油井测斜仪的数据采集与测试.docx

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油井测斜仪的数据采集与测试

油井测斜仪的数据采集与测试

摘　　要

为了方便石油、冶金、煤炭、水利水电及城建部门的钻井监测，本文利用AT89C52单片机和传感器原理设计了基于磁通门和陀螺仪的油井测斜仪。

系统运用定向探管的工作原理总共采用了三个陀螺仪对井斜角与工具面角进行测量，利用三个磁通门传感器并与陀螺仪的测量结果结合进行对方位角的精确测量。

系统主要包括了定向探管、磁通门传感器以及陀螺仪传感器等输入设备，运用到ADC0808A/D转换器，以AT89C52单片机作为控制装置，最后以LCD1602液晶显示器作为输出设备。

用到串口大师、proteus仿真软件等，采用VisualBasic编程语言来完成对单片机控制电路的实现，运用串行通信技术最终完成数据的采集与测试。

测斜仪经过数模转换，对磁通门电路的输出信号进行采样，然后把数据传送给计算机进行计算，最后得到需要的结果，由此推算出油井井斜角、方位角以及工具面角的数学模型。

数据处理是通过对采集的数据进行逐点修正的方法消除多种误差的影响，以便提高测斜仪的测量精度。

运用A/D转换电路通过单片机控制并利用串行通信原理将结果显示在LCD1602液晶显示器上。

关键词：

测斜仪；定向探管；磁通门；陀螺仪；倾斜角

TheDataCollectionandTestofInclinometerforArtesianWell

ABSTRACT

Inordertofacilitatepetroleum,metallurgy,coal,waterconservancyandhydropower,andurbanconstructiondepartmentofdrillingmonitoring,thispaperAT89C52microcontrollerandsensordesignprinciplesbasedonfluxgateandgyroinclinometerwells.Systemusesdirectionalprobeworkswithatotalofthreegyroscopesrighttoolfaceangleofinclinationmeasuredwiththeuseofthreefluxgatesensorandgyromeasurementscarriedoutonthecombinationofaccuratemeasurementofazimuth.Systemincludesadirectionalprobe,fluxgatesensorandagyrosensorandotherinputdevices,appliedtotheADC0808A/DconvertertoAT89C52microcontrollerasthecontroldevice,andfinallytoLCD1602LCDdisplayasanoutputdevice.Useserialmaster,proteussimulationsoftware,usingVisualBasicprogramminglanguagetocompletetheMCUcontrolcircuitimplementation,theuseofserialcommunicationtechnologywilleventuallycompletethedatacollectionandtesting.Inclinometerthroughdigitaltoanalogconversion,fluxgatecircuitoutputsignalissampled,andthensenddatatothecomputerforcalculation,andfinallygetthedesiredresults,therebycalculatethewellinclination,azimuthandtoolfaceanglemathematicalmodel.Dataprocessingisperformedbythedatacollectedbypointcorrectionmethodtoeliminateavarietyoferrors,inordertoimprovethemeasurementaccuracyoftheinclinometer.TheuseofA/DconversioncircuitthroughtheuseofserialcommunicationchipcontrolanddisplaystheresultsinprincipleLCD1602LCDmonitor.

Keywords:

inclinometer;directionalprobe;fluxgate;gyroscope;tiltangle

目　　录

1　前言1

1.1　课题研究的目的和意义1

1.2　油井测斜仪的现状及发展趋势1

1.3　课题主要研究的内容1

2　系统功能及原理2

2.1　系统实现的功能2

2.2　系统的工作原理2

3　系统硬件设计3

3.1　油井测斜仪定向探管介绍3

3.1.1　测斜仪结构3

3.1.2　地面接收系统结构4

3.1.3　定向探管工作原理4

3.1.4　定向探杆的测试过程4

3.2　倾斜角测量及放大电路5

3.3　A/D转换电路6

3.4　输出显示电路7

3.5　串行通信8

3.6　单片机及PC机串行通信电路9

4　数据采集与测试10

4.1　油井测斜仪中的参数10

4.２　信号处理电路11

4.3　数据采集与测试12

5　测试数据结果16

6　总结19

参考文献20

致谢20

1　　前言

1.1　课题研究的目的及意义

测斜仪是一种测定钻孔侧向位移的原位监测仪器，它能被应用于交通、冶金、煤炭、水利水电及城建部门的岩土工程原位监测中，尤其是在边坡、地基、土石坝及地下洞室的深部侧向位移监测中具有不可替代的优越性和实用性。

