CN101581221B - 随钻测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下方位随钻测量技术领域，通过采用固态振动角速率传感器作为核心测量器件，有效减小随钻测量装置体积，抗冲击振动，能够适应随钻测量环境，并且不受外界电、磁场干扰；本发明的目的是这样实现的，随钻测量系统，包括探管，所述探管内有测量仓，所述测量仓内设置有三轴加速度传感器、两轴角速率传感器及处理电路；所述三轴加速度传感器用以测量三个方向的重力加速度并输出到处理电路；所述两轴角速率传感器用以测量两个方向的运动角速率并输出到外围处理电路，其敏感轴采用悬臂振梁结合节点支撑传感方案；所述处理电路接收三轴加速度传感器和两轴角速率传感器输出的测量结果，运算获得探管在钻进过程中各测量点的姿态信息。

Description

随钻测量系统

技术领域

本发明涉及地下方位随钻测量技术领域。

背景技术

定向钻井技术中需实时获取钻具当前的姿态信息，这些信息包括方位角、倾斜角和工具面角，其中方位角是钻具轴线在水平面内的投影与磁北方向之间的夹角，它反映了水平面内钻具运动的方向，倾斜角为钻具轴线与水平面之间的夹角，它反映的是钻具前进方向相对水平面的倾斜程度，工具面角是在与钻具轴线垂直的平面内，钻具的斜面法线方向与参考方向间的夹角，反映的是钻具下一步钻进的造斜方向。

现有技术中通常采用三个安装方向相互垂直的加速度计以及三个相互垂直的磁强计来实现上述姿态信息的测量，其中加速度计用以测量重力场的分量，而磁强计用于测量地磁场的分量，通过相对重力场和地磁场方向解算上述的各姿态角度。这种测量方式容易受到外界电、磁场干扰，影响测量精度，在实际钻井工作中，为增强钻具强度，常采用磁性材料制作钻具，为保证测量精度，需要将靠近随钻测量装置部分的材料改为无磁性的高强度材料，其成本高昂。

现有技术中，还有采用三个陀螺与三个加速度计来进行姿态信息测量的随钻测量装置，其中的陀螺采用动调式机械陀螺，但其抗冲击振动能力差，无法满足随钻测量的要求。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提供一种随钻测量装置，通过采用固态振动型角速率传感器作为核心测量器件，有效减小随钻测量装置体积，抗冲击振动，能够适应随钻测量环境，并且不受外界电、磁场干扰。

本发明的目的是这样实现的，随钻测量系统，包括探管，所述探管内有测量仓，所述测量仓内设置有三轴加速度传感器、两轴角速率传感器及处理电路；所述三轴加速度传感器用以测量三个方向的重力加速度并输出到处理电路；所述两轴角速率传感器为固态振动角速率传感器，用以测量两个方向的运动角速率并输出到外围处理电路；所述处理电路接收三轴加速度传感器和两轴角速率传感器输出的测量结果，运算获得探管在井下各个测量点的姿态信息。

进一步，所述固态振动角速率传感器包括敏感体和传感器电路，所述敏感体包括振梁和设置于振梁表面的换能器，所述换能器与传感器电路电连接，所述传感器电路将换能器输出振梁的振动信号输出到处理电路；

进一步，所述振梁为长方体，所述振梁的4个侧表面分别设置有换能器，传感器电路包括驱动电路、调制电路和阻尼电路。所述驱动电路与振梁反馈面的换能器连接，提供使梁在振动轴振动的驱动电压，所述调制电路与振梁读出面的换能器连接，完成驱动信号的加载和角速率信号的解调，所述阻尼电路与振梁阻尼面的换能器连接，将调幅电压加到振梁上，从而提高阻尼率。

进一步，所述振梁的基波振动的波节处与测量仓内壁固定连接，振梁沿长度方向的两端呈自由悬臂；

进一步，所述振梁的长度方向与探管的轴向倾斜；

进一步，所述振梁的长度方向与探管的轴向成45度角；

进一步，固态振动角速率传感器的随机游走为0.07°/√h，短期零位漂移为0.001°/s，刻度因子为3500mv/°/s，输出噪声为1sigma范围内12mV，测量带宽为0至6Hz；

