一种深钻探抗高温微惯性连续测斜装置的制作方法

本发明主要用于石油、天然气钻探与勘探领域，尤其涉及一种深钻探抗高温微惯性连续测斜装置。

背景技术：

在石油、天然气钻探与勘探过程中控制钻井精度，保证钻进不要偏离设计轨迹，必须对钻进过程中井的轨迹进行测量，石油、天然气工业钻探与勘测中采用测斜测量，能够有效提高钻井效率和降低采油成本，提高采油量，且现在通常采用的测量工具就是钻探用测斜装置。

现有的测斜装置采用两自由度动调陀螺，这两自由度动调陀螺对应X轴和Y轴，并通过这两个动调陀螺测量方位角、倾角和斜度。现有测斜装置主要的缺陷如下：

1、由于采用两自由度动调陀螺，不能构成完整的惯性测量系统，那么只能间断地测量不同测量点的方位角、倾角和斜度，而测量时必须停止不动，不能在钻探过程中测量，且要停止较长时间才能测一次，这样不仅测量效率低，而且不能在钻探过程中连续测量。

2、现有动调陀螺的电源和信号传输结构复杂、成本高，且可靠性低。

3、现有的测量装置耐高温性能不甚理想，不能很好地确保在200℃环境下可靠、连续地工作。

4、由于动调陀螺的抗冲击能力差，这样就不能保证测量装置有良好的抗冲击能力，由于动调陀螺体积大，影响到整体的抗压设计，使其无法承受120MPa以上的工作环境，且动调陀螺容易损坏，从而导致测量装置的使用寿命短。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能抗高温、抗高压功能的深钻探抗高温微惯性连续测斜装置，欲在钻探过程中连续、高效地测量方位角、倾角和斜度。

本发明的技术方案如下：一种深钻探抗高温微惯性连续测斜装置，其特征在于：包括元器件部分耐压外管(1)和封闭接头，其中元器件部分耐压外管(1)中心孔的下端与第一转接头(2)相连，并通过第一转接头(2)外圆面上的o型圈密封，该第一接头上端部通过第一金属绝热体(3)与第一吸热体(4)相连；所述第一吸热体(4)上端部与第二转接头(5)下部相连，该第二转接头上部与元器件安装壳(6)中心孔的下端部相连，且元器件安装壳(6)装在所述元器件部分耐压外管(1)的中心孔内；所述元器件安装壳(6)中心孔的下部装有三个相互垂直的微型石英振动陀螺仪(7)，这三个微型石英振动陀螺仪(7)分别对应坐标系的X轴、Y轴和Z轴；所述元器件安装壳(6)中心孔的上部装有三个相互垂直的加速度计(8)，这三个加速度计分别对应坐标系的X轴、Y轴和Z轴，并与三个所述微型石英振动陀螺仪(7)一一对应，且微型石英振动陀螺仪(7)和加速度计(8)配合起来形成微惯性测量单元，可以在连续移动过程中测量任意一个点的方位角、倾角和斜度；所述元器件安装壳(6)中心孔的上端与第三转接头(9)下端相连，该第三转接头上端通过第二吸热体(50)与第二金属绝热体(10)下端接触，该第二金属绝热体上端及所述元器件部分耐压外管(1)中心孔的上端同时与第四转接头(11)下部固定，且第四转接头(11)下部通过外圆面上的o型圈与元器件部分耐压外管(1)密封；所述第四转接头(11)上部同时与第三金属绝热体(12)下端及电路部分耐压外管(13)中心孔的下端固定，且第四转接头(11)上部通过外圆面上的o型圈与电路部分耐压外管(13)之间密封；

所述第三金属绝热体(12)上端通过第三吸热体(14)与电路安装壳(15)下端相连，这三个部件均装在一根元器件部分内管(16)内，该元器件部分内管同轴装在所述元器件部分耐压外管(1)内；所述电路安装壳(15)上装有解算板(17)、加速度计信号处理板(18)、陀螺仪信号处理板(19)、信号传输板(20)和电源板(21)；所述电路安装壳(15)上端通过第四吸热体(23)与第四金属绝热体(100)下端相连，该第四吸热体与第四金属绝热体均装在所述元器件部分内管(16)内，且第四吸热体(100)上端通过柱塞(24)与所述电路部分耐压外管(13)中心孔的上端部固定连接；

