吉 玲 王澤超 賈建波 張冠祺 李 博

（中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149）

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器中的液控單元是距離鉆頭最近的功能短節(jié)，也是工作振動(dòng)環(huán)境最惡劣的井下工具[1-3]。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向在井下受到嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、縱向振動(dòng)以及橫向振動(dòng)[4-5]，繼而產(chǎn)生黏滑、渦動(dòng)等復(fù)雜形式的振動(dòng)，劇烈的井下振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鉆井設(shè)備加速磨損，降低鉆井安全性和鉆井效率，使得鉆井周期變長。目前，振動(dòng)測量模塊主要安裝在距離鉆頭較遠(yuǎn)的隨鉆測井儀器中，其測量數(shù)據(jù)與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的實(shí)際工況相差甚大[6-7]。長期劇烈的振動(dòng)不僅不利于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的軌跡控制，還會(huì)縮短翼肋、鉆頭等部件的使用壽命，同時(shí)對液控單元中裝配的姿態(tài)測量模塊、液壓控制模塊、電能轉(zhuǎn)換模塊等電路及各傳感器的測量和壽命有很大影響。需要在液控單元中集成振動(dòng)測量模塊，從而實(shí)現(xiàn)對井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具工況的準(zhǔn)確監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集，對充分發(fā)揮旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的導(dǎo)向能力、防止鉆具失效和對下部鉆具組合（Bottom Hole Assembly，BHA）的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究具有指導(dǎo)意義。結(jié)合井下振動(dòng)測量需求，本文設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下振動(dòng)測量模塊和支持三姿態(tài)的標(biāo)定工裝[8]。

1 傳感器與工裝設(shè)計(jì)

陀螺儀選擇一款高性能角速率傳感器。傳感器采用大規(guī)模BiMOS表面微加工工藝制造，具有超強(qiáng)的抗振動(dòng)能力，可在較惡劣的井下環(huán)境穩(wěn)定工作。三軸加速度計(jì)選擇了一款壓電式三軸加速度計(jì)。為了能夠適配于當(dāng)前電路艙的骨架，傳感器殼體設(shè)計(jì)為長54 mm、寬40 mm，通過4個(gè)螺釘與電路骨架連接。

振動(dòng)傳感器通過安裝工裝固定在電振動(dòng)臺(tái)上。本文為使用的傳感器模塊設(shè)計(jì)了專用的振動(dòng)工裝，支持3個(gè)傳感器以不同的姿態(tài)同時(shí)標(biāo)定，既能提高標(biāo)定效率，又能互作數(shù)據(jù)驗(yàn)證。如圖1和圖2所示，工裝底面垂直于地垂線，對準(zhǔn)精度在若干角分之內(nèi)，陀螺輸入基準(zhǔn)軸（Input Reference Axis，IRA）平行于轉(zhuǎn)臺(tái)軸。

圖1 傳感器安裝工裝模型

圖2 傳感器安裝工裝實(shí)物

2 模塊的標(biāo)定

2.1 加速度計(jì)的標(biāo)定

經(jīng)過前期數(shù)據(jù)調(diào)研和實(shí)際工程應(yīng)用數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器在鉆進(jìn)過程中振動(dòng)頻率以140～200 Hz為主，故傳感器標(biāo)定的振動(dòng)頻率選取160 Hz。將傳感器分別按照3種姿態(tài)安裝于振動(dòng)工裝，依次在1g、2g、3g、5g、8g、15g及20g的幅值下以2 kHz的采樣率展開標(biāo)定。擬合得到標(biāo)度因子K。對每段數(shù)據(jù)進(jìn)行隔直處理，計(jì)算本段時(shí)間內(nèi)的單調(diào)速率調(diào)度（Rate Monotonic Scheduling，RMS）值作為軸向與徑向振動(dòng)的閾值。圖3展示了傳感器模塊在X軸的標(biāo)定數(shù)據(jù)，表明該傳感器的線性度較好，性能穩(wěn)定。

圖3 傳感器模塊X軸上的標(biāo)定數(shù)據(jù)

2.2 陀螺儀的標(biāo)定

先測得陀螺儀各溫度下的零偏值，將轉(zhuǎn)臺(tái)置于零位不動(dòng)，從0～100 ℃每隔20 ℃測量一組陀螺儀輸出數(shù)據(jù)。對每個(gè)溫度下測得的陀螺儀輸出求平均，即得到該溫度下的陀螺儀零偏值，并將其與對應(yīng)的實(shí)際溫度與傳感器測量溫度聯(lián)立，見表1。

