CN100510318C - 全光纤数字测斜仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤数字测斜仪，由中心处理器、信号处理器、计数器、光缆绞盘、张力传感器、井架和下井探管组成；中心处理器与信号处理器通过RS232接口连接，光缆绞盘与信号处理器通过电缆线连接，计数器安装在光缆绞盘上，光缆绞盘上缠绕有光缆，井架放置在被测井口上方，井架上安装有张力传感器，光缆一端通过张力传感器与下井探管一端连接。中心处理器用于控制切换下井探管工作模式、监测下井仪器工作状态、提供所需180伏交流供电、完成原始测量数据的实时处理、结果绘图显示；本发明提供了一种能够快速高精度测量井眼轨迹，并可将测井资料高速上传的全光纤数字化测斜仪。

Description

全光纤数字测斜仪

技术领域

本发明涉及一种可用于地下石油及天然气井等井眼轨迹连续测量的全光纤数字测斜仪。

背景技术

测斜仪器是石油及天然气井、煤矿矿井中进行井眼轨迹测量时广泛使用的测量工具。目前国内外使用测斜仪主要是由磁通门传感器或机械陀螺作为角速度传感器与加速度计结合，测量井眼的方位角和井斜角。磁通门式测斜仪具有结构简单、价格低、性能稳定的优点，但仪器无法实现对套管井等有磁性干扰油井进行的测量；机械陀螺式测斜仪可弥补这一缺憾，但机械陀螺内部固有的转动机构使其存在着结构复杂、易损坏、抗振性差、漂移大等缺陷，导致了机械陀螺测斜仪精度差、寿命短(MTBF≤500小时)、操作维修不方便的缺点，故机械陀螺式测斜仪的使用成本费用很高。光纤陀螺轻型的固态结构使其具有可靠性高、寿命长(MTBF≤100,000小时)、耐冲击和振动、瞬时启动、功耗低、动态范围大的优点，因此，使用光纤陀螺做测斜仪的传感器不仅能够提高仪器测量精度、扩大仪器使用范围、还能延长其使用寿命。此外，目前测井领域采用五十年代的铠装七芯电缆作为有线测井的数据传输，虽然不同的测井方法已经实现了测井过程的自动化和测井资料的实时处理，但由于传输电缆带宽有限，严重限制了井下测量信号的上传能力，大量的地层信息不能传到或无法传到地面，据初步统计，电法测井的信息只能用到30～50％，而声波测井和放射性测井的信息却只用到10％。

全光纤数字化连续测斜仪是基于航空航天领域的光纤陀螺捷联惯性测量技术和光纤通讯技术的新一代测斜仪，采用光纤陀螺采集角速度信息与石英挠性加速度计采集的相对惯性空间的比力信息结合，通过测井特种光缆实时传送至地面工作站，并按照航迹推算法实时解算出表征井眼轨迹特征的各个参量，绘制出井眼轨迹三维图形及进行测井资料解释和分析。同时本发明数据传输采用总线结构设计，能实现多种测井仪器的组合测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种全光纤数字测斜仪，该测斜仪采用光纤陀螺作为传感器测量角速度，并用光纤进行地上地下数据传输，有效地解决了仪器测量精度、扩大仪器使用范围、还能延长其使用寿命。本发明的地面工作站用于控制切换下井光纤陀螺连续测斜仪传感器探管工作模式、监测下井仪器工作状态、提供所需180伏交流供电、完成原始测量数据的实时处理、结果绘图显示；测井光缆绞盘用于通过测井光缆下放或上提光纤陀螺连续测斜仪传感器探管总成；光纤陀螺连续测斜仪传感器探管在沿井眼轨迹运动时，各传感器分别敏感相应的各个参量，并通过测井光缆上传数据至地面工作站。

本发明是一种全光纤数字测斜仪，由中心处理器、信号处理器、计数器、光缆绞盘、张力传感器、井架和下井探管组成；中心处理器与信号处理器通过RS232接口连接，光缆绞盘与信号处理器通过电缆线连接，计数器安装在光缆绞盘上，光缆绞盘上缠绕有光缆，井架放置在被测井口上方，井架上安装有张力传感器，光缆一端通过张力传感器与下井探管一端连接；下井探管上安装有X轴光纤陀螺、Y轴光纤陀螺、Z轴光纤陀螺、X轴加速度计、Y轴加速度计、Z轴加速度计、X轴磁通门、Y轴磁通门和Z轴磁通门。

所述中心处理器由一公知计算机和安装在所述计算机内的适用于全光纤数字测斜仪的捷联惯性组合测量的控制装置，以及适用于下井探管位置设定的初始对准装置组成。所述捷联惯性组合测量控制装置包括捷联惯性测量单元、磁通门测量单元、光缆运行速度测量单元、卡尔曼滤波处理单元、信息比较A单元、信息比较B单元和信息比较C单元和零速修正单元；所述初始对准装置是通过对两个位置状态下的下井探管上传感器件输出的参数进行不同坐标系下的参数差值比较，获得下井探管的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ。

本发明全光纤数字测斜仪的优点在于：井用光纤光缆是在原有测井电缆的基础上专门制造的，中间缆芯为光缆，用于井下数据的高速上传；周围六根缆芯为电缆，用于井下供电及下传地面低速控制命令等信息。保护层和护套用于保护测井光缆。

