基于光纤陀螺仪的油井测绘系统

吕伟，李玮燕，张龙，郭双红

（航天科工惯性技术有限公司，北京100070）

基于光纤陀螺仪的油井测绘系统

吕伟，李玮燕，张龙，郭双红

（航天科工惯性技术有限公司，北京100070）

陀螺测斜仪是井身轨迹测量仪器，它利用惯性传感器感应地球重力和自转的三维分量，利用捷联惯导算法解算出载体姿态角变化，达到连续描绘井位曲线的目的。研制了一种用于油井轨迹测绘的光纤陀螺连续测斜仪。它采用双轴光纤陀螺仪和3个加速度计组成惯性测量单元，在测角机构和驱动机构的配合下，能完成实时的姿态角解算。解决了静态单点测量效率低的问题，实现高速连续测量，可以保证光纤陀螺在175℃温度环境下，至少连续工作6 h以上。实现了交流环境下的单芯电缆载波双向数据传输，同时也达到节省成本和减小仪器外径的工业使用目的。

油井测绘系统；光纤陀螺连续测斜仪；加速度计；数据传输

0 引 言

光纤陀螺连续测斜仪主要用于对老井（套管井）的井身轨迹进行测量，以确定重新对其勘探开采的方案；在油井套管探伤及定向射孔时，确定仪器方位值，常规的磁性定向仪器由于受到套管的磁场屏蔽影响，无法实现上述的功能要求。光纤陀螺连续测斜仪是一种基于惯性测量技术的高精度、耐冲击振动、不受磁场影响的自主定向仪器。近年来，中国相关厂家已相继开发出了不同类型的陀螺测斜仪，其大多采用机械式陀螺，其抗振、抗冲击性能差，在油田较恶劣的使用环境中易损坏。机械式陀螺测斜仪的测量方式均为定点测量，在运动过程中无法实时计算出姿态值，因而难以反映实际的井身轨迹，测井效率也大大下降。光纤陀螺仪为全固态的光学陀螺，光纤陀螺连续测斜仪具备连续测量且适应恶劣力学环境的优点。

1 系统概述

1.1 系统组成

光纤陀螺连续测斜仪由井下仪器、地面主机和数据处理软件等组成（见图1），其中井下仪器由探管、保护总成和保温瓶等构成，探管是整个系统的核心组成部件。

图1 光纤陀螺连续测斜仪系统组成图

1.2 功能与用途

光纤陀螺连续测斜仪是井身轨迹测量仪器，主要用途是利用惯性传感器感应地球重力和自转的三维分量，利用捷联惯导算法解算出载体在测量过程中的姿态角变化和位置变化量，并据此描绘井位曲线［1］。陀螺测斜仪在测井领域还有其他作用，如与油井套管探伤仪器配合，可确定油井损伤的方位，为油井修复提供依据；与射孔仪器配合使用，可确定射孔方位，针对油层方位，指导密集射孔，为提高采油效率奠定基础。

1.3 工作原理

探管作为光纤陀螺连续测斜仪的核心部件，在实现惯性传感器测量信息采集并经过信号处理后，以曼彻斯特码的形式将处理后的数据载波在电源线上发送到地面主机。地面主机通过单芯电缆，在以变流恒流源形式向井下探管供电的同时，在电源线上叠加命令，并将数据解码后传送到地面计算机。数据处理系统软件负责数据解算、处理并绘制井身曲线［2］。

2 关键技术与创新

光纤陀螺连续测斜仪解决的关键技术包括：研制适用于实际油井测量的小型双轴光纤陀螺仪；光纤陀螺仪在高温环境下的应用；利用双轴光纤陀螺，3个加速度计组成的惯性测量单元完成实时姿态角解算；变流环境下单芯电缆载波双向数据传输［3－4］。

2.1 小型化光纤陀螺仪的研制

全固态的光纤陀螺抗冲击、抗振动性能优越，使用简单。精度优于1°／h的单轴光纤陀螺直径一般都在100 mm左右，如果再加上探管外壳、保温瓶、保护总成，整个井下仪器的直径无法满足油井需要［5］。为实现小型化双轴陀螺的研制，进行了以下几方面的设计。

