CN102562031B - 一种定向井连续陀螺测斜系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向井连续陀螺测斜系统，它包括计算机、控制箱和测斜仪，该计算机的串口与该控制箱的通讯口连接，该控制箱的电缆接口经由电缆与该测斜仪的端部连接，其中：该测斜仪包括依次相连的电缆头、上扶正器、仪器短节、下扶正器、加重杆、减震器和引鞋，该电缆头的连接端与该电缆连接。本发明可全方位、连续测量井眼轨迹，测量精度高，效率高，可在定向钻井、井迹测量中使用。

Description

一种定向井连续陀螺测斜系统

技术领域

本发明涉及一种基于惯性技术实现的定向井连续陀螺测斜系统，属于石油工业中定向井技术领域。

背景技术

测斜仪器是石油及天然气井、煤矿矿井中进行井眼轨迹测量时被广泛使用的一种测量工具。目前，国内外大多采取将磁通门传感器或机械陀螺或光纤陀螺与加速度计相组合的方式来测量井眼的方位角、井斜角和工具面角。

磁通门式测斜仪具有结构简单、价格低、性能稳定的优点，但是，该仪器无法对定向井等有磁性干扰的油井进行测量。

机械陀螺式测斜仪可以弥补磁通门式测斜仪的上述缺憾，但是，定向井的井眼体积小，目前国内还没有出现小型化且可保证精度的机械陀螺来实现仪器轴向角速率的测量，而国外的小型、高精度机械陀螺对国内禁运，国内需求无法满足。

光纤陀螺式测斜仪中的光纤陀螺虽为固态结构，并具有可靠性高、耐冲击、低功耗和动态范围大的优点，但是，其同样具有体积大、易受温度影响的缺陷，无法满足目前的测斜要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定向井连续陀螺测斜系统，该系统能全方位连续测量井眼轨迹，测量效率高。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种定向井连续陀螺测斜系统，其特征在于：它包括计算机、控制箱和测斜仪，该计算机的串口与该控制箱的通讯口连接，该控制箱的电缆接口经由电缆与该测斜仪的端部连接，其中：该测斜仪包括依次相连的电缆头、上扶正器、仪器短节、下扶正器、加重杆、减震器和引鞋，该电缆头的连接端与该电缆连接；该仪器短节包括短节体，该短节体的上、下端分别设有上接头、下接头，在该短节体内依次设有上吸热器、电源、控制器、测量短节和下吸热器，该上吸热器与该上接头相邻，该下吸热器与该下接头相邻，该电源为该控制器和该测量短节供电；该测量短节包括保温瓶，该保温瓶内设有短节骨架，该短节骨架上依次设有旋转骨架、旋转变压器和直流伺服电机，该旋转骨架上依次设有第一加速度计、微型动力调谐陀螺、第二加速度计、动力调谐陀螺，该第一加速度计、微型动力调谐陀螺、第二加速度计沿该旋转骨架的径向方向设置，该微型动力调谐陀螺的一个敏感轴与该旋转骨架的旋转轴平行，该动力调谐陀螺与该旋转骨架同轴设置，该旋转骨架的轴接端经由该旋转变压器与该直流伺服电机的输出轴连接，该直流伺服电机驱动该旋转骨架绕自身旋转轴旋转，该旋转骨架上设有温度传感器，该温度传感器、第一加速度计、第二加速度计、微型动力调谐陀螺、动力调谐陀螺、旋转变压器的信号端口经由信号线与该控制器的信号端口连接，该直流伺服电机、微型动力调谐陀螺的控制端口经由控制线与该控制器的控制端口连接；该控制器包括信号处理电路和通讯电路，该信号处理电路包括平台伺服回路电路、电压转电流转换电路、相位比较及除法运算电路、采样滤波放大电路、数模转换电路、模数转换电路和数字信号处理器，该通讯电路包括功率放大电路、比较器、滤波器、放大器和耦合器，其中：该温度传感器、第一加速度计、第二加速度计、动力调谐陀螺的信号端分别经由相应的采样滤波放大电路与该模数转换电路上相应的输入端连接，该旋转变压器的信号端经由该相位比较及除法运算电路与该模数转换电路上相应的输入端连接，该模数转换电路的输出端与该数字信号处理器上相应的IO端连接，该微型动力调谐陀螺的信号端经由该电压转电流转换电路与该数模转换电路的输出端连接，该数模转换电路的输入端与该数字信号处理器上相应的IO端连接，该微型动力调谐陀螺的控制端经由该平台伺服回路电路与该直流伺服电机的控制端连接；该耦合器的信号输出端依次经由该放大器、滤波器、比较器与该数字信号处理器上相应的IO端连接，该耦合器的信号输入端经由功率放大电路与该数字信号处理器上相应的IO端连接，该耦合器的通讯端与该电缆连接。

