張曉鵬

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江 大慶 163000）

1 國內(nèi)外定向?qū)Ш较到y(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，鉆井儀器研發(fā)這一包含多學(xué)科多領(lǐng)域科技的集合型技術(shù)也迎來爆發(fā)式發(fā)展。井下鉆井儀器從20 世紀(jì)90 年代逐步開始形成規(guī)模和體系，一直到現(xiàn)在發(fā)展成為一套平臺(tái)，多個(gè)參數(shù)測量短節(jié)互相可迭代可組合的綜合型測井系統(tǒng)。我們國家與世界最先進(jìn)的技術(shù)仍有差距，從20 世紀(jì)90 年代初開始，國外最先進(jìn)的鉆井儀器公司已經(jīng)開始研究旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向測井系統(tǒng)，我國國產(chǎn)的測井儀器研發(fā)起步晚于國外十年左右。目前國際上已有數(shù)個(gè)大型公司壟斷了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向測井系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)以及服務(wù)市場，我們想要彎道超車后來居上，就需要投入更多的基礎(chǔ)性研究。

2 定向?qū)Ш较到y(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種在實(shí)時(shí)鉆進(jìn)過程中，通過泥漿脈沖將井下測量的信號(hào)傳導(dǎo)到地面，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼監(jiān)測等功能的系統(tǒng)。井下測量儀器，主要測量鉆井過程中的姿態(tài)數(shù)據(jù)，也就是傾斜角、方位角及工具面等參數(shù)，它是一套以單片機(jī)為核心組成的測量、運(yùn)算存儲(chǔ)及上傳系統(tǒng)。地面解碼系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將脈沖信號(hào)進(jìn)行解碼，并將其轉(zhuǎn)換為圖形圖像，同時(shí)提供給地面操作人員。其整體組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

探測器為井下探測系統(tǒng)，它包含了三個(gè)加速度計(jì)、單個(gè)磁通門及溫度傳感器等傳感器測量單元。利用單片機(jī)及數(shù)字電路，將各個(gè)傳感器采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過電纜或是無線傳輸?shù)确绞缴蟼鞯降孛嫦到y(tǒng)[2]。

地面計(jì)算機(jī)通過串行及并行接口，從接口裝置中獲得井下儀器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算整合后，形成操作人員直視的圖形界面。

3 井下探測器的整體設(shè)計(jì)方案

目前鉆井工藝都在追求高效提速，這就要求了測井儀器需要在鉆進(jìn)的同時(shí)，能夠測量出所需要的各種參數(shù)，也就是所謂的隨鉆測量系統(tǒng)。而隨著儀器鉆進(jìn)的過程中，儀器的姿態(tài)會(huì)不斷發(fā)生變化，這就要求測量系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地將測井?dāng)?shù)據(jù)返回給地面工控機(jī)。三軸正交加速度計(jì)儀器通過測量相互正交的三個(gè)方向的加速度，可以得到儀器的井斜數(shù)據(jù)。三個(gè)相互正交的磁通門傳感器可以測得儀器的方位數(shù)據(jù)。

為了滿足井下工況需求，在挑選及篩選加速度計(jì)、磁通門以及電子元件時(shí)，需要對(duì)其工作參數(shù)進(jìn)行了解。井下儀器測量精度及工況環(huán)境參數(shù)整理如表1所示。

表1 井下儀器測量參數(shù)及工況環(huán)境參數(shù)

通過工況環(huán)境參數(shù)可以看到，井下工作環(huán)境高溫高壓，所以需要選擇加速度計(jì)傳感器而不是陀螺測斜儀。因?yàn)榧铀俣扔?jì)傳感器的工作穩(wěn)定性更高，同時(shí)功耗更小，體積也比陀螺測斜儀要小得多。加速度計(jì)傳感器的封裝結(jié)構(gòu)也使其相較于陀螺測斜儀可靠性更高。

三個(gè)加速度計(jì)傳感器互相正交安裝，得到三組加速度計(jì)信號(hào)；三個(gè)磁通門傳感器也是經(jīng)過互相正交安裝，得到三組磁通門信號(hào)。這六組模擬信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號(hào)，通過單片機(jī)進(jìn)行控制和運(yùn)算，上傳到地面的工控機(jī)之中，地面工作人員可以通過上傳后并解碼的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地看到井下儀器的工作姿態(tài)。其工作流程圖如圖2所示。

4 井下探測器測量短節(jié)設(shè)計(jì)

加速度計(jì)等傳感器的安裝精準(zhǔn)度直接影響了測量的準(zhǔn)確性，為了提高測量準(zhǔn)確性，同時(shí)也為了提高精準(zhǔn)度，本文設(shè)計(jì)了一種通用的測斜儀傳感器及電路板的安裝方式，如圖3所示。

三個(gè)加速度計(jì)傳感器及三個(gè)磁通門傳感器都互相正交安裝，傳感器部分通過線束與電子電路部分相連。單片機(jī)將傳感器傳來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，上傳給地面的上位機(jī)。獨(dú)立的電池可以保證整套系統(tǒng)在無外部供電的情況下也能測量及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)[3]。

5 結(jié)論及展望

未來的鉆井趨勢是水平井及定向井為主，所以將來的鉆井儀器發(fā)展趨勢也一定是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器以及LWD測井儀器。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，元件及傳感器一定向著小型化、高集中度化以及更高的可靠性方向發(fā)展。本文提出了一種通用的定向?qū)Ш较到y(tǒng)設(shè)計(jì)方案，充分利用了當(dāng)下最先進(jìn)的傳感器技術(shù)及單片機(jī)技術(shù)，相較于未使用這些技術(shù)的測斜儀，在測量精度、可靠耐用、重量及體積上都有巨大的優(yōu)勢。