Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для измерения зенитного угла искривления скважины

Изобретение относится к бурению скважин и предназначено для измерения зенитного угла искривления скважины.

Цель изобретения - повышение надежности работы.

Известно устройство скважинного прибора инклинометра КИТ-М, содержащее корпус рамки-маятника, коллектор, дебаланс, подпятник опоры вращения, корпус с круговым реохордом, плату с дуговым реоходом, магнитомеханический чувствительный элемент, отвес и подпружиненный арретир (см. кн. Малюга А.Г. Инклинометры для исследования глубоких и сверхглубоких скважин. - Тверь: НТП «Фактор», 2002. - 520 с.) [1]. Недостатком указанного устройства является отсутствие возможности непрерывного контроля параметров искривления скважины непосредственно в процессе бурения.

Наиболее близким по технической сути к предложенному устройству является устройство, содержащее рамку-маятник, установленную на опорах, дебаланс, маятники датчика угла, закрепленные на осях, коллектор. Недостатком устройства является низкая надежность за счет большого числа подвижных механических частей и контактов, а также отсутствие возможности непрерывного контроля пространственного положения ствола скважины непосредственно в процессе бурения по беспроводному каналу связи забоя с устьем скважины. (А.с. СССР №636380, 1978).

Техническая задача - создание надежного и точного устройства для контроля зенитного угла искривления ствола скважины непосредственно в процессе бурения и передачи сигнала по беспроводному электрическому каналу связи забоя с устьем скважины.

Технический результат - повышение надежности и точности измерения зенитного угла искривления скважины непосредственно в процессе бурения и передачи сигнала по беспроводному электрическому каналу забоя с устьем скважины.

Он достигается тем, что в известном устройстве, содержащем рамку-маятник, установленную на опорах, дебаланс, маятники датчика угла, закрепленные на осях, коллектор, в рамке-маятнике размещены постоянный магнит, полевой датчик Холла, источник питания, аналого-цифровой преобразователь, преобразователь кода в частоту импульсов, делитель частоты, при этом устройство имеет один маятник датчика угла, снабженный постоянным магнитом, магнитное поле которого воздействует на датчик Холла, жестко закрепленный в рамке-маятнике, холловские электроды датчика Холла соединены с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом преобразователя кода в частоту импульсов, а его выход соединен с входом дополнительно введенного в устройство делителя частоты, выход которого через коллектор соединен с каналом связи.

На чертеже (фиг. 1 - вид в разрезе) показано устройство для измерения зенитного угла искривления скважины.

Устройство содержит рамку-маятник 1, опоры 2, 3, дебаланс 4, маятник датчика угла 5, ось 6, коллектор 7, постоянный магнит 8, датчик Холла 9, источник питания 10, аналого-цифровой преобразователь 11, преобразователь кода в частоту импульсов 12, делитель частоты 13, при этом маятник датчика угла 5 снабжен постоянным магнитом 8, магнитное поле которого воздействует на датчик Холла 9, жестко закрепленный в рамке-маятнике 1, холловские электроды датчика Холла соединены с входом аналого-цифрового преобразователя 11, а выход его соединен с входом преобразователя кода в частоту импульсов 12, а его выход соединен с входом дополнительно введенного в устройство делителя частоты 13, выход которого через коллектор 7 соединен с каналом связи (не показан).

Устройство работает следующим образом. В момент измерения рамка-маятник 1 под действием дебаланса 4 вращается в опорах 2, 3 и устанавливается в плоскости искривления ствола скважины под действием дебаланса, маятник датчика угла 5 с жестко закрепленным на нем постоянным магнитом 8 под действием силы гравитации поворачивается на оси 6 и меняет свое положение относительно датчика Холла 9, жестко закрепленного в рамке-маятнике 1, что приводит к пропорциональному изменению напряженности магнитного поля, действующего на датчик Холла 9, в результате на холловских электродах появляется ЭДС, пропорциональная зенитному углу искривления скважины. Эта ЭДС поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 11, где преобразуется в параллельный двоичный код, который посредством преобразователя кода в частоту импульсов 12 трансформируется в последовательность импульсов, пропорциональных зенитному углу, и поступает на делитель частоты 13, где преобразуется в последовательность серии импульсов инфранизкой частоты, соответствующей полосе пропускания беспроводного электрического канала связи забоя с устьем скважины, с выхода делителя частоты 13, эта серия импульсов с коллектора 7 подается в канал связи.

