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随钻陀螺测斜系统设计及测试试验

谢涛;赵少伟;杨保健;幸雪松;贾立新

【摘要】通过对光纤陀螺仪、石英挠性加速度计、姿态测量短节、供电短节、泥

浆脉冲发生器、地面仪器等关键设备的设计与研制,开发出了一套适合海上作业特

点和需求的随钻陀螺测斜系统.室内及现场试验结果表明,自行设计的随钻陀螺测斜

系统在大排量钻井环境下能够正常完成井下仪器测斜功能,实时连续提供井筒轨迹

数据,测量精度满足异常磁环境下井筒防碰绕障作业要求,地面系统能够完成正常解

码,井下仪器结构抗振、耐高温,对钻井环境的适应性强.

【期刊名称】《中国海上油气》

【年(卷),期】2016(028)003

【总页数】6页(P121-126)

【关键词】随钻陀螺测斜系统;光纤陀螺仪;石英挠性加速度计;姿态测量短节;供电短

节;泥浆脉冲发生器;室内测试;现场测试

【作者】谢涛;赵少伟;杨保健;幸雪松;贾立新

【作者单位】中海石油(中国)有限公司天津分公司天津300452;中海石油(中国)有

限公司天津分公司天津300452;中海石油(中国)有限公司天津分公司天津

300452;中海石油(中国)有限公司天津分公司天津300452;中海石油(中国)有限公

司天津分公司天津300452

【正文语种】中文

【中图分类】TE27+1

与MWD等磁测量工具相比，随钻陀螺具有异常磁环境下实现井眼轨迹精确测量

的优点。与电缆陀螺工具相比，随钻陀螺在作业过程中的连续随钻测斜功能可使起

下钻次数减少，有利于高效实施高密度丛式井防碰绕障。从目前公开资料及报道可

知，仅美国科学钻井公司将陀螺姿态测量产品集成到MWD中，所研制的随钻陀

螺测斜系统近年来对中国只提供服务，不进行销售。本文通过对光纤陀螺仪、石英

挠性加速度计、姿态测量短节、供电短节、泥浆脉冲发生器、地面仪器等关键设备

的设计与研制，开发出了一套适合海上作业特点和需求的随钻陀螺测斜系统，并进

行了室内及现场测试试验，结果表明该系统能与固井质量测量仪器连接，实现固井

质量测量及轨迹复测一次完成，可保障海上油田安全作业与降本增效。对于海上油

田丛式井上部井段防碰绕障及提高作业效率有重要意义。

新研制的随钻陀螺测斜系统整体结构如图1所示，由井下系统和地面系统2个部

分组成。井下系统通过姿态测量短节测量井眼轨迹参数，按照规定的信息传递协议

将轨迹参数通过脉冲发生器以泥浆压力脉冲形式传递到地面[1]，再由地面系统进

行准确解码[2]，并将井眼轨迹信息进行处理、显示，为司钻和定向工程师工作提

供信息参考。

1.1井下系统设计

井下系统主要由供电短节、泥浆脉冲发生器、姿态测量短节(探管)、扶正器等组成

(图2)。供电短节利用3组锂电池(每组8节)组合设计，为井下仪器供电；泥浆脉

冲发生器接收探管的指令并按指令实现蘑菇头的动作，改变钻柱内压力，形成压力

脉冲；姿态测量短节对工程参数中的井斜、方位、工具面角及温度进行测量。

1.1.1姿态测量短节

姿态测量短节用于在工作过程中对井眼轨迹的数据进行测量，为下一步的井眼轨道

控制提供依据[3]。姿态测量短节系统的主要技术指标如下：井斜角精度±0.1°、

测量范围0°～90°；方位角精度±2°个标准偏差(1，3°≤井斜角≤60°)，或±3°(1

个标准偏差，0.5°≤井斜角3°，60°井斜角≤90°)，测量范围0°～360°；工具面

角精度±3°(高边工具面和北向工具面输出界线为井斜角在3°～7°之间)。

姿态测量短节采用旋转机构设计(图3)，具有2种测量方式，在长测量时进行零速

校漂[4-5]，提供全部姿态信息，校漂时间大约为5min；在短测量时仅利用加速

度计或Z轴陀螺仪积分提供井斜和工具面，不提供方位信息。姿态测量短节中传

感器系统主要由光纤陀螺仪和石英挠性加速度计组成，是随钻陀螺测斜系统中决定

随钻陀螺性能的重要部分，是整个系统的核心。

1)光纤陀螺仪。

选择光纤陀螺仪的关键是测量精度及仪器寿命，要求零偏稳定性在0.1～1.0°/h(1

个标准偏差，10s计算一次)。陀螺仪的设计选型为双轴光纤陀螺仪，该陀螺仪利

用Sagnac效应进行设计，没有旋转和摩擦部件，解决了研制过程中的测量精度及

钻井环境适应的问题。光纤陀螺仪技术指标如下：测量范围-500～500°/s；零偏

重复性和零偏稳定性(1个标准偏差，10s平均)≤0.5°/h；标度因数不对称度(3个