所述封闭接头装在电路部分耐压外管(13)中心孔的上端，并通过0型圈密封与电路部分耐压外管(13)密封。

在上述技术方案中，微型石英振动陀螺仪和加速度计均为外购件，它们配合起来形成微惯性测量单元，通过捷联惯性导航算法，并依据井迹参数物理定义，在连续移动过程中测量任意一个点的方位角、倾角和斜度的技术为现有技术，目前一般用于飞机或航空武器的导航及制导领域，之前并没有现有技术将该技术运用至钻探勘测领域。采用上述技术后，可以在连续移动过程中测量任意一个点的方位角、倾角和斜度，这样可以大幅提高测量效率，并能在钻探过程中连续测量。同时，本案应用微惯性系统集成技术将微型石英振动陀螺仪、加速度计、解算板、加速度计信号处理板、陀螺仪信号处理板、信号传输板和电源板封装在一个密闭环境内，这样就可以抗高压和高温环境，并可在200℃以上的高温连续工作几个小时，从而大幅提高本案的抗震及抗压性能，延长使用寿命。

作为本发明的重要优选，所述封闭接头包括出线接头(25)和螺母(33)，其中出线接头(25)下端部与所述电路部分耐压外管(13)中心孔的上端相连，并通过o型圈密封；所述出线接头(25)的中心孔内同轴固设有上绝缘套(26)、中绝缘套(27)和下绝缘套(28)，并在中绝缘套(27)内同轴设有一根弹簧(29)，该弹簧上端套在上导电接头(30)下部的小径段外面，上导电接头中部的台阶面与所述上绝缘套(26)接触，且上导电接头(30)上部的小径段穿过该上绝缘套的中心孔；所述弹簧(29)下端套在下导电接头(31)上部的小径段外面，该下导电接头的台阶面与所述下绝缘套(28)的上端面接触，下导电接头(31)下部的小径段穿过下绝缘套(28)的中心孔后，依次套装有附加绝缘套(32)和所述螺母(33)。

采用以上结构设计，所述封闭接头的结构简单，易于制造，可靠性高，具有很好的实用性，且成本低廉。

作为本发明的重要优选，封闭接头一端连接单芯铠装电缆，封闭接头另一端通过电缆连接电源板(21)电源端，电源板(21)将电缆传输的电源转换为二次电源后，通过电源板(21)对解算板(17)、加速度计信号处理板(18)、陀螺仪信号处理板(19)、信号传输板(20)、微型石英振动陀螺仪(7)和加速度计(8)进行供电，微型石英振动陀螺仪(7)采集的振动信号通过电缆连接陀螺仪信号处理板(19)信号输入端进行信号处理，加速度计(8)采集的加速度信号通过电缆连接加速度计信号处理板(18)信号输入端进行信号处理，加速度计信号处理板(18)信号输出端和陀螺仪信号处理板(19)信号输出端连接解算板(17)信号输入端进行信号解算，解算板(17)信号输出端连接信号传输板(20)信号输入端，信号传输板(20)信号输出端通过电缆连接数据发送电路进行数据发送。

采用以上电路设计，通过电源板对其他处理板和传感器进行供电，保证装置内部电控设备安全稳定运行，同时通过封闭接头将信号传递到地面设备，进行探测操作。

作为本发明的重要优选，所述数据发送电路包括：信号传输板(20)传输的串行输入信号连接调制电路信号输入端，调制电路连接频率基准电路进行频率相位调制，调制电路输出端连接信号驱动单元信号输入端，信号驱动单元信号输出端连接信号耦合单元，信号耦合单元信号输出端通过单芯铠装电缆将信号传输到串行数据接收单元。

