鉆井和定向鉆井

　　一般來(lái)說(shuō)，在能源市場(chǎng)，特別是石油天燃?xì)馐袌?chǎng)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(yùn)行在各種不同裝置中，從測(cè)量純粹的加速度（慣性）到振動(dòng)，低頻地震信號(hào)，傾斜角和沖擊等。

　　特點(diǎn)

　　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(zhǎng)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(wú)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(shì)，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(cè)斜，即隨鉆測(cè)量（MWD）
　　●   在沒(méi)有 GPS 信號(hào)時(shí)進(jìn)行引導(dǎo)和定位，如礦山，水下遠(yuǎn)程觀察車輛（遙控潛水器），隨鉆測(cè)量。
　　●  淺層和深層地下地質(zhì)成像和油藏儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)
　　●  深井鉆孔和交叉鉆孔的地震測(cè)量
　　●  結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測(cè)（石油鉆塔，水壩，風(fēng)力發(fā)電機(jī)，核電廠...）
　　●  管道監(jiān)測(cè)，便攜式慣性制導(dǎo)系統(tǒng)（PIGS）
　　●  平臺(tái)穩(wěn)定，傾斜測(cè)量
　　●  通過(guò)振動(dòng)測(cè)量進(jìn)行預(yù)防性工業(yè)維護(hù)

　　地下鉆井是一種成熟的、公認(rèn)的工藝程序，它涉及到高新技術(shù)在惡劣的振動(dòng)、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(chǎng)。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(wú)論是找礦，監(jiān)控或勘探，都有一些不同的技術(shù)來(lái)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(lái)可能的開(kāi)采做準(zhǔn)備。鉆井開(kāi)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(kāi)支幾乎要占總開(kāi)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(guò)監(jiān)測(cè)現(xiàn)有鉆孔的潛在變形，來(lái)監(jiān)測(cè)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)井監(jiān)測(cè)，目的是：鉆井后或定期地對(duì)井孔作合格認(rèn)證和測(cè)繪。

　　- 動(dòng)態(tài)定向鉆井，即從一個(gè)應(yīng)用平臺(tái)（如海洋或陸地平臺(tái)）達(dá)到更大的地下區(qū)域。

　　-  為了知悉更多的井下儲(chǔ)藏（如水平鉆井），需要在惡劣的環(huán)境中進(jìn)行隨鉆測(cè)量（MWD），引導(dǎo)鉆頭到達(dá)目標(biāo)位置。我們需要用堅(jiān)固耐用的，高精度和高溫的傳感器來(lái)進(jìn)行這些測(cè)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(shí)現(xiàn)了更高的局部分辨率。

　　這意味著，對(duì)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(dá)到預(yù)期儲(chǔ)層的位置。

　　水平定向鉆井 (HDD)

　　在一些大型建設(shè)中，如開(kāi)鑿河流、開(kāi)闊馬路，開(kāi)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

　　鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的用途很多。使用傾斜傳感器做地震測(cè)量，可用于油藏儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)和地球物理應(yīng)用（地震監(jiān)測(cè)），從而定期評(píng)估地下?tīng)顩r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(dòng)，沖擊和傾斜）用于精確的測(cè)量，而它們?cè)趷毫拥沫h(huán)境下（振動(dòng)，極端溫度和沖擊）的有效性是至關(guān)重要的。

　　在這一點(diǎn)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(dá)

　　-  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(duì)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(shí)土壤的結(jié)構(gòu)和組成。

　　其它的典型技術(shù)包括：

　　- “無(wú)旋轉(zhuǎn)式” - 包括直推式鉆機(jī)

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

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

　　-主要利用振動(dòng)能量來(lái)推進(jìn)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(cè)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(gè)陀螺和三個(gè)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(cè)量是在嚴(yán)重的振動(dòng)和沖擊下進(jìn)行。因此，傳感器必須對(duì)這些擾動(dòng)（振動(dòng)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(cè)量。

　　測(cè)斜：根據(jù)周圍磁場(chǎng)的預(yù)期精度和強(qiáng)度，兩種方法可以測(cè)量在井下的任何一點(diǎn)的方位角和傾斜度

　　1 ）最簡(jiǎn)單的方法是由一個(gè)三軸磁力計(jì)和三軸加速度傳感器來(lái)確定儀器的方向

　　2）一個(gè)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(jì)和加速度傳感器定期地監(jiān)測(cè)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(cè)量點(diǎn)的數(shù)量而得到精確的結(jié)果，從而降低了測(cè)量成本。

　　進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)井孔監(jiān)測(cè)，其目的在于鉆孔后或定期地對(duì)井孔進(jìn)行質(zhì)量認(rèn)證和測(cè)繪。
地震：在某些特定的情況下，精確的地震測(cè)量可以在地下進(jìn)行，以免受任何人為干擾并提高測(cè)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(kāi)采過(guò)程中的儲(chǔ)油監(jiān)測(cè)，或是應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)。為了進(jìn)行這種精密的測(cè)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(shí)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(duì)資源深度的精確定位已經(jīng)可以達(dá)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(dòng)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(dòng)或傾斜的測(cè)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(dá) 6000g 的抗沖擊性，并且對(duì)性能參數(shù)影響很低。它們也不會(huì)受到大的外部振動(dòng)影響。能承受更強(qiáng)的、高達(dá)~20'000g 沖擊力的加速度傳感器版本已經(jīng)取得進(jìn)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(jìn)行了測(cè)試。雖然沒(méi)有正式的 Colibrys 質(zhì)量認(rèn)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(kāi)發(fā)中，將取得非常良好的長(zhǎng)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(dòng)調(diào)整系數(shù)。

　　對(duì)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(bǔ)充了新的升級(jí)系列MS9000和VS9000。這些新的產(chǎn)品系列，是一個(gè)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(jì)的靈活性， 并且，現(xiàn)在還配備了一個(gè)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(cè)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(shí)）。在電源電壓為5V時(shí)，對(duì)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(gè)穩(wěn)定的電源電壓，因?yàn)槿魏尾环�(wěn)定將直接傳送到輸出。該傳感器采用了完全獨(dú)立的20引腳LCC陶瓷封裝，確保全密封以延長(zhǎng)使用壽命。它們?cè)?55°C 至+125C 的工作溫度范圍內(nèi)工作，能夠承受高達(dá)6'000g 的沖擊 。欲了解更多的技術(shù)信息，請(qǐng)參閱相關(guān)的產(chǎn)品規(guī)格和說(shuō)明。

　　總結(jié)

　　MEMS加速度傳感器滲透到越來(lái)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(jī)電設(shè)備。這場(chǎng)革命的驅(qū)動(dòng)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(jiān)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(dú)特的功能：諸如極端的溫度、振動(dòng)和沖擊。不僅在能源市場(chǎng)，而且還在軍用航天航空、工業(yè)和儀器儀表市場(chǎng)。

　　Colibrys將提供MEMS‘前沿產(chǎn)品：地震，慣性，振動(dòng)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(kāi)發(fā)，新的解決方案，包括改進(jìn)產(chǎn)品的穩(wěn)定性，高溫工作性能，提高對(duì)于沖擊、振動(dòng)或低噪聲的抗干擾能力。

　　Colibrys加速度傳感器由北京賽斯維測(cè)控技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)在中國(guó)地區(qū)的市場(chǎng)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m.fineinshow.com 或撥打產(chǎn)品咨詢熱線010-84775646，84775648。

　　
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