CN102155214B - 陀螺测斜仪检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陀螺测斜仪检测装置，该装置由主控操作台、电子接加温装置、陀螺惯性体加温旋转装置三部分构成；主控操作台包括主控计算机（1）、通讯电源接口箱（2）、工作台（3）、显示器（4）、温度控制箱（5）、伺服电机旋转控制箱（6）；电子接加温装置由内筒（7a）、外筒（8a）、加温层（9a）、支架（10）构成；陀螺惯性体加温旋转装置由加温旋转筒、垂直伺服电机系统、水平伺服电机系统、移动支架（19）构成。本发明通过模拟井下工作环境，对陀螺惯性体在不同温度、不同井斜角、不同井斜方位角下的灵敏度进行检测，得出仪器的综合性能指标，避免仪器带故障下井，保证仪器的测量精度，延长仪器的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够模拟井下工况，检测油田定方位射孔使用的陀螺测斜仪的检测装置。
背景技术
定方位射孔技术，在油田推广应用中见到了一定的增产增注效果，市场需求量也在逐年增多。定方位射孔技术是用电缆下入陀螺测斜仪来精确测量角度，确定井下射孔枪的方向，并在井口转动管柱调整到预定的射孔方位，确保射孔定位方向的准确性。同时经过几年的现场应用表明，由于油井深度不一，井下的温度变化相当大，井下陀螺测斜仪在使用过程中的性能参数变化仅靠地面常温检验无法准确评价或判断故障所在，严重影响定方位射孔施工质量和进度，所以模拟井下特定温度条件下，对陀螺仪的各项参数进行检测，评价陀螺仪的技术性能显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种陀螺测斜仪检测装置，通过分析待检陀螺测斜仪在不同的工作温度下的测量精度及稳定性，得出陀螺测斜仪的综合技术性能指标，保证陀螺测斜仪的测量精度，进而保证陀螺测斜仪定方位射孔方位精度。
本发明通过以下技术方案来实现：模拟井下工况的陀螺测斜仪检测装置，该装置由主控操作台、电子接加温装置、陀螺惯性体加温旋转装置三部分构成；
主控操作台包括主控计算机、通讯电源接口箱、工作台、显示器、温度控制箱、伺服电机旋转控制箱；
电子接加温装置由内筒、外筒、加温层、支架构成，内筒内部装有电子接，内筒、外筒和加温层架装在支架上，内筒和外筒之间为加温层，加温层上装有线路接口；电子接加温装置内装有温度感应探头；
陀螺惯性体加温旋转装置由加温旋转筒、垂直伺服电机系统、水平伺服电机系统、移动支架构成，所述的加温旋转筒由内筒、外筒、加温层构成，内筒内部装有陀螺惯性体，内筒和外筒之间为加温层，加温层上装有线路接口，加温旋转筒内装有温度感应探头；垂直伺服电机系统由固定夹、横轴、同轴连接器、步进电机、编码器组成，夹住加温旋转筒的固定夹固定在横轴上，步进电机的轴一端通过同轴连接器与横轴连接，另一端与编码器连接；所述的水平伺服电机系统由竖轴、同轴连接器、步进电机、编码器组成，步进电机的轴一端通过同轴连接器与竖轴连接，另一端与编码器连接；所述的垂直伺服电机系统坐装在水平转盘上，水平转盘与水平伺服电机系统的竖轴固定连接，水平伺服电机系统安装在移动支架上；
主控操作台中的主控计算机分别和温度控制箱、伺服电机旋转控制箱连接，温度控制箱分别与电子接加温装置以及陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒连接，伺服电机旋转控制箱与陀螺惯性体加温旋转装置的垂直伺服电机系统、水平伺服电机系统分别连接；电子接加温装置中的温度感应探头、陀螺惯性体加温旋转装置中的温度感应探头、垂直伺服电机系统中的编码器、水平伺服电机系统中的编码器分别与主控计算机连接；电子接一端与陀螺惯性体连接，一端与通讯电源接口箱连接；陀螺惯性体一端和电子接连接，一端与通讯电源接口箱连接，通讯电源接口箱和主控计算机连接。
