基于国产可编程逻辑门阵列的近钻头随钻测量系统设计.pdf

钻探工程Drilling Engineering第 50卷增刊2023年 9月Vol.50 Sup.Sep.2023：410-413基于国产可编程逻辑门阵列的近钻头随钻测量系统设计潘勇，李国光，柳敬云（中科亿海微电子科技（苏州）有限公司，北京 100160）摘要：在地质勘探、煤矿开采、石油钻井以及地热资源开发中，近钻头随钻测量在实时探测工具姿态等工程参数和地层的地质参数、实施导向钻井中发挥着重要的作用。本文介绍了随钻测量系统的工作原理，重点描述了姿态角的物理模型以及解算方法；同时，基于国产化耐高温的可编程逻辑门阵列（FPGA）芯片、三轴加速度传感器、三轴磁阻传感器，进行了近钻头随钻测量系统的设计。测试实验结果表明，系统性能指标可满足实际工程应用。关键词：近钻头随钻测量；姿态角；耐高温；可编程逻辑门阵列；三轴加速度传感器；三轴磁阻传感器中图分类号：P634.7;TE243 文献标识码：A 文章编号：2096-9686（2023）S1-0410-04Neardrill bit measurement system design while drilling based on domestic FPGAPAN Yong，LI Guoguang，LIU Jingyun(Zhongke eHiway Microelectronics Technology(Suzhou)Co.,Ltd.,Beijing 100160,China)Abstract：In geological exploration，coal mining，oil exploration and geothermal resource development，nearbit MWD plays an important role in realtime detection of engineering parameters such as tool attitude and formation geological parameters，and implementation of guided drilling.This paper introduces the working principle of MWD system focusing on the physical model of attitude angle and its solution，at the same time，based on the domestic high temperature resistant programmable logic gate array（FPGA）chip，threeaxis acceleration sensor and threeaxis reluctance sensor，the near bit MWD system is designed.The test results show that the performance index of the system can meet the practical engineering application.Key words：neardrill MWD;attitude angle;high temperature resistance;programmable logic gate array;triaxial accelerometer;triaxial magneto resistive sensor0引言矿产资源是国家经济发展的重要基础，其对于国家的发展和安全具有重要意义，可确保国家经济的安全稳定。新一轮找矿突破战略行动的主要目的是为了寻找和发现新的矿产资源，需要运用先进的科学技术手段，包括地质勘探技术、遥感技术、地球物理技术等。矿产开采过程对环境造成的影响较大，通过找矿突破行动，可以更好地规划和管理矿产资源开发，实现经济发展与生态环境保护的协调。随钻测量（Measuring While Drilling，MWD）是在钻井过程中，进行近钻头井眼轨迹参数（井斜、方位、工具面角）和地质参数（电阻率、放射性、声波及核磁）的实时测量及控制，并具有可视化功能，可以直接了解到井内实际情况，从而为钻井作业提供钻进导向数据。面对我国严峻的能源需求形势，必须收稿日期：2023-06-30；修回日期：2023-08-08 DOI：10.12143/j.ztgc.2023.S1.065第一作者：潘勇，男，汉族，1974 年生，讲师，检测技术专业，长期从事 FPGA 技术及其应用开发工作，北京市丰台区南四环西路 128 号，。