随着世界石油资源的日益紧张,石油油井井眼轨迹的精确测量越来越显示出其重要,这就需要有高精度的油井测斜仪器。

一些发达国家已经投入相当多的人力、物力用于这方面技术的研究,其研究重点就在于如何将惯性测量技术应用于井眼轨迹测量,从而获得精度高,操作简单的测量仪器。

1.2　油井测斜仪的现状及发展趋势

相比于19世纪末20世纪，随着汽车工业的快速发展，人们对石油的需求与日俱增。

这就人们不得将眼光投向更遥远并且条件更恶劣的地区。

油井测斜仪技术的出现，使得油田可以得到了经济有效地开采。

测斜仪技术诞生，满足了人们对于降低生产成本的迫切追求。

油井测斜仪是油气田、煤田开发的重大且关键技术。

在石油钻测行业中，对斜度和方位的测量一直有着较高的要求。

因为一口井能否按要求的斜度和走向钻探，关系着这口井最终能否到达目的层（油层），且能否出油。

尤其是现在，随着易开采石油资源的日益枯竭，国内外钻井界纷纷将目光投向滩海、湖泊、稠油油藏及海洋等复杂地况的勘探和开发。

小块零散油层的开采和大位移井、大斜度井、丛式井、水平井的日益增多，需要精度更高、使用上更加可靠的测斜仪器。

惯性技术的使用，使得这种要求得以实现。

采用高精度、高分辨率的陀螺仪及磁传感器进行裸眼井的井斜、井斜方位的测量，最初是在高分辨率地层倾角测井仪上实现的［1］。

1.3　主要研究内容

本文主要介绍用于石油油井的测量，钻井测井定向探管的详细测量原理、计算实例和计算模型，测量井的斜方位角，以及如何完成倾角、方位的采集，并由此计算出磁场强度、重力以及磁工具面等的参数的方法。

系统用到磁通门和陀螺仪两个传感器以及定向探管原理，当传感器检测到的倾斜角的值时，将得到的电压信号经过电压放大电路放大，然后再通过A/D转换器ADC0808将模拟电压信号转换成数字信号，运用串口通信技术，微控制器最后将接收的数据经过计算处理将结果显示在LCD1602液晶显示器上，从而搭建一个由AT89C52单片机控制的精确稳定的油井测斜仪平台，并利用单片机具有数据补偿的优势及数据存储能力的优势，可以更好地提高其测量精度。

它不但可以进行单点与多点测量，而且在增加不同的数据传感器模块后，还可以进行有线甚至无线的随钻测量。

2　　系统功能及原理

2.1　系统实现的功能

斜管通常被安装在了通过不稳定的土壤层的下部的稳定地层内的垂直钻中。

使用数字垂直测斜仪探头，控制电缆滑轮装置和读数观察斜管变形情况。

先观察可以建立测斜管位移的初始部分。

随后的观测会显示当地面运动发生时，横截面的变化的位移。

观察探头的斜管从底部到顶部的倾斜运动，暂停和措施半米间距。

由两个受力平衡伺服加速度计测量探头倾角。

一个加速度测量倾角传感器槽纵向位置，就是飞机上的倾斜测斜探头测量轮。

另一种加速度计测量垂直的平面的倾斜测量轮。

可以转换到的横向位移。

对比目前与最初的观测数据，即可确定横向偏移量的变化，显示出的运动位移，地层发生。

绘制偏移量的变化，可以得到排量的高分辨率的横截面图。

以单片机做为控制器对倾斜角进行精密测量,然后分别经过液晶显示器和计算机显示出测量结果,从而实现对油井倾斜角的实时监测。

2.2　系统的工作原理

磁通门传感器，传感器检测到的倾斜角的值，由此得到的电压信号，然后经过电压放大电路放大，通过在A/D转换器ADC0808的模拟电压信号转换成数字信号，微控制器最后一次接收数据的计算处理结果，由液晶显示器LCD1602显示，通过MAX232电平转换，通过RS232串口传输到计算机机。