陀螺测斜仪的检测方法是通过主控计算机控制温度控制箱分别给电子接加温装置以及陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒设定温度值，电子接加温装置以及陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒加热后，由温度感应探头感应温度后将数据传回主控计算机，当温度达到所设定的温度值时自动停止加温并保持温度恒定；通过主控计算机控制伺服电机旋转控制箱给定陀螺惯性体加温旋转装置的水平转动角度和垂直转动角度后，垂直伺服电机系统、水平伺服电机系统旋转后，由编码器测量角度后将数据传回主控计算机，当角度达到所设定的角度值时自动停止旋转；通过通讯电源接口箱给陀螺惯性体以及和其相连接的电子接供电；陀螺惯性体测得的角度通过通讯电源接口箱进行采集接收，传给主控计算机进行处理；通过在不同的温度下的陀螺惯性体测得的参数与设定的参数进行对比，判定陀螺测斜仪当前的技术性能指标。
采用上述技术方案的积极效果：本发明通过模拟井下工作环境，对陀螺测斜仪的惯性体进行加温、旋转，并在不同温度、不同井斜角、不同井斜方位角下的工况下，检测陀螺惯性体的灵敏度，将该装置测得的各项技术参数与设定的各项参数逐项进行对比，通过对这些技术参数的分析就可得出仪器的综合性能指标，避免仪器带故障下井，损伤价格昂贵的陀螺惯性体，从而保证了仪器的测量精度，进而保证了陀螺测斜仪定方位射孔方位精度，同时延长了仪器的使用寿命，提高了油井的增产增注效果。
四、附图说明
图1是主控操作台的结构示意图；
图2是电子节加温装置的结构示意图；
图3是陀螺惯性体加温旋转装置的结构示意图；
图4是本发明的控制过程框图；
图5是温度控制电路原理图；
图6是井斜角和方位角的测量电路原理图。
图中：1主控计算机，2通讯电源接口箱，3工作台，4显示器，5温度控制箱，6伺服电机旋转控制箱，7a、7b内筒，8a、8b外筒，9a、9b加温层，10支架，11a、11b线路接口，12a、12b保温层，13固定夹，14横轴，15a、15b同轴连接器，16a、16b步进电机，17a、17b编码器，18竖轴，19移动支架，20水平转盘，21a、21b温度感应探头。
五、具体实施方式：下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是主控操作台的结构示意图，如图所示，主控操作台包括主控计算机1、通讯电源接口箱2、工作台3、显示器4、温度控制箱5、伺服电机旋转控制箱6，工作台3用于执行各项操作，显示器4用于显示各种操作数值；主控计算机1分别和温度控制箱5、伺服电机旋转控制箱6连接，温度控制箱5分别与电子接加温装置以及陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒连接，控制电子接加温装置以及陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒的温度。伺服电机旋转控制箱6与陀螺惯性体加温旋转装置的垂直伺服电机系统、水平伺服电机系统分别连接，控制垂直伺服电机系统的垂直转动角度，以及水平伺服电机系统的水平转动角度。
图2是电子节加温装置的结构示意图，如图所示，电子接加温装置由内筒7a、外筒8a、加温层9a、支架10构成，内筒7a内部装有电子接，电子接一端与陀螺惯性体连接，一端与通讯电源接口箱2连接，通讯电源接口箱2和主控计算机1连接。内筒7a、外筒8a和加温层9a架装在支架10上，内筒7a和外筒8a之间为加温层9a，加温层9a上装有线路接口11a。线路接口11a用于和温度控制箱5进行连接，用于对电子接加温装置进行温度控制。为了更好的保持温度恒定，可在加温层9a和外筒8a之间设置保温层12a，防止热量外流，保持加温后的电子节温度恒定。电子接加温装置内装有温度感应探头21a，温度感应探头21a与主控计算机1连接。
图3是陀螺惯性体加温旋转装置的结构示意图，如图所示，陀螺惯性体加温旋转装置由加温旋转筒、垂直伺服电机系统、水平伺服电机系统、移动支架19构成。所述的加温旋转筒由内筒7b、外筒8b、加温层9b构成，内筒7b内部装有陀螺惯性体，陀螺惯性体一端和电子接连接，一端与通讯电源接口箱2连接，通讯电源接口箱2和主控计算机1连接。内筒7b和外筒8b之间为加温层9b，加温层9b上装有线路接口11b。线路接口11b用于和温度控制箱5进行连接，用于对加温旋转筒进行温度控制。为了更好的保持温度恒定，可在加温层9b和外筒8b之间设置保温层12b，防止热量外流，保持加温后的陀螺惯性体温度恒定。加温旋转筒内装有温度感应探头21b，温度感应探头21b与主控计算机1连接。
