способ определения азимута, зенитного угла и угла магнитного наклонения

Формула изобретения

1. Способ определения азимута, зенитного угла и угла магнитного наклонения, включающий установку в корпусе скважинного прибора трехкомпонентного феррозондового магнитометра и преобразователя визирного угла, выполненного в виде одностепенного маятника с установленным на оси его вращения синусно-косинусным вращающимся трансформатором (СКВТ), причем оси чувствительности феррозондов ориентированы ортогонально друг к другу, а ось третьего феррозонда и ось вращения маятника совпадают с продольной осью корпуса скважинного прибора, измерение сигналов с феррозондов T_x,T_y,T_z, пропорциональных проекциям полного вектора напряженности геомагнитного поля на оси их чувствительности, и сигналов с СКВТ, пропорциональных синусу и косинусу визирного угла , и определение зенитного угла , угла магнитного наклонения и азимута по измеренным сигналам, отличающийся тем, что определяют приведенные значения сигналов с феррозондов -T^*_x, T^*_y, T^*_z и СКВТ - sin и cos, по которым находят соотношения задают диапазоны варьирования определяемых углов , и , задают циклы последовательного варьирования по углам , и с равномерным шагом квантования для каждого значения заданных углов _i, _i и _i, в точке циклов варьирования определяют теоретические значения



находят модули разностей задают численное значение параметра Е, с которым осуществляют сравнение всех трех модулей разностей так, что если хотя бы один из модулей разностей имеет величину, большую, чем параметр Е, то продолжают последовательные циклы варьирования, а если все три модуля разностей одновременно имеют величины, меньшие или равные параметру Е, то циклы варьирования прекращают, а текущие значения углов _i, _i и _i принимают как искомые угол магнитного наклонения , азимут и зенитный угол .

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приведенные значения сигналов с феррозондов и СКВТ определяют следующим образом:











где T_x, T_y, T_z - измеренные сигналы с феррозондов: U_s и U_c - сигналы с синусной и косинусной обмоток СКВТ, шаги квантования по углам , и задают равными требуемой точности определения соответственно угла магнитного наклонения , азимута и зенитного угла , а значение параметра Е принимают меньшим или равным наименьшему значению из заданных шагов квантования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области промысловой геофизики и может быть использовано для контроля комплекса параметров пространственной ориентации траектории скважины и скважинных объектов.

Известен способ контроля комплексов параметров траектории скважины, реализованной в устройстве [1], включающий измерение трех ортогональных составляющих вектора напряженности магнитного поля Земли с помощью трехкомпонентного феррозондового датчика азимута, измерение синусов и косинусов соответственно зенитного и визирного углов с помощью маятникового преобразователя по кинематической схеме карданного подвеса, на осях вращения которого установлены синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы, и определение по измеренным сигналам азимута, и определение по измеренным сигналам азимута, зенитного и визирного углов [1].

Известен также способ контроля комплекса параметров траектории скважины, реализованный в устройстве [2], включающий измерение трех неортогональных составляющих вектора напряженности магнитного поля Земли с помощью феррозондового датчика азимута, измерение синусов и косинусов соответственно зенитного угла, визирного угла и угла неортогональной установки первого и второго феррозондов в датчике азимута и определение по измеренным сигналам азимута, зенитного и визирного углов [2].

Недостатки аналогов следующие. Сложность конструкции и низкая точность, обусловленные наличием механических вращающихся частей преобразователя зенитного угла в карданном подвесе, характеризующихся моментом сил трения в опорах подвеса, обуславливающих погрешность определения искомых угловых параметров.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения угловых параметров пространственной ориентации скважинных объектов, включающий установку в корпусе скважинного прибора трехкомпонентного феррозондового магнитометра и преобразователя визирного угла, выполненного в виде относительного маятника с установленным на оси его вращения синусно-косинусным вращающимся трансформатором (СКВТ), причем оси чувствительности феррозондов ориентированы ортогонально друг другу, а ось третьего феррозонда и ось вращения маятника совпадают с продольной осью корпуса скважинного прибора, измерение сигналов с феррозондов, пропорциональных проекциям полного вектора напряженности геомагнитного поля на оси их чувствительности и сигналов с СКВТ, пропорциональных синусу и косинусу визирного угла, и определение зенитного угла, угла магнитного наклонения и азимута по измеренным сигналам [3].

