胜利油田科技创新创效成果专题论文

胜利油田科技创新创效成果专题论文 SDM无线随钻测斜仪的研究及应用 钻井工程技术公司 2010年06月 一(课题来源及研究意义 无线随钻测斜仪是定向井、水平井施工中不可缺少的测量仪器，它通过测量传感器测得井眼的井斜角、方位角和工具面角等参数，通过无线传输把测量数据实时传输到地面，现场工程师根据测量数据及时调整井眼轨迹，确保钻头按照井眼轨迹设计方向钻进，顺利达到设计靶区。 目前在国内使用的无线随钻测斜仪中钻井工程技术公司引进的美国哈里伯顿公司的无线随钻测斜仪性能可靠，测量精度高，无故障工作时间长，比其他类型的无线随钻测斜仪工作可靠。近年来随着定向井、水平井的增加，特别是油田外部市场的迅猛发展，对无线随钻测斜仪的需求越来越大，而公司目前现有的无线随钻测斜仪远远不能满足生产需要。同时随着仪器的老化，每年都要有一定数量的仪器报废，造成测量仪器的紧张。针对这种情况，钻井工程技术公司组织青年科技人员对进口无线随钻测斜仪进行研究，研制开发具有自主知识产权的SDM无线随钻测斜仪，应用于定向井、水平井的生产，从而降低仪器的购买成本，提高公司定向井、水平井的施工能力。 二(课题的攻关任务 (一)主要研究 1、SDM无线随钻测斜仪测量探管的研究与制造 2、SDM无线随钻测斜仪泥浆脉冲发生器的研究与制造 3、SDM无线随钻测斜仪的现场应用 (二)技术关键: 1(测量探管的测量精度。 2(泥浆脉冲发生器的工作时间。 (三)技术指标 1(工作温度:-25?-- +125?; 2(无故障工作时间大于500小时; 3(测量精度应达到: 井斜角测量精度: 0º,180º?0.2º 1 方位角测量精度: 0º,360º?2.0º 工具面角测量精度: 0º,360º?2.0º 三(主要研究内容 (一)测量探管的研究与制造 1(测量探管的结构分析 SDM测量探管主要由以下几部分组成: a.传感器短节:三轴加速度计，三轴磁通门。 b.探管外筒及支架:探管外筒用于承托、容纳、密封内部构造部件，支架用于安装固定线路板，连接传感器短节。 c.电路板总成:CPU板、A/D转换板和传感器板。 2(测量探管的测量原理 测量探管主要是在钻井过程中的某一井段或完井后，测出实际井筒是否与设计井筒的轨迹一致，即测井轨迹上足够多的有限点的坐标值。鉴于在实际操作中无法实施在笛卡尔坐标系中的直接测量，而采用了极坐标。利用地球本身固有的两个物理量，即重力加速度和地磁场强度，以得到井斜和方位，加上由钢丝电缆或钻杆提供的井深，从而计算出各测点的坐标值。因此,坐标系的确定，直接决定着运动方程的建立，测量参数的公式推导，以及象限判断等。当然，不同的设计，可以有不同的坐标取向，但必须遵守右手定则。650型MWD测量探管采取了Gx、Gy、Gz和Bx、By、Bz取向一致，同时规定了Gx、Gy、Gz分别与地球重力加速度一致的方向为正方向，Bx、By、Bz分别与地球磁场强度的方向一致的方向为正方向。 650型MWD测量探管的传感器由三个重力加速度计(Gx、Gy、Gz)三个磁通门(Bx、By、Bz)和一个温度传感器组成。工作时，仪器中的三个相互垂直安装的重力加速度计把井下仪器当时的物理姿态相对与重力的变化，从三个互相垂直的方向测量出来，并转换成电信号;仪器的三个磁通门传感器也同时把仪器的这一物理姿态相对与地磁场的变化，从三个互相垂直的方向测量出来，并转换成电信号;温度传感器把当时井下仪器工作的环境温度测量出来，并转换成电信号。重力加速度计和磁通门传感器是轴向敏感元件，它们的输出电压与它们轴向转动 2 的角度的余弦值成比例。而温度传感器不是轴向敏感元件，它与通过电路的电流 成比例。 利用三个重力加速度计(Gx、Gy、Gz)和三个磁通门(Bx、By、Bz)传感 器测量的分量值，通过相应的计算公式，就可得到相应的井斜角α、高边工具1面角α以及方位角α等参数。 23 221/2α=arctan(Gx+Gy)/Gz (1) 1 式中 α—井斜角; 1 Gx —X轴加速度计分量输出值; Gy —Y轴加速度计分量输出值; Gz —Z轴加速度计分量输出值。 α=arctan(Gy/-Gx) (2) 2 式中 α—高边工具面角; 2 Gx —X轴加速度计分量输出值; Gy —Y轴加速度计分量输出值。 