附图说明

图1是本发明全光纤数字测斜仪组成示意图。

图2是中心处理器的信号流程框图。

图2A是中心处理器的主控界面示意图。

图2B是组合测量模式的原理框图。

图2C是下井探管的机体坐标系结构示意图。

图2D是被测井口的当地地理坐标系示意图。

图2E是两种坐标系的相互关系示意图。

图2F是初始对准的对准流程图。

图3是信号处理器结构框图。

图3A是功率放大电路原理图。

图3B是光电转换电路原理图。

图4是光缆剖视图。

图4A是光缆放大剖视图。

图4B是电缆放大剖视图。

图5是本发明下井探管机械骨架外部结构图。

图5A是耐压管内部结构图。

图5B是传感器组件骨架结构图。

图5C是第一固定板结构图。

图5D是井下电源骨架结构图。

图5E是上连接件结构图。

图中：        1.中心处理器       101.计算机       102.捷联惯性测量

103.磁测量    104.光缆运行速度                    105.卡尔曼滤波器

106.信息比较A 107.信息比较B      108.信息比较C

2.信号处理器  201.FPGA处理器     202.功率放大电路 203.光电转换电路

3.计数器      4.光缆绞盘         5.张力传感器     6.井架          7.被测井口

              8.光缆             801.外护套       802.保护层      803.电缆

831.弹性护套  832.铠装钢丝       833.电缆缆芯     804.光缆

841.弹性护套  842.铠装钢丝       843.弹性波纹管   844.电缆缆芯    805.填充物

9.表层套管    10.下井探管        1001.X轴光纤陀螺 1002.Y轴光纤陀螺

1003.Z轴光纤陀螺                 1004.X轴加速度计

1005.Y轴加速度计                 1006.Z轴加速度计

1007.目标油藏 1008.被测井眼轨迹  11.电缆线

12.机体坐标系 13.地理坐标系

在本发明中，下井探管10的机械骨架的图标为：

1a.第一固定板                    11a.环形右端框   12a.环形左端框  13a.条形孔

14.凸形孔     2a.第二固定板      21.凹腔          22.条形孔       3a.第三固定板

31.凹腔       32.条形槽          4a.第一定位圆桶  41.楔形孔       42.安装面

43.平面       44.凹槽            5a.第二定位圆桶  51.凹槽         53.圆孔

54.安装面     6a.X轴向安装台     61.安装面        62.圆孔         7a.Y轴向安装台

71.安装面     72.圆孔            8a.X轴向矩形腔   81.上面板       82.下面板

83.槽口       84.环形端框        9a.Y轴向矩形腔   91.左面板       92.右面板

93.上环形端框 94.下环形端框      95.槽口          96.走纤槽       101a.耐压壳

102a.上连接件 103a.挂勾          104a.接头        105a.通孔       106a.下连接件

107a.保温瓶    108a.连接头     109a.井下电源骨架                110.第一定位架

111.前侧板     112.环形右端框  113.环形左端框    114.条形孔     115.安装孔

116.过渡端框   117.孔          118.后侧板        119.第一变压器 120.第二变压器

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种全光纤数字测斜仪，由中心处理器1、信号处理器2、计数器3、光缆绞盘4、张力传感器5、井架6、光缆8和下井探管10组成，中心处理器1与信号处理器2通过RS232接口连接，光缆绞盘4与信号处理器2通过电缆线11连接，计数器3安装在光缆绞盘4上，光缆绞盘4上缠绕有光缆8，井架6放置在被测井口7上方，井架6上安装有张力传感器5，光缆8一端通过张力传感器5与下井探管10一端连接。

中心处理器1

请参见图2所示，本发明中心处理器1的控制流程为：系统(安装在计算机101上的组合测量控制装置和初始对准装置)上电后，首先进行自检，获得正确的运行状态信息后进行测量参数设置(参见图2B所示)；测量参数设置结束后测斜仪进入初始对准(参见图2F所示)状态，获得下井探管10机体坐标系12相对于当地地理坐标系13的转换矩阵；对准结束后进行测斜仪初始状态装订、输入当地经纬度后进行下井测量状态；下井探管10到达指定深度后停止下行，并进行速度误差归零处理，下井探管10进入上行测量状态；下井探管10到达被测井口7后进行井口二次对准处理，实现井眼轨迹闭合测量，并对测量数据进行存储、分析、绘图处理，并将结果输出。

在本发明中，中心处理器1由一公知计算机101和安装在所述计算机内的适用于全光纤数字测斜仪的捷联惯性组合测量的控制装置，以及适用于下井探管10位置设定的初始对准装置组成。

适用于全光纤数字测斜仪捷联惯性组合测量的控制装置，是指对捷联惯性测量输出的姿态信息、速度信息分别与磁测量输出的磁姿态信息、光缆绞盘运动的速度信息和下井探管静止时的零速信息进行信息比较后，并对所述信息比较输出的差值进行卡尔曼滤波处理后，用于估计捷联惯性组合的相关误差并进行修正和补偿。经所述修正和补偿后的捷联惯性测量将输出的姿态信息给计算机进行精确的井眼轨迹绘图及显示。

参见图2B所示，本发明捷联惯性组合测量控制装置包括捷联惯性测量102、磁通门测量103、光缆运行速度测量104、卡尔曼滤波处理105、三个信息比较模块(信息比较A106、信息比较B107和信息比较C108)和零速修正模块(下井探管10静止时信息)，下面将从各部分能够实现的功能进行说明。

一、捷联惯性测量102

惯性测量分为平台式惯性测量和捷联式惯性测量，捷联式惯性测量是将陀螺和加速度计直接固连在机体上的一种惯性测量方式。捷联式惯性测量是用数学平台取代平台式惯性测量中的物理平台而进行的一种测量模式。该捷联式惯性测量具有机械结构简单、尺寸小、相对造价较低，但由于陀螺和加速度计直接固连在机体上，导致陀螺和加速度计的输入动态范围较大，则在对使用合适的陀螺和加速度计提出了更高的要求，此外选用数学平台代替物理平台对数据处理用的计算机要求较高。

在本发明中，捷联惯性测量102首先接收A)光纤陀螺输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的角速度信息；和B)加速度计输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的比力信息；然后对所述角速度信息和所述比力信息采用航迹推算处理后，输出C)下井探管的速度信息V_x、V_y、V_z；和D)下井探管姿态信息的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ；最后，将E)所述速度信息V_x、V_y、V_z输出给信息比较B单元和信息比较C单元；将F)所述姿态信息输出给信息比较A单元。

卡尔曼滤波器105输出的所述状态变量X用于在线补偿所述捷联惯性测量102的误差，其补偿后的表示下井探管姿态信息的输出为方位角ψ₀、横滚角φ₀、倾斜角θ₀。并将这些姿态信息输出给计算机显示界面(参见图2A所示)上绘图显示(井眼轨迹绘制)，以方便操作者实时监测。

垂直井深计算单元用于计算井眼的垂直井深，并将井深参数输出给计算机显示界面显示，以方便操作者实时监测。垂直井深计算单元的井深计算是通过将接收的缆长信息与下井探管10倾斜角θ₀的余弦相乘得到被测点的垂直井深。

二、磁通门测量103

磁通门现象是一种普遍存在的电磁感应现象，它是利用高导磁材料在传感器线圈系统中的磁饱和特性而测量磁场的仪器，是应用最广泛的弱磁测量仪器之一，其测量范围为10^-12～10^-3T，这种仪器结构简单、体积小、重量轻、功耗低、抗震性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、稳定性好、适于测量恒定磁场或缓慢变化的磁场。

在本发明中，磁通门组件包括三个正交安置的磁通门，即X轴磁通门、Y轴磁通门和Z轴磁通门。

在本发明中，磁通门测量103首先接收A)磁通门组件输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的地磁分量信息；和B)加速度计输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的比力信息；然后对所述地磁分量信息和所述比力信息采用磁测量计算，并将计算出的相对于磁北的方位角转换为相对于真北的方位角ψ_c后，输出下井探管姿态信息的方位角ψ_c、横滚角φ_c、倾斜角θ_c；最后将C)所述姿态信息输出给信息比较A单元。

三、光缆运行速度104

光缆8的一端连接在光缆绞盘4上，另一端固定在下井探管10上。在本发明中，对下井探管10在井中运行的速度可通过计数器3测量得到的光缆长度在单位时间内光缆长度增量得到下井探管运行时在其机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的速度信息。

全光纤数字测斜仪在测量过程中涉及两个坐标系，一个是当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t 13，一个是下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b 12。这两个坐标系存在的坐标转换关系为 $\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]=C_t^b\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right],$

表示坐标转换矩阵。通过这个坐标转换矩阵

可将下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的光缆运行速度信息转换为当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t下的速度信息V_xc、V_yc、V_zc，所述速度信息V_xc、V_yc、V_zc输出给信息比较B单元进行速度差值比较。

下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b与当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t之间的转换矩阵为 $C_t^b=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}+\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}+\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}-\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right],$ 这个矩阵中的角度分别有下井探管姿态信息的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ。

四、卡尔曼滤波器105

卡尔曼滤波器105接收

A)信息比较A单元输出的姿态差值 $Z_{\mathrm{KA}}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\ψ}}_c\\ \mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_c\\ \mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_c\end{array}\right],$ 和

