CN104500036A - 一种适用于小井斜条件下井斜工具面角动态测量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于小井斜条件下井斜工具面角动态测量的方法及装置，以解决井下振动和冲击干扰环境中无法准确真实反映井斜和工具面实时情况的问题，该装置主要包括：信号采集单元，用于采集加速度信号，并将所述加速度信号通过采样和滤波等方式转换成数字信号以作后续处理。数字信号处理单元，用于将所述信号采集单元输入的信号进行处理，根据所述加速度信号输出井斜和工具面的参数。

Description

一种适用于小井斜条件下井斜工具面角动态测量的方法及装置

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井领域，更具体地讲，本发明涉及一种适用于小井斜条件下井斜工具面角动态测量的方法及装置。

背景技术

随着东部地区的油田开采逐渐进入中后期，必须寻找新的储量用以接替，西部地区是当前石油的主要接替区。我国西部石油产量的主要接替区是新疆的塔里木、准噶尔和吐哈，青海的柴达木盆地和四川川东等地区。但这些地区2/3以上的油气储量埋藏在复杂的深部地层，在这些地方钻井时井身质量很难保证，其中上部井段的井斜问题是主要困难之一。随着石油开采的不断深入，地层结构越来越复杂，加之井下的高压、高温环境影响，使井眼轨迹控制难度增加。为解决深井上部井段的井斜控制难题，引入了自动垂直钻井系统，在此系统中需要精确测量小井斜角状态下的井斜和工具面角，以达到对控制执行机构的精确定向。

现有技术中应用于井下的自动垂直钻井系统，能够在一定程度上解决钻井中“防斜打直”问题。但是在现有的自动垂直钻井系统中对加速度计测量信号的处理是基于传统的数字信号处理方式，这种数字信号处理方式的精度较差，同时在井下开钻状态下系统会受到振动和冲击信号的干扰，尤其是在小井斜条件下干扰对系统工具轴垂直面上加速度计的输出会造成较大的影响，从而导致系统无法准确测量井斜和工具面角。

为了解决该技术问题，现有技术中提出了各种各样的技术方案。

例如在对比文件1(CN102425409A)中,提供了一种井斜和工具面测量装置及垂直钻井设备，通过将开钻状态下测量到的加速度信号进行小 波均值滤波处理，滤除三轴加速度计在随钻测量不停钻的情况下测量得到的各种各样的震动动力源造成的干扰信号，能够准确的采集到加速度信号进而确定出井斜和工具面以及井斜倾角，为垂直钻井设备能够准确纠斜控制提供了数据依据。但是该专利提供的测量设备所使用的小波均值滤波处理方法，需要进行一次小波变换和多个子信号的重构及多个均值滤波处理，运算量较大，计算处理时间较长，不利于信号的实时去噪处理。

还例如，在专利文献2(CN102108856A)中公开了一种小角度井斜姿态测量方法及装置，将常规的正交测量坐标系OXYZ绕Y轴旋转θ角得到新的测量仪器坐标系OX0Y0Z0，即将X加速度计绕Y轴旋转θ角，Z加速度计同时也绕Y轴旋转θ角，X加速度计与Z加速度计仍然保持正交，Y加速度计方位不变，然后根据新的测量仪器坐标系下加速度计输出的值，通过坐标变换公式得到常规的正交测量坐标系OXYZ下加速度计输出的值，其采用非正交坐标系，使垂直小角度井斜时测量传感器工作在线性度最好的区域，其输出有较大的输出幅度，可避免信号淹没，减小传感器的非线性失真，提高信号的精确度，得出精确的小角度井斜姿态测量结果。但是该专利所提供的方法仅在静态条件下能正常工作，在井下有强振动冲击干扰的环境中依然无法提供精确的井斜姿态测量结果，不能实现井斜工具面角的动态测量。

因此，在现有的技术条件下，现有的技术方案中，随钻井斜和工具面角测量装置仍然不能准确完美真实反映井斜和工具面的实时情况，不能为自动垂直钻井系统井下控制闭环提供可靠地执行导向依据，从而影响系统进一步的工作。

