??? 摘? 要： 選用國產(chǎn)傳感器并進行補償算法和信號處理" title="信號處理">信號處理算法研究，設計了高精度的隨鉆測斜系統(tǒng)。介紹了隨鉆測斜儀" title="隨鉆測斜儀">隨鉆測斜儀的主要測量原理、測量參數(shù)，詳細說明了本系統(tǒng)的設計原理圖、測量方法、硬件電路、軟件設計。
??? 關鍵詞： 隨鉆測斜儀? 實時測量? 信號處理
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??? 在油田鉆井過程中，因受油層上方的公路、建筑物、湖泊及山脈等影響，不能采用垂直鉆井的方法，因此采用定向鉆井技術是油田鉆井的關鍵。定向井的精確測量和準確定位是定向鉆井成功與否的重要因素之一，而隨鉆測斜是大斜度井、水平井和小眼井及側鉆多分支井油藏評價的重要手段，是定向井的關鍵技術[1]。
??? 目前國內各油田使用的高精度隨鉆測斜系統(tǒng)大多是從國外引進的，價格昂貴，生產(chǎn)周期長，維修不便。國內也有幾個公司推出了隨鉆測斜儀，但是傳感器是選用的國外產(chǎn)品，價格昂貴。為此本系統(tǒng)選用國產(chǎn)傳感器進行補償算法和信號處理算法研究，提出軟硬件實現(xiàn)方案，設計高精度的具有自主知識產(chǎn)權的隨鉆測斜系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的性價比。
1 測量原理及參數(shù)
??? 隨鉆測斜儀可在不中斷鉆井過程的條件下準確、可靠、實時地測量各種鉆井參數(shù)（井斜、方位等），使定向人員便于控制井眼軌跡。這樣鉆出的井眼軌跡圓滑，井身質量好，減少了因井身質量差而造成的鉆井事故[2]。
??? 定向鉆井過程中，為了能有效控制井眼軌跡，必須對井斜、方位、工具面等參數(shù)有精確的測量。在無磁環(huán)境中，這些參數(shù)通常由隨鉆測斜儀完成測量。隨鉆測斜儀輸出數(shù)據(jù)要轉化為鉆井工程技術人員需要的角度參數(shù)必須經(jīng)過坐標變換，變換后的參數(shù)形式才為井斜、方位、重力工具面角和磁性工具面角[3]。具體定義如下：
??? (1)井斜角β，井眼中心線與垂線之間的夾角，如圖1所示，垂直方向井斜角是0°，水平方向井斜角是90°。井斜角的 范圍是0°～180°。
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??? (2)方位角" title="方位角">方位角α，地球磁北方向和井眼水平投影方向的夾角,如圖1所示。磁北方向和真北方向不同，并且各地區(qū)的磁偏角也不相同。方位角在0°～360°" title="360°">360°之間變化。當井斜是0°時，方位角也就無法確定。
??? (3)重力工具面角，也叫高邊" title="高邊">高邊工具面角（GTF），是俯視井眼方向儀器斜口朝向相對于井眼高邊順時針方向旋轉的角度，如圖2所示。高邊工具面角在0°～360°之間變化，當井斜為0°時，高邊工具面角不確定。
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??? (4)磁性工具面角，如圖3所示，是俯視井眼方向儀器斜口朝向與磁北方向之間的夾角。磁性工具面角（MTF）在0°～360°之間變化。當井眼軸線方向恰好在地球的極點，磁性工具面角也就無法測出。
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2 系統(tǒng)原理及主要技術指標
??? 本系統(tǒng)以單片機為核心進行開發(fā)，從硬件和軟件兩個方面入手進行協(xié)同設計，借鑒國內外現(xiàn)有測斜系統(tǒng)及技術的經(jīng)驗，研究高精度隨鉆測斜系統(tǒng)。本系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。
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??? 本系統(tǒng)所研制的高精度隨鉆測斜系統(tǒng)和國外同類產(chǎn)品相比，具有精度高、價格低的優(yōu)勢。主要技術指標如下：
??? 井斜角的最大誤差：±0.1°；????