表1 溫度與零偏關(guān)系

對各個(gè)溫度點(diǎn)下的陀螺儀輸出對實(shí)際轉(zhuǎn)速的標(biāo)度因數(shù)進(jìn)行測量，對實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行擬合，最終得到各個(gè)溫度下輸出關(guān)系曲線，標(biāo)度因數(shù)見表2。

表2 溫度與標(biāo)度因數(shù)關(guān)系

綜上所述，陀螺儀的溫度補(bǔ)償公式為

式中：X為測量轉(zhuǎn)速；T為測量溫度原始數(shù)據(jù)；Y為實(shí)際轉(zhuǎn)速。

3 程序設(shè)計(jì)

振動(dòng)電路具備高頻數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能，且針對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向特殊的井下通信環(huán)境設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)分析和精簡程序。針對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向特殊的泥漿脈沖實(shí)時(shí)遙傳的通信方式，本文將井下鉆具、儀器串的振動(dòng)情況劃分為橫向振動(dòng)（Whirl）、軸向振動(dòng)（Bit Bounce）和黏滑（Stick/Slip）3類，如圖4所示。并對不同的振動(dòng)類型按照振動(dòng)劇烈程度分成不同的等級，其中橫向振動(dòng)和軸向振動(dòng)劃分為8個(gè)等級，對應(yīng)5種不同的劇烈程度，見表3。

表3 振動(dòng)傳感器橫向振動(dòng)或軸向振動(dòng)閾值等級對照表

圖4 井下橫向、軸向振動(dòng)及黏滑示意圖

對于轉(zhuǎn)動(dòng)等級的計(jì)量，引入兩個(gè)Stick-Slip表征量S1和S2。S1反映了最大值與最小值的分離程度，S2反映了10 s內(nèi)反轉(zhuǎn)時(shí)間所占的比例。S1和S2可反映井下工具轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)狀況，值越大，井下工具黏滯、滑動(dòng)、再黏滯以及再滑動(dòng)的往復(fù)性振動(dòng)越強(qiáng)，工況越惡劣?；赟1與S2的各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)等級參考值的設(shè)計(jì)見表4。

表4 轉(zhuǎn)動(dòng)等級與S1、S2值的關(guān)系

程序中設(shè)計(jì)了operation模式和standby模式兩種工作模式。Standby模式主要用于地面調(diào)試，不保存振動(dòng)數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)通信等功能，避免了長期測試占用內(nèi)存空間。井下實(shí)鉆時(shí)需將工具設(shè)置為operation模式，啟動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和井下數(shù)據(jù)處理功能。實(shí)時(shí)鉆進(jìn)過程中，振動(dòng)測量模塊將實(shí)時(shí)記錄并存儲(chǔ)當(dāng)前振動(dòng)環(huán)境的詳細(xì)數(shù)據(jù)，包括時(shí)間戳、振動(dòng)量級、振動(dòng)頻率及振動(dòng)幅值等。為了提高實(shí)鉆過程中數(shù)據(jù)傳遞的效率和鉆井時(shí)效，僅上傳振動(dòng)量級和黏滑系數(shù)給地面工作間，定向井工程師依據(jù)收到的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)判斷井下工具的工況，以便采取合理的措施。operation模式下，當(dāng)振動(dòng)等級或轉(zhuǎn)動(dòng)等級不超過4時(shí)，僅存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)；當(dāng)振動(dòng)等級或轉(zhuǎn)動(dòng)等級中的一個(gè)超過4時(shí)，將在存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上同時(shí)存儲(chǔ)特征數(shù)據(jù)。儀器返回地面可讀取詳細(xì)的原始數(shù)據(jù)和井下振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)等級大于4時(shí)存儲(chǔ)的特征數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)，從而為作業(yè)分析提供完整的振動(dòng)工況還原。

4 結(jié)語

針對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向特殊位置和特殊井下實(shí)時(shí)泥漿數(shù)據(jù)遙傳的通信模式，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)精簡程序和智能化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式。振動(dòng)測量模塊安裝于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器的液控電子艙，更接近鉆頭的位置，能準(zhǔn)確反映旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的關(guān)鍵部件液壓總成和近鉆頭姿態(tài)測量模塊的振動(dòng)工況。振動(dòng)測量模塊的功能驗(yàn)證和標(biāo)定工作表明，振動(dòng)測量模塊結(jié)構(gòu)合理，能夠可靠工作。實(shí)鉆時(shí)用振動(dòng)量級能實(shí)時(shí)反映旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)過程中的振動(dòng)狀況，對提高旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工作的時(shí)效性、可靠性以及井下工況的分析具有重要意義。