謝 濤 趙少偉 楊保健 幸雪松 賈立新

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)設計及測試試驗*

謝 濤 趙少偉 楊保健 幸雪松 賈立新

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

通過對光纖陀螺儀、石英撓性加速度計、姿態(tài)測量短節(jié)、供電短節(jié)、泥漿脈沖發(fā)生器、地面儀器等關鍵設備的設計與研制，開發(fā)出了一套適合海上作業(yè)特點和需求的隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)。室內(nèi)及現(xiàn)場試驗結果表明，自行設計的隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)在大排量鉆井環(huán)境下能夠正常完成井下儀器測斜功能，實時連續(xù)提供井筒軌跡數(shù)據(jù)，測量精度滿足異常磁環(huán)境下井筒防碰繞障作業(yè)要求，地面系統(tǒng)能夠完成正常解碼，井下儀器結構抗振、耐高溫，對鉆井環(huán)境的適應性強。

隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)；光纖陀螺儀；石英撓性加速度計；姿態(tài)測量短節(jié)；供電短節(jié)；泥漿脈沖發(fā)生器；室內(nèi)測試；現(xiàn)場測試

與MWD等磁測量工具相比，隨鉆陀螺具有異常磁環(huán)境下實現(xiàn)井眼軌跡精確測量的優(yōu)點。與電纜陀螺工具相比，隨鉆陀螺在作業(yè)過程中的連續(xù)隨鉆測斜功能可使起下鉆次數(shù)減少，有利于高效實施高密度叢式井防碰繞障。從目前公開資料及報道可知，僅美國科學鉆井公司將陀螺姿態(tài)測量產(chǎn)品集成到MWD中，所研制的隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)近年來對中國只提供服務，不進行銷售。本文通過對光纖陀螺儀、石英撓性加速度計、姿態(tài)測量短節(jié)、供電短節(jié)、泥漿脈沖發(fā)生器、地面儀器等關鍵設備的設計與研制，開發(fā)出了一套適合海上作業(yè)特點和需求的隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)，并進行了室內(nèi)及現(xiàn)場測試試驗，結果表明該系統(tǒng)能與固井質(zhì)量測量儀器連接，實現(xiàn)固井質(zhì)量測量及軌跡復測一次完成，可保障海上油田安全作業(yè)與降本增效。對于海上油田叢式井上部井段防碰繞障及提高作業(yè)效率有重要意義。

1 隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)設計

新研制的隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)整體結構如圖1所示，由井下系統(tǒng)和地面系統(tǒng)2個部分組成。井下系統(tǒng)通過姿態(tài)測量短節(jié)測量井眼軌跡參數(shù)，按照規(guī)定的信息傳遞協(xié)議將軌跡參數(shù)通過脈沖發(fā)生器以泥漿壓力脈沖形式傳遞到地面[1]，再由地面系統(tǒng)進行準確解碼[2]，并將井眼軌跡信息進行處理、顯示，為司鉆和定向工程師工作提供信息參考。

圖1 隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)結構示意圖

1.1 井下系統(tǒng)設計

井下系統(tǒng)主要由供電短節(jié)、泥漿脈沖發(fā)生器、姿態(tài)測量短節(jié)(探管)、扶正器等組成(圖2)。供電短節(jié)利用3組鋰電池(每組8節(jié))組合設計，為井下儀器供電；泥漿脈沖發(fā)生器接收探管的指令并按指令實現(xiàn)蘑菇頭的動作，改變鉆柱內(nèi)壓力，形成壓力脈沖；姿態(tài)測量短節(jié)對工程參數(shù)中的井斜、方位、工具面角及溫度進行測量。

圖2 隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)井下系統(tǒng)示意圖

1.1.1 姿態(tài)測量短節(jié)

姿態(tài)測量短節(jié)用于在工作過程中對井眼軌跡的數(shù)據(jù)進行測量，為下一步的井眼軌道控制提供依據(jù)[3]。姿態(tài)測量短節(jié)系統(tǒng)的主要技術指標如下：井斜角精度±0.1°、 測量范圍0°～90°；方位角精度±2°(1個標準偏差，3°≤井斜角≤60°)，或±3°(1個標準偏差，0.5° ≤井斜角<3°，60°<井斜角≤90°)，測量范圍0°～360°；工具面角精度±3°(高邊工具面和北向工具面輸出界線為井斜角在3°～7°之間)。

