陀螺测斜（共3篇）
陀螺测斜 篇1
0引言
在矿井施工和石油钻井中,需要实时准确地掌握钻孔姿态、位置和轨迹等相关参数,以便工程作业人员能够实时地掌握钻孔作业中的工程地质情况,为工程作业人员及时调整作业方案,以避免盲目钻孔而造成钻孔事故的发生[1,2,3]。相比于传统的电缆静态测井方式,基于随钻测量方式带来的极大便利,不仅可以减少钻井测量的时间与成本,又能极大地提高测井精度[4]。目前,在国内各大油田、海上大型石油钻井作业中,几乎都采用随钻测井技术。但随钻测斜仪基本上都是从国外购买,其价格昂贵,且维修存 在不便等 问题[5]。本文基于MEMS(微电子机械系统)陀螺设计了随钻测斜仪系统,并利用仿真转台对所设计的随钻测斜仪系统进行了模拟随钻测井过程,以期望能够研制成功具有完全自主知识产权的随钻测斜仪系统。
1随钻测斜仪系统设计
1.1随钻测斜仪系统总体方案
本文基于MEMS陀螺设计了随钻测斜仪系统总体方案,如图1所示。该测斜仪系统包括井下随钻测试仪器和地面监控系统两部分,并采用由钻杆与地层构成的信号传输通道进行地面仪器和井下仪器的通信。其中,井下随钻传感器包括三轴MEMS陀螺、三轴加速度计和温度与压力传感器。井下仪器主要完成倾斜角、方位角和工具面角等各种参数的测量,并进行实时数据存储,或者通过通信信道把测量数据传回地面进行实时监控。地面监控系统接收井下传上来的信息,进行数据处理、计算,并实时显示钻孔姿态、位置和轨迹等相关参数,以便地面作业人员能够实时准确地掌握钻孔作业情况,避免钻孔施工的盲目性。
1.2随钻测斜仪系统功能模块设计
随钻测斜仪系统主要由信号调理电路、多通道数据采集模块、数据存储模块和电源模块等组成。
1.2.1多通道数据采集模块
多通道数据采集模块是将调理后的随钻传感器信号转化为数字量。由于测斜仪井下传感器包括三轴MEMS陀螺、三轴加速度计以及 温度与压力多路 信号,因此,采用两片同步采集模数转换器ADS8365实现12路信号的 数据采集;选用Xilinx的XC2S50-TQ144C型FPGA作为数据采集模块的控制芯片。数据采集电路模块如图2所示。其中,SC1~SC6为6个传感器模拟信号通道输入端,DB0~DB15为模数转换数据输出端。FPGA除了完成数据采集模块的控制外,还要完成井下随钻仪器的数据存储、通信模块和外围接口电路的功能。
1.2.2数据存储模块
井下随钻仪器采用三星K9F2G08型Flash芯片作为随钻测斜仪数据存储芯片,该芯片具有2Gb的存储容量,由FPGA内的控制器实现Flash芯片控制。数据存储电路模块如图3所示。
1.2.3FPGA 的配置电路
采用XCF01SV020芯片作为FPGA的可编程配置芯片,FPGA配置电路模块如图4所示。
1.2.4电源模块
系统中的FPGA、ADS8365和其他芯片等的工作电压主要有5V、3.3V和2.5V。由于随钻测斜仪系统需要采用外接7.4V电源作为供电电源,因此,需要设计以上3个输出分压电源输出模块。时钟电路模块如图5所示。由图5可知,7.4 V外电源经 由REG104-5稳压芯片转换成5V电压输出,然后再把+5V电压输出经由MAX8882EUTAQ芯片分别转换成2.5V和3.3V两路电压输出。
2随钻测斜仪系统姿态算法设计
随钻测斜仪系统利用捷联安装于钻杆的三轴加速度计和三轴MEMS陀螺仪分别测量出钻杆的比力信息)和角速度信息(槇ωbib),然后根据捷联惯性原理实时完成钻杆的姿态与位置的解,其随钻测斜仪系统算法原理如图6所示。
随钻测斜仪系统选取北东地地理坐标系为参考坐标系,得到的姿态矩阵变换关系为[6]:
其中:ψ,θ,γ分别为随钻测斜仪方位角、俯仰角、横滚角。
如前所述,利用加速度计和陀螺实时测量信息,根据图6所示的算法原理进行姿态更新矩阵的计算。更新所得姿态矩阵Cbn为:
其中:C11,C12,C13,C21,C22,C23,C31,C32,C33分别为式(1)中对应各项。对比式(1)和式(2)关系可知,钻井姿态的提取公式为:
3仿真实验测试
为了验证所设计的随钻测斜仪系统性能,在三轴仿真转台上模拟实际随钻测井过程,通过控制转台的姿态变化来模拟实际的随钻测井过程,三轴陀螺角速率测量输出如图7所示。
