一種隨鉆儀器的測(cè)斜儀短節(jié)設(shè)計(jì)

張巍巍

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院鉆井儀器研究所，黑龍江 大慶 163000）

水平井鉆井技術(shù)中，井下儀器鉆進(jìn)導(dǎo)向的重點(diǎn)，就是控制鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中的方向，同時(shí)也要實(shí)時(shí)地知道整個(gè)儀器在井下的姿態(tài)。儀器的姿態(tài)主要由三個(gè)參數(shù)決定，分別是方位、井斜以及儀器的工具面。測(cè)量方位數(shù)據(jù)使用的是磁通門(mén)傳感器，測(cè)量井斜數(shù)據(jù)使用的是加速度計(jì)傳感器，工具面的參數(shù)由加速度計(jì)傳感器和磁通門(mén)傳感器共同計(jì)算得到[2]。

本文分別就加速度計(jì)和磁通門(mén)傳感器的擺放以及整套系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行理論研究及探討，分別詳細(xì)分析了兩種傳感器的工作原理以及組合后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)就數(shù)據(jù)采集及控制電路部分進(jìn)行分區(qū)塊詳述，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)出一種能精確測(cè)量井下鉆井儀器姿態(tài)的隨鉆測(cè)斜儀短節(jié)[3]。

1 測(cè)斜儀方案設(shè)計(jì)

井下測(cè)斜儀需要面對(duì)高溫、高壓以及高頻率的振動(dòng)等惡劣工況，所以在整體設(shè)計(jì)前，要先統(tǒng)計(jì)歸納所需滿足的各項(xiàng)參數(shù)，現(xiàn)將主要參數(shù)整理如下，如表1所示。

表1 測(cè)斜儀主要工作參數(shù)

井下測(cè)斜儀短節(jié)所需傳感器主要由加速度計(jì)傳感器和磁通門(mén)傳感器組成。加速度計(jì)傳感器相較于傳統(tǒng)的陀螺儀的優(yōu)點(diǎn)是，體積更小，精度更高，性能更穩(wěn)定，功耗更小，同時(shí)成本也更低。加速度計(jì)傳感器使用固態(tài)封裝，在井下復(fù)雜的工況環(huán)境中，相比于陀螺儀傳感器要穩(wěn)定得多，測(cè)量精度也能得到保障。通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)將加速度計(jì)和磁通門(mén)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)降孛嬷骺叵到y(tǒng)，從而能實(shí)時(shí)清楚地知道井下鉆井儀器的姿態(tài)。測(cè)斜儀的整體工作流程如圖1所示。

圖1 測(cè)斜儀整體工作流程圖

井下測(cè)斜儀短節(jié)所需傳感器主要由加速度計(jì)傳感器和磁通門(mén)傳感器組成。加速度計(jì)傳感器需要三個(gè)互相正交固定，測(cè)得Gx、Gy和Gz信號(hào)；磁通門(mén)傳感器同樣需要三個(gè)互相正交固定，測(cè)得Hx、Hy和Hz信號(hào)。這六個(gè)信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片后，轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)將其傳輸?shù)降孛娴闹骺赜?jì)算機(jī)中。地面主控計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)測(cè)斜儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將儀器的姿態(tài)模擬出來(lái)，地面的工作人員可以通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)觀察井下儀器的姿態(tài)。

2 測(cè)斜儀短節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了精準(zhǔn)地測(cè)得井下儀器的方位數(shù)據(jù)、井斜數(shù)據(jù)以及工具面數(shù)據(jù)，測(cè)斜儀的各個(gè)傳感器也需要統(tǒng)一設(shè)計(jì)安裝位置，同時(shí)要考慮到電路板、線束及整體測(cè)斜儀骨架的開(kāi)孔設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)了一種通用的測(cè)斜儀傳感器及電路板的安裝方式，如圖2所示。

圖2 測(cè)斜儀整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

其中三個(gè)加速度計(jì)傳感器互相正交安裝，三個(gè)磁通門(mén)傳感器也互相正交安裝，溫度傳感器安裝在電路板上，加速度計(jì)傳感器和磁通門(mén)傳感器采集到的是模擬信號(hào)，這六組模擬信號(hào)通過(guò)線束傳入電子電路部分，在電路中進(jìn)行濾波及去除高頻干擾，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后將數(shù)字信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)上傳到地面上位機(jī)。單獨(dú)設(shè)計(jì)了電池筒，可以為整套測(cè)斜儀進(jìn)行無(wú)間斷供電，同時(shí)也保證了電壓信號(hào)的穩(wěn)定。

3 測(cè)斜儀電路設(shè)計(jì)

電路模塊部分涉及到了采樣模塊、濾波電路、開(kāi)關(guān)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)電路、主控電路等。其具體工作流程及結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 電路設(shè)計(jì)流程及結(jié)構(gòu)圖

采樣電路將采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行同步保持，這是為了保證所采集到的七個(gè)信號(hào)是同一時(shí)刻產(chǎn)生的，同時(shí)也能保證采集到的模擬信號(hào)不會(huì)發(fā)生改變。采樣電路將其打包為同一組后，傳輸給濾波電路。濾波電路的作用是將模擬信號(hào)中的高頻干擾濾去，然后通過(guò)多路開(kāi)關(guān)，將這一組信號(hào)中的七個(gè)模擬量分順序單獨(dú)傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。數(shù)字信號(hào)處理完成后，最后會(huì)通過(guò)主控芯片對(duì)其進(jìn)行整理和存儲(chǔ)，然后上傳至地面上位機(jī)系統(tǒng)。

4 結(jié)論及展望

測(cè)斜儀的發(fā)展經(jīng)歷了測(cè)量精度由模糊到精準(zhǔn)、體積由大到小、價(jià)格由昂貴到低廉的一系列階段，這和電子技術(shù)的發(fā)展是分不開(kāi)的，可以遇見(jiàn)的未來(lái)，測(cè)斜儀一定會(huì)向著精度更高、測(cè)量參數(shù)更多以及價(jià)格更低廉的方向繼續(xù)發(fā)展。本文提出了一種通用的測(cè)斜儀的設(shè)計(jì)方案，充分利用了當(dāng)下最先進(jìn)的傳感器技術(shù)及單片機(jī)技術(shù)，相較于未使用這些技術(shù)的測(cè)斜儀，在測(cè)量精度、可靠耐用、重量及體積上都有巨大的優(yōu)勢(shì)。