隨鉆定向測量儀器應用研究

王玨

（川慶川西鉆探技術與應用研發中心，四川 成都 610000）

隨鉆定向測量儀器是開展隨鉆測井的重要工具，而定向測量儀的使用能夠在定向井、水平井等特殊工藝井的施工中發揮出巨大的作用，主要就是測量井斜、方位以及工具面，確定井眼在空間的傾斜和傾向。在定向孔施工中,可以及時把孔內鉆具調整到預定方,實現鉆孔方向的精確高效控制，最終命中靶心，該儀器的使用能夠大大提高經濟效益，促進鉆探工作的可持續發展。

1 隨鉆定向測量技術的發展現狀

隨鉆測井技術自問世以來得到了迅速發展，近年來，其測量參數不斷增多，儀器的測量深度也在不斷地增加，應用范圍也不斷地擴大。其中，隨鉆定向測量技術的應用在定向井、水平井、大位移水平井、多分支井以及在一個井場鉆多口水平井等各類井的測量中起到了巨大的作用，大大提高了經濟效益。目前，國內隨鉆定向測量技術的應用與國外先進國家相比還有一定的差距，使用的一些隨鉆測量儀器也大多依賴于進口。

2 隨鉆定向測量儀器的研究

隨鉆定向測量儀器的使用主要就是針對定向井、水平井而使用的一種測量儀器，其在使用過程中主要就是要測量井斜、方位以及工具面，確定井眼在空間的傾斜和傾向，以便指導鉆鋌的走向。以下是針對定向測量儀的相關研究。

2.1 定向測量儀的工作原理及結構。

重力場和地磁場是定向測量儀工作過程中的基準定義方向參數，而重力場和地磁場也能夠作為矢量并確定空間唯一姿態。其中，重力場由重力加速度計產生，地磁場參數是磁通門續測量井下儀器所處狀態下產生的，定向測量儀在工作過程中需要依據重力場和地磁場參數以及溫度傳感器實時監的測井下工作儀器溫度，避免其在工作過程中因為溫度而出現工作不穩定的情況，基于此，定向測量儀可以準確地計算出井身的傾斜角和方位角，并將計算得出的數據傳回地面儀器，而地面儀器也會相應地記錄定向測量儀工作過程中測量出的被測井井深對應的井斜、方位、工具面、井溫等工程參數。當前我國鉆探事業中常用的定向測量儀結構相對簡單，包括傳感器短節和電子電路兩部分。其中，傳感器短節由加速度計、磁通門、溫度傳感器組成，加速度計的主要作用就是實現加速度信號得到獲取，其主要是通過擺片擺動所引起的擺片與二定極片之間的電容變化所實現的；磁通門是一種三端式磁通門傳感器，靈敏度較高，可以有效地測量微弱磁場，并且能夠抗干擾；溫度傳感器是一種兩端集成電路的溫度傳感器。

2.2 電路實現

電子電路部分是定向測量儀的另一重要組成部分，該部分主要包括提供穩定的電能的電源模塊、處理傳感器信號的信號處理模塊、數據信息的主控模塊以及保障機器正常工作的振動模塊。以上幾個模塊的共同作用下使得電子電路部分能夠正常工作。

（1）電源模塊。電源模塊在電子電路部分中的主要作用就是提供穩定的電能以便系統能夠正常工作，它是電路工作系統的基礎模塊，其工作狀態直接關系到整個系統工作是否穩定、工作質量是否達到要求等。其在實際工作中能夠將發電機產生的交流電轉變成系統工作所需的穩定直流電，內部使用的二極管還能夠防止電流倒灌，同時，其內放置的RC濾波網絡還能夠有效地濾除信號中的干擾，電壓處也都有熔絲電阻的保護，為整個系統的穩定工作提供了保障。基于此，電源模塊的主要工作流程為：發電機產生三相交流電后經過三相全波橋式整流電路轉變成不穩定30V 的直流電，不穩定30V 的直流電經過濾波和穩壓電路后會變成穩定的30V 直流電，再經過變壓電路轉變成所需的電壓，并將其供給信號處理模塊、主控模塊和振動模塊，以保證整個工作系統的穩定。