Устройство имеет повышенную надежность за счет сокращения числа подвижных механических элементов и использования аналого-цифрового преобразователя, преобразователя кода в частоту импульсов, делителя частоты и датчика Холла, изготовленных по технологии кремний на изоляторе (КНИ), температурный диапазон которых расширен до 300°C, а полевой датчик Холла (ПДХ), изготовленный по технологии кремний на изоляторе (КНИ), имеет чувствительность, превышающую чувствительность обычных датчиков в 10 раз (см. ст. Мордкович В.Н. Структуры «Кремний на изоляторе» - Новый материал микроэлектроники // Материалы электронной техники. 1998. №2; Мокрушин А.Д., Омельяновская Н.М., Леонов А.В., Мордкович В.Н., Пажин Д.М. Радиационные эффекты в КНИ магниточувствительных элементах при различных условиях облучения, ВАНТ. Вып. 1-2. М., 2001). Точность предлагаемого устройства выше прототипа. ПДХ (Полевой Датчик Холла) изготавливается на основе структур КНИ, в которых рабочий слой кремния отделен от подложки встроенным диэлектрическим слоем. В отличие от обычных датчиков Холла ПДХ представляет собой сочетание резистора Холла с вертикальным двухзатворным полевым транзистором типа металл-диэлектрик-полупроводник. В результате повышаются характеристики датчика Холла, такие как удельная магнитная чувствительность, диапазон рабочих температур, отношение сигнал/шум, энергопотребление, пороговая магнитная чувствительность.

Основные технические характеристики КНИ ПДХ:

Напряжение питания, В 3÷12

Рабочий ток, мА 0,1÷0,4

Магнитная чувствительность В/Тл 0,3+1,2

Удельная магнитная чувствительность, В/Ф*Тл 1000÷10000

Порог чувствительности, н/Тл 40÷100

Диапазон частот, кГц 0÷200

Диапазон температур, °C - 270÷300

Известно, что зависимость выходного сигнала от напряженности внешнего магнитного поля, созданная постоянным магнитом, линейная, следовательно, и статическая характеристика предлагаемого устройства для измерения зенитного угла искривления скважин, построенная на основе ПДХ, также линейная, и в связи с этим устройство обладает повышенной точностью.

Используемые в устройстве аналого-цифровой преобразователь, преобразователь кода в частоту импульсов и делитель частоты также выполнены по КНИ технологии и сохраняют работоспособность до 300÷400°C (см. ст. Мокрушин А.Д., Омельяновская Н.М., Леонов А.В., Мордкович В.Н., Пажин Д.М. Радиационные эффекты в КНИ магниточувствительных элементах при различных условиях облучения, ВАНТ. Вып. 1-2, М., 2001). Это соответствует температуре на забое сверхглубоких скважин 7÷12 тыс. метров.

Предложенное устройство отличается высокой надежностью за счет расширения температурного диапазона работы до 300°C и сокращения числа механических подвижных элементов, а также высокой точностью обусловленной высокой чувствительностью и линейностью статической характеристики, а также возможностью контроля зенитного угла искривления скважины в процессе бурения по беспроводному электрическому каналу связи забоя с устьем скважины.

Источники информации

1. Малюга А.Г. Инклинометры для исследования глубоких и сверхглубоких скважин. - Тверь: НТП «Фактор», 2002. - 520 с.

2. Мордкович В.Н. Структуры «Кремний на изоляторе» - Новый материал микроэлектроники // Материалы электронной техники. 1998. №2.

3. Мокрушин А.Д., Омельяновская Н.М., Леонов А.В., Мордкович В.Н., Пажин Д.М. Радиационные эффекты в КНИ магниточувствительных элементах при различных условиях облучения, ВАНТ. Вып. 1-2. М., 2001.

4. А.с. №636380, 1978 (прототип).