CN101876244A - 一种惯性测量单元以及动力调谐陀螺连续测斜仪 - Google Patents

Abstract

一种惯性测量单元，包括测量短节骨架、第一动力调谐陀螺、旋转机构骨架、第二动力调谐陀螺、第一加速度计、第二加速度计、第三加速度计、电机；第一动力调谐陀螺沿测量短节骨架的径向方向设置于测量短节骨架上；第二动力调谐陀螺沿旋转机构骨架的轴向方向设置于旋转机构骨架上；第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计依次沿旋转机构骨架的轴向方向正交设置于旋转机构骨架的轴向方向上；第二动力调谐陀螺设置于第一动力调谐陀螺和第一加速度计之间；测量短节骨架和旋转机构骨架同轴；电机驱动旋转机构骨架绕旋转机构骨架轴线旋转。本发明提供了全方位测量、连续测量井眼轨迹以及提高测量效率的惯性测量单元以及动力调谐陀螺连续测斜仪。

Description

一种惯性测量单元以及动力调谐陀螺连续测斜仪

技术领域

本发明属于油田、钻探、勘探用惯性测量领域，尤其涉及一种惯性测量单元以及动力调谐陀螺连续测斜仪。

背景技术

在油田开发的初期，由于测井技术落后，加上钻井和开发技术的限制，钻杆在地下的实际运行轨迹并不十分清楚。而且开发过程中只注重主力油藏的开发，而边远、临近的复杂油藏、薄油藏没有得到有效开发，且呈不均匀状态分布。

剩余油藏潜力巨大，如果在避免风险的情况下进行有效开发，将会促进油田增油上产目标的实现。在石油资源日益枯竭的情况下，如何使老油井焕发新的活力，改善油田的整体开发效果，充分开采老油区剩余油气资源，提高油气资源的采收率；同时在新油井开发过程中，如何为钻头走向提供正确的控制信息，提高油井的产出效费比，运用现代测斜技术是一种必不可少的手段。

目前国内各油田广泛使用的测斜仪器主要是磁通门测斜仪，它采用三轴正交磁通门测量地球磁场矢量和三轴正交加速度计测量地球重力矢量，测量方法简单，性能稳定可靠，但只能用于无磁污染的裸眼井，对于套管井、加密井、丛式井却无能无力。在这种情况下，采用陀螺测斜仪可以进行稳定可靠的测量。

国内测斜仪器中使用较多的陀螺测斜仪由一个双自由度的挠性陀螺和两或三个石英加速度计所组成。这种测斜仪采用静态点测方法，在测斜过程中必须保持仪器静止2、3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。为了获得油井更多信息，必须增加测量点，这样大大降低了测量效率。

目前也有单位在研发光纤陀螺测斜仪，光纤陀螺抗震性好，但其对温度非常敏感，而且光纤陀螺的精度与其大小呈正比，而井下温度高，对仪器的外径要求也很严格，所以一定时期内光纤陀螺测斜仪要占主导地位还需要很长的路要走。

动力调谐陀螺技术成熟，价格较低，开发一种基于动力调谐陀螺的连续测斜仪是市场的必然要求。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种能全方位测量和连续测量井眼轨迹以及提高测量效率的惯性测量单元以及动力调谐陀螺连续测斜仪。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种惯性测量单元，其特殊之处在于：所述惯性测量单元包括测量短节骨架、第一动力调谐陀螺、旋转机构骨架、第二动力调谐陀螺、第一加速度计、第二加速度计、第三加速度计、电机；所述第一动力调谐陀螺沿测量短节骨架的径向方向设置于测量短节骨架上；所述第二动力调谐陀螺沿旋转机构骨架的轴向方向设置于旋转机构骨架上；所述第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计依次沿旋转机构骨架的轴向方向正交设置于旋转机构骨架的轴向方向上；所述第二动力调谐陀螺设置于第一动力调谐陀螺和第一加速度计之间；所述测量短节骨架和旋转机构骨架同轴；所述电机驱动旋转机构骨架绕旋转机构骨架轴线旋转。