作为本发明的重要优选，所述数据发送电路包括：

串行数据输入端连接第1电阻一端，第1电阻另一端连接第1D型触发器输入端，第17电容一端接地，第17电容另一端分别连接第6电阻一端和第1晶振一端，第1晶振一端还连接第一分频器时钟输入端，第6电阻另一端分别连接第18电容一端和第1晶振另一端，第1晶振另一端还连接第一分频器时钟输出端，第18电容另一端接地，第一分频器输出端连接第1D型触发器时钟端，第1D型触发器输出端连接第1或非门第一输入端，第1或非门输出端连接复用器A0输入端，第1或非门第二输入端连接第一分频器输出端，第1电容和第12电容并联之后一端接地，第1电容和第12电容并联之后另一端分别连接电源端和复用器输入端，第2电容和第13电容并联之后一端接地，第2电容和第13电容并联之后另一端分别连接电源端和复用器输入端，第2电阻一端连接复用器输出端，第2电阻另一端分别连接第3电阻一端和第1场效应管栅极，第1场效应管源极连接单芯铠装电缆，第1场效应管漏极连接第4电阻一端，第4电阻一端还连接井下仪传感器，第4电阻另一端连接单芯铠装电缆。

采用以上电路设计，本发明采用的是在单芯电缆上串联电阻R4和U4来实现电缆上的阻抗变换，迫使电缆上电流随阻抗的变化而变化，来达到信号耦合的目的。

作为本发明的重要优选，封闭接头一端连接单芯铠装电缆，单芯铠装电缆连接地面供电设备，所述地面供电设备连接数据接收电路，通过数据接收电路进行数据接收操作。

采用以上电路设计，通过单芯铠装电缆连接封闭接头和地面供电设备，数据传输稳定可靠。

作为本发明的重要优选，所述数据接收电路包括：

地面供电设备通过变压器初级线圈与单芯铠装电缆对井下仪供电，变压器次级线圈耦合出电源线上的信号连接到选频放大器，选频放大电路信号输出端连接解调电路信号输入端，解调电路连接频率基准电路进行频率相位解调，解调电路输出端通过串行数据输出端传输到控制终端。

作为本发明的重要优选，所述数据接收电路包括：变压器并联第71电阻，第71电阻一端连接第72电阻一端，第72电阻另一端分别连接第74电阻一端和第53电容一端，第74电阻另一端分别连接第52电容一端和第1运算放大器正极输入端，第53电容另一端分别连接第15电阻一端和第1运算放大器输出端，第15电阻另一端分别连接第18二极管负极和第19二极管正极，第18二极管正极连接第19二极管负极，第19二极管正极连接第60电容一端，第60电容另一端分别连接第2运算放大器正极输入端和第19电阻一端，第19电阻另一端接地，第2运算放大器负极输入端分别连接第16电阻一端和第78电阻一端，第16电阻另一端接地，第78电阻另一端分别连接第2运算放大器输出端和第79电阻一端，第79电阻另一端分别连接第77电阻一端和第3运算放大器正极输入端，第77电阻另一端分别连接第3运算放大器输出端和第12电阻一端，第3运算放大器负极输入端连接第17电阻一端，第17电阻另一端接地，第12电阻另一端分别连接第5二极管负极和第3二极管负极，第5二极管正极接地，第3二极管正极接地，第12电阻另一端还连接第4运算放大器正极输入端，第4运算放大器输出端连接第1非门输入端，第1非门输出端分别连接第2分频器重置端和第2非门输入端，第2非门输出端分别连接第2D型触发器输出端和第3分频器重置端，第2分频器时钟控制端并联第2晶振，第3分频器时钟控制端也并联第2晶振，第2晶振一端分别连接第58电容一端和第75电阻一端，第58电容另一端接地，第75电阻另一端分别连接第59电容一端和第2分频器时钟输入端，第59电容另一端接地，第2分频器输出端连接第1与非门输入端，第1与非门输出端连接第2或非门2输入端，第3分频器输出端连接第2与非门输入端，第2与非门输出端连接第2或非门1输入端，第2或非门输出端连接第2D型触发器时钟端，第2D型触发器输出端连接串行数据输出端，发送到控制终端。

采用以上电路设计，电路利用U13与U14的计数复位功能判断出调制波中前后两相邻波形的电平状态，当不一致时输出保持逻辑电平不变，一致时输出电平状态改变，得到还原的原始串行数据。

