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(cè)量?jī)x器是開(kāi)展隨鉆測(cè)井的重要工具，而定向測(cè)量?jī)x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(cè)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(shí)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(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨鉆測(cè)井技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)得到了迅速發(fā)展，近年來(lái)，其測(cè)量參數(shù)不斷增多，儀器的測(cè)量深度也在不斷地增加，應(yīng)用范圍也不斷地?cái)U(kuò)大。其中，隨鉆定向測(cè)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(gè)井場(chǎng)鉆多口水平井等各類井的測(cè)量中起到了巨大的作用，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。目前，國(guó)內(nèi)隨鉆定向測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比還有一定的差距，使用的一些隨鉆測(cè)量?jī)x器也大多依賴于進(jìn)口。

2 隨鉆定向測(cè)量?jī)x器的研究

隨鉆定向測(cè)量?jī)x器的使用主要就是針對(duì)定向井、水平井而使用的一種測(cè)量?jī)x器，其在使用過(guò)程中主要就是要測(cè)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(duì)定向測(cè)量?jī)x的相關(guān)研究。

2.1 定向測(cè)量?jī)x的工作原理及結(jié)構(gòu)。

重力場(chǎng)和地磁場(chǎng)是定向測(cè)量?jī)x工作過(guò)程中的基準(zhǔn)定義方向參數(shù)，而重力場(chǎng)和地磁場(chǎng)也能夠作為矢量并確定空間唯一姿態(tài)。其中，重力場(chǎng)由重力加速度計(jì)產(chǎn)生，地磁場(chǎng)參數(shù)是磁通門(mén)續(xù)測(cè)量井下儀器所處狀態(tài)下產(chǎn)生的，定向測(cè)量?jī)x在工作過(guò)程中需要依據(jù)重力場(chǎng)和地磁場(chǎng)參數(shù)以及溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)的測(cè)井下工作儀器溫度，避免其在工作過(guò)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(cè)量?jī)x可以準(zhǔn)確地計(jì)算出井身的傾斜角和方位角，并將計(jì)算得出的數(shù)據(jù)傳回地面儀器，而地面儀器也會(huì)相應(yīng)地記錄定向測(cè)量?jī)x工作過(guò)程中測(cè)量出的被測(cè)井井深對(duì)應(yīng)的井斜、方位、工具面、井溫等工程參數(shù)。當(dāng)前我國(guó)鉆探事業(yè)中常用的定向測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)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(jì)、磁通門(mén)、溫度傳感器組成，加速度計(jì)的主要作用就是實(shí)現(xiàn)加速度信號(hào)得到獲取，其主要是通過(guò)擺片擺動(dòng)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(mén)是一種三端式磁通門(mén)傳感器，靈敏度較高，可以有效地測(cè)量微弱磁場(chǎng)，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(cè)量?jī)x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(hào)的信號(hào)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(dòng)模塊。以上幾個(gè)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(gè)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(shí)，其內(nèi)放置的RC濾波網(wǎng)絡(luò)還能夠有效地濾除信號(hào)中的干擾，電壓處也都有熔絲電阻的保護(hù)，為整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作提供了保障?；诖耍娫茨K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(guò)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(guò)濾波和穩(wěn)壓電路后會(huì)變成穩(wěn)定的30V 直流電，再經(jīng)過(guò)變壓電路轉(zhuǎn)變成所需的電壓，并將其供給信號(hào)處理模塊、主控模塊和振動(dòng)模塊，以保證整個(gè)工作系統(tǒng)的穩(wěn)定。

（2）信號(hào)處理模塊。信號(hào)處理模塊顧名思義就是發(fā)揮處理信號(hào)的功能，主要就是對(duì)來(lái)自傳感器的信號(hào)進(jìn)行處理，傳感器由A/D 轉(zhuǎn)換電路、模擬開(kāi)關(guān)電路、整形電路、濾波電路、放大電路等組成，信號(hào)進(jìn)入其中會(huì)經(jīng)過(guò)濾波整形放大并進(jìn)入多路開(kāi)關(guān)，而進(jìn)入主控控制開(kāi)關(guān)后信號(hào)又會(huì)再次被放大，并輸入A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)，其內(nèi)模擬信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并最終進(jìn)入主控，以便進(jìn)行計(jì)算分析。而信號(hào)處理模塊在工作過(guò)程中產(chǎn)生的磁信號(hào)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較微弱，必須通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)以及其外部的放大電路轉(zhuǎn)變?yōu)樽R(shí)別性較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)才能夠進(jìn)入多路開(kāi)關(guān)，并最終完成工作過(guò)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(shí)鐘、運(yùn)算、控制以及存儲(chǔ)等模塊，主要是作為定向測(cè)量?jī)x的控制端，可以在實(shí)際工作中完成記時(shí)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(cè)得模擬信號(hào)，然后模擬信號(hào)再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理模塊，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)并傳送到主控模塊中，主控模塊接受這些信號(hào)就會(huì)不斷地利用其中的內(nèi)部構(gòu)件對(duì)井斜、方位、工具面等信息進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中還需要經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償、常量和浮點(diǎn)數(shù)矯正等方式，并最終計(jì)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(huì)直接關(guān)系到儀器在井下的時(shí)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(shí)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€(gè)系統(tǒng)的工作提供堅(jiān)實(shí)的保障。

（4）振動(dòng)模塊。振動(dòng)模塊在實(shí)際工作中主要就是利用加速度計(jì)來(lái)測(cè)量隨鉆測(cè)量?jī)x鉆鋌所受到的加速度超過(guò)一定值的振動(dòng)次數(shù)，并以振動(dòng)次數(shù)為主要依據(jù)判斷儀器的工作狀況。在振動(dòng)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(dòng)模塊會(huì)定時(shí)將累計(jì)振動(dòng)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(jì)劃，提高儀器的使用壽命。

3 隨鉆定向測(cè)量?jī)x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(cè)試定向測(cè)量?jī)x經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用后是否會(huì)出現(xiàn)老化問(wèn)題，室內(nèi)試驗(yàn)中，將定向測(cè)量?jī)x進(jìn)行了120h 的長(zhǎng)時(shí)間通電試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，該儀器的系統(tǒng)運(yùn)行正常，測(cè)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(cè)量?jī)x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(duì)，主要就是比對(duì)兩種情況下所測(cè)量的數(shù)據(jù)是否存在差異，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，其經(jīng)過(guò)高溫后仍舊符合標(biāo)準(zhǔn)。

（3）振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)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(guò)程中使用自行研制的變頻振動(dòng)測(cè)試裝置在0.1～30g 振動(dòng)下進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量工作，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能滿足井下的工況要求。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)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(jiàn)，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(guò)程中較為穩(wěn)定，而且使用過(guò)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(yǔ)

綜上所述，定向測(cè)量?jī)x的使用是當(dāng)前鉆探事業(yè)發(fā)展過(guò)程中的重要?jiǎng)恿Γ闹嗅槍?duì)定向測(cè)量?jī)x的研究發(fā)現(xiàn)其在使用過(guò)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(shí)，相關(guān)專家還應(yīng)該積極借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，不斷地對(duì)當(dāng)前的定向測(cè)量?jī)x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(guó)鉆探事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。