Недостатки прототипа. Сложность определения угла магнитного наклонения, зенитного угла и азимута, обусловленная громоздкими зависимостями измеряемых сигналов с искомыми угловыми параметрами, а также применением процедуры наземных измерений и низкая точность, обусловленная тем, что угол магнитного наклонения определяют на поверхности Земли, а при обработке результатов измерений не учитывают его изменение по глубине траектории скважины.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности и упрощение определения азимута , зенитного угла и угла магнитного наклонения путем циклического варьирования теоретических значений искомых углов , и , выполнение промежуточных вычислений и сравнение модулей разности теоретических значений промежуточных параметров и параметров, определенных путем измерений сигналов с феррозондов и СКВТ и каждой точке изменения по траектории скважины.

Поставленная задача достигается тем, что в способе [3] определения угла магнитного наклонения , зенитного угла и азимута , включающем установку в корпусе скважинного прибора трехкомпонентного феррозондового магнитометра и преобразователя визирного угла, выполненного в виде одностепенного маятника с установленным на оси его вращения СКВТ, причем оси чувствительности феррозондов ориентированы ортогонально друг к другу, а ось третьего феррозонда и ось вращения маятника совпадают с продольной осью корпуса скважинного прибора, измерение сигналов с феррозондов T_X, T_Y, T_Z, пропорциональных проекциям полного вектора напряженности геомагнитного поля на оси их чувствительности и сигналов с СКВТ, пропорциональных синусу и косинусу визирного угла , определяют приведенные значения сигналов с феррозондов и СКВТ, по которым находят соотношения

задают диапазоны варьирования определяемых углов , и , задают циклы последовательного варьирования по углам , и , с равномерным шагом квантования, для каждого значения заданного угла _i, _i и _i, в точке циклов варьирования определяют теоретические значения

t_Xi= cos_icos_icos_i-sin_isin_i,

t_Yi= -cos_isin_i,

t_Zi= cos_icos_isin_i+sin_icos_i,

находят модули разностей задают численное значение параметра E, с которым осуществляют сравнение всех трех модулей разности так, что если хотя бы один из модулей разностей имеет величину, большую, чем параметр E, то продолжают последовательные циклы варьирования, а если все три модуля разностей одновременно имеют величины, меньшие или равные параметру E, то циклы варьирования прекращают, а текучие значения углов _i, _i и _i, принимают как искомые угол магнитного наклонения , азимут и зенитный угол , причем приведенные значения сигналов с феррозондов и СКВТ определяют следующим образом:











где T_X, T_Y, T_Z - измерительные сигналы с феррозондов, U_S и U_C - сигналы с синусной и косинусной обмоток СКВТ; шаги квантования по углам , и задают равными требуемой точности определения соответственно угла магнитного наклонения, азимута и зенитного угла, а значение параметра E принимают меньшим или равным наименьшему значению из заданных шагов квантования.

На фиг. 1 представлена кинематическая схема, а на фиг. 2 - функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ, включающего установку в корпусе 1 скважинного прибора трех ортогонально ориентированных феррозондов 2, 3 и 4 и преобразователя визирного угла, выполненного в виде одностепенного маятника 5 с установленным на оси его вращения СКВТ 6, причем ось чувствительности третьего феррозонда 4 и ось вращения маятника 5 совпадают с продольной осью корпуса 1. Функциональная схема (фиг. 2) устройства также содержит генераторы возбуждения феррозондов 7 и СКВТ 11, аналоговые коммутаторы 8, 12 и 14, избирательный усилитель 9, фазочувствительные детекторы 10 и 13, интегратор 15, аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 16, блок передачи данных 17, ЭВМ 18 и блок управления 19.