上述惯性测量单元还包括光电编码盘，所述光电编码盘设置于电机和旋转机构骨架之间并套接于电机上；所述光电编码盘控制电机带动旋转机构骨架绕轴线旋转。

上述第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计是石英加速度计。

上述石英加速度计是石英挠性加速度计。

上述电机是直流伺服电机。

一种动力调谐陀螺连续测斜系统，其特殊之处在于：所述动力调谐陀螺连续测斜系统包括如上述的惯性测量单元以及与惯性测量单元相连的电源。

上述动力调谐陀螺连续测斜系统还包括遥传电子单元以及信号采集及处理单元，所述遥传电子单元通过信号采集及处理单元和惯性测量单元相连。

上述动力调谐陀螺连续测斜系统还包括减震引鞋，所述减震引鞋和惯性测量单元相连。

上述信号采集及处理单元包括采样器、放大器、滤波器、调理器、AD转换器、可编程逻辑器件CPLD以及数字信号处理器DSP；所述采样器、放大器、滤波器、调理器、AD转换器、可编程逻辑器件CPLD以及数字信号处理器DSP依次连接。

本发明的优点是：本发明采用捷联惯性导航技术的陀螺测斜仪能全方位测量和连续测量井眼轨迹，既可以提高测量效率，又能获得较单点测斜更多的信息。本发明在钻井或测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或从井底到井口的运动，便可以得到油井的完整信息。

附图说明

图1是本发明所提供的惯性测量单元的结构示意图；

图2是本发明所提供的动力调谐陀螺连续测斜系统结构示意图；

图3是本发明所采用的信号采集及处理单元框图；

图4是本发明所提供的动力调谐陀螺连续测斜系统信号框图。

具体实施方式

参见图1，本发明首先提供了一种惯性测量单元8，该惯性测量单元是由两个动力调谐陀螺和三个石英挠性加速度计组成，包括测量短节骨架81，第一动力调谐陀螺82，上端轴承83，旋转机构骨架84，第二动力调谐陀螺85，三个正交方向安装的第一速度计86、第二加速度计87、第三加速度计88，旋转机构下端轴承89，光电编码盘810，直流伺服电机811。第一动力调谐陀螺82沿测量短节骨架81的径向方向设置于测量短节骨架81上；第二动力调谐陀螺85沿旋转机构骨架84的轴向方向设置于旋转机构骨架84上；第一加速度计86、第二加速度计87以及第三加速度计88沿依次旋转机构骨架84的轴向方向正交设置于旋转机构骨架84的轴向方向上；测量短节骨架81和旋转机构骨架84同轴；旋转机构骨架84设置于光电编码盘810上方；光电编码盘810控制直流伺服电机811驱动旋转机构骨架84绕轴线旋转。第一加速度计86、第二加速度计87以及第三加速度计88是石英挠性加速度计。

旋转机构骨架84由伺服电机驱动811可绕旋转机构骨架84的轴线旋转任意角度，此旋转角度通过光电编码盘810控制，第一动力调谐陀螺82、第二动力调谐陀螺85与第一速度计86、第二加速度计87、第三加速度计88机械编排参照图2，第一动力调谐陀螺82、第二动力调谐陀螺85与第一速度计86、第二加速度计87、第三加速度计88通过精密校准，三轴保持高度一致。根据惯性导航原理，仪器工作时先在井口或井底进行初始对准，获得初始捷联矩阵，然后采用捷联惯导算法来测量方位角、工具面角和倾斜角。

参见图2，本发明还提供了一种基于惯性测量单元8的动力调谐陀螺连续测斜系统，包括地面部分和井下部分。地面部分包括地面计算机1，地面控制箱2；地面计算机通过以太网连接线与地面控制箱连接，地面控制箱通过单芯电缆3与井下部分连接；井下部分包括马龙头4，二次电源仓5，遥传电子单元6，信号采集及处理单元7，惯性测量单元8，仪器减震引鞋9。

遥传电子单元6包括接收模块和发送模块，接收模块是将调制于单芯电缆上的信号解调后送给微处理器，它包括电容器和信号调理电路，电容器负责信号解调，调理电路负责将解调后的信号转换成适合处理器外设电平需要的信号。发送模块是将处理器输出信号耦合到电压较高的电缆芯上，通过电缆芯将数据传回到地面，它包括功率放大电路和电容器，功率放大电路将微处理器输出信号进行功率放大后，经电容调制到单芯电缆上。现有TD823功放集成、扩大运算放大器输出功率电路等都可以实现其功能。