垂直伺服电机系统由固定夹13、横轴14、同轴连接器15a、步进电机16a、编码器17a组成，夹住加温旋转筒的固定夹13固定在横轴14上，步进电机16a的轴一端通过同轴连接器15a与横轴14连接，另一端与编码器17a连接。步进电机16a发生转动时，带动同轴连接器15a发生转动，与同轴连接器15a连接的横轴14会带动固定夹13转动，结果导致加温旋转筒在垂直于地面的平面上发生转动，产生垂直旋转角度。编码器17a与主控计算机1连接，可以随时记录步进电机16a的旋转角度，并将记录的参数传给主控计算机1。
水平伺服电机系统由竖轴18、同轴连接器15b、步进电机16b、编码器17b组成，步进电机16b的轴一端通过同轴连接器15b与竖轴18连接，另一端与编码器17b连接。当步进电机16b发生转动时，由于同轴连接器15b的传动作用，带动竖轴18一起发生转动。垂直伺服电机系统坐装在水平转盘20上，水平转盘20与水平伺服电机系统的竖轴18固定连接，水平伺服电机系统安装在移动支架19上。因此，当水平伺服电机系统转动时，会带动水平转盘20发生转动，整体带动加温旋转筒在与地面水平的平面上发生位移，由此产生水平旋转角度。编码器17b与主控计算机1连接，可以随时记录步进电机16b的旋转角度，并将记录的参数传给主控计算机1。
图4是本发明的控制过程框图，如图所示，一种陀螺测斜仪的检测方法，通过主控计算机1控制温度控制箱5分别给电子接加温装置以及陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒设定温度值，电子接加温装置以及陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒加热后，由电子接加温装置中的温度感应探头21a、陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒中的温度感应探头21b感应温度后将数据传回主控计算机1，当温度达到所设定的温度值时自动停止加温并保持温度恒定。通过主控计算机1控制伺服电机旋转控制箱6给定陀螺惯性体加温旋转装置的水平转动角度和垂直转动角度后，垂直伺服电机系统、水平伺服电机系统旋转后，由垂直伺服电机系统中的编码器17a、水平伺服电机系统中的编码器17b测量角度后将数据传回主控计算机1，当角度达到所设定的角度值时自动停止旋转。通过通讯电源接口箱2给陀螺惯性体以及和其相连接的电子接供电。陀螺惯性体测得的角度通过通讯电源接口箱2进行采集接收，传给主控计算机1进行处理；通过在不同的温度下的陀螺惯性体测得的参数与设定的参数进行对比，判定陀螺测斜仪当前的技术性能指标。
图5是温度控制电路原理图，如图所示，选用感温快、线性好的PT100铂电阻作为温度感应探头21a和温度感应探头21b，能快速反映加温筒内温度的变化情况。温度感应探头21a和温度感应探头21b的内阻随温度的变化而线性变化，测温电路就是利用这种线性变化关系，根据温度感应探头的内阻的微小变化，将其转变为电压信号的微差变化。当温度作用于温度感应探头PT100铂电阻时，使PT100铂电阻的电阻值发生变化，该电阻值变化量经集成电路IC1（LM124）组成的差分放大器，得到与温度成正比的电压值；此电压值经压频转换器即集成电路IC2（AD573SH）转换为与电压值成正比的脉冲频率，电位器RP2为调低端温度的电位器，电位器RP3为调高端温度的电位器；再经过集成电路IC3（uA741）跟随缓冲及集成电路IC4（4N28）的电平转换、光电隔离输出等相关处理，最终变成与温度变化相关联的幅值约为16V，宽度约为35us的脉冲频率量变化输出，送给主控计算机1进行下一步的温度计算与处理。
图6是井斜角和方位角的测量电路原理图，如图所示，插头J1分别与编码器17a、编码器17b连接，来自编码器17a、编码器17b内光栅相差90°的方波信号先经过集成电路U1（4N28）、集成电路U2（4N28）光电隔离，以消除光栅与测量电路之间共同接地的相互影响，然后通过集成电路U3（74HC14）施密特电路及集成电路U4（74HC08）等进行滤波、整形，由集成电路U5（74HC4538）再把该信号整理成约30us窄脉冲，送给输出端的的光电隔离电路完成电平转换工作，生成计算、处理与旋转角度、转动方向等相关的幅度约为18V、宽度约30us的计数脉冲信号，送给主控计算机1进行下一步的计算与处理。此外，由四个集成电路U6（74HC00）组成的光栅信号辨向电路，还把经集成电路U5（74HC4538）整理的窄脉冲信号同时转变成TTL高低电平信号，通过双色LED发光管指示出来。
