隨鉆陀螺測斜系統設計及測試試驗*

謝 濤 趙少偉 楊保健 幸雪松 賈立新

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

隨鉆陀螺測斜系統設計及測試試驗*

謝 濤 趙少偉 楊保健 幸雪松 賈立新

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

通過對光纖陀螺儀、石英撓性加速度計、姿態測量短節、供電短節、泥漿脈沖發生器、地面儀器等關鍵設備的設計與研制，開發出了一套適合海上作業特點和需求的隨鉆陀螺測斜系統。室內及現場試驗結果表明，自行設計的隨鉆陀螺測斜系統在大排量鉆井環境下能夠正常完成井下儀器測斜功能，實時連續提供井筒軌跡數據，測量精度滿足異常磁環境下井筒防碰繞障作業要求，地面系統能夠完成正常解碼，井下儀器結構抗振、耐高溫，對鉆井環境的適應性強。

隨鉆陀螺測斜系統；光纖陀螺儀；石英撓性加速度計；姿態測量短節；供電短節；泥漿脈沖發生器；室內測試；現場測試

與MWD等磁測量工具相比，隨鉆陀螺具有異常磁環境下實現井眼軌跡精確測量的優點。與電纜陀螺工具相比，隨鉆陀螺在作業過程中的連續隨鉆測斜功能可使起下鉆次數減少，有利于高效實施高密度叢式井防碰繞障。從目前公開資料及報道可知，僅美國科學鉆井公司將陀螺姿態測量產品集成到MWD中，所研制的隨鉆陀螺測斜系統近年來對中國只提供服務，不進行銷售。本文通過對光纖陀螺儀、石英撓性加速度計、姿態測量短節、供電短節、泥漿脈沖發生器、地面儀器等關鍵設備的設計與研制，開發出了一套適合海上作業特點和需求的隨鉆陀螺測斜系統，并進行了室內及現場測試試驗，結果表明該系統能與固井質量測量儀器連接，實現固井質量測量及軌跡復測一次完成，可保障海上油田安全作業與降本增效。對于海上油田叢式井上部井段防碰繞障及提高作業效率有重要意義。

1 隨鉆陀螺測斜系統設計

新研制的隨鉆陀螺測斜系統整體結構如圖1所示，由井下系統和地面系統2個部分組成。井下系統通過姿態測量短節測量井眼軌跡參數，按照規定的信息傳遞協議將軌跡參數通過脈沖發生器以泥漿壓力脈沖形式傳遞到地面[1]，再由地面系統進行準確解碼[2]，并將井眼軌跡信息進行處理、顯示，為司鉆和定向工程師工作提供信息參考。

圖1 隨鉆陀螺測斜系統結構示意圖

1.1 井下系統設計

井下系統主要由供電短節、泥漿脈沖發生器、姿態測量短節(探管)、扶正器等組成(圖2)。供電短節利用3組鋰電池(每組8節)組合設計，為井下儀器供電；泥漿脈沖發生器接收探管的指令并按指令實現蘑菇頭的動作，改變鉆柱內壓力，形成壓力脈沖；姿態測量短節對工程參數中的井斜、方位、工具面角及溫度進行測量。

圖2 隨鉆陀螺測斜系統井下系統示意圖

1.1.1 姿態測量短節

姿態測量短節用于在工作過程中對井眼軌跡的數據進行測量，為下一步的井眼軌道控制提供依據[3]。姿態測量短節系統的主要技術指標如下：井斜角精度±0.1°、 測量范圍0°～90°；方位角精度±2°(1個標準偏差，3°≤井斜角≤60°)，或±3°(1個標準偏差，0.5° ≤井斜角<3°，60°<井斜角≤90°)，測量范圍0°～360°；工具面角精度±3°(高邊工具面和北向工具面輸出界線為井斜角在3°～7°之間)。

姿態測量短節采用旋轉機構設計(圖3)，具有2種測量方式，在長測量時進行零速校漂[4-5]，提供全部姿態信息，校漂時間大約為5 min；在短測量時僅利用加速度計或Z軸陀螺儀積分提供井斜和工具面，不提供方位信息。姿態測量短節中傳感器系統主要由光纖陀螺儀和石英撓性加速度計組成，是隨鉆陀螺測斜系統中決定隨鉆陀螺性能的重要部分，是整個系統的核心。