地面部分由一台微型计算机和地面控制箱组成。微型计算机用来控制井下仪器工作，其通过Ethernet接口与地面控制箱连接，地面控制箱完成向井下发送指令和将井下测量数据解码后传给地面计算机，另外为井下仪器提供电源供电，其通过单芯电缆与井下仪器连接。

井下部分处理任务包括：

(1)利用存储的标定数据对陀螺和加速度计的输出进行在线补偿。

(2)对补偿后的陀螺和加速度计输出进行卡尔曼滤波。

(3)惯性导航系统解算。

整个操作过程中，地面部分和井下部分保持通信，使测量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处理器内完成。

参见图3，信号采集及处理单元7由两个动力调谐陀螺测量的角速率信息、三个石英加速度计测量的比力信息、温度传感器测量的惯性测量单元温度信息经过采样、放大、滤波、调理环节处理后送给8路并行A/D转换器ADS1278后，送给CPLD芯片EPM7256进行处理，完成后将处理结果送CPU进行惯性导航算法解算，信号采集及处理单元7包括采样器、放大器、滤波器、调理器、转换器、可编程逻辑器件CPLD以及数字信号处理器DSP；采样器、放大器、滤波器、调理器、转换器、可编程逻辑器件CPLD以及数字信号处理器DSP依次连接。

本发明系统信号框图如图4所示。

本发明是具体工作时：

1.机械编排原理

参照图1，两个动力调谐陀螺和三个石英挠性加速度计安装骨架在机械加工过程中通过精密校准，三轴保持高度一致，安装误差小于1°，安装时第一动力调谐陀螺82的X向敏感轴与第三加速度计88的敏感轴方向保持一致，第一动力调谐陀螺82的Y向敏感轴与第一加速度计86的敏感轴方向保持一致，第二动力调谐陀螺85的X向敏感轴与第一动力调谐陀螺82的X向敏感轴方向保持一致，第二动力调谐陀螺85的Y向敏感轴与第二加速度计87的敏感轴方向保持一致。

2.传感器数学模型

动力调谐陀螺测量的角速率测量值

可用数学的方法表达成如下形式：

${\mathrm{\ω}}_X^{\%}=(1+S_X){\mathrm{\ω}}_X+B_{\mathrm{fx}}---\left(1\right)$

式中：

S_X------标度因数误差；

M_Y，M_Z------交叉耦合系数；

ω_X------陀螺绕其输入轴的旋转速率；

a_x，a_y------沿输入轴的加速度；

a_z------沿自转轴的加速度；

B_fx------对加速度不敏感的零偏系数；

B_gx，B_gy------对加速度敏感的零偏系数；

B_axz------非等弹性零偏系数；

n_x------随机误差。

加速度计测量的加速度可分别用沿其敏感轴a_x的加速度以及沿摆轴a_y和铰链轴a_z的加速度来表示：

$a_x^{\%}=(1+S_X)a_x+M_Y{a}_y+M_Z{a}_Z+B_f+B_v{a}_x{a}_y+n_x---\left(2\right)$

式中：

S_X------标度因数误差；

M_Y，M_Z------交叉耦合系数；

B_f------测量零偏；

B_v------振摆误差系数；

n_x------随机零偏。

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，因此在工作境变化不大的应用中，可以不考虑非线性造成的影响。根据仪器指标，忽略部分因素，最终确定陀螺仪和加速度计的数学模型如下：

${\mathrm{\ω}}_X^{\%}\≈(1+S_X){\mathrm{\ω}}_X+B_{\mathrm{fx}}---\left(3\right)$

$a_x^{\%}\≈(1+S_X)a_x+B_f---\left(4\right)$

3.初始对准

初始对准的目的是确定捷联矩阵的初始值。测斜仪使用一个沿仪器轴向安装的第二动力调谐陀螺85测量地球自转角速度的两个水平分量，通过三个正交安装的石英挠性第一速度计86、第二加速度计87、第三加速度计88测量仪器坐标系三个轴向的重力加速度分量，来确定仪器的初始位置。根据公式(5)、(6)、(7)进行计算，得到倾斜角I，方位角A，工具面角T。

