CN102182449B - 采用固态振动角速率传感器组实现井下寻北的测量装置 - Google Patents

Abstract

一种采用固态振动角速率传感器组实现井下寻北的随钻测量装置，包括进行垂直轴测量的固态振动角速率传感器组和进行水平轴测量的固态振动角速率传感器组和加速度计组，其特征是固态振动角速率传感器组和加速度计组中的加速度计和固态振动角速率传感器呈对应排列；在水平方向各固态振动角速率传感器的最小加速度敏感方向和加速度计的敏感方向分别在360°范围内依次错位相同的角度；每个固态振动角速率传感器的敏感轴相互平行；每个固态振动角速率传感器产生沿敏感轴输出的角速度，每个加速度计沿敏感方向检测并输出加速度；由控制器完成对某个钻探方向的选取，并对测量信号进行数字权重集成与计算。装置在降低成本的同时满足了高测量精度。

Description

采用固态振动角速率传感器组实现井下寻北的测量装置

技术领域

本发明主要涉及钻井测量装置，具体是一种由固态振动角速率传感器组构成，采用加速度辅助权重分配算法提高角速率传感测量精度，从而实现随钻井下方位测量的装置。

背景技术

测井技术是伴随石油工业而产生和发展起来的一门科学技术，是一种井下油气勘探技术。测井是在油气勘探和开发过程中测量、记录、分析井下岩石或流体的物理特性，并对储集层进行油气评价的一种技术。它的应用主要集中在两个领域：地层评价和完井评价，目的只有一个，就是用于发现油气矿藏、评估油气储量及其产量。

定向技术应用于石油开发和油气储量探测钻井中。在某些情况下，定向钻探可以避免复杂的地下结构。使用定向技术可以从一个公共区域开始钻探出大量的钻孔，每个钻孔进行较浅的垂直钻探，以此最终确定真正的垂直方向。定向钻井技术同样也适用于水平钻探中，例如为水、电、气和电话、电缆钻探管道，这些水平钻探一般在离地表不远的地下进行，并且可以进行重复钻探。

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。

目前，在油/矿钻井施工使用的定向测井仪主要采用磁通门测量和双自由度扰性角速率传感器测量两种方式，磁通门测量要求周围5米内不能有任何铁磁物质，而老井有套管，无法给仪器提供良好的无磁环境，因此磁通门测量无法实现老井的井眼轨迹测量；扰性角速率传感器结构复杂，内部装有高速转动的转子，对使用环境苛刻，抗振性能不好，稍微不注意就会损坏，扰性接头寿命有限，需要定期更换传感器；新型激光角速率传感器和光纤角速率传感器精度高，能够满足战术级精度惯性系统应用需要，但其体积大，不能装入小口径探管中，其抗冲击振动性能指标也不能很好的满足随钻测量的要求，且成本高；MEMS角速率传感器在体积、成本和抗冲击振动方面有优势，但目前还不能满足方位测量精度要求。

在随钻测井(MWD)系统中，测量工具是钻探系统的一部分，一般与钻头相近，并且在整个钻探过程中都停留在钻孔内。测量方向和位置时无需将钻具从钻孔中移出。应用MWD测量不必停止钻探过程或者移除(或替换)测量工具来测量钻孔路径，因此可以节省大量的时间，从而节省了钻探的成本。随钻测量技术(MWD)是富有发展前景并适用于我国复杂油气藏勘探开发的重点核心技术之一。MWD的地质导向技术是随钻测井最重要应用之一。开展MWD方位测量研究工作的难点有两个方面：一是使用新材料和新工艺设计出高强度的、耐高温高压、适应强烈振动和冲击的井下传感器；二是要进行机电一体化的整体研制。随钻测井用角速率传感器无疑是这项技术的核心，其较之地面和常温用传感器，受使用环境的影响具有以下特点：首先是精度要达到寻北定位的要求，包括其在整个测量区域和测量范围内噪声特性指标符合应用要求；二是体积要求严格，尤其直径要小；三是高抗振性，随钻过程中不会损坏传感器本体；还有宽温要求，即仪器能在100℃甚至更高的环境中正常工作，且在环境温度-10℃-175℃范围内仪器总体精度满足设计要求。因此，随钻地质导向是仪器在接近极限工作的恶劣环境下的高精度定位技术，研发的技术难度相当大，资金投入多，研发周期长，具有较大的风险。