所述旋转骨架的一端设有滑环，从所述温度传感器、第一加速度计、第二加速度计、微型动力调谐陀螺、动力调谐陀螺、旋转变压器的信号端口引出的所述信号线穿设过该滑环后与所述控制器的信号端口连接；从所述直流伺服电机、微型动力调谐陀螺的控制端口引出的所述控制线经由所述短节骨架上开设的槽而与所述控制器的控制端口连接。

所述第一加速度计、第二加速度计为石英挠性加速度计。

本发明具有如下优点：

本发明基于惯性原理以及建立的角速率误差和加速度误差数学模型，在消除零偏、温漂等误差的基础上，实现了测斜仪静态下初始寻北作业以及动态、连续、全方位测斜功能，且对测斜误差可进行重力和地速补偿，真正实现了对井迹动态连续地准确测量，大大提高了井迹测量精度和效率。

由于本发明设置有保温瓶，因此，处于高温或低温等恶劣环境下时，本发明仍可正常使用，不受环境温度影响，工作可靠性高。

本发明体积小，成本低，可全方位、连续测量井眼轨迹，测量精度高，效率高，可在定向钻井、井迹测量中使用，不仅可适用于石油及天然气井、煤矿矿井，还可适用于定向井等有磁性干扰的油井，且对于小井斜下、大井斜下情形均可适用。

附图说明

图1是本发明定向井连续陀螺测斜系统的组成示意图；

图2是本发明的仪器短节的结构示意图；

图3是本发明的测量短节的结构示意图；

图4是本发明的信号处理电路和通讯电路的组成框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明定向井连续陀螺测斜系统包括计算机10、控制箱20和测斜仪40，计算机10和控制箱20置于地面，测斜仪40置于井下进行测量，该计算机10的串口与该控制箱20的通讯口连接，该控制箱20的电缆接口经由千米电缆30与该测斜仪40的端部连接，控制箱20用于把计算机10的控制信号进行功率放大并耦合到电缆30上，向井下设备传输，另外，控制箱20对接收到的井下设备发送来的采集信号可进行调制、滤波和比较，从而最终将解码结果传送到计算机10上。如图1，该测斜仪40包括依次首尾相连的电缆头41、上扶正器42、仪器短节43、下扶正器44、加重杆45、减震器46和引鞋47，该电缆头41的连接端与该电缆30连接，用于连接固定电缆30，而电缆30与测斜仪40中相应的器件连接。

如图2所示，仪器短节43包括短节体437，该短节体437的上、下端分别设有上接头431、下接头438，在该短节体437内，从短节体437的一端至另一端依次设有上吸热器432、电源433、控制器434、测量短节435和下吸热器436，该上吸热器432与该上接头431相邻，该下吸热器436与该下接头438相邻，该测量短节435上的控制端口、信号端口分别与该控制器434上的控制端口、信号端口相连，该控制器434上的通讯端口与该电缆30相连，该上、下吸热器432、436的控制端口与该电缆30相连，该电源433为该控制器434和该测量短节435等供电，该电源433可选用高电压输入的开关电源。

