THL800型連續(xù)測斜儀

安永健 湯惠成 劉 巖 張玉峰

(大慶鉆探工程公司測井一公司 黑龍江大慶)

THL800型連續(xù)測斜儀

安永健 湯惠成 劉 巖 張玉峰

(大慶鉆探工程公司測井一公司 黑龍江大慶)

文章介紹THL800型連續(xù)測斜儀的基本測量原理,儀器構(gòu)成及其主要特點。分析了新型集成加速度計的原理構(gòu)造特點及其相比較傳統(tǒng)石英加速度計的優(yōu)勢。新舊儀器的試驗對比結(jié)果表明儀器的測量精度及抗震性能,使用的可靠性,維護的方便程度均有了顯著的提高。

連續(xù)測斜儀;集成加速度計;數(shù)字信號;誤差補償校正

0 引 言

THL800型連續(xù)測斜儀是用于油田井身參數(shù)連續(xù)測量的儀器,系利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)研制生產(chǎn)的高新技術(shù)產(chǎn)品。它的主要敏感部件采用新型集成加速度計和高精度磁通門,確保裸眼井的井軸傾斜角、方位角和工具面角的連續(xù)精密測量,確定井身軌跡。THL800型連續(xù)測斜儀其采用新型集成加速計取代傳統(tǒng)石英加速計,明顯提高了儀器的抗震性能及測量精度,并具有使用可靠、維護方便的特點。

1 測量原理

連續(xù)測斜儀是整個測井儀系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。THL800型連續(xù)測斜儀采用新型集成加速度計檢測重力場的方法,來確定儀器軸線斜度和高邊重力工具面角,再配合磁通門檢測地磁場來確定儀器軸線指向的地磁方位。在井下,儀器軸線與井軸重合,所以檢測的參數(shù)即為該井段油井參數(shù)。

三個加速度軸Ax、Ay、Az和三個磁通門Mx、My、Mz分別按三維坐標系安裝在骨架上。三個磁通門的敏感軸與三個加速度軸對應重合,探管軸向定位Z軸。加速計可直接輸出數(shù)字量,磁通門傳感器經(jīng)調(diào)理后輸出的模擬信號經(jīng)采樣等電路,轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。連續(xù)測斜儀探管內(nèi)部的單片機對上述數(shù)據(jù)進行處理,最終得到井軸傾斜角、方位角、工具面角數(shù)據(jù)[1]。

2 儀器的構(gòu)成及特點

2.1 儀器的構(gòu)成

THL800型連續(xù)測斜儀由地面系統(tǒng)和井下儀器兩大部分組成。地面系統(tǒng)又包括測井使用的地面系統(tǒng)和標定儀器使用的地面標效系統(tǒng)。

1)地面標效系統(tǒng)及軟件

連斜儀地面標效系統(tǒng)可檢驗儀器測量誤差是否在允許范圍內(nèi),可通過標效操作求出儀器誤差補償參數(shù)并寫入儀器,使儀器達到要求的測量精度。標效系統(tǒng)由連續(xù)測斜議(探管)、測試盒、標效軟件構(gòu)成。三者的連接方式為采用3芯航空插頭為電源線,一端接220 V接口,另一端接接線板。10芯航空插頭(上行)為與PC機通訊電纜,一端接測試盒的上行接口,另一端連接485/232轉(zhuǎn)接頭,485/232轉(zhuǎn)接頭接計算機COM通訊口。10芯航空插頭(下行)用于為探管供電及通訊,一端接測試盒下行接口,一端接探管。標效軟件界面共分三頁,分別為:探管校驗、求參數(shù)、仿真,通過點擊頂部標簽可在三頁間切換。探管校驗頁顯示傳感器電壓、角度、溫度等信息,用于檢驗儀器測量角度是否滿足精度要求及儀器各傳感器的好壞等操作。儀器的誤差補償參數(shù)要切換到求參數(shù)頁面上。通過計錄探管九個姿態(tài)數(shù)據(jù)后計算出傳感器誤差補償參數(shù)。并把數(shù)據(jù)寫入探管中,這樣就完成了儀器的標效。

