钻井和定向钻井

　　一般来说，在能源市场，特别是石油天燃气市场中，广泛使用各种不同系列的传感器，涉及多种功能和应用。其中尤以加速度传感器是最常使用的，它运行在各种不同装置中，从测量纯粹的加速度（惯性）到振动，低频地震信号，倾斜角和冲击等。

　　特点

　　量程是±1g 和 ±2g（也有更大的量程）
　　严苛的使用环境
　　良好的长期稳定性
　　低温度系数而不需温度校准
　　低压供电
　　体积小重量轻
　　符合RoHS标准的无铅焊接和采用表面安装（SMD）技术

　　众多的应用程序正是利用了这种新的传感器技术优势，使 MEMS 在能源行业的应用更加深入。一些应用例子如下：

　　●  深井钻孔中精确测斜，即随钻测量（MWD）
　　●   在没有 GPS 信号时进行引导和定位，如矿山，水下远程观察车辆（遥控潜水器），随钻测量。
　　●  浅层和深层地下地质成像和油藏储量监测
　　●  深井钻孔和交叉钻孔的地震测量
　　●  结构完整性监测（石油钻塔，水坝，风力发电机，核电厂...）
　　●  管道监测，便携式惯性制导系统（PIGS）
　　●  平台稳定，倾斜测量
　　●  通过振动测量进行预防性工业维护

　　地下钻井是一种成熟的、公认的工艺程序，它涉及到高新技术在恶劣的振动、温度和腐蚀性环境下的应用。该技术已经取得很大发展，可用于多种不同的应用市场。钻井的不同结果极大地依赖于其位置（海洋或陆地）和相关的土壤结构。无论是找矿，监控或勘探，都有一些不同的技术来钻取岩石碎片或岩心样品。

　　矿山钻井

　　这种技术的主要目的是从地下深度〜500 米（〜1650 英尺）处取样，以便确切了解土壤的构成而为将来可能的开采做准备。钻井开采也广泛用于从煤层中释放气体。由于需要钻孔的数量很大（几百），由钻井而引起的开支几乎要占总开采成本的一半。

　　在这种应用中，倾斜传感器被用于精确确定钻孔的方向和深度，从而产生该区域的精确区域图。还可以通过监测现有钻孔的潜在变形，来监测该地区的稳定性。

　　石油和天然气钻井

　　在石油和天然气领域，各种采用加速度传感器钻井的应用：

　　- 进行标准静态井监测，目的是：钻井后或定期地对井孔作合格认证和测绘。

　　- 动态定向钻井，即从一个应用平台（如海洋或陆地平台）达到更大的地下区域。

　　-  为了知悉更多的井下储藏（如水平钻井），需要在恶劣的环境中进行随钻测量（MWD），引导钻头到达目标位置。我们需要用坚固耐用的，高精度和高温的传感器来进行这些测量。

　　-  由于 MEMS 数字地震传感器的使用，使井下地震和交叉钻井成像技术实现了更高的局部分辨率。

　　这意味着，对深度大于 5000 米以上的地下资源的精确定位现在是可行的，尽管需要精确定向钻井，以便达到预期储层的位置。

　　水平定向钻井 (HDD)

　　在一些大型建设中，如开凿河流、开阔马路，开挖隧道或是在城市地区安装基础设施（水管道，电信或电力电缆，煤气管道），为了使表面定向钻井能精确地钻孔，类似的技术常常被使用。人们需要高稳定性倾斜传感器以确保所要求的精度。

　　钻井实时监测

　　钻井实时监测的用途很多。使用倾斜传感器做地震测量，可用于油藏储量监测和地球物理应用（地震监测），从而定期评估地下状况的稳定性。

　　我们需要各种档次和类型的加速度传感器（地震，振动，冲击和倾斜）用于精确的测量，而它们在恶劣的环境下（振动，极端温度和冲击）的有效性是至关重要的。

　　在这一点上，MEMS 技术是领先的。

　　钻井技术

　　50％以上的新井使用以下两种方法之一：

　　-  基于钻井导向系统的泥浆马达

　　-  旋转式、可导向钻井系统

　　Fig. 1: 旋转式、可导向钻井系统

　　对于另外 50％, 还使用各种其它钻井技术，它取决于孔在不同的深度和宽度时土壤的结构和组成。

　　其它的典型技术包括：

　　- “无旋转式” - 包括直推式钻机

　　- 在钻台层面转动方形或六角形管形成的“旋转工作台”

　　- 在钻柱的顶部进行旋转和循环的“顶部驱动'

　　-主要利用振动能量来推进钻杆的“SONIC”

　　- 使用旋转和冲击力的“锤子”

