丁旭東

（中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149）

隨著油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，定向驅(qū)油、薄散油層/ 剩余油開(kāi)采等老井挖潛和淺層油砂/稠油井等超低滲油田開(kāi)發(fā)逐漸得到重視。不同于常規(guī)定向井及中長(zhǎng)半徑水平井需要較大靶前位移，超短半徑水平井鉆井技術(shù)憑借在較短的曲率半徑內(nèi)完成側(cè)鉆形成水平井眼的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在該領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用[1-3]。

在超短半徑水平井鉆井技術(shù)分類方面，它主要有高壓水射流鉆井和柔性鉆桿鉆井兩種實(shí)現(xiàn)途徑[4-5]。由于高壓水射流鉆井不利于井眼軌跡控制且井眼偏小、井壁易垮塌，目前已逐步棄用。相較于高壓水射流鉆井而言，柔性鉆桿技術(shù)在井眼軌跡控制、井眼延伸長(zhǎng)度等方面優(yōu)勢(shì)明顯，對(duì)提高采收率成效顯著。

因?yàn)槌贪霃剿骄煨倍尉矍蚀螅瑐鹘y(tǒng)的隨鉆測(cè)量?jī)x器無(wú)法通過(guò)，所以實(shí)際工程應(yīng)用中往往采用鉆后補(bǔ)測(cè)的方式獲取井眼軌跡或者對(duì)于復(fù)雜井眼放棄井眼軌跡測(cè)量。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種適用于超短半徑鉆井的近鉆頭測(cè)斜儀。通過(guò)小型化和高可靠性設(shè)計(jì)，該測(cè)斜儀可實(shí)現(xiàn)超短半徑鉆井井斜隨鉆測(cè)量。既能保證測(cè)量的實(shí)時(shí)性，又節(jié)省了鉆后補(bǔ)測(cè)作業(yè)的時(shí)間成本和費(fèi)用成本。

1 近鉆頭測(cè)斜儀樣機(jī)研制

1.1 系統(tǒng)原理與整體方案

隨鉆測(cè)斜儀中，一般選用加速度傳感器和磁通門(mén)作為定向傳感器組成測(cè)量系統(tǒng)[6-7]。由于超短半徑鉆井鉆具尺寸限制嚴(yán)格，設(shè)計(jì)必須將小型化設(shè)計(jì)和振動(dòng)工作穩(wěn)定性放在同等重要的位置。

設(shè)計(jì)的測(cè)斜儀主要由骨架、連接器、微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）加速度計(jì)、信號(hào)調(diào)理及采樣電路、Flash存儲(chǔ)器、微控制器以及電源管理模塊組成。整體電氣原理，如圖1所示。

通過(guò)加速度計(jì)測(cè)量地球重力場(chǎng)在測(cè)斜儀3個(gè)坐標(biāo)軸上的分量Gx、Gy、Gz，可計(jì)算井斜角INC和工具面 角TF[8]，其中X軸沿儀器軸向。

通過(guò)正交標(biāo)定、溫度標(biāo)定、向心加速度消除算法以及低通濾波，可以提高測(cè)量精度。

1.2 電路設(shè)計(jì)

加速度計(jì)選用電容式加速度計(jì)MA020，量程為20g，提供差分電壓輸出，基本電路如圖2所示。由于測(cè)量輸出電壓中包含200 kHz的交流噪聲，在輸出電路中必須進(jìn)行濾波處理。本電路采用RC濾波器，電阻值為10 kΩ，電容值為0.01 μF，截止頻率為1600 Hz。

信號(hào)調(diào)理電路的功能是實(shí)現(xiàn)重力加速度信號(hào)、傳感器溫度的濾波及電平轉(zhuǎn)換功能。重力加速度計(jì)信號(hào)為電壓信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行緩沖實(shí)現(xiàn)低輸出阻抗匹配，之后進(jìn)入二階有源低通濾波器濾除噪聲和振動(dòng)干擾信號(hào)，最后進(jìn)行信號(hào)平移以適應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）的采樣范圍。信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)中，通過(guò)選取高精度低漂移的器件保證了在全溫范圍內(nèi)的電壓精度。加速度傳感器溫度信號(hào)為電壓信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行一階低通濾波，濾除噪聲和干擾信號(hào)，防止采樣溫度跳變，最大限度地保證溫度補(bǔ)償效果，實(shí)現(xiàn)定向傳感器的高精度測(cè)量。

AD采集電路由24位ADC電路和2.5 V低噪聲高精度基準(zhǔn)電路組成，如圖3和圖4所示。ADC電路通過(guò)SPI總線將采樣信息傳送給微控制器。在+2.5 V的電壓基準(zhǔn)下，24位ADC最小分辨電壓可以到0.2 μV， 完全滿足精度要求。

微控制器選用超低功耗32位Contex-M內(nèi)核的ARM處理器，內(nèi)部包含128 kB的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、1 MB FLASH程序存儲(chǔ)器、內(nèi)核時(shí)鐘80 MHz。該部分電路可以對(duì)ADC信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并對(duì)采樣的加速度信號(hào)進(jìn)行多階數(shù)字濾波，進(jìn)一步濾除信號(hào)干擾。同時(shí)，可結(jié)合采集到的溫度信號(hào)對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，滿足全溫范圍內(nèi)的精度指標(biāo)。

