旋转导向钻井工具井下姿态动态测量系统的研究与实现

旋转导向钻井工具井下姿态动态测量系统的研究与实现

韩德宇

哈里伯顿（中国）能源有限公司 天津市 300457

摘要:旋转导向钻井工具井下姿态与导航由三轴加速度计与三轴磁通门测量。但安装在旋转导向仪器上的三轴加速度计受到钻进中冲击震动的影响，往往噪声淹没了测量信号。而测量大地磁场的磁通门极易受到旋转导向仪器磁性材质的干扰。本项研究模拟计算了以上两种不利因素的影响程度，提出了规避磁通门测量不利因素的结构设计与加工材质，开发了重力加速度信号恢复滤波算法，室内测试与现场试验获得满意效果。

关键词：井下姿态动态测量 旋转导向钻井仪器 随钻仪器

前言

石油和天然气主要通过钻井从地下获得。随着地球浅部、易开发资源的枯竭，近几年国内新疆与四川地区已转向埋深8000米以上的超深井、非常规页岩油气资源开发。高效开发的唯一途径是大位移水平井，水平井的钻进轨迹控制离不开旋转导向钻井技术，旋转导向仪器的核心技术之一就是在高震动、复杂磁场环境下连续准确测量旋转导向仪器姿态。

一、三轴磁通门传感器规避磁干扰研究

以6.75英寸旋转导向仪器为例，由于旋转导向仪器在复杂钻井过程中需要承受数万牛米的超高扭力与数百吨的推拉力，其对材料力学参数要求很高。但考虑到磁通门传感器对磁性金属材料的敏感性，行业内一般使用高强度无磁钢作为旋转导向仪器的主体加工材料。尽管如此，但钻头、驱动轴、马达、发电机、电路中变压器、方位伽玛射线钨合金屏蔽体等磁性材料与器件仍然会对磁通门的测量精度造成干扰。

由于软件模拟计算很难得到一个可信的结果，我们搭建了一个模拟测试装置。选择上述各种可能遇到的磁性材料，在开阔的场地上搭建可移动式磁场测试平台，使用标准磁通门传感器与配套电路，以及高精度磁场强度测量仪表，按不同方位与距离测试磁场影响。具体过程在此不予详述。

结论：可接受距离不小于1米，安全距离1.6米以上。需要注意的是不同磁性材料或器件规避距离并不一致，试验结论取其最大距离。

二、三轴加速度计振动研究与信号处理

1、随钻仪器产生振动主要来源有两个：一是泥浆泵循环钻井液造成钻柱的振动。由于泥浆泵振动产生噪声和正弦谐波特性，可以很容易地发现和建模处理。第二种震动是当钻头破岩时形成三种类型的振动：

a、由于钻头底部跳跃导致的沿着工具转动轴的垂向振动；

b、钻柱屈曲或由机械共振产生的垂直于工具旋转轴的横向振动；

c、侧削井壁产生的角震动；

模拟振动频率范围从5赫兹到400赫兹，加速度峰值幅度为14g。一个随机振动的设计包括从低频开始的整个范围5 - 30赫兹，并上升到400赫兹。这有效地模拟了钻井过程中的振动环境。

2、由于钻进过程中随机振动无法回避，需要对各轴加速度计信号进行复杂处理。信号处理分为两步，第一步利用电路硬件完成初步处理（图2），第二步在DSP中使用复杂的滤波算法进一步恢复信号。

2.1 小波算法降噪处理效果

（图1）

2.2 利用卡尔曼滤波限制加速度计测量误差累积，顺序递归算法如下（图2）

（图2）

2.2 仪器中卡尔曼滤波处理流程（图3）

（图3）

三、电路设计（如图4）

（图4）

四、结论

本项研究实现了旋转导向钻井工具井下姿态动态测量，测量精度达到钻井轨迹控制要求精度。设计了传感器与电路模块及信号处理算法并成功用于井下试验。该模块与算法还可用于MWD动态测量与近钻头仪器。

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