随钻方位测量对于仪器工作条件近乎极限的要求，使得大部分在非随钻方位测量下适用的角速率传感器都受到限制，所有有活动部件的机械角速率传感器和动力调谐角速率传感器，在体积和抗冲击振动方面理论上均已超出了设计要求，没有实现随钻方位测量的可能。从这个角度来看，应用惯性器件进行随钻地质导向测量的方法和手段十分有限，国外测井技术发达国家也没有研制出更加适用的随钻角速率传感器，而是采用了无角速率传感器测量甚至非惯性器件的随钻地质导向测量方法，但精度和可靠性不高，而成本却相当昂贵。因此在这方面迫切需要拓展基于角速率传感器的随钻地质导向测量研制思路，寻找更为简单有效的解决方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用固态振动角速率传感器组进行垂直轴的高精度测量，同时使用高精度的的MEMS陀螺和加速度计进行水平轴测量，以实现井下寻北的随钻测量装置，即通过采用固态振动型角速率传感器和加速度计作为核心测量器件，将固态振动角速率传感器的动态测量特性与加速度计的静态测量特性很好地结合起来，有效地抑制测量误差，提高测量精度，并通过使用固态振动角速率传感器组实现高精度测量以较大程度地节约成本。

由上可知，此方案的技术重点在于采用一种新型的固态振动角速率传感器组来等效高精度传感器进行井下测量，以最大程度节约成本。

为实现上述目的而采用的技术方案是这样的，即一种采用固态振动角速率传感器组实现井下寻北的随钻测量装置，包括进行垂直轴测量的固态振动角速率传感器组和进行水平轴测量的固态振动角速率传感器组和加速度计组，其特征是：所述固态振动角速率传感器组和加速度计组中的加速度计和固态振动角速率传感器呈对应排列；在水平方向各固态振动角速率传感器在敏感方向和在最小加速度敏感方向分别在360°范围内依次错位相同的角度，并均分360°；

每个固态振动角速率传感器的敏感轴相互平行；每个固态振动角速率传感器产生沿敏感轴输出的角速度，由第一信号表征；

每个加速度计沿敏感方向检测并输出加速度，由第二信号表征；

一个控制器，以离散频率获取第一信号和第二信号，计算由各固态振动角速率传感器检测的角速度的平均权重，所述平均权重包含每个固态振动角速率传感器沿它的敏感轴输出的角速度与加速度计沿最小加速度敏感方向输出的加速度的加权，则最终平均加权角速度R_p和最终平均加权加速度A_P计算表达式如下：

$R_p=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{R}_i*W_i}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_i}---\left(1\right)$

$A_p=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{A}_i*W_i}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_i}---\left(2\right)$

W_i＝(A_i/A_g)²                            (3)

式中：R_i是第i个固态振动角速率传感器测量的角速度、A_g是地面坐标系的加速度、A_i是第i个固态振动角速率传感器的地面加速度沿最小加速度敏感方向的分量；

上述控制器包括高性能数字信号处理器、24位多路模数转换及数字接口电路，完成对某个钻探方向的选取，并实现对测量信号的上述数字权重集成与计算。

本发明采用固态振动角速率传感器测量角速率，它体积小，结构简单，可靠性高，成本低，尤其具有较强的抗冲击振动性，因此能满足恶劣的力学环境要求，非常适用于进行井下寻北。但是单个固态振动角速率传感器不能完成井下寻北，而采用角速率传感器组合，并辅以加速度计测量权重算法，却可以实现单个角速率传感器所无法达到的测量精度。即使用固态振动角速率传感器和加速度计组合，来测量特定深度的钻孔的方位和倾斜度，以及同等高度的高端工具面或者测量工具的工具面方位角。测量时沿固态振动角速率传感器的最小敏感轴的方向进行。考虑到钻探的成本，一般使用最少的固态振动角速率传感器数目以实现所需的测量。

