一种随钻仪器的测斜仪短节设计

张巍巍

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院钻井仪器研究所，黑龙江 大庆 163000）

水平井钻井技术中，井下仪器钻进导向的重点，就是控制钻头在钻进过程中的方向，同时也要实时地知道整个仪器在井下的姿态。仪器的姿态主要由三个参数决定，分别是方位、井斜以及仪器的工具面。测量方位数据使用的是磁通门传感器，测量井斜数据使用的是加速度计传感器，工具面的参数由加速度计传感器和磁通门传感器共同计算得到[2]。

本文分别就加速度计和磁通门传感器的摆放以及整套系统的电路设计进行理论研究及探讨，分别详细分析了两种传感器的工作原理以及组合后的结构设计。同时就数据采集及控制电路部分进行分区块详述，最终实现设计出一种能精确测量井下钻井仪器姿态的随钻测斜仪短节[3]。

1 测斜仪方案设计

井下测斜仪需要面对高温、高压以及高频率的振动等恶劣工况，所以在整体设计前，要先统计归纳所需满足的各项参数，现将主要参数整理如下，如表1所示。

表1 测斜仪主要工作参数

井下测斜仪短节所需传感器主要由加速度计传感器和磁通门传感器组成。加速度计传感器相较于传统的陀螺仪的优点是，体积更小，精度更高，性能更稳定，功耗更小，同时成本也更低。加速度计传感器使用固态封装，在井下复杂的工况环境中，相比于陀螺仪传感器要稳定得多，测量精度也能得到保障。通过单片机系统将加速度计和磁通门采集到的模拟信号进行A/D 转换，传输到地面主控系统，从而能实时清楚地知道井下钻井仪器的姿态。测斜仪的整体工作流程如图1所示。

图1 测斜仪整体工作流程图

井下测斜仪短节所需传感器主要由加速度计传感器和磁通门传感器组成。加速度计传感器需要三个互相正交固定，测得Gx、Gy和Gz信号；磁通门传感器同样需要三个互相正交固定，测得Hx、Hy和Hz信号。这六个信号通过模数转换芯片后，转成数字信号，再通过单片机系统将其传输到地面的主控计算机中。地面主控计算机通过对测斜仪采集的数据进行计算，将仪器的姿态模拟出来，地面的工作人员可以通过计算机实时观察井下仪器的姿态。

2 测斜仪短节结构设计

为了精准地测得井下仪器的方位数据、井斜数据以及工具面数据，测斜仪的各个传感器也需要统一设计安装位置，同时要考虑到电路板、线束及整体测斜仪骨架的开孔设计。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2所示。

图2 测斜仪整体结构设计

其中三个加速度计传感器互相正交安装，三个磁通门传感器也互相正交安装，温度传感器安装在电路板上，加速度计传感器和磁通门传感器采集到的是模拟信号，这六组模拟信号通过线束传入电子电路部分，在电路中进行滤波及去除高频干扰，然后通过模数转换模块转换成数字信号，最后将数字信号通过无线传输系统上传到地面上位机。单独设计了电池筒，可以为整套测斜仪进行无间断供电，同时也保证了电压信号的稳定。

3 测斜仪电路设计

电路模块部分涉及到了采样模块、滤波电路、开关电路、模数转换电路、存储电路、主控电路等。其具体工作流程及结构图如图3所示。

图3 电路设计流程及结构图

采样电路将采集到的模拟信号进行同步保持，这是为了保证所采集到的七个信号是同一时刻产生的，同时也能保证采集到的模拟信号不会发生改变。采样电路将其打包为同一组后，传输给滤波电路。滤波电路的作用是将模拟信号中的高频干扰滤去，然后通过多路开关，将这一组信号中的七个模拟量分顺序单独传输给模数转换电路。数字信号处理完成后，最后会通过主控芯片对其进行整理和存储，然后上传至地面上位机系统。

4 结论及展望

测斜仪的发展经历了测量精度由模糊到精准、体积由大到小、价格由昂贵到低廉的一系列阶段，这和电子技术的发展是分不开的，可以遇见的未来，测斜仪一定会向着精度更高、测量参数更多以及价格更低廉的方向继续发展。本文提出了一种通用的测斜仪的设计方案，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。