吉 玲 王泽超 贾建波 张冠祺 李 博

（中海油田服务股份有限公司，北京 101149）

旋转导向仪器中的液控单元是距离钻头最近的功能短节，也是工作振动环境最恶劣的井下工具[1-3]。旋转导向在井下受到严重的扭转振动、纵向振动以及横向振动[4-5]，继而产生黏滑、涡动等复杂形式的振动，剧烈的井下振动会导致钻井设备加速磨损，降低钻井安全性和钻井效率，使得钻井周期变长。目前，振动测量模块主要安装在距离钻头较远的随钻测井仪器中，其测量数据与旋转导向的实际工况相差甚大[6-7]。长期剧烈的振动不仅不利于旋转导向的轨迹控制，还会缩短翼肋、钻头等部件的使用寿命，同时对液控单元中装配的姿态测量模块、液压控制模块、电能转换模块等电路及各传感器的测量和寿命有很大影响。需要在液控单元中集成振动测量模块，从而实现对井下旋转导向工具工况的准确监控和数据收集，对充分发挥旋转导向工具的导向能力、防止钻具失效和对下部钻具组合（Bottom Hole Assembly，BHA）的动力学特性进行研究具有指导意义。结合井下振动测量需求，本文设计了旋转导向井下振动测量模块和支持三姿态的标定工装[8]。

1 传感器与工装设计

陀螺仪选择一款高性能角速率传感器。传感器采用大规模BiMOS表面微加工工艺制造，具有超强的抗振动能力，可在较恶劣的井下环境稳定工作。三轴加速度计选择了一款压电式三轴加速度计。为了能够适配于当前电路舱的骨架，传感器壳体设计为长54 mm、宽40 mm，通过4个螺钉与电路骨架连接。

振动传感器通过安装工装固定在电振动台上。本文为使用的传感器模块设计了专用的振动工装，支持3个传感器以不同的姿态同时标定，既能提高标定效率，又能互作数据验证。如图1和图2所示，工装底面垂直于地垂线，对准精度在若干角分之内，陀螺输入基准轴（Input Reference Axis，IRA）平行于转台轴。

图1 传感器安装工装模型

图2 传感器安装工装实物

2 模块的标定

2.1 加速度计的标定

经过前期数据调研和实际工程应用数据，旋转导向仪器在钻进过程中振动频率以140～200 Hz为主，故传感器标定的振动频率选取160 Hz。将传感器分别按照3种姿态安装于振动工装，依次在1g、2g、3g、5g、8g、15g及20g的幅值下以2 kHz的采样率展开标定。拟合得到标度因子K。对每段数据进行隔直处理，计算本段时间内的单调速率调度（Rate Monotonic Scheduling，RMS）值作为轴向与径向振动的阈值。图3展示了传感器模块在X轴的标定数据，表明该传感器的线性度较好，性能稳定。

图3 传感器模块X轴上的标定数据

2.2 陀螺仪的标定

先测得陀螺仪各温度下的零偏值，将转台置于零位不动，从0～100 ℃每隔20 ℃测量一组陀螺仪输出数据。对每个温度下测得的陀螺仪输出求平均，即得到该温度下的陀螺仪零偏值，并将其与对应的实际温度与传感器测量温度联立，见表1。

表1 温度与零偏关系

对各个温度点下的陀螺仪输出对实际转速的标度因数进行测量，对实际转速进行拟合，最终得到各个温度下输出关系曲线，标度因数见表2。

表2 温度与标度因数关系

综上所述，陀螺仪的温度补偿公式为

式中：X为测量转速；T为测量温度原始数据；Y为实际转速。

3 程序设计

振动电路具备高频数据采集和存储功能，且针对旋转导向特殊的井下通信环境设计了数据分析和精简程序。针对旋转导向特殊的泥浆脉冲实时遥传的通信方式，本文将井下钻具、仪器串的振动情况划分为横向振动（Whirl）、轴向振动（Bit Bounce）和黏滑（Stick/Slip）3类，如图4所示。并对不同的振动类型按照振动剧烈程度分成不同的等级，其中横向振动和轴向振动划分为8个等级，对应5种不同的剧烈程度，见表3。

表3 振动传感器横向振动或轴向振动阈值等级对照表

图4 井下横向、轴向振动及黏滑示意图

对于转动等级的计量，引入两个Stick-Slip表征量S1和S2。S1反映了最大值与最小值的分离程度，S2反映了10 s内反转时间所占的比例。S1和S2可反映井下工具转动的平稳状况，值越大，井下工具黏滞、滑动、再黏滞以及再滑动的往复性振动越强，工况越恶劣。基于S1与S2的各个转动等级参考值的设计见表4。

表4 转动等级与S1、S2值的关系

程序中设计了operation模式和standby模式两种工作模式。Standby模式主要用于地面调试，不保存振动数据，支持数据采集、数据处理和实时通信等功能，避免了长期测试占用内存空间。井下实钻时需将工具设置为operation模式，启动数据存储和井下数据处理功能。实时钻进过程中，振动测量模块将实时记录并存储当前振动环境的详细数据，包括时间戳、振动量级、振动频率及振动幅值等。为了提高实钻过程中数据传递的效率和钻井时效，仅上传振动量级和黏滑系数给地面工作间，定向井工程师依据收到的数据，实时判断井下工具的工况，以便采取合理的措施。operation模式下，当振动等级或转动等级不超过4时，仅存储原始数据；当振动等级或转动等级中的一个超过4时，将在存储原始数据的基础上同时存储特征数据。仪器返回地面可读取详细的原始数据和井下振动或转动等级大于4时存储的特征数据和原始数据，从而为作业分析提供完整的振动工况还原。

4 结语

针对旋转导向特殊位置和特殊井下实时泥浆数据遥传的通信模式，设计了数据精简程序和智能化的数据存储模式。振动测量模块安装于旋转导向仪器的液控电子舱，更接近钻头的位置，能准确反映旋转导向的关键部件液压总成和近钻头姿态测量模块的振动工况。振动测量模块的功能验证和标定工作表明，振动测量模块结构合理，能够可靠工作。实钻时用振动量级能实时反映旋转导向钻进过程中的振动状况，对提高旋转导向工作的时效性、可靠性以及井下工况的分析具有重要意义。