如图3所示，测量短节435包括保温瓶211，该保温瓶211内设有短节骨架209，在该短节骨架209上，从短节骨架209的一端至另一端依次设有旋转骨架208、旋转变压器206和直流伺服电机207，在该旋转骨架208上，从旋转骨架208的一端至另一端依次设有第一加速度计202、微型动力调谐陀螺203、第二加速度计204、动力调谐陀螺205。该第一加速度计202、微型动力调谐陀螺203、第二加速度计204沿该旋转骨架208的径向方向设置在该旋转骨架208上。以第一加速度计202为例说明，此处所谓的“径向方向设置” 是指第一加速度计202的中心轴沿旋转骨架208的一个径向方向设置，该径向方向处于与该旋转骨架208的旋转轴500垂直的一个平面内，其为公知术语，不再给出图示说明。该微型动力调谐陀螺203的一个敏感轴与该旋转骨架208的旋转轴500平行，该微型动力调谐陀螺203具有多个敏感轴，在本发明中，只令其中一个敏感轴与旋转轴500平行即可实现本发明达到的功能。该动力调谐陀螺205与该旋转骨架208同轴设置，此处的“同轴” 是指动力调谐陀螺205的中心轴与该旋转骨架208的旋转轴500处于同一直线上。该动力调谐陀螺205用来测量地球自转角速度的两个水平分量，该第一加速度计202、第二加速度计204分别用来测量测斜仪40在井下的两个水平分量，从而通过这两个水平分量来计算测斜仪40轴向加速度。该旋转骨架208的轴接端(该轴接端即为旋转轴500的一端)经由该旋转变压器206与该直流伺服电机207的输出轴连接。一般，旋转骨架208的旋转轴500即设定为其中心轴，且旋转骨架208的旋转轴500与该测量短节435的中心轴同轴，短节骨架209也可设置为与该旋转骨架208同轴，因此，该旋转变压器206的具体设置可为：其定子沿短节骨架209的轴向方向设置，其转子套接在该直流伺服电机207的输出轴上，该旋转变压器206用于测量该旋转骨架208的旋转位移，从而精确控制旋转骨架208的旋转角度。该直流伺服电机207驱动该旋转骨架208绕自身旋转轴500旋转，而该直流伺服电机207的旋转受微型动力调谐陀螺203的控制，该直流伺服电机207的旋转角度即为微型动力调谐陀螺203的旋转角度。该旋转骨架208上设有温度传感器210，该温度传感器210用于测量温度数值，从而对微型动力调谐陀螺203进行温漂误差消除，该温度传感器210、第一加速度计202、第二加速度计204、微型动力调谐陀螺203、动力调谐陀螺205、旋转变压器206的信号端口经由信号线与控制器434的信号端口连接，该直流伺服电机207、微型动力调谐陀螺203的控制端口经由控制线与控制器434的控制端口连接。

如图3，旋转骨架208的一端设有滑环201，该滑环201的活动端设于该旋转骨架208上，该滑环201的定子端设于该短节骨架209上，该第一加速度计202与该滑环201相邻，从温度传感器210、第一加速度计202、第二加速度计204、微型动力调谐陀螺203、动力调谐陀螺205、旋转变压器206的信号端口引出的信号线穿设过该滑环201后与控制器434的信号端口连接，该滑环201用于使通过其内的信号线可以实现任意角度的旋转，而从直流伺服电机207、微型动力调谐陀螺203的控制端口引出的控制线可经由短节骨架209上开设的槽而与控制器434的控制端口连接。

在实际设计中，第一加速度计202、第二加速度计204可选为石英挠性加速度计。

如图4所示，控制器434包括信号处理电路301和通讯电路302，该信号处理电路301包括平台伺服回路电路3011、电压转电流转换电路3012、相位比较及除法运算电路3013、采样滤波放大电路3014、3015、3016、3017、数模转换电路3018、模数转换电路3019和数字信号处理器3020，该通讯电路302包括功率放大电路3021、比较器3024、滤波器3023、放大器3022和耦合器3025，其中：

