Патент на изобретение №2348008

(54) ИНКЛИНОМЕТР

(57) Реферат:

Изобретение относится к навигационной аппаратуре, которая предназначена для контроля пространственного положения траектории ствола скважин в процессе их строительства. Инклинометр содержит трехкомпонентный акселерометр, трехкомпонентный магнитометр, цифровое процессорное устройство, датчик температуры, при этом в качестве акселерометра использованы два трехкомпонентных акселерометра: первый – высокостабильный с диапазоном, достаточным для измерения ускорения в lg, и второй – с большим диапазоном, перекрывающим действующие на прибор виброускорения. Технический результат – повышение точности измерений, создание недорогого инклинометрического прибора, расширение области его применения. 1 ил.

Изобретение относится к навигационной аппаратуре, которая предназначена для контроля пространственного положения траектории ствола скважин в процессе их строительства. Техническим результатом является повышение точности измерений и снижение стоимости инклинометра.

Принцип определения пространственного положения инклинометра с трехкомпонентным акселерометром основан на измерении проекций вектора ускорения свободного падения на измерительные оси акселерометра. В состоянии покоя эти величины не превышают величины ускорения свободного падения. Во время бурения инклинометр испытывает влияние вибраций, которые вносят переменную составляющую ускорения. Вектор ускорения свободного падения определяется как постоянная составляющая общего ускорения. Пиковые значения виброускорений значительно превышают ускорение свободного падения. В случае, если ускорение превысит диапазон измерений акселерометра, произойдет ограничение выходного сигнала, что приведет к изменению постоянной составляющей и, следовательно, к ошибке измерения пространственного положения. Для того чтобы этого не происходило, применяются дорогостоящие высокоточные акселерометры с большим диапазоном измерений.

Известен инклинометр, содержащий наземный вычислитель и скважинный прибор, содержащий три акселерометра, три феррозонда, датчик температуры и передатчик, а также адаптер канала ввода и блок измерения длины геофизического кабеля (патент RU №2253838, кл. G01С 9/00, Е21В 47/02, опубл. 10.06.2005 г., бюл. №16).

Недостатком известного инклинометра является его сложность.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является инклинометр, содержащий корпус, трехкомпонентный магнитометрический датчик, трехкомпонентный акселерометр, немагнитную платформу и регулировочное устройство (патент RU №2247942, кл. G01С 9/00, Е21В 47/02, опубл. 10.03.2005 г., бюл. №7).

Недостатком известного инклинометра является то, что для обеспечения необходимой точности измерений в нем должен быть применен дорогостоящий высокоточный акселерометр с большим диапазоном измерений. Такие акселерометры имеют значительные размеры и потребляемую мощность, например, образцовые для отрасли одноосные приборы QAT-160/185 фирмы Honeywell имеют габариты 30×30×22 мм и потребляют мощность 180 мВт, требуют источника питания с напряжением ±12,5 В.

Задачей предлагаемого изобретения является создание инклинометра, сочетающего высокую точность измерений с невысокой стоимостью за счет применения недорогих компонентов.

Поставленная задача решается предлагаемым инклинометром, содержащим трехкомпонентный акселерометр, трехкомпонентный магнитометр, цифровое процессорное устройство, датчик температуры, при этом в качестве акселерометра использованы два трехкомпонентных акселерометра: первый – высокостабильный с диапазоном, достаточным для измерения ускорения в lg, и второй – с большим диапазоном, перекрывающим действующие на прибор виброускорения.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в статическом положении, например при наращивании буровой колонны, определение пространственного положения производится по выходным сигналам первого акселерометра. Во время бурения пространственное положение определяется по сигналам второго акселерометра, причем производится коррекция его показаний суммированием с поправками смещения нуля второго акселерометра. Поправки смещения нуля второго акселерометра, т.е. аддитивные составляющие погрешности трех его каналов, находятся во время калибровки в статическом положении как разность между показаниями первого акселерометра и второго акселерометра. Второй акселерометр при этом должен обладать лишь стабильным коэффициентом преобразования.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где показана принципиальная схема инклинометра.

Предлагаемый инклинометр состоит из трехкомпонентного акселерометра 1 с диапазоном, достаточным для измерения вектора силы тяжести, трехкомпонентного акселерометра 2 с диапазоном, достаточным для измерения суммы ускорения свободного падения и виброускорения, действующего на инклинометр, трехкомпонентного магнитометра 3, датчика 4 температуры, микроконтроллера 5. Акселерометр 1 высокостабильный, имеет малый диапазон измерений. Акселерометр 2 имеет широкий диапазон, но обладает большим дрейфом смещения нуля, который корректируется по показаниям акселерометра 1.