α=arctan(B1/B2) (3) 3 B1=-Bx*sinα-By*cosα(4) 22 B2=cosα*(Bx*cosα-By*sinα)+Bz*sinα(5)1221 式中 α—方位角; 3 α—井斜角; 1 α—高边工具面角; 2 Bx —X轴磁通门传感器分量输出值; By —B轴磁通门传感器分量输出值; Bz —Z轴磁通门传感器分量输出值。 2221/2Gt=(Gx+Gy+Gz) (6) 式中 Gt —重力加速度的矢量和; Gx —X轴加速度计分量输出值; Gy —Y轴加速度计分量输出值; Gz —Z轴加速度计分量输出值。 2221/2Bt=(Bx+By+Bz) (7) 3 式中 Bt—磁场强度; Bx —X轴磁通门传感器分量输出值; By —Y轴磁通门传感器分量输出值; Bz —Z轴磁通门传感器分量输出值。 3(测量探管的工作模式 SDM测量探管的工作模式有8种，分别对应不同的测量方式，模式1至模 式4为开泵测量模式，模式5至模式8为停泵测量模式，现场工程师根据实际情 况进行选择。 模式1 :自动工具面开泵测量 工作顺序: ? 预热。 ? 预备脉冲:0.5赫兹10个脉冲， 0.8赫兹16个脉冲。 ? 短/长随钻测量数据。 ? 工具面数据组。 ? 仪器数据组。 模式1的参数见表1。 频 率 0.5赫兹 0.8赫兹 频率改变窗口 30秒-50秒 30秒-50秒 测量改变窗口 76秒-96秒 66秒-86秒 首次测量存储 90秒 80秒 第一个工具面 90秒 75秒 第一个井斜角(短/长测量) 128秒/182秒 99秒/133秒 第一个方位角(短/长测量) 152秒/260秒 114秒/181秒 表1 工作模式1 模式2 :自动工具面开泵测量 工作顺序: ? 预热。 ? 预备脉冲:0.5赫兹10个脉冲， 0.8赫兹16个脉冲。 ? 短/长随钻测量数据。 4 ? 工具面数据组。 ? 仪器数据组。 ? 工具面数据组。 ? 随钻短测量数据组。 ? 工具面数据组。 ? 转至?。 模式2的参数见表2。 频 率 0.5赫兹 0.8赫兹 频率改变窗口 30秒-50秒 30秒-50秒 测量改变窗口 76秒-96秒 66秒-86秒 首次测量存储 90秒 80秒 第一个工具面 90秒 75秒 第一个井斜角(短/长测量) 128秒/182秒 99秒/133秒 第一个方位角(短/长测量) 152秒/260秒 114秒/181秒 表2 工作模式2 模式3 :开泵只测量 工作顺序: ? 预热。 ? 预备脉冲:0.5赫兹20个脉冲， 0.8赫兹32个脉冲。 ? 短/长随钻测量数据-存储。 ? 短/长随钻测量数据-存储。 ? 短/长随钻测量数据-存储。 ? 脉冲停止 模式3的参数见表3。 频 率 0.5赫兹 0.8赫兹 频率改变窗口 30秒-50秒 30秒-50秒 测量改变窗口 96秒-116秒 86秒-106秒 首次测量存储 90秒 80秒 5 第一个井斜角(短/长测量) 120秒/174秒 101秒/135秒 第一个方位角(短/长测量) 144秒/252秒 116秒/184秒 表3 工作模式3 模式4 :只有重力工具面开泵测量 工作顺序: ? 预热。 ? 预备脉冲:0.5赫兹10个脉冲， 0.8赫兹16个脉冲。 ? 随钻测量数据。 ? 工具面数据组。 ? 仪器数据组。 ? 继续工具面数据组。 模式4的参数见表4。 频 率 0.5赫兹 0.8赫兹 频率改变窗口 30秒-50秒 30秒-50秒 测量改变窗口 76秒-96秒 66秒-86秒 首次测量存储 90秒 80秒 第一个工具面 90秒 75秒 第一个井斜角(短/长测量) 128秒/182秒 99秒/133秒 第一个方位角(短/长测量) 260秒 181秒 表4 工作模式4 模式5 :自动工具面停泵测量 工作顺序: ? 预热。 ? 预备脉冲:0.5赫兹10个脉冲， 0.8赫兹16个脉冲。 ? 短/长随钻测量数据。 ? 工具面数据组。 ? 仪器数据组。 ? 继续工具面数据组。 模式5的参数见表5。 6 频 率 0.5赫兹 0.8赫兹 频率改变窗口 30秒-50秒 30秒-50秒 测量改变窗口 76秒-96秒 66秒-86秒 首次测量存储 76秒 66秒 第一个工具面 90秒 75秒 第一个井斜角(短/长测量) 128秒/182秒 99秒/133秒 第一个方位角(短/长测量) 152秒/26秒0 114秒/181秒 表5 工作模式5 模式6 :自动工具面停泵测量 工作顺序: ? 预热。 ? 预备脉冲:0.5赫兹10个脉冲， 0.8赫兹16个脉冲。 ? 短/长随钻测量数据。 ? 工具面数据组。 ? 仪器数据组。 ? 工具面数据组。 ? 随钻短测量数据组。 ? 工具面数据组。 ? 转至?。 模式6的参数见表6。 频 率 0.5赫兹 0.8赫兹 频率改变窗口 30秒-50秒 30秒-50秒 测量改变窗口 76秒-96秒 66秒-86秒 首次测量存储 76秒 66秒 第一个工具面 90秒 75秒 第一个井斜角(短/长测量) 128秒/182秒 99秒/133秒 第一个方位角(短/长测量) 152秒/260秒 114秒/181秒 表6 工作模式6 模式7 :停泵测量 7 工作顺序: ? 预热。 ? 预备脉冲:0.5赫兹10个脉冲， 0.8赫兹16个脉冲。 ? 短/长随钻测量数据-存储。 ? 短/长随钻测量数据-存储。 ? 短/长随钻测量数据-存储。 ? 脉冲停止 模式7的参数见表7。 频 率 0.5赫兹 0.8赫兹 频率改变窗口 30秒-50秒 30秒-50秒 测量改变窗口 96秒-116秒 86秒-106秒 首次测量存储 90秒 80秒 第一个井斜角(短/长测量) 120秒/174秒 101秒/135秒 第一个方位角(短/长测量) 144秒/252秒 116秒/184秒 表7 工作模式7 模式8 :只有重力工具面停泵测量 工作顺序: ? 预热。 ? 预备脉冲:0.5赫兹10个脉冲， 0.8赫兹16个脉冲。 ? 随钻测量数据。 ? 工具面数据组。 ? 仪器数据组。 ? 继续工具面数据组。 模式4的参数见表4。 频 率 0.5赫兹 0.8赫兹 频率改变窗口 30秒-50秒 30秒-50秒 测量改变窗口 76秒-96秒 66秒-86秒 首次测量存储 90秒 75秒 第一个工具面 260秒 181秒 8 第一个井斜角(短/长测量) 128秒/182秒 99秒/133秒 第一个方位角(长测量) 76秒 66秒 表8 工作模式8 4( 电路板的设计与制作 (1)存在问题分析 为了更好的设计测量探管的电路板，我们对进口产品进行详细的分析，找出其中的缺点与不足加以改进。首先对进口产品的原理图作了详细的分析，对原产品的设计思想和工作原理有了深入的理解，其次我们对原有的印刷板也进行了分析和实验，同时结合维修过程中出现的问题，找出了其缺点和不足，其主要问题有以下几个方面: ? 元器件老化 MEP探管是90年代初期的产品，当时的电路板设计全靠手工布线，其布线的合理性较差，加上当时的印制板板基发展水平所限，以及敷铜技术的不完善，所以原有的印制板本身的质量不高。这样的线路板经过2-3次更换元器件后，其敷铜皮很容易剥落，经过2-3次维修的线路板，其可靠性是比较低的。 由于进口原装线路板价格高，所以只能少量进口，并且进货周期长，国外供货商供应的都是库存多年的线路板，所以即使少量进口也很难满足生产需要，同时其可靠性也大打折扣。 国外公司在维修井下仪器时，一般是直接更换整块的线路板，这样做看起来维修成本高，但是这样做带来的好处是能够有效地保证可靠性。而我们因为没有更多的备用的线路板，所以只能在一块旧线路板上不断地修理更换，这样经过几次维修后，同一块线路板上新旧元器件混杂，有刚刚换上的新元器件，其寿命长，有临近使用寿命的元器件，很多元器件经过长时间使用，其可靠性严重降低，整个线路板的可靠性是无法保证的。 ? 电路设计缺陷 脉冲器电磁阀驱动电路，限于当时元器件选择上困难，原设计有不足的地方，该驱动电路用于驱动有负载的电磁阀，属于功率驱动，在电路设计上要十分讲究。 在实际的使用维修过程中，我们发现驱动电路部分的用于开关驱动的三极管非常 9 容易损坏。经过分析，发现其容易损坏的原因是:在正常情况下，电磁阀的负载是相对固定的，这时相应的驱动电压和驱动电流也是基本固定的，在三极管的额定范围内，不会出现问题。而在某些特定的情况下(比如脉冲器内部的液压油变脏、部分部件磨损、内部进泥浆等，这种情况比较常见)，电磁阀的负载会急剧加大，这样驱动电磁阀的功率需求就会增大，由此产生过流，严重时就会损坏开关驱动三极管。因为原设计采用的是晶体三极管，相对场效应管来说，晶体三极管的工作温度低，开关速度慢，额定电流小，自身功耗大，噪声大，更易受干扰，并且容易产生二次击穿，在恶劣的环境下(如高温)，更容易损坏。由此看来，此部分线路原设计存在问题，有改进的必要。 ? 采用分立元件，功耗大，易损坏。 MEP探管在地面调试时用RS232串口协议与地面终端调试设备或计算机通讯，而NSC800微处理器的串口电平是TTL电平，这就需要有一个电平转换线路，在RS232和TTL电平之间进行转换，否则就无法进行通讯。