CN104034333B - 测井探管三维实时姿态检测系统的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测井探管三维实时姿态检测系统，包括传感器组：用于采集所述测井探管的原始方位角和倾角信息，包括三轴电子罗盘和三轴加速度传感器，该三轴电子罗盘的三个轴与三轴加速度传感器的三个轴同轴连接；以及微处理器：通过I²C总线与所述传感器组相连，内嵌有数据融合定位解算算法，用于对所述传感器组采集的原始方位角和倾角信息进行实时解算，得到测井探管的实施姿态信息。同时，本发明还提供了相应的检测方法，通过本发明，可以在减少后续数据处理工作量的同时，有效提高检测的精度，具有很高的实用价值。

Description

测井探管三维实时姿态检测系统的检测方法

技术领域

本发明涉及一种钻井中测井探管的姿态信息检测技术，具体地说，是涉及一种测井探管三维实时姿态检测系统的检测方法。

背景技术

在地震测井中，井下探管的姿态信息是很重要的参数之一，尤其是方位角信息，此处所指的方位角是指检波器水平的一个分量与人工震源产生方向的夹角。

目前，常用的方位角检测方法是对检波器接收到的信号能量的强弱进行计算(即能量法)，进而估计出方位角信息。但是，这种方法并不能实时地得到方位角信息，需要对采集到信号经过复杂的运算之后才能得到其估计值，不仅精确度较低，而且延迟性严重，并不能满足实际需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测井探管三维实时姿态检测系统的检测方法，解决现有技术存在的无法对井下探管的姿态信息进行实时检测且精确度不高的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

测井探管三维实时姿态检测系统的检测方法，所述的检测系统包括：

传感器组：用于采集所述测井探管的原始方位角和倾角信息，包括三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和用于对所述三轴电子罗盘和三轴加速度传感器进行动态补偿的三轴陀螺仪，所述三轴电子罗盘的三个轴与三轴加速度传感器的三个轴同轴连接；所述三轴陀螺仪三个轴与所述三轴电子罗盘的三个轴同轴连接；

以及，微处理器：与所述传感器组相连，内嵌有数据融合定位解算算法，用于对所述传感器组采集的原始方位角和倾角信息进行实时解算，得到测井探管的实施姿态信息；

所述的检测方法则包括以下步骤：

(1)测井探管处于倾斜状态时，选用大地坐标系作为测井探管实时姿态信息检测时的参考坐标系；

(2)将三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪连接，组成传感器组，并按照测井探管的三分量检波器的设置方式设置传感器组的三维坐标轴；

(3)将传感器组与微处理器通过I²C总线连接；

(4)利用三轴电子罗盘和三轴加速度传感器测得测井探管的原始姿态信息，然后由微处理器利用数据融合定位解算算法对该原始姿态信息进行数据融合与解算，并通过三轴陀螺仪对其进行动态补偿，得到最终的测井探管姿态信息；该步骤中，所述的测井探管姿态信息包括方位角ψ、俯仰角和翻滚角θ，三者的计算过程如下：

(a)将测井探管的最终位置看作是从大地坐标通过一系列的旋转得到，每一次的旋转相当于一次坐标变换，沿不同轴向的旋转矩阵依次是：

通过以下的旋转次序，将地球重力的作用折算到三轴加速度传感器的三个轴上，即：

得到俯仰角和翻滚角θ的计算公式分别为：

式中，A_x，A_y，A_z为三轴加速度传感器三个轴的输出；

(b)计算出俯仰角和翻滚角θ后，再由俯仰角和翻滚角θ按照下列公式计算方位角ψ：

H_Y＝H_ycosθ+H_zsinθ；

ψ＝tan^-1(H_y/H_x)；

式中，H_x、H_y、H_z为地磁x轴分量、地磁y轴分量、地磁z轴分量。

优选地，所述微处理器为32位基于Cotex-M4内核的ARM处理器STM32F407VGT6；所述三轴电子罗盘为MEMS磁阻传感器HMC5883L；所述三轴加速传感器为MEMS加速度传感器BMA020；所述三轴陀螺仪为MEMS陀螺仪MPU3050。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用三轴电子罗盘和三轴加速度传感器按照测井探管的三分量检波器的设置方式进行定向，以构成检测探管姿态信息的基础设备，并通过三轴电子罗盘和三轴加速度传感器测得初始的方位角信息和倾角信息，然后利用三轴陀螺仪对其进行动态补偿，以提高检测的精确度，最后再利用微处理器对测得的方位角信息和倾角信息进行数据融合与解算处理，整个过程全自动化处理，无需人工操作，并在采集数据之后立刻传输给微处理器进行处理，几乎可以实现同步得出结果，有效地解决了现有技术检测精度低、难以实现实时获取探管姿态信息的问题。本发明所提供的测井探管三维实时姿态检测系统，不仅检测装置十分简单，大大减小了后续数据处理的工作量，提高了数据处理速度，还有效提高了检测精度，提高了地震测井的勘探效率，实现了在检测的同时实时“看到”井下探管姿态的目的。