发明内容

本发明目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种适用于小井斜条件下井斜工具面角动态测量的方法及装置，以解决井下振动和冲击干扰环境中无法准确真实反映井斜和工具面实时情况的问题。

本发明主要提供一种适用于小井斜条件下井斜工具面角动态测量的方 法及装置，通过实时采样开钻状态下加速度计的输出，将其存储后通过一系列滤波和相关检测等后续信号处理方式，去除振动和冲击信号带来的干扰，从而得到准确的加速度计输出并求取出相应的井斜和工具面角，为垂直钻井系统的纠斜提供准确的依据。

具体的，本发明提供一种适用于小井斜条件下井斜工具面角动态测量的装置，其特征在于，该装置主要包括：信号采集单元，用于采集加速度信号，并将所述加速度信号通过采样和滤波等方式转换成数字信号以作后续处理；数字信号处理单元，用于将所述信号采集单元输入的信号进行处理，根据所述加速度信号输出井斜和工具面的参数。

进一步，如上述所述的小井斜条件下井斜工具面角动态测量的装置，其特征在于，所述的信号采集单元包括：传感器模块，用于采集所述3轴加速度信号；低通滤波器模块，用于滤除加速度信号中的高频噪声；采样模块，用于对加速度信号进行采样转换为数字信号。

进一步，如上述所述的小井斜条件下井斜工具面角动态测量的装置，其特征在于，所述的数字信号处理单元包括：滑动窗处理模块，用于通过限幅滤波、低通滤波和自相关检测对所述加速度值输入进行处理，输出稳定准确的加速度值；井斜计算模块，用于读取所述加速度值进行计算，确定对应的井斜角；工具面角计算模块，用于读取所述加速度值进行计算，确定对应的工具面角；输出模块，用于输出所述井斜和工具面角。

进一步，如上述所述的小井斜条件下井斜工具面角动态测量的装置，其特征在于，所述的井斜和工具面角动态测量装置还包括：微处理器控制单元，用于控制所述的信号采集单元和所述的数字信号处理单元。

进一步，如上述所述的小井斜条件下井斜工具面角动态测量的装置，其特征在于，所述的井斜和工具面角动态测量装置还包括：电源供电单元，用于为所述井斜和工具面角动态测量装置正常运行提供电力支持。

进一步，本发明还提供一种小井斜条件下井斜工具面角动态测量方法，利用上述小井斜条件下井斜工具面角动态测量的装置进行测量，通过实时采样开钻状态下加速度计的输出，将其存储后通过一系列滤波和相关检测 等后续信号处理方式，去除振动和冲击信号带来的干扰，从而得到准确的加速度计输出以及相应的井斜和工具面角。

根据本发明，所述的小井斜条件下井斜工具面角动态测量的装置主要包括：信号采集单元、数字信号处理单元。

对于所述信号采集单元，主要包括3个空间上相互垂直的加速度计，用于测量井斜和井斜方位角等参数。加速度传感器被安装在钻柱壳体中，其中Z轴传感器与钻具轴线方向一致，X轴传感器与Y轴传感器处于工具轴垂直面，3轴相互正交，根据各轴向建立仪器坐标系(OXYZ)，OXYZ构成右手直角坐标系，在与钻柱固定时，取Z轴与钻具的轴线方向一致，OXY所构成的坐标系平面与钻具轴向垂直。该坐标系初始时与地理坐标系——北东地坐标系(ONED)重合。3个加速度计分别测量井下3个轴上的重力加速度分量，输出的信号通过低通滤波之后输入到ADC转换为数字信号，以进一步提供给数字信号处理单元进行数字信号处理。

