论文部分内容阅读
摘要：本文讨论了国内应用较为广泛的测斜仪组成及工作原理，说明了相关技术的现状，重点讨论了基于MEMS传感器的随钻测斜仪组成、工作原理及信号处理，并利用高精度仿真转台对所设计的测斜仪进行模拟随钻测斜过程，证明本测斜仪具有较高的测量精度。
关键词：随钻；测斜仪；MEMS传感器
引言
钻井测斜仪从20世纪20年代开始，经历了氢氟酸加浮动磁针、机械照相、陀螺仪式测斜仪，由于早期的测斜仪存在着精度低、只能单点测量、测量周期长、数据管理不便等缺点，对于更加可靠的测量工具的需求愈加明显。[]新一代钻井测斜仪包括以磁通门传感器与重力加速度传感器为主的磁性测斜仪和以加速度传感器和陀螺仪为主的陀螺测斜仪，测量精度及应用范围得到进一步提高。目前在国内各大油田、海上钻井作业中，几乎都采用随钻测量技术。
目前， 在石油钻井施工使用的测斜仪主要是磁通门传感器与重力加速度传感器测斜仪。它来用三轴正交加速度计测量地球重力矢量和三轴正交磁通门测量地磁场矢量。磁通门传感器性能稳定可靠， 但要求磁通门周围5米内不能有任何铁磁物质。当遇到地层含有铁磁性物质岩层或临近有老井套管时，则无法给仪器提供良好的无磁环境，也无法准确测量轨迹。在这种情况下，通过采用陀螺测斜仪可以进行稳定可靠的测量。
国内测斜仪器中应用较为广泛的陀螺测斜仪由一个双自由度的挠性陀螺和三个石英加速度计组成。通过较简单的计算公式，由加速度计的输出可以计算出井孔的倾斜角，根据陀螺的输出可计算出方位角数据。但这种测斜方式采用的是静态单点测斜法，在测斜过程中必须保持测斜仪静止至少三分钟。而且连续两个测量点间的数据无法获得，只能依靠对两测量点间的数据取平均值来近似估计。为了获得油井更多的信息， 只能采用增加测量点的办法，这又降低了测量效率，増加了勘探成本。挠性陀螺仪的结构也很复杂，内部装有高速转动的转子，对使用环境苛刻，抗振性能不好，稍微不注意很容易损坏。挠性接头寿命有限，测斜仪需要定期更换陀螺传感器。以上缺点限制了此类陀螺测斜应用领域的扩大。随着惯性技术的不断发展，后来出现了一些新型陀螺仪，如激光陀螺、光纤陀螺等，这些新型陀螺仪精度较高， 能够满足战术级精度惯性系统应用需要，但是其体积很大，不能装入小口径探管中[]。
MEMS惯性传感器是指以硅或石英为主要材料， 采用微电子加工技术制造的芯片级惯性传感器。MEMS加速度计己经有半个世纪的发展历史， 技术上已经接近成熟。 MEMS陀螺仪己经出现了近二十年， 这种陀螺仪的工作原理与机械陀螺仪相同，但其内部没有转子，而是用振动部件作为敏感元件。与其它陀螺相比，MEMS陀螺仪在体积、成本、功耗和抗冲击能力等方面都存在很大优势，但由于早期精度较低，所以没有引起重视。近年来，随着微电子加工技术的发展， MEMS惯性传感器特别是陀螺仪的精度大幅提高， 国外MEMS陀螺仪標移小于每小时1度， 这一指标基本上满足测斜系统要求。[]本文重点介绍了基于MEMS传感器的随钻测斜仪组成、工作原理及信号处理，并利用高精度仿真转台对所设计的测斜仪进行模拟随钻测斜过程，证明本测斜仪具有较高的测量精度。
1 基于MEMS传感器的随钻测斜仪组成及工作原理
随钻测斜仪由MEMS陀螺和MEMS加速度计传感器组成，由加速度计的输出可以计算出井孔的倾斜角，根据陀螺的输出可计算出方位角数据。三轴陀螺由ADI公司MEMS角速率传感器ADXRS645组成；三轴加速度计采用ADI公司两个双轴MEMS加速度计传感器ADXL206。两个MEMS加速度计正交放置组成三轴加速度计来测量运行载体沿其正交轴方向的线加速度。所选的陀螺和加速度计均采用微机械技术，是ADI公司面向钻探应用而设计的精密高温器件组合的最新产品，性能优越，价格低廉，具有较高性价比。
