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钻井井孔倾斜测量系统

1.光纤陀螺钻孔测斜仪

陀螺钻孔测斜仪是一种不受地磁干扰和周围境磁性影响的钻孔轨迹测量仪器,主要用于磁性矿区钻孔、套管、钻杆等进行钻孔轨迹测量,当然也可在其他不受磁干扰的钻孔中进行轨迹测量。测井用陀螺仪较之航空器用陀螺仪,受其使用环境的影响具有以下特点。 

◆ 体积要求严格,尤其直径要小,要求形成仪器后适应套管井井径要求,甚至能在开天窗时从钻杆投入;

◆ 较强的抗振性,测钻开天窗或投入井底时,不会损坏陀螺本体;

◆ 宽温要求,即仪器能在125°环境中正常工作至少2小时且在环境温度-10-125°范围内仪器总体精度满足设计要求。

陀螺仪从结构和制造工艺上陀螺仪可以分为机械陀螺、光学陀螺、半导体陀螺。其中机械陀螺又有框架陀螺、动力调谐陀螺、液浮速率积分陀螺、静电陀螺。光学陀螺主要有激光和光纤陀螺2种。

综合比较以上各种陀螺的特点,光纤陀螺在井下测斜方面具有无可比拟的优势。光纤陀螺仪现代光纤陀螺仪是根据sagnac理论发展起来的。sagnac理论的要点是:当光束在一个环形的通道中前进时,如果环形通道本身具有一个转动速度,那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时,在不同的前进方向上,光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化,如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度,这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪。光纤陀螺仪的基本光学器件有光源、耦合器、起偏器,光纤线圈、检测器等。光纤陀螺组件多为半导体器件,相互之间靠接插连接,并直接焊接在印刷电路板上。光纤陀螺使用在石油仪器上克服了机械式陀螺的几乎所有缺点,诸如抗振性差、磁场变化、漂移力矩因素多、工作受环境温度影响大等。光纤陀螺是十分适用于陀螺测斜仪的方位传感器。 光纤陀螺的重要本体缺陷是组成器件造价昂贵,抗 高温能力较差。且为了保证精度,采用越来越多的光纤 匝数,因而导致体积相对较大。解决的方法是通过外加装高效保温瓶,使光纤陀螺仪最高工作环境温度保证在80°以下,这样可以基本满足4000米以内井深的测量需求。对应于油井井径限制,通过改变光纤缠绕方式, 可以使其直径得到有效缩小,满足放置在钻杆中的要求。由无锡慧联科技有限公司和北京大学合作研制的AgileLight-IM系列光纤陀螺是专门为油井测斜所定制的光纤陀螺,该陀螺外径只有32mm, 量程±4°,零偏0.5°/hr(热平衡下0.2°/hr), 比例因子0.000125, 带宽10Hz。抗冲击100g,使用温度范围-40°~+75,寿命55000小时,在运输和使用过程中对环境没有特殊要求,非常适宜在测斜仪中使用。


测斜仪组成和原理测斜仪主要包括地面部分和井下部分,地面部分和井下部分通过测井电缆相连。测斜仪结构图地面部分地面部分主要包括信号接收和解码电路、深度显示、地面电源和计算机。信号接收和解码电路的作用是接收从井下发送到地面的信号,解码后再转发到地面计算机进行处理。深度显示部分是接收绞车控制系统的光电脉冲信号,将其转变成深度值并显示。地面电源的功能是将交流电源转变成直流电源,供井下传感器和电路部分使用,与信号接收和解码电路以及深度显示等组装在一起,成为地面控制箱。地面计算机的功能是根据井下发送到地面的陀螺和加速度计信号值,计算出仪器所在钻孔位置的空间方位,即顶角、方位角和工具面角,同时通过其发出控制指令对井下仪器进行不同的操作。井下部分井下部分包括光纤陀螺和加速度计传感器组成的惯性体组件、电机、井下二次电源、数据采集及编码电路和陀螺、加速度计二次电路等。

陀螺测斜仪是利用惯性导航技术来进行钻孔测量,它利用了惯性导航装置自主性强、导航精度高、可靠性好的特点,采用光纤陀螺和加速度计传感器组成的捷联式寻北系统,通过陀螺测量出地球自转角速率的分量、通过加速度计测量地球重力加速度分量,再通过相关公式计算出钻孔顶角、方位角和工具面角。陀螺测斜仪具有以下特点:

◆ 漂移小、精度高、各测点之间的数据没有关联,消除了以往陀螺测斜仪的累计误差,有效地提高 了钻孔轨迹测量结果的准确性。

◆ 工作过程自动寻北,不需要地面初始定向,测量前后均无需校北,消除了人为误差。

◆ 不受地质和周围环境影响,抗磁性干扰,可在钻杆、磁性套管及磁性矿区使用。

光纤陀螺测斜仪克服了以往陀螺测斜仪的所有不足,山东盛和电子的系列光纤陀螺仪专门为测斜仪定制,性价比高,使用方便,质量可靠,经多家使用单位测试,性能完全满足要求,是广大测斜仪厂家的理想选择。

2.高精度双轴倾角传感器

      钻孔测斜仪是地球物理测井技术的重要组成部分。通用测斜仪采用重力加速度计来测量倾角,其温度性能、抗振动能力差且价格高昂,无法满足井下作业需要。山东盛和电子有限公司的高精度双轴倾角传感器,其体积小、抗跌落性和抗振动性均优于通用的重力加速度计。
山东盛和电子有限公司基于倾角传感器的钻孔测斜仪产品优势如下
    ◆ 采用倾角传感器代替通用重力加速度计,其体积小,抗跌落性和抗振动性及成本等指标均有很大改进。
    ◆ 用一个双轴倾角传感器代替通用的3个重力加速度计,使安装结构简化。

       由于该传感器测量倾角时对温度特性、稳定性和对称性有一定要求,安装传感器时要尽量保证位置的精确性,确保每次测量时3个轴位置的一致性,避免安装不当带来的测量误差。
    ◆ 倾角传感器能够进行全方位测量。
    ◆ 通过应用实际测量得到的标定数据对散点图进行分析,得出倾角推算值的回归模型。借助提出的算法对数据进行误差补偿。

       光纤倾角传感器性能指标:
    ◆ 测量范围为1 g,应用在测斜仪中,具有过阻尼敏感元,能避免振动的影响。通过使用单独的温度补偿,以及通过补偿倾斜面中的角度安装误差,能使测量非常准确。

    ◆ 双轴倾角传感器;

    ◆ 测量范围±90度;

    ◆ 内置温度传感器;

    ◆ 长期稳定性能指标优于0.002度,抗冲击能力强;

    ◆ 高分辨率,低噪声,工作温度范围宽;

    ◆ 有过阻尼感应元件,能够承受大于20000g的机械振动。
       由于实测方法、实验环境等一些外界因素的影响,不可避免地会产生随机干扰和误差。在进行补偿函数的分析方法中,数据拟合与插值都是用来找出自变量与因变量的关系。其中插值对于初始数据有误差时也将继承其误差并且高次插值会导致计算复杂度增大且整体趋势性不好。而拟合具有很好的整体相似性,且比插值函数有更好的趋势性。
       对数据进行拟合时,决定自变量与因变量的关系,原则上首先是根据理论上是什么关系,然后尽可能地将其变换为线性关系进行拟合,因此自变量与因变量的确定对补偿函数的精确度起着重要的作用。将双轴倾角传感器应用在钻孔测斜仪中测量倾角,工程上要求误差补偿的结果应保证倾角在±40度时使实际误差尽可能小。

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