THL800型连续测斜仪

安永健 汤惠成 刘 岩 张玉峰

(大庆钻探工程公司测井一公司 黑龙江大庆)

THL800型连续测斜仪

安永健 汤惠成 刘 岩 张玉峰

(大庆钻探工程公司测井一公司 黑龙江大庆)

文章介绍THL800型连续测斜仪的基本测量原理,仪器构成及其主要特点。分析了新型集成加速度计的原理构造特点及其相比较传统石英加速度计的优势。新旧仪器的试验对比结果表明仪器的测量精度及抗震性能,使用的可靠性,维护的方便程度均有了显著的提高。

连续测斜仪;集成加速度计;数字信号;误差补偿校正

0 引 言

THL800型连续测斜仪是用于油田井身参数连续测量的仪器,系利用现代传感技术、电子技术和计算机技术研制生产的高新技术产品。它的主要敏感部件采用新型集成加速度计和高精度磁通门,确保裸眼井的井轴倾斜角、方位角和工具面角的连续精密测量,确定井身轨迹。THL800型连续测斜仪其采用新型集成加速计取代传统石英加速计,明显提高了仪器的抗震性能及测量精度,并具有使用可靠、维护方便的特点。

1 测量原理

连续测斜仪是整个测井仪系统中的重要环节。THL800型连续测斜仪采用新型集成加速度计检测重力场的方法,来确定仪器轴线斜度和高边重力工具面角,再配合磁通门检测地磁场来确定仪器轴线指向的地磁方位。在井下,仪器轴线与井轴重合,所以检测的参数即为该井段油井参数。

三个加速度轴Ax、Ay、Az和三个磁通门Mx、My、Mz分别按三维坐标系安装在骨架上。三个磁通门的敏感轴与三个加速度轴对应重合,探管轴向定位Z轴。加速计可直接输出数字量,磁通门传感器经调理后输出的模拟信号经采样等电路,转换为数字量。连续测斜仪探管内部的单片机对上述数据进行处理,最终得到井轴倾斜角、方位角、工具面角数据[1]。

2 仪器的构成及特点

2.1 仪器的构成

THL800型连续测斜仪由地面系统和井下仪器两大部分组成。地面系统又包括测井使用的地面系统和标定仪器使用的地面标效系统。

1)地面标效系统及软件

连斜仪地面标效系统可检验仪器测量误差是否在允许范围内,可通过标效操作求出仪器误差补偿参数并写入仪器,使仪器达到要求的测量精度。标效系统由连续测斜议(探管)、测试盒、标效软件构成。三者的连接方式为采用3芯航空插头为电源线,一端接220 V接口,另一端接接线板。10芯航空插头(上行)为与PC机通讯电缆,一端接测试盒的上行接口,另一端连接485/232转接头,485/232转接头接计算机COM通讯口。10芯航空插头(下行)用于为探管供电及通讯,一端接测试盒下行接口,一端接探管。标效软件界面共分三页,分别为:探管校验、求参数、仿真,通过点击顶部标签可在三页间切换。探管校验页显示传感器电压、角度、温度等信息,用于检验仪器测量角度是否满足精度要求及仪器各传感器的好坏等操作。仪器的误差补偿参数要切换到求参数页面上。通过计录探管九个姿态数据后计算出传感器误差补偿参数。并把数据写入探管中,这样就完成了仪器的标效。

2)井下仪器测量原理及电路分析

THL800型连续测斜仪主要由地面系统和井下仪器(探管)两大部分组成。中间由数传短节连接。如图1所示。地面系统主要的作用是负责井下仪器的数据处理与显示。而探管主要负责采集井下的测井数据。探管也可以划分为两部分。即传感器组件和信号处理部分(包括单片机和采样转换与伺服放大电路)两部分通过通讯总线进行数据的传输。测斜仪采用的是两个集成加速度计和三个磁通门的方案。方位的测量是由三个单轴磁通门在仪器坐标系三个轴上的三个磁通门Hx,Hy和Hz,分别检测到地磁场向量H在三个轴上的地磁场分量:hx,hy和hz,由相应的计算公式计算出方位角。磁通门伺服放大电路作用是产生反馈电流在线圈中建立反馈磁场,抵消被测磁场,使铁芯工作在近于零恒定磁场状态,构成磁通门闭环系统,提高测量精度。

