基于MEMS 陀螺的随钻测斜仪系统设计❋

龙达峰，苏 文

（1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051；2.中国人民解放军66011部队，北京 102600）

0 引言

在矿井施工和石油钻井中，需要实时准确地掌握钻孔姿态、位置和轨迹等相关参数，以便工程作业人员能够实时地掌握钻孔作业中的工程地质情况，为工程作业人员及时调整作业方案，以避免盲目钻孔而造成钻孔事故的发生［1－3］。相比于传统的电缆静态测井方式，基于随钻测量方式带来的极大便利，不仅可以减少钻井测量的时间与成本，又能极大地提高测井精度［4］。目前，在国内各大油田、海上大型石油钻井作业中，几乎都采用随钻测井技术。但随钻测斜仪基本上都是从国外购买，其价格昂贵，且维修存在不便等问题［5］。本文基于MEMS（微电子机械系统）陀螺设计了随钻测斜仪系统，并利用仿真转台对所设计的随钻测斜仪系统进行了模拟随钻测井过程，以期望能够研制成功具有完全自主知识产权的随钻测斜仪系统。

1 随钻测斜仪系统设计

1.1 随钻测斜仪系统总体方案

本文基于MEMS陀螺设计了随钻测斜仪系统总体方案，如图1所示。该测斜仪系统包括井下随钻测试仪器和地面监控系统两部分，并采用由钻杆与地层构成的信号传输通道进行地面仪器和井下仪器的通信。其中，井下随钻传感器包括三轴MEMS陀螺、三轴加速度计和温度与压力传感器。井下仪器主要完成倾斜角、方位角和工具面角等各种参数的测量，并进行实时数据存储，或者通过通信信道把测量数据传回地面进行实时监控。地面监控系统接收井下传上来的信息，进行数据处理、计算，并实时显示钻孔姿态、位置和轨迹等相关参数，以便地面作业人员能够实时准确地掌握钻孔作业情况，避免钻孔施工的盲目性。

1.2 随钻测斜仪系统功能模块设计

随钻测斜仪系统主要由信号调理电路、多通道数据采集模块、数据存储模块和电源模块等组成。

1.2.1 多通道数据采集模块

多通道数据采集模块是将调理后的随钻传感器信号转化为数字量。由于测斜仪井下传感器包括三轴MEMS陀螺、三轴加速度计以及温度与压力多路信号，因此，采用两片同步采集模数转换器ADS8365实现12路信号的数据采集；选用Xilinx的XC2S50-TQ144C型FPGA作为数据采集模块的控制芯片。数据采集电路模块如图2所示。其中，SC1～SC6为6个传感器模拟信号通道输入端，DB0～DB15为模数转换数据输出端。FPGA除了完成数据采集模块的控制外，还要完成井下随钻仪器的数据存储、通信模块和外围接口电路的功能。

1.2.2 数据存储模块

井下随钻仪器采用三星K9F2G08型Flash芯片作为随钻测斜仪数据存储芯片，该芯片具有2Gb的存储容量，由FPGA内的控制器实现Flash芯片控制。数据存储电路模块如图3所示。

1.2.3 FPGA的配置电路

采用XCF01SV020芯片作为FPGA的可编程配置芯片，FPGA配置电路模块如图4所示。

图2 数据采集电路模块

图3 数据存储电路模块

1.2.4 电源模块

系统中的FPGA、ADS8365和其他芯片等的工作电压主要有5V、3.3V和2.5V。由于随钻测斜仪系统需要采用外接7.4V电源作为供电电源，因此，需要设计以上3个输出分压电源输出模块。时钟电路模块如图5所示。由图5可知，7.4V外电源经由REG104-5稳压芯片转换成5V电压输出，然后再把＋5V电压输出经由MAX8882EUTAQ芯片分别转换成2.5V和3.3V两路电压输出。

2 随钻测斜仪系统姿态算法设计

随钻测斜仪系统利用捷联安装于钻杆的三轴加速度计和三轴MEMS陀螺仪分别测量出钻杆的比力信息（f～b）和角速度信息（˜ωbib），然后根据捷联惯性原理实时完成钻杆的姿态与位置的解，其随钻测斜仪系统算法原理如图6所示。

随钻测斜仪系统选取北东地地理坐标系为参考坐标系，得到的姿态矩阵变换关系为［6］：

其中：ψ，θ，γ分别为随钻测斜仪方位角、俯仰角、横滚角。

图4 FPGA配置电路模块

图5 时钟电路模块

如前所述，利用加速度计和陀螺实时测量信息，根据图6所示的算法原理进行姿态更新矩阵的计算。更新所得姿态矩阵Cnb为：

其中：C11，C12，C13，C21，C22，C23，C31，C32，C33分别为式（1）中对应各项。对比式（1）和式（2）关系可知，钻井姿态的提取公式为：

3 仿真实验测试

为了验证所设计的随钻测斜仪系统性能，在三轴仿真转台上模拟实际随钻测井过程，通过控制转台的姿态变化来模拟实际的随钻测井过程，三轴陀螺角速率测量输出如图7所示。

图6 随钻测斜仪系统算法原理

图7 三轴陀螺角速率测量输出

模拟600m井深测井解算后的钻孔轨迹如图8所示。从仿真测井结果来看，随钻测斜仪具有比较高的测量精度。

图8 解算后钻孔轨迹

4 结论

本文重点介绍了随钻测斜系统的各功能模块的硬件设计方法，并利用高精度三轴仿真转台搭建随钻测井的半物理仿真平台，在该平台上开展了实际随钻模拟测井过程。结果表明，所设计的随钻陀螺测斜仪系统具有较高的测量精度。

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