$I={\sin }^{-1}\frac{\sqrt{a_x^2+a_y^2}}{g}---\left(5\right)$

$A={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{(a_x{\mathrm{\ω}}_y-a_y{\mathrm{\ω}}_x)\cos I}{a_x{\mathrm{\ω}}_x+a_y{\mathrm{\ω}}_y+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{eV}}{\sin }^{2}I}---\left(6\right)$

$T={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{a_x}{a_y}---\left(7\right)$

式中：

ω_eV＝Ωsinφ；

Ω------地球自转角速度；

φ------测井当地维度。

为了提高仪器的测量精度，采用多位置对准的方法。如图1所示，将第二动力调谐陀螺85和三个正交安装的石英挠性第一速度计86、第二加速度计87、第三加速度计88安装于旋转骨架84上，仪器使用者在地面通过操作软件可以控制骨架84绕仪器垂直轴任意旋转，实现多位置寻北。以两位置寻北为例，仪器在初始位置寻北测量计算倾斜角、方位角、工具面角后，仪器在不关闭电源的情况下，由地面计算机发送指令通过光电编码盘810控制旋转电机811带动旋转骨架84绕仪器垂直轴顺时针旋转180°，在新的指向位置进行第二次倾斜角、方位角、工具面角的测量。然后将两个位置的测量值相减，从而基本上消除测量中的任何初始零偏。再用测量值之比来计算出仪器的初始位置。将得到初始倾斜角、方位角、工具面角输入捷联矩阵(8)计算即可得到捷联矩阵初始值。

$C_t^b=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{11}& C_{12}& C_{13}\\ C_{21}& C_{22}& C_{23}\\ C_{31}& C_{32}& C_{33}\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccc}\cos T\cos I\cos A-\sin T\sin A& \cos T\cos I\sin A+\cos A\sin T& -\cos T\sin I\\ -\sin T\cos I\cos A-\sin A\cos T& -\sin T\cos I\sin A+\cos T\cos A& -\sin T\sin I\\ \sin I\cos A& \sin I\sin A& \cos I\end{array}\right]---\left(8\right)$

4.姿态角实时解算

四元数与捷联矩阵的关系

用q＝a+ib+jc+kd表示四元数，式中a、b、c、d代表实数，i、j、k为3个虚数单位。

捷联矩阵和四元数的关系表为：

$C_t^b=\left[\begin{array}{ccc}(a^2+b^2-c^2-d^2)& 2(\mathrm{bc}-\mathrm{ad})& 2(\mathrm{bd}+\mathrm{ac})\\ 2(\mathrm{bc}+\mathrm{ad})& (a^2-b^2+c^2-d^2)& 2(\mathrm{cd}-\mathrm{ab})\\ 2(\mathrm{bd}-\mathrm{ac})& 2(\mathrm{cd}+\mathrm{ab})& (a^2-b^2-c^2+d^2)\end{array}\right]---\left(9\right)$

$q_{(n+1)}=\{(1-\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0^2}{8}+\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0^4}{384})\·I+(\frac{1}{2}-\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_0^2}{48})[\mathrm{\Δ\θ}\left]\right\}{q}_{\left(n\right)}---\left(10\right)$

式中I------单位四元数。

$\left[\mathrm{\Δ\θ}\right]={\∫}_t^{t+\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Ω}}_b\mathrm{dt}---\left(11\right)$

Ω_b---探管相对大地坐标系的旋转角速度的斜对称矩阵。

${\mathrm{\Ω}}_b=\left[\begin{array}{cccc}0& -\frac{{\mathrm{\ω}}_x}{2}& -\frac{{\mathrm{\ω}}_Y}{2}& -\frac{{\mathrm{\ω}}_Z}{2}\\ \frac{{\mathrm{\ω}}_x}{2}& 0& \frac{{\mathrm{\ω}}_Z}{2}& -\frac{{\mathrm{\ω}}_Y}{2}\\ \frac{{\mathrm{\ω}}_Y}{2}& -\frac{{\mathrm{\ω}}_Z}{2}& 0& \frac{{\mathrm{\ω}}_x}{2}\\ \frac{{\mathrm{\ω}}_Z}{2}& \frac{{\mathrm{\ω}}_Y}{2}& -\frac{{\mathrm{\ω}}_x}{2}& 0\end{array}\right]---\left(12\right)$