　　- “旋转式鼓风钻'（RAB）

　　传感仪器

　　考虑到各种钻井应用及测量要求，人们广泛地使用三种加速度传感器装置：

　　惯性制导：我们的目的是要积极引导钻头到其最终位置。该理论与由三个陀螺和三个加速度传感器组合的 IMU 系统引导飞行器相同，连续地随钻跟踪钻孔的位置。考虑到恶劣的环境，这样的测量是在严重的振动和冲击下进行。因此，传感器必须对这些扰动（振动整流误差（ VRE）或电击后的零偏稳定性）极不敏感 ，以提供尽可能准确的测量。

　　测斜：根据周围磁场的预期精度和强度，两种方法可以测量在井下的任何一点的方位角和倾斜度

　　1 ）最简单的方法是由一个三轴磁力计和三轴加速度传感器来确定仪器的方向

　　2）一个更复杂的解决方案是集成三轴陀螺仪模块，另外用磁力计和加速度传感器定期地监测它的旋转情况。

　　不管采用哪种方法，传感器稳定性的增加，有助于减少所需的测量点的数量而得到精确的结果，从而降低了测量成本。

　　进行标准的静态井孔监测，其目的在于钻孔后或定期地对井孔进行质量认证和测绘。
地震：在某些特定的情况下，精确的地震测量可以在地下进行，以免受任何人为干扰并提高测量的灵敏度。此方法被应用于：交叉钻井，随钻地震，在石油和天然气开采过程中的储油监测，或是应用于地震监测。为了进行这种精密的测量，地震检波器需要用噪声极低的传感器。

　　现在，井下地震和交叉钻井成像技术实现了更高的局部分辨率，这得益于 MEMS 数字地震传感器。它意味着，现在，对资源深度的精确定位已经可以达到 5 公里以下（16'500 英尺）。

　　用于钻井的COLIBRYS加速度传感器

　　Colibrys 提供一系列惯性、倾斜、振动和地震加速度传感器，以满足大量的钻孔传感器的需求。 MS9000 和 VS9000 系列可以用作惯性传感器导航，用于振动或倾斜的测量。它们可以提供全量程范围（从±1g到±200g），并为钻孔和钻井应用提供了理想的产品规格。

　　●   恶劣的环境： MS9000 和 VS9000 表现出高达 6000g 的抗冲击性，并且对性能参数影响很低。它们也不会受到大的外部振动影响。能承受更强的、高达~20'000g 冲击力的加速度传感器版本已经取得进展，即是HS8000 和HS9000 两款产品。

　　●  宽广的温度范围：我们所有的标准产品都在-55 °C 至+125°C 的温度范围内进行了测试。虽然没有正式的 Colibrys 质量认证，但是，我们的产品已成功地用在140 °C-150 °C以上的温度范围。

　　●  高稳定性：RS9000系列，目前正在开发中，将取得非常良好的长期稳定性，名义上可以降到 100ppm以下或更好，即使在恶劣的环境中，也将提供低于 150μg/g2 的振动调整系数。

　　对于那些曾使用MS7000产品的应用和客户，该系列仍可以供货，并补充了新的升级系列MS9000和VS9000。这些新的产品系列，是一个LCC20陶瓷封装产品，并预期具有与MS7000相同的功能。它们的小体积保证了新产品设计的灵活性， 并且，现在还配备了一个内置的温度传感器。

　　我们低噪声的SiFlexTM地震传感器SF1500和SF2006也是这些产品的理想同伴。

　　工作原理

　　MS7000，MS8000，MS9000 和VS9000传感器测量范围可以从±1g到±200g，单电源供电（在2.5V与5.5V之间）使功耗更低（<0.5毫安，在5V电压时）。在电源电压为5V时，对于满量程加速度范围，比率模拟电压的输出是在0.5V和4.5V变化。它必须有一个稳定的电源电压，因为任何不稳定将直接传送到输出。该传感器采用了完全独立的20引脚LCC陶瓷封装，确保全密封以延长使用寿命。它们在-55°C 至+125C 的工作温度范围内工作，能够承受高达6'000g 的冲击 。欲了解更多的技术信息，请参阅相关的产品规格和说明。

　　总结

　　MEMS加速度传感器渗透到越来越多的高端应用领域，在能源行业，取代了成熟、昂贵的和脆弱的机电设备。这场革命的驱动力是人们需要更好的设备，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，以及更加坚固耐用。高端 MEMS 加速度传感器的成功是由于它们能够在恶劣环境下工作的独特的功能：诸如极端的温度、振动和冲击。不仅在能源市场，而且还在军用航天航空、工业和仪器仪表市场。

　　Colibrys将提供MEMS‘前沿产品：地震，惯性，振动和倾斜的加速度传感器，用于钻井，定向钻井和相关的应用，并不断致力于新产品开发，新的解决方案，包括改进产品的稳定性，高温工作性能，提高对于冲击、振动或低噪声的抗干扰能力。

　　Colibrys加速度传感器由北京赛斯维测控技术有限公司负责在中国地区的市场推广及技术支持。查看技术参数或更多产品信息可登陆www.sensorway.cn 或拨打产品咨询热线010-84775646，84775648。

　　
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