关于陀螺测井仪在滨南油区中的改进与应用

【摘 要】这些年来，定向井、丛式井技术在我国发展很快，从钻井、完井到投产后的过程中都需要对井斜进行监测或检测，特别在下套管井或在地磁异常地区，用磁法来确定井斜的方位角成为不可能的了。GYRO 型陀螺测斜仪，是高科技技术产品。它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，而且具有自动寻北的功能。使用时只需输入当地地理纬度即可实现真北方位测量，是一种先进的惯导级陀螺测量仪器。

【关键词】陀螺测斜；工作原理；应用

0.引言

GYRO型陀螺仪优点是不需要在地面校北，而是在井下直接寻北，它的温漂很小，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。是一种性能好，成本低，体积小的陀螺方位测井仪。它采用双自由度挠性陀螺及三个加速度计作为测量元件，可解算出倾斜角，方位角，方向角等信息。

1.仪器的工作原理

GYRO陀螺测斜仪又叫全姿态陀螺仪，区别于其他陀螺仪的特征是可以在任意姿态下启动、任意姿态下工作、任意姿态下断电、并可给出任意姿态下准确的测量结果。GYRO型陀螺仪所使用的陀螺传感器是挠性陀螺传感器，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倾斜、参数的测量。

GYRO型陀螺测斜仪的核心部件是惯性测量组，它包括一个双轴动力调谐陀螺和三个石英加速度计，它们在设计上采用捷联式机械编排，因此必须设计具有精密定位基准的惯性体。陀螺传感器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被支撑在外壳上。惯性体组件由对转控制机构在测量点上的0°和180°上定位。惯性体组件的旋转轴与井下探管轴重合，通过探管扶正器又可认为与井筒轴线平行。动力调谐陀螺和加速度计都工作在力反馈状态，陀螺传感器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系统，经计算机计算可得出井筒的倾斜角、方位角等参数。

2.测井仪器连接结构的改进

在施工现场仪器连接上还存在一点不足，GYRO型陀螺测斜仪的电源短节和测量短节是通过12芯插头连接后完成信号传输，在现场经常遇到插头承重部位弯曲。

2.1仪器结构

GYRO 型陀螺仪的井下仪器由两部分组成，分别是电源短节和测量短节。

2.1.1电源短节的作用

为陀螺仪提供+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。内部由多个高温电源模块组成，输入直流电压范围是80V-130V，输出分别是±15V，±12V和±5V；结构上，外部无保温瓶，由外壳保护。

2.1.2测量短节的作用

采集传感器数据并完成与外部通讯。测量短节命令下发、数据采集和数据上传的过程：陀螺仪解码下发命令：缆头传进来下发曼码命令，通过隔直传给通讯板。通讯板把下发的曼码数据放大，翻转和电平比较传给通讯板CPU。CPU解码地面下发的命令后，控制陀螺仪采样板，信号板，直流电机，光耦板通讯总线和控制电平，通讯板解码后负责各个模块的通讯和数据上传。

2.1.3传感器数据采集

采样板负责采集三个加速度计和温度传感器的数据，输入采样板的信号是模拟信号，经过A＼D转换后传给采样板上的CPU；信号板负责为陀螺传感器提供励磁信号和力矩器扶正电流，采集陀螺传感器的扶正信号（模拟信号）和陀螺温度传感器输出信号，经过A＼D转换后传给信号板上的CPU。采样板和信号板上的CPU和通讯板上的CUP时钟和片选信号同步，采样板和信号板把所采集的传感器数据传给通讯板，由通讯板上传给地面，再由地面系统解码，再由数据处理终端显示在计算机上。由数据处理终端显示在计算机上。

2.2改进前仪器在工作中的弊端

GYRO型陀螺测斜仪的电源短节和测量短节是通过12芯插头实现对接在现场施工过程中，12芯插头在实现电源短节与测量短节的通讯时还承担两者连接的拉力和扭力。12芯插针容易扭曲、变形而无法实现两者的连接，给仪器元器件造成损伤，而且返厂维修一次就是2000元费用，针对这一现状，结合仪器的实际情况，我们提出了改进GYRO型测斜仪器连接插头的想法。

2.3 GYRO型陀螺仪器的改进

2.3.1带螺丝扣插针式接头

从减少连接插针的受力方面考虑，将12芯插头改进为半圆形公母扣对接，对接牢靠，不易损害。为了减少原有插头所受的扭力，我们最初选用了一种带有刚性外壳的连接线。在连接试验的过程中却发现，刚性外壳一方面外径较大，另一方面连接线会出现折线的现象，易导致断线的发生，使得测井任务无法完成。

2.3.2定位销式接头

连接吸取以上的经验教训，再一次对问题进行了剖析，探讨和总结，最终确定出了如下的方案：从减少连接插针的受力方面及易于插针与插孔的对接两个方面着手进行了改进。此种定位销式连接插头采纳后，我们对此进行了地面试验，下井试验以及多次实际测井使用，现场反应的情况是良好的，不但没有发现问题，还为工作带来了很大的便利，更易于仪器的连接，仪器插针不再出现扭曲等等。此项建议十分适合在GYRO型测斜仪器中推广使用。

3.仪器在采油厂开发中的实际应用

由于陀螺仪采用石英伺服重力加速度计和单片机技术，在测量中提高了测量小斜度方位的精度，也提高了测量的可靠性。

GYRO 型陀螺仪，在现场应用中证明了仪器的可靠性和资料的可信性，而且在资料的应用上通过采集的“三图一表”进行资料解释，即直观又准确。对老井井斜数据校正、井网归位等方面有很好的实际效果，对于油田开发后期，为套管大修提供数据，为研究套管损坏机理提供可靠的资料，尤其在丛式井、老井的井迹测量中，GYRO型陀螺测井是必需的仪器。

4.经济效益

GYRO 型陀螺仪接头改进后实施陀螺测井的工作任务，全部快速完成对接，提高了现场施工的工作效率及工作质量。该仪器技改后简便易行，适合在监测系统推广。

4.1经济效益

（1）新接头加工成本2000元。

（2）原接头每季更换一个2000元。

（3）年经济效益：2000*4-2000=6000元。

4.2社会效益

有效提高了测井成功率，为地质部门提供准确详实的测井数据；降低了仪器故障率，减少了维修仪器带来的怠工。

5.结论

自从改进GYRO型陀螺测斜仪的连接接头后，在现场对接简便快速，方便施工，降低了仪器的故障率，同时提高了仪器的稳定性能，提高了工作效率，又为现场创造了可观的经济效益。

【参考文献】

[1]石油仪器，2010（04）.

[2]测井技术，2001（03）.

[3]张桂才.光纤陀螺原理与技术，国防工业出版社，2008.

[4]王国臣.激光陀螺速率稳定性测试仪的设计与实现，传感技术学报，2008.21.