隨鉆定向測量儀器應(yīng)用研究

王玨

（川慶川西鉆探技術(shù)與應(yīng)用研發(fā)中心，四川 成都 610000）

隨鉆定向測量儀器是開展隨鉆測井的重要工具，而定向測量儀的使用能夠在定向井、水平井等特殊工藝井的施工中發(fā)揮出巨大的作用，主要就是測量井斜、方位以及工具面，確定井眼在空間的傾斜和傾向。在定向孔施工中,可以及時把孔內(nèi)鉆具調(diào)整到預(yù)定方,實(shí)現(xiàn)鉆孔方向的精確高效控制，最終命中靶心，該儀器的使用能夠大大提高經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)鉆探工作的可持續(xù)發(fā)展。

1 隨鉆定向測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨鉆測井技術(shù)自問世以來得到了迅速發(fā)展，近年來，其測量參數(shù)不斷增多，儀器的測量深度也在不斷地增加，應(yīng)用范圍也不斷地擴(kuò)大。其中，隨鉆定向測量技術(shù)的應(yīng)用在定向井、水平井、大位移水平井、多分支井以及在一個井場鉆多口水平井等各類井的測量中起到了巨大的作用，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。目前，國內(nèi)隨鉆定向測量技術(shù)的應(yīng)用與國外先進(jìn)國家相比還有一定的差距，使用的一些隨鉆測量儀器也大多依賴于進(jìn)口。

2 隨鉆定向測量儀器的研究

隨鉆定向測量儀器的使用主要就是針對定向井、水平井而使用的一種測量儀器，其在使用過程中主要就是要測量井斜、方位以及工具面，確定井眼在空間的傾斜和傾向，以便指導(dǎo)鉆鋌的走向。以下是針對定向測量儀的相關(guān)研究。

2.1 定向測量儀的工作原理及結(jié)構(gòu)。

重力場和地磁場是定向測量儀工作過程中的基準(zhǔn)定義方向參數(shù)，而重力場和地磁場也能夠作為矢量并確定空間唯一姿態(tài)。其中，重力場由重力加速度計產(chǎn)生，地磁場參數(shù)是磁通門續(xù)測量井下儀器所處狀態(tài)下產(chǎn)生的，定向測量儀在工作過程中需要依據(jù)重力場和地磁場參數(shù)以及溫度傳感器實(shí)時監(jiān)的測井下工作儀器溫度，避免其在工作過程中因?yàn)闇囟榷霈F(xiàn)工作不穩(wěn)定的情況，基于此，定向測量儀可以準(zhǔn)確地計算出井身的傾斜角和方位角，并將計算得出的數(shù)據(jù)傳回地面儀器，而地面儀器也會相應(yīng)地記錄定向測量儀工作過程中測量出的被測井井深對應(yīng)的井斜、方位、工具面、井溫等工程參數(shù)。當(dāng)前我國鉆探事業(yè)中常用的定向測量儀結(jié)構(gòu)相對簡單，包括傳感器短節(jié)和電子電路兩部分。其中，傳感器短節(jié)由加速度計、磁通門、溫度傳感器組成，加速度計的主要作用就是實(shí)現(xiàn)加速度信號得到獲取，其主要是通過擺片擺動所引起的擺片與二定極片之間的電容變化所實(shí)現(xiàn)的；磁通門是一種三端式磁通門傳感器，靈敏度較高，可以有效地測量微弱磁場，并且能夠抗干擾；溫度傳感器是一種兩端集成電路的溫度傳感器。

2.2 電路實(shí)現(xiàn)

電子電路部分是定向測量儀的另一重要組成部分，該部分主要包括提供穩(wěn)定的電能的電源模塊、處理傳感器信號的信號處理模塊、數(shù)據(jù)信息的主控模塊以及保障機(jī)器正常工作的振動模塊。以上幾個模塊的共同作用下使得電子電路部分能夠正常工作。

（1）電源模塊。電源模塊在電子電路部分中的主要作用就是提供穩(wěn)定的電能以便系統(tǒng)能夠正常工作，它是電路工作系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，其工作狀態(tài)直接關(guān)系到整個系統(tǒng)工作是否穩(wěn)定、工作質(zhì)量是否達(dá)到要求等。其在實(shí)際工作中能夠?qū)l(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)工作所需的穩(wěn)定直流電，內(nèi)部使用的二極管還能夠防止電流倒灌，同時，其內(nèi)放置的RC濾波網(wǎng)絡(luò)還能夠有效地濾除信號中的干擾，電壓處也都有熔絲電阻的保護(hù)，為整個系統(tǒng)的穩(wěn)定工作提供了保障?；诖?，電源模塊的主要工作流程為：發(fā)電機(jī)產(chǎn)生三相交流電后經(jīng)過三相全波橋式整流電路轉(zhuǎn)變成不穩(wěn)定30V 的直流電，不穩(wěn)定30V 的直流電經(jīng)過濾波和穩(wěn)壓電路后會變成穩(wěn)定的30V 直流電，再經(jīng)過變壓電路轉(zhuǎn)變成所需的電壓，并將其供給信號處理模塊、主控模塊和振動模塊，以保證整個工作系統(tǒng)的穩(wěn)定。

