旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向定向探管標(biāo)定系統(tǒng)軟件設(shè)計

周 靜，陳 沖，彭琰舉，尚小峰

(西安石油大學(xué) 井下測控研究所，陜西 西安 710065)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向定向探管標(biāo)定系統(tǒng)軟件設(shè)計

周 靜，陳 沖，彭琰舉，尚小峰

(西安石油大學(xué) 井下測控研究所，陜西 西安 710065)

設(shè)計了一套可以提高隨鉆姿態(tài)測量效率和精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用特定的標(biāo)定方法對測斜探管進(jìn)行綜合標(biāo)定。該標(biāo)定系統(tǒng)采用VB、MATLAB、C等語言混合編程設(shè)計而成，具有實時可編程數(shù)據(jù)采集、實時曲線繪制、實時姿態(tài)測量顯示、數(shù)據(jù)報表、歷史數(shù)據(jù)回放等功能。具有標(biāo)定姿態(tài)少、標(biāo)定效率高等特點。研究分析大量的室內(nèi)實驗及現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、易操作、功能全等特點，可以滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井儀傳感器標(biāo)定需求。

隨鉆測井；USB接口；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；標(biāo)定方法；VB

近年來，以BakerHughes的Auto-TrakRCLS、Schlumberger的Power-DriveSRD和Halliburton的Geo-Pilot為代表的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，在技術(shù)和商業(yè)上展開激烈的競爭[1]。國內(nèi)具有代表性的鉆井系統(tǒng)之一，西安石油大學(xué)井下測控研究所研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)XTCS(西安軌跡控制系統(tǒng))屬于幾何導(dǎo)向，井眼姿態(tài)的測量就顯得尤為重要[2]。井眼姿態(tài)參數(shù)是井下閉環(huán)控制的基礎(chǔ)，是獲知實際的井眼軌跡的必需參數(shù)。因此設(shè)計一套高速高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是十分重要的，能夠為隨鉆姿態(tài)的確定提供可靠的參考和判斷依據(jù)。

本文以XTCS導(dǎo)向工具為基礎(chǔ)，結(jié)合GPS及地質(zhì)參數(shù)、(K、Q、K+Q)系數(shù)標(biāo)定校正等方法對鉆進(jìn)中實現(xiàn)準(zhǔn)確測量井眼姿態(tài)參數(shù)的方法研究，設(shè)計一種適合工程實際要求的高速、高精度、可編程的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體架構(gòu)和標(biāo)定模型

XTCS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由軟、硬件兩大部分組成。硬件部分主要由16bitA/D采集卡、信號調(diào)理模塊及電源模塊等構(gòu)成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，存儲在固態(tài)存儲器中，再通過MWD傳輸?shù)降孛鎇3]。軟件部分實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理及保存。本文完成上位機(jī)軟件部分的設(shè)計。

XTCS由上位機(jī)、下位機(jī)、傳感器3部分組成。下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和相關(guān)參數(shù)的簡單計算，上位機(jī)進(jìn)行歷史比對、智能分析等復(fù)雜計算與操作。下位機(jī)固件設(shè)計成中斷模式，以便于在USB上實現(xiàn)最大的數(shù)據(jù)傳輸速度，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

定向探管標(biāo)定系統(tǒng)常用的模型有K系數(shù)， Q系數(shù)和K+Q系數(shù)。K系統(tǒng)標(biāo)定模型引入了溫度校正，同時考慮了溫度、零位偏差、同軸誤差，具有較好的標(biāo)定效果。Q系數(shù)標(biāo)定模型，對軸不正交和不同軸的校正，沒有考慮到溫度系數(shù)的影響，在常溫下有較好的標(biāo)定效果。K+Q標(biāo)定模型取K校正模型的溫度補(bǔ)償和Q校正的軸不正交和不同軸正交補(bǔ)償，使誤差得到進(jìn)一步的改善。

圖1 USB數(shù)據(jù)流

2旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 標(biāo)定模型建立

(1)K系數(shù)標(biāo)定模型[4]

數(shù)據(jù)采集用到三軸重力加速度計和三軸磁通門傳感器，校正模型以X軸加速度計為例介紹，其他軸類似，其數(shù)學(xué)模型為

(1)

(2)Q系數(shù)標(biāo)定模型

三軸加速度計不正交校正：

(2)

三軸加速度計磁強(qiáng)計不同軸校正：

(3)