现以模拟井深2000米的油井为例，说明陀螺测斜仪的检测方法。由于陀螺测斜仪在使用时需要用电缆下到2000米的深井中，测量油井的井斜角以及方位角，需要很高的精度。井下2000米的地层温度约为80℃，因此，需要用陀螺测斜仪检测装置模拟80℃的井下工作环境。先将电子接置于电子接加温装置的内筒中，将陀螺惯性体置于陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒内，电子接和陀螺惯性体之间通过通讯电缆连接，电子接的另一端通过通讯电缆与通讯电源接口箱2连接，陀螺惯性体的另一端也通过通讯电缆与通讯电源接口箱2连接，再将通讯电源接口箱2与主控计算机1连接。将电子接加温装置和陀螺惯性体加温旋转装置分别通过电缆与温度控制箱5连接，并且，将陀螺惯性体加温旋转装置中的垂直伺服电机系统、水平伺服电机系统分别通过电缆与伺服电机旋转控制箱6连接，温度控制箱5和伺服电机旋转控制箱6与主控计算机1连接。
首先，工作人员在工作台3上进行操作，设定温度，即80℃，通过主控计算机1控制温度控制箱5，分别控制电子接加温装置以及陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒的温度，电子接加温装置以及陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒开始加热，位于电子接加温装置内的温度感应探头21a和陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒内的温度感应探头21b随时感应温度的变化，通过如图5所示的温度控制电路，将温度参数转化成幅值约为16V，宽度约为35us的脉冲频率量变化输出，传回主控计算机1进行处理，当温度达到所设定的温度值，即80℃，主控计算机1发出停止加温的信号，电子接加温装置以及陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒停止加温并保持温度恒定在80℃。
然后，在工作台3上分别输入一定的垂直转动角度和水平转动角度，分别代表井斜角和方位角，如垂直转动角度为10°，水平转动角度为45°，即模拟的是井深2000米、井斜角10°、方位角45°的深井。通过主控计算机1控制伺服电机旋转控制箱6分别控制陀螺惯性体加温旋转装置的水平转动角度和垂直转动角度，开始运行后，垂直伺服电机系统中的步进电机16a发生转动，通过同轴连接器15a带动横轴14发生转动，由于夹住加温旋转筒的固定夹13固定在横轴14上，因此，加温旋转筒开始在垂直于地面的平面上发生转动，由编码器17a随时记录步进电机16a旋转的角度，并且通过如图6所示的井斜角和方位角的测量电路将角度参数转化成幅度约为18V、宽度约30us的计数脉冲信号，传回主控计算机1进行处理。当垂直转动角度达到所设定的值，即10°，主控计算机1发出停止旋转的信号，步进电机16a停止转动。
同时，水平伺服电机系统中的步进电机16b也开始转动，通过同轴连接器15b带动竖轴18发生转动，由于垂直伺服电机系统整体坐装在水平转盘20上，水平转盘20与水平伺服电机系统的竖轴18固定连接，因此，步进电机16b的转动会带动水平转盘20发生转动，整体带动加温旋转筒在与地面水平的平面上发生位移，由此产生水平旋转角度，由编码器17b随时记录步进电机16b旋转的角度，并且通过如图6所示的井斜角和方位角的测量电路将角度转化成幅度约为18V、宽度约30us的计数脉冲信号，传回主控计算机1进行处理。当水平转动角度达到所设定的值，即45°，主控计算机1发出停止旋转的信号，步进电机16b停止转动。
