一種存儲式近鉆頭測斜儀的設(shè)計與研究

丁旭東

（中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149）

隨著油田開發(fā)進入中后期，定向驅(qū)油、薄散油層/ 剩余油開采等老井挖潛和淺層油砂/稠油井等超低滲油田開發(fā)逐漸得到重視。不同于常規(guī)定向井及中長半徑水平井需要較大靶前位移，超短半徑水平井鉆井技術(shù)憑借在較短的曲率半徑內(nèi)完成側(cè)鉆形成水平井眼的技術(shù)優(yōu)勢，在該領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用[1-3]。

在超短半徑水平井鉆井技術(shù)分類方面，它主要有高壓水射流鉆井和柔性鉆桿鉆井兩種實現(xiàn)途徑[4-5]。由于高壓水射流鉆井不利于井眼軌跡控制且井眼偏小、井壁易垮塌，目前已逐步棄用。相較于高壓水射流鉆井而言，柔性鉆桿技術(shù)在井眼軌跡控制、井眼延伸長度等方面優(yōu)勢明顯，對提高采收率成效顯著。

因為超短半徑水平井造斜段井眼曲率大，傳統(tǒng)的隨鉆測量儀器無法通過，所以實際工程應(yīng)用中往往采用鉆后補測的方式獲取井眼軌跡或者對于復(fù)雜井眼放棄井眼軌跡測量。針對這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一種適用于超短半徑鉆井的近鉆頭測斜儀。通過小型化和高可靠性設(shè)計，該測斜儀可實現(xiàn)超短半徑鉆井井斜隨鉆測量。既能保證測量的實時性，又節(jié)省了鉆后補測作業(yè)的時間成本和費用成本。

1 近鉆頭測斜儀樣機研制

1.1 系統(tǒng)原理與整體方案

隨鉆測斜儀中，一般選用加速度傳感器和磁通門作為定向傳感器組成測量系統(tǒng)[6-7]。由于超短半徑鉆井鉆具尺寸限制嚴(yán)格，設(shè)計必須將小型化設(shè)計和振動工作穩(wěn)定性放在同等重要的位置。

設(shè)計的測斜儀主要由骨架、連接器、微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）加速度計、信號調(diào)理及采樣電路、Flash存儲器、微控制器以及電源管理模塊組成。整體電氣原理，如圖1所示。

通過加速度計測量地球重力場在測斜儀3個坐標(biāo)軸上的分量Gx、Gy、Gz，可計算井斜角INC和工具面 角TF[8]，其中X軸沿儀器軸向。

通過正交標(biāo)定、溫度標(biāo)定、向心加速度消除算法以及低通濾波，可以提高測量精度。

1.2 電路設(shè)計

加速度計選用電容式加速度計MA020，量程為20g，提供差分電壓輸出，基本電路如圖2所示。由于測量輸出電壓中包含200 kHz的交流噪聲，在輸出電路中必須進行濾波處理。本電路采用RC濾波器，電阻值為10 kΩ，電容值為0.01 μF，截止頻率為1600 Hz。

信號調(diào)理電路的功能是實現(xiàn)重力加速度信號、傳感器溫度的濾波及電平轉(zhuǎn)換功能。重力加速度計信號為電壓信號，對其進行緩沖實現(xiàn)低輸出阻抗匹配，之后進入二階有源低通濾波器濾除噪聲和振動干擾信號，最后進行信號平移以適應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）的采樣范圍。信號調(diào)理電路設(shè)計中，通過選取高精度低漂移的器件保證了在全溫范圍內(nèi)的電壓精度。加速度傳感器溫度信號為電壓信號，對其進行一階低通濾波，濾除噪聲和干擾信號，防止采樣溫度跳變，最大限度地保證溫度補償效果，實現(xiàn)定向傳感器的高精度測量。

AD采集電路由24位ADC電路和2.5 V低噪聲高精度基準(zhǔn)電路組成，如圖3和圖4所示。ADC電路通過SPI總線將采樣信息傳送給微控制器。在+2.5 V的電壓基準(zhǔn)下，24位ADC最小分辨電壓可以到0.2 μV， 完全滿足精度要求。

微控制器選用超低功耗32位Contex-M內(nèi)核的ARM處理器，內(nèi)部包含128 kB的SRAM數(shù)據(jù)存儲器、1 MB FLASH程序存儲器、內(nèi)核時鐘80 MHz。該部分電路可以對ADC信號進行實時處理，并對采樣的加速度信號進行多階數(shù)字濾波，進一步濾除信號干擾。同時，可結(jié)合采集到的溫度信號對加速度信號進行溫度補償，滿足全溫范圍內(nèi)的精度指標(biāo)。