式(2)、(3)中，q(1)—q(9)分別為各傳感器相應(yīng)的q因子。

求解K系數(shù)和Q系數(shù)，使用MATLAB編譯好的EXE文件和VB界面程序通過WINDOWS shell進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和處理[5-6]。

2.2 位機(jī)數(shù)據(jù)處理

從旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的基本原理和數(shù)學(xué)模型分析，影響測量精度的誤差主要有：原理性誤差、傳感器線性度誤差、傳感器的安裝誤差、ADC的轉(zhuǎn)換誤差。

上位機(jī)數(shù)據(jù)流邏輯圖如圖2所示，使用7組測斜傳感器測試出相關(guān)角度，由GPS提供經(jīng)緯度等信息，使用IGRF模型計算出當(dāng)前位置地磁參數(shù)，根據(jù)實際測試的結(jié)果和理論計算出來的結(jié)果進(jìn)行對比，給出一定的誤差限即可得出當(dāng)前儀器的測量鉆具姿態(tài)的精度。

圖2 上位機(jī)數(shù)據(jù)流邏輯圖

2.3 軟件功能設(shè)計

(1)繪圖模塊設(shè)計:采用專用動態(tài)繪圖模塊，對實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制；利用VB使用API的shell函數(shù)調(diào)用origin 8.0進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)繪圖[4]。

(2)通訊子程序設(shè)計:采用USB2.0進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時采用多端口方式與其他儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如CAN接口、RS232接口等。

(3)濾波子程序設(shè)計:采用一階低通數(shù)字濾波，濾去隨機(jī)干擾信號。

(4)數(shù)據(jù)處理及模塊管理:數(shù)據(jù)庫的參數(shù)包括:操作者、時間、地點、日期、溫度、經(jīng)度、緯度、儀器編號、海拔、K系數(shù)、K+Q系數(shù)、重力場三軸分量AX、AY、AZ、磁場分量MX、MY、MZ等重要參數(shù)和查詢參數(shù)、斷點參數(shù)等。對整體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流細(xì)致劃分，提高了測量和標(biāo)定的效率。

(5)報表的設(shè)計及打印:處理后的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)集的方式，寫入到EXCEL模板內(nèi)。報表的打印包括測試和旋轉(zhuǎn)測試數(shù)據(jù)報表打印。其中測試數(shù)據(jù)報表打印含計算后的K系統(tǒng)數(shù)據(jù)打印，和K+Q系統(tǒng)數(shù)據(jù)打印。報表的打印分為實際打印和虛擬打印，用PDF作為打印文件的電子檔存儲。打印程序內(nèi)置了打印日期等信息。

2.4 上位機(jī)的界面設(shè)計

根據(jù)需要實現(xiàn)的功能，設(shè)計并完成界面。探管旋轉(zhuǎn)測試界面如圖3所示。系統(tǒng)采用VB、MATLAB、C等語言混合編程設(shè)計而成，具有實時可編程數(shù)據(jù)采集、實時曲線繪制、實時姿態(tài)測量顯示、數(shù)據(jù)報表、歷史數(shù)據(jù)回放等功能。

圖3 探管旋轉(zhuǎn)測試界面

3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)試及分析

3.1 導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)傳感器標(biāo)定

利用測斜儀確定DT814探管的空間姿態(tài)(井斜角、工具面角和相對方位角)。

(1)將方位角和井斜角固定在90°，依次調(diào)整工具面角為-6.1°、-51.1°、-96.1°、-141.1°、173.9°、128.9°、83.9°、38.9°、135°、90°、45°、0°、-45°、-90°、-135°和-180°。

(2)分別將方位角和工具面角固定在0°；方位角固定在0°，工具面角固定在90°兩種情況下，分別依次調(diào)整井斜角為-6.1°、-51.1°、-96.1°、-141.1°、173.9°、128.9°、83.9°、38.9°、135°、90°、45°、0°、-45°、-90°、-135°和-180°。

通過上述組合一共得到48個DT814探管的空間姿態(tài)，探管姿態(tài)穩(wěn)定后，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集記錄，采用多組數(shù)據(jù)求平均的方法，力求得到最接近真實值的測量值。本系統(tǒng)實現(xiàn)5個溫度梯度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共得到240組數(shù)據(jù)。

