旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向測斜系統(tǒng)的研究

秦瓊++周靜++陳勇

摘要：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井姿態(tài) （井斜角、方位角和工具面角）決定了井下鉆頭的鉆井方向，因此需要高精度旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向測斜系統(tǒng)以及校正方法。為此設(shè)計測斜系統(tǒng)的上位機軟件和下位機硬件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并根據(jù)測出的試驗數(shù)據(jù)確定傳感器的性能，設(shè)計傳感器的標定流程。同時采取K+Q系數(shù)進行標定，使測斜傳感器的誤差符合設(shè)計的指標。應(yīng)用結(jié)果表明，井斜角和工具面角絕對誤差都在允許的誤差范圍之內(nèi)，均滿足工業(yè)標準要求。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向測斜；測斜傳感器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；誤差自動校正

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）11-0230-02

1 確定空間井眼姿態(tài)

井斜角、方位角和工具面角是構(gòu)成空間井眼姿態(tài)的三個重要參數(shù)，這三個角度參數(shù)決定了隨鉆的井眼軌跡。此三個參數(shù)的測量過程為：通過測斜儀上面的三個磁通門傳感器和三個加速度傳感器分別測出六個傳感器上的電壓信號，然后將此電壓信號經(jīng)過隨鉆測斜系統(tǒng)傳輸?shù)降孛?[1]，對輸出的電壓信號進行數(shù)據(jù)分析，就會得到井斜和方位的信息，從而指導(dǎo)下一步鉆井方向[2]。三個磁通門傳感器兩兩相互垂直，三個加速度傳感器也是兩兩之間相互垂直，此外在實際應(yīng)用中測斜系統(tǒng)還有兩個溫度傳感器。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是采集三個磁通門傳感器和三個加速度傳感器上面的輸出數(shù)據(jù)，井眼軌跡的三個角度參數(shù)就可以得到，即工具面角RB，井斜角DEV和方位角AZIM。角度參數(shù)的計算公式如下：

2 測斜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與標定

2.1 整體框架

上位機軟件和下位機硬件兩部分組成了整個測斜的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 軟件部分的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和保存；硬件部分的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。其整體邏輯框圖如圖1所示。

2.2 軟件設(shè)計

上位機數(shù)據(jù)邏輯框圖如圖 2 所示，用7組傳感器測出各個傳感器的輸出的電壓信號，得到相關(guān)的角度。如圖2所示海拔高度等信息由GPS提供， IGRF國際地磁模型用來計算當(dāng)?shù)氐拇艃A角等信息，由參考值與實際計算值進行對比分析得出誤差值，從而確定測斜系統(tǒng)的精度 [3]。

2.3 標定模型建立

K系數(shù)校正主要是進行溫度補償，零位偏差補償。以Y軸磁通門為例，其數(shù)學(xué)模型[4]

式中，q（1）至q（9）分別是傳感器對應(yīng)的q因子。因為K系數(shù)校正對軸正交校正存在不足，其優(yōu)勢對溫度進行校正，而Q系數(shù)主要優(yōu)勢就是對不同軸正交以及軸不正交進行校正，所以K+Q就是用結(jié)合K系數(shù)校正（溫度校正）和Q系數(shù)校正（軸不正交校正以及不同軸正交）。

2.4 標定流程

在傳感器實際標定過程中，將方位角和井斜角固定在 90°，依次調(diào)整工具面角，在加速度計下測量-180.000、-135.000、-45.000、0.000、45.000、90.000、135.000；在磁通門傳感器下測量-141.100、-96.100、-51.100、-6.100、38.900、83.900、128.900、173.900，常溫下采集探管傳出的數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)分析

圖 3為室溫下測試所得的各軸傳感器輸出電壓曲線。從圖中可以明顯可以看出，當(dāng)井斜角和方位角鎖定為90°時，測試工具面角，AZ軸輸出值基本上為零或者是在零上下擺動，一般在理想狀況下，AZ 軸輸出值應(yīng)該為零，不會是在零上下擺動。這應(yīng)該是測斜探管沒有安裝好，導(dǎo)致傳感器軸與旋轉(zhuǎn)軸不同心，消除這種誤差就需要用對所獲得的數(shù)據(jù)進行標定。

綜合上面的擬合曲線圖和誤差曲線圖，可以得出以下結(jié)論：采用K+Q參數(shù)校正之后，圖4中井斜角的絕對誤差都基本上都在零度附近，絕對誤差范圍都在±0.2度以內(nèi)，誤差在可接受范圍之內(nèi)，可以提高井斜角的精度，達到校正井斜的目的；圖5中，工具面角絕對誤差姐基本上在±1度以內(nèi)，絕對誤差達到了預(yù)想的指標。

4 結(jié)束語

1）通過以上實驗數(shù)據(jù)表明該套測斜系統(tǒng)達到了我們的預(yù)期指標，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲，有較

好的精度和可靠性。

2）使用K + Q 系數(shù)模型對測斜探管進行綜合標定。通過實驗得出的結(jié)果說明此校正方法可以改善井

斜角和工具面角的絕對誤差，提高測量井斜角和工具面的精度，運用此校正算法可以精確的指導(dǎo)鉆井的進一步鉆進。

參考文獻：

[1] 劉樹坤， 汪勤學(xué)， 梁占良， 等. 國內(nèi)外隨鉆測量技術(shù)簡介及發(fā)展前景展望[J]. 錄井工程， 2008， 19（4）： 32- 37.

[2] 蘇義腦. 定向鉆井[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社， 1995： 1-2.

[3] 尚海燕， 饒飛， 周靜， 等. 高精度油井測斜系統(tǒng)及校正方法的研究[J]. 石油機械， 2015， 43（4）： 5-9.

[4] 周靜， 胡毅， 付浩. 三軸重力加速度傳感器標定方法研究[J]. 石油儀器， 2010， 24（4）： 44- 46.