（1）光纤敏感环在缠绕过程中采用优化的绕制工艺，减少了由于尺寸太小而造成光泄露和光损耗的可能性，使光电探测器能够检测到相应功率的光强，从而保证了双轴光纤陀螺的精度指标。

（2）将整个组合分为光源、陀螺本体结构2个部分，光源采用1个SLD光源，缩小了体积，减小了功耗，同时也降低了成本；2个陀螺的所有部件都安装在本体上，水平方向和轴向的陀螺骨架分别安装在本体的2端，整体更紧凑，体积更小巧。

（3）在有限的体积内对双轴陀螺进行了整体磁屏蔽设计，使易受磁场影响的光纤传感环圈和电路置于屏蔽筒、上下端盖组成的整体屏蔽环境内，在满足最佳的屏蔽效果同时，能确保陀螺仪本体和光纤陀螺测斜仪的整体安装工艺最简化，也降低了对陀螺测斜仪使用环境的苛刻要求。

（4）考虑到陀螺测斜仪在工作中需要旋转，则双轴结构的轴心一定要尽量靠近轴线，避免旋转式的圆锥运动，所以在设计时考虑到整体的对称性，光纤陀螺整体重心设计在转轴附近，处理电路部件分别放置在两侧，还专门附有配重板组件，这样能保证整个系统在运动过程中整体保持较稳定的旋转。

最终整体研制设计使光纤陀螺双轴组合仪的最大外径缩小到50 mm，并且双轴陀螺的零偏稳定性均优于0.3°／h，满足了光纤陀螺测斜仪总体要求。

2.2 光纤陀螺仪高温下使用

光纤陀螺受光源温度范围的限制，其最高工作温度不能高于65℃，井下的最高温度可达175℃。光源在温度较高情况下功耗变大，自身发热加剧，更加速了仪器内部温升。通过以下几个方面进行了解决了光纤陀螺在井下的温度适应性问题。

（1）在探管外加装杜瓦保温瓶，减缓外部环境温度的传递，在测井时间内，保证双轴光纤陀螺的正常工作。

（2）设计了蓄冷体，降低光纤陀螺温度敏感点光源处的温度。为光源设计了光源散热体组件与蓄冷体相连，接触面紧密配合利于其导热，而且接触面积做到最大，不仅对光源起到了保护作用，在减缓光源局部急剧温升的同时，还能避免光源局部温度过高。

（3）陀螺光源属于整个光纤陀螺中的主要发热元件，因此将SLD光源及其驱动电路与2个光纤传感环圈和处理电路部分结构分离，分别放置在不同的腔体内，并且在端盖的连接处加了隔热垫圈，可以最大限度地减少光源发热对光纤敏感环圈的影响。

（4）为适应实际使用中复杂的温度变化环境，消除陀螺输出随环境温度变化的漂移，根据工程实际使用情况，模拟温度变化环境，进行针对性的温度特性实验并建立了相应的温度模型，依据温度模型对陀螺输出进行补偿，有效解决了光纤陀螺在恶劣环境下零偏稳定性变差的问题，进一步提高光纤陀螺在实际使用时的精度。

利用上述技术方法，可以保证光纤陀螺在175℃温度环境下，至少连续工作6 h以上。

2.3 惯性测量单元改进

在军事、民用等领域用于定位定向的设备，基本上均采用三轴陀螺仪和三轴加速度计组成的惯性测量组合，为了达到节省成本和减小仪器外径尺寸的目的，设计采用了双轴光纤陀螺仪和三轴加速度计组成的惯性测量组合。减少一轴陀螺仪，就无法直接利用传统的导航算法进行姿态解算，而且在连续测量过程中，光纤陀螺的误差累积效应会导致整个系统的精度随工作时间的增加而大大降低。通过以下几个方面的措施解决上述难点

