BDS连续测斜仪原理及常见故障分析

刘书涛，孙旭政

(中原石油工程有限公司地球物理测井公司 河南 濮阳 457001)

0 引 言

BDS连续测斜仪是HH2530快速测井平台系统中重要仪器之一，它用于测量裸眼井的井斜角(DEVI)、方位角(AZIM)等工程参数。连续测斜仪所测得的数据可以让施工人员把握实际裸眼井的轨迹是否与最初设计的施工轨迹相吻合，从而判断此裸眼井是否钻井成功，满足施工人员对所钻裸眼井轨迹姿态把握的需要[1-2]。在石油钻测行业中，对斜度和方位的测量有着较高的要求。因为一口井能否按要求的斜度和走向钻探，关系着井眼最终能否到达目的层，能否出油[3]。今年开始，石油市场进一步好转，中原探区测井任务量大大增加，而公司BDS仪器多为2010年以前购买的老仪器，器件老化、损坏等情况较多，故障率大大增加。为了保障生产，仪修人员理解该仪器的仪器原理，掌握其常见故障的维修方法是十分必要的。

1 BDS的物理测量原理及仪器组成

井斜角的定义：井轴与铅垂线的夹角。

方位角的定义：以磁北方向为始边，顺时针转到井轴的水平投影线所转过的角度。

连续测斜仪测量井斜、方位时，采用三加速度计、三磁力计与仪器骨架建立仪器坐标系XYZ，地磁场的北方向、东方向和重力加速度的方向建立大地坐标系NEV。利用三个加速度计可以测得重力加速度在仪器坐标系XYZ的三个分量，用三个磁力计可以测得地磁场在仪器坐标系中的XYZ三个分量，因为重力加速度、地磁场以及大地坐标系是确定的，所以可以利用坐标变换计算出仪器坐标系在大地坐标系中的位置坐标，从而可以得到井斜角、方位角等参数[4-7]。

BDS主要由探头芯子、极性变换板、电源板及共用线路2(REC)中相关数据采集电路四部分组成。探头芯子由三个相互正交的加速度计、三个相互正交的磁力计及一个温度传感器(AD590)构成，输出七个模拟信号：RAX、RAY、RAZ、RFX、RFY、RFZ、RT。极性变换板由8个运算放大电路组成，将传感器输出的有正负变化的信号转换成0到4.8 V的正信号，以满足REC中模拟通道对信号电平的要求，同时输出参与计算的标准信号SZ。电源板输出±12 VDC、-5 VDC，±12 VDC为极性变换板和探头芯子提供直流电源，-5 VDC为极性变换板运算放大电路提供一路输入信号。REC中相关电路将BDS传来的模拟信号滤波、放大、AD转换，通过三总线传给TGR，由TGR上传到地面系统。信号流程如图1所示。

图1 连续测斜仪信号流程图

2 信号变换原理

如图2所示为由运算放大器OP07及电阻网络组成的极性变换电路。OP07是一种低噪声，非斩波稳零的双极性(双电源供电)运算放大器集成电路，由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于OP07A最大为25 μV)，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施，故其1、8脚悬空[8]。

RAX为X加速度计信号，有正有负；U-5V为-5 V电源的实际值，一般为-4.8 V左右；AX为极性变换后的小于4.8 V的正信号，此信号通过REC上传到地面系统。分析图2电路不难得出AX与RAX的关系式[9、10]：

AX=-0.5(RAX+U-5V)

(1)

图2 AX极性变换电路

RAY、RAZ、RFX、RFY、RFZ的极性变换电路和RAX相同，SZ的极性变换电路略有不同，如图3所示。分析电路可得[9-10]：

SZ=-0.5U-5V

(2)

图3 SZ极性变换电路

地面系统根据式(2)和SZ的值反算出U-5V，再根据式(1)计算出传感器输出信号(RAX、RAY、RAZ、RFX、RFY、RFZ)，从而可以根据式(3)-式(9)计算出井斜、方位、相对方位(RB)等参数[11]。

井斜角：

DEVI=arctg(RAX2+RAY2)1/2/RAZ

(3)