引用格式：潘勇，李国光，柳敬云.基于国产可编程逻辑门阵列的近钻头随钻测量系统设计 J.钻探工程，2023，50（S1）：410-413.PAN Yong，LI Guoguang，LIU Jingyun.Neardrill bit measurement system design while drilling based on domestic FPGA J.Drilling Engineering，2023，50（S1）：410-413.第 50卷增刊潘勇等：基于国产可编程逻辑门阵列的近钻头随钻测量系统设计加大油气资源勘探开发的步伐，提高钻井效率和开采效果，采用多分支井、大斜度井和大位移井等新钻井技术成为必然，而随钻测量技术是实现这些高新钻井技术必备的有利工具。1国内外 MWD技术现状1.1国外随钻测量技术现状国外随钻测量技术相对成熟，在全球范围内广泛应用，基本满足钻井需求。例如，Schlumberger公司推出的随钻测量工具 Tele Scope，可以测量旋转状态下方位和井斜、磁工具面、重力工具面，还可以选择性测量自然伽马、轴向、径向、轴向振动和井下钻头压力、扭矩、温度等。由于该测量工具采用了 ORION 技术，其信号稳定性和传输效率较高，可达 18 bit/s，在不限制机械钻速情况下最高可达120 bit/s1。近钻头测量工具表现优秀的有 Schlumberger 公司的 GST2，其近钻头电阻率、方位电阻率、方位伽 马、井 斜 和 方 位 的 测 点 距 离 钻 头 分 别 为 0.66、1.34、2.0、2.9 m；PathFinder 公司设计的 iPZIG 近钻头 图 形 伽 马 和 测 斜 工 具；Halliburton 公 司 的GeoPilot3-8工具则可以测量距井底 1.35 m 的井斜和距井底 2.25 m 的伽马；2013年 Baker Hughes公司研发的 FASTrak 随钻技术可以不限次数地进行地层压力测量和地层流体取样9。1.2国内随钻测量技术现状国内 MWD 技术研究起步较晚，2000 年前，主要依赖引进国外的设备，消化吸收后创建作业队伍和研究力量，在仪器数据传输、耐高温（一般对高温的定义为地层静温150/300）、耐高压（一般对高压的定义为70 MPa）、抗振性、近钻头等方面的研发，取得了一些成就，缩短了部分领域与国际间的差距。中石油自主研制的无线电磁波随钻测量系统 DREMWD10-13，利用空气作为循环流体来定向钻井，适合应用于低压、低渗油田。该系统最高数据传输速率达 11 bit/s，数据刷新间隔 15 s，最高工作温度 125，最高工作压力 100 MPa。北京蓝海科技公司研发的一种结构小巧泥浆脉冲随钻测量系统具有较高的抗振性和较低的成本，适合小井眼钻井。大庆油田钻探工程公司研制的DQ-LWD 仪器，能在 125 以内稳定工作并适应297.9 Hz工作环境14。目前国内近钻头随钻测量产品及方案受可用器件、算法规模、硬件成本、整体功耗、预期功能及性能指标等约束，数字信号处理部分基本采用进口的MCU、DSP、MCU+CPLD 等以嵌入式处理器为主的技术方案，可以充分发挥嵌入式系统开发的灵活高效，但也受到嵌入式处理器的算力限制，而无法提供更高的测量精度和分辨率15-19。2随钻测量系统实现过程本系统使用国产可编程逻辑门阵列（FPGA）芯片作为随钻测量核心处理单元，避免了供应链方面风险，同时大大提高目前国产系统的计算精度和处理速度，实现地质信息采集、复杂信号实时处理和外设器件控制等功能。2.1工作原理随钻测量系统的工作框图如图 1所示。随钻测量系统利用各种姿态传感器（加速度传感器、磁阻传感器等）实时感知并收集井下钻杆的姿态变化，将传感器输出的数据进行信号预处理（模拟放大、滤波等）来满足模拟数字转换器（Analog digiEFF*+D.L*+DE.LQ7FF EFADCP%#JE*GMA1+L)A1PA#G.A1A1图 1随钻测量系统工作原理4112023年 9月钻探工程tal converter，ADC）的输入要求，再由数字信号处理部分根据特定的算法解算角度，最终输出井下钻杆的位姿，来反映钻杆在井下所处的地质环境20-24。井下钻杆的姿态主要通过重力工具面角、方位角和井斜角来反映。钻井工作人员通过井下测井仪器 MWD 上传的井下钻杆姿态信息，实时调整钻井的井眼轨迹，使钻杆朝油藏丰富的方向钻进25-26。2.2主要技术FPGA 技术天然具备的算法并行处理能力可以有效地解决嵌入式处理器的技术局限，国产耐高温FPGA 可以在高达 175 环境温度中连续稳定可靠工作，采用国产高温 FPGA 实现的近钻头随钻测量方案可以从根本上解决石油钻井行业所面临的技术瓶颈。