鉆井和定向鉆井

　　一般來說，在能源市場，特別是石油天燃氣市場中，廣泛使用各種不同系列的傳感器，涉及多種功能和應(yīng)用。其中尤以加速度傳感器是最常使用的，它運行在各種不同裝置中，從測量純粹的加速度（慣性）到振動，低頻地震信號，傾斜角和沖擊等。

　　特點

　　量程是±1g 和 ±2g（也有更大的量程）
　　嚴(yán)苛的使用環(huán)境
　　良好的長期穩(wěn)定性
　　低溫度系數(shù)而不需溫度校準(zhǔn)
　　低壓供電
　　體積小重量輕
　　符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的無鉛焊接和采用表面安裝（SMD）技術(shù)

　　眾多的應(yīng)用程序正是利用了這種新的傳感器技術(shù)優(yōu)勢，使 MEMS 在能源行業(yè)的應(yīng)用更加深入。一些應(yīng)用例子如下：

　　●  深井鉆孔中精確測斜，即隨鉆測量（MWD）
　　●   在沒有 GPS 信號時進行引導(dǎo)和定位，如礦山，水下遠程觀察車輛（遙控潛水器），隨鉆測量。
　　●  淺層和深層地下地質(zhì)成像和油藏儲量監(jiān)測
　　●  深井鉆孔和交叉鉆孔的地震測量
　　●  結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測（石油鉆塔，水壩，風(fēng)力發(fā)電機，核電廠...）
　　●  管道監(jiān)測，便攜式慣性制導(dǎo)系統(tǒng)（PIGS）
　　●  平臺穩(wěn)定，傾斜測量
　　●  通過振動測量進行預(yù)防性工業(yè)維護

　　地下鉆井是一種成熟的、公認的工藝程序，它涉及到高新技術(shù)在惡劣的振動、溫度和腐蝕性環(huán)境下的應(yīng)用。該技術(shù)已經(jīng)取得很大發(fā)展，可用于多種不同的應(yīng)用市場。鉆井的不同結(jié)果極大地依賴于其位置（海洋或陸地）和相關(guān)的土壤結(jié)構(gòu)。無論是找礦，監(jiān)控或勘探，都有一些不同的技術(shù)來鉆取巖石碎片或巖心樣品。

　　礦山鉆井

　　這種技術(shù)的主要目的是從地下深度〜500 米（〜1650 英尺）處取樣，以便確切了解土壤的構(gòu)成而為將來可能的開采做準(zhǔn)備。鉆井開采也廣泛用于從煤層中釋放氣體。由于需要鉆孔的數(shù)量很大（幾百），由鉆井而引起的開支幾乎要占總開采成本的一半。

　　在這種應(yīng)用中，傾斜傳感器被用于精確確定鉆孔的方向和深度，從而產(chǎn)生該區(qū)域的精確區(qū)域圖。還可以通過監(jiān)測現(xiàn)有鉆孔的潛在變形，來監(jiān)測該地區(qū)的穩(wěn)定性。

　　石油和天然氣鉆井

　　在石油和天然氣領(lǐng)域，各種采用加速度傳感器鉆井的應(yīng)用：

　　- 進行標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)井監(jiān)測，目的是：鉆井后或定期地對井孔作合格認證和測繪。

　　- 動態(tài)定向鉆井，即從一個應(yīng)用平臺（如海洋或陸地平臺）達到更大的地下區(qū)域。

　　-  為了知悉更多的井下儲藏（如水平鉆井），需要在惡劣的環(huán)境中進行隨鉆測量（MWD），引導(dǎo)鉆頭到達目標(biāo)位置。我們需要用堅固耐用的，高精度和高溫的傳感器來進行這些測量。

　　-  由于 MEMS 數(shù)字地震傳感器的使用，使井下地震和交叉鉆井成像技術(shù)實現(xiàn)了更高的局部分辨率。

　　這意味著，對深度大于 5000 米以上的地下資源的精確定位現(xiàn)在是可行的，盡管需要精確定向鉆井，以便達到預(yù)期儲層的位置。

　　水平定向鉆井 (HDD)