相对方位角：

RB=arctg(RAY/RAX)

(4)

A=(RAX2+RAY2+RAZ2)1/2
F=(RFX2+RFY2+RFZ2)1/2

(5)

A为加速度计模量，F为磁力计模量。

ax=RAX/Aay=-RAY/Aaz=RAZ/A

(6)

fx=-RFX/Ffy=-RFY/Ffz=-RFZ/F

(7)

sinI=fx×ax+fy×ay+fz×az
H1=ax×fy-fx×ay
H2=fz-az×sinI

(8)

井斜方位角：

AZIM=arctg(H1/H2)

(9)

由式(3)可知，井斜角DEVI只与三个加速度计有关；由式(4)可知，相对方位角RB只与X、Y两个加速度计有关；由式(9)可知，井斜方位角与六个传感器均有关。

3 典型故障分析及处理方法

无论出现何种故障，首先要排除REC、TGR、电缆、地面系统等因素的影响。

3.1 故障现象1：DEVI、AZIM、RB等均为死值

原因分析：任意调整BDS空间位置，DEVI、AZIM、RB都不变化，此时问题多出在8路信号的公用部分±12 V电源上。如果±12 V电源的值不对或者没有值，所有负载包括传感器、极性变换电路均不能正常工作，所以会出现死值现象。

处理方法:用万用表直流电压档测量电源板输出电压是否为±12 V，如果测量结果与标准值相差较大或为零，则判断电源部分出现问题。首先断开电源的所有负载，测量电源板输出，如果输出电压仍不对，则一般判断三端稳压块损坏，更换相应稳压块。如果断开所有负载，电源板输出电压恢复正常，则判断某一个或某几个负载短路，将电源电压拉低。将负载逐个断开，直到电源恢复正常，则认定此负载故障，更换相应元件。

3.2 故障现象2：DEVI、AZIM、RB等值有变化但数值错误

原因分析：调整BDS空间位置，如出现DEVI、AZIM、RB等值一个或多个有变化但数值错误。常见原因有两种，传感器损坏或极性变换电路出现故障。

处理方法：如果RB错误，则优先检查X、Y加速度计信号；如果DEVI错误，则优先检查三个加速度计信号；如果AZIM错误，则检查所有加速度计、磁力计信号。首先用万用表直流电压档测量传感器的输出信号，如果变化BDS空间位置时，传感器无输出信号或输出信号为死值，则判断传感器损坏，更换相应传感器。如果各个传感器输出信号正确，则考虑极性变换板是否有故障。逐个测量极性变换电路的输入和输出信号，变化BDS空间位置，判断输入输出是否满足式(1)或式(2)，如不满足，则判断相应运算放大器(OP07)损坏，更换该运放。

3.3 故障现象3：DEVI、AZIM超出误差范围

原因分析：

DEVI测量精度：±0.2°；

AZIM测量精度：DEVI≤2°时允许AZIM不定，DEVI在2～5°时AZIM精度为±3°，DEVI≥5°时AZIM精度为±2°。

DEVI、AZIM的值超出误差范围，一般原因为传感器位置变化，或者传感器老化，性能发生变化。

处理方法：按照仪器操作手册的环境要求、调校步骤对仪器进行调校[1]。如果车间环境不能满足调校要求，则需返回仪器厂家进行调校。

4 结束语

BDS连续测斜仪采集井斜、方位等井眼工程参数，对判断钻井施工质量非常重要。本文首先系统地介绍了该仪器的物理测量原理、仪器组成、信号变换原理，最后重点总结了常见故障的原因分析及处理方法，包括数据死值、数据错误和数据精度超差三种情况。全面深刻地理解仪器原理，以及熟练掌握常见故障的原因及处理方法，对仪器的故障判断、调校检修有很好的指导作用，使维修过程思路清晰，做到有的放矢，从而大大提高维修效率。基于本文的仪器原理和故障处理方法，至今已维修了8支积压故障BDS，5支新返还故障BDS，每支维修时间不超过1 h，维修过程得到优化，维修效率得到提高，更好地保障了测井施工的进行。