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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。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。
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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
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