圖3 隨鉆陀螺測斜系統姿態測量短節組成

1) 光纖陀螺儀。

選擇光纖陀螺儀的關鍵是測量精度及儀器壽命，要求零偏穩定性在0.1～1.0°/h(1個標準偏差，10 s計算一次)。陀螺儀的設計選型為雙軸光纖陀螺儀，該陀螺儀利用Sagnac效應進行設計，沒有旋轉和摩擦部件，解決了研制過程中的測量精度及鉆井環境適應的問題。光纖陀螺儀技術指標如下：測量范圍-500～500°/s；零偏重復性和零偏穩定性(1個標準偏差，10 s平均)≤0.5°/h；標度因數不對稱度(3個標準偏差)≤2×10-4；標度因數重復性(3個標準偏差)≤2×10-4；抗振20 g，隨機振動。

2) 石英撓性加速度計。

選擇石英撓性加速度計同樣要考慮測量精度及儀器壽命，零偏穩定性不大于1 mg，標度因數非線性度不大于1×10-4[6-11]，石英撓性加速度計技術指標如下：零偏≤5 mg；零偏穩定性≤1 mg；測量范圍-3～3 g；測量精度80 μg；刻度系數誤差(3個標準偏差)≤1×10-4；標度因數非線性度(3個標準偏差)≤1×10-4；抗振20 g，隨機振動。

1.1.2 供電短節

井下系統中姿態測量短節額定功率約為10 W，在使用節電模式下其平均功率可以降到6 W；脈沖發生器的功率在不同狀態下相差較大，根據經驗，在整個鉆井過程中其平均功率應小于3 W。根據上述功率特性及系統工作時間(150 h)要求，電源轉換效率按80%計算，供電短節共需24節電池(3.6 V，24 A·h)，分為3組(每組8節，并排放置)，其中2組電池串聯使用給姿態測量短節供電，另一組電池單獨給脈沖發生器供電。

1.1.3 泥漿脈沖發生器

井下系統井下信息的傳遞采用目前比較成熟的泥漿壓力脈沖傳輸方式[3]，以鉆井液為載體，將井下數據以泥漿壓力脈沖的形式傳遞到地面，地面系統對壓力脈沖進行解碼，得到井眼軌道數據。泥漿脈沖發生器由主閥芯組件、伺服閥組件及電容節組件等3個部分組成(圖4)。

圖4 隨鉆陀螺測斜系統脈沖器主閥芯組件結構示意圖

1.2 地面系統設計

地面系統用于接收井下測量信息，經解碼后在儀器房內顯示及繪圖，供定向工程師及時了解井下相關參數，并據此對鉆進施工過程進行控制；同時還將工程參數傳送至井臺顯示，供司鉆進行操作參考。地面系統由地面主機、司鉆顯示器、UPS電源、數據處理計算機以及連接電纜等組成(圖5)。按照工作環境的不同，地面系統可以分為2個部分，即在井架上使用的儀器和在儀器房內使用的儀器，二者之間通過電纜進行連接。

圖5 隨鉆陀螺測斜系統地面系統連接設計圖

2 室內測試試驗

室內測試包括抗振試驗、精度標定試驗、高低溫試驗、地面模擬試驗和半實物仿真試驗，主要是對隨鉆陀螺測斜系統和部組件產品的環境適應性及可靠性進行評價，以指導產品的設計、改進。

2.1 抗振試驗

對研制的光纖陀螺儀樣機進行抗振試驗，分為靜態測試和振動測試。

2.1.1 靜態測試試驗

光纖陀螺儀樣機靜態測試試驗結果如圖6所示，3次靜態測試零偏穩定性數據見表1。從表1可以看出，光纖陀螺儀10 s平均的零偏穩定性優于0.35°/h，30 s平均的零偏穩定性優于0.25°/h，振動前陀螺儀輸出滿足技術要求。

圖6 隨鉆陀螺測斜系統光纖陀螺儀靜態測試結果

表1 隨鉆陀螺測斜系統光纖陀螺儀3次靜態測試零偏穩定性數據

2.1.2 振動測試試驗

將光纖陀螺儀樣機固定在振動臺上進行抗振動測試，振動測試量級[12]為20 g(隨機振動、15 min),測試頻率范圍20～2 000 Hz。光纖陀螺儀振動測試試驗結果如圖7所示，光纖陀螺儀10 sx軸和z軸平均的零偏值分別為0.379 58和0.322 12°/h，均優于0.4°/h，30 sx軸和z軸平均的零偏值分別為0.277 04和0.177 04°/h，均優于0.3°/h，振動后陀螺儀輸出滿足技術要求。

圖7 隨鉆陀螺測斜系統光纖陀螺儀振動測試圖

2.2 精度標定試驗

將姿態測量短節安裝于三自由度位置轉臺進行精度標定測試，測試數據見表2，從表2可以看出，光纖陀螺儀姿態測量短節井斜最大誤差0.07°,方位角最大誤差1.44°，工具面角最大誤差1.45°，滿足試驗測量精度要求。