进一步，所述探管由设置有加强筋的金属合金材料制成。

本发明通过采用角速率传感器作为核心测量器件，有效减小随钻测量装置体积，抗冲击振动，能够适应随钻测量环境，并且不受外界电、磁场干扰。在进一步的技术方案中，角速率传感器采用固态振动角速率传感器，体积小、可靠性高、抗冲击、抗振动、线性度好、寿命长和成本低的优点，甚至初态无需精确调至水平，只需在同一平面转动；抗干扰能力强，有效地减小了包括角速率传感器的常值漂移、随机噪声在内的误差源干扰，这些误差源对目前的其它方位测量系统来说是固有的和主要的。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1为本发明的结构组成原理图；

图2为固态振动角速率传感器中敏感体的横截面图；

图3为传感器电路和信号处理原理框图；

图4为本发明的随钻测量系统进行井下寻方位算法的原理示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，随钻测量系统，包括探管1，所述探管内1有测量仓2，所述测量仓2内设置有三轴加速度传感器、两轴角速率传感器4及处理电路5；所述三轴加速度传感器3包括三个互相垂直设置的加速度传感器：沿探管1轴向设置的X轴加速度计31、沿探管1径向设置的Y轴加速器32、沿探管1径向设置，并与X轴加速度计31、Y轴加速器32垂直的Z轴加速器33，用以测量三个方向的重力加速度并输出到处理电路5；所述两轴角速率传感器4包括两个角速率传感器，用以测量两个方向的运动角速率并输出到处理电路5；所述处理电路5接收三轴加速度传感器和两轴角速率传感器4输出的测量结果，运算获得探管1的行进状态，所述处理电路5由24位并行接口模数转换器AD7656(最高采样频率250KHz)，32位浮点运算精度数字信号处理器TMS320F2812及其相关的电源管理和数据通讯模块组成，数据采集的触发信号可由增量式圆光栅码盘的位置方波(单路正弦或余弦方波)上升沿控制，这样可以保证调平加速度传感器与角速率传感器输出信号相位的同一性，同时可以提高所采集数据相位的位置精度；

所述探管1由设置有加强筋的金属合金材料制成，所述测量仓内填充硅橡胶或其它吸波材料，并进行固化封装，因此本实施的随钻测量系统对外连接不需减振器，且能满足恶劣的力学环境要求。

角速率传感器4采用固态振动角速率传感器，所述固态振动角速率传感器包括敏感体和传感器电路，参见图2，所述敏感体包括合金的振梁41和设置于振梁41表面的压电换能器42，所述压电换能器42与传感器电路电连接，将振梁41的震动转换为电信号输出到传感器电路，传感器电路将所述电信号处理后输出到处理电路；

本实施例的振梁41为长方体，所述振梁41的4个侧表面分别设置有换能器42，振梁41由镍铬钛合金(Ni-sPan-c)制成，换能器42由压电陶瓷制成，参见图3，振梁41的4个侧表面分别作为相对的驱动面、反馈面，以及相对的读出面、阻尼面，以便消除相位耦合。这样，输出平面运动的相位漂移可低于规定的最小值(1°)；驱动振梁的力由驱动面的压电换能器的反压电效应所产生，读出面的压电换能器的压电效应用来来敏感哥氏力，反馈面的压电换能器的压电效应使驱动电路保持梁的振幅恒定，并在基波谐振频率振动，阻尼面的压电换能器连接到传感器电路中的阻尼电路，保持读出换能器输出动态特性良好。驱动面的压电换能器加上电压后，由于反压电效应，使振梁的外表受到力的作用，作用力使节点或固定点之间的振梁表层收缩或扩张，产生沿振动轴的驱动运动。作用力还产生一个绕振梁节点的有效转矩，使振梁在其基波频率弯曲。如果外加电压的频率为振梁的固有基波频率，则产生谐振。若输入角速率通过固定点加到振梁的纵轴，则由于振梁在振动轴的速度产生哥氏力而引起振梁沿输出轴振动。振动使读出压电换能器弯曲。由于压电效应，读出面的压电换能器产生一个振幅正比于输入角速率的交流输出电压。

