CN101493008A

CN101493008A - 基于mems器件的捷联惯性导航陀螺测斜仪

Info

Publication number: CN101493008A
Application number: CNA2009103004501A
Authority: CN
Inventors: 谭诗炜; 秦允海; 肖克训
Original assignee: BEIJING LIUHE GREATNESS TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: BEIJING LIUHE GREATNESS TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2009-07-29

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS器件的捷联惯性导航陀螺测斜仪，包括地面模块和井下测量模块。地面系统由一台微型计算机和控制单元组成，井下的测量系统包括基于MEMS器件惯性导航系统的勘测头、相关电子部件和通信部件。本发明在钻井过程中通过对测斜仪的瞬时角速度进行积分来获得测斜仪沿三个轴向旋转的角度，这样便可以实现随钻测量，实时输出油井的方位信息。同时为了消除噪声干扰、陀螺的随机漂移，采用卡尔曼滤波方法对输入数据进行处理。测斜过程只需要仪器完成一次从井口到井底再到井口的运动，便可以得到油井的完整信息。本发明的优点在于：体积小，成本低，精度高、测速快、且实现连续测量，可靠性高、使用范围广。

Description

基于MEMS器件的捷联惯性导航陀螺测斜仪

技术领域

本发明属于油田、勘探、钻探用惯性测量领域，涉及一种基于MEMS(微电子机械系统)器件的捷联惯性导航陀螺测斜仪。

背景技术

目前，在石油钻井施工使用的测斜仪主要是磁通门式测斜仪。它采用三轴正交加速度计测量地球重力矢量和三轴正交磁通门测量地磁场矢量。虽然这种测量方法传感器性能稳定可靠，但要求磁通门周围5米内不能有任何铁磁物质。由于老井有套管，无法给仪器提供良好的无磁环境，因此利用磁通门测量老井的井眼轨迹无法实现。在这种情况下，通过采用陀螺测斜仪仪可以进行稳定可靠的测量。

国内测斜仪器中应用较为广泛的陀螺测斜仪由一个双自由度的挠性陀螺和三个石英加速度计所组成。通过较简单的计算公式，由加速度计的输出可以计算出井孔的倾斜角，根据陀螺的输出可计算出方位角数据。但这种测斜方式采用的是静态单点测斜法，在测斜过程中必须保持测斜仪静止至少三分钟。而且连续两个测量点间的数据无法获得，只能依靠对两测量点间的数据取平均值来近似估计。为了获得油井更多的信息，只能采用增加测量点的办法，这又降低了测量效率，增加了勘探成本。挠性陀螺仪的结构也很复杂，内部装有高速转动的转子，对使用环境苛刻，抗振性能不好，稍微不注意很容易损坏。挠性接头寿命有限，测斜仪需要定期更换陀螺传感器。以上缺点限制了此类陀螺测斜应用领域的扩大。随着惯性技术的不断发展，后来出现了一些新型陀螺仪，如激光陀螺、光纤陀螺等，这些新型陀螺仪精度较高，能够满足战术级精度惯性系统应用需要，但是其体积很大，不能装入小口径探管中。

MEMS惯性传感器是指以硅或石英为主要材料，采用微电子加工技术制造的芯片级惯性传感器。MEMS加速度计已经有半个世纪的发展历史，技术上已经接近成熟。MEMS陀螺仪已经出现了近二十年，这种陀螺仪的工作原理与机械陀螺仪相同，但其内部没有转子，而是用振动部件作为敏感元件。与其它陀螺相比，MEMS陀螺仪在体积、成本、功耗和抗冲击能力等方面都存在很大优势，但由于早期精度较低，所以没有引起重视。近年来，随着微电子加工技术的发展，MEMS惯性传感器特别是陀螺仪的精度大幅提高，国外MEMS陀螺仪漂移小于每小时1度，这一指标基本上满足测斜系统要求。

发明内容

本发明通过采用MEMS惯性器件为测量元件的捷联惯性导航技术的陀螺测斜方案可以有效的解决以上问题。是一种基于MEMS器件的捷联惯性导航陀螺测斜仪，包括地面模块和井下测量模块(井下模块)。其中：

地面系统由一台微型计算机和控制单元组成。通过导线电缆，可实时显示勘测头信息，勘测头通过电缆在井内升降。

井下的测量系统包括基于MEMS器件惯性导航系统的勘测头、相关电子部件和通信部件。

所述井下处理任务包括：

(1)利用存储的标定数据对惯性敏感器的输出进行在线补偿。

(2)惯性导航系统处理，即姿态计算，比力数据的坐标转换，导航方程的解算。

(3)卡尔曼滤波技术。

整个操作过程中，地面模块和井下模块保持通信，使勘测数据发回地面用于存储和显示。所有与惯性系统和惯性辅助处理系统有关的信号处理都在井下的勘测头内完成。这是为了使系统地上模块和地下模块之间传输的数据量最小。