温度传感器210、第一加速度计202、第二加速度计204、动力调谐陀螺205的信号端分别经由采样滤波放大电路3017、3015、3016、3014与该模数转换电路3019上相应的输入端连接，旋转变压器206的信号端经由该相位比较及除法运算电路3013与该模数转换电路3019上相应的输入端连接，该模数转换电路3019的输出端与该数字信号处理器3020上相应的IO端连接，微型动力调谐陀螺203的信号端经由该电压转电流转换电路3012与该数模转换电路3018的输出端连接，该数模转换电路3018的输入端与该数字信号处理器3020上相应的IO端连接，微型动力调谐陀螺203的控制端经由该平台伺服回路电路3011与该直流伺服电机207的控制端连接；

该耦合器3025的信号输出端依次经由该放大器3022、滤波器3023、比较器3024与该数字信号处理器3020上相应的IO端连接，该耦合器3025的信号输入端经由功率放大电路3021与该数字信号处理器3020上相应的IO端连接，该耦合器3025的通讯端与电缆30连接。

在实际设计中，该数模转换电路3018可选用数模转换器AD5742构成，该模数转换电路3019可由两个6路并行16位模数转换器AD7656构成，该数字信号处理器3020可选用TMS320F2812芯片。

在本发明中，计算机10、控制箱20、电缆30、电缆头41、上扶正器42、下扶正器44、加重杆45、减震器46、引鞋47、上、下接头431、438、上吸热器432、电源433、下吸热器436、保温瓶211、温度传感器210、第一加速度计202、第二加速度计204、动力调谐陀螺205、微型动力调谐陀螺203、旋转变压器206、直流伺服电机207、滑环201均为公知设备或器件，而平台伺服回路电路3011、电压转电流转换电路3012、相位比较及除法运算电路3013、采样滤波放大电路3014、3015、3016、3017、数模转换电路3018、模数转换电路3019、数字信号处理器3020、功率放大电路3021、比较器3024、滤波器3023、放大器3022、耦合器3025均为本领域的熟知电路或器件，故不在这里详述。

本发明的工作过程和工作原理为：

将本发明的测斜仪40放置井底，首先进行初始寻北作业，具体为：

通过计算机10向井下测斜仪40中的控制器434发送寻北指令，该寻北指令经由耦合器3025、放大器3022、滤波器3023、比较器3024后传送给数字信号处理器3020，数字信号处理器3020将接收到的寻北指令进行解码后，根据寻北指令发出设定电压信号，该设定电压信号经由电压转电流转换电路3012转换成相应电流后输送给微型动力调谐陀螺203的力矩器(此时与力矩器主端通讯)，使微型动力调谐陀螺203旋转预定角度。微型动力调谐陀螺203经由平台伺服回路电路3011将角度信号传送给直流伺服电机207，直流伺服电机207受微型动力调谐陀螺203的控制，由于微型动力调谐陀螺203旋转预定角度，从而直流伺服电机207也带动旋转骨架208绕自身旋转轴500旋转预定角度。当旋转骨架208旋转时，旋转变压器206采集此时旋转骨架208的旋转位移信息并经由相位比较及除法运算电路3013处理，经由模数转换电路3019进行模数转换，而后送入数字信号处理器3020，使数字信号处理器3020根据接收到的旋转位移信息来精确控制旋转骨架208的旋转。当旋转骨架208旋转到预定位置时，温度传感器210、第一加速度计202、第二加速度计204、动力调谐陀螺205便各自采集相应信息，温度传感器210采集温度信息并经由采样滤波放大电路3017处理，经由模数转换电路3019模数转换后，送入数字信号处理器3020，动力调谐陀螺205采集角速率信息(地球自转角速度的两个水平分量)并经由采样滤波放大电路3014处理，经由模数转换电路3019模数转换后，送入数字信号处理器3020，第一加速度计202、第二加速度计204采集加速度信息(第一加速度计202、第二加速度计204分别采集此时测斜仪40在井下的两个水平分量)并分别经由采样滤波放大电路3015、3016处理，经由模数转换电路3019模数转换后，送入数字信号处理器3020。数字信号处理器3020接收到这些信息后，便可通过寻北算法(公知算法)进行分析处理，计算出测斜仪40此时所处位置的真实地速和加速度，最终得到初始的井斜角、方位角、工具面、陀螺工具面。