原电路在设计时，还没有专用的单片串口电平转换芯片问世，当时的电平转换芯片由MC1488和MC1489，由于没有军品温度等级的芯片，所以也无法采用，只能用分立元件来设计这部分电路，这样带来的问题是功耗大，抗干扰能力不强，可靠性差，易损坏。 ? A/D转换板 A/D转换板用于模拟量(三轴重力加速度，三轴地磁场强度等)的A/D转换，在A/D转换板中，有一个重要的部分就是 7.5V基准参考，它作为A/D转换的基准参考源，能够保证A/D 转换的精确度，由此看来它的稳定准确与否直接影响A/D转换的稳定度和准确度。原线路的7.5V产生线路是固定不可调的，线路中的元器件经过长期使用后会老化，参数变化，稳定性也变差，这样就会导致7.5V基准稳定性差，温漂和误差变大，直接影响A/D转换的精度。 A/D转换板上的运放和比较器的型号也都是很老的型号，由于是老型号，其性能指标较低，功耗大，噪声大，温漂也大，这也直接影响精度。并且这些运放 和比较器由于型号较老，都已经停产，市场很难买到，即使买到也是假冒的或早期生产的库存，用这样的器件对MEP的危害是极大的。 ? 传感器电路板 10 传感器电路板上使用的运放型号老旧，工作温度低，温漂较大，与现在的高性能运放相比，在很多性能指标上都稍逊一筹，并且由于是老型号，损坏后无法找到替换器件。 (2)电路板的设计与改进 测量电路板主要由三部分组成:CPU板、A/D转换板和传感器板。传感器板对传感器的小信号进行放大和解调，解调后的信号送到A/D转换板进行A/D转换变成数字量，该数字量送至CPU板进行处理，得到所需的测量数据，再根据程序运行的需要进行编码，变成曼彻斯特编码序列，驱动脉冲器的电磁阀变成压力脉冲。 CPU板主要完成控制数据的采集、计算数据、编码等功能。该板上有NSC800微处理器，NSC810 I/O芯片(带16位时钟)，供电电源接口，A/D转换接口，8K EPROM程序存储器，128字节RAM 数据存储器，1024字节电容储能后备CMOS存储器。 A/D转换板主要是对九个参数和一个7.5V参考电压进行A/D转换，变成14BIT数字量。 传感器板主要包括与三轴加速度计和三轴磁通门相关的模拟控制回路、独立的温度补偿控制回路和激励震荡电路和变压器驱动电路。 以原MEP原理图为基础，重新设计CPU板、A/D转换板、传感器板，设计中根据分析得出的问题尽量使用新技术和新型元器件，以达到提高性能和可靠性，降低维修成本的要求。 使用EDA软件重新布线，布线时充分考虑电磁兼容性、维修测试点等，线宽在可能的情况下下尽量加宽，地线处理合理科学，制板时使用高质量板基材料。 三种线路板的接线位置和测试点与原板完全相同，既可以完全代换原MEP的线路板，也可以单独替换MEP的某一块或两块线路板，线路板与原MEP完全兼容，方便维修使用。 ? CPU板的设计与改进 场效应管主要有结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET)。绝缘栅型场效应管的衬底(B)与源极(S)连在一起，它的三个极分别为栅极(G)、漏极(D)和源极(S)。晶体管分NPN和PNP管，它的三个极分别为基极(b)、集电极(c)、发射极(e)。场效应管的G、D、S极与晶体管的b、c、e极有相 11 似的功能。绝缘栅型效应管和结型场效应管的区别在于它们的导电机构和电流控制原理根本不同，结型管是利用耗尽区的宽度变化来改变导电沟道的宽窄以便控制漏极电流，绝缘栅型场效应管则是用半导体表面的电场效应、电感应电荷的多少去改变导电沟道来控制电流。它们性质的差异使结型场效应管往往运用在功放输入级(前级)，绝缘栅型场效应管则用在功放末级(输出级)。 双极型晶体管内部电流由两种载流子形成，它是利用电流来控制。场效应管是电压控制器件，栅极(G)基本上不取电流，而晶体管的基极总要取一定的电流，所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应该选用场效应管。而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大，可以得到比场效应管高的电压放大倍数。 场效应管是利用多子导电(多子:电子为多数载流子，简称多子)，而晶体管是既利用多子，又利用少子(空穴为少数载流子，简称少子)，由于少子的浓度易受温度，辐射等外界条件的影响，因此在环境变化比较剧烈的条件下，采用场效应管比较合适。 