附图说明

图1为本发明中测井探管三维实时姿态检测系统的设置示意图。

图2为本发明中测井探管水平状态下姿态信息的计算示意图。

图3为本发明中测井探管倾斜状态下姿态信息的计算示意图。

图4为本发明中数据融合与解算框图。

图5为本发明中数据融合定位解算算法的简易框图。

图6为本发明中数据融合定位解算算法得到的方位角的效果图。

图7为本发明中方位角测量方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图1所示，本发明公开的测井探管三维实时姿态检测系统，主要由传感器组和微处理器通过I²C总线连接构成。其中，传感器组由三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪构成，所述三轴电子罗盘可以有效感知地磁大小，并根据地磁大小来测出传感器敏感轴的方位指向，但当三轴电子罗盘倾斜或者受到地磁外强磁场干扰时，会影响其测量精度，造成测量结果的不准确，其在本技术中主要用于采集测井探管的方位角信息。所述三轴加速度传感器用于测量测井探管的倾角，加速度传感器可以测量加速度的大小；当没有外界加速度时，测量的对象为地球的重力加速度在其各个轴向上的分量，通过各个分量的大小即可测出传感器组的相对于水平面的倾斜角度，而通过该倾斜角度，又可以对三轴电子罗盘做相应的倾斜补偿，以提高三轴电子罗盘的测量精度。而所述三轴陀螺仪则用于对所述三轴电子罗盘和三轴加速度传感器进行动态补偿，三轴陀螺仪可以测量其各个轴向的角速度，通过该角速度，实时地对三轴电子罗盘和三轴加速度传感器进行补偿，以进一步提高测井探管姿态信息的检测精度。

整个传感器组主要用于完成测井探管姿态信息的采集，而微处理器则用于对传感器组采集的信息进行处理，以达到快速完成数据处理、实时获取测井探管的三维姿态信息的目的。所述微处理器选用32位基于Cotex-M4内核的ARM处理器STM32F407VGT6，内嵌数据融合定位解算算法，通过该算法，微处理器可以将传感器组采集得到的原始信息进行融合、解算，最终得到需要的测井探管三维姿态信息。

需要注意的是，在安装传感器组时，应将三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪的三个轴分别按照相同的方向定位，具体地说，三轴电子罗盘的X轴、三轴加速度传感器的X轴和三轴陀螺仪的X轴方向应相同；三轴电子罗盘的Y轴、三轴加速度传感器的Y轴和三轴陀螺仪的Y轴方向应相同；三轴电子罗盘的Z轴、三轴加速度传感器的Z轴和三轴陀螺仪的Z轴方向应相同。同时，整个传感器组的三个轴向应与测井探管的三分量检波器的三个轴向也保持相同。

下面具体说明测井探管的姿态信息检测过程。

如图2～图7所示，首先对下列符号进行定义：

方位角Ψ：从地磁北方向顺时针转到传感器组X轴向的角度，范围为0到360°。

倾角包括俯仰角和翻滚角θ，其中：

俯仰角传感器组X轴正向与其在水平方面上投影的夹角，向上仰为正，向下俯为负；

翻滚角θ：传感器组Y轴正向与其在水平面上投影的夹角，右转为正，左转为负；

考虑到测井探管的三分量检波器一般情况下为Z轴朝下，变化不大且在倾斜角度过大时对三轴电子罗盘的倾斜补偿效果不好，因此，设定俯仰角和翻滚角的范围为±60°。

在安装传感器组时，应保持三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪的同轴向连接，即：三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪三者的X轴连接；三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪三者的Y轴连接；三轴电子罗盘、三轴加度素传感器和三轴陀螺仪三者的Z轴连接。并且，组成的传感器组与测井探管的三分量检波器的三个轴向应保持相同的轴向。之后，整个传感器组通过I²C总线将采集到的数据传输给微处理器，经微处理器处理后得到测井探管的当前方位角信息和倾角信息，即其姿态信息。

在传感器组对测井探管进行实时检测时，选用大地坐标系作为参考坐标系。在实际检测过程中，测井探管可以是水平状态，如图2所示，也可以是倾斜状态，如图3所示，但测井探管处于水平状态仅仅是一种特殊情况，绝大多数时候测井探管均处于倾斜状态，因此，本实施例仅对测井探管处于倾斜状态时的数据处理过程进行说明。