较佳地，可采取多位置的初始寻北。以四位置为例，使旋转骨架208分别旋转0、90度、180度和360度，在该四个位置上，第一加速度计202、第二加速度计204、动力调谐陀螺205分别进行测量，数字信号处理器3020对第一加速度计202、第二加速度计204、动力调谐陀螺205分别在四个位置上所测得的结果进行相减对消，从而基本消除这些器件的初始零偏，实现初始对准。并且，可根据温度传感器210测得的温度信息来对微型动力调谐陀螺203进行温度漂移误差的消除。

然后，控制箱20便可控制测斜仪40沿井向上慢慢移动。在测斜仪40向上运动的过程中，测斜仪40实时测量其在井下的方位。下面以测斜仪40运动到某一位置时为例进行说明。

当测斜仪40运动到某一位置时，由于微型动力调谐陀螺203的一个敏感轴与旋转骨架208的轴向方向(旋转轴500)平行，此时微型动力调谐陀螺203敏感旋转骨架208轴向方向的角速率(旋转骨架208的角速率为轴向的非地球自转角速率)，微型动力调谐陀螺203根据对旋转骨架208轴向方向的敏感角度以及伺服模式(小井斜下、大井斜下分别设计有不同的伺服模式，对应的单轴伺服算法(属公知算法)也不同)经由平台伺服回路电路3011来控制直流伺服电机207的旋转角度，使直流伺服电机207带动旋转骨架208旋转。在旋转骨架208旋转的过程中，根据地速和重力加速度在旋转骨架208轴向投影的变化及根据温度传感器210测得的温度信息而计算出的微型动力调谐陀螺203的温度漂移，通过补偿算法(公知算法)将补偿信号经由数模转换电路3018、电压转电流转换电路3012传送给微型动力调谐陀螺203，从而对微型动力调谐陀螺203进行地速补偿(此时与力矩器的副端通讯而进行补偿)。数字信号处理器3020根据动力调谐陀螺205采集的角速率信息、第一加速度计202和第二加速度计204采集的加速度信息、旋转变压器206采集的旋转骨架208的旋转位移信息以及角速率误差数学模型和加速度误差数学模型(公知技术)，通过相应的单轴伺服算法(公知算法)进行分析处理，计算出测斜仪40此时所处位置的工具面、陀螺工具面、真实地速、加速度等，最终得到此时测斜仪40所处位置的井斜角、方位角，然后数字信号处理器3020将得到的井斜角、方位角信息编码后经由功率放大电路3021、耦合器3025发送到电缆30上，继而通过控制箱20传送给计算机10。

由上可见，通过测斜仪40在井下各个位置对井斜角及方位角进行实时连续的测量，便可得到该井的井眼轨迹。

本发明具有如下优点：

本发明基于惯性原理以及建立的角速率误差和加速度误差数学模型，在消除零偏、温漂等误差的基础上，实现了测斜仪静态下初始寻北作业以及动态、连续、全方位测斜功能，且对测斜误差可进行重力和地速补偿，真正实现了对井迹动态连续地准确测量，大大提高了井迹测量精度和效率。

