一种存储式近钻头测斜仪的设计与研究

丁旭东

（中海油田服务股份有限公司，北京 101149）

随着油田开发进入中后期，定向驱油、薄散油层/ 剩余油开采等老井挖潜和浅层油砂/稠油井等超低渗油田开发逐渐得到重视。不同于常规定向井及中长半径水平井需要较大靶前位移，超短半径水平井钻井技术凭借在较短的曲率半径内完成侧钻形成水平井眼的技术优势，在该领域逐渐得到应用[1-3]。

在超短半径水平井钻井技术分类方面，它主要有高压水射流钻井和柔性钻杆钻井两种实现途径[4-5]。由于高压水射流钻井不利于井眼轨迹控制且井眼偏小、井壁易垮塌，目前已逐步弃用。相较于高压水射流钻井而言，柔性钻杆技术在井眼轨迹控制、井眼延伸长度等方面优势明显，对提高采收率成效显著。

因为超短半径水平井造斜段井眼曲率大，传统的随钻测量仪器无法通过，所以实际工程应用中往往采用钻后补测的方式获取井眼轨迹或者对于复杂井眼放弃井眼轨迹测量。针对这一现状，本文设计了一种适用于超短半径钻井的近钻头测斜仪。通过小型化和高可靠性设计，该测斜仪可实现超短半径钻井井斜随钻测量。既能保证测量的实时性，又节省了钻后补测作业的时间成本和费用成本。

1 近钻头测斜仪样机研制

1.1 系统原理与整体方案

随钻测斜仪中，一般选用加速度传感器和磁通门作为定向传感器组成测量系统[6-7]。由于超短半径钻井钻具尺寸限制严格，设计必须将小型化设计和振动工作稳定性放在同等重要的位置。

设计的测斜仪主要由骨架、连接器、微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）加速度计、信号调理及采样电路、Flash存储器、微控制器以及电源管理模块组成。整体电气原理，如图1所示。

通过加速度计测量地球重力场在测斜仪3个坐标轴上的分量Gx、Gy、Gz，可计算井斜角INC和工具面 角TF[8]，其中X轴沿仪器轴向。

通过正交标定、温度标定、向心加速度消除算法以及低通滤波，可以提高测量精度。

1.2 电路设计

加速度计选用电容式加速度计MA020，量程为20g，提供差分电压输出，基本电路如图2所示。由于测量输出电压中包含200 kHz的交流噪声，在输出电路中必须进行滤波处理。本电路采用RC滤波器，电阻值为10 kΩ，电容值为0.01 μF，截止频率为1600 Hz。

信号调理电路的功能是实现重力加速度信号、传感器温度的滤波及电平转换功能。重力加速度计信号为电压信号，对其进行缓冲实现低输出阻抗匹配，之后进入二阶有源低通滤波器滤除噪声和振动干扰信号，最后进行信号平移以适应模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）的采样范围。信号调理电路设计中，通过选取高精度低漂移的器件保证了在全温范围内的电压精度。加速度传感器温度信号为电压信号，对其进行一阶低通滤波，滤除噪声和干扰信号，防止采样温度跳变，最大限度地保证温度补偿效果，实现定向传感器的高精度测量。

AD采集电路由24位ADC电路和2.5 V低噪声高精度基准电路组成，如图3和图4所示。ADC电路通过SPI总线将采样信息传送给微控制器。在+2.5 V的电压基准下，24位ADC最小分辨电压可以到0.2 μV， 完全满足精度要求。

微控制器选用超低功耗32位Contex-M内核的ARM处理器，内部包含128 kB的SRAM数据存储器、1 MB FLASH程序存储器、内核时钟80 MHz。该部分电路可以对ADC信号进行实时处理，并对采样的加速度信号进行多阶数字滤波，进一步滤除信号干扰。同时，可结合采集到的温度信号对加速度信号进行温度补偿，满足全温范围内的精度指标。

存储模块将井斜角、总重力、三轴加速度计分量、温度等数据按时间顺序进行存储。每组数据长度为176 bits，选用16 MB容量的NORFLASH可存储 90909组数据。按照5 s的存储间隔，存储时长为126 h。

通信电路采用485通信协议完成测斜仪与上位机间的通信，实现存储数据传输及指令控制，接口芯片支持的最高通信速率10 Mb·s-1。

根据测斜仪功耗和工作模式，设计了可靠的电源管理模块，如图5所示。通过设计估算测斜仪总功耗电流为14 mA左右，选用额定容量为1.6 Ah、额定电流为20 mA的高温锂电池，理论工作时间为110 h左右。由于锂电池在整个放电周期中，输出电压从+3.9 V 降到+3.3 V左右，电压变化比较大，而传感器中大部分电路工作在+3.0 V，设计通过一个低功耗的LDO芯片进行降压。为了确保测斜仪地面调试模式与井下测量模式的供电连续性，通过两个二极管选择电源。考虑到低功耗需求，选用压降仅为20 mV的电源供电专用二极管，以降低额外的功率损耗。

1.3 结构设计

测斜仪金属外壳分为内部结构件和外部结构件两个有效部分。外部结构件为承压壳、堵头及O型密封圈。内部结构件主要包含电源限位螺钉、电源触头、波簧、绝缘环和绝缘片等，保证电源的联通及 绝缘。

承压壳结构尺寸如图6所示，其主尺寸外径为21 mm，全长为152 mm。该承压壳采用的TC4钛合金材料具备强度高、密度适中等良好的综合力学性能，且其热导率为铁的1/5，能更好地减慢外部热量向结构件内部传导。

设计过程中，对整体结构的固有频率进行仿真分析，证明其力学性能设计合理，频率响应如图7所示。

2 近钻头测斜仪样机测试与分析

本文在研制过程中共生产了2支存储式近钻头测斜仪样机，在组装后进行了静态全温标定和动态全温标定，并且开展了48 h的150 ℃高温测试、10次温度循环试验（-20～+150 ℃）以及旋转、振动条件下的性能测试。其中，振动测试使用高精度振动标定台开展随机振动测试，振动有效值最高达到15g。

测试结果表明：

（1）在150 ℃条件下，井斜角静态测量误差不大于0.06°，工具面角静态误差不大于0.04°；

（2）在转速不大于200 r·min-1范围内，井斜角测量误差不大于0.06°；

（3）在有效值不大于6g的随机振动条件下，井斜角测量误差不大于0.185°；有效值不大于15g的随机振动条件下，井斜角测量误差不大于0.495°。

一般而言，石油钻井作业时，钻具承受的振动能量以6g以下振动为主。本文开展的6g～15g振动测试能覆盖绝大部分井下振动工况。结合超短半径主要用途，实际应用中其水平轨迹基本在100 m左右，而本设计实现的井斜角测量精度满足其作业使用需求。

3 结语

基于超短半径钻井需求，以小型化、高可靠性为指导，从电路、结构和嵌入式程序等方面入手，设计开发了一种存储式近钻头测斜仪并对样机开展了性能测试。通过样机测试验证表明，该测斜仪功能和性能满足井下作业要求。