??? 方位角的最大誤差：±1°。
3 硬件設計
??? 井下探管部分采用高性能單片機AT89C51ED2，增強了系統(tǒng)的控制作用，減化了外圍電路的元器件設計，電路可靠性能提高，從而使整個系統(tǒng)的可靠性大大提高。本設計采用美國模擬器件公司生產(chǎn)的200ks/s、四通道、16位串行通訊數(shù)據(jù)采集模數(shù)轉換器——AD974。其具有高通過率、低功耗、高精度等特性，該器件集成外圍器件，采用串行通訊方式，極大簡化數(shù)據(jù)采集電路的設計。由于各部分均為模塊化設計，其系統(tǒng)便于維修。系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)通過UART串口將數(shù)據(jù)上傳到上位機或地面隨鉆測斜設備并可存儲到系統(tǒng)Flash中。因為可以將數(shù)據(jù)交給上位機設備進行處理，所以降低了采集系統(tǒng)的負擔，增加了系統(tǒng)處理的靈活性。
??? 本系統(tǒng)將設計分成幾個不同的層次，按照自上而下的順序，在不同的層次上對系統(tǒng)進行設計。以軟硬件協(xié)同設計思想，采用結構化的軟硬件設計方法，整個測量系統(tǒng)由A/D轉換模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)存儲和讀取模塊、邏輯控制模塊、單片機控制模塊、計算機接口模塊等組成。整個系統(tǒng)的程序在線更新下載功能由下載模塊完成，靈活更新系統(tǒng)軟件以便符合實際工程的需要。本系統(tǒng)所設計的單片機處理部分主體硬件電路圖如圖5所示。
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4 軟件設計
??? 為了提高編制單片機應用程序的效率，改善程序的可讀性和可移植性，本系統(tǒng)采用單片機高級語言C51編程[4]。本系統(tǒng)利用AT89C51ED2提供的在線編程功能直接通過微機系統(tǒng)上的I/O口對系統(tǒng)進行編程，寫入最終用戶代碼，而不需要從電路板上取下器件，已經(jīng)編程的器件也可以用ISP方式擦除或再編程。單片機可以通過計算機實時修改數(shù)據(jù)，對某些功能可以實時調整，這種方法給工業(yè)儀器儀表中傳感器修正系數(shù)的更換或監(jiān)控軟件的升級帶來了很大方便。系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示。
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5 實驗結果分析
??? 在傳感器信號進行單片機補償濾波之前，會存在傳感器自身的誤差及一定的安裝誤差，這個誤差可能會很大程度上影響測量參數(shù)的結果。在所有的測量參數(shù)中，最重要的測量參數(shù)是井斜和方位，利用標準測量架進行檢測，測得的數(shù)據(jù)結果如表1所示。
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??? 實驗數(shù)據(jù)表明，利用本文所采用的補償算法及所設計的濾波器進行補償后，效果比較理想，誤差較小，測量精度滿足現(xiàn)場實際的測量要求，達到了本文提出的精度指標:
??? 井斜誤差ΔINC≤±0.1°；
??? 方位誤差ΔAz≤±1.0°。
??? 本系統(tǒng)結合實際生產(chǎn)中的科研課題，開展了大量的理論研究，設計了高精度隨鉆測斜儀，使用目前精度較高的非民用磁通門與加速度計傳感器組合來實現(xiàn)實時測量，采用性能較高的單片機作數(shù)據(jù)處理，并對采集的數(shù)據(jù)進行補償修正來消除多種誤差的影響，實現(xiàn)了隨鉆測斜儀中傳感器的國產(chǎn)化，具有生產(chǎn)時間短、體積小、重量輕、價格低廉等優(yōu)點。
參考文獻
[1] BALLANTYNE R, RUSZKA J. Rapid advance in drilling?technology enable complex well designs[J]. The American?Oil & Gas Reporter, 2003: 96～105.
[2] ALLEN F, TOOMS P, CONRAN G. Extend-reach drilling:breaking the 10-km barrier[J]. Oilfield Review, 1997,9
?(4):32-47.
[3] 劉匡曉. 隨鉆測斜系統(tǒng)的數(shù)學模型分析及應用[J].石油儀器，1996，10（2）：37-39.
[4] 徐愛鈞，彭秀華. 單片機高級語言C51應用程序設計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1998:15-43.