系统的结构如图2-1所示。

图2-1　系统结构图

该油井测斜仪系统使用VisualBasic中的软件开发，计算机接口实时监测井的倾斜角度。

并由此推算出油井的井斜角、方位角以及工具面角的数学模型。

给出了上位机的检测控制界面，便于人机交互。

3　　系统硬件设计

3.1　油井测斜仪定向探管介绍

随着现代科学技术的发展，提高石油生产，斜井，水平井和沿水库钻孔的效率和工艺成为今天的钻井技术一个不可分割的重要部分。

因此钻井仪器应运而生，无线钻井测斜仪是跟随钻井过程中的井斜量钻井，定向，钻杆的状态，地层特性和测量的数据无线传输到地面，从而使钻探设备的得到正确指导。

此测斜仪的定向探测技术采用的是最新的电子技术和军事设备，给用户一个友好的软件界面，是一个可靠，稳定，易于操作的仪器。

你可以完成倾角，方位，温度，重力工具面角，磁性工具面角及伽马值等参数的测量，定向探头管实图如图3-1所示［2］。

图3-1　　定向探管器件实图

3.1.1　测斜仪结构

完整的钻井测斜仪结构主要由井下仪器部分和地面仪器部分构成，下面分别介绍如下。

图3-2　　井下探测仪器结构图

地下探测设备主要包括驱动器，探头，伽玛传感器，脉冲器，扶正器，锂电池，振动开关。

定向探测的关键器件定向探管是整个装置的测量精度的重中之重，其中包括一个三轴加速度计，三轴磁轴承传感器，伽马传感器的接口电路，温度传感器，MCU电源电路，主要完成倾角，方向和温度采集，因此，计算出的磁场强度，重力，重力工具面，磁性工具面和其它参数，然后加入伽玛数据。

在此基础上，由MCU的数据编码，将数据发送到驱动器，驱动器发送的数据从探头放大，整形，驱动脉冲完成电信号转换为压力信号，发出到接地进行调制。

伽马传感器用来俘获伽马数据并发送到探头的接口电路送入单片机。

锂电池为提供电源的仪器。

扶正仪器用来控制非磁性管的振动，振动开关用来控制仪器开、关机。

3.1.2　地面接收系统结构

图3-3　　地面接收系统结构图

地面设备主要有立管压力传感器，计算机，地面接口箱，司钻仪和一台打印机构成。

其特征在于，压力传感器采集的立管压力，这种压力是由井下脉冲发生器信号调制，地面接口箱过滤整形后压力传感器采集标准信号发送到显示装置计算机和显示仪。

而地面箱配置电源，除了作为自身的电源，也是负责的钻机的供电。

计算机用于显示井下各种数据，曲线，波形和工具面图上发送的数据进行解码。

钻仪器实际上是一个高可靠性的电脑，用来显示曲线和工具面角视图和波形，可选的仪器为打印机。

3.1.3　定向探管工作原理

探头是由三个互相正交的加速度计，三个互相正交磁通门，温度传感器和电子电路构成。

探头参数的定义是由引力场的方向和地磁场的方向为基础的，加速度计是用来测量重力，用于测量地球磁场的磁通门。

引力场和磁场矢量，两者决定定向探头在空间的唯一状态［3］。

3.1.4　定向探杆的测试过程

当探头处于垂直且传感器探头是零位置时，传感器（CX系列数码倾角石英灵活的伺服加速度计）的敏感轴位于水平方向。

这时的输出结果为不偏，一般情况，这种结果是存在的。

为了避免这种情况的影响，采取两次取平均值的办法。

现在采取进一步解释说明，坐标系如图3-4所示。

0°

270°

180°

90°

图3-4　　测试坐标系示意图

为了适应平面坐标系统，习惯上导轮上的测试向，将探头处于正确的深度来衡量，当探头（加速度计）的敏感轴和基准轴（重力线）在的角度θ的时候，加速度计的输出值：

U1＝A＋K×G×Sinθ（3-1）

式中：

A—零偏；K—为陀螺仪的标度参数；g－为重力加速度；θ－为倾角。

CX系列定向探管性能指标为：

a．传感器灵敏度：

0.02mm／8；

b．标度因数：

2.5士0.01V／g；

c.导轮间距：

500mm；

d．测头尺寸：

Φ32mmX660mm；

在实际条件下，测斜仪测量结果的要求，一般要等于或高于上±0.01%。

3.2　倾斜角测量及放大电路

本系统采用磁通门传感器与电压放大电路构成测量电路。

磁通门传感器在井斜角为0°中输出电压为1.75V，井斜角值每增加30°，输出电压增加0.25V；井斜角每减少30°，其输出电压减少0.25V，其测量范围为0°～270°。

