專利名稱：鉆探用小口徑定向陀螺測斜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油測井、地質(zhì)勘探用小口徑定向陀螺測斜儀。
背景技術(shù)：
定向鉆井是油氣開發(fā)的重大技術(shù)之一，在國外一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到應(yīng)用。 定向鉆井所用的測斜定向儀，有各種的磁儀表和框架式陀螺儀表。但對小口徑鉆井測量已 經(jīng)不滿足要求。尤其在我國仍大量使用的磁儀表(如磁通門)由于本身受地質(zhì)和周圍鐵磁 物質(zhì)環(huán)境的影響，測量精度很低，甚至不能使用，一般的框架式陀螺儀表不僅精度低，而且 直徑大，使用前后的對準(zhǔn)，校準(zhǔn)也相當(dāng)繁瑣。因此，石油工業(yè)的開發(fā)急需一種小口徑，使用方 便，不受周圍環(huán)境影響甚至可以在完井后的套管內(nèi)或鉆桿內(nèi)進(jìn)行測量的新型的陀螺測斜定 向儀，以滿足老油田的再開發(fā)，叢式井和加密井鉆探的測量。目前，在石油測井施工使用的測斜儀主要是磁通門式的測斜儀。它采用三軸 正交角速度計測量地球重力加速度，三軸正交磁通門測量地磁場矢量。雖然這種測斜儀傳 感器性能可靠，但要求磁通門周圍不能有任何鐵磁物質(zhì)。而老井有套管，無法給測斜儀提供 良好的無磁環(huán)境，因此利用磁通門測量老井的井眼軌跡無法實現(xiàn)。另一方面，目前所有的陀 螺測斜儀口徑都在Φ60πιπι以上，耐壓大都ΙΟΜρ。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高精度連續(xù)測量 的耐壓強度大的鉆探用小口徑定向陀螺測斜儀。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種鉆探用小口徑定向陀螺測斜儀，包括井上 控制裝置和井下測量設(shè)備兩部分；井上控制裝置由計算機和控制單元組成，通過電纜連接 井下測量設(shè)備，計算機實時跟蹤顯示井下測量設(shè)備的反饋信息；其特征在于，井下測量設(shè)備 包括基于撓性陀螺的慣性短節(jié)，由馬籠頭、扶正器、采集遙測短節(jié)、陀螺儀慣性短節(jié)、加重短 接、減震器和引鞋組成；采集遙測短節(jié)包括電子部件和通信模塊，均為現(xiàn)有技術(shù)。所述陀螺儀慣性短節(jié)包括轉(zhuǎn)動電機，以及減速器、轉(zhuǎn)動軸和傳感器；傳感器由二個 雙自由度的小型撓性陀螺和三個互為正交的石英加速度計組成，二個雙自由度的第一小型 撓性陀螺和第二小型撓性陀螺互為正交由旋轉(zhuǎn)骨架連接，三個石英加速度計互為正交由旋 轉(zhuǎn)骨架連接；所述陀螺和加速度計通過定位面直接安裝在慣性體上，組成慣性測量組件，該 組件通過一對軸承支撐在外殼上。本發(fā)明鉆探用小口徑定向陀螺測斜儀中，二個雙自由度小型撓性陀螺和三個石英 加速度計組成傳感器，可靜態(tài)單點測量也可連續(xù)測量，測量速度快，短時間內(nèi)無需漂移修 正。其可用于井眼軌跡復(fù)測，套管定向開窗側(cè)鉆。在有磁性干擾環(huán)境下的套管井，配合其他 測井方法，指示測量儀器的方位，確定諸如磨損、水泥膠結(jié)等情況的方位。在各向異性地層中進(jìn)行射孔作業(yè)時，采用陀螺儀定向，避免盲目射孔，增加射孔出油率。整個過程中，井上 控制裝置和井下測量設(shè)備保持通信，將測量數(shù)據(jù)發(fā)回地面用于存儲和顯示。