基于光纖陀螺儀的油井測繪系統

呂偉，李瑋燕，張龍，郭雙紅

（航天科工慣性技術有限公司，北京100070）

基于光纖陀螺儀的油井測繪系統

呂偉，李瑋燕，張龍，郭雙紅

（航天科工慣性技術有限公司，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地球重力和自轉的三維分量，利用捷聯慣導算法解算出載體姿態角變化，達到連續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測斜儀。它采用雙軸光纖陀螺儀和3個加速度計組成慣性測量單元，在測角機構和驅動機構的配合下，能完成實時的姿態角解算。解決了靜態單點測量效率低的問題，實現高速連續測量，可以保證光纖陀螺在175℃溫度環境下，至少連續工作6 h以上。實現了交流環境下的單芯電纜載波雙向數據傳輸，同時也達到節省成本和減小儀器外徑的工業使用目的。

油井測繪系統；光纖陀螺連續測斜儀；加速度計；數據傳輸

0 引 言

光纖陀螺連續測斜儀主要用于對老井（套管井）的井身軌跡進行測量，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，確定儀器方位值，常規的磁性定向儀器由于受到套管的磁場屏蔽影響，無法實現上述的功能要求。光纖陀螺連續測斜儀是一種基于慣性測量技術的高精度、耐沖擊振動、不受磁場影響的自主定向儀器。近年來，中國相關廠家已相繼開發出了不同類型的陀螺測斜儀，其大多采用機械式陀螺，其抗振、抗沖擊性能差，在油田較惡劣的使用環境中易損壞。機械式陀螺測斜儀的測量方式均為定點測量，在運動過程中無法實時計算出姿態值，因而難以反映實際的井身軌跡，測井效率也大大下降。光纖陀螺儀為全固態的光學陀螺，光纖陀螺連續測斜儀具備連續測量且適應惡劣力學環境的優點。

1 系統概述

1.1 系統組成

光纖陀螺連續測斜儀由井下儀器、地面主機和數據處理軟件等組成（見圖1），其中井下儀器由探管、保護總成和保溫瓶等構成，探管是整個系統的核心組成部件。

圖1 光纖陀螺連續測斜儀系統組成圖

1.2 功能與用途

光纖陀螺連續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地球重力和自轉的三維分量，利用捷聯慣導算法解算出載體在測量過程中的姿態角變化和位置變化量，并據此描繪井位曲線［1］。陀螺測斜儀在測井領域還有其他作用，如與油井套管探傷儀器配合，可確定油井損傷的方位，為油井修復提供依據；與射孔儀器配合使用，可確定射孔方位，針對油層方位，指導密集射孔，為提高采油效率奠定基礎。

1.3 工作原理

探管作為光纖陀螺連續測斜儀的核心部件，在實現慣性傳感器測量信息采集并經過信號處理后，以曼徹斯特碼的形式將處理后的數據載波在電源線上發送到地面主機。地面主機通過單芯電纜，在以變流恒流源形式向井下探管供電的同時，在電源線上疊加命令，并將數據解碼后傳送到地面計算機。數據處理系統軟件負責數據解算、處理并繪制井身曲線［2］。

2 關鍵技術與創新

光纖陀螺連續測斜儀解決的關鍵技術包括：研制適用于實際油井測量的小型雙軸光纖陀螺儀；光纖陀螺儀在高溫環境下的應用；利用雙軸光纖陀螺，3個加速度計組成的慣性測量單元完成實時姿態角解算；變流環境下單芯電纜載波雙向數據傳輸［3－4］。

2.1 小型化光纖陀螺儀的研制

全固態的光纖陀螺抗沖擊、抗振動性能優越，使用簡單。精度優于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、保護總成，整個井下儀器的直徑無法滿足油井需要［5］。為實現小型化雙軸陀螺的研制，進行了以下幾方面的設計。

（1）光纖敏感環在纏繞過程中采用優化的繞制工藝，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功率的光強，從而保證了雙軸光纖陀螺的精度指標。

（2）將整個組合分為光源、陀螺本體結構2個部分，光源采用1個SLD光源，縮小了體積，減小了功耗，同時也降低了成本；2個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）在有限的體積內對雙軸陀螺進行了整體磁屏蔽設計，使易受磁場影響的光纖傳感環圈和電路置于屏蔽筒、上下端蓋組成的整體屏蔽環境內，在滿足最佳的屏蔽效果同時，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境的苛刻要求。

（4）考慮到陀螺測斜儀在工作中需要旋轉，則雙軸結構的軸心一定要盡量靠近軸線，避免旋轉式的圓錐運動，所以在設計時考慮到整體的對稱性，光纖陀螺整體重心設計在轉軸附近，處理電路部件分別放置在兩側，還專門附有配重板組件，這樣能保證整個系統在運動過程中整體保持較穩定的旋轉。

最終整體研制設計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定性均優于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175℃。光源在溫度較高情況下功耗變大，自身發熱加劇，更加速了儀器內部溫升。通過以下幾個方面進行了解決了光纖陀螺在井下的溫度適應性問題。