　　在一些大型建設(shè)中，如開鑿河流、開闊馬路，開挖隧道或是在城市地區(qū)安裝基礎(chǔ)設(shè)施（水管道，電信或電力電纜，煤氣管道），為了使表面定向鉆井能精確地鉆孔，類似的技術(shù)常常被使用。人們需要高穩(wěn)定性傾斜傳感器以確保所要求的精度。

　　鉆井實時監(jiān)測

　　鉆井實時監(jiān)測的用途很多。使用傾斜傳感器做地震測量，可用于油藏儲量監(jiān)測和地球物理應(yīng)用（地震監(jiān)測），從而定期評估地下狀況的穩(wěn)定性。

　　我們需要各種檔次和類型的加速度傳感器（地震，振動，沖擊和傾斜）用于精確的測量，而它們在惡劣的環(huán)境下（振動，極端溫度和沖擊）的有效性是至關(guān)重要的。

　　在這一點上，MEMS 技術(shù)是領(lǐng)先的。

　　鉆井技術(shù)

　　50％以上的新井使用以下兩種方法之一：

　　-  基于鉆井導(dǎo)向系統(tǒng)的泥漿馬達

　　-  旋轉(zhuǎn)式、可導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)

　　Fig. 1: 旋轉(zhuǎn)式、可導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)

　　對于另外 50％, 還使用各種其它鉆井技術(shù)，它取決于孔在不同的深度和寬度時土壤的結(jié)構(gòu)和組成。

　　其它的典型技術(shù)包括：

　　- “無旋轉(zhuǎn)式” - 包括直推式鉆機

　　- 在鉆臺層面轉(zhuǎn)動方形或六角形管形成的“旋轉(zhuǎn)工作臺”

　　- 在鉆柱的頂部進行旋轉(zhuǎn)和循環(huán)的“頂部驅(qū)動'

　　-主要利用振動能量來推進鉆桿的“SONIC”

　　- 使用旋轉(zhuǎn)和沖擊力的“錘子”

　　- “旋轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)鉆'（RAB）

　　傳感儀器

　　考慮到各種鉆井應(yīng)用及測量要求，人們廣泛地使用三種加速度傳感器裝置：

　　慣性制導(dǎo)：我們的目的是要積極引導(dǎo)鉆頭到其最終位置。該理論與由三個陀螺和三個加速度傳感器組合的 IMU 系統(tǒng)引導(dǎo)飛行器相同，連續(xù)地隨鉆跟蹤鉆孔的位置�？紤]到惡劣的環(huán)境，這樣的測量是在嚴(yán)重的振動和沖擊下進行。因此，傳感器必須對這些擾動（振動整流誤差（ VRE）或電擊后的零偏穩(wěn)定性）極不敏感 ，以提供盡可能準(zhǔn)確的測量。

　　測斜：根據(jù)周圍磁場的預(yù)期精度和強度，兩種方法可以測量在井下的任何一點的方位角和傾斜度

　　1 ）最簡單的方法是由一個三軸磁力計和三軸加速度傳感器來確定儀器的方向

　　2）一個更復(fù)雜的解決方案是集成三軸陀螺儀模塊，另外用磁力計和加速度傳感器定期地監(jiān)測它的旋轉(zhuǎn)情況。

　　不管采用哪種方法，傳感器穩(wěn)定性的增加，有助于減少所需的測量點的數(shù)量而得到精確的結(jié)果，從而降低了測量成本。

　　進行標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)井孔監(jiān)測，其目的在于鉆孔后或定期地對井孔進行質(zhì)量認證和測繪。
地震：在某些特定的情況下，精確的地震測量可以在地下進行，以免受任何人為干擾并提高測量的靈敏度。此方法被應(yīng)用于：交叉鉆井，隨鉆地震，在石油和天然氣開采過程中的儲油監(jiān)測，或是應(yīng)用于地震監(jiān)測。為了進行這種精密的測量，地震檢波器需要用噪聲極低的傳感器。

　　現(xiàn)在，井下地震和交叉鉆井成像技術(shù)實現(xiàn)了更高的局部分辨率，這得益于 MEMS 數(shù)字地震傳感器。它意味著，現(xiàn)在，對資源深度的精確定位已經(jīng)可以達到 5 公里以下（16'500 英尺）。