3系统设计本系统主要实现了井下钻井近钻头的井斜角、方位角、重力工具面角等姿态信息的实时采集处理输出等功能，并利用外部伽马数据进行扇区划分姿态。本系统基于本公司自主设计的 EQ6GL9 型特种 FPGA 芯片为主要的信号处理单元，利用高灵敏度三轴加速度传感器、三轴地磁传感器、多通道高精度 ADC 以及各种高温电源芯片等器件构成井下钻杆姿态信息测量系统，实现在钻井过程中的地磁场、加速度、振动强度等信息的测量27-31。EQ6GL9 型型特种 FPGA 芯片具有小尺寸、超低静态功耗、耐高温、高算力等显著优势，在本系统中主要完成重力工具面角、井斜角、方位角、磁性工具面角、高边工具面角的解算；并且还实现了伽马计数、扇区划分以及对外的数据传输的通信协议等功能。系统框图如 2所示。EQ6GL9 型特种 FPGA 可以在 125175 环境温度中连续稳定可靠工作，结合 FPGA 灵活高效可扩展性强、开发周期短、高效率的算力特性，可以提供更高的测量精度和分辨率。如图 3 所示，高温随钻测量板是由三轴加速度传感器、三轴磁阻传感器以及磁阻传感器的置位复位脉冲信号产生电路、传感器的模拟处理电路、高精度多通道模数转换电路、FPGA、电源电路和通信接口电路等部分组成，从真正意义上实现了井下钻杆高精度实时采集运算及输出的功能。4现场测试情况基于 FPGA 实现的近钻头随钻测量模组在高温 125 环境下进行了转台设备实验，目的是测试在 125 环境温度中不同姿态工况下本模组的测量误差情况。由于实验环境并非是无磁环境，所以只对与加速度传感器相关的井斜角和工具面角进行分析和总结。表 1 为分别固定井斜角 0、10、30、50、70时，工具面角以 30/s旋转测得井斜角最大、最小、平均、平均值与预设值的差值、偏差百分比。其中，井斜角_min井斜角最小值；井斜角E.LE.L*F*EFQ2FFADC*1FGammarpulseEQ6GL9 FPGA+$E.LE.L*FFF*EF*1图 2系统硬件总体架构图 3MWD测量板实物表 1改变工具面角时的井斜变化设定值010305070参 数井斜角_min/()151.146162.4531149.1875123.9063101.2625井斜角_max/()155.875166168.875134.0781104.4219井斜角_avr/()153.484168.173148.6094126.1237105.1721平均值与预设值的差值/()11.8271.390614.876315.8279井斜角_GTF0/()146.0269111.375106.8438偏差百分比/%7.03260.93573.07344.5904412第 50卷增刊潘勇等：基于国产可编程逻辑门阵列的近钻头随钻测量系统设计_max井斜角最大值；井斜角_avr井斜角平均值；预设值：180设定值。从表 1可以看出，在转动工具面角过程中，井斜角波动范围比较大，在 30时，误差为 1.3906，从平均值来看，误差大概不超过 16。5结语本系统使用了自主可控的国产 FPGA 作为主处理单元，极大提高了系统集成度、设计便利性及系统稳定性。在高温环境下测试数据满足设计要求，可进行井下实验测试，下一步将做井下实际测试验证其性能。但是由于本设计中所用 FPGA 芯片资源限制，只实现了姿态角的静态测量，并且在井下由于强磁环境会极大影响磁阻传感器的测量结果。所以，在未来的工作中会采用更高精度的动态测量算法来提高姿态角的测量精度。本设计可以进一步推广在更多领域，如地质勘探，煤矿开采，页岩气，地热资源开发等领域，进一步推动扩大国产装备的应用领域。参考文献：1 侯芳.国外随钻测量/随钻测井技术在海洋的应用 J.石油科技论坛，2009，28（3）：77.2 胡大梁，编译.斯伦贝谢 iPZIG 为定向钻井装上“千里眼”J.科技信息：石油与装备，2012（3）：1.3 Martin T B，Neil K P，Whidborne J F.Rotary steerable directional drilling stick/slip mitigation controlJ.IFAC，2012，45（8）：66-71.4 Guang Xinjun，Li Jing.Research on application of steerable drilling technologies in shale gas development J.Procedia 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