- MS9002加速度傳感器在嚴苛環(huán)境下的鉆井應用
- 來源：賽斯維傳感器網 發(fā)表于 2014/5/12
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）
嚴苛的使用環(huán)境
良好的長期穩(wěn)定性
低溫度系數而不需溫度校準
低壓供電
體積小重量輕
符合RoHS標準的無鉛焊接和采用表面安裝（SMD）技術
眾多的應用程序正是利用了這種新的傳感器技術優(yōu)勢，使 MEMS 在能源行業(yè)的應用更加深入。一些應用例子如下：
● 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
● 結構完整性監(jiān)測（石油鉆塔，水壩，風力發(fā)電機，核電廠...）
● 管道監(jiān)測，便攜式慣性制導系統(tǒng)（PIGS）
● 平臺穩(wěn)定，傾斜測量
● 通過振動測量進行預防性工業(yè)維護
地下鉆井是一種成熟的、公認的工藝程序，它涉及到高新技術在惡劣的振動、溫度和腐蝕性環(huán)境下的應用。該技術已經取得很大發(fā)展，可用于多種不同的應用市場。鉆井的不同結果極大地依賴于其位置（海洋或陸地）和相關的土壤結構。無論是找礦，監(jiān)控或勘探，都有一些不同的技術來鉆取巖石碎片或巖心樣品。
礦山鉆井
這種技術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成而為將來可能的開采做準備。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
在石油和天然氣領域，各種采用加速度傳感器鉆井的應用：
- 進行標準靜態(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），引導鉆頭到達目標位置。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 數字地震傳感器的使用，使井下地震和交叉鉆井成像技術實現(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，以便達到預期儲層的位置。
水平定向鉆井 (HDD)
在一些大型建設中，如開鑿河流、開闊馬路，開挖隧道或是在城市地區(qū)安裝基礎設施（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）的有效性是至關重要的。
在這一點上，MEMS 技術是領先的。
鉆井技術
50％以上的新井使用以下兩種方法之一：
- 基于鉆井導向系統(tǒng)的泥漿馬達
- 旋轉式、可導向鉆井系統(tǒng)
Fig. 1: 旋轉式、可導向鉆井系統(tǒng)
對于另外 50％, 還使用各種其它鉆井技術，它取決于孔在不同的深度和寬度時土壤的結構和組成。
其它的典型技術包括：
- “無旋轉式” - 包括直推式鉆機
- 在鉆臺層面轉動方形或六角形管形成的“旋轉工作臺”
- 在鉆柱的頂部進行旋轉和循環(huán)的“頂部驅動'
-主要利用振動能量來推進鉆桿的“SONIC”
- 使用旋轉和沖擊力的“錘子”
- “旋轉式鼓風鉆'（RAB）
傳感儀器
考慮到各種鉆井應用及測量要求，人們廣泛地使用三種加速度傳感器裝置：
慣性制導：我們的目的是要積極引導鉆頭到其最終位置。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)引導飛行器相同，連續(xù)地隨鉆跟蹤鉆孔的位置。考慮到惡劣的環(huán)境，這樣的測量是在嚴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 ，以提供盡可能準確的測量。
測斜：根據周圍磁場的預期精度和強度，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量而得到精確的結果，從而降低了測量成本。
進行標準的靜態(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實現(xiàn)了更高的局部分辨率，這得益于 MEMS 數字地震傳感器。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），并為鉆孔和鉆井應用提供了理想的產品規(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取得進展，即是HS8000 和HS9000 兩款產品。
● 寬廣的溫度范圍：我們所有的標準產品都在-55 °C 至+125°C 的溫度范圍內進行了測試。雖然沒有正式的 Colibrys 質量認證，但是，我們的產品已成功地用在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 的振動調整系數。
對于那些曾使用MS7000產品的應用和客戶，該系列仍可以供貨，并補充了新的升級系列MS9000和VS9000。這些新的產品系列，是一個LCC20陶瓷封裝產品，并預期具有與MS7000相同的功能。它們的小體積保證了新產品設計的靈活性， 并且，現(xiàn)在還配備了一個內置的溫度傳感器。
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 的工作溫度范圍內工作，能夠承受高達6'000g 的沖擊 。欲了解更多的技術信息，請參閱相關的產品規(guī)格和說明。
總結
MEMS加速度傳感器滲透到越來越多的高端應用領域，在能源行業(yè)，取代了成熟、昂貴的和脆弱的機電設備。這場革命的驅動力是人們需要更好的設備，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，定向鉆井和相關的應用，并不斷致力于新產品開發(fā)，新的解決方案，包括改進產品的穩(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有限公司負責在中國地區(qū)的市場推廣及技術支持。查看技術參數或更多產品信息可登陸www.h1476.cn 或撥打產品咨詢熱線010-84775646，84775648。
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