水平定向钻进随钻测量装置的研制

水平定向钻进随钻测量装置的研制

1随钻测量技术水平定向钻孔是利用水平方向孔的三维采样路径，在不同土层深度上钻孔，通过监测和控制工具到达设计位置的钻头方法。目前，它在石油开采、地质勘探和管道应用等领域得到了广泛应用。随钻测量技术,是指在钻进的同时实现各种参数连续测量的技术,这些参数主要包括定向轨迹描述(倾斜、方位、工具面)及地层特性测量(电阻率、自然伽马、孔隙度等)。典型的随钻测量系统由地下随钻测量部分和地面接收部分组成,地下部分主要安装在专门的钻铤内,其中的定向和地质信息传感器感知各种井下待测参数,并将测量结果调制在特定的载波上,经功率放大后通过执行机构利用钻杆与地层构成的信息传输通道将数据发送出去。地面部分利用配套的接收传感器接收传来的信号,并负责数据的解调和显示,提供给司钻人员,实现可控定向钻进。2受拉压轴与轴之间的垂直旋转为了实现定向,必须实时获取钻具的方向信息,这些信息的获取是由安装在钻铤内的随钻测量装置来完成。如图1所示,水平定向钻具由一系列钻杆、多节钻铤和斜面钻头等组成,随钻测量装置安装在其中一段钻铤的内部,完成钻具空间姿态的实时测量,并将数据传输到地面。这些方向信息包括方位角、倾斜角和工具面向角。方位角是钻具轴线在水平面的投影与磁北方向之间的夹角,它反映了水平面内钻具运动的方向;倾斜角为钻具轴线与水平面之间的夹角,它反映了钻具前进方向相对水平面的倾斜程度;工具面向角则是在与钻具轴线垂直的平面内,钻具的斜面法线方向与参考方向间的夹角,它反映了钻具下一步钻进的造斜方向。为了给出姿态角度严格的定义,在地理坐标系中(NED北东地坐标系),建立钻具坐标系(XYZ坐标系),如图2所示。图中,H为水平面,V为包含钻进轴线的垂直面,P代表钻具横截面。一般,取X轴和钻具的轴线方向一致,Z轴与造斜钻头的造斜方向一致,Y轴跟二者垂直并构成右手直角坐标系。这样,方位角为X轴在水平面的投影与磁北之间的夹角,图中用ψ表示,倾斜角为X轴与水平面的夹角,图中用θ表示,面向角为Z轴与钻孔垂直面的夹角,图中φ所示。角度的方向都是按照XYZ坐标系右手系的方向为正。要实现方位角、倾斜角和工具面向角这些姿态的测量,一般采用沿钻具三个基本轴安装的互相垂直的加速度计和磁强计来实现,各加速度计测量的是重力场的分量,各磁强计测量的是地磁场的分量,通过相对重力场和地磁场的方向来解算出这些姿态角度。下面来分析这种随钻测量方法。根据旋转变换中的欧拉定理,载体在空间中的姿态可用相对于地理坐标系有限次的转动来表示。再结合图2可知,NED坐标系经过一系列的旋转变换可以变换到XYZ坐标系,而这些旋转角度即为上述定义的姿态角。具体变换如图3所示,起始时钻具坐标系与NED坐标系重合(N与X轴、E与Y轴、D与Z轴相对应),随后绕D轴旋转ψ角,成为X1Y1D坐标系,再绕Y1旋转θ角,成为XY1Z1坐标系,最后绕X轴旋转φ角,就得到钻具当前的坐标系XYZ坐标系。每次的旋转相当于一次坐标变换,可以用相应的变换矩阵来表示,它们具有如下的标准形式:于是任一空间矢量在钻具坐标系中的坐标与其在地理坐标系中的坐标满足以下关系由于所作旋转变换都是正交变换,反过来,亦有假设利用沿钻具三个轴向XYZ安装的三轴加速度计测量的重力场结果为[GX,GY,GZ]T,而重力场在NED坐标系可表示为[00G]T,其中G为当地重力加速度的大小,利用式(2),有:对式(4)求解得倾斜角θ的表达式亦可得工具面向角φ的表达式同样,利用沿钻具三个轴向XYZ安装的三轴磁强计测量的地磁场为[BX,BY,BZ]T,结合式(3),有式中:BN、BE和BD为地磁场在地理坐标系中的分量,由于在地理坐标系中地磁场没有东向分量,即因此,联合式(7)、(8)可得方位角ψ的表达式再结合(5)、(6)两式,得到完全由三轴加速度计和三轴磁强计测量结果表示的方位角ψ的表达式式中:G=(GX2+GY2+GZ2)1/2。因此,任何时候只要知道三轴加速度计和三轴磁强计的输出,即可根据式(5)、(6)以及式(10),确定钻具当前的姿态角度,这就是随钻测量的基本原理。3随钻测量传感技术随钻测量利用加速度计和磁强计作为传感器,测量精度主要取决于测量及安装误差。传统的随钻测量系统是由石英伺服加速度计和磁通门磁强计来完成上述任务的。随着现代微电子机械技术(MEMS)的发展,从20世纪90年代开始出现在微硅速度传感器和磁强计,这些传感器采用MEMS技术,在单片上集成加速度或磁场敏感元件及相应的调理电路,具有体积小、全固态、可靠性高、易于安装、易于批量生产、成本低等优点,在很多场所逐渐取代体积较大调理电路复杂的传统加速度计和磁通门产品。在随钻测量这样对尺寸、安装和成本要求比较苛刻的场合,尤其适合采用这些传感器。我们的随钻测量系统正是基于MEMS加速度计和MEMS磁阻式磁强计来构建的。