（1）在探管外加裝杜瓦保溫瓶，減緩外部環境溫度的傳遞，在測井時間內，保證雙軸光纖陀螺的正常工作。

（2）設計了蓄冷體，降低光纖陀螺溫度敏感點光源處的溫度。為光源設計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熱，而且接觸面積做到最大，不僅對光源起到了保護作用，在減緩光源局部急劇溫升的同時，還能避免光源局部溫度過高。

（3）陀螺光源屬于整個光纖陀螺中的主要發熱元件，因此將SLD光源及其驅動電路與2個光纖傳感環圈和處理電路部分結構分離，分別放置在不同的腔體內，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熱對光纖敏感環圈的影響。

（4）為適應實際使用中復雜的溫度變化環境，消除陀螺輸出隨環境溫度變化的漂移，根據工程實際使用情況，模擬溫度變化環境，進行針對性的溫度特性實驗并建立了相應的溫度模型，依據溫度模型對陀螺輸出進行補償，有效解決了光纖陀螺在惡劣環境下零偏穩定性變差的問題，進一步提高光纖陀螺在實際使用時的精度。

利用上述技術方法，可以保證光纖陀螺在175℃溫度環境下，至少連續工作6 h以上。

2.3 慣性測量單元改進

在軍事、民用等領域用于定位定向的設備，基本上均采用三軸陀螺儀和三軸加速度計組成的慣性測量組合，為了達到節省成本和減小儀器外徑尺寸的目的，設計采用了雙軸光纖陀螺儀和三軸加速度計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的導航算法進行姿態解算，而且在連續測量過程中，光纖陀螺的誤差累積效應會導致整個系統的精度隨工作時間的增加而大大降低。通過以下幾個方面的措施解決上述難點

（1）工作模式劃分實現連續測量。通過設計計算與仿真分析，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電機的配合下進行慣性導航姿態運算；大斜度測量模式主要進行方位角的物理解算。

（2）內部旋轉體設計。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的載體上，采用步進電機作為驅動部件，編碼器、陀螺和加速度計敏感的信息共同做為輸入量，保證3種模式間的正常感知、轉換和按相關的模式實施姿態角解算工作。

（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間積累，且漂移量隨溫度產生變化是光學陀螺的顯著特點。為了保證姿態測量精度，根據實際情況（間隔時間、姿態變化、溫度變化），智能地控制旋轉慣性體進行零速修正，重新標定陀螺的零偏，然后在后續的測量過程中自動進行補償。

通過上述手段使光纖陀螺連續測斜儀達到了斜度0.15°、方位1.5°的精度水平。

2.4 單芯電纜載波雙向數據傳輸

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、命令下傳和信號上傳、提供控制井下儀器的工作電源的工作。

系統采用變流恒流源供電方式，同時采用曼徹斯特碼（無附加直流電平）的方式進行數據的傳輸和命令的發送。將數據載波在恒流源上，通過高可靠的傳碼、解碼電路進行數據收發，控制命令疊加在數據上，通過先進的解碼手段進行識別。這樣只通過2個通道就完成了數據的通訊、命令的收發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，連續幾百小時無故障數據傳輸。

3 主要測井性能

3.1 主要技術指標

光纖陀螺連續測斜儀通過實驗室及井下試驗驗證，主要達到的技術指標如下。

測量方式：連續測量；

運動速度：0～3 000 m／h；

最低采樣速率：8點／m；

井斜角：測量范圍0°～90°時，測量精度±0.15°；

方位角：測量范圍0°～360°時，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

光纖陀螺連續測斜儀完成研制后，進行了2次現場井下試驗，并對冀東油田的5口井進行了實際測量，其中1口井為點測量，其余4口井為連續測量。測井中儀器工作正常，性能穩定，試驗數據完全符合要求。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行比較（見表2）。

表1 測井情況一覽表

表2 性能比較

4 結 論

光纖陀螺連續測斜儀解決了機械式陀螺儀的抗振性能差、不能連續測量及使用壽命短等一系列缺點。通過井下驗證和性能對比，表明其能滿足工程的需要。

［1］ 陳哲.捷聯慣導系統原理［M］.北京：宇航出版社，1986.

［2］ 岳步江，呂偉，王晉麟，等.一種陀螺連續測斜儀：中國，CN200978671［P］.2007－11－21.

［3］ 徐磊，馮喆，李世揚.一種用于光纖陀螺連續測斜儀的光纖陀螺：中國，CN201103389［P］.2008－08－20.

［4］ 張曉麗，李守卓.一種用于光纖陀螺連續測斜儀的旋轉慣性體：中國，CN201155325［P］.2008－11－26.

［5］ 王宇飛，陳俊，孫芳.陀螺測斜儀中的陀螺設計選型［J］.測井技術，2004，28（3）：234－236.

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，從事慣性導航及自動控制方面的工作。

2011－06－01 本文編輯 王小寧）