姿態(tài)測量短節(jié)采用旋轉(zhuǎn)機構設計(圖3)，具有2種測量方式，在長測量時進行零速校漂[4-5]，提供全部姿態(tài)信息，校漂時間大約為5 min；在短測量時僅利用加速度計或Z軸陀螺儀積分提供井斜和工具面，不提供方位信息。姿態(tài)測量短節(jié)中傳感器系統(tǒng)主要由光纖陀螺儀和石英撓性加速度計組成，是隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)中決定隨鉆陀螺性能的重要部分，是整個系統(tǒng)的核心。

圖3 隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)姿態(tài)測量短節(jié)組成

1) 光纖陀螺儀。

選擇光纖陀螺儀的關鍵是測量精度及儀器壽命，要求零偏穩(wěn)定性在0.1～1.0°/h(1個標準偏差，10 s計算一次)。陀螺儀的設計選型為雙軸光纖陀螺儀，該陀螺儀利用Sagnac效應進行設計，沒有旋轉(zhuǎn)和摩擦部件，解決了研制過程中的測量精度及鉆井環(huán)境適應的問題。光纖陀螺儀技術指標如下：測量范圍-500～500°/s；零偏重復性和零偏穩(wěn)定性(1個標準偏差，10 s平均)≤0.5°/h；標度因數(shù)不對稱度(3個標準偏差)≤2×10-4；標度因數(shù)重復性(3個標準偏差)≤2×10-4；抗振20 g，隨機振動。

2) 石英撓性加速度計。

選擇石英撓性加速度計同樣要考慮測量精度及儀器壽命，零偏穩(wěn)定性不大于1 mg，標度因數(shù)非線性度不大于1×10-4[6-11]，石英撓性加速度計技術指標如下：零偏≤5 mg；零偏穩(wěn)定性≤1 mg；測量范圍-3～3 g；測量精度80 μg；刻度系數(shù)誤差(3個標準偏差)≤1×10-4；標度因數(shù)非線性度(3個標準偏差)≤1×10-4；抗振20 g，隨機振動。

1.1.2 供電短節(jié)

井下系統(tǒng)中姿態(tài)測量短節(jié)額定功率約為10 W，在使用節(jié)電模式下其平均功率可以降到6 W；脈沖發(fā)生器的功率在不同狀態(tài)下相差較大，根據(jù)經(jīng)驗，在整個鉆井過程中其平均功率應小于3 W。根據(jù)上述功率特性及系統(tǒng)工作時間(150 h)要求，電源轉(zhuǎn)換效率按80%計算，供電短節(jié)共需24節(jié)電池(3.6 V，24 A·h)，分為3組(每組8節(jié)，并排放置)，其中2組電池串聯(lián)使用給姿態(tài)測量短節(jié)供電，另一組電池單獨給脈沖發(fā)生器供電。

1.1.3 泥漿脈沖發(fā)生器

井下系統(tǒng)井下信息的傳遞采用目前比較成熟的泥漿壓力脈沖傳輸方式[3]，以鉆井液為載體，將井下數(shù)據(jù)以泥漿壓力脈沖的形式傳遞到地面，地面系統(tǒng)對壓力脈沖進行解碼，得到井眼軌道數(shù)據(jù)。泥漿脈沖發(fā)生器由主閥芯組件、伺服閥組件及電容節(jié)組件等3個部分組成(圖4)。

圖4 隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)脈沖器主閥芯組件結構示意圖

1.2 地面系統(tǒng)設計

地面系統(tǒng)用于接收井下測量信息，經(jīng)解碼后在儀器房內(nèi)顯示及繪圖，供定向工程師及時了解井下相關參數(shù)，并據(jù)此對鉆進施工過程進行控制；同時還將工程參數(shù)傳送至井臺顯示，供司鉆進行操作參考。地面系統(tǒng)由地面主機、司鉆顯示器、UPS電源、數(shù)據(jù)處理計算機以及連接電纜等組成(圖5)。按照工作環(huán)境的不同，地面系統(tǒng)可以分為2個部分，即在井架上使用的儀器和在儀器房內(nèi)使用的儀器，二者之間通過電纜進行連接。