功率放大电路是一种弱电系统，具有很高的灵敏度，很容易接受外界和内部一些无规则信号的影响，也就是在放大器的输入端短路时，输出端仍有一些无规则的电压或电流变化输出，利用示波器或扬声器就可觉察到。这就是功率放大器的噪声或干扰电压。噪声所产生的影响常用噪声系数Nf表示，单位为分贝(dB)，Nf越小越好，Nf=输入信号噪声比/输出信号噪声比，晶体管的噪声来源有三种: a( 热噪声 由于载流子不规则的热运动，通过半导体管内的体电阻时而产生。 b( 散粒噪声 通常所说的三极管中的电流只是一个平均值，实际上通过发射结注入基区的载流子数目，在各个瞬时都不相同，因而引起发射极电流或集电极电流有一无规则的流动，产生散粒噪声。 c( 颤动噪声 晶体管产生颤动噪声的原因现在还不十分清楚，但被设想为载流子在晶体表面的产生和复合所引起，因此与半导体材料本身及工艺水平有关。 12 场效应管的噪声只产生于载流子的运动，所以场效应管的Nf比晶体管的要小。放大器不仅放大其输入端的噪声，而且放大器本身也存在噪声，所以其输出端的信噪比必然小于输入端信噪比，放大器本身噪声越大，它的输出端信噪比就越小于输入端信噪比，Nf就越大，所以在低噪声放大器的前级通常选用场效应管，或者低噪声晶体管。 场效应管的漏、源极可以互换、耗尽型绝缘栅管的栅极电压可正，可负，灵活性比晶体管强。从以上场效应管和晶体管的对比中不难发现，场效应管具有输入阻抗高、噪声低、功耗低、热稳定性高、抗辐射能力强等优点，因此场效应管的总体性能上要优于晶体管，在许多优秀的功率放大器中，场效应管得到了较为普遍的采用。 在电路的设计中采用场效应管代替晶体三极管具有许多优点，因此对原有的电路的不足之处进行改进。例如:在电磁阀驱动电路部分用场效应管替代原来的晶体三极管，选用IRFD9120取代原来的2N2907A，使其适应大电流，可靠性大大提高。设计改进后的电路图见图1: 图1 电磁阀驱动电路 原电路中的RS232接口部分采用分离元件实现电平转换，在电路设计中，我们采用了先进的单片集成电路MAX232代替原来的分离原件(见图2)，使电路设计更为简单，功耗明显降低，抗静电能力、抗干扰能力大大增加，通讯可靠性问题完全解决。 MAX232线路驱动器/接收器,是面向EIA/TIA-232E 和V.28/V.24通讯接口的专用芯片，尤其应用在? 12v电源不能提供的场合，它的低功耗待机模式能有 13 效的降低功耗，低于5μw，因此，它非常适用于需要低功耗的电池供电系统中。 MAX232的特性为: a( 单电源供电+5V。 b( 满足所有 EIA/TIA-232E和V.28协议特性。 c(单芯片含多个驱动器和接受器。 d(三态驱动器和接收其输出。 图2 通讯部分电路图 ? A/D板的设计 为了提高A/D转换的速度和精度，采用2片CD4051 和1片max333芯片来进行电路设计，使A/D转换的开关速度提高，转换精度提高。 CD4051 引脚功能见图3。CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。其真值表见表9。“INH”是禁止端，当 “INH”=1时，各通道均不接通。此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰,峰值达15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD=，5V， VSS=0V，当VEE=,5V时，只要对此模拟开关施加0,5V的数字控制信号，就可控制幅度范围为,5V,，5V的模拟信号。 14 图3 CD4051引脚功能 输入状态 接通通道 INH C B A 0 0 0 0 “0” 0 0 0 1 “1” 0 0 1 0 “2” 0 0 1 1 “3” 0 1 0 0 “4” 0 1 0 1 “5” 0 1 1 0 “6” 0 1 1 1 “7” 1 Ф Ф Ф 均不接通 表9 CD4051真值表 max333a的是一个精密的四路单刀双掷(SPDT)CMOS模拟开关。 四个独立开关双极性操作的范围是 ? 4.5--- ? 20V，单极性范围是+10 V---+30。 该max333a提供低电阻(小于35欧姆) ，这样保证通道之间2欧姆的电阻匹配，并保持平缓的模拟信号范围。它的关断时间小于145ns，打开时间小于175ns。