周 靜，陳 沖，彭琰舉，尚小峰

(西安石油大學(xué) 井下測控研究所，陜西 西安 710065)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向定向探管標(biāo)定系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

周 靜，陳 沖，彭琰舉，尚小峰

(西安石油大學(xué) 井下測控研究所，陜西 西安 710065)

設(shè)計(jì)了一套可以提高隨鉆姿態(tài)測量效率和精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用特定的標(biāo)定方法對測斜探管進(jìn)行綜合標(biāo)定。該標(biāo)定系統(tǒng)采用VB、MATLAB、C等語言混合編程設(shè)計(jì)而成，具有實(shí)時(shí)可編程數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)曲線繪制、實(shí)時(shí)姿態(tài)測量顯示、數(shù)據(jù)報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)回放等功能。具有標(biāo)定姿態(tài)少、標(biāo)定效率高等特點(diǎn)。研究分析大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、易操作、功能全等特點(diǎn)，可以滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井儀傳感器標(biāo)定需求。

隨鉆測井；USB接口；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；標(biāo)定方法；VB

近年來，以BakerHughes的Auto-TrakRCLS、Schlumberger的Power-DriveSRD和Halliburton的Geo-Pilot為代表的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，在技術(shù)和商業(yè)上展開激烈的競爭[1]。國內(nèi)具有代表性的鉆井系統(tǒng)之一，西安石油大學(xué)井下測控研究所研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)XTCS(西安軌跡控制系統(tǒng))屬于幾何導(dǎo)向，井眼姿態(tài)的測量就顯得尤為重要[2]。井眼姿態(tài)參數(shù)是井下閉環(huán)控制的基礎(chǔ)，是獲知實(shí)際的井眼軌跡的必需參數(shù)。因此設(shè)計(jì)一套高速高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是十分重要的，能夠?yàn)殡S鉆姿態(tài)的確定提供可靠的參考和判斷依據(jù)。

本文以XTCS導(dǎo)向工具為基礎(chǔ)，結(jié)合GPS及地質(zhì)參數(shù)、(K、Q、K+Q)系數(shù)標(biāo)定校正等方法對鉆進(jìn)中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量井眼姿態(tài)參數(shù)的方法研究，設(shè)計(jì)一種適合工程實(shí)際要求的高速、高精度、可編程的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體架構(gòu)和標(biāo)定模型

XTCS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由軟、硬件兩大部分組成。硬件部分主要由16bitA/D采集卡、信號調(diào)理模塊及電源模塊等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，存儲在固態(tài)存儲器中，再通過MWD傳輸?shù)降孛鎇3]。軟件部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理及保存。本文完成上位機(jī)軟件部分的設(shè)計(jì)。

XTCS由上位機(jī)、下位機(jī)、傳感器3部分組成。下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和相關(guān)參數(shù)的簡單計(jì)算，上位機(jī)進(jìn)行歷史比對、智能分析等復(fù)雜計(jì)算與操作。下位機(jī)固件設(shè)計(jì)成中斷模式，以便于在USB上實(shí)現(xiàn)最大的數(shù)據(jù)傳輸速度，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

定向探管標(biāo)定系統(tǒng)常用的模型有K系數(shù)， Q系數(shù)和K+Q系數(shù)。K系統(tǒng)標(biāo)定模型引入了溫度校正，同時(shí)考慮了溫度、零位偏差、同軸誤差，具有較好的標(biāo)定效果。Q系數(shù)標(biāo)定模型，對軸不正交和不同軸的校正，沒有考慮到溫度系數(shù)的影響，在常溫下有較好的標(biāo)定效果。K+Q標(biāo)定模型取K校正模型的溫度補(bǔ)償和Q校正的軸不正交和不同軸正交補(bǔ)償，使誤差得到進(jìn)一步的改善。

圖1 USB數(shù)據(jù)流

2旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 標(biāo)定模型建立

(1)K系數(shù)標(biāo)定模型[4]

數(shù)據(jù)采集用到三軸重力加速度計(jì)和三軸磁通門傳感器，校正模型以X軸加速度計(jì)為例介紹，其他軸類似，其數(shù)學(xué)模型為

(1)

(2)Q系數(shù)標(biāo)定模型

三軸加速度計(jì)不正交校正：

(2)