B)信息比较B单元输出的速度差值 $Z_{\mathrm{KB}}=\left[\begin{array}{c}{V}_x-V_{\mathrm{xc}}\\ V_y-V_{\mathrm{yc}}\\ V_z-V_{\mathrm{zc}}\end{array}\right]$ 和

C)信息比较C单元输出的速度差值 $Z_{\mathrm{KC}}=\left[\begin{array}{c}{V}_x-0\\ V_y-0\\ V_z-0\end{array}\right],$ 利用离散型卡尔曼滤波器对接收信息进行数据融合实现对状态变量X＝[δr_x，δr_y，δr_z，δv_x，δv_y，δv_z，η_x，η_y，η_z，δf_x，δf_y，δf_z，δω_x，δω_y，δω_z]的进行最优估计，根据估计的状态变量对所述捷联惯性测量进行在线误差补偿，输出补偿后的下井探管姿态信息 $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_0\\ {\mathrm{\θ}}_0\\ {\mathrm{\φ}}_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\η}}_x\\ \mathrm{\θ}-{\mathrm{\η}}_y\\ \mathrm{\φ}-{\mathrm{\η}}_z\end{array}\right]$ 给所述计算机显示界面101。

式中，δr_x表示当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t下的位置误差X轴分量，δr_y表示当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t下的位置误差Y轴分量，δr_z表示当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t下的位置误差Z轴分量，δv_x表示当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t下的速度误差X轴分量，δv_y表示当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t下的速度误差Y轴分量，δv_z表示当地地理坐标系0_tX_tY_tZ_t下的速度误差Z轴分量，η_x表示方位角ψ误差，η_y表示倾斜角θ误差，η_z表示横滚角φ误差，δf_x表示X轴加速度计误差，δf_y表示Y轴加速度计误差，δf_z表示Z轴加速度计误差，δω_x表示X轴光纤陀螺误差，δω_y表示Y轴光纤陀螺误差，δω_z表示Z轴光纤陀螺误差。

本发明中的卡尔曼滤波器105的滤波处理采用离散型卡尔曼滤波基本方程，其各状态变量初值均设为零。

五、信息比较

在本发明中，信息比较由信息比较A单元106、信息比较B单元107和信息比较C单元108组成，其中，

信息比较A单元106，用于完成对所述捷联惯性测量102输出的下井探管姿态信息的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ与所述磁测量103输出的下井探管姿态信息的方位角ψ_c、横滚角φ_c、倾斜角θ_c相减输出姿态差值 $Z_{\mathrm{KA}}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\ψ}}_c\\ \mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_c\\ \mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_c\end{array}\right]$ 给卡尔曼滤波器105；

信息比较B单元107，用于完成对所述捷联惯性测量102输出的下井探管的速度信息V_x、V_y、V_z与所述光缆运动速度测量104输出的速度信息V_xc、V_yc、V_zc相减输出速度差值 $Z_{\mathrm{KB}}=\left[\begin{array}{c}{V}_x-V_{\mathrm{xc}}\\ V_y-V_{\mathrm{yc}}\\ V_z-V_{\mathrm{zc}}\end{array}\right]$ 给卡尔曼滤波器105；

信息比较C单元108，用于完成对所述捷联惯性测量102输出的下井探管的速度信息V_x、V_y、V_z与所述下井探管10静止量输出的零速度信息相减输出速度差值 $Z_{\mathrm{KC}}=\left[\begin{array}{c}{V}_x-0\\ V_y-0\\ V_z-0\end{array}\right]$ 给卡尔曼滤波器105。

六、零速修正

零速修正是指全光纤数字测斜仪中下井探管处于静止位置时，其速度为零的现象来修正捷联惯性测量输出的速度误差。该“零速修正”通过设置的一按键实现，参见图2A所示。采用所述零速修正模式时，下井探管实际的运行速度为零作为输出给信息比较C单元的比较信息。

本发明捷联惯性组合测量控制装置可以提供四种组合测量工作模式，各个模式通过在图2A的界面中按下相应的键实现。其中，

模式一：捷联惯性测量+缆长(测量模式中按键设定为①)

该组合测量模式用于常规有线测井的快速连续测量，尤其适用于套管井或有磁性物质干扰的井眼轨迹测量。

组合测量所需的信息流程为：第一路信息，捷联惯性测量首先接收A)光纤陀螺输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的角速度信息；和B)加速度计输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的比力信息；然后对所述角速度信息和所述比力信息采用航迹推算处理后，输出C)下井探管的速度信息V_x、V_y、V_z；最后将所述速度信息V_x、V_y、V_z输出给信息比较B单元。第二路信息，通过计数器对光缆缆长的记录，再经坐标转换获得的表示井下探管的运行速度信息V_xc、V_yc、V_zc输出给信息比较B单元。在信息比较B单元中第一路信息与第二路信息进行速度差值比较后输出给卡尔曼滤波器处理。第三路信息，经卡尔曼滤波输出的所述状态变量X用于在线补偿所述捷联惯性测量的误差，其补偿后表示下井探管姿态信息的输出为方位角ψ₀、横滚角φ₀、倾斜角θ₀。所述姿态信息输出给计算机显示界面绘图显示，以方便操作者实时监测。第四路信息，所述姿态信息输出给垂直井深计算单元进行垂直井深计算，并输出井深参数给计算机显示界面显示，以方便操作者实时监测。

模式二：捷联惯性测量+零速修正(测量模式中按键设定为②)

该组合测量模式用于不要求连续测量的测井过程中，可用在随钻测井(MWD)过程中，实时监测钻头的钻进方向。

组合测量所需的信息流程为：第一路信息，捷联惯性测量首先接收A)光纤陀螺输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的角速度信息；和B)加速度计输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的比力信息；然后对所述角速度信息和所述比力信息采用航迹推算处理后，输出C)下井探管的速度信息V_x、V_y、V_z；最后将所述速度信息V_x、V_y、V_z输出给信息比较C单元。第二路信息，下井探管实际的运行速度为零作为输出给信息比较C单元的比较信息。在信息比较C单元中第一路信息与第二路信息进行速度差值比较后输出给卡尔曼滤波器处理。第三路信息，经卡尔曼滤波输出的所述状态变量X用于在线补偿所述捷联惯性测量的误差，其补偿后表示下井探管姿态信息的输出为方位角ψ₀、横滚角φ₀、倾斜角θ₀。所述姿态信息输出给计算机显示界面绘图显示，以方便操作者实时监测。第四路信息，所述姿态信息输出给垂直井深计算单元进行垂直井深计算，并输出井深参数给计算机显示界面显示，以方便操作者实时监测。

模式三：捷联惯性测量+磁测量(测量模式中按键设定为③)