所有與慣性短 節(jié)和其相關(guān)的信號處理等都在井下測量設(shè)備內(nèi)完成，這主要是為了測量的實時性以及準(zhǔn)確 性，同時也使得井上控制裝置和井下測量設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸量最小。本發(fā)明鉆探用小口徑定向陀螺測斜儀中，撓性陀螺的慣性短節(jié)系統(tǒng)的機械編 排原理；根據(jù)慣性測量單元的特點，建立的傳感器誤差模型；采用靜態(tài)點測對準(zhǔn)初始姿態(tài) 的方法。本發(fā)明在測井過程中求解慣性導(dǎo)航方程獲得測斜儀沿三個軸向的角度，來實 現(xiàn)實時的井眼測量輸出油井的方位信息。同時為了消除各種噪聲干擾、陀螺的漂移，采用了 數(shù)字濾波方法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。本發(fā)明的優(yōu)點在于體積小，成本低，精度高、測量速度快，可連續(xù)測量，可靠性高， 耐高溫高壓、使用范圍廣。采用本發(fā)明，抗振性能，測量精度、全方位連續(xù)測量等方面都有很大的優(yōu)勢。


圖1是本發(fā)明鉆探用小口徑定向陀螺測斜儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中井上控制裝置示意圖。圖3是本發(fā)明中陀螺儀慣性短節(jié)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明中陀螺儀慣性短節(jié)嵌入式計算機的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式一種鉆探用小口徑定向陀螺測斜儀，包括井上控制裝置和井下測量設(shè)備兩部分； 井上控制裝置由計算機和控制單元組成，通過電纜連接井下測量設(shè)備，計算機實時跟蹤顯 示井下測量設(shè)備的反饋信息。如圖1所示，井下測量儀器包括基于撓性陀螺的慣性短節(jié)、相 關(guān)的電子部件和通信模塊，由馬籠頭1、扶正器2、采集遙測短節(jié)3、陀螺儀慣性短節(jié)4、加重 短接6、減震器7和引鞋8組成。動力調(diào)諧陀螺是由下列元件組成陀螺轉(zhuǎn)子、撓性接頭、力 矩器、傳感器、磁滯電機和密封殼體等元件組成。在陀螺底座上裝有一對滾珠軸承，以支撐 驅(qū)動電機軸的高速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動軸一端裝著電機的轉(zhuǎn)子，另一端通過撓性接頭裝著陀螺轉(zhuǎn)子， 力矩器線圈骨架和傳感器組件用螺釘與底座相連。陀螺底座兩端的上、下端蓋用電子束焊 接并使陀螺密封。陀螺儀慣性短節(jié)(慣性測量組)4作為測斜儀的核心部件，由陀螺轉(zhuǎn)子、撓性接頭、 力矩器、傳感器、磁滯電機和密封殼體等元件組成。在陀螺底座上裝有一對滾珠軸承，以支 撐驅(qū)動電機軸的高速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動軸一端裝著電機的轉(zhuǎn)子，另一端通過撓性接頭裝著陀螺轉(zhuǎn) 子，力矩器線圈骨架和傳感器組件用螺釘與底座相連。陀螺底座兩端的上、下端蓋用電子束 焊接并使陀螺密封。所述撓性陀螺的口徑小于50mm。參見圖3，陀螺儀慣性短節(jié)包括轉(zhuǎn)動電機(47)，以及減速器、轉(zhuǎn)動軸和傳感器(圖 中省略減速器、轉(zhuǎn)動軸和傳感器)，傳感器由二個雙自由度的小型撓性陀螺(41、42)和三個互為正交的石英加速度計(43、44、45)組成，二個雙自由度的第一小型撓性陀螺(41)和第 二小型撓性陀螺(42)互為正交由旋轉(zhuǎn)骨架連接，三個石英加速度計(43、44、45)互為正交 由旋轉(zhuǎn)骨架連接。