旋轉導向儀器井下振動測量及其標定

吉 玲 王澤超 賈建波 張冠祺 李 博

（中海油田服務股份有限公司，北京 101149）

旋轉導向儀器中的液控單元是距離鉆頭最近的功能短節，也是工作振動環境最惡劣的井下工具[1-3]。旋轉導向在井下受到嚴重的扭轉振動、縱向振動以及橫向振動[4-5]，繼而產生黏滑、渦動等復雜形式的振動，劇烈的井下振動會導致鉆井設備加速磨損，降低鉆井安全性和鉆井效率，使得鉆井周期變長。目前，振動測量模塊主要安裝在距離鉆頭較遠的隨鉆測井儀器中，其測量數據與旋轉導向的實際工況相差甚大[6-7]。長期劇烈的振動不僅不利于旋轉導向的軌跡控制，還會縮短翼肋、鉆頭等部件的使用壽命，同時對液控單元中裝配的姿態測量模塊、液壓控制模塊、電能轉換模塊等電路及各傳感器的測量和壽命有很大影響。需要在液控單元中集成振動測量模塊，從而實現對井下旋轉導向工具工況的準確監控和數據收集，對充分發揮旋轉導向工具的導向能力、防止鉆具失效和對下部鉆具組合（Bottom Hole Assembly，BHA）的動力學特性進行研究具有指導意義。結合井下振動測量需求，本文設計了旋轉導向井下振動測量模塊和支持三姿態的標定工裝[8]。

1 傳感器與工裝設計

陀螺儀選擇一款高性能角速率傳感器。傳感器采用大規模BiMOS表面微加工工藝制造，具有超強的抗振動能力，可在較惡劣的井下環境穩定工作。三軸加速度計選擇了一款壓電式三軸加速度計。為了能夠適配于當前電路艙的骨架，傳感器殼體設計為長54 mm、寬40 mm，通過4個螺釘與電路骨架連接。

振動傳感器通過安裝工裝固定在電振動臺上。本文為使用的傳感器模塊設計了專用的振動工裝，支持3個傳感器以不同的姿態同時標定，既能提高標定效率，又能互作數據驗證。如圖1和圖2所示，工裝底面垂直于地垂線，對準精度在若干角分之內，陀螺輸入基準軸（Input Reference Axis，IRA）平行于轉臺軸。

圖1 傳感器安裝工裝模型

圖2 傳感器安裝工裝實物

2 模塊的標定

2.1 加速度計的標定

經過前期數據調研和實際工程應用數據，旋轉導向儀器在鉆進過程中振動頻率以140～200 Hz為主，故傳感器標定的振動頻率選取160 Hz。將傳感器分別按照3種姿態安裝于振動工裝，依次在1g、2g、3g、5g、8g、15g及20g的幅值下以2 kHz的采樣率展開標定。擬合得到標度因子K。對每段數據進行隔直處理，計算本段時間內的單調速率調度（Rate Monotonic Scheduling，RMS）值作為軸向與徑向振動的閾值。圖3展示了傳感器模塊在X軸的標定數據，表明該傳感器的線性度較好，性能穩定。

圖3 傳感器模塊X軸上的標定數據

2.2 陀螺儀的標定

先測得陀螺儀各溫度下的零偏值，將轉臺置于零位不動，從0～100 ℃每隔20 ℃測量一組陀螺儀輸出數據。對每個溫度下測得的陀螺儀輸出求平均，即得到該溫度下的陀螺儀零偏值，并將其與對應的實際溫度與傳感器測量溫度聯立，見表1。

表1 溫度與零偏關系

對各個溫度點下的陀螺儀輸出對實際轉速的標度因數進行測量，對實際轉速進行擬合，最終得到各個溫度下輸出關系曲線，標度因數見表2。

表2 溫度與標度因數關系

綜上所述，陀螺儀的溫度補償公式為

式中：X為測量轉速；T為測量溫度原始數據；Y為實際轉速。

3 程序設計

振動電路具備高頻數據采集和存儲功能，且針對旋轉導向特殊的井下通信環境設計了數據分析和精簡程序。針對旋轉導向特殊的泥漿脈沖實時遙傳的通信方式，本文將井下鉆具、儀器串的振動情況劃分為橫向振動（Whirl）、軸向振動（Bit Bounce）和黏滑（Stick/Slip）3類，如圖4所示。并對不同的振動類型按照振動劇烈程度分成不同的等級，其中橫向振動和軸向振動劃分為8個等級，對應5種不同的劇烈程度，見表3。

表3 振動傳感器橫向振動或軸向振動閾值等級對照表

圖4 井下橫向、軸向振動及黏滑示意圖

對于轉動等級的計量，引入兩個Stick-Slip表征量S1和S2。S1反映了最大值與最小值的分離程度，S2反映了10 s內反轉時間所占的比例。S1和S2可反映井下工具轉動的平穩狀況，值越大，井下工具黏滯、滑動、再黏滯以及再滑動的往復性振動越強，工況越惡劣?；赟1與S2的各個轉動等級參考值的設計見表4。

表4 轉動等級與S1、S2值的關系

程序中設計了operation模式和standby模式兩種工作模式。Standby模式主要用于地面調試，不保存振動數據，支持數據采集、數據處理和實時通信等功能，避免了長期測試占用內存空間。井下實鉆時需將工具設置為operation模式，啟動數據存儲和井下數據處理功能。實時鉆進過程中，振動測量模塊將實時記錄并存儲當前振動環境的詳細數據，包括時間戳、振動量級、振動頻率及振動幅值等。為了提高實鉆過程中數據傳遞的效率和鉆井時效，僅上傳振動量級和黏滑系數給地面工作間，定向井工程師依據收到的數據，實時判斷井下工具的工況，以便采取合理的措施。operation模式下，當振動等級或轉動等級不超過4時，僅存儲原始數據；當振動等級或轉動等級中的一個超過4時，將在存儲原始數據的基礎上同時存儲特征數據。儀器返回地面可讀取詳細的原始數據和井下振動或轉動等級大于4時存儲的特征數據和原始數據，從而為作業分析提供完整的振動工況還原。

4 結語

針對旋轉導向特殊位置和特殊井下實時泥漿數據遙傳的通信模式，設計了數據精簡程序和智能化的數據存儲模式。振動測量模塊安裝于旋轉導向儀器的液控電子艙，更接近鉆頭的位置，能準確反映旋轉導向的關鍵部件液壓總成和近鉆頭姿態測量模塊的振動工況。振動測量模塊的功能驗證和標定工作表明，振動測量模塊結構合理，能夠可靠工作。實鉆時用振動量級能實時反映旋轉導向鉆進過程中的振動狀況，對提高旋轉導向工作的時效性、可靠性以及井下工況的分析具有重要意義。