该组合测量模式用于无磁环境干扰的测井作业，实现高精度连续测量。

组合测量所需的信息流程为：第一路信息，捷联惯性测量首先接收A)光纤陀螺输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的角速度信息；和B)加速度计输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的比力信息；然后对所述角速度信息和所述比力信息采用航迹推算处理后，输出C)表示下井探管姿态信息的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ；最后将所述姿态信息输出给信息比较A单元。第二路信息，磁通门测量首先接收A)磁通门组件输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的地磁分量信息；和B)加速度计输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的比力信息；然后对所述地磁分量信息和所述比力信息采用磁测量计算，并将计算出的相对于磁北的方位角转换为相对于真北的方位角ψ_c后，输出表示下井探管姿态信息的方位角ψ_c、横滚角φ_c、倾斜角θ_c；最后将所述姿态信息输出给信息比较A单元。在信息比较A单元中第一路信息与第二路信息进行姿态差值比较后输出给卡尔曼滤波器处理。第三路信息，经卡尔曼滤波输出的所述状态变量X用于在线补偿所述捷联惯性测量的误差，其补偿后表示下井探管姿态信息的输出为方位角ψ₀、横滚角φ₀、倾斜角θ₀。所述姿态信息输出给计算机显示界面绘图显示，以方便操作者实时监测。第四路信息，所述姿态信息输出给垂直井深计算单元进行垂直井深计算，并输出井深参数给计算机显示界面显示，以方便操作者实时监测。

模式四：捷联惯性测量+缆长+零速修正+磁测量(测量模式中按键设定为④)

该组合测量模式用于有缆长辅助且无连续测量要求的各类测井环境，通过多种数据融合技术的应用，可提供精确估计和补偿捷联惯性的误差，能提供高精度的测量结果。其结构参见图2B所示，组合测量所需的信息流程在说明书中已有相关详细介绍，此处不再说明了。

在本发明中，所述卡尔曼滤波器对状态变量进行实时在线估计。四种不同的相关测量模式在卡尔曼滤波处理中输出的所述状态变量X是相同的，但使用的观测量是不同的。

当选取模式一时，其相应的量测阵 $H_1=\left[\begin{array}{ccccccccccccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right],$ 则补偿后表示下井探管姿态信息的输出为 $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_0\\ {\mathrm{\θ}}_0\\ {\mathrm{\φ}}_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\η}}_x\\ \mathrm{\θ}-{\mathrm{\η}}_y\\ \mathrm{\φ}-{\mathrm{\η}}_z\end{array}\right].$

当选取模式二时，其相应的量测阵 $H_{\mathrm{2,3}}=\left[\begin{array}{ccccccccccccccc}0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right],$ 则补偿后表示下井探管姿态信息的输出为 $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_0\\ {\mathrm{\θ}}_0\\ {\mathrm{\φ}}_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\η}}_x\\ \mathrm{\θ}-{\mathrm{\η}}_y\\ \mathrm{\φ}-{\mathrm{\η}}_z\end{array}\right].$ 本发明中，模式三与模式二的量测阵是相同的，则输出也相同，即模式三与模式二都是以速度差值作为观测量。

当选取模式四时，其相应的量测阵 $H_4=\left[\begin{array}{cccccccccccccccc}0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right],$ 则补偿后表示下井探管姿态信息的输出为 $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_0\\ {\mathrm{\θ}}_0\\ {\mathrm{\φ}}_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\η}}_x\\ \mathrm{\θ}-{\mathrm{\η}}_y\\ \mathrm{\φ}-{\mathrm{\η}}_z\end{array}\right].$

下井探管10上安装有光纤陀螺组件包括X轴光纤陀螺1001、Y轴光纤陀螺1002和Z轴光纤陀螺1003，三个光纤陀螺输出角速度信息；加速度计组件包括X轴加速度计1004、Y轴加速度计1005和Z轴加速度计1006，三个加速度计输出比力信息；磁通门组件包括X轴磁通门、Y轴磁通门和Z轴磁通门，三个磁通门输出地磁分量信息。

本发明初始对准是通过对两个位置状态下的下井探管10上传感器件输出的参数进行不同坐标系下的参数差值比较，获得下井探管10的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ，从而引入至公知的坐标转换矩阵中计算出下井探管10到达目标油藏1007时的被测井眼轨迹1008的测量精度。参数差值比较是通过将欲执行初始对准任务的控制程序存入所述全光纤数字测斜仪的计算机的存储器中，运用惯性测量软件系统进行监控下井探管7的初始对准运行状态。

本发明初始对准方法，是将欲执行初始对准任务的控制程序存入所述全光纤数字测斜仪的计算机的存储器中，其初始对准是在惯性测量系统进入测量工作状态之前进行的，其初始对准包括下列对准步骤(参见图2F所示)：

第一步：系统上电后，检测下井探管10的工作状态是否正常；

第二步：在正常工作状态下，设定下井探管10(参见图2C所示)所在当前位置为第一位置F，设定下井探管10绕其主轴OZ_b旋转180°后所在位置为第二位置S；

第三步：采集第一位置F时下井探管10上的传感器组件输出的X轴光纤陀螺数据XFOG1、Y轴光纤陀螺数据YFOG1、Z轴光纤陀螺数据ZFOG1、X轴加速度计数据XA1、Y轴加速度计数据YA1、Z轴加速度计数据ZA1，并将所采集的数据输出给全光纤数字测斜仪的惯性测量系统；

采集第二位置S时下井探管10上的传感器组件输出的X轴光纤陀螺数据XFOG2、Y轴光纤陀螺数据YFOG2、Z轴光纤陀螺数据ZFOG2、X轴加速度计数据XA2、Y轴加速度计数据YA2、Z轴加速度计数据ZA2，并将所采集的数据输出给全光纤数字测斜仪的惯性测量系统；

第四步：将上述第二步骤和第三步骤采集来的传感数据在中心控制处理单元中进行两位置差值比较，获得下井探管10的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ，从而得到下井探管10机体坐标系O_bX_bY_bZ_b与当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t之间的转换矩阵 $C_t^b=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}+\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}+\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}-\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right].$

在本发明中，代表下井探管10姿态的初始方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ可以按下列顺序分三次转动得到：即

当地地理坐标系

第一过渡坐标系

第二过渡坐标系

机体坐标系O_bX_bY_bZ_b

式中，O_b1X_b1Y_b1tZ_b1表示当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t绕轴O_tZ_t旋转—方位角ψ后的得到的第一过渡坐标系；

O_b2X_b2Y_b2Z_b2表示第一过渡坐标系O_b1X_b1Y_b1tZ_b1绕轴O_b1X_b1旋转一倾斜角θ后的得到的第二过渡坐标系。

三次坐标转换可得到的转换矩阵为：

$C_t^b=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}+\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}+\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}-\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]$

式中，b表示下井探管10机体坐标系12，t表示当地地理坐标系13，

表示t系至b系的转换矩阵，ψ表示方位角，φ表示工具面角，θ表示井斜角。

则，当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t与下井探管7机体坐标系O_bX_bY_bZ_b两个坐标系的关系表示为 $\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]=C_t^b\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right].$

参见图2C、图2D、图2E所示，下井探管10中传感器组件的X轴光纤陀螺1001、Y轴光纤陀螺1002、Z轴光纤陀螺1003、X轴加速度计1004、Y轴加速度计1005和Z轴加速度计1006的输入分别为沿下井探管10机体坐标系O_bX_bY_bZ_b的各个轴向，保持下井探管10静止时，则在第一位置F时各轴光纤陀螺及加速度计的输出分别如下：

$\mathrm{XFOG}1=K_{\mathrm{FOG}}^X[{\mathrm{\ω}}_e^y(\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}-\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ})-{\mathrm{\ω}}_e^z\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}]+{\mathrm{\ϵ}}_x---\left(1\right)$

