BDS連續(xù)測斜儀原理及常見故障分析

劉書濤，孫旭政

(中原石油工程有限公司地球物理測井公司 河南 濮陽 457001)

0 引 言

BDS連續(xù)測斜儀是HH2530快速測井平臺系統(tǒng)中重要儀器之一，它用于測量裸眼井的井斜角(DEVI)、方位角(AZIM)等工程參數(shù)。連續(xù)測斜儀所測得的數(shù)據(jù)可以讓施工人員把握實(shí)際裸眼井的軌跡是否與最初設(shè)計(jì)的施工軌跡相吻合，從而判斷此裸眼井是否鉆井成功，滿足施工人員對所鉆裸眼井軌跡姿態(tài)把握的需要[1-2]。在石油鉆測行業(yè)中，對斜度和方位的測量有著較高的要求。因?yàn)橐豢诰芊癜匆蟮男倍群妥呦蜚@探，關(guān)系著井眼最終能否到達(dá)目的層，能否出油[3]。今年開始，石油市場進(jìn)一步好轉(zhuǎn)，中原探區(qū)測井任務(wù)量大大增加，而公司BDS儀器多為2010年以前購買的老儀器，器件老化、損壞等情況較多，故障率大大增加。為了保障生產(chǎn)，儀修人員理解該儀器的儀器原理，掌握其常見故障的維修方法是十分必要的。

1 BDS的物理測量原理及儀器組成

井斜角的定義：井軸與鉛垂線的夾角。

方位角的定義：以磁北方向?yàn)槭歼叄槙r針轉(zhuǎn)到井軸的水平投影線所轉(zhuǎn)過的角度。

連續(xù)測斜儀測量井斜、方位時，采用三加速度計(jì)、三磁力計(jì)與儀器骨架建立儀器坐標(biāo)系XYZ，地磁場的北方向、東方向和重力加速度的方向建立大地坐標(biāo)系NEV。利用三個加速度計(jì)可以測得重力加速度在儀器坐標(biāo)系XYZ的三個分量，用三個磁力計(jì)可以測得地磁場在儀器坐標(biāo)系中的XYZ三個分量，因?yàn)橹亓铀俣?、地磁場以及大地坐?biāo)系是確定的，所以可以利用坐標(biāo)變換計(jì)算出儀器坐標(biāo)系在大地坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，從而可以得到井斜角、方位角等參數(shù)[4-7]。

BDS主要由探頭芯子、極性變換板、電源板及共用線路2(REC)中相關(guān)數(shù)據(jù)采集電路四部分組成。探頭芯子由三個相互正交的加速度計(jì)、三個相互正交的磁力計(jì)及一個溫度傳感器(AD590)構(gòu)成，輸出七個模擬信號：RAX、RAY、RAZ、RFX、RFY、RFZ、RT。極性變換板由8個運(yùn)算放大電路組成，將傳感器輸出的有正負(fù)變化的信號轉(zhuǎn)換成0到4.8 V的正信號，以滿足REC中模擬通道對信號電平的要求，同時輸出參與計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)信號SZ。電源板輸出±12 VDC、-5 VDC，±12 VDC為極性變換板和探頭芯子提供直流電源，-5 VDC為極性變換板運(yùn)算放大電路提供一路輸入信號。REC中相關(guān)電路將BDS傳來的模擬信號濾波、放大、AD轉(zhuǎn)換，通過三總線傳給TGR，由TGR上傳到地面系統(tǒng)。信號流程如圖1所示。

圖1 連續(xù)測斜儀信號流程圖

2 信號變換原理

如圖2所示為由運(yùn)算放大器OP07及電阻網(wǎng)絡(luò)組成的極性變換電路。OP07是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性(雙電源供電)運(yùn)算放大器集成電路，由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓(對于OP07A最大為25 μV)，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施，故其1、8腳懸空[8]。

RAX為X加速度計(jì)信號，有正有負(fù)；U-5V為-5 V電源的實(shí)際值，一般為-4.8 V左右；AX為極性變換后的小于4.8 V的正信號，此信號通過REC上傳到地面系統(tǒng)。分析圖2電路不難得出AX與RAX的關(guān)系式[9、10]：

AX=-0.5(RAX+U-5V)

(1)

圖2 AX極性變換電路

RAY、RAZ、RFX、RFY、RFZ的極性變換電路和RAX相同，SZ的極性變換電路略有不同，如圖3所示。分析電路可得[9-10]：

SZ=-0.5U-5V

(2)

圖3 SZ極性變換電路

地面系統(tǒng)根據(jù)式(2)和SZ的值反算出U-5V，再根據(jù)式(1)計(jì)算出傳感器輸出信號(RAX、RAY、RAZ、RFX、RFY、RFZ)，從而可以根據(jù)式(3)-式(9)計(jì)算出井斜、方位、相對方位(RB)等參數(shù)[11]。

井斜角：

DEVI=arctg(RAX2+RAY2)1/2/RAZ

(3)

相對方位角：

RB=arctg(RAY/RAX)

(4)