Инклинометр имеет три режима работы:

– «Статика» – измерение производится в статическом положении, например, при наращивании буровой колонны, когда отсутствуют вибрации.

– «Динамика» – измерения производятся в процессе бурения.

– «Калибровка» – измерение производится в статическом положении аналогично режиму «Статика», а также производится коррекция смещения нуля каналов акселерометра 2.

В режиме «Статика» производится измерение температуры Т. Вычисляются компоненты векторов силы тяжести и геомагнитного поля по сигналам акселерометра 1 и магнитометра с температурной коррекцией:

G_j=K_aj(T)(A_j-D_aj)(T), где J=X1, Y1, Z1.

G_j – соответствующий компонент вектора силы тяжести,

А_j – значение на выходе канала акселерометра 1,

D_aj – смещение нуля,

К_aj – коэффициент преобразования.

H_J-K_mj(T)(M_j-D_mj)(T), где J=X, Y, Z

H_j – соответствующий компонент вектора геомагнитного поля,

М_j – значение на выходе канала магнитометра,

D_mj – смещение нуля,

K_mj – коэффициент преобразования.

Затем осуществляют коррекцию погрешности установки акселерометра 1 и магнитометра и вычисляют зенитный и визирный углы и азимут любым известным способом. В режиме “Калибровка” дополнительно определяются компоненты вектора силы тяжести по сигналам акселерометра 2 – G_x2, G_y2, G_z2 с коррекцией по температуре и погрешности установки акселерометра 2 аналогично режиму «Статика». Вычисляются и запоминаются в памяти микроконтроллера 5 поправки смещения нуля каналов акселерометра 2: _j=G_j2-G_j1, где J=X, Y, Z.

В режиме «Динамика» производится измерение температуры, компонентов силы тяжести по сигналам акселерометра 2 и компонентов геомагнитного поля по сигналам магнитометра. Причем компоненты вектора силы тяжести вычисляются с учетом поправок смещения нуля:

G_j2=K_Aj2(T)(A_j2-D_Aj2)(T)-_j, где J=X, Y, Z.

Компоненты вектора геомагнитного поля определяются идентично режимам «Статика» и «Калибровка». Производится коррекция погрешности установки акселерометра 2 и магнитометра, вычисляются зенитный и визирный углы и азимут.

Калибровка может производиться следующим образом:

1. Калибровка производится на поверхности перед применением по внешней команде при надежно зафиксированном приборе.

2. Калибровка производится в скважине в статических положениях по внешним командам.

3. Автоматическая калибровка. При каждом измерении, или с некоторой периодичностью по времени, или кратностью по числу измерений прибор определяет уровень виброускорений, если он не превышает заданного порогового значения, производится калибровка.

4. Автоматическая калибровка как по п.3), но запись поправок смещения нуля _j производится не при каждом измерении, а в случае, если наибольший модуль поправки |_j| превысит заданное значение.

Акселерометры могут быть реализованы, например, на микромеханических осевых акселерометрах фирмы Analog Devices: первый акселерометр на приборах типа ADXL213 с диапазоном ±1,2 g, второй акселерометр на приборах типа ADXL210 с диапазоном ±10 g. Эти акселерометры имеют габариты 5×5×2 мм, потребляют мощность 1,35 мВт и одно напряжение питания 3 В. Применение микромеханических акселерометров позволяет уменьшить на два порядка потребляемую мощность, что особенно важно при батарейном питании, использовать более простые источники питания, изготавливать скважинную аппаратуру с меньшими диаметрами кожуха, вплоть до минимально установленного – 25 мм. В качестве магнитометров могут быть использованы магниторезисторы или феррозонды.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность измерений, создать недорогой инклинометрический прибор и расширить область его применения.

Формула изобретения

Инклинометр, содержащий трехкомпонентный акселерометр, трехкомпонентный магнитометр, цифровое процессорное устройство, датчик температуры, отличающийся тем, что в качестве акселерометра использованы два трехкомпонентных акселерометра: первый – высокостабильный с диапазоном, достаточным для измерения ускорения в lg, и второй – с большим диапазоном, перекрывающим действующие на прибор виброускорения.

РИСУНКИ