作为优选，所述加速度计(8)采用石英振动加速度计，这样不仅测量精度更高，而且抗振能力更强。

有益效果：本发明具有如下优点：

1、本发明能在移动过程中测量任意一个点的方位角、倾角和斜度，并可以在钻探过程中连续、高效地测量方位角、倾角和斜度；

2、本发明的抗高温性能强，能很好地确保在200℃环境下可靠、连续地工作；

3、本案由于采用抗震能力强的微型石英振动陀螺仪，并结合抗压外管，能大幅提高本发明的抗压及抗震能力，延长使用寿命。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为图1中的双折线以上部分的示意图。

图3为图1中的双折线以下部分的示意图。

图4为图2中B部分的局部放大图。

图5是本发明总体电路图。

图6是本发明发送电路示意图。

图7是本发明接收电路示意图。

图8是本发明逻辑电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、2、3及4所示，一种深钻探抗高温微惯性连续测斜装置，主要由元器件部分耐压外管1、元器件安装壳6、电路安装壳15和元器件部分内管16等部分构成。其中，元器件部分耐压外管1中心孔的下端与第一转接头2相连，并通过第一转接头2外圆面上的o型圈密封。第一转接头2的下部通过螺纹同轴连接有导向头，该第一接头2的上端部通过第一金属绝热体3与第一吸热体4相连。

第一吸热体4上端部与第二转接头5下部相连，该第二转接头5的上部与元器件安装壳6中心孔的下端部相连，且元器件安装壳6装在元器件部分耐压外管1的中心孔内。元器件安装壳6中心孔的下部装有三个相互垂直的微型石英振动陀螺仪7，这三个微型石英振动陀螺仪7分别对应坐标系的X轴、Y轴和Z轴。元器件安装壳6中心孔的上部装有三个相互垂直的加速度计8，该加速度计8为微机械加速度计，这三个加速度计8分别对应坐标系的X轴、Y轴和Z轴，并与三个微型石英振动陀螺仪7一一对应，且微型石英振动陀螺仪7和加速度计8配合起来形成微惯性测量单元，通过捷联惯性导航算法，并依据井迹参数物理定义，配合起来可以在连续移动过程中测量任意一个点的方位角、倾角和斜度。需要特别说明的是，微型石英振动陀螺仪7和加速度计8均为外购件，它们配合起来在连续移动过程中测量任意一个点的方位角、倾角和斜度的技术为现有技术，目前一般用于飞机或航空武器的导航及制导领域。在本案中，加速度计8采用性能好的石英振动加速度计，当然也可以采用性能稍差的微机电加速度计。

如图1、2、3和4所示，元器件安装壳6中心孔的上端与第三转接头9下端相连，该第三转接头9的上端通过第二吸热体50与第二金属绝热体10下端接触，该第二金属绝热体上端及元器件部分耐压外管1中心孔的上端同时与第四转接头11下部固定，且第四转接头11下部通过外圆面上的o型圈与元器件部分耐压外管1密封；第四转接头11上部同时与第三金属绝热体12下端及电路部分耐压外管13中心孔的下端固定，且第四转接头11上部通过外圆面上的o型圈与电路部分耐压外管13之间密封；

第三金属绝热体12上端通过第三吸热体14与电路安装壳15下端相连，这三个部件均装在一根元器件部分内管16内，该元器件部分内管同轴装在元器件部分耐压外管1内；电路安装壳15上装有解算板17、加速度计信号处理板18、陀螺仪信号处理板19、信号传输板20和电源板21；电路安装壳15上端通过第四吸热体23与第四金属绝热体100下端相连，该第四吸热体与第四金属绝热体均装在元器件部分内管16内，且第四吸热体100上端通过柱塞24与电路部分耐压外管13中心孔的上端部固定连接；

封闭接头装在电路部分耐压外管13中心孔的上端，并通过0型圈密封与电路部分耐压外管13密封。封闭接头装在元器件部分耐压外管1中心孔的上端，并通过0型圈密封与元器件部分耐压外管1密封，从而将微型石英振动陀螺仪7、加速度计8、解算板17、加速度计信号处理板18、陀螺仪信号处理板19、信号传输板20和电源板21封装在一个密闭环境内，可以抗高压和高温环境，并可在200℃以上的高温连续工作几个小时。