   $\mathrm{YFOG}1=K_{\mathrm{FOG}}^Y[{\mathrm{\ω}}_e^y\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}+{\mathrm{\ω}}_e^z\sin \mathrm{\θ}]+{\mathrm{\ϵ}}_y---\left(2\right)$

$\mathrm{ZFOG}1=K_{\mathrm{FOG}}^Z[{\mathrm{\ω}}_e^y(-\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}-\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ})+{\mathrm{\ω}}_e^z\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}]+{\mathrm{\ϵ}}_z---\left(3\right)$

                $\mathrm{XA}1=-K_A^X\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}+{\mathrm{\Δ}}_X---\left(4\right)$

              $\mathrm{YA}1=K_A^Y\sin \mathrm{\θ}+{\mathrm{\Δ}}_Y---\left(5\right)$

              $\mathrm{ZA}1=K_A^Z\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}+{\mathrm{\Δ}}_Z---\left(6\right)$

式中：

表示地球自转角速率在北向的分量，

表示地球自转角速率在天向的分量，

表示被测井口的当地纬度，

ω_ie表示地球的自转角速度，

表示X轴光纤陀螺1001的标度因数，

表示Y轴光纤陀螺1002的标度因数，

表示Z轴光纤陀螺1003的标度因数，

ε_x表示X轴光纤陀螺1001的常值漂移，

ε_y表示Y轴光纤陀螺1002的常值漂移，

ε_z表示Z轴光纤陀螺1003的常值漂移，

表示X轴加速度计1004的标度因数，

表示Y轴加速度计1005的标度因数，

表示Z轴加速度计1006的标度因数，

Δ_X表示X轴加速度计1004的零偏，

Δ_Y表示Y轴加速度计1005的零偏，

Δ_Z表示Z轴加速度计1006的零偏。

当下井探管10绕其主轴oz_b旋转180°后，到达指定位置，即第二位置S处时保持静止，此时采集各轴光纤陀螺及加速度计的输出数据为：

$\mathrm{XFOG}2=K_{\mathrm{FOG}}^X[{-\mathrm{\ω}}_e^y(\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}-\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ})+{\mathrm{\ω}}_e^z\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}]+{\mathrm{\ϵ}}_x---\left(7\right)$

      $\mathrm{YFOG}2=K_{\mathrm{FOG}}^Y[{-\mathrm{\ω}}_e^y\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}-{\mathrm{\ω}}_e^z\sin \mathrm{\θ}]+{\mathrm{\ϵ}}_y---\left(8\right)$

$\mathrm{ZFOG}2=K_{\mathrm{FOG}}^Z[{\mathrm{\ω}}_e^y(-\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}-\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ})+{\mathrm{\ω}}_e^z\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}]+{\mathrm{\ϵ}}_z---\left(9\right)$

           $\mathrm{XA}2=K_A^X\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}+{\mathrm{\Δ}}_X---\left(10\right)$

            $\mathrm{YA}2=-K_A^Y\sin \mathrm{\θ}+{\mathrm{\Δ}}_Y---\left(11\right)$

          $\mathrm{ZA}2=K_A^Z\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}+{\mathrm{\Δ}}_Z---\left(12\right)$

由上式(1)～(12)可以推导出X轴光纤陀螺1001的常值漂移ε_x、Y轴光纤陀螺1002的常值漂移ε_y、Z轴光纤陀螺1003的常值漂移ε_z、X轴加速度计1004的零偏Δ_X、Y轴加速度计1005的零偏Δ_Y、Z轴加速度计1006的零偏Δ_Z及下井探管10初始的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ，两个坐标系下的位置参数转换如下：

$\mathrm{\θ}=\arcsin [(\mathrm{YA}1-\mathrm{YA}2)/2K_A^Y]---\left(13\right)$

$\mathrm{\φ}=\arcsin [-(\mathrm{XA}1-\mathrm{XA}2)/2K_A^X\cos \mathrm{\θ}]---\left(14\right)$

$\mathrm{\ψ}=\arccos [(\mathrm{YFOG}1-\mathrm{YFOG}2)/2K_{\mathrm{FOG}}^Y\cos \mathrm{\θ}-{\mathrm{\ω}}_e^z\tan /{\mathrm{\ω}}_e^y]---\left(15\right)$

ε_x＝(XFOG1+XFOG2)/2                            (16)

ε_y＝(YFOG1+YFOG2)/2                            (17)

${\mathrm{\ϵ}}_Z=\mathrm{ZFOG}1-K_{\mathrm{FOG}}^Z[{\mathrm{\ω}}_e^y(-\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}-\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ})+{\mathrm{\ω}}_e^z\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}]---\left(18\right)$

Δ_X＝(XA1+XA2)/2                                (19)

Δ_Y＝(YA1+YA2)/2                                (20)

${\mathrm{\Δ}}_Z=\mathrm{ZA}2-K_A^Z\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}---\left(21\right)$

将上式(13)～(15)值代入转换矩阵

中，可得到下井探管10的机体坐标系到当地地理坐标系的变换距阵，同时也标定出了各轴光纤陀螺的常值漂移和各轴加速度计的常值偏置，是一种简单有效的初始对准方法。

信号处理器2

在本发明中，信号处理器2用于实现井下数据的接收的解码和井上下传控制指令及光缆缆长数据的编码和发送。

信号处理器2由FPGA逻辑处理器201、功率放大电路202和光电转换电路203组成，FPGA逻辑处理器201接收由中心处理器1输出的光缆缆长L(缆长是指从被测井口7处到下井探管10所处当前位置时光缆通过光缆绞盘4的长度，其长度由计数器3读取，且输出给信号处理器2)和下井探管10运行状态指令，并将所述信息按照曼彻斯特编码格式进行编码处理后输出给功率放大电路；功率放大电路对所述编码信息进行放大、滤波处理输出给光电转换电路，在光电转换电路中将电信号转换为光强信号，所述光强信号通过光缆耦合器耦合进入光缆8(七芯铠装光缆)传递给下井探管10。

信号处理器2硬件电路的连接：FPGA逻辑处理器201的输出端Pa接电阻R3后联入放大器U11的反相端2，FPGA逻辑处理器201的输出端Pb接电阻R4后联入放大器U11的正相端3，放大器U11的输出端6与光电转换电路23的三极管Q1的基极联接；三极管Q1的集电极接地，三极管Q1的发射极分别与三极管Q3的集电极、三极管Q2的发射极联接，三极管Q3的发射极通过电阻R23接-5V电压，三极管Q3的基极与滑动变阻器R25联接；三极管Q2的发射极与激光器LD的2端联接，激光器LD的1端接地，三极管Q2的基极与参考电压VBB相联；三极管Q4的集电极与激光器LD的2端联接，发射极通过电阻R22与-5V电压相联，基极与放大器U12的输出端6联接；放大器U12的反相端2与滑动变阻器R24输出端联接，正相端与滑动变阻器R24的一端联接，滑动变阻器R24的另一端接地，放大器U12的输出端6与反相端2通过电阻R21联接，放大器U12的反相端2与二极管PD的1端联接，二极管PD的2端接地。光电转换电路203将功率放大电路202提供的电压信号转换成驱动激光器光源所需的电流，驱动电流使激光二极管LD发生偏移，产生偏移电流。当数据由高于V_BB的电压表示时，三极管Q1中有电流通过，二极管LD关闭；当数据由低于V_BB的电压表示时，三极管Q2中有电流通过，二极管LD导通。从而代发送的电信号数据被调制成以激光器光强表示的光信号，进而耦合进光纤(光缆8中的光纤)进行传输。

