??? 摘? 要： 選用國產(chǎn)傳感器并進(jìn)行補(bǔ)償算法和信號處理" title="信號處理">信號處理算法研究，設(shè)計了高精度的隨鉆測斜系統(tǒng)。介紹了隨鉆測斜儀" title="隨鉆測斜儀">隨鉆測斜儀的主要測量原理、測量參數(shù)，詳細(xì)說明了本系統(tǒng)的設(shè)計原理圖、測量方法、硬件電路、軟件設(shè)計。
??? 關(guān)鍵詞： 隨鉆測斜儀? 實(shí)時測量? 信號處理
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??? 在油田鉆井過程中，因受油層上方的公路、建筑物、湖泊及山脈等影響，不能采用垂直鉆井的方法，因此采用定向鉆井技術(shù)是油田鉆井的關(guān)鍵。定向井的精確測量和準(zhǔn)確定位是定向鉆井成功與否的重要因素之一，而隨鉆測斜是大斜度井、水平井和小眼井及側(cè)鉆多分支井油藏評價的重要手段，是定向井的關(guān)鍵技術(shù)[1]。
??? 目前國內(nèi)各油田使用的高精度隨鉆測斜系統(tǒng)大多是從國外引進(jìn)的，價格昂貴，生產(chǎn)周期長，維修不便。國內(nèi)也有幾個公司推出了隨鉆測斜儀，但是傳感器是選用的國外產(chǎn)品，價格昂貴。為此本系統(tǒng)選用國產(chǎn)傳感器進(jìn)行補(bǔ)償算法和信號處理算法研究，提出軟硬件實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計高精度的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的隨鉆測斜系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的性價比。
1 測量原理及參數(shù)
??? 隨鉆測斜儀可在不中斷鉆井過程的條件下準(zhǔn)確、可靠、實(shí)時地測量各種鉆井參數(shù)（井斜、方位等），使定向人員便于控制井眼軌跡。這樣鉆出的井眼軌跡圓滑，井身質(zhì)量好，減少了因井身質(zhì)量差而造成的鉆井事故[2]。
??? 定向鉆井過程中，為了能有效控制井眼軌跡，必須對井斜、方位、工具面等參數(shù)有精確的測量。在無磁環(huán)境中，這些參數(shù)通常由隨鉆測斜儀完成測量。隨鉆測斜儀輸出數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)化為鉆井工程技術(shù)人員需要的角度參數(shù)必須經(jīng)過坐標(biāo)變換，變換后的參數(shù)形式才為井斜、方位、重力工具面角和磁性工具面角[3]。具體定義如下：
??? (1)井斜角β，井眼中心線與垂線之間的夾角，如圖1所示，垂直方向井斜角是0°，水平方向井斜角是90°。井斜角的 范圍是0°～180°。
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??? (2)方位角" title="方位角">方位角α，地球磁北方向和井眼水平投影方向的夾角,如圖1所示。磁北方向和真北方向不同，并且各地區(qū)的磁偏角也不相同。方位角在0°～360°" title="360°">360°之間變化。當(dāng)井斜是0°時，方位角也就無法確定。
??? (3)重力工具面角，也叫高邊" title="高邊">高邊工具面角（GTF），是俯視井眼方向儀器斜口朝向相對于井眼高邊順時針方向旋轉(zhuǎn)的角度，如圖2所示。高邊工具面角在0°～360°之間變化，當(dāng)井斜為0°時，高邊工具面角不確定。
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??? (4)磁性工具面角，如圖3所示，是俯視井眼方向儀器斜口朝向與磁北方向之間的夾角。磁性工具面角（MTF）在0°～360°之間變化。當(dāng)井眼軸線方向恰好在地球的極點(diǎn)，磁性工具面角也就無法測出。
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2 系統(tǒng)原理及主要技術(shù)指標(biāo)
??? 本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心進(jìn)行開發(fā)，從硬件和軟件兩個方面入手進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有測斜系統(tǒng)及技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，研究高精度隨鉆測斜系統(tǒng)。本系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。
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??? 本系統(tǒng)所研制的高精度隨鉆測斜系統(tǒng)和國外同類產(chǎn)品相比，具有精度高、價格低的優(yōu)勢。主要技術(shù)指標(biāo)如下：
??? 井斜角的最大誤差：±0.1°；????