（2）信號處理模塊。信號處理模塊顧名思義就是發(fā)揮處理信號的功能，主要就是對來自傳感器的信號進(jìn)行處理，傳感器由A/D 轉(zhuǎn)換電路、模擬開關(guān)電路、整形電路、濾波電路、放大電路等組成，信號進(jìn)入其中會經(jīng)過濾波整形放大并進(jìn)入多路開關(guān)，而進(jìn)入主控控制開關(guān)后信號又會再次被放大，并輸入A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)，其內(nèi)模擬信號會轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并最終進(jìn)入主控，以便進(jìn)行計算分析。而信號處理模塊在工作過程中產(chǎn)生的磁信號相對來說比較微弱，必須通過模擬開關(guān)以及其外部的放大電路轉(zhuǎn)變?yōu)樽R別性較強(qiáng)的數(shù)字信號才能夠進(jìn)入多路開關(guān)，并最終完成工作過程。

（3）主控模塊。主控模塊主要由單片機(jī)MC9S08DZ60、微控制器PSD302、濾波電路和放大電路等組成，主控模塊中還包括時鐘、運(yùn)算、控制以及存儲等模塊，主要是作為定向測量儀的控制端，可以在實(shí)際工作中完成記時、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、控制算法的實(shí)現(xiàn)及顯示等工作。在實(shí)際工作中，先是由傳感器測得模擬信號，然后模擬信號再經(jīng)過信號處理模塊，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號并傳送到主控模塊中，主控模塊接受這些信號就會不斷地利用其中的內(nèi)部構(gòu)件對井斜、方位、工具面等信息進(jìn)行計算，計算過程中還需要經(jīng)過溫度補(bǔ)償、常量和浮點(diǎn)數(shù)矯正等方式，并最終計算得出較為精確的數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)信息，主控模塊中的CPU 控制外部微控制器控制脈沖器產(chǎn)生泥漿脈沖，上傳到地面。在主控模塊中，單片機(jī)的運(yùn)行速度、功耗和穩(wěn)定性等因素會直接關(guān)系到儀器在井下的時使用效果，因此具有多種低功耗模式、更高的工作頻率、溫度和電壓補(bǔ)償?shù)钠瑑?nèi)可編程內(nèi)部時鐘發(fā)生器以及集成片上調(diào)試器的片上仿真、模擬等功能的單片機(jī)是當(dāng)前主控模塊工作的主要需求，能夠?yàn)檎麄€系統(tǒng)的工作提供堅實(shí)的保障。

（4）振動模塊。振動模塊在實(shí)際工作中主要就是利用加速度計來測量隨鉆測量儀鉆鋌所受到的加速度超過一定值的振動次數(shù)，并以振動次數(shù)為主要依據(jù)判斷儀器的工作狀況。在振動模塊中，需要SPI 總線連接傳感器和主控電路事先互相傳輸命令及數(shù)據(jù)的功能。振動模塊會定時將累計振動次數(shù)傳送到地面，工程師則根據(jù)這些數(shù)據(jù)操控鉆柱機(jī)械，減少鉆柱機(jī)械的損壞，而且這些數(shù)據(jù)也能夠幫助工程師制定儀器維修計劃，提高儀器的使用壽命。

3 隨鉆定向測量儀器的應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

（1）老化試驗(yàn)。老化試驗(yàn)主要就是測試定向測量儀經(jīng)過長時間使用后是否會出現(xiàn)老化問題，室內(nèi)試驗(yàn)中，將定向測量儀進(jìn)行了120h 的長時間通電試驗(yàn)，經(jīng)過試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，該儀器的系統(tǒng)運(yùn)行正常，測得井斜、方位以及工具面數(shù)據(jù)正常，誤差都在合理值范圍內(nèi)。

（2）高溫試驗(yàn)。高溫試驗(yàn)主要就是測量儀器是否能夠較高溫度下正常進(jìn)行工作，將其加熱到125℃，并與室溫的工作情況進(jìn)行比對，主要就是比對兩種情況下所測量的數(shù)據(jù)是否存在差異，經(jīng)過試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，其經(jīng)過高溫后仍舊符合標(biāo)準(zhǔn)。

（3）振動試驗(yàn)。振動試驗(yàn)主要就是檢驗(yàn)儀器在變頻狀態(tài)的工作狀態(tài)，試驗(yàn)過程中使用自行研制的變頻振動測試裝置在0.1～30g 振動下進(jìn)行相應(yīng)的測量工作，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能滿足井下的工況要求。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

當(dāng)前，隨鉆定向儀在一些定向井和水平井的應(yīng)用上比較常見，比如太東86-平144 井以及黑H-平30 井中已經(jīng)進(jìn)行了試用，其系統(tǒng)在工作過程中較為穩(wěn)定，而且使用過程中也能夠與現(xiàn)有的隨鉆電阻率、伽馬儀器兼容，具有較好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

綜上所述，定向測量儀的使用是當(dāng)前鉆探事業(yè)發(fā)展過程中的重要動力，文中針對定向測量儀的研究發(fā)現(xiàn)其在使用過程中的抗干擾能力較強(qiáng)，能夠使用比較復(fù)雜的工況，而且還能夠保證工作質(zhì)量。同時，相關(guān)專家還應(yīng)該積極借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)，不斷地對當(dāng)前的定向測量儀進(jìn)行改良，使其不斷地提高系統(tǒng)工作質(zhì)量，促進(jìn)我國鉆探事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。