CN102140913B - 钻探用小口径定向陀螺测斜仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钻探用小口径定向陀螺测斜仪，由井上控制装置和井下测量设备两部分组成；井下测量设备包括基于挠性陀螺的惯性短节，陀螺仪惯性短节包括由二个双自由度的小型挠性陀螺和三个互为正交的石英加速度计组成的传感器，二个双自由度的挠性陀螺互为正交由旋转骨架连接，三个石英加速度计互为正交由旋转骨架连接；所述陀螺和加速度计通过定位面直接安装在惯性体上，组成惯性测量组件，该组件通过一对轴承支撑在外壳上。本发明在测井过程中求解惯性导航方程获得测斜仪沿三个轴向的角度，实现实时的井眼测量输出油井的方位信息。具有体积小，成本低，精度高、测量速度快，可连续测量，可靠性高，耐高温高压、使用范围广的优点。

Description

钻探用小口径定向陀螺测斜仪

技术领域

本发明涉及石油测井、地质勘探用小口径定向陀螺测斜仪。

背景技术

    定向钻井是油气开发的重大技术之一，在国外一些发达国家已经得到应用。定向钻井所用的测斜定向仪，有各种的磁仪表和框架式陀螺仪表。但对小口径钻井测量已经不满足要求。尤其在我国仍大量使用的磁仪表（如磁通门）由于本身受地质和周围铁磁物质环境的影响，测量精度很低，甚至不能使用，一般的框架式陀螺仪表不仅精度低，而且直径大，使用前后的对准，校准也相当繁琐。因此，石油工业的开发急需一种小口径，使用方便，不受周围环境影响甚至可以在完井后的套管内或钻杆内进行测量的新型的陀螺测斜定向仪，以满足老油田的再开发，丛式井和加密井钻探的测量。

　　目前，在石油测井施工使用的测斜仪主要是磁通门式的测斜仪。它采用三轴正交角速度计测量地球重力加速度，三轴正交磁通门测量地磁场矢量。虽然这种测斜仪传感器性能可靠，但要求磁通门周围不能有任何铁磁物质。而老井有套管，无法给测斜仪提供良好的无磁环境，因此利用磁通门测量老井的井眼轨迹无法实现。另一方面，目前所有的陀螺测斜仪口径都在Φ60mm以上，耐压大都10Mp。

发明内容

　　针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种高精度连续测量的耐压强度大的钻探用小口径定向陀螺测斜仪。

　　本发明的目的是这样实现的：一种钻探用小口径定向陀螺测斜仪，包括井上控制装置和井下测量设备两部分；井上控制装置由计算机和控制单元组成，通过电缆连接井下测量设备，计算机实时跟踪显示井下测量设备的反馈信息；其特征在于，井下测量设备包括基于挠性陀螺的惯性短节，由马笼头、扶正器、采集遥测短节、陀螺仪惯性短节、加重短接、减震器和引鞋组成；采集遥测短节包括电子部件和通信模块，均为现有技术。

所述陀螺仪惯性短节包括转动电机，以及减速器、转动轴和传感器；传感器由二个双自由度的小型挠性陀螺和三个互为正交的石英加速度计组成，二个双自由度的第一小型挠性陀螺和第二小型挠性陀螺互为正交由旋转骨架连接，三个石英加速度计互为正交由旋转骨架连接；所述陀螺和加速度计通过定位面直接安装在惯性体上，组成惯性测量组件，该组件通过一对轴承支撑在外壳上。

本发明钻探用小口径定向陀螺测斜仪中，二个双自由度小型挠性陀螺和三个石英加速度计组成传感器，可静态单点测量也可连续测量，测量速度快，短时间内无需漂移修正。其可用于井眼轨迹复测，套管定向开窗侧钻。在有磁性干扰环境下的套管井，配合其他测井方法，指示测量仪器的方位，确定诸如磨损、水泥胶结等情况的方位。在各向异性地层中进行射孔作业时，采用陀螺仪定向，避免盲目射孔，增加射孔出油率。整个过程中，井上控制装置和井下测量设备保持通信，将测量数据发回地面用于存储和显示。所有与惯性短节和其相关的信号处理等都在井下测量设备内完成，这主要是为了测量的实时性以及准确性，同时也使得井上控制装置和井下测量设备之间的数据传输量最小。

　　本发明钻探用小口径定向陀螺测斜仪中，挠性陀螺的惯性短节系统的机械编排原理；根据惯性测量单元的特点，建立的传感器误差模型；采用静态点测对准初始姿态的方法。

　　本发明在测井过程中求解惯性导航方程获得测斜仪沿三个轴向的角度，来实现实时的井眼测量输出油井的方位信息。同时为了消除各种噪声干扰、陀螺的漂移，采用了数字滤波方法对测量数据进行了处理。

本发明的优点在于：体积小，成本低，精度高、测量速度快，可连续测量，可靠性高，耐高温高压、使用范围广。

采用本发明，抗振性能，测量精度、全方位连续测量等方面都有很大的优势。

附图说明

图1是本发明钻探用小口径定向陀螺测斜仪的结构示意图。

图2是本发明中井上控制装置示意图。

图3是本发明中陀螺仪惯性短节传感器的结构示意图。

图4是本发明中陀螺仪惯性短节嵌入式计算机的结构示意图。

具体实施方式

一种钻探用小口径定向陀螺测斜仪，包括井上控制装置和井下测量设备两部分；井上控制装置由计算机和控制单元组成，通过电缆连接井下测量设备，计算机实时跟踪显示井下测量设备的反馈信息。如图1所示，井下测量仪器包括基于挠性陀螺的惯性短节、相关的电子部件和通信模块，由马笼头1、扶正器2、采集遥测短节3、陀螺仪惯性短节4、加重短接6、减震器7和引鞋8组成。动力调谐陀螺是由下列元件组成：陀螺转子、挠性接头、力矩器、传感器、磁滞电机和密封壳体等元件组成。在陀螺底座上装有一对滚珠轴承，以支撑驱动电机轴的高速旋转，驱动轴一端装着电机的转子，另一端通过挠性接头装着陀螺转子，力矩器线圈骨架和传感器组件用螺钉与底座相连。陀螺底座两端的上、下端盖用电子束焊接并使陀螺密封。