??? 方位角的最大誤差：±1°。
3 硬件設(shè)計
??? 井下探管部分采用高性能單片機(jī)AT89C51ED2，增強(qiáng)了系統(tǒng)的控制作用，減化了外圍電路的元器件設(shè)計，電路可靠性能提高，從而使整個系統(tǒng)的可靠性大大提高。本設(shè)計采用美國模擬器件公司生產(chǎn)的200ks/s、四通道、16位串行通訊數(shù)據(jù)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換器——AD974。其具有高通過率、低功耗、高精度等特性，該器件集成外圍器件，采用串行通訊方式，極大簡化數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計。由于各部分均為模塊化設(shè)計，其系統(tǒng)便于維修。系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)通過UART串口將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)或地面隨鉆測斜設(shè)備并可存儲到系統(tǒng)Flash中。因?yàn)榭梢詫?shù)據(jù)交給上位機(jī)設(shè)備進(jìn)行處理，所以降低了采集系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，增加了系統(tǒng)處理的靈活性。
??? 本系統(tǒng)將設(shè)計分成幾個不同的層次，按照自上而下的順序，在不同的層次上對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。以軟硬件協(xié)同設(shè)計思想，采用結(jié)構(gòu)化的軟硬件設(shè)計方法，整個測量系統(tǒng)由A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)存儲和讀取模塊、邏輯控制模塊、單片機(jī)控制模塊、計算機(jī)接口模塊等組成。整個系統(tǒng)的程序在線更新下載功能由下載模塊完成，靈活更新系統(tǒng)軟件以便符合實(shí)際工程的需要。本系統(tǒng)所設(shè)計的單片機(jī)處理部分主體硬件電路圖如圖5所示。
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4 軟件設(shè)計
??? 為了提高編制單片機(jī)應(yīng)用程序的效率，改善程序的可讀性和可移植性，本系統(tǒng)采用單片機(jī)高級語言C51編程[4]。本系統(tǒng)利用AT89C51ED2提供的在線編程功能直接通過微機(jī)系統(tǒng)上的I/O口對系統(tǒng)進(jìn)行編程，寫入最終用戶代碼，而不需要從電路板上取下器件，已經(jīng)編程的器件也可以用ISP方式擦除或再編程。單片機(jī)可以通過計算機(jī)實(shí)時修改數(shù)據(jù)，對某些功能可以實(shí)時調(diào)整，這種方法給工業(yè)儀器儀表中傳感器修正系數(shù)的更換或監(jiān)控軟件的升級帶來了很大方便。系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示。
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5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
??? 在傳感器信號進(jìn)行單片機(jī)補(bǔ)償濾波之前，會存在傳感器自身的誤差及一定的安裝誤差，這個誤差可能會很大程度上影響測量參數(shù)的結(jié)果。在所有的測量參數(shù)中，最重要的測量參數(shù)是井斜和方位，利用標(biāo)準(zhǔn)測量架進(jìn)行檢測，測得的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。
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??? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，利用本文所采用的補(bǔ)償算法及所設(shè)計的濾波器進(jìn)行補(bǔ)償后，效果比較理想，誤差較小，測量精度滿足現(xiàn)場實(shí)際的測量要求，達(dá)到了本文提出的精度指標(biāo):
??? 井斜誤差ΔINC≤±0.1°；
??? 方位誤差ΔAz≤±1.0°。
??? 本系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的科研課題，開展了大量的理論研究，設(shè)計了高精度隨鉆測斜儀，使用目前精度較高的非民用磁通門與加速度計傳感器組合來實(shí)現(xiàn)實(shí)時測量，采用性能較高的單片機(jī)作數(shù)據(jù)處理，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償修正來消除多種誤差的影響，實(shí)現(xiàn)了隨鉆測斜儀中傳感器的國產(chǎn)化，具有生產(chǎn)時間短、體積小、重量輕、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1] BALLANTYNE R, RUSZKA J. Rapid advance in drilling?technology enable complex well designs[J]. The American?Oil & Gas Reporter, 2003: 96～105.
[2] ALLEN F, TOOMS P, CONRAN G. Extend-reach drilling:breaking the 10-km barrier[J]. Oilfield Review, 1997,9
?(4):32-47.
[3] 劉匡曉. 隨鉆測斜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析及應(yīng)用[J].石油儀器，1996，10（2）：37-39.
[4] 徐愛鈞，彭秀華. 單片機(jī)高級語言C51應(yīng)用程序設(shè)計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1998:15-43.