2)井下儀器測量原理及電路分析

THL800型連續(xù)測斜儀主要由地面系統(tǒng)和井下儀器(探管)兩大部分組成。中間由數(shù)傳短節(jié)連接。如圖1所示。地面系統(tǒng)主要的作用是負責井下儀器的數(shù)據(jù)處理與顯示。而探管主要負責采集井下的測井數(shù)據(jù)。探管也可以劃分為兩部分。即傳感器組件和信號處理部分(包括單片機和采樣轉(zhuǎn)換與伺服放大電路)兩部分通過通訊總線進行數(shù)據(jù)的傳輸。測斜儀采用的是兩個集成加速度計和三個磁通門的方案。方位的測量是由三個單軸磁通門在儀器坐標系三個軸上的三個磁通門Hx,Hy和Hz,分別檢測到地磁場向量H在三個軸上的地磁場分量:hx,hy和hz,由相應的計算公式計算出方位角。磁通門伺服放大電路作用是產(chǎn)生反饋電流在線圈中建立反饋磁場,抵消被測磁場,使鐵芯工作在近于零恒定磁場狀態(tài),構(gòu)成磁通門閉環(huán)系統(tǒng),提高測量精度。

圖1 THL800測斜電路原理框圖

探管中集成加速度計由X-Z和Y-Z兩塊雙軸集成表頭組成。集成加速度計由一個線路板構(gòu)成,正反兩面均有不同功能的模塊及一些電容和貼片電阻。模塊U1,U2,U4位于線路板的正面,模塊U3位于線路板的反面。模塊U1為485芯片,是一個標準的串行數(shù)據(jù)接口,主要負責數(shù)據(jù)的通訊。U2模塊是一個單片機芯片。主要負責儀器的各種程序控制,及數(shù)據(jù)的處理和存儲。U4模塊是該板的電源模塊。負責為各個芯片提供工作電源。保障各板的正常工作。模塊U3為該線路中的核心部件,MEMS傳感器(微電子機械系統(tǒng))是一個集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通訊和電源于一體的微型機電系統(tǒng)[3]。具有微型化、智能化、多功能、高集成化和成本低等特點。由于體積和質(zhì)量大幅度的降低,儀器的抗震性、穩(wěn)定性將有明顯的提高。另外其傳感器輸出的為數(shù)字信號,相比于模擬信號提高了數(shù)據(jù)測量的準確性和抗干擾性。也非常有利于計算機系統(tǒng)的計算和處理[2]。

數(shù)據(jù)采集通訊主板主要由8個部分組成。U1、U2為數(shù)據(jù)通訊接口485芯片。U3是一個溫度傳感器。U4是單片機芯片,負責相應的程序控制和數(shù)據(jù)處理及計算。U5是AD7656芯片。主要是A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。作用是把方位傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。用于數(shù)據(jù)的處理和計算。U6、U7為兩個功率放大器。U8是負責各個模塊供電的電源芯片。

加速度計采集的信號經(jīng)過MEMS傳感器直接把采集的信號轉(zhuǎn)變成了計算機可直接識別和處理的數(shù)字信號。然后經(jīng)過編碼,直接傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)。而磁通門所采集的信號經(jīng)過磁通門線路板的二倍頻濾波器選頻,在經(jīng)過二倍頻相敏解調(diào),濾波和放大。最后在通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器把所測的模擬信號變成數(shù)字信號后,信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集板把其傳送到數(shù)傳短接。進行編碼后傳輸?shù)降孛嬗嬎銠C系統(tǒng)處理,最后得到井斜和方位的數(shù)值。

2.2 儀器的特點分析

1)測量精度高,儀器采用先進的集成加速計,其具備測量精度高、抗沖擊性能好的特點,測量精度可達0.244 mg。

2)抗沖擊性能好,最大可達到3 500 g。

3)先進的誤差補償方法,采用三維誤差補償方法,有效地提高測量的精度。

4)維護簡便,通過將儀器置于九種不同姿態(tài)即可求出傳感器的誤差補償參數(shù),免去了調(diào)整傳感器安裝位置的麻煩,大大減少了運行維護的工作量。

3 儀器實際應用效果對比

THL800型連續(xù)測斜儀投入使用后,對其在現(xiàn)場測量的精確度及穩(wěn)定性上與LCX型連續(xù)測斜儀進行了對比。并且對其維護與校正的效率也進行了詳細的對比。