$\left[\mathrm{\Δ\θ}\right]=\left[\begin{array}{cccc}0& -{\mathrm{\Δ\θ}}_X& {-\mathrm{\Δ\θ}}_Y& {-\mathrm{\Δ\θ}}_Z\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_X& 0& {\mathrm{\Δ\θ}}_Z& -{\mathrm{\Δ\θ}}_Y\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_Y& {-\mathrm{\Δ\θ}}_Z& 0& {\mathrm{\Δ\θ}}_X\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_Z& {\mathrm{\Δ\θ}}_Y& -{\mathrm{\Δ\θ}}_X& 0\end{array}\right]---\left(13\right)$

取Δt非常小时，可以认为在Δt时间内其对应的角速度ω_X，ω_Y，ω_Z是不变的，此时有，

Δθ_X≈Δt·ω_X，Δθ_Y≈Δt·ω_Y，Δθ_Z≈Δt·ω_Z                  (14)

上式中Δt是系统采样周期，ω_X，ω_Y，ω_Z分别是陀螺X，Y，Z方向的角速度。根据四元数与捷联矩阵的关系可以求得矩阵

则工具面角，方位角，倾角由以下公式确定。

$T=\arctan \frac{C_{23}}{C_{13}}---\left(15\right)$

$A=\arctan \frac{C_{32}}{C_{31}}---\left(16\right)$

I＝arccosC₃₃                                              (17)

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，取得了良好的效果。

本发明基于捷联惯性导航技术，设计的两个动力调谐陀螺、三个石英挠性加速度计对准机械编排方案。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，以具体实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 (9)

1.一种惯性测量单元，其特征在于：所述惯性测量单元包括测量短节骨架、第一动力调谐陀螺、旋转机构骨架、第二动力调谐陀螺、第一加速度计、第二加速度计、第三加速度计、电机；所述第一动力调谐陀螺沿测量短节骨架的径向方向设置于测量短节骨架上；所述第二动力调谐陀螺沿旋转机构骨架的轴向方向设置于旋转机构骨架上；所述第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计依次沿旋转机构骨架的轴向方向正交设置于旋转机构骨架的轴向方向上；所述第二动力调谐陀螺设置于第一动力调谐陀螺和第一加速度计之间；所述测量短节骨架和旋转机构骨架同轴；所述电机驱动旋转机构骨架绕旋转机构骨架轴线旋转。

2.根据权利要求1所述的惯性测量单元，其特征在于：所述惯性测量单元还包括光电编码盘，所述光电编码盘设置于电机和旋转机构骨架之间并套接于电机上；所述光电编码盘控制电机带动旋转机构骨架绕轴线旋转。

3.根据权利要求1或2所述的惯性测量单元，其特征在于：所述第一加速度计、第二加速度计以及第三加速度计是石英加速度计。

4.根据权利要求3所述的惯性测量单元，其特征在于：所述石英加速度计是石英挠性加速度计。

5.根据权利要求3所述的惯性测量单元，其特征在于：所述电机是直流伺服电机。

6.一种动力调谐陀螺连续测斜系统，其特征在于：所述动力调谐陀螺连续测斜系统包括如权利要求1-5任一权利要求所述的惯性测量单元以及与惯性测量单元相连的电源。

7.根据权利要求6所述的动力调谐陀螺连续测斜系统，其特征在于：所述动力调谐陀螺连续测斜系统还包括遥传电子单元以及信号采集及处理单元，所述遥传电子单元通过信号采集及处理单元和惯性测量单元相连。

8.根据权利要求6或7所述的动力调谐陀螺连续测斜系统，其特征在于：所述动力调谐陀螺连续测斜系统还包括减震引鞋，所述减震引鞋和惯性测量单元相连。

9.根据权利要求8所述的动力调谐陀螺连续测斜系统，其特征在于：所述信号采集及处理单元包括采样器、放大器、滤波器、调理器、AD转换器、可编程逻辑器件CPLD以及数字信号处理器DSP；所述采样器、放大器、滤波器、调理器、AD转换器、可编程逻辑器件CPLD以及数字信号处理器DSP依次连接。

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