图3中测井探管的最终位置看作是从大地坐标通过一系列的旋转得到，每一次的旋转相当于一次坐标变换，沿不同轴向的旋转矩阵依次是：

通过以下的旋转次序，将地球重力的作用折算到三轴加速度传感器的三个轴上，即

从而可以得到俯仰角和翻滚角θ，分别为

式中，A_x，A_y，A_z为三轴加速度传感器三个轴的输出，通过求得的俯仰角和翻滚角θ可以对三轴电子罗盘进行倾斜补偿

H_Y＝H_ycosθ+H_zsinθ；

补偿后，传感器组的X轴及测井探管的三分量检波器的X分量与磁北方向的夹角可以用公式ψ＝tan^-1(H_y/H_x)表示。

至此，所需要的方位角和倾角信息均已经获得，但是为了提高测量的精度，降低外界噪声对输出结果的影响，本发明还利用三轴陀螺仪对三轴加速度传感器和三轴电子罗盘的输出进行补偿。加入三轴陀螺仪后的数据融合与解算算法如图4所示，首先将三轴陀螺仪和三轴加速度传感器采集的原始数据通过互补滤波器得到测井探管的倾角信息，包括俯仰角和翻滚角，然后用得到的倾角信息对三轴电子罗盘进行倾斜补偿，最后通过互补滤波器得到方位角信息。

图7中α为本发明测得的地磁正北方向与人工震源激发线方向的夹角，β为地磁正北方向与测井探管中检波器X分量的夹角，通过简单的数学计算ψ＝α-β即可得到测井探管的方位角。

本发明中选用的三轴加速度传感器、三轴电子罗盘和三轴陀螺仪均为消费级别的MEMS产品，其成本具有明显的优势，可以大大降低检测系统的成本，非常适合推广应用。从图6显示的效果图可以明显看出，采用本发明得到了方位角信息其精确度明显优于现有技术中直接获取方位角信息，因而本发明的技术效果相比于现有技术具有显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.测井探管三维实时姿态检测系统的检测方法，其特征在于，所述的检测系统包括：

传感器组：用于采集所述测井探管的原始方位角和倾角信息，包括三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和用于对所述三轴电子罗盘和三轴加速度传感器进行动态补偿的三轴陀螺仪，所述三轴电子罗盘的三个轴与三轴加速度传感器的三个轴同轴连接；所述三轴陀螺仪三个轴与所述三轴电子罗盘的三个轴同轴连接；

以及，微处理器：与所述传感器组相连，内嵌有数据融合定位解算算法，用于对所述传感器组采集的原始方位角和倾角信息进行实时解算，得到测井探管的实施姿态信息；

所述的检测方法则包括以下步骤：

(1)测井探管处于倾斜状态时，选用大地坐标系作为测井探管实时姿态信息检测时的参考坐标系；

(2)将三轴电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪连接，组成传感器组，并按照测井探管的三分量检波器的设置方式设置传感器组的三维坐标轴；

(3)将传感器组与微处理器通过I²C总线连接；

(4)利用三轴电子罗盘和三轴加速度传感器测得测井探管的原始姿态信息，然后由微处理器利用数据融合定位解算算法对该原始姿态信息进行数据融合与解算，并通过三轴陀螺仪对其进行动态补偿，得到最终的测井探管姿态信息；该步骤中，所述的测井探管姿态信息包括方位角ψ、俯仰角和翻滚角θ，三者的计算过程如下：

(a)将测井探管的最终位置看作是从大地坐标通过一系列的旋转得到，每一次的旋转相当于一次坐标变换，沿不同轴向的旋转矩阵依次是：

$R_x=\left\{\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos\mathrm{\θ}& sin\mathrm{\θ}\\ 0& -\sin \mathrm{\θ}& cos\mathrm{\θ}\end{array}\right\}$

$R_z=\left\{\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\ψ}& 0\\ -sin\mathrm{\ψ}& cos\mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right\}$

通过以下的旋转次序，将地球重力的作用折算到三轴加速度传感器的三个轴上，即：

$\frac{g}{\left|g\right|}=R_x\·R_y\·R_z\·\left\{\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right\};$

得到俯仰角和翻滚角θ的计算公式分别为：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{A_y}{A_z};:$

式中，A_x，A_y，A_z为三轴加速度传感器三个轴的输出；

(b)计算出俯仰角和翻滚角θ后，再由俯仰角和翻滚角θ按照下列公式计算方位角ψ：

H_Y＝H_ycosθ+H_zsinθ；

ψ＝tan^-1(H_y/H_x)；

式中，H_x、H_y、H_z为地磁x轴分量、地磁y轴分量、地磁z轴分量。

2.根据权利要求1所述的测井探管三维实时姿态检测系统的检测方法，其特征在于，所述微处理器为32位基于Cotex-M4内核的ARM处理器STM32F407VGT6。

3.根据权利要求2所述的测井探管三维实时姿态检测系统的检测方法，其特征在于，所述三轴电子罗盘为MEMS磁阻传感器HMC5883L。

4.根据权利要求3所述的测井探管三维实时姿态检测系统的检测方法，其特征在于，所述三轴加速传感器为MEMS加速度传感器BMA020。

5.根据权利要求4所述的测井探管三维实时姿态检测系统的检测方法，其特征在于，所述三轴陀螺仪为MEMS陀螺仪MPU3050。