导向轴姿态测量方法研究

刘 转，刘兆昆，杨婧翌

（西安石油大学 陕西 西安 710000）

1 引言

近年来，随着人们对石油的开采，石油资源越来越匮乏，开采难度也逐渐加大，对非常规油田的开采逐渐成为人们关注的焦点，进而对井下钻井工具的要求也越来越大。根据近几年的发展趋势，指向式旋转导向钻井工具由于其井眼轨迹平滑，狗腿度小等优点，已成为未来发展的趋势，国外已经形成了其具有商业化的指向式旋转导向钻井工具，而我国在旋转导向钻井技术领域起步晚，在旋转导向钻井方面虽然有所突破，但与国外相比仍具有很大的差距，距离开发自己的旋转导向钻井工具仍有很长的一段路要走[6]，在指向式旋转导向钻井技术研究中，对导向轴姿态参数的精确、实时测量是导向工具实现导向钻进的前提条件，所以拟采用高精度、高可靠性、体积小、适应井下复杂环境的三轴重力加速度计CS-3LAS对井下参数进行测量[3]。

2 指向式旋转导向系统测量原理

采用三轴加速度计对导向轴姿态进行测量[1]，其测量原理如图1所示。

图1 测量原理图

钻井工具导向轴用Z、Z1表示，在其没有倾斜时的坐标系用OXYZ来表示，发生倾斜时用OX1Y1Z1来代表，面是水平面；在当前坐标系OX1Y1Z1下，三轴加速度计在三个轴的分量信号分别用Vx，Vy，Vz来表示；重力方向与导向轴轴心线的夹角即井斜角，用θ1表示；重力高边用OM表示，即边MZ1（沿重力方向）在OX1Y1平面上的投影；重力高边与Y1正方向的夹角即方位角，用表示，各物理量之间的关系由式（2-1）、（2-2）和（2-3）所示。

其中Vg为Vx、Vy、Vz的矢量和。由式（2-1）、（2-2）和（2-3）可得出井斜角和方位角的解算公式为式（2-4）和（2-5）。

3 系统整体方案的设计

该导向轴姿态测量系统主要由三轴重力加速度计，信号调理模块、MCU模块和无线发送接收模块组成[2]，其结构如图2所示。

图2 系统整体方案结构图

图3 程序流程图

导向轴姿态测量流程图如图3所示，三轴重力加速度计输出信号经过信号调理电路之后送到MCU，然后经过AD采样，MCU对采样信号进行解算经由无线发送到无线接收部分，接收部分将解算得到的井斜角和工具面角通过LED模块进行显示[2]。

4 测试

将三轴重力加速度计和导向轴测量系统安装到HX68回转式测斜仪校验台，利用加速度计CS-3LAS传感器以及导向轴姿态采集系统对加速度计输出信号进行测量，并通过姿态结算公式得出井斜角和方位角。在导向轴姿态测量系统静态测试中给定井斜角，不断改变方位角，通过CS-3LAS加速度计测量得到的信号经过解算公式解算得到的数据如表1至表2所示，其中θ1为给定井斜角、为给定方位角、为解算得到的井斜角、为解算得到的方位角。

为了验证导向轴姿态采集系统的可行性，做了两组实验。

第一组：给定井斜角84°时，每隔30°改变方位角的测量数据如表1。

表1 84°井斜角下测量数据（单位：°）

其中井斜角最大误差为0.88°，方位角最大误差为3.81°。

第二组：给定井斜角90°时，每隔30°改变方位角的测量数据如表2。

表2 90°井斜角下测量数据（单位：°）

其中井斜角最大误差为1.28°，方位角最大误差为2.79°。

测试表明：

井斜角的最大误差为1.28°，由于井斜角的测量范围为0°～90°，据精度等级计算公式可得其精度等级为1.5。

方位角的最大误差为3.81°，由于方位角的测量范围为0°～360°，根据精度等级计算公式可得其精度等级为1.5。

5 结语

指向式旋转钻井系统相比推靠式具有极大的优越性，对指向式旋转钻井工具姿态测量方法的研究是实现导向控制的前提条件，也为我国在指向式旋转导向钻井系统方面的研究提供了极大的借鉴意义，本文设计的导向轴姿态测量系统，井斜角和方位角的精度等级在合理范围内，满足地面模拟实验的测量精度要求，验证了整个导向轴姿态测量系统的可行性。但仍需在此基础上做大量的研究达到更准确、更适合井下环境的测量方法。

[1]王彤.指向式导向钻井工具控制轴的姿态测量方法研究[D].西安石油大学，2017.

[2]李晨琳，卢昕，赵丽珍，曹思诺，刘转.基于MEMS加速度计的导向钻井工具姿态测量方法[J].电脑知识与技术，2017，13(12)：218-219.

[3]张绍槐.现代导向钻井技术的新进展及发展方向[J].石油学报，2003，(03)：82-85+89.