存儲(chǔ)模塊將井斜角、總重力、三軸加速度計(jì)分量、溫度等數(shù)據(jù)按時(shí)間順序進(jìn)行存儲(chǔ)。每組數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為176 bits，選用16 MB容量的NORFLASH可存儲(chǔ) 90909組數(shù)據(jù)。按照5 s的存儲(chǔ)間隔，存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)為126 h。

通信電路采用485通信協(xié)議完成測(cè)斜儀與上位機(jī)間的通信，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸及指令控制，接口芯片支持的最高通信速率10 Mb·s-1。

根據(jù)測(cè)斜儀功耗和工作模式，設(shè)計(jì)了可靠的電源管理模塊，如圖5所示。通過(guò)設(shè)計(jì)估算測(cè)斜儀總功耗電流為14 mA左右，選用額定容量為1.6 Ah、額定電流為20 mA的高溫鋰電池，理論工作時(shí)間為110 h左右。由于鋰電池在整個(gè)放電周期中，輸出電壓從+3.9 V 降到+3.3 V左右，電壓變化比較大，而傳感器中大部分電路工作在+3.0 V，設(shè)計(jì)通過(guò)一個(gè)低功耗的LDO芯片進(jìn)行降壓。為了確保測(cè)斜儀地面調(diào)試模式與井下測(cè)量模式的供電連續(xù)性，通過(guò)兩個(gè)二極管選擇電源。考慮到低功耗需求，選用壓降僅為20 mV的電源供電專用二極管，以降低額外的功率損耗。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)斜儀金屬外殼分為內(nèi)部結(jié)構(gòu)件和外部結(jié)構(gòu)件兩個(gè)有效部分。外部結(jié)構(gòu)件為承壓殼、堵頭及O型密封圈。內(nèi)部結(jié)構(gòu)件主要包含電源限位螺釘、電源觸頭、波簧、絕緣環(huán)和絕緣片等，保證電源的聯(lián)通及 絕緣。

承壓殼結(jié)構(gòu)尺寸如圖6所示，其主尺寸外徑為21 mm，全長(zhǎng)為152 mm。該承壓殼采用的TC4鈦合金材料具備強(qiáng)度高、密度適中等良好的綜合力學(xué)性能，且其熱導(dǎo)率為鐵的1/5，能更好地減慢外部熱量向結(jié)構(gòu)件內(nèi)部傳導(dǎo)。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)行仿真分析，證明其力學(xué)性能設(shè)計(jì)合理，頻率響應(yīng)如圖7所示。

2 近鉆頭測(cè)斜儀樣機(jī)測(cè)試與分析

本文在研制過(guò)程中共生產(chǎn)了2支存儲(chǔ)式近鉆頭測(cè)斜儀樣機(jī)，在組裝后進(jìn)行了靜態(tài)全溫標(biāo)定和動(dòng)態(tài)全溫標(biāo)定，并且開(kāi)展了48 h的150 ℃高溫測(cè)試、10次溫度循環(huán)試驗(yàn)（-20～+150 ℃）以及旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)條件下的性能測(cè)試。其中，振動(dòng)測(cè)試使用高精度振動(dòng)標(biāo)定臺(tái)開(kāi)展隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試，振動(dòng)有效值最高達(dá)到15g。

測(cè)試結(jié)果表明：

（1）在150 ℃條件下，井斜角靜態(tài)測(cè)量誤差不大于0.06°，工具面角靜態(tài)誤差不大于0.04°；

（2）在轉(zhuǎn)速不大于200 r·min-1范圍內(nèi)，井斜角測(cè)量誤差不大于0.06°；

（3）在有效值不大于6g的隨機(jī)振動(dòng)條件下，井斜角測(cè)量誤差不大于0.185°；有效值不大于15g的隨機(jī)振動(dòng)條件下，井斜角測(cè)量誤差不大于0.495°。

一般而言，石油鉆井作業(yè)時(shí)，鉆具承受的振動(dòng)能量以6g以下振動(dòng)為主。本文開(kāi)展的6g～15g振動(dòng)測(cè)試能覆蓋絕大部分井下振動(dòng)工況。結(jié)合超短半徑主要用途，實(shí)際應(yīng)用中其水平軌跡基本在100 m左右，而本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的井斜角測(cè)量精度滿足其作業(yè)使用需求。

3 結(jié)語(yǔ)

基于超短半徑鉆井需求，以小型化、高可靠性為指導(dǎo)，從電路、結(jié)構(gòu)和嵌入式程序等方面入手，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種存儲(chǔ)式近鉆頭測(cè)斜儀并對(duì)樣機(jī)開(kāi)展了性能測(cè)試。通過(guò)樣機(jī)測(cè)試驗(yàn)證表明，該測(cè)斜儀功能和性能滿足井下作業(yè)要求。