圖5 隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)地面系統(tǒng)連接設計圖

2 室內(nèi)測試試驗

室內(nèi)測試包括抗振試驗、精度標定試驗、高低溫試驗、地面模擬試驗和半實物仿真試驗，主要是對隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)和部組件產(chǎn)品的環(huán)境適應性及可靠性進行評價，以指導產(chǎn)品的設計、改進。

2.1 抗振試驗

對研制的光纖陀螺儀樣機進行抗振試驗，分為靜態(tài)測試和振動測試。

2.1.1 靜態(tài)測試試驗

光纖陀螺儀樣機靜態(tài)測試試驗結果如圖6所示，3次靜態(tài)測試零偏穩(wěn)定性數(shù)據(jù)見表1。從表1可以看出，光纖陀螺儀10 s平均的零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.35°/h，30 s平均的零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.25°/h，振動前陀螺儀輸出滿足技術要求。

圖6 隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)光纖陀螺儀靜態(tài)測試結果

表1 隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)光纖陀螺儀3次靜態(tài)測試零偏穩(wěn)定性數(shù)據(jù)

2.1.2 振動測試試驗

將光纖陀螺儀樣機固定在振動臺上進行抗振動測試，振動測試量級[12]為20 g(隨機振動、15 min),測試頻率范圍20～2 000 Hz。光纖陀螺儀振動測試試驗結果如圖7所示，光纖陀螺儀10 sx軸和z軸平均的零偏值分別為0.379 58和0.322 12°/h，均優(yōu)于0.4°/h，30 sx軸和z軸平均的零偏值分別為0.277 04和0.177 04°/h，均優(yōu)于0.3°/h，振動后陀螺儀輸出滿足技術要求。

圖7 隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)光纖陀螺儀振動測試圖

2.2 精度標定試驗

將姿態(tài)測量短節(jié)安裝于三自由度位置轉(zhuǎn)臺進行精度標定測試，測試數(shù)據(jù)見表2，從表2可以看出，光纖陀螺儀姿態(tài)測量短節(jié)井斜最大誤差0.07°,方位角最大誤差1.44°，工具面角最大誤差1.45°，滿足試驗測量精度要求。

表2 隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)陀螺姿態(tài)測量短節(jié)精度測試記錄表

2.3 高低溫試驗

根據(jù)隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)要求，溫度測試的范圍為-30～70℃，高低溫度點保溫時間為2 h，溫升變化斜率為3℃/min,溫降變化斜率為1℃/min。隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)在升溫和保溫階段通電測試，在降溫階段不通電；試驗共進行了10個循環(huán)工作過程，溫度循環(huán)曲線如圖8所示。試驗結果表明，每個部組件產(chǎn)品經(jīng)過10個循環(huán)均能正常工作，無故障。

圖8 隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)部組件溫度循環(huán)曲線

2.4 地面模擬試驗

隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)組裝完成后進行地面模擬試驗(圖9)，驗證測試系統(tǒng)的供電、自尋北、脈沖器發(fā)碼、地面模擬解碼及曲線繪制、長時間工作等功能，達到下井試驗前的功能檢查和可靠工作時間指標考核的目的，功能測試完成后再進行長時間通電老化試驗。試驗結果表明，該系統(tǒng)能夠在地面模擬測試中150 h內(nèi)可靠全功能工作，可以滿足現(xiàn)場作業(yè)需求。

圖9 隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)地面模擬試驗

2.5 半實物仿真試驗

地面模擬驗證通過后要對隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)進行半實物仿真試驗，主要通過水循環(huán)試驗考核系統(tǒng)儀器是否具備下井試驗的狀態(tài)，最大限度地仿真模擬井下環(huán)境。多次仿真試驗結果表明，該系統(tǒng)儀器已達到下井試驗狀態(tài)。

