呂偉,李瑋燕,張龍,郭雙紅
(航天科工慣性技術(shù)有限公司,北京100070)
基于光纖陀螺儀的油井測繪系統(tǒng)
呂偉,李瑋燕,張龍,郭雙紅
(航天科工慣性技術(shù)有限公司,北京100070)
陀螺測斜儀是井身軌跡測量儀器,它利用慣性傳感器感應(yīng)地球重力和自轉(zhuǎn)的三維分量,利用捷聯(lián)慣導(dǎo)算法解算出載體姿態(tài)角變化,達(dá)到連續(xù)描繪井位曲線的目的。研制了一種用于油井軌跡測繪的光纖陀螺連續(xù)測斜儀。它采用雙軸光纖陀螺儀和3個(gè)加速度計(jì)組成慣性測量單元,在測角機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合下,能完成實(shí)時(shí)的姿態(tài)角解算。解決了靜態(tài)單點(diǎn)測量效率低的問題,實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)測量,可以保證光纖陀螺在175℃溫度環(huán)境下,至少連續(xù)工作6 h以上。實(shí)現(xiàn)了交流環(huán)境下的單芯電纜載波雙向數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)也達(dá)到節(jié)省成本和減小儀器外徑的工業(yè)使用目的。
油井測繪系統(tǒng);光纖陀螺連續(xù)測斜儀;加速度計(jì);數(shù)據(jù)傳輸
光纖陀螺連續(xù)測斜儀主要用于對老井(套管井)的井身軌跡進(jìn)行測量,以確定重新對其勘探開采的方案;在油井套管探傷及定向射孔時(shí),確定儀器方位值,常規(guī)的磁性定向儀器由于受到套管的磁場屏蔽影響,無法實(shí)現(xiàn)上述的功能要求。光纖陀螺連續(xù)測斜儀是一種基于慣性測量技術(shù)的高精度、耐沖擊振動(dòng)、不受磁場影響的自主定向儀器。近年來,中國相關(guān)廠家已相繼開發(fā)出了不同類型的陀螺測斜儀,其大多采用機(jī)械式陀螺,其抗振、抗沖擊性能差,在油田較惡劣的使用環(huán)境中易損壞。機(jī)械式陀螺測斜儀的測量方式均為定點(diǎn)測量,在運(yùn)動(dòng)過程中無法實(shí)時(shí)計(jì)算出姿態(tài)值,因而難以反映實(shí)際的井身軌跡,測井效率也大大下降。光纖陀螺儀為全固態(tài)的光學(xué)陀螺,光纖陀螺連續(xù)測斜儀具備連續(xù)測量且適應(yīng)惡劣力學(xué)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。
1.1 系統(tǒng)組成
光纖陀螺連續(xù)測斜儀由井下儀器、地面主機(jī)和數(shù)據(jù)處理軟件等組成(見圖1),其中井下儀器由探管、保護(hù)總成和保溫瓶等構(gòu)成,探管是整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部件。
圖1 光纖陀螺連續(xù)測斜儀系統(tǒng)組成圖
1.2 功能與用途
光纖陀螺連續(xù)測斜儀是井身軌跡測量儀器,主要用途是利用慣性傳感器感應(yīng)地球重力和自轉(zhuǎn)的三維分量,利用捷聯(lián)慣導(dǎo)算法解算出載體在測量過程中的姿態(tài)角變化和位置變化量,并據(jù)此描繪井位曲線[1]。陀螺測斜儀在測井領(lǐng)域還有其他作用,如與油井套管探傷儀器配合,可確定油井損傷的方位,為油井修復(fù)提供依據(jù);與射孔儀器配合使用,可確定射孔方位,針對油層方位,指導(dǎo)密集射孔,為提高采油效率奠定基礎(chǔ)。
1.3 工作原理
探管作為光纖陀螺連續(xù)測斜儀的核心部件,在實(shí)現(xiàn)慣性傳感器測量信息采集并經(jīng)過信號(hào)處理后,以曼徹斯特碼的形式將處理后的數(shù)據(jù)載波在電源線上發(fā)送到地面主機(jī)。地面主機(jī)通過單芯電纜,在以變流恒流源形式向井下探管供電的同時(shí),在電源線上疊加命令,并將數(shù)據(jù)解碼后傳送到地面計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)解算、處理并繪制井身曲線[2]。