附图说明

图1是测量工具的示意图

图2和图3为包含三个固态振动角速率传感器的惯性传感器的结构；

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

由于石油、地质钻探中所处测量环境的复杂性，使用固态振动角速率传感器测量方位和钻探工具进行随钻测量是一项较具挑战性的任务。例如，测量工具将遭遇到沿角速度测量敏感轴方向的加速度冲击。因为固态振动角速率传感器误差是敏感加速度的函数，因此较小的加速度也可能造成很大的角速率误差。振动可能造成固态振动角速率传感器输出波动，导致随机误差的增长。另外，因为固态振动角速率传感器使用反馈环回路，高频振动可能带来不必要的误差。

如图1，即为测量装置10的示意图。

测量装置10可以作为惯性随钻井测量的一部分来确定方位，或者作为钻探系统的钻探工具来对地表进行钻孔。

测量装置包括固态振动角速率传感器组和加速度计组。每个固态振动角速率传感器的敏感轴为21，最小加速度敏感方向为22。

每个固态振动角速率传感器20沿敏感轴21检测角速率，并以第一信号24表征。

惯性传感器20封装在壳体23中，它们的敏感轴21相互平行，最小加速度敏感方向22互不平行。

每个加速度计30具有一个敏感方向31，沿此方向检测加速度，并以第二信号34表征输出。

进一步，所述固态振动角速率传感器组和加速度计组被封装在壳体23内。

进一步，测量装置10中包含一个控制器40，接收由各个固态振动角速率传感器20传送的第一信号24和由各个加速度计30传送的第二信号34。

控制器40计算由固态振动角速率传感器检测的角速率信号的平均权重。

进一步，加权平均值包括每个固态振动角速率传感器20沿敏感轴21输出的角速度与加速度计沿最小加速度敏感方向22输出的加速度的加权。

其中，固态振动角速率传感器应用了科里奥效应：质量为M的物体在参考系中以速度v运动，惯性角速度为Ω，科氏力为F_Coriolis＝2Mv□。

如图2，即为固态振动角速率传感器的结构原理图，振梁式压电振动固态振动角速率传感器的基本元件就是一根两端自由的横振动矩形梁，振梁用镍铬钛合金制成。在节点处支撑，支撑材料是用和振梁相同的材料，这样可使在安装点处的热应力最小。

其中，驱动梁的力由粘在梁驱动表面上的驱动换能器的反压电效应所产生，换能器用压电陶瓷制成。

其中，在矩形梁另外三个面上也都粘上换能器。利用垂直于梁驱动表面的读出换能器的压电效应来敏感哥氏力。在平行于驱动表面的反馈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。读出换能器对面的阻尼换能器连接到梁的电阻尼电路中去，保持读出换能器输出动态特性良好。

其中，固态振动角速率传感器的性能参数为：随机游走为0.07°/√h，短期零位漂移为0.001°/s，刻度因子为3400mv/°/s，输出噪声为1sigma范围内12mv，测量带宽为0至6Hz；

加速度计30检测其沿敏感轴31方向的信号。加速度计30采用MEMS技术加工的传感器件，量程为1g。

如图3所示，固态振动角速率传感器组20包含3个固态振动角速率传感器70。

其中，它们体积很小以保证能在有限的钻孔范围内使用。

其中，为保证它们的方位维持在高精度的范围内，固态振动角速率传感器20应能在温度变化，高冲击力和其它环境变化下保持固定，不发生相对运动。

每个固态振动角速率传感器70安装在固态振动角速率传感器壳体50中，使用环氧基树脂51将多个分别封装在壳体50中的固态振动角速率传感器70粘合成组成固态振动角速率传感器组60，并使固态振动角速率传感器70的敏感轴21相互平行。其中，轴61指示的是固态振动角速率传感器70的敏感轴21的方向。

其中，这个固态振动角速率传感器组60是规则立方体的形状特别适合在壳体23内安装。

图3b分别给出固态振动角速率传感器组60中有三个固态振动角速率传感器70的俯视图，用以描述这些固态振动角速率传感器70的方位。每个70相对彼此旋转时，它们的最小加速度敏感方向22互不平行。

其中，固态振动角速率传感器20的最小加速度敏感方向22在360°的范围内依次转过固定的角度。

图1中，装置中包含6个固态振动角速率传感器，即每个固态振动角速率传感器的最小加速度敏感方向22依次转过60°。

因为外部振动可能来自于任意方向，因此整体单元60中不同的固态振动角速率传感器20的最小加速度敏感方向22依次转过固定的角度，以最大可能地满足：至少存在一个固态振动角速率传感器70是在可接受的加速度敏感范围内进行测量。