模拟600m井深测井解算后的钻孔轨迹如图8所示。从仿真测井结果来看,随钻测斜仪具有比较高的测量精度。
4结论
本文重点介绍了随钻测斜系统的各功能模块的硬件设计方法,并利用高精度三轴仿真转台搭建随钻测井的半物理仿真平台,在该平台上开展了实际随钻模拟测井过程。结果表明,所设计的随钻陀螺测斜仪系统具有较高的测量精度。
摘要：基于MEMS陀螺设计了随钻测斜仪系统。重点介绍了随钻测斜仪系统各功能模块的硬件设计方法,并利用高精度仿真转台搭建了随钻测井仿真平台,并利用仿真转台对所设计的测斜仪系统进行模拟随钻测井过程。结果表明,所设计的随钻测斜仪原理样机基本达到期望,具有较高的测量精度。
关键词：MEMS陀螺仪,测斜仪,设计,MWD
陀螺测斜 篇2
关键词：GYRO陀螺,自寻北,工作原理,故障分析
1 前言
GYRO-43型陀螺, 是国内目前应用较多的一种测井仪器。其原理是以地球的自转角速度方向和重力为参考, 应用速率陀螺和加速度计构成捷联式数学平台进行定向参数的测量, 具有自动寻北的功能。GYRO-43型陀螺采用挠性轴代替原有的转子框架, 转子由挠性接头支撑, 是一种无摩擦的弹性支撑。传感器进动漂移量小, 不需要在地面校北, 而是在井下直接寻北。加速度计选用的是微机械加速度计, 温漂很小, 因为仪器是在保温筒中使用, 所以在设计的工作时间内一般不需要做温度校正。可在有磁环境下进行井斜角、方位角、工具面角等定向参数的测量, 尤其在丛式井、老井、开窗井等测量施工中, 是必需的仪器。
2 GYRO-43型陀螺测斜仪工作原理简介
2.1 仪器结构简介
GYRO-43型陀螺可以分为井下仪器, 地面系统和数据处理终端三个部分。井下仪器又由三部分组成, 分别是电源短节、测量短节和引鞋。地面系统是Unilog2000便携数控测井系统。数据处理终端是Unilog2000测井软件, 内嵌了数据解码模块、陀螺方位算法、倾角算法、误差修正算法和数据输出模块等代码。
2.2 GYRO陀螺自寻北原理
2.2.1 陀螺特性
(1) 定轴性:当陀螺转子以高速旋转时, 在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时, 陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变, 即指向一个固定的方向;同时反抗任何改变转子轴向的力量。
(2) 进动性:当转子高速旋转时, 若外力矩作用于外环轴, 陀螺仪将绕内环轴转动;若外力矩作用于内环轴, 陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。
2.2.2 挠性陀螺传感器是测量真北方向的核心部件, 能够确定地球自转角速度的水平投影在探管坐标系内的位置关系
(1) 地球上所有物体都绕地轴进行周期为24h的自转, 所有地球上的质点具有相同的角速度, 角速度的方向满足右手定则, 方向指向地轴的北极星方向, 即真北方向。
(2) 根据定轴性, 陀螺转子跟随地球自转产生角速度, 而转子又要维持转轴的方向不变, 因此转子受到了地轴自转产生的作用力, 它的方向是不变的, 大小与转子所处的纬度、自转轴的倾角和转轴的方位角有关。
(3) 根据进动性, 上述作用力可被反向中和, 并把维持转子转轴不变的“反作用力”经量化后输出, 该作用力与转子受到的地球自转的作用力大小相等, 方向相反。
(4) 在二维平面内, 可检测“反作用力”的大小和方向, 如果纬度、倾角确定, 就可以计算出方位角。
2.3 工作原理简介
地面系统负责为陀螺仪提供直流100V (以实际送到缆头的电压为准) 的电源, 并给陀螺仪下发指令, 解码陀螺仪上传的数据并传输给数据处理终端 (即计算机中的Unilog2000程序) 。电源短节的作用是提供+15V, -15V, +12V, -12V, +5V, GND, 曼码通讯线和缆头电压测试线等。通过12芯插头和陀螺仪测量短节对接。测量短节的作用是采集传感器数据并完成与外部通讯。
3 现场常见故障分析
3.1 地面系统故障