所述振梁41的基波振动的波节处的与测量仓2内壁固定连接，振梁41沿长度方向的两端自由；本实施例的振梁41尺寸为2.24×2.24×36.80mm，振梁的振动频率和节点位置计算采用ANSYS公司开发的有限元通用软件实现，即在有限元分析的过程中考虑两种或多种工程学科(物理场)的交叉作用和相互影响(耦合)，对本发明中的振梁就是进行电-结构耦合场分析，其分析方法采用直接耦合法。分析软件为MSC.Patran 2004 r2+MSC Nastran 2004。模型为：压电片和悬臂梁，主体采用固定连接，不考虑粘贴材料。梁主体和压电材料网格划分均为六面体。悬臂梁主体的材料属性为钢铁属性，压电材料为PZT属性，材料各向同性。计算结果显示一阶弯曲模态频率为7779.7Hz，振动最小位置为距离左右端点10.1mm处，即波节为2个，分别位于距振梁两端10.10mm处。

角速率传感器4的敏感体和传感器电路可分拆安装在测量舱2的狭窄空间内，相关的性能参数如下：随机游走(ARW)0.07°/√h，短期零位漂移0.001°/s，刻度因子3500mv/°/s，输出噪声在1sigma范围内为12mV，测量带宽0至6Hz。传感单元尺寸为长39mm，宽14mm，高6mm，驱动与读出电路长20mm，宽18mm。加速度传感器3为采用MEMS技术加工的传感器件，量程为1g。惯性测量舱形状为圆柱形，能容纳仪表的有效内直径仅为26mm，本发明采用的角速率传感器4通过分拆组装，振梁的长度方向与探管的轴向成45度角的倾斜设置，从而在不明显减小测量精度条件满足了小井径MWD要求。

本实施例的探管1采用薄壁加筋的金属合金结构，角速率传感器的敏感体采用局部硅橡胶加固，测量硬件系统全部用硅橡胶填充，并进行固化封装，因此整个惯性测量系统对外连接不需减振器，且能满足恶劣的力学环境要求。

所述传感器电路可采用现有的电路，也可采用如图3所示的电路，参见图3，所述传感器电路包括驱动电路、调制电路和阻尼电路。所述驱动电路提供使梁在振动轴振动的驱动电压，包括驱动放大器43、阻抗变换器44，所述驱动放大器43的输出端与阻抗变换器44的输入端连接，所述阻抗变换器44的输出端通过压电片接触电极与振梁驱动面的换能器连接，所述驱动放大器43用于压电振动片的驱动控制，阻抗变换器44用于将产生的交流驱动信号进行阻抗变换，以适应驱动压电振动片的需要；

所述调制电路完成驱动信号的加载和角速率信号的解调，包括阻抗变换器45和读出放大器46，所述阻抗变换器45的输入端通过压电振动电极与振梁读出面的换能器连接，阻抗变换器45的输出端与读出放大器46的输入端连接，阻抗变换器45用于将感应的交流振动信号进行阻抗变换，以适应读出放大器的信号调理，读出放大器46用于将获得的信号进行功率放大；

所述阻尼电路用于将调幅电压加到振梁上，从而提高阻尼率，包括阻尼放大器47和阻尼滤波器48，阻尼放大器47的输入端通过压电振动电极与阻尼面的换能器连接，阻尼放大器47将交流驱动信号进行阻抗变换，以适应阻尼滤波的需要，阻尼滤波器48对阻尼信号进行滤波处理。

反馈面的换能器通过阻抗变换器54与滤波器和解调参考模块55连接，输出反馈电压。

半波峰值检波器50、斩波调制器51和调制放大器52组成的电路用于输出一个驱动电压，输入角速率的方向可由斩波解调器51的极性指示。

如图4所示，本发明的测量算法如下：选取地理坐标系(北西天)XYZ和探管坐标系xyz两个坐标系，设最初两坐标系各相应的轴彼此重合，则方位角、倾斜角和工具面角分别对应于坐标系的相位旋转：

首先XYZ系绕Z轴负方向旋转角度A，此即方位角，得到X₁Y₁Z₁系；然后X₁Y₁Z₁系绕Y₁轴负方向旋转角度I，此即倾斜角，得到X₂Y₂Z₂系；最后X₂Y₂Z₂系绕Z₂的负方向旋转角度T，此即工具面角；