（1）工作模式划分实现连续测量。通过设计计算与仿真分析，将探管在井下的测量方式分为零速修正、小斜度测量和大斜度测量3种工作模式：零速修正模式主要进行自寻北和陀螺漂移自我修正；小斜度测量模式主要在步进电机的配合下进行惯性导航姿态运算；大斜度测量模式主要进行方位角的物理解算。

（2）内部旋转体设计。为配合上述3种模式的工作，将所有的惯性测量器件安装在可以旋转的载体上，采用步进电机作为驱动部件，编码器、陀螺和加速度计敏感的信息共同做为输入量，保证3种模式间的正常感知、转换和按相关的模式实施姿态角解算工作。

（3）零速修正模式消除陀螺漂移的影响。陀螺漂移误将差随时间积累，且漂移量随温度产生变化是光学陀螺的显著特点。为了保证姿态测量精度，根据实际情况（间隔时间、姿态变化、温度变化），智能地控制旋转惯性体进行零速修正，重新标定陀螺的零偏，然后在后续的测量过程中自动进行补偿。

通过上述手段使光纤陀螺连续测斜仪达到了斜度0.15°、方位1.5°的精度水平。

2.4 单芯电缆载波双向数据传输

油田用电缆以单芯电缆居多，为满足用户需要，光纤陀螺连续测斜仪必须在单芯电缆上完成长距离供电、命令下传和信号上传、提供控制井下仪器的工作电源的工作。

系统采用变流恒流源供电方式，同时采用曼彻斯特码（无附加直流电平）的方式进行数据的传输和命令的发送。将数据载波在恒流源上，通过高可靠的传码、解码电路进行数据收发，控制命令叠加在数据上，通过先进的解码手段进行识别。这样只通过2个通道就完成了数据的通讯、命令的收发和仪器的变电流供电，不仅降低成本，而且可靠性非常高，保证仪器在单芯电缆的条件下，连续几百小时无故障数据传输。

3 主要测井性能

3.1 主要技术指标

光纤陀螺连续测斜仪通过实验室及井下试验验证，主要达到的技术指标如下。

测量方式：连续测量；

运动速度：0～3 000 m／h；

最低采样速率：8点／m；

井斜角：测量范围0°～90°时，测量精度±0.15°；

方位角：测量范围0°～360°时，测量精度±1.5°（3°≤井斜角≤60°）；测量精度±2.5°（1°≤井斜角≤3°、60°＜井斜角＜90°）；

抗压：不低于140 MPa；

抗振：5g，20～2 000 Hz；

抗冲击：200g，1 ms；

工作温度：－30℃～175℃（175℃工作不低于6 h）。

3.2 测井参数

光纤陀螺连续测斜仪完成研制后，进行了2次现场井下试验，并对冀东油田的5口井进行了实际测量，其中1口井为点测量，其余4口井为连续测量。测井中仪器工作正常，性能稳定，试验数据完全符合要求。测井情况见表1。

3.3 性能比较

将光纤陀螺测斜仪与美国SDI公司Keeper液浮陀螺测斜仪的性能进行比较（见表2）。

表1 测井情况一览表

表2 性能比较

4 结 论

光纤陀螺连续测斜仪解决了机械式陀螺仪的抗振性能差、不能连续测量及使用寿命短等一系列缺点。通过井下验证和性能对比，表明其能满足工程的需要。

［1］ 陈哲.捷联惯导系统原理［M］.北京：宇航出版社，1986.

［2］ 岳步江，吕伟，王晋麟，等.一种陀螺连续测斜仪：中国，CN200978671［P］.2007－11－21.

［3］ 徐磊，冯喆，李世扬.一种用于光纤陀螺连续测斜仪的光纤陀螺：中国，CN201103389［P］.2008－08－20.

［4］ 张晓丽，李守卓.一种用于光纤陀螺连续测斜仪的旋转惯性体：中国，CN201155325［P］.2008－11－26.

［5］ 王宇飞，陈俊，孙芳.陀螺测斜仪中的陀螺设计选型［J］.测井技术，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

吕伟，男，1981年生，硕士，从事惯性导航及自动控制方面的工作。

2011－06－01 本文编辑 王小宁）