т.е. определяются начальные значения азимутального, зенитного и апсидального углов ориентации инклинометра. Для этой цели используются сигналы трех акселерометров 7 (A, A, A) и сигналы X и y с осей чувствительности гироскопа 14. Эти сигналы в блоке обработки сигналов датчиков 6 преобразуются в цифровую форму и через микроконтроллер 5 и блок приема-передачи 4 по каротажному кабелю 1 передаются на поверхность, где рабочей программой наземного компьютера производятся необходимые вычисления.
Сигналы динамически настраиваемого гироскопа 14 измеряются как в режиме двухпозиционного гирокомпасирования в позициях 0 и 180°, так и в режиме многопозиционных ориентаций. Выбор варианта гироскопических измерений определяется оператором, который через наземный компьютер посылает в скважинный прибор соответствующую команду. Эта команда через блок приема-передачи 4 поступает в микроконтроллер 5. Последний двигателем-редуктором 9 поворачивает поворотное устройство 12 в требуемые позиции. Управление двигателем микроконтроллер осуществляет через электронный блок разворота 8 с использованием цифровых сигналов энкодера 10.
хр
yр
После получения результатов точечных измерений микроконтроллер 5 по команде от наземного компьютера переводится в режим непрерывных измерений. При этом отключаются сигналы энкодера 10 и включается режим стабилизации поворотного устройства 12 относительно апсидальной плоскости. Стабилизация осуществляется двигателем-редуктором 9 по сигналам двух акселерометров 13 (А, А), а именно, микроконтроллер 5 вычисляет угол поворота поворотного устройства 12 в апсидальной плоскости и формирует сигнал управления двигателем-редуктором 9 с целью удержания нулевого значения этого угла. Таким образом, при движении инклинометра по стволу исследуемой скважины поворотное устройство 12 вместе с гироскопом 14 становится независимым от угловой скорости продольного вращения. Сигналы Х и y с осей чувствительности гироскопа 14 становятся пропорциональными угловым скоростям изменения положения инклинометра только по зенитному и азимутальному углам. Интегрирование этих сигналов непосредственно дает информацию о текущих изменениях траектории исследуемой скважины.
Заявляемое техническое решение способствует повышению точности измерения азимутальных углов за счет многопозиционного гидрокомпасирования и повышению производительности в проведении измерений за счет непрерывного режима. Испытания инклинометра в лабораторных и производственных условиях подтверждают правильность предлагаемого решения.
Технический результат
Заключается в том, что приводом поворотного устройства служит малогабаритный двигатель-редуктор со встроенным цифровым датчиком угла поворота выходного вала - (энкодером). Функционирование динамически настраиваемого гироскопа в режиме непрерывных измерений обеспечивается стабилизацией поворотного устройства в апсидальной плоскости. При этом положение гироскопа и его осей чувствительности становится независимым от вращения инклинометра. Для целей стабилизации в поворотное устройство устанавливаются два акселерометра со взаимно перпендикулярными осями чувствительности, расположенными в диаметральной плоскости инклинометра. Привод обеспечивает нулевое значение угла отклонения от вертикальной плоскости.
Источники информации
1. RU 2030574 от 10.06.1991 г. МПК Е21В 47/02
2. RU 33974 от 13.07.1996 г. МПК Е21В 47/02
3. RU 2178523 от 06.04.1999 г. МПК Е21В 47/022.