下井探管10

本发明下井探管10机械骨架具有三维坐标系关系，且为多段式结构，即上连接件102a一段、下连接件106a一段、下井下电源骨架一段和用于安装传感器组件的骨架体(图5B所示)一段。本发明下井探管机械骨架由上连接件102a、下连接件106a、井下电源骨架和传感器组件骨架组成(参见图5、图5B所示)，上连接件102a通过接头104a与传感器组件骨架的耐压壳101a一端连接，接头104a另一端螺纹连接有挂勾103a，光缆8固定在挂勾103a上，且通孔105a穿过；下连接件106a通过接头与传感器组件骨架的耐压壳101a另一端连接；井下电源骨架安装在传感器组件骨架的耐压壳101a内(参见图5A所示)。其骨架体上设有用于固定传感器组件和固定屏蔽罩的多个螺纹孔；传感器组件分别安装在不同部位的机械骨架上，然后再将多块屏蔽罩与骨架体上的螺纹孔连接。

参见图5D所示，在本发明中，井下电源骨架用于安装提供井下所需电源的AC/DC模块(AC/DC模块固定在第二定位板111上)和滤波电路板(滤波电路板固定在第一定位板110上)，其井下所需电源为±15V、±5V。井下电源骨架为一体成型件，其第一定位板110与保温瓶107a一端螺纹连接，第二定位板111置入上连接件102a的通孔105a内。第一定位板110的一端为环形右端框112，其板面上设有条形孔114、安装孔115，第一定位板110的另一端为过渡圆框116，过渡圆框116的中心开有孔117，过渡圆框116与环形左端框113之间有前侧板111、后侧板118，第一变压器119和第二变压器120平行且固定安装在前侧板111和后侧板118上。

参见图5B所示，在本发明中，传感器组件的骨架体上设有用于固定传感器组件(传感器组件一般有三个光纤陀螺和三个加速度计)和固定屏蔽罩(屏蔽罩是由多块弧形钢板分别通过机械骨架上的螺纹孔连接构成)的多个螺纹孔；传感器组件分别安装在不同部位的机械骨架上，然后再将多块屏蔽罩与骨架体上的螺纹孔连接，采用多块屏蔽罩构成机械骨架的外壳体，不仅减少了各器件之间的信号相互干扰，同时也方便了对安装在不同部位上的传感器组件的维修，也减小了机械骨架的体积。机械骨架设计成具有三维坐标系关系，是为了保证传感器组件数据采集的范围，两段式机械骨架的设计是因有一个加速度计安装位置以及与光纤陀螺油井连续测斜仪的其它部件连接而设计的。

本发明的传感器组件的骨架是以其中一个基准面作为坐标轴向的，固定安装在骨架上的三个光纤陀螺和三个加速度计，以及多块电路板，是以Z轴向为基准面的进行轴向划分的。请参见图5B所示，骨架由第一定位圆桶4a、第二定位圆桶5a、X轴向安装台6a、Y轴向安装台7a、X轴向矩形腔8a、Y轴向矩形腔9a和用于安装电路板的第一固定板1a、第二固定板2a和第三固定板3a组成，第一固定板1a连接在第一定位圆桶4a的一端，第一定位圆桶4a与X轴向矩形腔8a之间是Y轴向安装台7a和X轴向安装台6a，X轴向矩形腔8a与Y轴向矩形腔9a之间是第二固定板2a，Y轴向矩形腔9a与第二定位圆桶5a之间是第三固定板3a。

参见图5C所示，在第一固定板1a的两端是环形右端框11a、环形左端框12a，其板面上设有条形孔13a和凸形孔14，凸形孔14设在环形右端框11a的内侧面，环形左端框12a连接在第一定位圆桶4a上并与内腔的平面43接触，环形左端框12a外径与第一定位圆桶4a内径大小适配；第一固定板1a是用来固定光纤陀螺油井测斜仪中井下仪器部分的系统处理器用的，即可以用来固定如DSP+FPGA的电路板，电源驱动电路板等。板面上的条形孔13a和凸形孔14是用于连接线的通过。

在第一定位圆桶4a内设有安装面42、平面43和楔形孔41，其外部设有用于安装扁平缆的凹槽44；第一定位圆桶4a的内腔是用来安装Z轴向加速度计的，Z轴向加速度计是固定在安装面42上的，安装面42与安装面71的垂直设计保证Z轴向加速度计与Y轴向加速度计的敏感轴相互正交，Z轴向加速度计的连接线经楔形孔41伸出，凹槽44内可以安装扁平缆，凹槽44上方用屏蔽罩遮盖。

在Y轴向安装台7a的安装面71上设有用于放置Y轴向加速度计的圆孔72。X轴向安装台6a的安装面61上设有用于放置X轴向加速度计的圆孔62。安装面71与安装面61的垂直设计保证Y轴向加速度计与X轴向加速度计的敏感轴相互正交。在本发明中，安装面42与安装面71垂直，安装面71与安装面61垂直，安装面42与安装面61垂直，通过加速度计的固定位实现了三个加速度计的敏感轴相互正交。

在第二固定板2a上设有椭圆形凹腔21，凹腔21的中心有一条形孔22；第二固定板2a两个面板的凹腔21上分别安装有电路板，电路板的连接线以及光纤陀螺的光纤从条形孔22中穿过。椭圆形凹腔21的设计减小了光纤的弯曲损耗。

在X轴向矩形腔8a的上面板81与下面板82平行且与三维坐标系X轴垂直，X轴向矩形腔8a的环形端框84上设有槽口83。Y轴向矩形腔9a的左面板91与右面板92平行且与三维坐标系Y轴垂直，右面板92上开有走纤槽96，Y轴向矩形腔9a的上环形端框93和下环形端框94上设有槽口95。X轴向矩形腔8a和Y轴向矩形腔9a的开口方向是垂直的，两个光纤陀螺分别放入X轴向矩形腔8a和Y轴向矩形腔9a腔内，通过固定在不同的面板位置使光纤陀螺具有采集X轴方向或者采集Y轴方向数据的特性。槽口83、槽口95、走纤槽96的设计优化了走纤路径，减小了光纤信号传输损耗。

在第三固定板3a上设有椭圆形凹腔31，第三固定板3a与第二定位圆桶5a接合处设有条形槽32，条形槽32内固定有光纤耦合器，第三固定板3a两个面板的凹腔31上分别安装有电路板，电路板的连接线以及光纤陀螺的光纤从从条形槽32中穿过。椭圆形凹腔31的设计减小了光纤的弯曲损耗。

在第二定位圆桶5a内设有安装面53，安装面53的中心开有一圆孔52，其外部设有用于安装扁平缆的凹槽51，凹槽51上方用屏蔽罩遮盖。第二定位圆桶5a内安装的是Z轴向光纤陀螺，Z轴向光纤陀螺固定在安装面53上，连接线通过圆孔52伸出至第三固定板3a。Y轴向矩形腔9a的左面板91和右面板92与第二定位圆桶5a的安装面53垂直，Y轴向矩形腔9a的左面板91和右面板92与X轴向矩形腔8a的上面板81和下面板82相互分别垂直，X轴向矩形腔8a的上面板81和下面板82与第二定位圆桶5a的安装面53垂直保证了三个光纤陀螺的敏感轴相互正交。