本发明在钻井过程中通过对测斜仪的瞬时角速度进行积分来获得测斜仪沿三个轴向旋转的角度，这样便可以实现随钻测量，实时输出油井的方位信息。同时为了消除噪声干扰、陀螺的随机漂移，采用卡尔曼滤波方法对输入数据进行处理。测斜过程只需要仪器完成一次从井口到井底再到井口的运动，便可以得到油井的完整信息。

本发明具体包括：

(1)采用MEMS惯性传感器捷联惯性测量系统的机械编排原理。

(2)根据MEMS惯性传感器的性能特征，建立传感器误差模型。

(3)采用磁传感器精密对准初始姿态以及算法。

(4)捷联导航系统测斜的实时计算原理。

本发明采用捷联惯性导航技术的陀螺测斜仪的优点在于：体积小，成本低，精度高、测速快、且实现连续测量，可靠性高、使用范围广。采用这种办法，抗振性能，测量精度、全方位测量和连续测量等方面都有很强优势。即可以提高测量效率，又能获得较单点测斜更多的信息，同时可以缩小惯性测斜仪的体积和降低惯性测斜仪的成本。

附图说明

图1是本发明惯性测量单元系统组成示意图。

图2是本发明惯性测量单元机械编排。

图3是本发明系统整体布局。

图4是本发明系统工作流程。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

首先，参照图3，是本发明整体布局系统，1是电池短节，2是控制电路部分，3是惯性测量单元，4是探管引鞋。惯性测量单元是由三个陀螺，三个加速度计和三个磁通门传感器组成，机械编排参照图2。加速度传感器，惯性传感器，磁性传感器通过精密校准，三轴保持高度一致。根据惯性导航原理，采用捷联惯导方式来测量方位角、工具面角和倾斜角。用陀螺来感应测斜仪绕载体坐标系的三个轴向旋转角速度。本系统采用指北方位系统平台，坐标系与地理坐标系相重合。

1.机械编排原理

参照图2，加速度传感器，惯性传感器，磁性传感器加工过程中通过精密校准，三轴保持高度一致即可。

2.传感器误差模型

建立各传感器的误差模型

加速度的误差模型为：

A_X＝a_x+S_xa_x+B_fx+n_x

式中：

A_X为X轴加速度计的测量值

a_x为的实际输入加速度

S_x为刻度因素误差

B_fx为测量偏置或称为零点偏移

n_x为随机噪音

不考虑随机误差项可以简化为

A_X＝k_xa_x+B_fx，k_x＝1+S_x

上式中，可以扩展为三轴形式，写为矩阵形式

[\begin{matrix} A_{x} \\ A_{y} \\ A_{z} \end{matrix}] = [\begin{matrix} k_{xx} & k_{xy} & k_{xz} \\ k_{yx} & k_{yy} & k_{yz} \\ k_{zx} & k_{zy} & k_{zz} \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} a_{x} \\ a_{y} \\ a_{z} \end{matrix}] + [\begin{matrix} B_{fx} \\ B_{fy} \\ B_{fz} \end{matrix}]

同样MEMS陀螺仪的误差模型

[\begin{matrix} W_{x} \\ W_{y} \\ W_{z} \end{matrix}] = [\begin{matrix} k_{xx} & k_{xy} & k_{xz} \\ k_{yx} & k_{yy} & k_{yz} \\ k_{zx} & k_{zy} & k_{zz} \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} w_{x} \\ w_{y} \\ w_{z} \end{matrix}] + [\begin{matrix} B_{fx} \\ B_{fy} \\ B_{fz} \end{matrix}]

W_X为X轴MEMS陀螺仪的角速度测量值

w_x为的实际输入角速度测量值

影响传感器的主要输出误差为确定性部分的刻度因数误差、零偏和非确定性部分的随机噪声误差。在外部环境保持不变的情况下，传感器刻度因数的非线性度较小，因此在工作环境变化不大的应用中，可以不考虑非线性造成的影响。

3.系统初始对准

初始对准的目的是确定捷联矩阵的初始值。测斜仪使用磁通门传感器在地面测量地理位置的磁方位角。磁传感器组件包括三个正交安装的磁性传感器。电路采集磁传感器输出X轴地磁信号Mx，Y轴地磁信号My，Z轴地磁信号Mz。采集X轴重力加速度信号Ax，采集Y轴重力加速度信号Ay，采集Z轴重力加速度信号Az，根据公式进行计算得到顶角D，方位角A，工具面角R：

D = \arcsin \sqrt{A_{x}^{2} + A_{Y}^{2}}

A = \arctan \frac{M_{x} A_{y} - M_{y} A_{x}}{M_{z} (A_{x}^{2} + A_{y}^{2}) - (M_{x} A_{x} + M_{y} A_{y}) \sqrt{1 - (A_{x}^{2} + A_{y}^{2})}}

R = \arctan (- \frac{A_{y}}{A_{x}})

将得到初始信息输入捷联矩阵计算即可得到初始值。

捷联矩阵的定义如下：

T = [\begin{matrix} T_{11} & T_{12} & T_{13} \\ T_{21} & T_{22} & T_{23} \\ T_{31} & T_{32} & T_{33} \end{matrix}] =