因此，传感器的电压输出范围为0～3.5V。

油井测斜仪放大电路如图3-5所示。

图3-5　井斜角度信号放大电路

ADC0808的输入参考电压为0到5V，因此为了使传感器的输出与ADC0808的输入电压相匹配，须经过电压放大电路放大后才能送往A/D转换电路进行A/D转换。

本系统信号放大电路采用CA3140构成，放大倍数为5/3.5倍。

3.3　A/D转换电路

该电路采用的是ADC0808与AT89C52连接构成信号转换电路，电压信号分别经过通道1至通道8接入,因此地址线ABC由单片机进行控制,从而实现八路信号的选通。

单片机的ALE引脚经四分频后得到500KHZ的时钟信号将其接入CLOCK引脚。

ADC0808中的8位数字输出与单片机的P2口连接。

电路图如图3-6所示。

图3-6A/D转换电路

单片机与ADC0808的连接是通过总线方式连接的，还需要确定每一个模拟通道的地址，模拟通道的地址分别为FEF8HFEFFH。

P0口作为A/D转换器结束的输入口，同时P0口的低三位作为选择模拟通道的输出线。

3.4　输出显示电路

该电路采用AT89C52单片机控制LCD1602液晶显示器的硬件。

该系统采用一个16个字符2行的液晶显示模块，8位数据总线D0-D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压5V。

显示电路如图3-7所示。

图3-7液晶显示电路

LCD1602的读取和写入，并可以实现与单片机的P1.1，P1.2，P1.3口的连接，8位输入和单片机的P0口相连。

应该注意的是P0口的需要一个外部上拉电阻。

3.5　串行通信

串行通信是指每次一个二进制0,1为最小单位，按位将单一的数据线的通信的发送端和接收端之间的信息要被发送的数据进行传输。

串行数据传输的特点是：

在数据传输中，只有一个传输线的传输完成成本的节约。

与并行通信相比，串行通信以有自己明显的优势：

传输距离远，从几米到几公里;容易提高通信时钟频率的串行通信，串行通信是非常强的抗干扰能力，信号之间的比较相互干扰，完全可以忽略。

然而，串行通信的传输速度比并行通信慢很多［4］。

串行通信对单片机来说意义极其重大，它不但可以实现把单片机的数据传输到电脑端，而且还能实现计算机对单片机的控制。

RS-232是美国电子联盟（EIA）制定的串行通信的接口标准，原始编号全称是EIA-RS-232（简称232，RS232）。

它被广泛用于计算机串行接口外设连接。

它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。

其他常用电气标准还有EIA-RS-422-A、EIA-RS-423A、EIA-RS-485。

RS-232指定了20个不同的信号连接，由25个D-sub（微型D类）管脚构成的DB-25连接器。

很多设备只是用了其中的一小部分管脚，出于节省资金和空间的考虑不少机器采用较小的连接器，特别是9管脚的D-sub或者是DB-9型连接器被广泛使用绝大多数自IBM的AT机之后的PC机和其他许多设备上。

DB-25和DB-9型的连接器在大部分设备上是雌型，但不是所有的都是这样。

最近，8管脚的RJ-45型连接器变得越来越普遍，尽管它的管脚分配相差很大［5］。

3.6　单片机及PC机串行通信电路

电平转换，在进行串行通讯时要满足一定的条件。

电平转换一般通过MAX232来实现。

PC机的RXD、TXD、接地的三根线通过MAX232与单片机连接。

连接电路如图3-8所示。

图3-8　AT89C52及PC机接口电路

　　RS-232的逻辑电平用正负电压表示，且信号使用负逻辑，逻辑0的电压范围是+5V～+15V，逻辑1的电压范围值是-5V～-15V，介于-3V和+3V之间的电压无任何意义，低于-15V和高于+15V的电压也没有意义［6］。