本发明机械骨架结构分布采用电源+滤波电路板+信号采集电路板+陀螺+电路板+陀螺+电路板+陀螺+三只加速度计，布局合理，使得空间利用好；导线和光纤走线短并且合理，信号干扰小；并且这样的结构增加了结构的强度；在保证空间位置精度基础上，陀螺部分和加表部分分开减小了信号干扰，并且使得电路的分布变得合理。

光缆8

在本发明中，光缆8由六根电缆803、一根光缆804、保护层802和外护套801组成，六根电缆803包围在光缆804四周，且用填充物805填充空隙，六根电缆803外部设有保护层802，保护层802设在外护套801内。所述光缆804由光纤844(采用单模光纤)、弹性波纹管843、钢丝(直径为0.5～1.5mm)和弹性护套841组成，光纤844的外部包裹有弹性波纹管843，弹性波纹管843的外部套有弹性护套841，弹性护套841外部缠绕有钢丝形成的铠装钢丝层842。所述电缆803是由电缆缆芯831(采用铜导线)、钢丝(直径为0.5～1.5mm)和弹性护套831组成，电缆缆芯831外部套有弹性护套831，弹性护套831外部缠绕有钢丝形成的铠装钢丝层832。所述保护层82为PE材料制成；所述外护套801为聚丙烯材料制成，填充物805为沥青。

本发明中，采用的读数器3选取马丁代克缆长计数器。井架6选取Honeywell的典型测井升降平台，其上固定有与之配套的张力传感器5，张力传感器5用于监测光缆8所承受的张力，防止光缆8被过度拉伸损坏。

本发明提供了一种能够快速高精度测量井眼轨迹，并可将测井资料高速上传的全光纤数字化测斜仪；使用光缆传输有效解决了现有测井仪器由于传统测井电缆传输速率低而造成，大量测井资料不能上传的缺点；此外，本发明采用数字化仪器总线结构设计，为多种测井仪器的组合使用提供了平台，可有效提高测井作业的工作效率。

Claims (6)

1、一种全光纤数字测斜仪，包括光缆绞盘(4)、计数器(3)、张力传感器(5)、井架(6)，其特征在于：还包括中心处理器(1)、信号处理器(2)和下井探管(10)组成；中心处理器(1)与信号处理器(2)通过RS232接口连接，光缆绞盘(4)与信号处理器(2)通过电缆线(11)连接，计数器(3)安装在光缆绞盘(4)上，光缆绞盘(4)上缠绕有光缆(8)，井架(6)放置在被测井口(7)上方，井架(6)上安装有张力传感器(5)，光缆(8)一端通过张力传感器(5)与下井探管(10)一端连接；下井探管(10)上安装有X轴光纤陀螺(1001)、Y轴光纤陀螺(1002)、Z轴光纤陀螺(1003)、X轴加速度计(1004)、Y轴加速度计(1005)、Z轴加速度计(1006)、X轴磁通门、Y轴磁通门和Z轴磁通门；

所述中心处理器(1)由一公知计算机(101)和安装在所述计算机内的适用于全光纤数字测斜仪的捷联惯性组合测量的控制装置，以及适用于下井探管(10)位置设定的初始对准装置组成；所述捷联惯性组合测量控制装置包括捷联惯性测量单元(102)、磁通门测量单元(103)、光缆运行速度测量单元(104)、卡尔曼滤波处理单元(105)、信息比较A单元(106)、信息比较B单元(107)和信息比较C单元(108)和零速修正单元；所述初始对准装置是通过对两个位置状态下的下井探管(10)上传感器件输出的参数进行不同坐标系下的参数差值比较，获得下井探管(10)的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ。

所述中心处理器(1)中的所述捷联惯性测量单元(102)首先接收A)光纤陀螺输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的角速度信息；和B)加速度计输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的比力信息；然后对所述角速度信息和所述比力信息采用航迹推算处理后，输出C)下井探管的速度信息V_x、V_y、V_z；和D)下井探管姿态信息的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ；最后将E)速度信息V_x、V_y、V_z输出给信息比较B单元(107)和信息比较C单元(108)；将F)所述姿态信息输出给信息比较A单元(106)；

所述磁通门测量单元(103)首先接收A)磁通门组件输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的地磁分量信息；和B)加速度计输出的下井探管机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的比力信息；然后对所述地磁分量信息和所述比力信息采用磁测量计算，并将计算出的相对于磁北的方位角转换为相对于真北的方位角ψ_c后，输出下井探管姿态信息的方位角ψ_c、横滚角φ_c、倾斜角θ_c；最后将C)所述姿态信息输出给信息比较A单元(106)；

所述光缆运行速度测量单元(104)是采用所述计数器测量得到的光缆长度在单位时间内光缆长度增量得到下井探管运行时在其机体坐标系O_bX_bY_bZ_b下的速度信息；

所述卡尔曼滤波处理单元(105)接收A)信息比较A单元(106)输出的姿态差值 $Z_{\mathrm{KA}}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\ψ}}_c\\ \mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_c\\ \mathrm{\φ}-{\text{\φ}}_c\end{array}\right],$ 和B)信息比较B单元(107)输出的速度差值 $Z_{\mathrm{KB}}=\left[\begin{array}{c}{V}_x-V_{\mathrm{xc}}\\ V_y-V_{\mathrm{yc}}\\ V_z-V_{\mathrm{zc}}\end{array}\right]$ 和C)信息比较C单元(108)输出的速度差值 $Z_{\mathrm{KC}}=\left[\begin{array}{c}{V}_x-0\\ V_y-0\\ V_z-0\end{array}\right],$ 利用离散型卡尔曼滤波器对接收信息进行数据融合实现对状态变量X＝[δr_x，δr_y，δr_z，δv_x，δv_y，δv_z，η_x，η_y，η_z，δf_x，δf_y，δf_z，δω_x，δω_y，δω_z]的进行最优估计，根据估计的状态变量对所述捷联惯性测量进行在线误差补偿，输出补偿后的下井探管姿态信息 $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_0\\ {\mathrm{\θ}}_0\\ {\mathrm{\φ}}_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\η}}_x\\ \mathrm{\θ}-{\mathrm{\η}}_y\\ \mathrm{\φ}-{\mathrm{\η}}_z\end{array}\right]$ 给所述计算机显示界面；式中，

δr_x表示当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t下的位置误差X轴分量，

δr_y表示当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t下的位置误差Y轴分量，

δr_z表示当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t下的位置误差Z轴分量，

δv_x表示当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t下的速度误差X轴分量，

δv_y表示当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t下的速度误差Y轴分量，

δv_z表示当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t下的速度误差Z轴分量，

η_x表示方位角ψ误差，

η_y表示倾斜角θ误差，

η_z表示横滚角φ误差，

η_zδf_x表示X轴加速度计误差，

δf_y表示Y轴加速度计误差，

δf_z表示Z轴加速度计误差，

δω_x表示X轴光纤陀螺误差，

δω_y表示Y轴光纤陀螺误差，

δω_z表示Z轴光纤陀螺误差；

所述信息比较A单元(106)，用于完成对所述捷联惯性测量输出的下井探管姿态信息的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ与所述磁测量输出的下井探管姿态信息的方位角ψ_c、横滚角φ_c、倾斜角θ_c相减输出姿态差值 $Z_{\mathrm{KA}}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\ψ}}_c\\ \mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_c\\ \mathrm{\φ}-{\text{\φ}}_c\end{array}\right]$ 给卡尔曼滤波处理单元(105)；