根据上述规定的各坐标系之间的相对转角关系可以得到地理坐标系与探管坐标系之间的方位角余弦矩阵C_t ^d，使得有如下关系成立：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=C_t^d\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]---\left(1\right)$

地球自转角速度与重力加速度在地理坐标系中的分量为已知，根据(1)式得到：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right]=C_t^d\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{eH}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{eV}}\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{a}_x\\ a_y\\ a_z\end{array}\right]=C_t^d\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ g\end{array}\right]---\left(2\right)$

因而可以得到地球自转角速度ω_e和重力加速度g在探管坐标系中的各个分量：

a_x＝gcosTsinI                                              (3)

a_y＝gsinTsinI                                              (4)

a_z＝gcosI                                                  (5)

ω_x＝ω_eH(cos A cos T cos I-sin A sinT)+ω_eV cos T cosI    (6)

ω_y＝ω_eH(cos A sin TcosI-sin A cosT)+ω_eV sin TsinI       (7)

ω_z＝-ω_eH cos A sinT+ω_eV cosI                            (8)

其中，

为地球自转角速度的水平分量，

为地球自转角速度的垂直分量，

为当地纬度，

由(3)-(8)式我们可以求出方位角A、工具面角I和倾斜角T：

$I={\sin }^{-1}\sqrt{a_x^2+a_y^2}/g---\left(9\right)$

$A={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{(a_x{\mathrm{\ω}}_y-a_y{\mathrm{\ω}}_x)\cos I}{a_x{\mathrm{\ω}}_x+a_y{\mathrm{\ω}}_y-g{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{eV}}{\sin }^{2}I}---\left(10\right)$

T＝tg^-1(a_y/a_x)                                              (11)

a_x，a_y分别由沿x，y轴敏感的加速度计测量获得，ω_x，ω_y分别由沿x，y轴敏感的固态振动角速率传感器测量获得。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.随钻测量系统，其特征在于：包括探管，所述探管内有测量仓，所述测量仓内设置有三轴加速度传感器、两轴角速率传感器及处理电路；所述三轴加速度传感器用以测量三个方向的重力加速度并输出到处理电路；所述两轴角速率传感器为固态振动角速率传感器，用以测量两个方向的运动角速率并输出到处理电路；所述处理电路接收三轴加速度传感器和两轴角速率传感器输出的测量结果，运算获得探管的行进状态。

2.如权利要求1所述的随钻测量系统，其特征在于：所述固态振动角速率传感器包括敏感体和传感器电路，所述敏感体包括振梁和设置于振梁表面的换能器，所述换能器与传感器电路电连接，所述传感器电路将换能器输出振梁的振动信号输出到处理电路。

3.如权利要求2所述的随钻测量系统，其特征在于：所述振梁为长方体，所述振梁的4个侧表面分别设置有换能器，传感器电路包括驱动电路、调制电路和阻尼电路；所述驱动电路与振梁反馈面的换能器连接，提供振梁在振动轴振动的驱动电压，所述调制电路与振梁读出面的换能器连接，完成驱动信号的加载和角速率信号的解调，所述阻尼电路与振梁阻尼面的换能器连接，将调幅电压加到振梁上，从而提高阻尼率。

4.如权利要求2所述的随钻测量系统，其特征在于：所述振梁的基波振动的波节处与测量仓内壁固定连接，振梁沿长度方向的两端呈自由悬臂。

5.如权利要求4所述的随钻测量系统，其特征在于：所述振梁的长度方向与探管的轴向倾斜。

6.如权利要求2所述的随钻测量系统，其特征在于：所述振梁的长度方向与探管的轴向成45度角。

7.如权利要求2所述的随钻测量系统，其特征在于：固态振动角速率传感器的随机游走为0.07°/√h，短期零位漂移为0.001°/s，刻度因子为3500mv/°/s，输出噪声为1sigma范围内12mV，测量带宽为0至6Hz。

8.如权利要求1所述的随钻测量系统，其特征在于：所述测量仓内填充吸波材料。

9.如权利要求1至8中任一项所述的随钻测量系统，其特征在于：所述探管由设置有加强筋的金属合金材料制成。

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