A=(RAX2+RAY2+RAZ2)1/2
F=(RFX2+RFY2+RFZ2)1/2

(5)

A為加速度計(jì)模量，F(xiàn)為磁力計(jì)模量。

ax=RAX/Aay=-RAY/Aaz=RAZ/A

(6)

fx=-RFX/Ffy=-RFY/Ffz=-RFZ/F

(7)

sinI=fx×ax+fy×ay+fz×az
H1=ax×fy-fx×ay
H2=fz-az×sinI

(8)

井斜方位角：

AZIM=arctg(H1/H2)

(9)

由式(3)可知，井斜角DEVI只與三個加速度計(jì)有關(guān)；由式(4)可知，相對方位角RB只與X、Y兩個加速度計(jì)有關(guān)；由式(9)可知，井斜方位角與六個傳感器均有關(guān)。

3 典型故障分析及處理方法

無論出現(xiàn)何種故障，首先要排除REC、TGR、電纜、地面系統(tǒng)等因素的影響。

3.1 故障現(xiàn)象1：DEVI、AZIM、RB等均為死值

原因分析：任意調(diào)整BDS空間位置，DEVI、AZIM、RB都不變化，此時問題多出在8路信號的公用部分±12 V電源上。如果±12 V電源的值不對或者沒有值，所有負(fù)載包括傳感器、極性變換電路均不能正常工作，所以會出現(xiàn)死值現(xiàn)象。

處理方法:用萬用表直流電壓檔測量電源板輸出電壓是否為±12 V，如果測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相差較大或?yàn)榱悖瑒t判斷電源部分出現(xiàn)問題。首先斷開電源的所有負(fù)載，測量電源板輸出，如果輸出電壓仍不對，則一般判斷三端穩(wěn)壓塊損壞，更換相應(yīng)穩(wěn)壓塊。如果斷開所有負(fù)載，電源板輸出電壓恢復(fù)正常，則判斷某一個或某幾個負(fù)載短路，將電源電壓拉低。將負(fù)載逐個斷開，直到電源恢復(fù)正常，則認(rèn)定此負(fù)載故障，更換相應(yīng)元件。

3.2 故障現(xiàn)象2：DEVI、AZIM、RB等值有變化但數(shù)值錯誤

原因分析：調(diào)整BDS空間位置，如出現(xiàn)DEVI、AZIM、RB等值一個或多個有變化但數(shù)值錯誤。常見原因有兩種，傳感器損壞或極性變換電路出現(xiàn)故障。

處理方法：如果RB錯誤，則優(yōu)先檢查X、Y加速度計(jì)信號；如果DEVI錯誤，則優(yōu)先檢查三個加速度計(jì)信號；如果AZIM錯誤，則檢查所有加速度計(jì)、磁力計(jì)信號。首先用萬用表直流電壓檔測量傳感器的輸出信號，如果變化BDS空間位置時，傳感器無輸出信號或輸出信號為死值，則判斷傳感器損壞，更換相應(yīng)傳感器。如果各個傳感器輸出信號正確，則考慮極性變換板是否有故障。逐個測量極性變換電路的輸入和輸出信號，變化BDS空間位置，判斷輸入輸出是否滿足式(1)或式(2)，如不滿足，則判斷相應(yīng)運(yùn)算放大器(OP07)損壞，更換該運(yùn)放。

3.3 故障現(xiàn)象3：DEVI、AZIM超出誤差范圍

原因分析：

DEVI測量精度：±0.2°；

AZIM測量精度：DEVI≤2°時允許AZIM不定，DEVI在2～5°時AZIM精度為±3°，DEVI≥5°時AZIM精度為±2°。

DEVI、AZIM的值超出誤差范圍，一般原因?yàn)閭鞲衅魑恢米兓?，或者傳感器老化，性能發(fā)生變化。

處理方法：按照儀器操作手冊的環(huán)境要求、調(diào)校步驟對儀器進(jìn)行調(diào)校[1]。如果車間環(huán)境不能滿足調(diào)校要求，則需返回儀器廠家進(jìn)行調(diào)校。

4 結(jié)束語

BDS連續(xù)測斜儀采集井斜、方位等井眼工程參數(shù)，對判斷鉆井施工質(zhì)量非常重要。本文首先系統(tǒng)地介紹了該儀器的物理測量原理、儀器組成、信號變換原理，最后重點(diǎn)總結(jié)了常見故障的原因分析及處理方法，包括數(shù)據(jù)死值、數(shù)據(jù)錯誤和數(shù)據(jù)精度超差三種情況。全面深刻地理解儀器原理，以及熟練掌握常見故障的原因及處理方法，對儀器的故障判斷、調(diào)校檢修有很好的指導(dǎo)作用，使維修過程思路清晰，做到有的放矢，從而大大提高維修效率?；诒疚牡膬x器原理和故障處理方法，至今已維修了8支積壓故障BDS，5支新返還故障BDS，每支維修時間不超過1 h，維修過程得到優(yōu)化，維修效率得到提高，更好地保障了測井施工的進(jìn)行。