电子随钻测斜仪电路设计 李华召
摘要：电子随钻测斜仪是一种集机械、电子和钻井液脉冲技术为一体 ,利用高精度双轴SCA100T倾角传感器和C8051F020单片机来测量井斜的仪器。其工作原理为: 通过高精度倾角传感器测量井斜, 测得的井斜信息由控制机构传递给脉冲信号发生装置 , 该装置发出的信号通过钻井液以压力脉冲的形式传递给立管上的压力传感器 , 接收的信号由电子记录仪记录 , 根据记录的脉冲信号读出井斜角。
关键词：测斜仪 随钻测量 倾角传感器 单片机
1 前言
目前井斜测量大多采用测斜仪，测斜仪有照相式单多点测斜仪、电子单多点测斜仪、有线随钻测斜仪、无线随钻测斜仪等[1-2]。其中自浮式测斜仪应用最为广泛，但不能随钻测量，测斜时需要将其放入钻柱内部，泵送至井底，测斜完成后再停泵，工具靠浮力浮到井口，将测斜仪拆开读出井斜，测斜时间比较长。而易斜区块井需要测斜的次数较多，增加了测斜的时间和钻井周期。此外随着井深增加，当超过1500m后或钻井液粘度高时，采用自浮式测斜仪容易发生不能自浮到井口，只能起钻的问题。
国内胜利钻井院研制了机械式随钻测斜仪，其工作原理是采用重锤和阶梯环结构测量井斜，用脉冲头过节流环的结构发送脉冲信号，由地面接收仪器记录并读出井斜[3]。该工具具有抗高温、随钻测量和操作简单等优点，经过近8年的不断优化改进日趋成熟。我院于2006年开始研制机械式随钻测斜仪，经历了多次的现场试验与优化改进，测斜仪能够实现随钻测量功能，达到测斜工艺要求。
但机械式随钻测斜仪由于采用机械的结构测量井斜，井斜的精度较低（最高精度为±0.5°），井斜范围有限（0～10°），只能适用于直井的钻井工作条件，此外机械式测斜仪不能测量方位，不适应于定向井、水平井造斜和定向的测斜要求。
因此提出了“电子随钻测斜仪”的课题，采用倾角传感器测量井斜，采用脉冲发生器发送脉冲波，由地面仪器解读成井斜数值。具有测量精度高（±0.1°）、测量井斜范围大（0～90°）、工具成本低等优点。在海拉尔等易斜区块可实时监测井斜情况，井斜稍有增加，即可采取纠斜措施，有效避免了井斜发生；在定向井中可测井斜和方位并随钻监控，降低测斜劳动强度，提高工作效率。
2 测斜仪结构设计
2.1结构及原理
电子测斜仪由上接头、本体、脉冲头、控制模块等零部件组成，（如图1所示）。上接头（1）与本体（3）连接扣型为NC50钻杆扣，由控制模块（14）中的倾角传感器测量井斜和方位后，控制步进电机旋转一个角度α°，带动旋转盘（10）同样转动α°，旋转盘（10）带动导杆（6）旋转α°，使导杆（6）上的键进入控制内筒（9）上的键槽内，停泵后弹簧（8）推动脉冲头（5）上行到相应的节流环（4）处，再次开泵脉冲头（5）下行压缩弹簧（8），测斜仪复位，进行下次测量工作。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
图1 电子随钻测斜工具结构图
1-上接头；2-挡环；3-本体；4-节流环；5-脉冲头；6-导杆；7-弹簧扶正套；8-弹簧；9-控制内筒；10-旋转盘；11-阻尼阀；
12-内筒；13-步进电机；14-控制模块；15-电池；16-平衡活塞；17-电池管；18-悬挂体。
图2 导杆和控制内筒
图3 控制内筒键槽
1）导杆及控制内筒设计
如图1、2所示，导杆（6）上有一个键，控制内筒（9）上有10个键槽，每个键槽深度不同，电子测斜仪就是控制导杆（6）插入控制内筒（9）的相应键槽，上升的行程不同，则脉冲头处于节流环（4）中的位置也不同，开泵时就会产生相应的脉冲波。
2）脉冲信号发生器的设计
开泵后脉冲头在钻井液压力的作用下下行，脉冲头在节流环上部时泵压降低（如图4），脉冲头在节流环处（如图5）泵压升高，经过几个节流环就产生了相应数量的脉冲波，由地面接收记录仪监测出波的数量，转化成井斜值。
电子测斜仪设计10个节流环，依次从1至10个脉冲波，分2次开泵，测量精度（±0.1°）、测量井斜范围（0～90°）。如表1所示，以此类推至90°。
图4 脉冲头在节流环上部
图5 脉冲头在节流环处
表1 脉冲波对应井斜数值
第一次开泵脉冲波数量 第二次开泵脉冲波数量 井斜度数 第一次开泵脉冲波数量 第二次开泵脉冲波数量 井斜度数