1.1 MEMS陀螺工作原理
MEMS陀螺采用耐高温的角速率传感器ADXRS645，具有出色的抗振动能力，最低旋转测量范围为±2，000°/秒，对于在恶劣的高温环境下作业的钻探工具来说，这两项特性可谓至关重要。精确的角旋转检测能力可以检测到钻头旋转与钻头驱动电机之间的差异，从而有效防止损坏钻柱。借助ADXRS645可确保钻柱正常作业，从而使石油和天然气工业的钻探设备运营商延长设备寿命，减少成本高昂的停机时间。ADXRS645采用ADI公司取得专利的大规模BIMOS表面微加工工艺制造，多年实际应用证明性能稳定可靠。先进的差分四传感器设计改善了加速和振动抑制。输出信号RATEOUT是电压值，与围绕封装盖法线轴转动的角速率成比例。ADXRS645提供8 mm x 9 mm x 3 mm、15引脚钎焊引脚三列直插式封装。创新型陶瓷垂直贴装封装，适合于俯仰或滚动速率响应；工作温度范围?40°C至+175°C；保证1000小时（TA = 175°C时）；可在宽频率范围内提供高振动抑制特性；抗冲击能力：10，000 g。ADXRS645使用谐振器陀螺仪原理工作。两个多晶硅检测结构各含一个扰动框架，通过静电将扰动框架驱动到谐振状态以产生必要的速度，从而在旋转期间产生科氏力。在各框架的两个外部极限处（与扰动运动正交）是可动指；可动指放在固定捡拾器指之间，形成一个容性捡拾结构来检测科氏运动。检测到的信号被馈送至一系列增益和解调级，产生电速率信号输出。双传感器设计可抑制外部的重力和振动。传感器与信号调理电子元件一起制造，有利于保护信号在高噪声环境中的完整性。
1.2 MEMS加速度计工作原理
MEMS加速度计采用ADI公司的ADXL206，是一款精密、低功耗、完整的双轴MEMS加速度计，适用于高温环境。ADXL206提供13 mm x 8 mm x 2 mm、8引脚侧面钎焊陶瓷双列直插式封装（SBDIP）。满量程加速度测量范围为±5 g，既可以测量动态加速度（例如振动），也可以测量静态加速度（例如重力）。在单芯片IC上实现高性能、双轴加速度计，环境温度范围：?40至+175；长寿命：保证1000小时（TA = 175时）。ADXL206是单芯片IC上的完整加速度测量系统，器件集成一个多晶硅表面微加工传感器和信号调理电路，以实现开环加速度测量架构。输出信号为模拟电压，与圆加速度成比例。ADXL206能够测量至少±5 g的正负加速度。该加速度计可以测量重力等静态加速力，因而可用作倾斜传感器。该传感器为多晶硅表面微加工结构，置于晶顶部。多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上，提供加速度力量阻力。差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成，能对结构偏转进行测量。固定板由180反相方波驱动。加速度使梁偏转，使差分电容失衡，从而使输出方波的幅度与加速度成比例。然后，使用相敏解调技术来对信号进行整流并确定加速度的方向。
2信号处理电路[]
该测斜仪由MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、温度传感器、压力传感器、信号调理电路及多通道ADC和数字信号处理电路和通讯电路等组成，完成倾斜角、方位角和工具面角等各种参数测量，通过泥浆脉冲发生器把测量数据实时传回地面。在地面显示出钻具姿态、位置、轨迹、环境状况等相关参数，供地面作业人员能够实时准确的掌握钻孔作业情况，避免钻孔施工的盲目性。
