基于MEMS 陀螺的隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

龍達(dá)峰，蘇 文

（1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中國(guó)人民解放軍66011部隊(duì)，北京 102600）

0 引言

在礦井施工和石油鉆井中，需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地掌握鉆孔姿態(tài)、位置和軌跡等相關(guān)參數(shù)，以便工程作業(yè)人員能夠?qū)崟r(shí)地掌握鉆孔作業(yè)中的工程地質(zhì)情況，為工程作業(yè)人員及時(shí)調(diào)整作業(yè)方案，以避免盲目鉆孔而造成鉆孔事故的發(fā)生［1－3］。相比于傳統(tǒng)的電纜靜態(tài)測(cè)井方式，基于隨鉆測(cè)量方式帶來(lái)的極大便利，不僅可以減少鉆井測(cè)量的時(shí)間與成本，又能極大地提高測(cè)井精度［4］。目前，在國(guó)內(nèi)各大油田、海上大型石油鉆井作業(yè)中，幾乎都采用隨鉆測(cè)井技術(shù)。但隨鉆測(cè)斜儀基本上都是從國(guó)外購(gòu)買，其價(jià)格昂貴，且維修存在不便等問(wèn)題［5］。本文基于MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）陀螺設(shè)計(jì)了隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)，并利用仿真轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)所設(shè)計(jì)的隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)進(jìn)行了模擬隨鉆測(cè)井過(guò)程，以期望能夠研制成功具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)。

1 隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)總體方案

本文基于MEMS陀螺設(shè)計(jì)了隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)總體方案，如圖1所示。該測(cè)斜儀系統(tǒng)包括井下隨鉆測(cè)試儀器和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩部分，并采用由鉆桿與地層構(gòu)成的信號(hào)傳輸通道進(jìn)行地面儀器和井下儀器的通信。其中，井下隨鉆傳感器包括三軸MEMS陀螺、三軸加速度計(jì)和溫度與壓力傳感器。井下儀器主要完成傾斜角、方位角和工具面角等各種參數(shù)的測(cè)量，并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，或者通過(guò)通信信道把測(cè)量數(shù)據(jù)傳回地面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。地面監(jiān)控系統(tǒng)接收井下傳上來(lái)的信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算，并實(shí)時(shí)顯示鉆孔姿態(tài)、位置和軌跡等相關(guān)參數(shù)，以便地面作業(yè)人員能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地掌握鉆孔作業(yè)情況，避免鉆孔施工的盲目性。

1.2 隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理電路、多通道數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和電源模塊等組成。

1.2.1 多通道數(shù)據(jù)采集模塊

多通道數(shù)據(jù)采集模塊是將調(diào)理后的隨鉆傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。由于測(cè)斜儀井下傳感器包括三軸MEMS陀螺、三軸加速度計(jì)以及溫度與壓力多路信號(hào)，因此，采用兩片同步采集模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8365實(shí)現(xiàn)12路信號(hào)的數(shù)據(jù)采集；選用Xilinx的XC2S50-TQ144C型FPGA作為數(shù)據(jù)采集模塊的控制芯片。數(shù)據(jù)采集電路模塊如圖2所示。其中，SC1～SC6為6個(gè)傳感器模擬信號(hào)通道輸入端，DB0～DB15為模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出端。FPGA除了完成數(shù)據(jù)采集模塊的控制外，還要完成井下隨鉆儀器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信模塊和外圍接口電路的功能。

1.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

井下隨鉆儀器采用三星K9F2G08型Flash芯片作為隨鉆測(cè)斜儀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片，該芯片具有2Gb的存儲(chǔ)容量，由FPGA內(nèi)的控制器實(shí)現(xiàn)Flash芯片控制。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路模塊如圖3所示。

1.2.3 FPGA的配置電路

采用XCF01SV020芯片作為FPGA的可編程配置芯片，F(xiàn)PGA配置電路模塊如圖4所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路模塊

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路模塊

1.2.4 電源模塊

系統(tǒng)中的FPGA、ADS8365和其他芯片等的工作電壓主要有5V、3.3V和2.5V。由于隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)需要采用外接7.4V電源作為供電電源，因此，需要設(shè)計(jì)以上3個(gè)輸出分壓電源輸出模塊。時(shí)鐘電路模塊如圖5所示。由圖5可知，7.4V外電源經(jīng)由REG104-5穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換成5V電壓輸出，然后再把＋5V電壓輸出經(jīng)由MAX8882EUTAQ芯片分別轉(zhuǎn)換成2.5V和3.3V兩路電壓輸出。

2 隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)姿態(tài)算法設(shè)計(jì)

隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)利用捷聯(lián)安裝于鉆桿的三軸加速度計(jì)和三軸MEMS陀螺儀分別測(cè)量出鉆桿的比力信息（f～b）和角速度信息（?ωbib），然后根據(jù)捷聯(lián)慣性原理實(shí)時(shí)完成鉆桿的姿態(tài)與位置的解，其隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)算法原理如圖6所示。

隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)選取北東地地理坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，得到的姿態(tài)矩陣變換關(guān)系為［6］：

其中：ψ，θ，γ分別為隨鉆測(cè)斜儀方位角、俯仰角、橫滾角。

圖4 FPGA配置電路模塊

圖5 時(shí)鐘電路模塊

如前所述，利用加速度計(jì)和陀螺實(shí)時(shí)測(cè)量信息，根據(jù)圖6所示的算法原理進(jìn)行姿態(tài)更新矩陣的計(jì)算。更新所得姿態(tài)矩陣Cnb為：

其中：C11，C12，C13，C21，C22，C23，C31，C32，C33分別為式（1）中對(duì)應(yīng)各項(xiàng)。對(duì)比式（1）和式（2）關(guān)系可知，鉆井姿態(tài)的提取公式為：

3 仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)性能，在三軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)上模擬實(shí)際隨鉆測(cè)井過(guò)程，通過(guò)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的姿態(tài)變化來(lái)模擬實(shí)際的隨鉆測(cè)井過(guò)程，三軸陀螺角速率測(cè)量輸出如圖7所示。

圖6 隨鉆測(cè)斜儀系統(tǒng)算法原理

圖7 三軸陀螺角速率測(cè)量輸出

模擬600m井深測(cè)井解算后的鉆孔軌跡如圖8所示。從仿真測(cè)井結(jié)果來(lái)看，隨鉆測(cè)斜儀具有比較高的測(cè)量精度。

圖8 解算后鉆孔軌跡

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)介紹了隨鉆測(cè)斜系統(tǒng)的各功能模塊的硬件設(shè)計(jì)方法，并利用高精度三軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)搭建隨鉆測(cè)井的半物理仿真平臺(tái)，在該平臺(tái)上開(kāi)展了實(shí)際隨鉆模擬測(cè)井過(guò)程。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的隨鉆陀螺測(cè)斜儀系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度。

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［2］劉禹銘，蔡玉貴.機(jī)械式無(wú)線隨鉆直井測(cè)斜儀在海上油田的應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2014（8）：75-78.

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