3 現(xiàn)場測試試驗

組裝完成后的隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)在渤海某油田進行了井下測試試驗，井下系統(tǒng)配置為φ311.15 mm鉆頭+φ244.48 mm馬達(0.75°/305 mm)+φ228.20 mm短鉆鋌+浮閥+φ311.15 mm扶正器+φ203.20 mm懸掛短節(jié)(0.88 m)+脈沖器(1.72 m)+扶正器(0.338 m)+電池短節(jié)(2.164 m)+扶正器(0.338 m)+探管(2.164 m)+打撈頭(0.435 m)。該系統(tǒng)每隔2根鉆柱(90 m)進行一次測試，觀測到停泵信息后關泵等待5 min，開泵循環(huán)鉆井液，待地面完整接收停泵信息后結束該測點測試，然后接鉆柱并繼續(xù)下放至下一測點，重復操作。本次井下試驗中隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)累計入井時間約為27 h，鉆井液排量約為67 L/s，鉆進7 h，進尺約100 m，隨鉆陀螺實鉆測量數(shù)據(jù)見表3。由表3可以看出，在大排量鉆井環(huán)境下隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)能夠正常完成測斜功能，且地面系統(tǒng)能夠完成正常解碼，儀器功能性驗證正常；隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)沒有發(fā)生斷裂、進水，扶正器彈簧無嚴重沖刷，表明系統(tǒng)結構對鉆井環(huán)境的適應性強，能夠滿足使用要求。

表3 隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)實鉆測量數(shù)據(jù)

4 結論

室內(nèi)及現(xiàn)場測試試驗表明，自行設計的隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)適應于海上石油鉆井工程領域，陀螺儀綜合精度優(yōu)于0.4°/h，加速度計綜合精度優(yōu)于0.5 mg；實現(xiàn)了陀螺姿態(tài)測量短節(jié)抗惡劣力學環(huán)境設計及隨鉆化應用,實現(xiàn)精度井斜優(yōu)于0.1°、方位優(yōu)于2°；實現(xiàn)了大排量條件下鉆井液壓力信息的可靠傳輸及井下數(shù)據(jù)信息的準確解碼，并通過軟件設計實現(xiàn)了井下儀器工作模式和參數(shù)的靈活設置，更利于工程實踐應用。

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(編輯：葉秋敏)

Design and test of gyroscope inclination survey while drilling system

Xie Tao Zhao Shaowei Yang Baojian Xing Xuesong Jia Lixin

(TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China)

A gyroscopic inclination survey while drilling system suitable for offshore operation characteristics and needs was developed, including fiber gyroscope, quartz flexible accelerometer, attitude measuring crossover, power sub, mud pulse generator, and surface instruments. Lab and field test results show that the home-made inclination survey system can smoothly measure inclination and azimuth under the condition of high mud flow-rate, and provide real-time and continuous hole trajectory data. The data accuracy meets the need of anti-collision and barrier-bypassing in abnormal magnetic environment, and the data can be decoded normally with surface facility. The downhole instrumentation is vibration- and heat-resistant, and is highly adaptable to various drilling environments.

gyroscopic inclination survey while drilling system; fiber optic gyroscope; quartz flexible accelerometer; attitude measuring crossover; power sub; mud pulse generator; lab test; field test

謝濤，男，工程師，2005年畢業(yè)于中國石油大學(華東)，主要從事海洋石油鉆完井技術研究工作。地址：天津市塘沽區(qū)閘北路609信箱(郵編：300452)。E-mail：xietao3@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)03-0121-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.03.019

TE27+1

A

2015-11-24 改回日期：2016-01-16

* “十二五”國家科技重大專項“海上稠油油田高效開發(fā)示范工程 (編號：2011ZX05057) ”部分研究成果。

謝濤,趙少偉，楊保健,等.隨鉆陀螺測斜系統(tǒng)設計及測試試驗[J].中國海上油氣，2016,28(3)：121-126.

Xie Tao,Zhao Shaowei,Yang Baojian,et al.Design and test of gyroscope inclination survey while drilling system[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(3):121-126.