3 实验结果
3.1 标定台试验结果
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，通过控制转台姿态变化进行模拟，三轴陀螺角速率测量输出如图所示。表1为利用标定台测量的原始数据及程序计算的结果。使测斜仪的井斜分别为45°，15°，8°，方位角分别为0°，90°，180°，270°。其中，Gx、Gy、Gz为三轴加速度计测得数值。从仿真测井结果看，随钻测井仪具有较高的测量精度，完全满足实际需要。
3.2实际测井结果
表2为某油田钻井队在井钻到一定深度时，在造斜过程中分别测量的三次结果，上面的測量数据是其它公司生产的测斜仪测试的结果，下面的数据是本测斜仪测量的结果。从测量结果看，井斜角误差≤±0.2°，方位角误差≤±1.5°。
4 结论
应用MEMS传感器的随钻测斜仪的优点在于：体积小、成本低、可靠性高、响应快、可实现连续测量等特点，在应用范围，抗振性能、测量精度、全方位测量和连续测量等方面都有很强优势。即可以提高测量效率， 又能获得较单点测斜更多的信息， 同时可以缩小测斜仪的体积和降低测斜仪的成本。从测量精度上看，MEMS加速度传感器已在逐渐逼近石英加速度计，MEMS陀螺与动调陀螺或光纤陀螺还有较大距离，特别是时间漂移指标，但通过改进测量方法及使用方法是能基本满足随钻测量需要的。
本文采用的目前多数精度较高的MEMS传感器耐温值一般在105℃以内，且温漂影响较大，用时需要井下保温瓶进行保护；测斜仪使用的MEMS传感器参数要尽量一致；微型传感器要焊接牢固，焊接部位相对测斜仪骨架稳定，保证安装误差控制在尽量小的范围内。MEMS传感器有着极佳的抗震性，随着性能的不断改进提高，在随钻测量仪器领域有着越来越多的应用；
关键词：随钻；测斜仪；MEMS传感器
引言
钻井测斜仪从20世纪20年代开始，经历了氢氟酸加浮动磁针、机械照相、陀螺仪式测斜仪，由于早期的测斜仪存在着精度低、只能单点测量、测量周期长、数据管理不便等缺点，对于更加可靠的测量工具的需求愈加明显。[]新一代钻井测斜仪包括以磁通门传感器与重力加速度传感器为主的磁性测斜仪和以加速度传感器和陀螺仪为主的陀螺测斜仪，测量精度及应用范围得到进一步提高。目前在国内各大油田、海上钻井作业中，几乎都采用随钻测量技术。
目前， 在石油钻井施工使用的测斜仪主要是磁通门传感器与重力加速度传感器测斜仪。它来用三轴正交加速度计测量地球重力矢量和三轴正交磁通门测量地磁场矢量。磁通门传感器性能稳定可靠， 但要求磁通门周围5米内不能有任何铁磁物质。当遇到地层含有铁磁性物质岩层或临近有老井套管时，则无法给仪器提供良好的无磁环境，也无法准确测量轨迹。在这种情况下，通过采用陀螺测斜仪可以进行稳定可靠的测量。
国内测斜仪器中应用较为广泛的陀螺测斜仪由一个双自由度的挠性陀螺和三个石英加速度计组成。通过较简单的计算公式，由加速度计的输出可以计算出井孔的倾斜角，根据陀螺的输出可计算出方位角数据。但这种测斜方式采用的是静态单点测斜法，在测斜过程中必须保持测斜仪静止至少三分钟。而且连续两个测量点间的数据无法获得，只能依靠对两测量点间的数据取平均值来近似估计。为了获得油井更多的信息， 只能采用增加测量点的办法，这又降低了测量效率，増加了勘探成本。挠性陀螺仪的结构也很复杂，内部装有高速转动的转子，对使用环境苛刻，抗振性能不好，稍微不注意很容易损坏。挠性接头寿命有限，测斜仪需要定期更换陀螺传感器。以上缺点限制了此类陀螺测斜应用领域的扩大。随着惯性技术的不断发展，后来出现了一些新型陀螺仪，如激光陀螺、光纤陀螺等，这些新型陀螺仪精度较高， 能够满足战术级精度惯性系统应用需要，但是其体积很大，不能装入小口径探管中[]。