故障实例:元坝271井陀螺施工, 地面测试正常, 中途测试时缓慢加载电压, Unilog2000便携数控测井仪显示的电流增加幅度过大, 电压加载至10V时, 电流已经超过200m A, 处于短路状态。仪器取出后地面测试显示正常。但在元陆8井陀螺测斜过程中, 又出现上述现象, 更换便携数控测井仪后通讯正常, 判断为Unilog2000便携数控测井仪短路。
分析:四川阴雨天气较多, Unilog2000便携数控测井仪长期处于潮湿环境中, 内部线路板易受潮短路。
建议:仪器处于待命状态时, 必须放入专用仪器箱内, 且放至于干燥的地方, 防止受潮产生线路板短路现象。
3.2 井下仪器故障
3.2.1 故障实例
元陆8井井身轨迹测量过程中, 陀螺仪数据表中所采集数据大部分显示为红色, 数据精确度差, 可采用度低, 但陀螺通讯正常, 各参数和特征值显示正常, 判断为探管故障。
分析:由于探管在运输或测量过程中受到剧烈震动或碰撞, 导致陀螺加速度计和传感器的测量精度下降, 测量值失真。
建议:运输过程中陀螺要放在专用运输箱内并固定好, 操作时严格控制起下速度, 尽量避免剧烈震动和碰撞, 延长使用寿命。
3.2.2 故障实例
在EDC批式井陀螺施工中, 服务曲线一直不稳定。各参数和特征值显示正常, 几次坐键测量的工具面值之间相差8°左右。
分析:一开 (井深200米左右) 测量, 未下隔水管, 平台作业产生的震动及水流对探管产生的影响较大。且钻杆内径较大, 仪器在不加扶正器的情况下稳定性较差。
建议:在外界温度非常低的情况下, 仪器要放入包装箱内, 且至于室内。对于震动比较大, 钻杆或套管内径较大的井, 可考虑加扶正器, 增强仪器的稳定性。
3.2.3 故障现象
采集过程中, 通讯正常, 但无加速度计数据、无陀螺传感器数据。原因可能是供电短节的采样板A/D故障、信号板故障, 此时可更换探管或供电短节加以确认。
4 GYRO-43型陀螺测斜仪使用注意事项
陀螺测斜仪属于精密测量仪器, 使用中的任何操作失误都可能造成陀螺永久性损坏。为保证陀螺测斜仪的测量精度和寿命, 使用中务必注意做到以下几点:
(1) 运输时陀螺一定要放在固定的专用包装箱内, 并作适当保护;
(2) 任何时候移动陀螺都要轻拿轻放, 不可以有刚性碰撞;
(3) 装配陀螺测斜仪, 不得使用管钳, 使用专用勾扳手, 手感上紧即可, 不可脚踩, 上扣过程中, 装有陀螺仪的高压外壳不可有跳动和碰撞;
(4) 使用拖撬起、下仪器时, 每次电缆从静止到运动或反向, 必须缓慢加减速;
陀螺测斜 篇3
F13-ST1井位于国外某油区, 是某钻井公司Rig203井队承钻的一口直井, 于2011年7月16日开始施工, 原设计井深4505m, 钻至3478m时上返沥青, 溢流严重, 之后压井造成井漏, 堵漏无效, 开始填井, 接着固井和电测, 根据套管节箍和固井质量, 寻找最优开窗点为1521.5米处, 由直井改为套管开窗水平井, 由于套管内的强磁干扰, MWD等测量仪器无法正常施工, 决定使用GYRO-43型陀螺仪寻找工具面并测量井身轨迹。
2 施工准备
2.1 拖撬检查
(1) 检查油箱机油、液压油、柴油量, 水箱水位, 电瓶电压、计数器等。
(2) 启动拖撬, 起下30米左右电缆, 检查上部电缆是否有断丝、反扭现象, 液压管线等是否漏油及有无杂音产生, 操作面板上各手柄及开关是否可用, 系统压力表等表盘是否指示正常。
(3) 做好电缆头, 接上滑环线, 测试导通与绝缘性。
(4) 保养天滑轮、地滑轮、地滑轮支架、排绳器等。
(5) 连接拖撬外部电源, 检查内部插座及电器是否工作良好。
(6) 检查拖撬内的工具包、台钳等工具是否配备齐全。
2.2 陀螺仪测试
(1) 检查引鞋下端键槽与上端定位键是否处于一条直线上。若不是, 则调整。
(2) 井下仪器连接:将电缆头、供电短节、陀螺探管、引鞋依次连接好。
地面设备连接:将滑环线、跳线、Unilog2000便携数控测井仪、数据线、计算机按顺序连接好。
(3) 将引鞋键槽摆至向上, 探管南北走向 (引鞋指向北) , 启动Unilog2000测井软件, 建立通讯, 启动陀螺, 测取工具面角和方位角应在0°附近。转动引鞋键槽至90°、180°、270°, 同时顺时针改变探管走向, 分别测取工具面角和方位角, 若每次都吻合, 则仪器正常。