如ADI公司的ADXL系列加速度计,HONEYWELL公司的HMC系列磁阻式磁强计等。ADXL系列加速度计的传感原理基于差动电容,主要由质量弹性元件、位移测量系统及信号调理电路等组成。弹性元件是由硅材料制成的横梁,横梁四角与弹性系数一致的活动折叠片连接构成运动部件,当有加速度产生时,横梁移动,带动连接片一起移动,加速度则正比于质量元件的位移。ADXL系列加速度计根据不同的测量范围有不同的类型,从敏感轴来分有单轴加速度计和双轴加速度计等,在应用时可灵活选用。HMC系列磁强计是基于强磁金属的各向异性磁阻效应(AMR)来构成的,当沿着一条长而且薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流,在垂直于电流的方向施加一个磁场,合金带自身的阻值将发生变化。HMC系列磁强计由四个磁阻组成惠斯通电桥,在电桥上施加一个偏置磁场,使得两个相对位置的电阻的磁化方向朝着电流方向转动,引起电阻阻值增加;另外两个相对放置的电阻的磁化方向背向电流方向转动,引起电阻阻值减小,在线形区域输出和外加磁场成正比,灵敏度和传递函数的线形区成反比。同样,HMC系列磁强计有单轴和双轴之分,甚至有封装好的三轴磁强计。4温度传感器和ds8b20基于以上方法和器件,设计的地下定向钻进随钻测量系统结构如图4所示。系统采用沿钻具三个基本轴安装的加速度计和磁强计分别测量三维空间重力加速度分量和磁场分量,其中三轴加速度计由一个单轴加速度计ADXL105和一个双轴加速度计ADXL202构成,三轴磁强计由一个单轴磁强计HMC1001和双轴磁强计HMC1002构成。温度传感器采用Dallas公司的DS18B20,安装在随钻测量装置的端面,实时测量系统的温度,一方面作为监控参数实现整个装置的过热报警,另一方面可实现对各传感器输出进行补偿校正。加速度计和磁强计输出的多是模拟信号(ADXL202除外),经高精度A/D采集后,送入微处理器CPU。微处理器是整个随钻测量系统的核心,负责整个测量过程的控制,它一方面接收各传感器经A/D送来的数据,另一方面将初步处理过的数据送给专用的信号处理器DSP。DSP主要完成两种功能,一是根据加速度计和磁强计的输出并利用自身运算优势实现方位角、倾角和工具面向角的解算,二是利用自己的高速特性将解算出来的结果直接进行数字调制,满足后续的无线传输。对于数据的无线传输,我们采用软件无线电的思路,利用高速DSP处理器和D/A转换器结合软件编程来实现。由DSP控制D/A转换器产生特定的FSK数字调制信号,并经过功率放大和谐振电路,驱动螺线管线圈向外发射VLF信号。这种方法不仅摒弃了繁琐的载波发生和调制电路,而且利用DSP的软件重构,方便进行调整,具有很强的灵活性和适应性。5温度补偿和磁场校正技术实际研制的随钻测量系统及其组件如图5所示。整个随钻测量系统呈细长圆柱形,外形尺寸为Φ32mm×380mm,大致分成三段,前段由各种测量传感器及相应的信号处理模块组成,这里测量传感器不仅包括三轴加速度计和三轴磁强计,而且包括温度、电量等反映探头工作状态的传感器,这些传感器安装在精心设计的铝质壳内,以保证能够沿轴线或沿截面安装。中间段由带有磁芯的螺线管发射线圈及相应的驱动和编码传输电路组成;后段是两节高功率电池构成的电源。与此对应的装置壳体也分为三段,两端为金属壳体,中间段则采用绝缘的塑料壳体,这种结构既可以保持足够的强度,也可避免金属壳体对螺线管线圈发射信号的屏蔽。为了提高系统性能,还必须解决两个问题,一是随钻测量装置安装在地下钻具的内部,要忍受巨大的温度变化,例如0℃到55℃的温度变化是常见的,在这种条件下,传感器输出的零漂和灵敏度随温度的漂移将会很严重,直接测量时会导致很大的角度测量误差。二是,磁强计很容易受到钻具铁磁性材料造成干扰磁场的影响,也会对方位测量引入较大的误差。针对以上两种情况,我们分别提出了温度补偿技术和磁场校正技术,前者利用传感器都有一个“与生俱来”的温度特性并且始终不会改变,事先对不同温度下的零偏和灵敏度进行标定的方法进行温度补偿,后者提出了结合当地地磁场数据进行校正有效消除沿轴线方向上的磁场干扰的方法,温度补偿和磁场干扰具体方法见参考文献和,通过采取温度补偿和磁场校正技术大大提高了系统精度和可靠性。实际研制的基于三轴加速度计和三轴磁强计的随钻测量系统总体性能如下:在工作温度0~55℃范围内,倾角测量精度±0.7°,面向角精度±1.0°,方位角精度±2.0°,温度测量精度±0.5℃,系统具有过热报警、电量监测及自动休眠等功能,系统采用FSK调制方式,工作频率分别为16.4kHz及16.8kHz。以上指标均围绕实际研制的随钻测量系统在无磁性的三维转台上进行测试,而且角度测量均采用了温度补偿措施。6随钻测量装置本文针对水平定