陀螺测斜仪检测数据分析方法研究

油田开发后期，大多采用老井井身轨迹校正或侧钻开窗来挖掘油藏潜力，增产增油，提高采收率。因此，陀螺测试技术得到了越来越广泛的应用，而各油田目前常用的动力调谐式陀螺仪是一种不受磁场影响的测斜仪，具有漂移小、精度高、可以自动寻北的特点。

陀螺仪的测量精度是仪器状态良好的基本特征，是取得优质测井资料的保证。但是随着使用时间的增加，井底长时间的高温高压、电子元器件的自然老化、井壁外力磕碰损坏等众多因素，导致其核心部件惯性测量组件的测量精度及性能都会逐渐降低，造成测量值发生漂移偏差，严重影响了老井二次作业和油田动态监测的准确度。本文针对这一问题，对陀螺仪在生产和日常检测的典型数据进行原因分析和处理方法探讨，进一步完善检测方法。

1 仪器构成及测量原理

1.1 仪器组成及结构

陀螺测斜仪主要由保温外筒、探管、减震短节、引斜组成。探管是仪器的主要核心工作部分，内部组装了挠性陀螺、石英挠性加速度表、温度传感器、多路模拟/数字转换、并串变换调制器、驱动器和井下二次电源等部分。

探管的主要传感器组件是由挠性陀螺仪和石英挠性加速度表构成。挠性陀螺仪有一个结构特殊的“挠性接头”，高速转动的转子同驱动电机轴不是刚性连接，而是通过“挠性接头”连接。挠性接头代替了框架，用来支撑转子。转子在高速旋转中，利用挠性接头产生的动力效应来消除接头细颈对转子的弹性约束，从而达到动力调谐。石英挠性加速度表是摆动加速度表，它的挠性支撑是经过特种加工的石英晶体。

1.2 工作原理

任何旋转的物体都有保持其旋转轴在空间指向不变的特性，这也就是陀螺现象。动调式陀螺仪测试时，陀螺转子保持高速旋转的定轴性，达到“动力调谐”时转子不复约束成为自由转子，挠性陀螺敏感轴Xg、Yg分别同探头坐标系X、Y轴对准，转子轴Zg同探头纵轴Z对准，测量测点的地球自转角速度分量。三只石英挠性加速度表敏感轴（输入轴）组成的正交坐标系O-XaYaZa同探头坐标O-XYZ对准，测量载体相对惯性空间的线加速度，也就是测量重力加速度分量。

陀螺测斜仪就是利用仪器上装置的惯性传感器组（陀螺仪和加速度表）定点测量井身轨迹某一点的地球自转角度速度和重力加速度分量， 测量信号经数据采集、编码，通过单芯电缆送至地面测控系统，自转角速度分量和重力加速度分量经数学模型的运算，同时加入校正参数补偿，可得出测点的真实倾斜角、方位角和工具面角，同时给出测点的地理位置坐标等参数。

2 常见检测数据分析及处理方法

在测试任务中，陀螺测试数据的准确性直接影响了作业区下步作业设计及二次开发开窗井的井迹走向，所以在使用时要采用测井前测井后检测的方式，时时注意监测仪器传感器状态，及时解读数据信息，确保仪器状态。

2.1 仪器精度降低

（1）方位角漂移。

港X-1井使用1#仪器测试时现场反馈数据偏离设计靶心，将该仪器探管放置校验台上进行检测。由于测试软件不能显示出单个加速度计或陀螺的情况，所以采用将陀螺体高边转动60°测试，再向一个方向依次转动六次60°测试，直到转完四个象限360°（见表1）。可以分析出，高边在四个象限变化时，方位角测值发生了漂移，超出精度范围，当回到初始位置时，方位角数值又回到了原值，重复点检测一致。判断陀螺和加速度表传感器组没有器件故障，仪器的漂移可以通过重新标定，校正参数补偿得到纠正，不需要进行维修探管硬件。

2.2 惯性组传感器损坏

在常规检测时发现，2#仪器在校验台上采取改变井斜角和高边的方式检测，测得方位值始终在180°左右水平轴变化(见表2)。当测量值和标准值出现严重误差时，需要结合惯性组件转子U的数据进行综合判断。选取表3任意一组数据，监测到U3、U4两组转子的电压值达到饱和值5V，U1、U2电压值正常，判断惯性组中陀螺传感器发生故障，需要维修更换。

表1 1#仪器检测数值

表2 2#仪器检测数值

表3 3#仪器小井斜检测数据

2.3 复杂故障

港X-2井使用3#仪器在老井轨迹复测时严重偏离原数据，室内检测明显发现惯性体转子运行声音过大，综合仪器情况设计两步结合法进行检测。第一，在大于3°时，将仪器分四个象限转动高边，检测到高边数值始终未90°或-90°，同时方位和井斜重复性检测基本一致，以此判断负责重力加速度分量的加速度计发生故障。第二，在小于3°井斜下检测陀螺状况，采取正交法检测四个象限内高边值变化（见表3），根据数据分析北向高边处于正确的跟踪状态，但是相对误差值超出正常误差范围，需要进行陀螺仪校正处理。综合以上两点就可以确定3#仪器需要进行更换加速度计和陀螺仪校正工作。

3 应用指导

陀螺测斜仪属于高精度仪器，定向坐键冲击，井壁磕碰或者运输颠簸等各种因素都可能加剧仪器老化、损坏，而依靠有效的检测手段，利用合理的分析，可以在测试前有效地保障仪器性能，有效防范仪器“带病上井”造成的动态监测数据偏差。

将常用检测流程归纳为“三步判断法”：第一步，比较探管内转子运转声音，感觉由转子转动引起的探管外壁震动幅度。声音或幅度如果异常，则需注意加测数据，排查是否存在故障。第二步，分析检测数据。数据与实际值漂移大，出现固定值或四个象限不跟踪则异常，需要具体分析。第三步，观察各组件参数U，是否在饱和范围以内，是否满足测试的正确翻转数值。

一旦确定出硬件故障，必须更换损坏器件。对于精度漂移大的，必须重新标定仪器参数。仪器的校定参数包括惯性体参数、陀螺高边补差参数、方位补差参数。其中，惯性体参数包括六个陀螺参数和两个加速度表参数，是各传感器的基本参数，用于解算仪器姿态，陀螺高边补差参数、方位补差参数用于修正方位，以此控制仪器的测量值的波动范围，提高测量精度。标定时，通过国家级检测机构标准计量台对仪器探管进行分段取点标定，修正影响偏差，重新计算刻度系数。下次测井时调用新系数进入数值计算，就可以得出正确的测量数据。此外，仪器更换传感器后，必须对维修后的仪器根据计量规范重新标定，确定正确的静态指标特征，消除系统误差。

4 结语

动调式陀螺测斜仪检测数据分析方法，能够帮助快速高效的判断出仪器性能，为仪器故障隐患的早发现早处理提供必要和充分的信息依据，为仪修工作提供了更为准确有效的指导，帮助改变技术服务工作状态由被动变为主动，进一步有效确保了陀螺仪现场测试的测量精度，为老油田高效开发提供了强有力的技术支撑。