但是单片机的I/O使用5V的逻辑而不是RS-232逻辑，连接时需要加电平转换电路。

4　　数据采集与测试

4.1　油井测斜仪中的参数

在钻井中，该姿态由井斜、方位、工具面角来表示。

参见图4-1，其中XYZ为探管坐标系。

Gx、Gy、Gz分别表示沿X、Y、Z轴的重力加速度的分量，Hx、Hy、Hz分别表示沿X、Y、Z轴的地磁场强度的分量。

定义如下：

图4-1　　探管坐标系

（1）INC（井斜角）

井斜角是指油水井中某点的中轴线与地球铅垂线之间的夹角，其范围为0°～180°。

井斜角用来指示井眼轨迹的斜度。

井眼轨迹曲线上任意一点井眼的方向线与铅垂线的夹角称为该点处的井斜角。

钻直井中，要尽力控制井斜角的大小（井斜越小越好），而在定向井和水平井钻井中，则要把井斜控制在合适的范围内［7］。

井斜角的计算公式如下：

（4-1）

（2）AZ（方位角）

方位角指的是在水平面和地理北（即，旋转轴）之间所夹的角，读数的方法是面对井口以作为北起点顺时针方向从0°～360°的，的方向即为井眼轨迹［8］。

在井眼轨迹的平面的原点在任何一点的坐标系正北方向线的方向通过的开始边缘的点，井孔的方向在水平面上投影线的终端侧的点顺时针方向旋转，简称为它原来的方位角上的点。

井斜角的计算公式如下，单位是度。

（4-2）

（3）TF（工具面角）

工具面角是表示造斜工具下到井底后，工具面所在的位置的参数。

工具面有两种表示法：

一种是以高边为基准（HighSideMode），一种是以磁北为基准（MagneticMode）［9］。

高边基准工具面角，简称高边工具面角。

是指以高边方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线上所转过的角度［10］。

（4-3）

磁北基准工具面角（简称磁北工具面角），等于高边工具面角加上井底方位角。

（4-4）

当井斜比较小时，X、Y陀螺仪的值接近0，所以重力工具面不准，方位的计算要用到该值，因此方位也不准。

探管将采集和计算的上述数据，加上温度、伽玛值，编码后发送到驱动器。

4.2　信号处理电路

测斜仪采用三个磁通门传感器和三个陀螺仪，用于测量的引力场与地球的磁场。

测斜仪信号检测方法的陀螺仪的信号的幅度，相位，磁通门信号检测方法，使用二次谐波的方法［11］。

信号处理电路包括了激励功率，相敏检测，带通放大器，信道选择，A/D转换和CPU，如图4-2所示。

为了使其工作，陀螺仪以及磁通门传感器需要给予外部激励力量，激励电源波形为正弦波或方波。

图4-2　　信号处理电路示意图

4.3　数据采集与测试

若要准确地测量空间地磁场值或得到完整的地磁场信息，需要使用严格正交的三分量磁通门磁强计。

但由于受加工工艺和安装工艺水平的限制，三分量磁通门传感器不可能做到绝对正交（即前文提到的共轴问题），这就给测量带来了不利影响，在某测点上当传感器运动时，其相对稳定的地磁场的标量输出并不是一个稳定的值，在实际生产中先通过在无磁转台上进行初步调正以减小给地磁测量带来误差，调正磁通门使应使其在四个方向上的输出值调整至基本保持一致（最大最小输出小于5mV），此时可以把三分量磁通门传感器视为理想的三分量正交然后在进行进行测试［12］。

为了准确地测量地磁场的空间值，或得到完整的地磁场的信息，需要严格正确的学会的正交的三分量磁通门磁力计的使用。

然而，由于加工水平的限制和安装过程中，三分量磁通门传感器不可能绝对正交（即前面提到的同轴的问题），这带来了负面影响的测量在一个测量点上当传感器运动，其相对稳定的地磁场的标量输出的是不是一个稳定的值，在实际生产中，由非磁性的转盘初步调整，以减少错误地磁测量，对应磁通门，所以，应该使对输出，可以在四个方向上的调整基本上是一致的（最小和最大输出值小于5mV），三分量磁通门传感器作为理想的三分量正交，然后在测试过程中［13］。

15米半径范围内的场所应确保没有强大的振动引起的铁磁材料和车辆，内部应清洁，无灰尘，灰尘，温度应该保持在25±5℃，相对湿度为30〜75％，大气压力为86〜106KPA。

测量数据与结果：

传感器用5V电压源经过电位器分压后代替，测量数据如表4-5所示。

测量值与理论值的相对误差在11°之内。

表4-5　　数据采集与测试

输入信号的电压值（mV）

35

350

1050

1750

2450

2850

输出角度

28.6°

58.8°

99.3°

115°

169.5°

277.98°

理论角度

30°

60°

90°

120°

180°

270°

　　陀螺仪设计独立的温控装置，验证校准加速度计，加速度计的温度特性重复的基础上，多个温度点与四个位置的翻滚测试，例如，150°测斜杆，12个测量点的位置数据测斜仪井斜，分别在0°，90°，180°几个不同的倾角，方位角分别为0°，9​​0°，180°，270°采集［14］。

线性拟合方法加速度计零偏，比例因子温度模型加速度计进行温度补偿使加速度计测量的稳定性的准确度增加了5.55倍。

将定向探头连接图4-6中，给电，打开电脑和数据采集系统。

定向探头数据采集测试接口作为输入的A/D转换模块，数据采集控制器AD探头的方向输入端被收集并发送到计算机，通过一个串行接口，定向探针实测值（井斜，方位和工具面）和介绍EXCEL数据的存储格式中测试软件的，高效和直观的Excel数据格式，简单明了地实现数据比较过程［15］。

计算机

测试箱

定向探管

图4-6　　测试探管连接示意图

为了实现串口软件串口，测试调试，过滤，监控的目的。

串口软件对串行数据流进