導(dǎo)向軸姿態(tài)測量方法研究

劉 轉(zhuǎn)，劉兆昆，楊婧翌

（西安石油大學(xué) 陜西 西安 710000）

1 引言

近年來，隨著人們對石油的開采，石油資源越來越匱乏，開采難度也逐漸加大，對非常規(guī)油田的開采逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，進(jìn)而對井下鉆井工具的要求也越來越大。根據(jù)近幾年的發(fā)展趨勢，指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具由于其井眼軌跡平滑，狗腿度小等優(yōu)點(diǎn)，已成為未來發(fā)展的趨勢，國外已經(jīng)形成了其具有商業(yè)化的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具，而我國在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)領(lǐng)域起步晚，在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井方面雖然有所突破，但與國外相比仍具有很大的差距，距離開發(fā)自己的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具仍有很長的一段路要走[6]，在指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究中，對導(dǎo)向軸姿態(tài)參數(shù)的精確、實(shí)時(shí)測量是導(dǎo)向工具實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向鉆進(jìn)的前提條件，所以擬采用高精度、高可靠性、體積小、適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境的三軸重力加速度計(jì)CS-3LAS對井下參數(shù)進(jìn)行測量[3]。

2 指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)測量原理

采用三軸加速度計(jì)對導(dǎo)向軸姿態(tài)進(jìn)行測量[1]，其測量原理如圖1所示。

圖1 測量原理圖

鉆井工具導(dǎo)向軸用Z、Z1表示，在其沒有傾斜時(shí)的坐標(biāo)系用OXYZ來表示，發(fā)生傾斜時(shí)用OX1Y1Z1來代表，面是水平面；在當(dāng)前坐標(biāo)系OX1Y1Z1下，三軸加速度計(jì)在三個(gè)軸的分量信號分別用Vx，Vy，Vz來表示；重力方向與導(dǎo)向軸軸心線的夾角即井斜角，用θ1表示；重力高邊用OM表示，即邊MZ1（沿重力方向）在OX1Y1平面上的投影；重力高邊與Y1正方向的夾角即方位角，用表示，各物理量之間的關(guān)系由式（2-1）、（2-2）和（2-3）所示。

其中Vg為Vx、Vy、Vz的矢量和。由式（2-1）、（2-2）和（2-3）可得出井斜角和方位角的解算公式為式（2-4）和（2-5）。

3 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)

該導(dǎo)向軸姿態(tài)測量系統(tǒng)主要由三軸重力加速度計(jì)，信號調(diào)理模塊、MCU模塊和無線發(fā)送接收模塊組成[2]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體方案結(jié)構(gòu)圖

圖3 程序流程圖

導(dǎo)向軸姿態(tài)測量流程圖如圖3所示，三軸重力加速度計(jì)輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理電路之后送到MCU，然后經(jīng)過AD采樣，MCU對采樣信號進(jìn)行解算經(jīng)由無線發(fā)送到無線接收部分，接收部分將解算得到的井斜角和工具面角通過LED模塊進(jìn)行顯示[2]。

4 測試

將三軸重力加速度計(jì)和導(dǎo)向軸測量系統(tǒng)安裝到HX68回轉(zhuǎn)式測斜儀校驗(yàn)臺，利用加速度計(jì)CS-3LAS傳感器以及導(dǎo)向軸姿態(tài)采集系統(tǒng)對加速度計(jì)輸出信號進(jìn)行測量，并通過姿態(tài)結(jié)算公式得出井斜角和方位角。在導(dǎo)向軸姿態(tài)測量系統(tǒng)靜態(tài)測試中給定井斜角，不斷改變方位角，通過CS-3LAS加速度計(jì)測量得到的信號經(jīng)過解算公式解算得到的數(shù)據(jù)如表1至表2所示，其中θ1為給定井斜角、為給定方位角、為解算得到的井斜角、為解算得到的方位角。

為了驗(yàn)證導(dǎo)向軸姿態(tài)采集系統(tǒng)的可行性，做了兩組實(shí)驗(yàn)。

第一組：給定井斜角84°時(shí)，每隔30°改變方位角的測量數(shù)據(jù)如表1。

表1 84°井斜角下測量數(shù)據(jù)（單位：°）

其中井斜角最大誤差為0.88°，方位角最大誤差為3.81°。

第二組：給定井斜角90°時(shí)，每隔30°改變方位角的測量數(shù)據(jù)如表2。

表2 90°井斜角下測量數(shù)據(jù)（單位：°）

其中井斜角最大誤差為1.28°，方位角最大誤差為2.79°。

測試表明：

井斜角的最大誤差為1.28°，由于井斜角的測量范圍為0°～90°，據(jù)精度等級計(jì)算公式可得其精度等級為1.5。

方位角的最大誤差為3.81°，由于方位角的測量范圍為0°～360°，根據(jù)精度等級計(jì)算公式可得其精度等級為1.5。

5 結(jié)語

指向式旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)相比推靠式具有極大的優(yōu)越性，對指向式旋轉(zhuǎn)鉆井工具姿態(tài)測量方法的研究是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向控制的前提條件，也為我國在指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)方面的研究提供了極大的借鑒意義，本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)向軸姿態(tài)測量系統(tǒng)，井斜角和方位角的精度等級在合理范圍內(nèi)，滿足地面模擬實(shí)驗(yàn)的測量精度要求，驗(yàn)證了整個(gè)導(dǎo)向軸姿態(tài)測量系統(tǒng)的可行性。但仍需在此基礎(chǔ)上做大量的研究達(dá)到更準(zhǔn)確、更適合井下環(huán)境的測量方法。

[1]王彤.指向式導(dǎo)向鉆井工具控制軸的姿態(tài)測量方法研究[D].西安石油大學(xué)，2017.

[2]李晨琳，盧昕，趙麗珍，曹思諾，劉轉(zhuǎn).基于MEMS加速度計(jì)的導(dǎo)向鉆井工具姿態(tài)測量方法[J].電腦知識與技術(shù)，2017，13(12)：218-219.

[3]張紹槐.現(xiàn)代導(dǎo)向鉆井技術(shù)的新進(jìn)展及發(fā)展方向[J].石油學(xué)報(bào)，2003，(03)：82-85+89.