光纖陀螺連續(xù)測斜儀解決的關(guān)鍵技術(shù)包括:研制適用于實(shí)際油井測量的小型雙軸光纖陀螺儀;光纖陀螺儀在高溫環(huán)境下的應(yīng)用;利用雙軸光纖陀螺,3個(gè)加速度計(jì)組成的慣性測量單元完成實(shí)時(shí)姿態(tài)角解算;變流環(huán)境下單芯電纜載波雙向數(shù)據(jù)傳輸[3-4]。
2.1 小型化光纖陀螺儀的研制
全固態(tài)的光纖陀螺抗沖擊、抗振動(dòng)性能優(yōu)越,使用簡單。精度優(yōu)于1°/h的單軸光纖陀螺直徑一般都在100 mm左右,如果再加上探管外殼、保溫瓶、保護(hù)總成,整個(gè)井下儀器的直徑無法滿足油井需要[5]。為實(shí)現(xiàn)小型化雙軸陀螺的研制,進(jìn)行了以下幾方面的設(shè)計(jì)。
(1)光纖敏感環(huán)在纏繞過程中采用優(yōu)化的繞制工藝,減少了由于尺寸太小而造成光泄露和光損耗的可能性,使光電探測器能夠檢測到相應(yīng)功率的光強(qiáng),從而保證了雙軸光纖陀螺的精度指標(biāo)。
(2)將整個(gè)組合分為光源、陀螺本體結(jié)構(gòu)2個(gè)部分,光源采用1個(gè)SLD光源,縮小了體積,減小了功耗,同時(shí)也降低了成本;2個(gè)陀螺的所有部件都安裝在本體上,水平方向和軸向的陀螺骨架分別安裝在本體的2端,整體更緊湊,體積更小巧。
(3)在有限的體積內(nèi)對雙軸陀螺進(jìn)行了整體磁屏蔽設(shè)計(jì),使易受磁場影響的光纖傳感環(huán)圈和電路置于屏蔽筒、上下端蓋組成的整體屏蔽環(huán)境內(nèi),在滿足最佳的屏蔽效果同時(shí),能確保陀螺儀本體和光纖陀螺測斜儀的整體安裝工藝最簡化,也降低了對陀螺測斜儀使用環(huán)境的苛刻要求。
(4)考慮到陀螺測斜儀在工作中需要旋轉(zhuǎn),則雙軸結(jié)構(gòu)的軸心一定要盡量靠近軸線,避免旋轉(zhuǎn)式的圓錐運(yùn)動(dòng),所以在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到整體的對稱性,光纖陀螺整體重心設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)軸附近,處理電路部件分別放置在兩側(cè),還專門附有配重板組件,這樣能保證整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中整體保持較穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)。
最終整體研制設(shè)計(jì)使光纖陀螺雙軸組合儀的最大外徑縮小到50 mm,并且雙軸陀螺的零偏穩(wěn)定性均優(yōu)于0.3°/h,滿足了光纖陀螺測斜儀總體要求。
2.2 光纖陀螺儀高溫下使用
光纖陀螺受光源溫度范圍的限制,其最高工作溫度不能高于65℃,井下的最高溫度可達(dá)175℃。光源在溫度較高情況下功耗變大,自身發(fā)熱加劇,更加速了儀器內(nèi)部溫升。通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行了解決了光纖陀螺在井下的溫度適應(yīng)性問題。
(1)在探管外加裝杜瓦保溫瓶,減緩?fù)獠凯h(huán)境溫度的傳遞,在測井時(shí)間內(nèi),保證雙軸光纖陀螺的正常工作。
(2)設(shè)計(jì)了蓄冷體,降低光纖陀螺溫度敏感點(diǎn)光源處的溫度。為光源設(shè)計(jì)了光源散熱體組件與蓄冷體相連,接觸面緊密配合利于其導(dǎo)熱,而且接觸面積做到最大,不僅對光源起到了保護(hù)作用,在減緩光源局部急劇溫升的同時(shí),還能避免光源局部溫度過高。
(3)陀螺光源屬于整個(gè)光纖陀螺中的主要發(fā)熱元件,因此將SLD光源及其驅(qū)動(dòng)電路與2個(gè)光纖傳感環(huán)圈和處理電路部分結(jié)構(gòu)分離,分別放置在不同的腔體內(nèi),并且在端蓋的連接處加了隔熱墊圈,可以最大限度地減少光源發(fā)熱對光纖敏感環(huán)圈的影響。
(4)為適應(yīng)實(shí)際使用中復(fù)雜的溫度變化環(huán)境,消除陀螺輸出隨環(huán)境溫度變化的漂移,根據(jù)工程實(shí)際使用情況,模擬溫度變化環(huán)境,進(jìn)行針對性的溫度特性實(shí)驗(yàn)并建立了相應(yīng)的溫度模型,依據(jù)溫度模型對陀螺輸出進(jìn)行補(bǔ)償,有效解決了光纖陀螺在惡劣環(huán)境下零偏穩(wěn)定性變差的問題,進(jìn)一步提高光纖陀螺在實(shí)際使用時(shí)的精度。
