一種定向導航系統設計

張曉鵬

（大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江 大慶 163000）

1 國內外定向導航系統的發展現狀

隨著芯片技術的發展，鉆井儀器研發這一包含多學科多領域科技的集合型技術也迎來爆發式發展。井下鉆井儀器從20 世紀90 年代逐步開始形成規模和體系，一直到現在發展成為一套平臺，多個參數測量短節互相可迭代可組合的綜合型測井系統。我們國家與世界最先進的技術仍有差距，從20 世紀90 年代初開始，國外最先進的鉆井儀器公司已經開始研究旋轉導向測井系統，我國國產的測井儀器研發起步晚于國外十年左右。目前國際上已有數個大型公司壟斷了旋轉導向測井系統的相關技術以及服務市場，我們想要彎道超車后來居上，就需要投入更多的基礎性研究。

2 定向導航系統的整體設計

本文設計了一種在實時鉆進過程中，通過泥漿脈沖將井下測量的信號傳導到地面，并對信號進行解碼監測等功能的系統。井下測量儀器，主要測量鉆井過程中的姿態數據，也就是傾斜角、方位角及工具面等參數，它是一套以單片機為核心組成的測量、運算存儲及上傳系統。地面解碼系統主要負責將脈沖信號進行解碼，并將其轉換為圖形圖像，同時提供給地面操作人員。其整體組成結構圖如圖1所示。

探測器為井下探測系統，它包含了三個加速度計、單個磁通門及溫度傳感器等傳感器測量單元。利用單片機及數字電路，將各個傳感器采集到的模擬信號進行模數轉換，然后通過電纜或是無線傳輸等方式上傳到地面系統[2]。

地面計算機通過串行及并行接口，從接口裝置中獲得井下儀器的姿態數據，經過計算整合后，形成操作人員直視的圖形界面。

3 井下探測器的整體設計方案

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的同時，能夠測量出所需要的各種參數，也就是所謂的隨鉆測量系統。而隨著儀器鉆進的過程中，儀器的姿態會不斷發生變化，這就要求測量系統能夠及時準確地將測井數據返回給地面工控機。三軸正交加速度計儀器通過測量相互正交的三個方向的加速度，可以得到儀器的井斜數據。三個相互正交的磁通門傳感器可以測得儀器的方位數據。

為了滿足井下工況需求，在挑選及篩選加速度計、磁通門以及電子元件時，需要對其工作參數進行了解。井下儀器測量精度及工況環境參數整理如表1所示。

表1 井下儀器測量參數及工況環境參數

通過工況環境參數可以看到，井下工作環境高溫高壓，所以需要選擇加速度計傳感器而不是陀螺測斜儀。因為加速度計傳感器的工作穩定性更高，同時功耗更小，體積也比陀螺測斜儀要小得多。加速度計傳感器的封裝結構也使其相較于陀螺測斜儀可靠性更高。

三個加速度計傳感器互相正交安裝，得到三組加速度計信號；三個磁通門傳感器也是經過互相正交安裝，得到三組磁通門信號。這六組模擬信號經過模數轉換模塊，轉化成為數字信號，通過單片機進行控制和運算，上傳到地面的工控機之中，地面工作人員可以通過上傳后并解碼的數據，實時地看到井下儀器的工作姿態。其工作流程圖如圖2所示。

4 井下探測器測量短節設計

加速度計等傳感器的安裝精準度直接影響了測量的準確性，為了提高測量準確性，同時也為了提高精準度，本文設計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。

三個加速度計傳感器及三個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。單片機將傳感器傳來的模擬信號轉換為數字信號后，上傳給地面的上位機。獨立的電池可以保證整套系統在無外部供電的情況下也能測量及存儲數據[3]。

5 結論及展望

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展趨勢也一定是旋轉導向儀器以及LWD測井儀器。隨著電子技術的發展，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展。本文提出了一種通用的定向導航系統設計方案，充分利用了當下最先進的傳感器技術及單片機技術，相較于未使用這些技術的測斜儀，在測量精度、可靠耐用、重量及體積上都有巨大的優勢。