　　用于鉆井的COLIBRYS加速度傳感器

　　Colibrys 提供一系列慣性、傾斜、振動和地震加速度傳感器，以滿足大量的鉆孔傳感器的需求。 MS9000 和 VS9000 系列可以用作慣性傳感器導(dǎo)航，用于振動或傾斜的測量。它們可以提供全量程范圍（從±1g到±200g），并為鉆孔和鉆井應(yīng)用提供了理想的產(chǎn)品規(guī)格。

　　●   惡劣的環(huán)境： MS9000 和 VS9000 表現(xiàn)出高達 6000g 的抗沖擊性，并且對性能參數(shù)影響很低。它們也不會受到大的外部振動影響。能承受更強的、高達~20'000g 沖擊力的加速度傳感器版本已經(jīng)取得進展，即是HS8000 和HS9000 兩款產(chǎn)品。

　　●  寬廣的溫度范圍：我們所有的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品都在-55 °C 至+125°C 的溫度范圍內(nèi)進行了測試。雖然沒有正式的 Colibrys 質(zhì)量認證，但是，我們的產(chǎn)品已成功地用在140 °C-150 °C以上的溫度范圍。

　　●  高穩(wěn)定性：RS9000系列，目前正在開發(fā)中，將取得非常良好的長期穩(wěn)定性，名義上可以降到 100ppm以下或更好，即使在惡劣的環(huán)境中，也將提供低于 150μg/g2 的振動調(diào)整系數(shù)。

　　對于那些曾使用MS7000產(chǎn)品的應(yīng)用和客戶，該系列仍可以供貨，并補充了新的升級系列MS9000和VS9000。這些新的產(chǎn)品系列，是一個LCC20陶瓷封裝產(chǎn)品，并預(yù)期具有與MS7000相同的功能。它們的小體積保證了新產(chǎn)品設(shè)計的靈活性， 并且，現(xiàn)在還配備了一個內(nèi)置的溫度傳感器。

　　我們低噪聲的SiFlexTM地震傳感器SF1500和SF2006也是這些產(chǎn)品的理想同伴。

　　工作原理

　　MS7000，MS8000，MS9000 和VS9000傳感器測量范圍可以從±1g到±200g，單電源供電（在2.5V與5.5V之間）使功耗更低（<0.5毫安，在5V電壓時）。在電源電壓為5V時，對于滿量程加速度范圍，比率模擬電壓的輸出是在0.5V和4.5V變化。它必須有一個穩(wěn)定的電源電壓，因為任何不穩(wěn)定將直接傳送到輸出。該傳感器采用了完全獨立的20引腳LCC陶瓷封裝，確保全密封以延長使用壽命。它們在-55°C 至+125C 的工作溫度范圍內(nèi)工作，能夠承受高達6'000g 的沖擊 。欲了解更多的技術(shù)信息，請參閱相關(guān)的產(chǎn)品規(guī)格和說明。

　　總結(jié)

　　MEMS加速度傳感器滲透到越來越多的高端應(yīng)用領(lǐng)域，在能源行業(yè)，取代了成熟、昂貴的和脆弱的機電設(shè)備。這場革命的驅(qū)動力是人們需要更好的設(shè)備，它能提供相同甚至更好的性能，更低的成本，更低的功耗，更小的尺寸，以及更加堅固耐用。高端 MEMS 加速度傳感器的成功是由于它們能夠在惡劣環(huán)境下工作的獨特的功能：諸如極端的溫度、振動和沖擊。不僅在能源市場，而且還在軍用航天航空、工業(yè)和儀器儀表市場。

　　Colibrys將提供MEMS‘前沿產(chǎn)品：地震，慣性，振動和傾斜的加速度傳感器，用于鉆井，定向鉆井和相關(guān)的應(yīng)用，并不斷致力于新產(chǎn)品開發(fā)，新的解決方案，包括改進產(chǎn)品的穩(wěn)定性，高溫工作性能，提高對于沖擊、振動或低噪聲的抗干擾能力。

　　Colibrys加速度傳感器由北京賽斯維測控技術(shù)有限公司負責(zé)在中國地區(qū)的市場推廣及技術(shù)支持。查看技術(shù)參數(shù)或更多產(chǎn)品信息可登陸www.jsxlzzp.com 或撥打產(chǎn)品咨詢熱線010-84775646，84775648。

　　
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