当 15 所有投入都为高或低时，其消耗的电流小于50微安。设计的多路开关部分原理图如4: 图4 多路开关部分原理图 ? 运算放大电路的设计 在运算放大电路的设计中运放采用TLE2062，比较器采用LM111j，这两种器件的性能优良，可靠性高。 TLE206X系列低功耗JFET输入运放的带宽是早期TL06X和TL03XBiFET系列产品的两倍，而其功耗并没有明显增加，TLE206X比TL06X和TL03XBiFET系列有更低的噪声平滑抑制水平，片内置的齐纳偏置电压微调功能使其更适合对直流耦合的应用。 TLE206X 与TI BiFET 系列引脚兼容。它可以应用到带宽是TL06x 和TL03x系列两倍的电路中，或者替代TL05x, TL07x, 和 TL08x，而功耗可以减少近90%。 16 TLE206x 系列具有高输出驱动电路，能够在最低5v供电的时候驱动100的负载。这个特性使它非常适合驱动调制解调器中的变压器负载或者其他一些要求好的交流特性、低功耗、高输出驱动的应用。 TLE2062MD的特点为: a) 带宽是TL06x TL03x等运算放大器2倍。 b) 电流消耗低: 290 µA/通道。 c) 片内偏置电压微调改进了直流性能。 d) 高输出驱动，达到了100 。 e) 更低的噪声。 LM111是电压比较器，它的输入电流比LM106 或LM710低接近一千倍。其输出兼容RTL、DTL和TTL以及MOS电路。能驱动灯或继电器，在电流为50 mA时，开关电压可达到50V。LM111的输入和输出端都可以与系统地隔离，输出可以驱动对地负载、对正电源负载或对负电源负载。 LM111 与LM106 和LM710 的引脚配置是相同的，工作温度范围是-55?C至+125?C 。 LM111的特点为: a) 单5V电源供电。 b) 输入电流: 超过温度限度的情况下，最大150 nA。 c) 偏置电流: 超过温度限度的情况下，最大20 nA。 d) 差分输入电压范围: ?30v。 e) 功耗: 在?15V时 135 mW。 ? 传感器板的设计与改进 对传感器板的改进设计主要集中在两个方面:信号解调部分和电路中的运算放大部分。 在电路设计中，开始在加表部分使用了TLE2062进行设计，但是在实际的实验中发现，加表初始上电需要较大的拉动电流，而这个电流很容易超过TLE2062的限制，这样就导致加表上电达到稳定状态的时间较长，这并不是说TLE2062 的性能有什么问题，而是加表部分电路确实需要一款性能更加适合的运放以便更好的工作。经过反复分析比较，最终选定了运放 OPA2277。 OPA2277系列精密运算放大器取代工业标准的OP- 177。它能提供更好的噪 17 声特性，更广泛的输出电压摆幅,而且快两倍,而静态电流只有一半大小。OPA2277系列运算放大器在?2V 到 ?18V下工作，不同于大多数运算放大器只能在指定的一个电源电压下工作。 因为基本的偏移电压很低，通常是不需要调整。OPA2277运算放大器易于使用，而且不会出现相位反转和超负载的问题。在较广泛的负载范围内提供优良的动态性能，军品级的工作温度从-55?C至+125?C。 传感器板的电路设计中的磁通门部分电路原理图见图5，加表部分电路原理图见图6。 图5 磁通门部分电路图 图6 加表部分电路图 (3)印刷版的设计与制作 18 在整个设计中使用PROTEL 最新版软件，设计制作印刷板的工作主要遵循以下几点: ? 元器件的布局尽量与原来进口板子的布局相同，三种线路板的接线位置和测试点与原板完全相同。 ? 布线时使用自动布线与手工布线相结合，充分利用PROTEL软件的智能布线规则，对数字部分、模拟部分、地线等使用软件进行优化布线，在可能的情况下，尽量加宽线宽，尤其是地线，在使用自动布线完成布线工作后，再使用手工布线对局部进行调整。 ? 利用PROTEL的仿真技术、信号完整性分析、拓扑逻辑自动布线和CAM处理与验证等功能对线路板进行反复的仿真和验证，使设计的印刷板在热量分布、电磁兼容性等方面完全能够满足需要，性能上比原有产品有很大的提高。 ? 板基材料选用高性能的板基材料，其高温性能，敷铜层，抗震性能等都比一般材料好，能够有效地提高印刷电路板的可靠性。 (二)泥浆脉冲发生器的研制 泥浆脉冲发生器采用关键部件进口，其它配件国内加工，组装生产的方式进行。