使用由六个固态振动角速率传感器70组成的传感器组60可以用较少的测量数据实现真实有效的测量，以满足高精度的测量需要。

其中，在有限的额外体积内，而需求精度更高的情况下，整体单元可以包含六个固态振动角速率传感器以提高精度。

其中，使用更多个固态振动角速率传感器20可以提高由固态振动角速率传感器20的读数计算的平均权重的精度。

控制器40包含一个微处理器，以接收由固态振动角速率传感器传送的第一信号和由加速度计传送的第二信号。

其中，控制器40通过高性能CPU来执行算法运算。

其中，控制器40完全或部分安置于壳体23中或远离23安放，但与壳体23内的固态振动角速率传感器20以及加速度计30耦合。

控制器40用于计算由固态振动角速率传感器20检测的角速度的平均权重。平均权重包含每个固态振动角速率传感器20沿敏感轴21输出的角速度与加速度计沿最小加速度敏感方向22输出的加速度的加权。

最终平均加权角速度R_p和最终平均加权加速度计算表达式如下：

$R_p=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{R}_i*W_i}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_i}---\left(1\right)$

$A_p=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{A}_i*W_i}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_i}---\left(2\right)$

W_i＝(A_i/A_g)²                    (3)

R_i是第i个固态振动角速率传感器测量的角速度

A_g是地面坐标系的加速度

A_i是第i个固态振动角速率传感器的地面加速度沿最小加速度敏感方向的分量

其中，由固态振动角速率传感器20提供的第一信号和加速度计30提供的第二信号34连续地传送至控制器40。控制器40以离散频率获取第一信号24和第二信号34。由于高频振动，控制器40的离散频率应在高频范围内选择，如2KHZ范围内。

使用更多个固态振动角速率传感器20时，控制器运用R_p的标准差的计算来实现对测量角速度的实时精度控制，选择性排除一个或多个固态振动角速率传感器(70)所产生的明显性错误，R_p的标准差的计算表达式如下：

${\mathrm{SD}}_P=\sqrt{\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_i*{(R_i-R_p)}^2}{(N-1)*\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{W}_i}}---\left(4\right)$

N是用于计算平均权重角速度的固态振动角速率传感器的数量；

不满足先验条件的固态振动角速率传感器(20)从平均权重角速度R_p的计算中剔除出去，其中，先验条件表达式如下：

|R_i-R_p|＜T*SD_P                    (5)

式中：T为容许系数，在有些实际情况中它可以取3或者5。它可从正态分布得到。例如，50％的测量结果将处于这个分布均值的±0.67σ的范围内，95％的测量结果会处于±1.96σ的范围内，而99％的测量结果会处于±3.29σ的范围内。容许系数的选择取决于采用错误的测量结果和去除正确的测量结果相互抵消后的最终结果。容许系数较小意味着较好地避免了使用错误测量结果的发生，容许系数较大则意味着较好地避免了去除正确的测量结果的发生。

如果一个或更多的固态振动角速率传感器被剔除，将按公式(1)，(2)，(3)由剩下的固态振动角速率传感器输出的角速度来计算一个新的R_p值，并根据公式(4)计算一个新的标准差SD_P，在由公式(5)，代入新的标准差，判决余下的固态振动角速率传感器(20)的读数，其中，与新的R_p的值相差最远的固态振动角速率传感器被剔除，平均权重需再次重新计算直到剩下的固态振动角速率传感器；由最后剩下的固态振动角速率传感器的角速度输出值及其对应的加速度仪的输出值计算最终的平均加权角速度R_p。

在上述实施例中，进行垂直轴测量的固态振动角速率传感器组可采用SCC1300D02陀螺仪，而进行水平轴测量的固态振动角速率传感器组采用成本相对很低的MEMS(陀螺和加速度计组合)。

其中，井下寻北的实现算法如下：

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。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

，使得有如下关系成立：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=C_t^d\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]---\left(6\right)$

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(5)式得到：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right]=C_t^d\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{eH}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{eV}}\end{array}\right]$ $\left[\begin{array}{c}{a}_x\\ a_y\\ a_z\end{array}\right]=C_t^d\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ g\end{array}\right]---\left(7\right)$