作为优选设计，封闭接头包括出线接头25和螺母33，其中出线接头25下端部与电路部分耐压外管13中心孔的上端相连，并通过出线接头25外圆面的o型圈密封。出线接头25的中心孔内同轴固设有上绝缘套26、中绝缘套27和下绝缘套28，并在中绝缘套27内同轴设有一根弹簧29，该弹簧上端套在上导电接头30下部的小径段外面，上导电接头中部的台阶面与上绝缘套26接触，且上导电接头30上部的小径段穿过该上绝缘套的中心孔。弹簧29下端套在下导电接头31上部的小径段外面，该下导电接头的台阶面与下绝缘套28的上端面接触，下导电接头31下部的小径段穿过下绝缘套28的中心孔后，依次套装有附加绝缘套32和螺母33。

下导电接头31下端通过电缆对解算板17、加速度计信号处理板18、陀螺仪信号处理板19、信号传输板20、电源板21、微型石英振动陀螺仪7和加速度计8供电，并发射微型石英振动陀螺仪7和加速度计8的检测信号。上导电接头30的上端使用时通过电缆与供电设备相连，并对下导电接头31供电，且接收微型石英振动陀螺仪7和加速度计8的检测信号。

如图5所示，井下仪探测传感器信号端通过串行数据输入端连接串行数据发送单元，串行数据发送单元通过单芯铠装电缆与串行数据接收单元进行数据交互，通过串行数据接收单元发送到控制终端。其中图中井下仪为本申请微惯性连续测斜装置。

上述技术方案的有益效果为：应用于深钻探抗高温微惯性连续测斜仪的单芯铠装电缆供电和实时数据传输。结合地面接收设备，可以实现观察仪器测得的井中各参数信息。

如图6所示，串行数据发送单元包括：

串行数据输入端连接调制电路，调制电路连接频率基准电路进行频率相位调制，调制电路输出端连接信号驱动单元信号输入端，信号驱动单元信号输出端连接信号耦合单元，信号耦合单元信号输出端通过单芯铠装电缆将信号传输到串行数据接收单元。

串行数据输入端连接第1电阻一端，第1电阻另一端连接第1D型触发器输入端，第17电容一端接地，第17电容另一端分别连接第6电阻一端和第1晶振一端，第1晶振一端还连接第一分频器时钟输入端，第6电阻另一端分别连接第18电容一端和第1晶振另一端，第1晶振另一端还连接第一分频器时钟输出端，第18电容另一端接地，第一分频器输出端连接第1D型触发器时钟端，第1D型触发器输出端连接第1或非门第一输入端，第1或非门输出端连接复用器A0输入端，第1或非门第二输入端连接第一分频器输出端，第1电容和第12电容并联之后一端接地，第1电容和第12电容并联之后另一端分别连接电源端和复用器输入端，第2电容和第13电容并联之后一端接地，第2电容和第13电容并联之后另一端分别连接电源端和复用器输入端，第2电阻一端连接复用器输出端，第2电阻另一端分别连接第3电阻一端和第1场效应管栅极，第1场效应管源极连接单芯铠装电缆，第1场效应管漏极连接第4电阻一端，第4电阻一端还连接井下仪传感器，第4电阻另一端连接单芯铠装电缆。

上述技术方案的有益效果为：本发明采用的是在单芯电缆上串联电阻R4和U4来实现电缆上的阻抗变换，迫使电缆上电流随阻抗的变化而变化，来达到信号耦合的目的。

如图7、8所示，串行数据接收单元包括：地面供电设备通过变压器初级线圈与单芯铠装电缆对井下仪供电，变压器次级线圈耦合出电源线上的信号连接到选频放大器，选频放大电路信号输出端连接解调电路信号输入端，解调电路连接频率基准电路进行频率相位解调，解调电路输出端通过串行数据输出端传输到控制终端。