陀螺仪惯性短节（惯性测量组）4作为测斜仪的核心部件，由陀螺转子、挠性接头、力矩器、传感器、磁滞电机和密封壳体等元件组成。在陀螺底座上装有一对滚珠轴承，以支撑驱动电机轴的高速旋转，驱动轴一端装着电机的转子，另一端通过挠性接头装着陀螺转子，力矩器线圈骨架和传感器组件用螺钉与底座相连。陀螺底座两端的上、下端盖用电子束焊接并使陀螺密封。所述挠性陀螺的口径小于50mm。

参见图3，陀螺仪惯性短节包括转动电机（47），以及减速器、转动轴和传感器（图中省略减速器、转动轴和传感器），传感器由二个双自由度的小型挠性陀螺（41、42）和三个互为正交的石英加速度计（43、44、45）组成，二个双自由度的第一小型挠性陀螺（41）和第二小型挠性陀螺（42）互为正交由旋转骨架连接，三个石英加速度计（43、44、45）互为正交由旋转骨架连接。所述两个小型挠性陀螺（41、42）为双轴动力调谐陀螺与三个石英加速度计，它们在设计上采用捷联式机械编排，所述陀螺和加速度计通过定位面直接安装在惯性体上，组成惯性测量组件，该组件通过一对轴承支撑在外壳上。惯性体对转控制机在测量点上的0°和180°上定位。惯性体组件的旋转轴与井下探管轴重合，通过探管扶正器2与井筒轴线平行。小型挠性陀螺和石英加速度计工作在力反馈状态，陀螺测量地球自转角速率分量，加速度计测量重力加速度分量。所测信号经采集编码通过单芯电缆送至地面仪器，经计算机解算可得出井筒的倾斜角、方位角和工具面角等参数。

惯性体是探管坐标系OXYZ的实体。一个陀螺和两个加速度计通过各自的定位面用螺钉固定在惯性体上，使陀螺的两个测量轴分别对准XYZ轴；两个加速度计的测量轴分别对准X轴和Y轴。它们测得的分量                                               

用来计算方位、倾斜和工具面角。

卡位机构46主要由转位电机、堵转销（设置在0度和180度的位置上）及堵转杆臂组成，静态点测时转位电机先转位到180度时，惯性组合体被堵转，然后再转回到0度位置，以此来消除掉陀螺零偏，提高测斜仪点测的定向精度；而当连续测量时，卡位机构一直将惯性组合体堵转在0度位置；由于采用堵转方式，这样就节省掉了光栅或光电码盘之类的读角及电机控制模块，有效的降低了成本，缩小了整个仪器的体积。

井下测量任务主要包括：1）依靠感应地球转速和重力加速度来完成静态点测，并为连续测量提供初值；2）根据惯性导航原理来完成仪器实时姿态计算，即连续测量；3）利用存储的标定数据在线对惯性器件进行精度补偿,避免了大运算量的信号处理方法（如kalman滤波等）；4）测量井下仪器温度；5）测量井深。

井上控制装置由计算机和控制单元组成，其包括地面接口箱、PC机、司钻显示器、打印机、深度测量单元、编码模块、外接ups电源和各种电缆等（可以配置地面油井测试车），通过电缆可上传数据实时显示井下测量信息。其他说明书省略的内容均为现有技术。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种钻探用小口径定向陀螺测斜仪，包括井上控制装置和井下测量设备两部分；井上控制装置由计算机和控制单元组成，通过电缆连接井下测量设备，计算机实时跟踪显示井下测量设备的反馈信息；其特征在于，井下测量设备包括基于挠性陀螺的惯性短节，由马笼头（1）、扶正器（2）、采集遥测短节（3）、陀螺仪惯性短节（4）、加重短接（6）、减震器（7）和引鞋（8）组成；

所述陀螺仪惯性短节包括卡位机构（46）、转动电机（47），以及减速器、转动轴和传感器；传感器由二个双自由度的小型挠性陀螺（41、42）和三个互为正交的石英加速度计（43、44、45）组成，二个双自由度的第一小型挠性陀螺（41）和第二小型挠性陀螺（42）互为正交由旋转骨架连接，三个石英加速度计（43、44、45）互为正交由旋转骨架连接；

所述陀螺和加速度计通过定位面直接安装在惯性体上组成惯性测量组件，该组件通过一对轴承支撑在外壳上；

惯性体对转控制机在测量点上的0°和180°上定位，惯性组合体的旋转轴与井下探管轴重合，通过探管扶正器（2）与井筒轴线平行；

卡位机构（46）主要由转位电机、设置在0度和180度的位置上的堵转销及堵转杆臂组成，静态点测时转位电机先转位到180度时，惯性组合体被堵转，然后再转回到0度位置，以此来消除掉陀螺零偏，提高测斜仪点测的定向精度；而当连续测量时，卡位机构一直将惯性组合体堵转在0度位置。

2.根据权利要求1所述的钻探用小口径定向陀螺测斜仪，其特征在于，所述挠性陀螺的口径小于50mm。

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