利用上述技術(shù)方法,可以保證光纖陀螺在175℃溫度環(huán)境下,至少連續(xù)工作6 h以上。
2.3 慣性測量單元改進(jìn)
在軍事、民用等領(lǐng)域用于定位定向的設(shè)備,基本上均采用三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)組成的慣性測量組合,為了達(dá)到節(jié)省成本和減小儀器外徑尺寸的目的,設(shè)計(jì)采用了雙軸光纖陀螺儀和三軸加速度計(jì)組成的慣性測量組合。減少一軸陀螺儀,就無法直接利用傳統(tǒng)的導(dǎo)航算法進(jìn)行姿態(tài)解算,而且在連續(xù)測量過程中,光纖陀螺的誤差累積效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的精度隨工作時(shí)間的增加而大大降低。通過以下幾個(gè)方面的措施解決上述難點(diǎn)
(1)工作模式劃分實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量。通過設(shè)計(jì)計(jì)算與仿真分析,將探管在井下的測量方式分為零速修正、小斜度測量和大斜度測量3種工作模式:零速修正模式主要進(jìn)行自尋北和陀螺漂移自我修正;小斜度測量模式主要在步進(jìn)電機(jī)的配合下進(jìn)行慣性導(dǎo)航姿態(tài)運(yùn)算;大斜度測量模式主要進(jìn)行方位角的物理解算。
(2)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)。為配合上述3種模式的工作,將所有的慣性測量器件安裝在可以旋轉(zhuǎn)的載體上,采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件,編碼器、陀螺和加速度計(jì)敏感的信息共同做為輸入量,保證3種模式間的正常感知、轉(zhuǎn)換和按相關(guān)的模式實(shí)施姿態(tài)角解算工作。
(3)零速修正模式消除陀螺漂移的影響。陀螺漂移誤將差隨時(shí)間積累,且漂移量隨溫度產(chǎn)生變化是光學(xué)陀螺的顯著特點(diǎn)。為了保證姿態(tài)測量精度,根據(jù)實(shí)際情況(間隔時(shí)間、姿態(tài)變化、溫度變化),智能地控制旋轉(zhuǎn)慣性體進(jìn)行零速修正,重新標(biāo)定陀螺的零偏,然后在后續(xù)的測量過程中自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。
通過上述手段使光纖陀螺連續(xù)測斜儀達(dá)到了斜度0.15°、方位1.5°的精度水平。
2.4 單芯電纜載波雙向數(shù)據(jù)傳輸
油田用電纜以單芯電纜居多,為滿足用戶需要,光纖陀螺連續(xù)測斜儀必須在單芯電纜上完成長距離供電、命令下傳和信號(hào)上傳、提供控制井下儀器的工作電源的工作。
系統(tǒng)采用變流恒流源供電方式,同時(shí)采用曼徹斯特碼(無附加直流電平)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和命令的發(fā)送。將數(shù)據(jù)載波在恒流源上,通過高可靠的傳碼、解碼電路進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā),控制命令疊加在數(shù)據(jù)上,通過先進(jìn)的解碼手段進(jìn)行識(shí)別。這樣只通過2個(gè)通道就完成了數(shù)據(jù)的通訊、命令的收發(fā)和儀器的變電流供電,不僅降低成本,而且可靠性非常高,保證儀器在單芯電纜的條件下,連續(xù)幾百小時(shí)無故障數(shù)據(jù)傳輸。
3.1 主要技術(shù)指標(biāo)
光纖陀螺連續(xù)測斜儀通過實(shí)驗(yàn)室及井下試驗(yàn)驗(yàn)證,主要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下。
測量方式:連續(xù)測量;
運(yùn)動(dòng)速度:0~3 000 m/h;
最低采樣速率:8點(diǎn)/m;
井斜角:測量范圍0°~90°時(shí),測量精度±0.15°;