[\begin{matrix} \cos R \cos D \cos A - \sin R \sin A & \sin R \cos D \cos A + \cos R \sin A & - \sin D \cos A \\ - \cos R \cos D \sin A - \sin R \cos A & - \sin R \cos D \sin A + \cos R \cos A & \sin D \sin A \\ \cos R \sin D & \sin R \sin D & \cos D \end{matrix}]

其中R为工具面角，A为方位角，D倾斜角。可见只要实时解算出捷联矩阵就能求出方位角、工具面角和倾斜角。

4.姿态角实时解算

四元数与捷联矩阵的关系

捷联矩阵和四元数的关系表示为：

C_{b}^{p} = [\begin{matrix} q_{0}^{2} + q_{1}^{2} - q_{2}^{2} - q_{3}^{2} & 2 (q_{1} q_{2} - q_{0} q_{3}) & 2 (q_{1} q_{3} + q_{0} q_{2}) \\ 2 (q_{1} q_{2} + q_{0} q_{3}) & q_{0}^{2} - q_{1}^{2} + q_{2}^{2} - q_{3}^{2} & 2 (q_{2} q_{3} - q_{0} q_{1}) \\ 2 (q_{1} q_{3} - q_{0} q_{2}) & 2 (q_{2} q_{3} + q_{0} q_{1}) & q_{0}^{2} - q_{1}^{2} - q_{2}^{2} + q_{3}^{2} \end{matrix}] = T

不停的更新q₀，q₁，q₂，q₃就可以得到新的捷联矩阵。

四元数更新：

Q_k+1＝N_(q)·M

N_{(q)} = [\begin{matrix} q_{0}^{k} \\ q_{1}^{k} \\ q_{2}^{k} \\ q_{3}^{k} \end{matrix}],

M = [\begin{matrix} m_{0} \\ m_{1} \\ m_{2} \\ m_{3} \end{matrix}]

\{\begin{matrix} m_{0} = 1 - \frac{{| Δθ |}^{2}}{8} + \frac{{| Δθ |}^{4}}{384} \\ m_{1} = k \cdot Δ θ_{x} \\ m_{2} = k \cdot Δ θ_{y} \\ m_{3} = k \cdot Δ θ_{z} \end{matrix}, k = \frac{1}{2} - \frac{{| Δθ |}^{2}}{48} + \frac{{| Δθ |}^{4}}{3840}

Δθ_x＝ω_x·T，Δθ_y＝ω_y·T，Δθ_z＝ω_z·T

|Δθ|²＝(Δθ_x)²+(Δθ_y)²+(Δθ_z)²

T是系统采样周期，ω_x是x轴陀螺输出值，ω_y是y轴陀螺输出值，ω_z是z轴陀螺输出值。这样就可以形成递推式Q_k+1＝N_(q)·M，根据四元数与捷联矩阵的关系可以求得矩阵T，矩阵T的元素即可以由下式计算D，R，A的值：

D＝cos^-1(T₃₃)

R = {tg}^{- 1} (\frac{T_{32}}{T_{31}})

A = {tg}^{- 1} (- \frac{T_{23}}{T_{13}})

为了消除陀螺随机漂移、噪声干扰，系统采用自适应卡尔曼滤波方法，建立卡尔曼滤波的系统模型和测量模型进行方位角解算，取得了较好的效果。

本发明基于捷联惯性导航技术，设计的三个陀螺、三个加速度计和三个磁通门传感器相互对准机械编排方案。建立的动态连续测斜空间数学模型，准确描述连续测斜过程中惯性元件的运动情况，推导出的连续测斜动态解算公式。系统实现对油井的动态连续测量，能降低采油勘探成本、提高油田采油生产率。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及方法；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于MEMS器件的捷联惯性导航陀螺测斜仪，其特征在于，包括：

地面模块和井下测量模块(井下模块)。其中：

2.根据权利要求1所述的捷联惯性导航陀螺测斜仪，其特征在于，所述井下处理任务，包括：

(1)利用存储的标定数据对惯性敏感器的输出进行在线补偿。

(3)卡尔曼滤波技术。

3.根据权利要求1所述的捷联惯性导航陀螺测斜仪，其特征在于，在钻井过程中通过对测斜仪的瞬时角速度进行积分来获得测斜仪沿三个轴向旋转的角度，实现随钻测量，实时输出油井的方位信息。

4.根据权利要求1所述的捷联惯性导航陀螺测斜仪，其特征在于，通过采用卡尔曼滤波方法对输入数据进行处理，以消除噪声干扰和陀螺的随机漂移。

5.根据权利要求1所述的捷联惯性导航陀螺测斜仪，其特征在于，采用MEMS惯性传感器捷联惯性测量系统的机械编排原理。

6.根据权利要求1所述的捷联惯性导航陀螺测斜仪，其特征在于，根据MEMS惯性传感器的性能特征，建立传感器误差模型。

7.根据权利要求1所述的捷联惯性导航陀螺测斜仪，其特征在于，采用磁传感器精密对准初始姿态以及算法。

8.根据权利要求1所述的捷联惯性导航陀螺测斜仪，其特征在于，采用捷联导航系统测斜的实时计算原理。