1 10 0.0° 2 10 1.0°
1 0.1° 1 1.1°
2 0.2° 2 1.2°
3 0.3° 3 1.3°
4 0.4° 4 1.4°
5 0.5° 5 1.5°
6 0.6° 6 1.6
7 0.7° 7 1.7°
8 0.8° 8 1.8°
9 0.9° 9 1.9°
此外在直井中可根据井深降低井斜测量精度到±0.5°和降低测量范围（0～5°），如表2所示。
表2 脉冲波对应井斜数值
开泵脉冲波数量 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
井斜度数 0.5° 1° 1.5° 2° 2.5° 3° 3.5° 4° 4.5° 5°
3 电子测量模块设计
本文设计的电子测量模块应用现代传感技术、电子技术和计算机技术 ，核心部件采用高精度双轴SCA100T倾角传感器和高性能单片机C8051F020，仪器具有较高的测量精度、较好的抗震性和可靠性。3.1系统组成
图6 电路系统总体设计
根据不同的功能，系统可分为电源模块，传感器模块，核心控制模块，调试接口，通讯模块，软件模块。电源模块给系统中的芯片提供+5V和+3V电源，核心控制采用C8051F020单片机，通过芯片内嵌的软件和通信模块把测量的数据传递给上位机。如图6所示。
3.2 SCA100T传感器简介
SCA100T高精度双轴倾角传感器是芬兰VTI公司2005年最新推出的一种传感器（如图7） ,它利用了 MEMS（micro electro mechanical system） 技术开发生产，其体积小、重量轻。该器件内部包含了一个硅敏感微电容传感器和一个ASIC专用集成电路，ASIC电路集成了EEPROM存储器、信号放大器、AD转换器、温度传感器和SPI串行通信接口，组成了一个完整的数字化传感器。有土30度士90度两种量程，测量范围为1g，应用在测斜仪中，具有过阻尼敏感元，能避免振动的影响。通过使用单独的温度补偿，以及通过补偿倾斜面中的角度安装误差，能使测量非常准确。SCA100T倾角传感器采用量程为 ±90°时，其特点为[4-5]：
1）双轴倾角传感器；
2）测量范围 1g（± 90°）；
3）内置温度传感器；
4）长期稳定性能指标优于0.02°，抗冲击能力强；
5）高分辨率，低噪声 ，工作温度范围宽( -400C-1250C)；
6）有过阻尼感应元件，能够承受大于20000g的机械振动。
3.3测量原理
SCA100T是一种静态加速度传感器，当加速度传感器静止时(也就是侧面和垂直方向没有加速度作用)，作用在它上面的只有重力加速度，利用重力〔垂直)和加速度传感器灵敏轴的相对关系测量倾斜角.
SCA100T型倾角传感器的工作原理就是利用测量重力加速度的分量来测量倾角，当传感器静止时，即没有水平或垂直方向的加速度时，重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。当SCA1OOT的传感轴与重力矢量垂直，即与水平面平行时，SCA1OOT对斜度十分灵敏。在这个方向上，SCA1OOT对倾斜度变化的灵敏度最高，而当SCA1OOT的传感轴与重力方向一致，即在士1g时，对倾斜度变化的灵敏度最低。
倾角传感器SCA100T的传感轴安装为与测斜仪轴向垂直，采用双轴测量值合成来计算倾斜角，在小倾角测量时，具有高分辨率和高精度的特点。该传感器的每个轴可以检测1-90度之间的倾角，所对应的输出电压为0.5-4.5V。该传感器是一种极距变化型电容式传感器，根据所受重力的大小而改变其电容两极板间的距离，从而改变其电容的大小，最终引起输出电压的变化。VTI的硅电容式传感器由一对平行板组成，在发生倾角变化时质量块受到重力作用，改变了平行板间距引起电容量变化，从而测量出角度变化。假设，分别表示SCAl00T的X轴和Y轴倾角变化的情况.
加速度敏感轴信号输出与重力加速度之间关系如下:
（1）
（2）
其中，和代表加速度传感器的输出，g是以重力作为参考的加速度值。假设作为井斜角，在传感器上建立如图8所示的附体坐标系，根据刚体坐标变换原理求得值。
图8 水平放置方法
=
= （3）
其中为坐标变换矩阵
由于：
（4）
则：
， （5）