所述兩個小型撓性陀螺(41、42)為雙軸動力調(diào)諧陀螺與三個石英加速度 計，它們在設(shè)計上采用捷聯(lián)式機械編排，所述陀螺和加速度計通過定位面直接安裝在慣性 體上，組成慣性測量組件，該組件通過一對軸承支撐在外殼上。慣性體對轉(zhuǎn)控制機在測量點 上的0°和180°上定位。慣性體組件的旋轉(zhuǎn)軸與井下探管軸重合，通過探管扶正器2與井 筒軸線平行。小型撓性陀螺和石英加速度計工作在力反饋狀態(tài)，陀螺測量地球自轉(zhuǎn)角速率 分量，加速度計測量重力加速度分量。所測信號經(jīng)采集編碼通過單芯電纜送至地面儀器，經(jīng) 計算機解算可得出井筒的傾斜角、方位角和工具面角等參數(shù)。慣性體是探管坐標(biāo)系OXYZ的實體。一個陀螺和兩個加速度計 通過各自的定位面用螺釘固定在慣性體上，使陀螺的兩個測量軸分別對 準(zhǔn)X^軸；兩個加速度計的測量軸分別對準(zhǔn)X軸和Y軸。它們測得的分量
權(quán)利要求
1.一種鉆探用小口徑定向陀螺測斜儀，包括井上控制裝置和井下測量設(shè)備兩部分；井 上控制裝置由計算機和控制單元組成，通過電纜連接井下測量設(shè)備，計算機實時跟蹤顯示 井下測量設(shè)備的反饋信息；其特征在于，井下測量設(shè)備包括基于撓性陀螺的慣性短節(jié)，由馬 籠頭(1)、扶正器(2)、采集遙測短節(jié)(3)、陀螺儀慣性短節(jié)(4)、加重短接(6)、減震器(7)和 引鞋(8)組成；所述陀螺儀慣性短節(jié)包括轉(zhuǎn)動電機(47)，以及減速器、轉(zhuǎn)動軸和傳感器；傳感器由二 個雙自由度的小型撓性陀螺(41、42)和三個互為正交的石英加速度計(43、44、45)組成， 二個雙自由度的第一小型撓性陀螺(41)和第二小型撓性陀螺(42)互為正交由旋轉(zhuǎn)骨架連 接，三個石英加速度計(43、44、45)互為正交由旋轉(zhuǎn)骨架連接；所述陀螺和加速度計通過定 位面直接安裝在慣性體上，組成慣性測量組件，該組件通過一對軸承支撐在外殼上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆探用小口徑定向陀螺測斜儀，其特征在于，所述撓性陀螺 的口徑小于50mm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鉆探用小口徑定向陀螺測斜儀，由井上控制裝置和井下測量設(shè)備兩部分組成；井下測量設(shè)備包括基于撓性陀螺的慣性短節(jié)，陀螺儀慣性短節(jié)包括由二個雙自由度的小型撓性陀螺和三個互為正交的石英加速度計組成的傳感器，二個雙自由度的撓性陀螺互為正交由旋轉(zhuǎn)骨架連接，三個石英加速度計互為正交由旋轉(zhuǎn)骨架連接；所述陀螺和加速度計通過定位面直接安裝在慣性體上，組成慣性測量組件，該組件通過一對軸承支撐在外殼上。本發(fā)明在測井過程中求解慣性導(dǎo)航方程獲得測斜儀沿三個軸向的角度，實現(xiàn)實時的井眼測量輸出油井的方位信息。具有體積小，成本低，精度高、測量速度快，可連續(xù)測量，可靠性高，耐高溫高壓、使用范圍廣的優(yōu)點。
文檔編號E21B47/022GK102140913SQ201110123888
公開日2011年8月3日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者夏明澤, 李紅良, 林萍, 王福亮, 謝箭 申請人:重慶華渝電氣儀表總廠