加温旋转筒在垂直伺服电机系统和水平伺服电机系统的带动下发生转动后，位于陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒内的陀螺惯性体则检测出垂直转动角度和水平转动角度，通讯电源接口箱2对陀螺惯性体的检测参数进行采集，并传回主控计算机1，主控计算机1运算后，将数值显示在显示器4上。将陀螺惯性体的检测参数与预先设定的参数进行对比，如果陀螺惯性体检测的井斜角与设定的转动角度误差不超过0.5%，则说明陀螺惯性体无故障，可以下井。如果陀螺惯性体检测的井斜角与设定的转动角度误差超过了0.5%，说明陀螺惯性体有故障，已经出现了比较大的误差，尽量避免下井，应该立即维修保护。
Claims (2)
1.一种陀螺测斜仪检测装置，其特征在于：该装置由主控操作台、电子接加温装置、陀螺惯性体加温旋转装置三部分构成；
所述的主控操作台包括主控计算机（1）、通讯电源接口箱（2）、工作台（3）、显示器（4）、温度控制箱（5）、伺服电机旋转控制箱（6）；
所述的电子接加温装置由内筒（7a）、外筒（8a）、加温层（9a）、支架（10）构成，内筒（7a）内部装有电子接，内筒（7a）、外筒（8a）和加温层（9a）架装在支架（10）上，内筒（7a）和外筒（8a）之间为加温层（9a），加温层（9a）上装有线路接口（11a）；电子接加温装置内装有温度感应探头（21a）；
所述的陀螺惯性体加温旋转装置由加温旋转筒、垂直伺服电机系统、水平伺服电机系统、移动支架（19）构成，所述的加温旋转筒由内筒（7b）、外筒（8b）、加温层（9b）构成，内筒（7b）内部装有陀螺惯性体，内筒（7b）和外筒（8b）之间为加温层（9b），加温层（9b）上装有线路接口（11b），加温旋转筒内装有温度感应探头（21b）；垂直伺服电机系统由固定夹（13）、横轴（14）、同轴连接器（15a）、步进电机（16a）、编码器（17a）组成，夹住加温旋转筒的固定夹（13）固定在横轴（14）上，步进电机（16a）的轴一端通过同轴连接器（15a）与横轴（14）连接，另一端与编码器（17a）连接；所述的水平伺服电机系统由竖轴（18）、同轴连接器（15b）、步进电机（16b）、编码器（17b）组成，步进电机（16b）的轴一端通过同轴连接器（15b）与竖轴（18）连接，另一端与编码器（17b）连接；所述的垂直伺服电机系统坐装在水平转盘（20）上，水平转盘（20）与水平伺服电机系统的竖轴（18）固定连接，水平伺服电机系统安装在移动支架（19）上；
所述的主控操作台中的主控计算机（1）分别和温度控制箱（5）、伺服电机旋转控制箱（6）连接，温度控制箱（5）分别与电子接加温装置以及陀螺惯性体加温旋转装置中的加温旋转筒连接，伺服电机旋转控制箱（6）与陀螺惯性体加温旋转装置中的垂直伺服电机系统、水平伺服电机系统分别连接；电子接加温装置中的温度感应探头（21a）、陀螺惯性体加温旋转装置中的温度感应探头（21b）、垂直伺服电机系统中的编码器（17a）、水平伺服电机系统中的编码器（17b）分别与主控计算机（1）连接；电子接一端与陀螺惯性体连接，一端与通讯电源接口箱（2）连接；陀螺惯性体一端和电子接连接，一端与通讯电源接口箱（2）连接，通讯电源接口箱（2）和主控计算机（1）连接。
2.一种权利要求1所述的陀螺测斜仪的检测方法，其特征在于：通过主控计算机（1）控制温度控制箱（5）分别给电子接加温装置以及陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒设定温度值，电子接加温装置以及陀螺惯性体加温旋转装置的加温旋转筒加热后，由温度感应探头（21a、21b）感应温度后将数据传回主控计算机（1），当温度达到所设定的温度值时自动停止加温并保持温度恒定；通过主控计算机（1）控制伺服电机旋转控制箱（6）给定陀螺惯性体加温旋转装置的水平转动角度和垂直转动角度后，垂直伺服电机系统、水平伺服电机系统旋转后，由编码器（17a、17b）测量角度后将数据传回主控计算机（1），当角度达到所设定的角度值时自动停止旋转；通过通讯电源接口箱（2）给陀螺惯性体以及和其相连接的电子接供电；陀螺惯性体测得的角度通过通讯电源接口箱（2）进行采集接收，传给主控计算机（1）进行处理；通过在不同的温度下的陀螺惯性体测得的参数与设定的参数进行对比，判定陀螺测斜仪当前的技术性能指标。
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