变压器并联第71电阻，第71电阻一端连接第72电阻一端，第72电阻另一端分别连接第74电阻一端和第53电容一端，第74电阻另一端分别连接第52电容一端和第1运算放大器正极输入端，第53电容另一端分别连接第15电阻一端和第1运算放大器输出端，第15电阻另一端分别连接第18二极管负极和第19二极管正极，第18二极管正极连接第19二极管负极，第19二极管正极连接第60电容一端，第60电容另一端分别连接第2运算放大器正极输入端和第19电阻一端，第19电阻另一端接地，第2运算放大器负极输入端分别连接第16电阻一端和第78电阻一端，第16电阻另一端接地，第78电阻另一端分别连接第2运算放大器输出端和第79电阻一端，第79电阻另一端分别连接第77电阻一端和第3运算放大器正极输入端，第77电阻另一端分别连接第3运算放大器输出端和第12电阻一端，第3运算放大器负极输入端连接第17电阻一端，第17电阻另一端接地，第12电阻另一端分别连接第5二极管负极和第3二极管负极，第5二极管正极接地，第3二极管正极接地，第12电阻另一端还连接第4运算放大器正极输入端，第4运算放大器输出端连接第1非门输入端，第1非门输出端分别连接第2分频器重置端和第2非门输入端，第2非门输出端分别连接第2D型触发器输出端和第3分频器重置端，第2分频器时钟控制端并联第2晶振，第3分频器时钟控制端也并联第2晶振，第2晶振一端分别连接第58电容一端和第75电阻一端，第58电容另一端接地，第75电阻另一端分别连接第59电容一端和第2分频器时钟输入端，第59电容另一端接地，第2分频器输出端连接第1与非门输入端，第1与非门输出端连接第2或非门2输入端，第3分频器输出端连接第2与非门输入端，第2与非门输出端连接第2或非门1输入端，第2或非门输出端连接第2D型触发器时钟端，第2D型触发器输出端连接串行数据输出端，发送到控制终端。

上述技术方案的有益效果为：电路利用U13与U14的计数复位功能判断出调制波中前后两相邻波形的电平状态，当不一致时输出保持逻辑电平不变，一致时输出电平状态改变，得到还原的原始串行数据。

1.本发明用于为深钻探抗高温微惯性连续测斜仪铠装单芯电缆数据传输功能，本发明亦适应于其他铠装单芯电缆供电的石油测井仪器设备环境。

2.电路分为井下探管信号发送电路和地面仪接收电路两部分组成。系统组成原理框图如图7所示：

信号发送电路原理图如图5，接收电路原理图如图6、7。传统信号传输耦合采用的是推挽功率输出后通过特殊材料的隔直电容耦合到电源单芯电缆上，本发明采用的是在单芯电缆上串联电阻R4和U4来实现电缆上的阻抗变换，迫使电缆上电流随阻抗的变化而变化，来达到信号耦合的目的。

信号发送电路：2.4576MHz的晶体振荡器输出信号经74LS4060进行512次分频后得到4800Hz基准载波，串行数据送入的1200bps的数据经D触发器(74LS74)后得到调制的波形(见图7)，将调制的波形经过U3、U4驱动铠装电缆上的线缆压差，从而改变铠装电缆的电流，达到信号上传目的。

串行数据接收电路：用T1将铠装电缆上的交变电流信号接收下来，经过由运算放大器U10、U3构成的低通滤波器和迟滞比较器解调出TTL逻辑电平，分别送入U12、U13、U14、U16、U17构成的解调电路中进行信号还原。电路利用U13与U14的计数复位功能判断出调制波中前后两相邻波形的电平状态，当不一致时输出保持逻辑电平不变，一致时输出电平状态改变，得到还原的原始串行数据。

应用于深钻探抗高温微惯性连续测斜仪的单芯铠装电缆供电和实时数据传输。结合地面接收设备，可以实现实时观察仪器测得的井中各参数信息。

非门优选为74LS04；

复用器优选为DG508；

D型触发器优选为74LS74；

或非门优选为74LS86；

与非门优选为74LS08；

分频器优选为74LS4060；

二极管优选为lN4148。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。