3.2 探管測試數(shù)據(jù)分析

圖4為室溫下實際測試所得的各軸傳感器電壓輸出曲線，可以從圖中明顯看出傳感器的輸出值符合實驗設(shè)計預(yù)期結(jié)果，即在鎖定井斜角和方位角為90 °時，測試工具面角，AZ軸零或在零值附近擺動，這是由于安裝誤差導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)軸和傳感器軸不同軸的原因造成的，經(jīng)過軟件校正可以消除這種誤差。從圖5曲線來看，所采得的電壓數(shù)據(jù)較為理想，相較于磁通門，加速度計的線性度更好。

圖4 各軸傳感器電壓輸出曲線

圖5 5個溫度梯度下AX和MX輸出曲線

3.3 系統(tǒng)調(diào)試及誤差分析

用K+Q系數(shù)標(biāo)定模型得到的井斜角和工具面角實際計算角度與理論值的絕對誤差曲線如圖6—圖9所示。

綜合上面的擬合曲線圖和誤差曲線圖，排除測量時由于人為因素導(dǎo)致的壞點，即相比較誤差太大的點，可以得出如下結(jié)論:

(1)從圖6可以看出，擬合曲線基本呈線性關(guān)系，通過算法校正的工具面角和標(biāo)準(zhǔn)工具面角線性比例為0.997 22，接近于1，兩者誤差較小，算法校

圖6 Q因子校正后工具面角曲線

圖7 Q因子校正后工具面角測量誤差

圖8 Q因子校正后井斜角曲線

圖9 Q因子校正后井斜角測量誤差

正精度高，能達(dá)到校正井斜的目的。對圖8的分析與之類似。(2)從誤差曲線圖上分析發(fā)現(xiàn)，如圖7，井斜角<10°的時候，K系數(shù)校正后的工具面角的誤差<±2°；在井斜角大于10°時，除壞點外，K系數(shù)校正后的工具面角的絕對誤差基本<±1°。誤差達(dá)到預(yù)想的指標(biāo)。如圖9，對井斜角進(jìn)行系數(shù)校正后，絕對誤差值基本上在0.2之內(nèi)，誤差明顯小于未校正前的誤差。誤差達(dá)到預(yù)想的指標(biāo)。目前這套系統(tǒng)正在CPL隨鉆中心測試完善中。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)軟件界面友好、操作方便簡單、功能齊全，能充分滿足使用要求。采用了GPS和IGRF模型通過理論計算得出地磁參數(shù)，使用K系數(shù)模型和K+Q系數(shù)模型對測斜探管進(jìn)行綜合標(biāo)定。通過大量的實驗室數(shù)據(jù)模擬和工業(yè)現(xiàn)場測調(diào)試、測試分析，可以得出該套采集系統(tǒng)具有較高的精度、較好的可靠性和穩(wěn)定性，無論從硬件到軟件的設(shè)計可以較好的滿足工業(yè)探管標(biāo)定需求，提高了探管的標(biāo)定效率。

[1] 姜偉,蔣世全,付鑫生，等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)用研究及其進(jìn)展[J].天然氣工業(yè),2013,33(4):75-79. JIANG Wei,JIANG Shi-quan,FU Xin-sheng,et al.Application of rotary steering drilling technology and its research progress[J].Natural Gas Industry,2013,33(4):75-79.

[2] 周靜,尚海燕,雷景輝，等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)鉆井中的測斜系統(tǒng)[J].石油儀器,2000,14(3):1-5.

[3] 劉樹坤,汪勤學(xué),梁占良,等.國內(nèi)外隨鉆測量技術(shù)簡介及發(fā)展前景展望[J].錄井工程,2008,19(4):32-37,41. LIU Shu-kun,WANG Qin-xue,LIANG Zhan-liang,et al.Introduction and development prospect of MWD technique at home and abroad[J].Mud Logging Engineering,2008,19(4):32-37,41.

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[5] 劉淵.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[D].大連：大連理工大學(xué),2009.

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責(zé)任編輯：張新寶

2014-10-16

國家科技重大專項“大型油田及煤層氣開發(fā)”(編號：2011ZX05021-005)；中石油集團(tuán)公司重大專項“鉆井新裝備新工具研制”之“隨鉆測量與傳輸裝備研制”(編號：2014B-4313)

周靜(1964-)，女，教授，主要從事旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)的研究。E-mail：jzhou@xsyu.edu.cn

1673-064X(2015)02-0103-04

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