在对美国SPERRY-SUN公司的脉冲发生器进行研究学习后，消化了国外脉冲发生器的先进技术，结合生产实际中的问题，确定本项目的研究方案为:分析改进、绘图、加工(外协)、组装、测试、下井试验验证、分析结果、完成泥浆脉冲发生器的研制，替代进口脉冲发生器，满足生产实际需要。 1(发电机总成的研制 发电机总成的研制关键是发电线圈的绕制和安装，发电机在井下工作时转速一般为2200rpm至2600rpm，为了保证仪器在井下工作正常，要求发电机在转速1800rpm至3600rpm时，发电机输出的电压能够使探管正常工作。这要求发电机线圈的匝数必须与磁铁盘相匹配，否则输出的电压、电流不正常，使探管无法正常工作。存在发电量大小即输出电流、电压大小的问题，要求选择缠绕发电线圈导线的合适尺寸和缠绕匝数。针对这个问题进行分析研究，在经过多次试验的基础上确定了线圈的缠绕匝数和导线的线径，即采用线径0.08mm的高温导线缠绕，每个线圈的匝数确定为2600匝，满足了发电电量的要求。 对线圈安装高度的影响进行分析，高度的不一致会造成磁铁盘与发电机线圈的间隙无法确定，若间隙太小会造成线圈和磁铁盘磨损，间隙太大则输出的电压、 19 电流不能保证探管正常工作。经多次研究试验，确定线圈的安装高度为65.00?0.02mm，满足了安装要求。 在发电机的研制中对抗压问题进行分析研究，存在线圈的引出线的耐压问题，主要是引出线接到外壳后，引出线与外壳之间是否能够抗压到外筒的抗压效果，对此进行讨论、分析与学习，借鉴国外仪器的经验，对这一问题确定采用环氧树脂密封，经测试压力到110 MPa 无泄漏，证明密封方式是正确的。 2(液压总成的研制 液压总成的研制关键是油泵，油泵体积小，磨损快，这里面柱塞强度是关键，柱塞磨损后易造成油泵流量不够，引起一系列影响。同时存在脉冲发生器的油路空隙小，遇杂质易堵，造成主阀故障，无法工作。针对泵主阀易堵的问题，考虑到脉冲发生器油的杂质，对原来的油泵进行改进，提出用滤网过滤杂质方式，使油路循环的脉冲发生器油干净的思路。经过分析研究，确定在泵中心位置增加一个过滤装置，达到过滤脉冲发生器油的目的，解决主阀堵塞的问题。 3(磁铁传动总成的研制 磁铁传动总成主要由中间体、磁铁轴和轴承等组成，磁铁传动总成的研制关键是解决中间体外部的耐磨涂层和内部磁铁轴的研制。原来的脉冲器中间体的耐磨层不耐磨，容易损坏，从而造成中间体报废。原来的磁铁轴在制作时，采用强磁铁镶嵌在磁铁轴上，磁铁与磁铁轴之间有空隙，时间一长，碎铁屑和其它小杂质堆积在缝隙中，在维修保养时，很难清除干净，易造成油路堵塞，发生故障。为了解决上述问题采取了以下办法: 中间体本体采用钛合金材料制作，外部喷涂耐磨层，为了增加耐磨层的强度，对耐磨层采用离子渗氮技术处理，保证了耐磨层的强度。内部磁铁轴采用在磁铁轴的本体上镶嵌强磁铁，同时加工时必须保证磁铁轴的垂直度，磁铁镶嵌后要在外面实行密封处理，磁铁块与本体之间的缝隙被外面的保护层覆盖，这样在下次组装时可以方便的清理附着在磁铁轴上的铁屑或其它杂质。 (三)组装与调试 对测量探管和脉冲发生器的关键部件进行测试后，进行系统组装，对组装后的探管在无磁进行精度调试，同时对脉冲发生器进行组装、充油和测试，测试合格后进行了系统的地面检测，然后模拟井下情况进行了测试，全部指标合格后进行下井实验。 20 1(重力加速度计的调节 (1) Gx、Gy平衡调节 探管垂直放置，将M.E.P/E.M.S测试箱选择开关置于“READOUT”和“MAG”转动探管，使工具面为:0??0.5? ，用电压表测R73和6V之间的电压，应为:“?0.005V” 。若误差太大，调节Gx平衡电位器，使其合乎要求;用电压表测R75和6V之间的电压，应为:“?0.005”，若误差太大，调节Gy平衡电位器，使其合乎要求。 (2) Gz平衡调节 探管垂直放置，测试箱置于“READOUT”和“HIGHT”，探管T型头朝东，转动探管使高边分别为:0?、90?、180?、270?(?0.5?)，分别用电压表测R49和6V之间的电压值，读数应为:?0.005，四值之和应为:“0”，否则，调节Gz平衡电位器，使其合乎要求。 将探管T型头朝西，按上述方法进行测量调节。 (3) Gx增益调节 测试箱置“READOUT”和“HIGHG”，在高边0?和180?(?0.5)分别用电压表测试R73和6V之间的电压值，应为:2.500?0.005V，否则，调节Gx增益电位器，使其合乎要求。 (4) Gy增益调节 测试箱置“READOUT” 和“HIGHG”， 在高边0?和180?(?0.5?)