表2 隨鉆陀螺測斜系統陀螺姿態測量短節精度測試記錄表

2.3 高低溫試驗

根據隨鉆陀螺測斜系統要求，溫度測試的范圍為-30～70℃，高低溫度點保溫時間為2 h，溫升變化斜率為3℃/min,溫降變化斜率為1℃/min。隨鉆陀螺測斜系統在升溫和保溫階段通電測試，在降溫階段不通電；試驗共進行了10個循環工作過程，溫度循環曲線如圖8所示。試驗結果表明，每個部組件產品經過10個循環均能正常工作，無故障。

圖8 隨鉆陀螺測斜系統部組件溫度循環曲線

2.4 地面模擬試驗

隨鉆陀螺測斜系統組裝完成后進行地面模擬試驗(圖9)，驗證測試系統的供電、自尋北、脈沖器發碼、地面模擬解碼及曲線繪制、長時間工作等功能，達到下井試驗前的功能檢查和可靠工作時間指標考核的目的，功能測試完成后再進行長時間通電老化試驗。試驗結果表明，該系統能夠在地面模擬測試中150 h內可靠全功能工作，可以滿足現場作業需求。

圖9 隨鉆陀螺測斜系統地面模擬試驗

2.5 半實物仿真試驗

地面模擬驗證通過后要對隨鉆陀螺測斜系統進行半實物仿真試驗，主要通過水循環試驗考核系統儀器是否具備下井試驗的狀態，最大限度地仿真模擬井下環境。多次仿真試驗結果表明，該系統儀器已達到下井試驗狀態。

3 現場測試試驗

組裝完成后的隨鉆陀螺測斜系統在渤海某油田進行了井下測試試驗，井下系統配置為φ311.15 mm鉆頭+φ244.48 mm馬達(0.75°/305 mm)+φ228.20 mm短鉆鋌+浮閥+φ311.15 mm扶正器+φ203.20 mm懸掛短節(0.88 m)+脈沖器(1.72 m)+扶正器(0.338 m)+電池短節(2.164 m)+扶正器(0.338 m)+探管(2.164 m)+打撈頭(0.435 m)。該系統每隔2根鉆柱(90 m)進行一次測試，觀測到停泵信息后關泵等待5 min，開泵循環鉆井液，待地面完整接收停泵信息后結束該測點測試，然后接鉆柱并繼續下放至下一測點，重復操作。本次井下試驗中隨鉆陀螺測斜系統累計入井時間約為27 h，鉆井液排量約為67 L/s，鉆進7 h，進尺約100 m，隨鉆陀螺實鉆測量數據見表3。由表3可以看出，在大排量鉆井環境下隨鉆陀螺測斜系統能夠正常完成測斜功能，且地面系統能夠完成正常解碼，儀器功能性驗證正常；隨鉆陀螺測斜系統沒有發生斷裂、進水，扶正器彈簧無嚴重沖刷，表明系統結構對鉆井環境的適應性強，能夠滿足使用要求。

表3 隨鉆陀螺測斜系統實鉆測量數據

4 結論

室內及現場測試試驗表明，自行設計的隨鉆陀螺測斜系統適應于海上石油鉆井工程領域，陀螺儀綜合精度優于0.4°/h，加速度計綜合精度優于0.5 mg；實現了陀螺姿態測量短節抗惡劣力學環境設計及隨鉆化應用,實現精度井斜優于0.1°、方位優于2°；實現了大排量條件下鉆井液壓力信息的可靠傳輸及井下數據信息的準確解碼，并通過軟件設計實現了井下儀器工作模式和參數的靈活設置，更利于工程實踐應用。

[1] 呂偉，孫成志，劉寶生，等．光纖隨鉆陀螺儀在叢式井網防碰中的應用[J]．鉆采工藝，2014,37(4)：23-25．Lv Wei,Sun Chengzhi,Liu Baosheng,et al.Application of fiber optic gyroscope while drilling in multiple wells anti-collision [J].Drilling & Production Technology,2014,37(4):23-25.

[2] 林鐵，林恒，高爽，等．光纖陀螺測斜儀數據采集及傳輸單元設計與實現[J]．測井技術，2009,33(4)：402-405．Lin Tie,Lin Heng,Gao Shuang,et al.Design and implementation of data acquisition and transmission for fiber optic gyroscopes inclinometer[J].Well Logging Technology,2009,33(4):402-405.