MEMS惯性传感器是指以硅或石英为主要材料， 采用微电子加工技术制造的芯片级惯性传感器。MEMS加速度计己经有半个世纪的发展历史， 技术上已经接近成熟。 MEMS陀螺仪己经出现了近二十年， 这种陀螺仪的工作原理与机械陀螺仪相同，但其内部没有转子，而是用振动部件作为敏感元件。与其它陀螺相比，MEMS陀螺仪在体积、成本、功耗和抗冲击能力等方面都存在很大优势，但由于早期精度较低，所以没有引起重视。近年来，随着微电子加工技术的发展， MEMS惯性传感器特别是陀螺仪的精度大幅提高， 国外MEMS陀螺仪標移小于每小时1度， 这一指标基本上满足测斜系统要求。[]本文重点介绍了基于MEMS传感器的随钻测斜仪组成、工作原理及信号处理，并利用高精度仿真转台对所设计的测斜仪进行模拟随钻测斜过程，证明本测斜仪具有较高的测量精度。
1 基于MEMS传感器的随钻测斜仪组成及工作原理
随钻测斜仪由MEMS陀螺和MEMS加速度计传感器组成，由加速度计的输出可以计算出井孔的倾斜角，根据陀螺的输出可计算出方位角数据。三轴陀螺由ADI公司MEMS角速率传感器ADXRS645组成；三轴加速度计采用ADI公司两个双轴MEMS加速度计传感器ADXL206。两个MEMS加速度计正交放置组成三轴加速度计来测量运行载体沿其正交轴方向的线加速度。所选的陀螺和加速度计均采用微机械技术，是ADI公司面向钻探应用而设计的精密高温器件组合的最新产品，性能优越，价格低廉，具有较高性价比。
1.1 MEMS陀螺工作原理
MEMS陀螺采用耐高温的角速率传感器ADXRS645，具有出色的抗振动能力，最低旋转测量范围为±2，000°/秒，对于在恶劣的高温环境下作业的钻探工具来说，这两项特性可谓至关重要。精确的角旋转检测能力可以检测到钻头旋转与钻头驱动电机之间的差异，从而有效防止损坏钻柱。借助ADXRS645可确保钻柱正常作业，从而使石油和天然气工业的钻探设备运营商延长设备寿命，减少成本高昂的停机时间。ADXRS645采用ADI公司取得专利的大规模BIMOS表面微加工工艺制造，多年实际应用证明性能稳定可靠。先进的差分四传感器设计改善了加速和振动抑制。输出信号RATEOUT是电压值，与围绕封装盖法线轴转动的角速率成比例。ADXRS645提供8 mm x 9 mm x 3 mm、15引脚钎焊引脚三列直插式封装。创新型陶瓷垂直贴装封装，适合于俯仰或滚动速率响应；工作温度范围?40°C至+175°C；保证1000小时（TA = 175°C时）；可在宽频率范围内提供高振动抑制特性；抗冲击能力：10，000 g。ADXRS645使用谐振器陀螺仪原理工作。两个多晶硅检测结构各含一个扰动框架，通过静电将扰动框架驱动到谐振状态以产生必要的速度，从而在旋转期间产生科氏力。在各框架的两个外部极限处（与扰动运动正交）是可动指；可动指放在固定捡拾器指之间，形成一个容性捡拾结构来检测科氏运动。检测到的信号被馈送至一系列增益和解调级，产生电速率信号输出。双传感器设计可抑制外部的重力和振动。传感器与信号调理电子元件一起制造，有利于保护信号在高噪声环境中的完整性。
1.2 MEMS加速度计工作原理
