丁旭東

（中海油田服務股份有限公司，北京 101149）

隨著油田開發(fā)進入中后期，定向驅油、薄散油層/ 剩余油開采等老井挖潛和淺層油砂/稠油井等超低滲油田開發(fā)逐漸得到重視。不同于常規(guī)定向井及中長半徑水平井需要較大靶前位移，超短半徑水平井鉆井技術憑借在較短的曲率半徑內完成側鉆形成水平井眼的技術優(yōu)勢，在該領域逐漸得到應用[1-3]。

在超短半徑水平井鉆井技術分類方面，它主要有高壓水射流鉆井和柔性鉆桿鉆井兩種實現途徑[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，柔性鉆桿技術在井眼軌跡控制、井眼延伸長度等方面優(yōu)勢明顯，對提高采收率成效顯著。

因為超短半徑水平井造斜段井眼曲率大，傳統(tǒng)的隨鉆測量儀器無法通過，所以實際工程應用中往往采用鉆后補測的方式獲取井眼軌跡或者對于復雜井眼放棄井眼軌跡測量。針對這一現狀，本文設計了一種適用于超短半徑鉆井的近鉆頭測斜儀。通過小型化和高可靠性設計，該測斜儀可實現超短半徑鉆井井斜隨鉆測量。既能保證測量的實時性，又節(jié)省了鉆后補測作業(yè)的時間成本和費用成本。

1 近鉆頭測斜儀樣機研制

1.1 系統(tǒng)原理與整體方案

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

設計的測斜儀主要由骨架、連接器、微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）加速度計、信號調理及采樣電路、Flash存儲器、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。

通過加速度計測量地球重力場在測斜儀3個坐標軸上的分量Gx、Gy、Gz，可計算井斜角INC和工具面 角TF[8]，其中X軸沿儀器軸向。

通過正交標定、溫度標定、向心加速度消除算法以及低通濾波，可以提高測量精度。

1.2 電路設計

加速度計選用電容式加速度計MA020，量程為20g，提供差分電壓輸出，基本電路如圖2所示。由于測量輸出電壓中包含200 kHz的交流噪聲，在輸出電路中必須進行濾波處理。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。

信號調理電路的功能是實現重力加速度信號、傳感器溫度的濾波及電平轉換功能。重力加速度計信號為電壓信號，對其進行緩沖實現低輸出阻抗匹配，之后進入二階有源低通濾波器濾除噪聲和振動干擾信號，最后進行信號平移以適應模數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）的采樣范圍。信號調理電路設計中，通過選取高精度低漂移的器件保證了在全溫范圍內的電壓精度。加速度傳感器溫度信號為電壓信號，對其進行一階低通濾波，濾除噪聲和干擾信號，防止采樣溫度跳變，最大限度地保證溫度補償效果，實現定向傳感器的高精度測量。

AD采集電路由24位ADC電路和2.5 V低噪聲高精度基準電路組成，如圖3和圖4所示。ADC電路通過SPI總線將采樣信息傳送給微控制器。在+2.5 V的電壓基準下，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內核的ARM處理器，內部包含128 kB的SRAM數據存儲器、1 MB FLASH程序存儲器、內核時鐘80 MHz。該部分電路可以對ADC信號進行實時處理，并對采樣的加速度信號進行多階數字濾波，進一步濾除信號干擾。同時，可結合采集到的溫度信號對加速度信號進行溫度補償，滿足全溫范圍內的精度指標。

存儲模塊將井斜角、總重力、三軸加速度計分量、溫度等數據按時間順序進行存儲。每組數據長度為176 bits，選用16 MB容量的NORFLASH可存儲 90909組數據。按照5 s的存儲間隔，存儲時長為126 h。

通信電路采用485通信協議完成測斜儀與上位機間的通信，實現存儲數據傳輸及指令控制，接口芯片支持的最高通信速率10 Mb·s-1。

根據測斜儀功耗和工作模式，設計了可靠的電源管理模塊，如圖5所示。通過設計估算測斜儀總功耗電流為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，理論工作時間為110 h左右。由于鋰電池在整個放電周期中，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，設計通過一個低功耗的LDO芯片進行降壓。為了確保測斜儀地面調試模式與井下測量模式的供電連續(xù)性，通過兩個二極管選擇電源?？紤]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 結構設計

測斜儀金屬外殼分為內部結構件和外部結構件兩個有效部分。外部結構件為承壓殼、堵頭及O型密封圈。內部結構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，保證電源的聯通及 絕緣。

承壓殼結構尺寸如圖6所示，其主尺寸外徑為21 mm，全長為152 mm。該承壓殼采用的TC4鈦合金材料具備強度高、密度適中等良好的綜合力學性能，且其熱導率為鐵的1/5，能更好地減慢外部熱量向結構件內部傳導。

設計過程中，對整體結構的固有頻率進行仿真分析，證明其力學性能設計合理，頻率響應如圖7所示。

2 近鉆頭測斜儀樣機測試與分析

本文在研制過程中共生產了2支存儲式近鉆頭測斜儀樣機，在組裝后進行了靜態(tài)全溫標定和動態(tài)全溫標定，并且開展了48 h的150 ℃高溫測試、10次溫度循環(huán)試驗（-20～+150 ℃）以及旋轉、振動條件下的性能測試。其中，振動測試使用高精度振動標定臺開展隨機振動測試，振動有效值最高達到15g。

測試結果表明：

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

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

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

一般而言，石油鉆井作業(yè)時，鉆具承受的振動能量以6g以下振動為主。本文開展的6g～15g振動測試能覆蓋絕大部分井下振動工況。結合超短半徑主要用途，實際應用中其水平軌跡基本在100 m左右，而本設計實現的井斜角測量精度滿足其作業(yè)使用需求。

3 結語

基于超短半徑鉆井需求，以小型化、高可靠性為指導，從電路、結構和嵌入式程序等方面入手，設計開發(fā)了一種存儲式近鉆頭測斜儀并對樣機開展了性能測試。通過樣機測試驗證表明，該測斜儀功能和性能滿足井下作業(yè)要求。