（2）信號處理模塊。信號處理模塊顧名思義就是發揮處理信號的功能，主要就是對來自傳感器的信號進行處理，傳感器由A/D 轉換電路、模擬開關電路、整形電路、濾波電路、放大電路等組成，信號進入其中會經過濾波整形放大并進入多路開關，而進入主控控制開關后信號又會再次被放大，并輸入A/D 轉換器內，其內模擬信號會轉變為數字信號，并最終進入主控，以便進行計算分析。而信號處理模塊在工作過程中產生的磁信號相對來說比較微弱，必須通過模擬開關以及其外部的放大電路轉變為識別性較強的數字信號才能夠進入多路開關，并最終完成工作過程。

（3）主控模塊。主控模塊主要由單片機MC9S08DZ60、微控制器PSD302、濾波電路和放大電路等組成，主控模塊中還包括時鐘、運算、控制以及存儲等模塊，主要是作為定向測量儀的控制端，可以在實際工作中完成記時、數據采集、數據存儲、控制算法的實現及顯示等工作。在實際工作中，先是由傳感器測得模擬信號，然后模擬信號再經過信號處理模塊，轉變為數字信號并傳送到主控模塊中，主控模塊接受這些信號就會不斷地利用其中的內部構件對井斜、方位、工具面等信息進行計算，計算過程中還需要經過溫度補償、常量和浮點數矯正等方式，并最終計算得出較為精確的數據，依據數據信息，主控模塊中的CPU 控制外部微控制器控制脈沖器產生泥漿脈沖，上傳到地面。在主控模塊中，單片機的運行速度、功耗和穩定性等因素會直接關系到儀器在井下的時使用效果，因此具有多種低功耗模式、更高的工作頻率、溫度和電壓補償的片內可編程內部時鐘發生器以及集成片上調試器的片上仿真、模擬等功能的單片機是當前主控模塊工作的主要需求，能夠為整個系統的工作提供堅實的保障。

（4）振動模塊。振動模塊在實際工作中主要就是利用加速度計來測量隨鉆測量儀鉆鋌所受到的加速度超過一定值的振動次數，并以振動次數為主要依據判斷儀器的工作狀況。在振動模塊中，需要SPI 總線連接傳感器和主控電路事先互相傳輸命令及數據的功能。振動模塊會定時將累計振動次數傳送到地面，工程師則根據這些數據操控鉆柱機械，減少鉆柱機械的損壞，而且這些數據也能夠幫助工程師制定儀器維修計劃，提高儀器的使用壽命。

3 隨鉆定向測量儀器的應用試驗

3.1 室內試驗

（1）老化試驗。老化試驗主要就是測試定向測量儀經過長時間使用后是否會出現老化問題，室內試驗中，將定向測量儀進行了120h 的長時間通電試驗，經過試驗后發現，該儀器的系統運行正常，測得井斜、方位以及工具面數據正常，誤差都在合理值范圍內。

（2）高溫試驗。高溫試驗主要就是測量儀器是否能夠較高溫度下正常進行工作，將其加熱到125℃，并與室溫的工作情況進行比對，主要就是比對兩種情況下所測量的數據是否存在差異，經過試驗后發現，其經過高溫后仍舊符合標準。

（3）振動試驗。振動試驗主要就是檢驗儀器在變頻狀態的工作狀態，試驗過程中使用自行研制的變頻振動測試裝置在0.1～30g 振動下進行相應的測量工作，發現系統工作穩定可靠，測量數據準確，能滿足井下的工況要求。

3.2 現場應用

當前，隨鉆定向儀在一些定向井和水平井的應用上比較常見，比如太東86-平144 井以及黑H-平30 井中已經進行了試用，其系統在工作過程中較為穩定，而且使用過程中也能夠與現有的隨鉆電阻率、伽馬儀器兼容，具有較好的應用前景。

4 結語

綜上所述，定向測量儀的使用是當前鉆探事業發展過程中的重要動力，文中針對定向測量儀的研究發現其在使用過程中的抗干擾能力較強，能夠使用比較復雜的工況，而且還能夠保證工作質量。同時，相關專家還應該積極借鑒國外的先進技術，不斷地對當前的定向測量儀進行改良，使其不斷地提高系統工作質量，促進我國鉆探事業的可持續發展。