三軸加速度計(jì)磁強(qiáng)計(jì)不同軸校正：

(3)

式(2)、(3)中，q(1)—q(9)分別為各傳感器相應(yīng)的q因子。

求解K系數(shù)和Q系數(shù)，使用MATLAB編譯好的EXE文件和VB界面程序通過WINDOWS shell進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和處理[5-6]。

2.2 位機(jī)數(shù)據(jù)處理

從旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的基本原理和數(shù)學(xué)模型分析，影響測量精度的誤差主要有：原理性誤差、傳感器線性度誤差、傳感器的安裝誤差、ADC的轉(zhuǎn)換誤差。

上位機(jī)數(shù)據(jù)流邏輯圖如圖2所示，使用7組測斜傳感器測試出相關(guān)角度，由GPS提供經(jīng)緯度等信息，使用IGRF模型計(jì)算出當(dāng)前位置地磁參數(shù)，根據(jù)實(shí)際測試的結(jié)果和理論計(jì)算出來的結(jié)果進(jìn)行對比，給出一定的誤差限即可得出當(dāng)前儀器的測量鉆具姿態(tài)的精度。

圖2 上位機(jī)數(shù)據(jù)流邏輯圖

2.3 軟件功能設(shè)計(jì)

(1)繪圖模塊設(shè)計(jì):采用專用動(dòng)態(tài)繪圖模塊，對實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制；利用VB使用API的shell函數(shù)調(diào)用origin 8.0進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)繪圖[4]。

(2)通訊子程序設(shè)計(jì):采用USB2.0進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)采用多端口方式與其他儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如CAN接口、RS232接口等。

(3)濾波子程序設(shè)計(jì):采用一階低通數(shù)字濾波，濾去隨機(jī)干擾信號。

(4)數(shù)據(jù)處理及模塊管理:數(shù)據(jù)庫的參數(shù)包括:操作者、時(shí)間、地點(diǎn)、日期、溫度、經(jīng)度、緯度、儀器編號、海拔、K系數(shù)、K+Q系數(shù)、重力場三軸分量AX、AY、AZ、磁場分量MX、MY、MZ等重要參數(shù)和查詢參數(shù)、斷點(diǎn)參數(shù)等。對整體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流細(xì)致劃分，提高了測量和標(biāo)定的效率。

(5)報(bào)表的設(shè)計(jì)及打印:處理后的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)集的方式，寫入到EXCEL模板內(nèi)。報(bào)表的打印包括測試和旋轉(zhuǎn)測試數(shù)據(jù)報(bào)表打印。其中測試數(shù)據(jù)報(bào)表打印含計(jì)算后的K系統(tǒng)數(shù)據(jù)打印，和K+Q系統(tǒng)數(shù)據(jù)打印。報(bào)表的打印分為實(shí)際打印和虛擬打印，用PDF作為打印文件的電子檔存儲。打印程序內(nèi)置了打印日期等信息。

2.4 上位機(jī)的界面設(shè)計(jì)

根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)并完成界面。探管旋轉(zhuǎn)測試界面如圖3所示。系統(tǒng)采用VB、MATLAB、C等語言混合編程設(shè)計(jì)而成，具有實(shí)時(shí)可編程數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)曲線繪制、實(shí)時(shí)姿態(tài)測量顯示、數(shù)據(jù)報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)回放等功能。

圖3 探管旋轉(zhuǎn)測試界面

3 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)試及分析

3.1 導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)傳感器標(biāo)定

利用測斜儀確定DT814探管的空間姿態(tài)(井斜角、工具面角和相對方位角)。

(1)將方位角和井斜角固定在90°，依次調(diào)整工具面角為-6.1°、-51.1°、-96.1°、-141.1°、173.9°、128.9°、83.9°、38.9°、135°、90°、45°、0°、-45°、-90°、-135°和-180°。

(2)分別將方位角和工具面角固定在0°；方位角固定在0°，工具面角固定在90°兩種情況下，分別依次調(diào)整井斜角為-6.1°、-51.1°、-96.1°、-141.1°、173.9°、128.9°、83.9°、38.9°、135°、90°、45°、0°、-45°、-90°、-135°和-180°。

