摘  要： 选用国产传感器并进行补偿算法和信号处理" title="信号处理">信号处理算法研究，设计了高精度的随钻测斜系统。介绍了随钻测斜仪" title="随钻测斜仪">随钻测斜仪的主要测量原理、测量参数，详细说明了本系统的设计原理图、测量方法、硬件电路、软件设计。
    关键词： 随钻测斜仪  实时测量  信号处理

    在油田钻井过程中，因受油层上方的公路、建筑物、湖泊及山脉等影响，不能采用垂直钻井的方法，因此采用定向钻井技术是油田钻井的关键。定向井的精确测量和准确定位是定向钻井成功与否的重要因素之一，而随钻测斜是大斜度井、水平井和小眼井及侧钻多分支井油藏评价的重要手段，是定向井的关键技术^[1]。
    目前国内各油田使用的高精度随钻测斜系统大多是从国外引进的，价格昂贵，生产周期长，维修不便。国内也有几个公司推出了随钻测斜仪，但是传感器是选用的国外产品，价格昂贵。为此本系统选用国产传感器进行补偿算法和信号处理算法研究，提出软硬件实现方案，设计高精度的具有自主知识产权的随钻测斜系统，提高系统的性价比。
1 测量原理及参数
    随钻测斜仪可在不中断钻井过程的条件下准确、可靠、实时地测量各种钻井参数（井斜、方位等），使定向人员便于控制井眼轨迹。这样钻出的井眼轨迹圆滑，井身质量好，减少了因井身质量差而造成的钻井事故^[2]。
    定向钻井过程中，为了能有效控制井眼轨迹，必须对井斜、方位、工具面等参数有精确的测量。在无磁环境中，这些参数通常由随钻测斜仪完成测量。随钻测斜仪输出数据要转化为钻井工程技术人员需要的角度参数必须经过坐标变换，变换后的参数形式才为井斜、方位、重力工具面角和磁性工具面角^[3]。具体定义如下：
    (1)井斜角β，井眼中心线与垂线之间的夹角，如图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 范围是0°～180°。
                                  

    (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夹角,如图1所示。磁北方向和真北方向不同，并且各地区的磁偏角也不相同。方位角在0°～360°" title="360°">360°之间变化。当井斜是0°时，方位角也就无法确定。

    (3)重力工具面角，也叫高边" title="高边">高边工具面角（GTF），是俯视井眼方向仪器斜口朝向相对于井眼高边顺时针方向旋转的角度，如图2所示。高边工具面角在0°～360°之间变化，当井斜为0°时，高边工具面角不确定。

                           
    (4)磁性工具面角，如图3所示，是俯视井眼方向仪器斜口朝向与磁北方向之间的夹角。磁性工具面角（MTF）在0°～360°之间变化。当井眼轴线方向恰好在地球的极点，磁性工具面角也就无法测出。

                                     
2 系统原理及主要技术指标
    本系统以单片机为核心进行开发，从硬件和软件两个方面入手进行协同设计，借鉴国内外现有测斜系统及技术的经验，研究高精度随钻测斜系统。本系统的原理框图如图4所示。

                              
    本系统所研制的高精度随钻测斜系统和国外同类产品相比，具有精度高、价格低的优势。主要技术指标如下：

    井斜角的最大误差：±0.1°；    
    方位角的最大误差：±1°。
3 硬件设计
    井下探管部分采用高性能单片机AT89C51ED2，增强了系统的控制作用，减化了外围电路的元器件设计，电路可靠性能提高，从而使整个系统的可靠性大大提高。本设计采用美国模拟器件公司生产的200ks/s、四通道、16位串行通讯数据采集模数转换器——AD974。其具有高通过率、低功耗、高精度等特性，该器件集成外围器件，采用串行通讯方式，极大简化数据采集电路的设计。由于各部分均为模块化设计，其系统便于维修。系统采集得到的数据通过UART串口将数据上传到上位机或地面随钻测斜设备并可存储到系统Flash中。因为可以将数据交给上位机设备进行处理，所以降低了采集系统的负担，增加了系统处理的灵活性。
    本系统将设计分成几个不同的层次，按照自上而下的顺序，在不同的层次上对系统进行设计。以软硬件协同设计思想，采用结构化的软硬件设计方法，整个测量系统由A/D转换模块、信号处理模块、数据存储和读取模块、逻辑控制模块、单片机控制模块、计算机接口模块等组成。整个系统的程序在线更新下载功能由下载模块完成，灵活更新系统软件以便符合实际工程的需要。本系统所设计的单片机处理部分主体硬件电路图如图5所示。

                            
4 软件设计
    为了提高编制单片机应用程序的效率，改善程序的可读性和可移植性，本系统采用单片机高级语言C51编程[4]。本系统利用AT89C51ED2提供的在线编程功能直接通过微机系统上的I/O口对系统进行编程，写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。单片机可以通过计算机实时修改数据，对某些功能可以实时调整，这种方法给工业仪器仪表中传感器修正系数的更换或监控软件的升级带来了很大方便。系统程序流程图如图6所示。

                               
5 实验结果分析
    在传感器信号进行单片机补偿滤波之前，会存在传感器自身的误差及一定的安装误差，这个误差可能会很大程度上影响测量参数的结果。在所有的测量参数中，最重要的测量参数是井斜和方位，利用标准测量架进行检测，测得的数据结果如表1所示。

                             
    实验数据表明，利用本文所采用的补偿算法及所设计的滤波器进行补偿后，效果比较理想，误差较小，测量精度满足现场实际的测量要求，达到了本文提出的精度指标:
    井斜误差ΔINC≤±0.1°；
    方位误差ΔAz≤±1.0°。
    本系统结合实际生产中的科研课题，开展了大量的理论研究，设计了高精度随钻测斜仪，使用目前精度较高的非民用磁通门与加速度计传感器组合来实现实时测量，采用性能较高的单片机作数据处理，并对采集的数据进行补偿修正来消除多种误差的影响，实现了随钻测斜仪中传感器的国产化，具有生产时间短、体积小、重量轻、价格低廉等优点。
参考文献
[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] 刘匡晓. 随钻测斜系统的数学模型分析及应用[J].石油仪器，1996，10（2）：37-39.
[4] 徐爱钧，彭秀华. 单片机高级语言C51应用程序设计[M]. 北京：电子工业出版社，1998:15-43.