所述信息比较B单元(107)，用于完成对捷联惯性测量输出的下井探管的速度信息V_x、V_y、V_z与光缆运动速度测量输出的速度信息V_xc、V_yc、V_zc相减输出速度差值 $Z_{\mathrm{KB}}=\left[\begin{array}{c}{V}_x-V_{\mathrm{xc}}\\ V_y-V_{\mathrm{yc}}\\ V_z-V_{\mathrm{zc}}\end{array}\right]$ 给卡尔曼滤波处理单元(105)；

所述信息比较C单元(108)，用于完成对捷联惯性测量输出的下井探管的速度信息V_x、V_y、V_z与下井探管静止量输出的零速度信息相减输出速度差值 $Z_{\mathrm{KC}}=\left[\begin{array}{c}{V}_x-0\\ V_y-0\\ V_z-0\end{array}\right]$ 给卡尔曼滤波处理单元(105)。

2、根据权利要求1所述的全光纤数字测斜仪，其特征在于：其捷联惯性测量装置具有捷联惯性测量+缆长的第一测量工作模式、捷联惯性测量+零速修正的第二测量工作模式、捷联惯性测量+磁测量的第三测量工作模式、捷联惯性测量+缆长+零速修正+磁测量的第四测量工作模式。

3、根据权利要求1所述的全光纤数字测斜仪，其特征在于：所述信号处理器(2)用于实现井下数据的接收的解码和井上下传控制指令及光缆缆长数据的编码和发送；信号处理器(2)由FPGA逻辑处理器(201)、功率放大电路(202)和光电转换电路(203)组成，FPGA逻辑处理器(201)接收由中心处理器(1)输出的光缆缆长L和下井探管(10)运行状态指令，并将所述信息按照曼彻斯特编码格式进行编码处理后输出给功率放大电路；功率放大电路对所述编码信息进行放大、滤波处理输出给光电转换电路，在光电转换电路中将电信号转换为光强信号，所述光强信号通过光缆耦合器耦合进入光缆(8)传递给下井探管(10)。

4、根据权利要求1所述的全光纤数字测斜仪，其特征在于：所述下井探管(10)机械骨架由上连接件(102a)、下连接件(106a)、井下电源骨架和传感器组件骨架组成，

所述上连接件(102a)通过接头(104a)与传感器组件骨架的耐压壳(101a)一端连接，接头(104a)另一端螺纹连接有挂勾(103a)，光缆(8)固定在挂勾(103a)上，且通孔(105a)穿过；

所述下连接件(106a)通过接头与传感器组件骨架的耐压壳(101a)另一端连接；

所述传感器组件骨架的第一固定板(1a)连接在第一定位圆桶(4a)的一端，第一定位圆桶(4a)与X轴向矩形腔(8a)之间是Y轴向安装台(7a)和X轴向安装台(6a)，X轴向矩形腔(8a)与Y轴向矩形腔(9a)之间是第二固定板(2a)，Y轴向矩形腔(9a)与第二定位圆桶(5a)之间是第三固定板(3a)；在第一固定板(1a)的两端是环形端框(11a、12a)，其板面上设有条形孔(13a)和凸形孔(14)，凸形孔(14)设在环形端框(11a)的内侧面，环形端框(12a)连接在第一定位圆桶(4a)上；在第一定位圆桶(4a)内设有安装面(42)、平面(43)和楔形孔(41)，其外部设有用于安装扁平缆的凹槽(44)；在Y轴向安装台(7a)的安装面(71)上设有用于放置传感器组件的圆孔(72)；在X轴向安装台(6a)的安装面(61)上设有用于放置传感器组件的圆孔(62)；在X轴向矩形腔(8a)的上面板(81)与下面板(82)平行且与三维坐标系X轴垂直，X轴向矩形腔(8a)的环形端框(84)上对称设有槽口(83)；在第二固定板(2a)上设有凹腔(21)，凹腔(21)的中心有一条形孔(22)；在Y轴向矩形腔(9a)的左面板(91)与右面板(92)平行且与三维坐标系Y轴垂直，右面板(92)上开有走纤槽(96)，Y轴向矩形腔(9a)的上环形端框(93)和下环形端框(94)上设有槽口(95)；在第三固定板(3a)上设有凹腔(31)，第三固定板(3a)与第二定位圆桶(5a)接合处设有条形槽(32)；在第二定位圆桶(5a)内设有安装面(53)，安装面(53)的中心开有一圆孔(52)，其外部设有用于安装扁平缆的凹槽(51)；

所述井下电源骨架为一体成型件，其第一定位板(110)与保温瓶(107a)一端螺纹连接，第二定位板(111)置入上连接件(102a)的通孔(105a)内。第一定位板(110)的一端为环形右端框(112)，其板面上设有条形孔(114)、安装孔(115)，第一定位板(110)的另一端为过渡圆框(116)，过渡圆框(116)的中心开有孔(117)，过渡圆框(116)与环形左端框(113)之间有前侧板(111)、后侧板(118)，第一变压器(119)和第二变压器(120)平行且固定安装在前侧板(111)和后侧板(118)上。

5、根据权利要求1所述的全光纤数字测斜仪，其特征在于：所述计数器(3)选取马丁代克缆长计数器。

6、根据权利要求1所述的全光纤数字测斜仪的初始对准方法，其特征在于：所述中心处理器(1)的初始对准包括有下列对准步骤：

第一步：系统上电后，检测下井探管(10)的工作状态是否正常；

第二步：在正常工作状态下，设定下井探管(10)所在当前位置为第一位置F，设定下井探管(10)绕其主轴OZ_b旋转180⁰后所在位置为第二位置S；

第三步：采集第一位置F时下井探管(10)上的传感器组件输出的X轴光纤陀螺数据XFOG1、Y轴光纤陀螺数据YFOG1、Z轴光纤陀螺数据ZFOG1、X轴加速度计数据XA1、Y轴加速度计数据YA1、Z轴加速度计数据ZA1，并将所采集的数据输出给全光纤数字测斜仪的惯性测量系统；

采集第二位置S时下井探管(10)上的传感器组件输出的X轴光纤陀螺数据XFOG2、Y轴光纤陀螺数据YFOG2、Z轴光纤陀螺数据ZFOG2、X轴加速度计数据XA2、Y轴加速度计数据YA2、Z轴加速度计数据ZA2，并将所采集的数据输出给全光纤数字测斜仪的惯性测量系统；

第四步：将上述第二步骤和第三步骤采集来的传感数据在中心控制处理单元中进行两位置差值比较，获得下井探管(10)的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ，从而得到下井探管(10)机体坐标系O_bX_bY_bZ_b与当地地理坐标系O_tX_tY_tZ_t之间的转换矩阵

$C_t^b=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}+\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\φ}+\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\φ}-\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right],$

式中，b表示下井探管(10)机体坐标系(12)，t表示当地地理坐标系(13)，

表示t系至b系的转换矩阵，ψ表示方位角，φ表示工具面角，θ表示井斜角。

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