一种定向导航系统设计

张晓鹏

（大庆钻探工程公司钻井一公司，黑龙江 大庆 163000）

1 国内外定向导航系统的发展现状

随着芯片技术的发展，钻井仪器研发这一包含多学科多领域科技的集合型技术也迎来爆发式发展。井下钻井仪器从20 世纪90 年代逐步开始形成规模和体系，一直到现在发展成为一套平台，多个参数测量短节互相可迭代可组合的综合型测井系统。我们国家与世界最先进的技术仍有差距，从20 世纪90 年代初开始，国外最先进的钻井仪器公司已经开始研究旋转导向测井系统，我国国产的测井仪器研发起步晚于国外十年左右。目前国际上已有数个大型公司垄断了旋转导向测井系统的相关技术以及服务市场，我们想要弯道超车后来居上，就需要投入更多的基础性研究。

2 定向导航系统的整体设计

本文设计了一种在实时钻进过程中，通过泥浆脉冲将井下测量的信号传导到地面，并对信号进行解码监测等功能的系统。井下测量仪器，主要测量钻井过程中的姿态数据，也就是倾斜角、方位角及工具面等参数，它是一套以单片机为核心组成的测量、运算存储及上传系统。地面解码系统主要负责将脉冲信号进行解码，并将其转换为图形图像，同时提供给地面操作人员。其整体组成结构图如图1所示。

探测器为井下探测系统，它包含了三个加速度计、单个磁通门及温度传感器等传感器测量单元。利用单片机及数字电路，将各个传感器采集到的模拟信号进行模数转换，然后通过电缆或是无线传输等方式上传到地面系统[2]。

地面计算机通过串行及并行接口，从接口装置中获得井下仪器的姿态数据，经过计算整合后，形成操作人员直视的图形界面。

3 井下探测器的整体设计方案

目前钻井工艺都在追求高效提速，这就要求了测井仪器需要在钻进的同时，能够测量出所需要的各种参数，也就是所谓的随钻测量系统。而随着仪器钻进的过程中，仪器的姿态会不断发生变化，这就要求测量系统能够及时准确地将测井数据返回给地面工控机。三轴正交加速度计仪器通过测量相互正交的三个方向的加速度，可以得到仪器的井斜数据。三个相互正交的磁通门传感器可以测得仪器的方位数据。

为了满足井下工况需求，在挑选及筛选加速度计、磁通门以及电子元件时，需要对其工作参数进行了解。井下仪器测量精度及工况环境参数整理如表1所示。

表1 井下仪器测量参数及工况环境参数

通过工况环境参数可以看到，井下工作环境高温高压，所以需要选择加速度计传感器而不是陀螺测斜仪。因为加速度计传感器的工作稳定性更高，同时功耗更小，体积也比陀螺测斜仪要小得多。加速度计传感器的封装结构也使其相较于陀螺测斜仪可靠性更高。

三个加速度计传感器互相正交安装，得到三组加速度计信号；三个磁通门传感器也是经过互相正交安装，得到三组磁通门信号。这六组模拟信号经过模数转换模块，转化成为数字信号，通过单片机进行控制和运算，上传到地面的工控机之中，地面工作人员可以通过上传后并解码的数据，实时地看到井下仪器的工作姿态。其工作流程图如图2所示。

4 井下探测器测量短节设计

加速度计等传感器的安装精准度直接影响了测量的准确性，为了提高测量准确性，同时也为了提高精准度，本文设计了一种通用的测斜仪传感器及电路板的安装方式，如图3所示。

三个加速度计传感器及三个磁通门传感器都互相正交安装，传感器部分通过线束与电子电路部分相连。单片机将传感器传来的模拟信号转换为数字信号后，上传给地面的上位机。独立的电池可以保证整套系统在无外部供电的情况下也能测量及存储数据[3]。

5 结论及展望

未来的钻井趋势是水平井及定向井为主，所以将来的钻井仪器发展趋势也一定是旋转导向仪器以及LWD测井仪器。随着电子技术的发展，元件及传感器一定向着小型化、高集中度化以及更高的可靠性方向发展。本文提出了一种通用的定向导航系统设计方案，充分利用了当下最先进的传感器技术及单片机技术，相较于未使用这些技术的测斜仪，在测量精度、可靠耐用、重量及体积上都有巨大的优势。