3 现场施工流程
(1) 将电缆穿过已固定好的天地滑轮并与仪器接好, 操作滚筒, 缓慢提起仪器, 注意防止碰撞。
(2) 仪器入井, 使仪器测量点位于转盘面或井口平面, 计数器深度校零。
(3) 控制下放速度在2000m/h之内, 同时注意计数器深度变化, 中途启动陀螺, 测试是否工作正常。
(4) 观察计数器, 距离井底位置20米 (井深1500米) 左右时停车。
(5) 启动陀螺仪, 调节通讯, 待陀螺仪曲线稳定运行后。缓慢下放仪器坐键。
(6) 监测陀螺仪曲线变化, 坐键后, 采集并记录当前点的工具面角度。
(7) 缓慢上提陀螺仪, 监测服务曲线, 直至陀螺仪引鞋脱键, 继续上提10米左右后停车。
(8) 缓慢下放仪器, 进行第二次坐键, 采集并记录当前点的工具面角度。
(9) 如此反复坐键, 并对比历次座键时所记录的工具面角度, 把出现次数最多的工具面角, 定为原始工具面角。
(10) 以原始工具面角为参照, 向目的工具面角转动钻具, 摆完工具面后上下活动钻具释放扭矩, 此时适当起下电缆。
(11) 再次上提、下放仪器坐键, 采集当前工具面角度。重复坐键几次, 检验第一次摆工具面是否转到目的工具面位置。
(12) 若第一次摆的工具面不合适, 应再次转动并活动钻具, 测量第二次的工具面角, 并判断工具面是否达到要求。
(13) 如此反复转动并活动钻具, 反复测量工具面角, 直至达到目的工具面。
(14) 达到目的工具面后, 上提仪器, 连斜模式下间隔25米采集数据, 测量并绘制F13-ST1井的井身轨迹图。
(1 5) 测量完毕后, 关闭陀螺及Unilog2000便携数控测井仪, 回收电缆, 取出仪器, 完成施工。
4 施工经验总结
(1) 浅层测试不正常:浅层测试时, 经常遇到通讯正常, 但服务曲线不稳定的情况, 是由于井深较浅, 地面设备产生振动, 特别是海上作业时这种现象更明显, 如果是全新的未使用过的电缆也会产生这种现象。陀螺仪属于精密测量仪器, 受影响不易稳定, 属于正常现象。
(2) 地面测试不稳定:地面测试时, 为了方便, 我们习惯把陀螺仪放在启动的拖撬附近测试, 此时拖撬的震动对于仪器有很大影响。所以, 应将仪器远离拖撬及其它震动源至少10m, 减少震动影响, 提高地面测试的准确性和稳定性。
(3) 确保施工质量, 提高施工效率:通过多次测量发现, 误差值的大小变化有一定规律:由大变小、由小变大、再由大变小, 依次循环变化。但误差值变化的整体趋势是随着仪器静止时间增长而变小, 采集数据的准确性随之越高, 但仪器在井下时间越长, 危险性也越大。
(4) 调节通讯“难”的问题:调节顺序是“固定增益值——调节正负门槛值——旋转增益旋钮”。地面测试不连接电缆时, 所用通道为“P2通道”, 增益值一般调节在10以内。连接电缆时 (7000m, 100Ω左右) , 所用通道为“P4通道”, 增益值一般调节在30——40之间。固定增益值之后, 再调节正负门槛在1∕3——2∕3之内, 一般都能建立通讯, 若不行再调节Unilog2000便携数控测井仪前面板上的下发衰减旋钮。
5 结束语
GYRO陀螺测斜仪, 是国内外近年来开发的一种测斜仪器, 具有抗磁干扰、测量精度高、实时获取数据、操作简便、适用范围广等优点。其原理是以地球的自转角速度方向和重力为参考, 应用速率陀螺和加速度计构成捷联式数学平台进行定向参数测量, 具有自动寻北的功能。
GYRO陀螺仪属于挠性陀螺, 挠性陀螺是精密仪器, 防震差, 在运输过程中必须放在专用包装箱内固定好, 避免剧烈颠簸。在使用过程中, 要轻拿轻放。装配时要使用陀螺专用勾扳手。使用拖撬起、下仪器时, 每次电缆从静止到运动或反向运动, 必须缓慢加速或缓慢减速。开窗侧钻过程中, 仪器坐键的下放速度不可以过快, 应控制在15米/分钟以内, 在保证坐键的基础上尽量减小仪器的撞击。
摘要：文章介绍了GYRO-43型陀螺测斜仪在国外某油区F13-ST1井开窗及测量井身轨迹的施工准备及施工流程, 总结了GYRO-43型陀螺测斜仪的施工经验, 分析了其优缺点及使用注意事项, 为GYRO-43型陀螺测斜仪的进一步推广应用奠定了基础。