方位角:測量范圍0°~360°時(shí),測量精度±1.5°(3°≤井斜角≤60°);測量精度±2.5°(1°≤井斜角≤3°、60°<井斜角<90°);
抗壓:不低于140 MPa;
抗振:5g,20~2 000 Hz;
抗沖擊:200g,1 ms;
工作溫度:-30℃~175℃(175℃工作不低于6 h)。
3.2 測井參數(shù)
光纖陀螺連續(xù)測斜儀完成研制后,進(jìn)行了2次現(xiàn)場井下試驗(yàn),并對冀東油田的5口井進(jìn)行了實(shí)際測量,其中1口井為點(diǎn)測量,其余4口井為連續(xù)測量。測井中儀器工作正常,性能穩(wěn)定,試驗(yàn)數(shù)據(jù)完全符合要求。測井情況見表1。
3.3 性能比較
將光纖陀螺測斜儀與美國SDI公司Keeper液浮陀螺測斜儀的性能進(jìn)行比較(見表2)。
表1 測井情況一覽表
表2 性能比較
光纖陀螺連續(xù)測斜儀解決了機(jī)械式陀螺儀的抗振性能差、不能連續(xù)測量及使用壽命短等一系列缺點(diǎn)。通過井下驗(yàn)證和性能對比,表明其能滿足工程的需要。
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An Oil Well Trajectory Surveying System Based on FOG
LU Wei,LI Weiyan,ZHANG Long,GUO Shuanghong
(ASIT CO.LTD,Beijing 100070,China)
Gyroscope inclinometer is a kind of well trajectory surveying instrument.During the measuring process,it uses inertial transducers to sense the gravity and three dimensional rota
tions of the earth,and then uses the strapdown inertial navigation algorithm to get the gesture variance of the carrier and finally the trajectory of the well.Introduced is a new kind of gyroscope inclinometer used for oil well trajectory survey.It uses an inertial measurement unit,which is made up of a double-axial fiber optic gyroscope and 3 accelerometers,to accomplish the real-time carrier gesture resolution with the assistance of the angular measuring mechanism and motor driv
ing mechanism.This instrument can realize high efficiency trajectory surveying comparing with the traditional single point measuring process and work over 6 h continually at temperature of 175℃.The oil well trajectory surveying system realizes duplex data transmission of single core cable in alternating current situation and fulfills the industrial application requirements of cost and equipment diameter reduction.
oil well surveying system,fiber optic gyroscope(FOG)continuous inclinometer,accelerometer,data transmission
1004-1338(2011)06-0581-04
P631.83
A
呂偉,男,1981年生,碩士,從事慣性導(dǎo)航及自動(dòng)控制方面的工作。
2011-06-01 本文編輯 王小寧)