通過上述組合一共得到48個(gè)DT814探管的空間姿態(tài)，探管姿態(tài)穩(wěn)定后，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集記錄，采用多組數(shù)據(jù)求平均的方法，力求得到最接近真實(shí)值的測量值。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)5個(gè)溫度梯度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共得到240組數(shù)據(jù)。

3.2 探管測試數(shù)據(jù)分析

圖4為室溫下實(shí)際測試所得的各軸傳感器電壓輸出曲線，可以從圖中明顯看出傳感器的輸出值符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)期結(jié)果，即在鎖定井斜角和方位角為90 °時(shí)，測試工具面角，AZ軸零或在零值附近擺動(dòng)，這是由于安裝誤差導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)軸和傳感器軸不同軸的原因造成的，經(jīng)過軟件校正可以消除這種誤差。從圖5曲線來看，所采得的電壓數(shù)據(jù)較為理想，相較于磁通門，加速度計(jì)的線性度更好。

圖4 各軸傳感器電壓輸出曲線

圖5 5個(gè)溫度梯度下AX和MX輸出曲線

3.3 系統(tǒng)調(diào)試及誤差分析

用K+Q系數(shù)標(biāo)定模型得到的井斜角和工具面角實(shí)際計(jì)算角度與理論值的絕對誤差曲線如圖6—圖9所示。

綜合上面的擬合曲線圖和誤差曲線圖，排除測量時(shí)由于人為因素導(dǎo)致的壞點(diǎn)，即相比較誤差太大的點(diǎn)，可以得出如下結(jié)論:

(1)從圖6可以看出，擬合曲線基本呈線性關(guān)系，通過算法校正的工具面角和標(biāo)準(zhǔn)工具面角線性比例為0.997 22，接近于1，兩者誤差較小，算法校

圖6 Q因子校正后工具面角曲線

圖7 Q因子校正后工具面角測量誤差

圖8 Q因子校正后井斜角曲線

圖9 Q因子校正后井斜角測量誤差

正精度高，能達(dá)到校正井斜的目的。對圖8的分析與之類似。(2)從誤差曲線圖上分析發(fā)現(xiàn)，如圖7，井斜角<10°的時(shí)候，K系數(shù)校正后的工具面角的誤差<±2°；在井斜角大于10°時(shí)，除壞點(diǎn)外，K系數(shù)校正后的工具面角的絕對誤差基本<±1°。誤差達(dá)到預(yù)想的指標(biāo)。如圖9，對井斜角進(jìn)行系數(shù)校正后，絕對誤差值基本上在0.2之內(nèi)，誤差明顯小于未校正前的誤差。誤差達(dá)到預(yù)想的指標(biāo)。目前這套系統(tǒng)正在CPL隨鉆中心測試完善中。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)軟件界面友好、操作方便簡單、功能齊全，能充分滿足使用要求。采用了GPS和IGRF模型通過理論計(jì)算得出地磁參數(shù)，使用K系數(shù)模型和K+Q系數(shù)模型對測斜探管進(jìn)行綜合標(biāo)定。通過大量的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)模擬和工業(yè)現(xiàn)場測調(diào)試、測試分析，可以得出該套采集系統(tǒng)具有較高的精度、較好的可靠性和穩(wěn)定性，無論從硬件到軟件的設(shè)計(jì)可以較好的滿足工業(yè)探管標(biāo)定需求，提高了探管的標(biāo)定效率。

[1] 姜偉,蔣世全,付鑫生，等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)應(yīng)用研究及其進(jìn)展[J].天然氣工業(yè),2013,33(4):75-79. JIANG Wei,JIANG Shi-quan,FU Xin-sheng,et al.Application of rotary steering drilling technology and its research progress[J].Natural Gas Industry,2013,33(4):75-79.

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責(zé)任編輯：張新寶

2014-10-16

國家科技重大專項(xiàng)“大型油田及煤層氣開發(fā)”(編號：2011ZX05021-005)；中石油集團(tuán)公司重大專項(xiàng)“鉆井新裝備新工具研制”之“隨鉆測量與傳輸裝備研制”(編號：2014B-4313)

周靜(1964-)，女，教授，主要從事旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)的研究。E-mail：jzhou@xsyu.edu.cn

1673-064X(2015)02-0103-04

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