分别用电压表测试R75和6V之间的电压值，应为:2.500?0.001V，否则，调节Gy增益电位器，使其合乎要求。 (5) Gz增益调节 将探管垂直放置，测试箱板面设置如上，用电压表测量，R49和6V之间的电压值，应为:2.500?0.005V，否则，调节Gz增益电位器，使其合乎要求。 2( 磁通门的调节 (1) Bx平衡调节 用电压表测试TP3，转动探管，记录最大值和最小值，调节R10使其最大、最小值大小相等(?0.005V)。 (2) By平衡调节 21 用电压表测试TP4，转动探管，记录最大值和最小值，调节R11使最大最小值大小相等(?0.005V)。 (3) Bz平衡调节 调测试箱到By，转动探管至By最大值(Bx=0?0.05V)，用电压表测TP5，调节R12使Bz为“0”。 (4) Bz增益调节 探管水平放于赫尔姆兹线圈中，用电压表检测Bz显示Vb值。把电流反向加上-Vb电压调节，调节R36，使正负值相等(?0.005)，使Vb电压平均值为:Vb?0.005V。 (5) Bx增益调节 探管垂直放于赫尔姆兹线圈中，T型头朝东，测Bx的电压值(TP3)，调节R30使Bx电压值为Vb，使电流反向，必要的话，调节R30使正负电压值相等(?0.005)，所测Vb平均值为:Vb?0.005V。 (6) By增益调节 探管垂直放于赫尔姆兹线圈中，转动探管使T型头朝北，测By的电压值，调节R33，使By电压值为:Vb，使电流反向，必要的话，调节R30，使正负电压值相等(?0.005V)，所测Vb平均值为:Vb?0.005V。 测量探管的传感器调节完毕，按照磁性测量仪器精度校准方法进行检验，检验结果符合设计指标。 四(现场试验与应用 SDM无线随钻测斜仪组装后，进行精度调试和高温试验后，地面测试合格，交付测量一队进行现场试验， 2008年11月2日开始使用，2008年11月6日在营2-斜36井投入使用，施工井段1973m至2780m， 方位角为79.5?至265.9?，井斜角为1.3?至24.9?。测量仪器于2008年11月1日到达作业现场，钻井施工于11月2日钻达造斜点，测量人员组装仪器，进行地面检查，工作正常，入井作业浅层试验正常，下钻进行定向作业，施工信号正常，仪器在井下累计工作时间:108小时。其间钻进施工采用滑动与旋转钻进方式，大部分采用复合钻进方式，仪器经受住井下振动与干扰工况的考验，信号波形明显，工作状态良好， 22 性能稳定，完全满足现场的施工需要。试验成功后，又先后在盐18-20井、坨826平1井、老168-斜5井等进行了现场应用。 2009年根据现场的使用情况，对SDM测量探管进行了进一步改进，把原来的抗压外筒与测量探管的分离结构改进为抗压外筒与测量探管合二为一的一体化结构，既降低了使用成本，又提高了仪器的可靠性。改进后的测量探管于2010年2月在中9-斜3009井、中10-斜3010井进行了现场使用，仪器的测量精度和可靠性均达到了国外同类仪器的水平。2009年和2010年利用SDM无线随钻测斜仪已累计完成30多口定向井、水平井的现场施工，取得了良好的应用效果。。 五(主要创新点 1、设计的脉冲发生器的电磁阀驱动电路，适应大电流，降低了故障率，提高了可靠性。 2、串口通讯电路设计采用集成电路设计，降低电路的功耗，增强了电路的抗静电和抗干扰性能。 3、基准电压设计采用精密可调式设计，提高了基准电压的准确度。 4、油泵过滤装置延长脉冲发生器的工作时间 六(推广前景与效益分析 随着国内油田勘探开发的不断深入，定向井、水平井的施工日益普及，对无线随钻测斜仪的需求也日益增加。开展SDM无线随钻测斜仪的产业化，可以把科研成果及时地转化为生产力，解决定向井、水平井施工中测量仪器的紧张局面，推广应用前景广阔。 SDM无线随钻测斜仪产业化后可代替进口无线随钻测斜仪，减少投资。目前进口一套650型MWD无线随钻测斜仪约需人民币600万元，而SDM无线随钻测斜仪小批量生产后，一套约需人民币200万元，每套可节约人民币约400万元。若每年按10套SDM无线随钻测斜仪进行生产，每年可节约仪器购买资金4000万元。生产的仪器配件同时可应用于进口MWD无线随钻测斜仪的维修，降低维修成本，解决了进口MWD无线随钻测斜仪的维修问题，保证了测量仪器 23 的使用效率，使测量仪器更好的应用于定向井、水平井的生产，将给油田的开 发带来直接的经济效益和间接的社会效益，产生良好的社会效果。 24 25