MEMS加速度计采用ADI公司的ADXL206，是一款精密、低功耗、完整的双轴MEMS加速度计，适用于高温环境。ADXL206提供13 mm x 8 mm x 2 mm、8引脚侧面钎焊陶瓷双列直插式封装（SBDIP）。满量程加速度测量范围为±5 g，既可以测量动态加速度（例如振动），也可以测量静态加速度（例如重力）。在单芯片IC上实现高性能、双轴加速度计，环境温度范围：?40至+175；长寿命：保证1000小时（TA = 175时）。ADXL206是单芯片IC上的完整加速度测量系统，器件集成一个多晶硅表面微加工传感器和信号调理电路，以实现开环加速度测量架构。输出信号为模拟电压，与圆加速度成比例。ADXL206能够测量至少±5 g的正负加速度。该加速度计可以测量重力等静态加速力，因而可用作倾斜传感器。该传感器为多晶硅表面微加工结构，置于晶顶部。多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上，提供加速度力量阻力。差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成，能对结构偏转进行测量。固定板由180反相方波驱动。加速度使梁偏转，使差分电容失衡，从而使输出方波的幅度与加速度成比例。然后，使用相敏解调技术来对信号进行整流并确定加速度的方向。
2信号处理电路[]
该测斜仪由MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、温度传感器、压力传感器、信号调理电路及多通道ADC和数字信号处理电路和通讯电路等组成，完成倾斜角、方位角和工具面角等各种参数测量，通过泥浆脉冲发生器把测量数据实时传回地面。在地面显示出钻具姿态、位置、轨迹、环境状况等相关参数，供地面作业人员能够实时准确的掌握钻孔作业情况，避免钻孔施工的盲目性。
3 实验结果
3.1 标定台试验结果
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，通过控制转台姿态变化进行模拟，三轴陀螺角速率测量输出如图所示。表1为利用标定台测量的原始数据及程序计算的结果。使测斜仪的井斜分别为45°，15°，8°，方位角分别为0°，90°，180°，270°。其中，Gx、Gy、Gz为三轴加速度计测得数值。从仿真测井结果看，随钻测井仪具有较高的测量精度，完全满足实际需要。
3.2实际测井结果
表2为某油田钻井队在井钻到一定深度时，在造斜过程中分别测量的三次结果，上面的測量数据是其它公司生产的测斜仪测试的结果，下面的数据是本测斜仪测量的结果。从测量结果看，井斜角误差≤±0.2°，方位角误差≤±1.5°。
4 结论
应用MEMS传感器的随钻测斜仪的优点在于：体积小、成本低、可靠性高、响应快、可实现连续测量等特点，在应用范围，抗振性能、测量精度、全方位测量和连续测量等方面都有很强优势。即可以提高测量效率， 又能获得较单点测斜更多的信息， 同时可以缩小测斜仪的体积和降低测斜仪的成本。从测量精度上看，MEMS加速度传感器已在逐渐逼近石英加速度计，MEMS陀螺与动调陀螺或光纤陀螺还有较大距离，特别是时间漂移指标，但通过改进测量方法及使用方法是能基本满足随钻测量需要的。
本文采用的目前多数精度较高的MEMS传感器耐温值一般在105℃以内，且温漂影响较大，用时需要井下保温瓶进行保护；测斜仪使用的MEMS传感器参数要尽量一致；微型传感器要焊接牢固，焊接部位相对测斜仪骨架稳定，保证安装误差控制在尽量小的范围内。MEMS传感器有着极佳的抗震性，随着性能的不断改进提高，在随钻测量仪器领域有着越来越多的应用；