[3] 王勵揚，翟昆朋，何文濤，等．四階龍格庫塔算法在捷聯慣性導航中的應用[J]．計算機仿真，2014,31(11)：56-59．

Wang Liyang,Zhai Kunpeng,He Wentao,et al.Application of fourth-order Runge-Kutta algorithm in SINS[J].Computer Simulation,2014,31(11):56-59.

[4] 郝燕玲，張義，孫楓，等．單軸旋轉式捷聯慣導方位對準研究[J]．儀器儀表學報，2011,32(2)：309-315．

Hao Yanling,Zhang Yi,Sun Feng,et al.Analysis of single-axial rotation SINS azimuth alignment[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2011,32(2):309-315.

[5] 吳校生，陳文元，崔峰．全固態微陀螺的研究進展[J]．電子器件，2008,31(5)：1505-1509．

Wu Xiaosheng,Chen Wenyuan,Cui Feng.Researching development of all-solidstate micromachined gyroscope[J].Chinese Journal of Electron Devices,2008,31(5):1505-1509.

[6] 曹麗，劉揚，劉偉．利用加速度計和角速度儀的筆桿運動姿態檢測[J]．儀器儀表學報，2008,29(4)：831-835．

Cao Li,Liu Yang,Liu Wei.Pen motion attitude measurement using accelerometer and gyroscope[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2008,29(4):831-835.

[7] 呂偉，李瑋燕，張龍，等．基于光纖陀螺儀的油井測繪系統[J]．測井技術，2011,35(6)：581-584．

Lv Wei,Li Weiyan,Zhang Long,et al.An oil well trajectory surveying system based on FOG[J].Well Logging Technology,2011,35(6):581-584.

[8] 趙建輝，王鵬鵬，李帆，等．陀螺測斜儀隨鉆對準中的可觀測性研究[J]．測井技術，2009,33(3)：279-283．

Zhao Jianhui,Wang Pengpeng,Li Fan,et al.On observability analysis for MWD alignment of Gyro inclinometer[J].Well Logging Technology,2009,33(3):279-283.

[9] 杜海龍，張榮輝，劉平，等．捷聯慣導系統姿態解算模塊的實現[J]．光學精密工程，2008,16(10)：1956-1962．Du Hailong,Zhang Ronghui,Liu Ping,et al.Realization of attitude algorithm module in strapdown inertial guidance system[J].Optics and Precision Engineering,2008,16(10):1956-1962.

[10] KIM S J,LEE S S,KWON Y S,et al.Dynamic north-finding scheme based on a fiber optic gyroscope[C]∥Proceedings of SPIE．FL,United States,1997:126-136.

[11] 張鵬飛，龍興武．石英撓性加速度計誤差補償模型的研究[J]．傳感技術學報，2006,19(4)：1100-1102,1170．

Zhang Pengfei,Long Xingwu.Research on compensating error model of quartzose flexible accelerometer[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,2006,19(4):1100-1102,1170.

[12] MANGOLD U．Estimation of useful and disturbing signals in strapdown inertial systems alignment[C]∥Symposium Gyro Technology，2000．

(編輯：葉秋敏)

Design and test of gyroscope inclination survey while drilling system

Xie Tao Zhao Shaowei Yang Baojian Xing Xuesong Jia Lixin

(TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China)

A gyroscopic inclination survey while drilling system suitable for offshore operation characteristics and needs was developed, including fiber gyroscope, quartz flexible accelerometer, attitude measuring crossover, power sub, mud pulse generator, and surface instruments. Lab and field test results show that the home-made inclination survey system can smoothly measure inclination and azimuth under the condition of high mud flow-rate, and provide real-time and continuous hole trajectory data. The data accuracy meets the need of anti-collision and barrier-bypassing in abnormal magnetic environment, and the data can be decoded normally with surface facility. The downhole instrumentation is vibration- and heat-resistant, and is highly adaptable to various drilling environments.

gyroscopic inclination survey while drilling system; fiber optic gyroscope; quartz flexible accelerometer; attitude measuring crossover; power sub; mud pulse generator; lab test; field test

謝濤，男，工程師，2005年畢業于中國石油大學(華東)，主要從事海洋石油鉆完井技術研究工作。地址：天津市塘沽區閘北路609信箱(郵編：300452)。E-mail：xietao3@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0121-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.019

TE27+1

A

2015-11-24 改回日期：2016-01-16

* “十二五”國家科技重大專項“海上稠油油田高效開發示范工程 (編號：2011ZX05057) ”部分研究成果。

謝濤,趙少偉，楊保健,等.隨鉆陀螺測斜系統設計及測試試驗[J].中國海上油氣，2016,28(3)：121-126.

Xie Tao,Zhao Shaowei,Yang Baojian,et al.Design and test of gyroscope inclination survey while drilling system[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):121-126.