3.1 與LCX型連續(xù)測斜儀對比精確度及穩(wěn)定性對比情況[3]

首先對兩種型號的儀器各選取一支。進行標準的標校,同樣的九種姿態(tài)校準后,對其測量值與校驗臺標準數(shù)值進行了對比,見表1。

表1 兩種測斜儀標準標定結(jié)果對比

從表1可以發(fā)現(xiàn)THL800型連續(xù)測斜儀通過軟件的誤差補償后,精確度明顯高于通過機械調(diào)節(jié)校正值。充分說明了THL800型連續(xù)測斜儀在精確度上的明顯提高。然后對兩種儀器同樣進行了10口井的測量后。返回對兩種儀器進行標準的校正,數(shù)值見表2。

表2 上井使用后兩種測斜儀標定結(jié)果對比

對比發(fā)現(xiàn)THL800型連續(xù)測斜儀在經(jīng)過了10口井的使用后,校正值與標準值的偏差幾乎很小。而LCX型連續(xù)測斜儀在偏差值上要略微大于前者。對比數(shù)據(jù)說明了THL800型連續(xù)測斜儀的抗震性,穩(wěn)定性上要優(yōu)于LCX型連續(xù)測斜儀。

3.2 儀器維護與校正效率對比

首先對LCX型連續(xù)測斜儀進行了九種姿態(tài)的標準校正。由于需要對儀器的加速度計進行機械調(diào)整,同時還要對線路的電位器進行零位和滿度的調(diào)整。所以標定一支儀器大約耗時32分鐘。而對THL800型連續(xù)測斜儀進行同樣的姿態(tài)的標準校正。由于其加速度計有集成化、模塊化、軟件化的優(yōu)勢。所以免去了人工機械調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。只需通過軟件記錄,計算即可。儀器標定完成僅耗時18 min。工作效率有了大幅的提升。

在儀器的維護方面由于THL800型連續(xù)測斜儀的集成加速度計為模塊化,全數(shù)字化,整體的體積小,質(zhì)量輕,線路板數(shù)量少的優(yōu)勢。完全不同于LCX型連續(xù)測斜儀的結(jié)構(gòu)。所以在儀器耐用度,穩(wěn)定性及維修頻率上也明顯的優(yōu)于LCX型連續(xù)測斜儀。

4 結(jié) 論

通過以上試驗的數(shù)據(jù)表明。THL800型連續(xù)測斜儀對傳統(tǒng)的石英加速度計進行了改造后,全面的體現(xiàn)了其集成加速度計的優(yōu)勢。無論是在測量精確度,儀器的使用的穩(wěn)定性,還是標定及維修的效率上,對比LCX型連續(xù)測斜儀均有了顯著的提高。非常值得在油田推廣和廣泛應用。

[1] 喬賀堂.生產(chǎn)測井原理及資料解釋[M].北京:石油工業(yè)出版社,1992

[2] 天津市泰華科技有限公司.THL800型連續(xù)測斜儀使用手冊.2008(資料)

[3] 袁希光.傳感器技術(shù)手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,1992

The THL800 continuous inclinometer.

An Yongjian,Tang Huicheng,Liu Yan and Zhang Yvfeng.

The article introduced the elementary measuring principia,the structure and the main characters of the THL800continuous inclinometer.Then it analyzed the principia,structure and charaters of the integrated accelerometer of the new type,and the new types advantage when it was compared with the traditional ones.According to the contrastive experiment,it showed that there were obvious improvements in this instrument in many ways,such as the accuracy of measurement,seismic performance,the reliability of using and the convenience of maintenance.

Continuous inclinometer;Integrated accelerometer;Digital signal;Emendation and Compensation of error

P631.8

B

1004-9134(2011)04-0028-03

安永健,男,1975年生,工程師,1997年畢業(yè)于大慶石油學校石油工程專業(yè),現(xiàn)在大慶石油管理局測井一公司儀器維修中心工程室從事儀器維修工作。郵編:163412

2011-03-29編輯梁保江)

PI,2011,25(4):28～30

·開發(fā)設(shè)計·