Работа устройство заключается в следующем. Генератор возбуждения 7 обеспечивает подачу напряжения необходимой амплитуды и частоты на последовательно соединенные обмотки возбуждения феррозондов 2, 3 и 4. Сигналы T_X, T_Y и T_Z, пропорциональные проекциям напряженности геомагнитного поля на оси чувствительности феррозондов 2, 3 и 4, последовательно через аналоговый коммутатор 8 поступают на вход избирательного усилителя 9. Синусоидальное напряжение удвоенной частоты с выхода избирательного усилителя 9 детектируется в фазочувствительном детекторе 10 и через третий аналоговый коммутатор 14 подается на вход интегратора 15, в котором преобразуется уровень постоянного напряжения, пропорционального соответственно сигналам T_X, T_Y и T_Z. Обмотка возбуждения СКВТ 6 запитывается от генератора 11, а выходные сигналы U_S и U_C, пропорциональные соответственно синусу и косинусу визирного угла , через второй аналоговый коммутатор 12, второй фазочувствительный детектор 13 и третий аналоговый коммутатор 14 последовательно поступают на вход интегратора 15, в котором также преобразуются в уровень постоянного напряжения, пропорционального соответственно сигналам U_S и U_C. Далее сигналы T_X, T_Y, T_Z, U_S и U_C преобразуются в АЦП 16 в цифровые коды, которые посредством блока передачи данных 17 поступают в ЭВМ 18.

Блок управления 19 отрабатывает необходимые управляющие команды на аналоговые коммутаторы 8, 12 и 14, фазочувствительные детекторы 10 и 13, интегратор 15, АЦП 16, блок передачи данных 17, а также обеспечивает поступление тактовых импульсов на генераторы 7 и 11.

Таким образом, в каждой точке измерения по траектории скважины в ЭВМ 18 формируются коды, соответствующие измеренным сигналам T_X, T_Y, T_Z, U_S и U_C, причем U_S соответствует синусу визирного угла, U_C - косинусу визирного угла, а сигналы с феррозондов связаны с азимутом , зенитным углом , визирным углом , углом магнитного наклонения и величиной полного вектора напряженности геомагнитного поля T следующими уравнениями:





T_Z = T[coscossin+sincos].

Способ определения азимута , зенитного угла и угла магнитного наклонения по измеренным сигналам с феррозондов T_X, T_Y, T_Z и сигналам с СКВТ U_S и U_C заключается в следующем. Определяют приведенные значения сигналов











Затем определяют промежуточные параметры:





Задают диапазоны варьирования определяемых углов , и , задают циклы последовательного варьирования по углам , и , с равномерным шагом квантования, после чего для каждого значения заданного угла _i, _i и _i в точке циклов варьирования определяют теоретические значения:



находят модули разностей задают численное значение параметра E, с которым осуществляют сравнение всех трех модулей разностей так, что если хотя бы один из модулей разностей имеет величину, большую, чем параметр E, то есть



то продолжают последовательные циклы варьирования, а если все три модуля разностей одновременно имеют величины, меньшие или равные параметру E, то есть



то циклы варьирования прекращают, а текущие значения углов _i, _i и _i принимают как искомые угол магнитного наклонения , азимут и зенитный угол , причем шаги квантования по углам , и задают равными требуемой точности определения данных углов, а значение параметра E принимают меньшим или равным наименьшему значению из заданных шагов квантования.

Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить точность и упростить определение искомых углов , и путем циклического варьирования теоретических значений данных углов, выполнения промежуточных вычислений и сравнения модулей разностей теоретических значений промежуточных параметров и параметров, определенных путем измерений сигналов с феррозондов и СКВТ.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР N 1078041, М. кл. E 21 B 47/02, 1984 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 1208208, М. кл. E 21 B 47/02, 1986 г.

3. Авторское свидетельство СССР N 1543060, М. кл. E 21 B 47/02, 1987 г. (прототип).