图1 THL800测斜电路原理框图

探管中集成加速度计由X-Z和Y-Z两块双轴集成表头组成。集成加速度计由一个线路板构成,正反两面均有不同功能的模块及一些电容和贴片电阻。模块U1,U2,U4位于线路板的正面,模块U3位于线路板的反面。模块U1为485芯片,是一个标准的串行数据接口,主要负责数据的通讯。U2模块是一个单片机芯片。主要负责仪器的各种程序控制,及数据的处理和存储。U4模块是该板的电源模块。负责为各个芯片提供工作电源。保障各板的正常工作。模块U3为该线路中的核心部件,MEMS传感器(微电子机械系统)是一个集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通讯和电源于一体的微型机电系统[3]。具有微型化、智能化、多功能、高集成化和成本低等特点。由于体积和质量大幅度的降低,仪器的抗震性、稳定性将有明显的提高。另外其传感器输出的为数字信号,相比于模拟信号提高了数据测量的准确性和抗干扰性。也非常有利于计算机系统的计算和处理[2]。

数据采集通讯主板主要由8个部分组成。U1、U2为数据通讯接口485芯片。U3是一个温度传感器。U4是单片机芯片,负责相应的程序控制和数据处理及计算。U5是AD7656芯片。主要是A/D模数转换器。作用是把方位传感器的模拟信号转换成数字信号。用于数据的处理和计算。U6、U7为两个功率放大器。U8是负责各个模块供电的电源芯片。

加速度计采集的信号经过MEMS传感器直接把采集的信号转变成了计算机可直接识别和处理的数字信号。然后经过编码,直接传输到地面系统。而磁通门所采集的信号经过磁通门线路板的二倍频滤波器选频,在经过二倍频相敏解调,滤波和放大。最后在通过A/D模数转换器把所测的模拟信号变成数字信号后,信号经过数据采集板把其传送到数传短接。进行编码后传输到地面计算机系统处理,最后得到井斜和方位的数值。

2.2 仪器的特点分析

1)测量精度高,仪器采用先进的集成加速计,其具备测量精度高、抗冲击性能好的特点,测量精度可达0.244 mg。

2)抗冲击性能好,最大可达到3 500 g。

3)先进的误差补偿方法,采用三维误差补偿方法,有效地提高测量的精度。

4)维护简便,通过将仪器置于九种不同姿态即可求出传感器的误差补偿参数,免去了调整传感器安装位置的麻烦,大大减少了运行维护的工作量。

3 仪器实际应用效果对比

THL800型连续测斜仪投入使用后,对其在现场测量的精确度及稳定性上与LCX型连续测斜仪进行了对比。并且对其维护与校正的效率也进行了详细的对比。

3.1 与LCX型连续测斜仪对比精确度及稳定性对比情况[3]

首先对两种型号的仪器各选取一支。进行标准的标校,同样的九种姿态校准后,对其测量值与校验台标准数值进行了对比,见表1。

表1 两种测斜仪标准标定结果对比

从表1可以发现THL800型连续测斜仪通过软件的误差补偿后,精确度明显高于通过机械调节校正值。充分说明了THL800型连续测斜仪在精确度上的明显提高。然后对两种仪器同样进行了10口井的测量后。返回对两种仪器进行标准的校正,数值见表2。

表2 上井使用后两种测斜仪标定结果对比

对比发现THL800型连续测斜仪在经过了10口井的使用后,校正值与标准值的偏差几乎很小。而LCX型连续测斜仪在偏差值上要略微大于前者。对比数据说明了THL800型连续测斜仪的抗震性,稳定性上要优于LCX型连续测斜仪。

3.2 仪器维护与校正效率对比

首先对LCX型连续测斜仪进行了九种姿态的标准校正。由于需要对仪器的加速度计进行机械调整,同时还要对线路的电位器进行零位和满度的调整。所以标定一支仪器大约耗时32分钟。而对THL800型连续测斜仪进行同样的姿态的标准校正。由于其加速度计有集成化、模块化、软件化的优势。所以免去了人工机械调节环节。只需通过软件记录,计算即可。仪器标定完成仅耗时18 min。工作效率有了大幅的提升。

在仪器的维护方面由于THL800型连续测斜仪的集成加速度计为模块化,全数字化,整体的体积小,质量轻,线路板数量少的优势。完全不同于LCX型连续测斜仪的结构。所以在仪器耐用度,稳定性及维修频率上也明显的优于LCX型连续测斜仪。

4 结 论

通过以上试验的数据表明。THL800型连续测斜仪对传统的石英加速度计进行了改造后,全面的体现了其集成加速度计的优势。无论是在测量精确度,仪器的使用的稳定性,还是标定及维修的效率上,对比LCX型连续测斜仪均有了显著的提高。非常值得在油田推广和广泛应用。

[1] 乔贺堂.生产测井原理及资料解释[M].北京:石油工业出版社,1992

[2] 天津市泰华科技有限公司.THL800型连续测斜仪使用手册.2008(资料)

[3] 袁希光.传感器技术手册[M].北京:国防工业出版社,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,工程师,1997年毕业于大庆石油学校石油工程专业,现在大庆石油管理局测井一公司仪器维修中心工程室从事仪器维修工作。邮编:163412

2011-03-29编辑梁保江)

PI,2011,25(4):28～30

·开发设计·