存儲模塊將井斜角、總重力、三軸加速度計分量、溫度等數(shù)據(jù)按時間順序進行存儲。每組數(shù)據(jù)長度為176 bits，選用16 MB容量的NORFLASH可存儲 90909組數(shù)據(jù)。按照5 s的存儲間隔，存儲時長為126 h。

通信電路采用485通信協(xié)議完成測斜儀與上位機間的通信，實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)傳輸及指令控制，接口芯片支持的最高通信速率10 Mb·s-1。

根據(jù)測斜儀功耗和工作模式，設(shè)計了可靠的電源管理模塊，如圖5所示。通過設(shè)計估算測斜儀總功耗電流為14 mA左右，選用額定容量為1.6 Ah、額定電流為20 mA的高溫鋰電池，理論工作時間為110 h左右。由于鋰電池在整個放電周期中，輸出電壓從+3.9 V 降到+3.3 V左右，電壓變化比較大，而傳感器中大部分電路工作在+3.0 V，設(shè)計通過一個低功耗的LDO芯片進行降壓。為了確保測斜儀地面調(diào)試模式與井下測量模式的供電連續(xù)性，通過兩個二極管選擇電源。考慮到低功耗需求，選用壓降僅為20 mV的電源供電專用二極管，以降低額外的功率損耗。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

測斜儀金屬外殼分為內(nèi)部結(jié)構(gòu)件和外部結(jié)構(gòu)件兩個有效部分。外部結(jié)構(gòu)件為承壓殼、堵頭及O型密封圈。內(nèi)部結(jié)構(gòu)件主要包含電源限位螺釘、電源觸頭、波簧、絕緣環(huán)和絕緣片等，保證電源的聯(lián)通及 絕緣。

承壓殼結(jié)構(gòu)尺寸如圖6所示，其主尺寸外徑為21 mm，全長為152 mm。該承壓殼采用的TC4鈦合金材料具備強度高、密度適中等良好的綜合力學(xué)性能，且其熱導(dǎo)率為鐵的1/5，能更好地減慢外部熱量向結(jié)構(gòu)件內(nèi)部傳導(dǎo)。

設(shè)計過程中，對整體結(jié)構(gòu)的固有頻率進行仿真分析，證明其力學(xué)性能設(shè)計合理，頻率響應(yīng)如圖7所示。

2 近鉆頭測斜儀樣機測試與分析

本文在研制過程中共生產(chǎn)了2支存儲式近鉆頭測斜儀樣機，在組裝后進行了靜態(tài)全溫標(biāo)定和動態(tài)全溫標(biāo)定，并且開展了48 h的150 ℃高溫測試、10次溫度循環(huán)試驗（-20～+150 ℃）以及旋轉(zhuǎn)、振動條件下的性能測試。其中，振動測試使用高精度振動標(biāo)定臺開展隨機振動測試，振動有效值最高達到15g。

測試結(jié)果表明：

（1）在150 ℃條件下，井斜角靜態(tài)測量誤差不大于0.06°，工具面角靜態(tài)誤差不大于0.04°；

（2）在轉(zhuǎn)速不大于200 r·min-1范圍內(nèi)，井斜角測量誤差不大于0.06°；

（3）在有效值不大于6g的隨機振動條件下，井斜角測量誤差不大于0.185°；有效值不大于15g的隨機振動條件下，井斜角測量誤差不大于0.495°。

一般而言，石油鉆井作業(yè)時，鉆具承受的振動能量以6g以下振動為主。本文開展的6g～15g振動測試能覆蓋絕大部分井下振動工況。結(jié)合超短半徑主要用途，實際應(yīng)用中其水平軌跡基本在100 m左右，而本設(shè)計實現(xiàn)的井斜角測量精度滿足其作業(yè)使用需求。

3 結(jié)語

基于超短半徑鉆井需求，以小型化、高可靠性為指導(dǎo)，從電路、結(jié)構(gòu)和嵌入式程序等方面入手，設(shè)計開發(fā)了一種存儲式近鉆頭測斜儀并對樣機開展了性能測試。通過樣機測試驗證表明，該測斜儀功能和性能滿足井下作業(yè)要求。