由于本发明设置有保温瓶，因此，处于高温或低温等恶劣环境下时，本发明仍可正常使用，不受环境温度影响，工作可靠性高。

本发明体积小，成本低，可全方位、连续测量井眼轨迹，测量精度高，效率高，可在定向钻井、井迹测量中使用，不仅可适用于石油及天然气井、煤矿矿井，还可适用于定向井等有磁性干扰的油井，且对于小井斜下、大井斜下情形均可适用。

上述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种定向井连续陀螺测斜系统，其特征在于：它包括计算机、控制箱和测斜仪，该计算机的串口与该控制箱的通讯口连接，该控制箱的电缆接口经由电缆与该测斜仪的端部连接，其中：

该测斜仪包括依次相连的电缆头、上扶正器、仪器短节、下扶正器、加重杆、减震器和引鞋，该电缆头的连接端与该电缆连接；

该仪器短节包括短节体，该短节体的上、下端分别设有上接头、下接头，在该短节体内依次设有上吸热器、电源、控制器、测量短节和下吸热器，该上吸热器与该上接头相邻，该下吸热器与该下接头相邻，该电源为该控制器和该测量短节供电；

该测量短节包括保温瓶，该保温瓶内设有短节骨架，该短节骨架上依次设有旋转骨架、旋转变压器和直流伺服电机，该旋转骨架上依次设有第一加速度计、微型动力调谐陀螺、第二加速度计、动力调谐陀螺，该第一加速度计、微型动力调谐陀螺、第二加速度计沿该旋转骨架的径向方向设置，该微型动力调谐陀螺的一个敏感轴与该旋转骨架的旋转轴平行，该动力调谐陀螺与该旋转骨架同轴设置，该旋转骨架的轴接端经由该旋转变压器与该直流伺服电机的输出轴连接，该直流伺服电机驱动该旋转骨架绕自身旋转轴旋转，该旋转骨架上设有温度传感器，该温度传感器、第一加速度计、第二加速度计、微型动力调谐陀螺、动力调谐陀螺、旋转变压器的信号端口经由信号线与该控制器的信号端口连接，该直流伺服电机、微型动力调谐陀螺的控制端口经由控制线与该控制器的控制端口连接；

该控制器包括信号处理电路和通讯电路，该信号处理电路包括平台伺服回路电路、电压转电流转换电路、相位比较及除法运算电路、采样滤波放大电路、数模转换电路、模数转换电路和数字信号处理器，该通讯电路包括功率放大电路、比较器、滤波器、放大器和耦合器，其中：该温度传感器、第一加速度计、第二加速度计、动力调谐陀螺的信号端分别经由相应的采样滤波放大电路与该模数转换电路上相应的输入端连接，该旋转变压器的信号端经由该相位比较及除法运算电路与该模数转换电路上相应的输入端连接，该模数转换电路的输出端与该数字信号处理器上相应的IO端连接，该微型动力调谐陀螺的信号端经由该电压转电流转换电路与该数模转换电路的输出端连接，该数模转换电路的输入端与该数字信号处理器上相应的IO端连接，该微型动力调谐陀螺的控制端经由该平台伺服回路电路与该直流伺服电机的控制端连接；该耦合器的信号输出端依次经由该放大器、滤波器、比较器与该数字信号处理器上相应的IO端连接，该耦合器的信号输入端经由功率放大电路与该数字信号处理器上相应的IO端连接，该耦合器的通讯端与该电缆连接。

2.如权利要求1所述的定向井连续陀螺测斜系统，其特征在于：

所述旋转骨架的一端设有滑环，从所述温度传感器、第一加速度计、第二加速度计、微型动力调谐陀螺、动力调谐陀螺、旋转变压器的信号端口引出的所述信号线穿设过该滑环后与所述控制器的信号端口连接；

从所述直流伺服电机、微型动力调谐陀螺的控制端口引出的所述控制线经由所述短节骨架上开设的槽而与所述控制器的控制端口连接。

3.如权利要求1所述的定向井连续陀螺测斜系统，其特征在于：

所述第一加速度计、第二加速度计为石英挠性加速度计。