由下我们可以求出方位角A、工具面角I和倾斜角S：

$I={\sin }^{-1}\sqrt{a_x^2+a_y^2}/g---\left(8\right)$

$A={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{(a_x{\mathrm{\ω}}_y-a_y{\mathrm{\ω}}_x)\cos I}{a_x{\mathrm{\ω}}_x+a_y{\mathrm{\ω}}_y-g{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{eV}}{\sin }^{2}I}---\left(9\right)$

S＝tg^-1(a_y/a_x)                            (10)

其中，a_x即为沿x轴敏感的(即进行水平轴测量的)加速度计组测量获得的A_p，a_y为沿y轴敏感的、进行垂直轴测量的固态振动角速率传感器组(SCC1300D02中的加速度计)测量获得，ω_x即为沿x轴敏感的(即进行水平轴测量的)固态振动角速率传感器组测量获得的R_p，ω_y由沿y轴敏感的固态振动角速率传感器SCC1300D02中的陀螺测量获得。

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 (3)

1.一种采用固态振动角速率传感器组实现井下寻北的随钻测量装置，包括进行垂直轴测量的固态振动角速率传感器组和进行水平轴测量的固态振动角速率传感器组和加速度计组，其特征是： 

所述固态振动角速率传感器组和加速度计组中的加速度计（30）和固态振动角速率传感器（20）呈对应排列；在水平方向各固态振动角速率传感器的最小加速度敏感方向（22）和加速度计的敏感方向（31）分别在360°范围内依次错位相同的角度，并均分360°； 

每个固态振动角速率传感器的敏感轴（21）相互平行；每个固态振动角速率传感器产生沿敏感轴输出的角速度，由第一信号（24）表征； 

每个加速度计沿敏感方向检测并输出加速度，由第二信号（34）表征； 

一个控制器，以离散频率获取第一信号（24）和第二信号（34），计算由各固态振动角速率传感器（20）检测的角速度的平均权重，所述平均权重包含每个固态振动角速率传感器（20）沿它的敏感轴（21）输出的角速度与加速度计沿最小加速度敏感方向（22）输出的加速度的加权，平均加权角速度R_p和平均加权加速度A_P计算表达式如下： 

W_i=(A_i/A_g)²                   （3） 

式中：R_i是第i个固态振动角速率传感器测量的角速度、A_g是地面坐标系的加速度、A_i是第i个固态振动角速率传感器的地面加速度沿最小加速度敏感方向的分量； 

上述控制器包括高性能数字信号处理器、24位多路模数转换及数字接口电路，完成对某个钻探方向的选取，并实现对测量信号的上述平均权重集成 与计算。 

2.根据权利要求1所述的采用固态振动角速率传感器组实现井下寻北的随钻测量装置，其特征是：每个固态振动角速率传感器（20）安装在固态振动角速率传感器壳体（50）中，使用环氧基树脂（51）将多个分别封装在壳体（50）中的固态振动角速率传感器（20）粘合成组成固态振动角速率传感器组（60），并使固态振动角速率传感器（20）的敏感轴（21）相互平行。 

3.根据权利要求1所述的采用固态振动角速率传感器组实现井下寻北的随钻测量装置，其特征是：控制器运用R_p的标准差的计算来实现对测量角速度的实时精度控制，选择性排除一个或多个固态振动角速率传感器所产生的明显性错误，R_p的标准差的计算表达式如下： 

N是用于计算平均加权角速度的固态振动角速率传感器的数量； 

不满足先验条件的固态振动角速率传感器（20）从平均加权角速度R_p的计算中剔除出去，其中，先验条件表达式如下： 

|R_i-R_p|<T*SD_P                  （5） 

式中：T为容许系数，取3或者5，或由正态分布得到； 

如果一个或更多的固态振动角速率传感器被剔除，将按公式（1），（2），（3）由剩下的固态振动角速率传感器输出的角速度来计算一个新的R_p值，并根据公式（4）计算一个新的标准差SD_P，再由公式（5），代入新的标准差，判决余下的固态振动角速率传感器（20）的读数，其中，与新的R_p的值相差最远的固态振动角速率传感器被剔除，平均权重需再次重新计算直到剩下的固态振动角速率传感器；由最后剩下的固态振动角速率传感器的角速度输出值及其对应的加速度计的输出值计算最终的平均加权角速度。 

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