对于所述数字信号处理单元，主要包括信号采样单元、信号滤波单元和数字信号计算单元。其中信号采样单元根据一定的采样频率、采样信号采集单元输入的加速度信号；信号滤波单元按照预定的时间窗对采样的数据实时更新，采用限幅滤波的方式去除冲击干扰的影响，并按照预定的低通滤波器参数对信号进行滤波处理，过滤掉振动干扰以及传感器自身的交流噪声。为了进一步得到稳定的信号输出，采用自相关检测手段来计算相应加速度计输出值。确定性的信号在不同时刻取值一般都具有较强的相关性，而对于干扰噪声，因为其随机性较强，不同时刻取值的相关性一般较弱，利用这一差异可以把确定性信号和干扰噪声区分开来。将滑动时间窗中的信号序列作自相关处理，其结果作为当前滑动窗的加速度值输出结果。数字信号计算单元根据所述加速度值计算井斜和工具面角的参数并输出结果。

本发明的有益效果在于，通过将开钻状态下测量的加速度计信号进行限幅和低通滤波处理，同时采用自相关检测手段计算相应加速度计输出值，能够有效降低井下强振动信号和冲击的干扰带来的不利影响，从而得到准 确的加速度信号并得到相应的井斜和工具面角参数，为自动垂直钻井的自动纠斜闭环控制提供准确的依据，提高纠斜控制的准确率和精度，进而解决高陡构造、大倾角地层等易斜地层的防斜问题，提高了钻井效率，降低了钻井成本。

附图说明

图1是示出本发明一实施形态的自动垂直钻井系统自动纠斜的概念原理图；

图2是示出本发明一实施形态的自动垂直钻井系统中所使用的井斜和工具面角动态测量装置框图；

图3是示出本发明一实施形态的自动垂直钻井系统所使用的传感器概念示意图；

图4是示出本发明一实施形态的自动垂直钻井系统所测量的井斜角和工具面角的示意图；

图5是示出本发明一实施形态的自动垂直钻井系统所采用的信号采集单元示意图；

图6是示出本发明一实施形态的自动垂直钻井系统中的自相关恢复信号示意图；

图7是示出本发明一实施形态的自动垂直钻井系统所采用的数字信号处理单元算法概念示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述，然而所描述的实施方式仅仅是例示性的，本发明并不仅限于该实施方式。

本发明提供一种适用于小井斜条件下井斜工具面角动态测量的方法及装置，所述测量方法利用自动垂直钻井系统实现。如图1所示，为本发明自动垂直钻井系统自动纠斜的的概念原理图。首先，由作为综合测量单元的传感器检测出井斜角和井斜方位角，然后，利用井下控制单元进行控制， 通过纠斜模块进行纠斜，从而控制导向机构(块)动作，使钻井(钻头)实际轨迹重新回到垂直位置(设计轨迹)。在这一过程中，井斜角和工具面角的精确测量是自动纠斜的先决条件，如果测量不精确，则直接影响垂直效果。所述自动垂直钻井系统的闭环控制是由综合测量单元实现，本发明中，所述综合测量单元包括3个空间上相互垂直的加速度计，用于测量井斜和井斜方位角等参数，后面将详述。

图2是示出本发明自动垂直钻井系统中所使用的井斜和工具面角动态测量装置框图。

如图2所示，所述井斜和工具面角动态测量装置主要包括信号采集单元和数字信号处理单元，信号采集单元将3轴重力加速度分量采样并进行前期处理后输入到数字信号处理单元，数字信号处理单元通过一系列算法处理，准确反映井下自动垂直钻井系统的井斜和工具面角的实时数据。自动垂直钻井系统中的导向纠斜模块根据所述井斜和工具面角参数来控制导向块的伸缩(参见图1)，进而实现垂直钻井。所述装置还包括微处理器控制单元和电源供电单元，所述控制单元用于控制所述的信号采集单元和所述的数字信号处理单元，所述供电单元用于为所述井斜和工具面角动态测量装置正常运行提供电力支持。

图3是示出本发明自动垂直钻井系统所使用的传感器概念示意图。本发明中所使用的传感器为加速度传感器，安装在钻柱(杆)壳体中，安装有3个，构成3个空间上相互垂直的加速度计，图2中示出了所述各加速度计的安装轴向方向，根据各轴向建立仪器坐标系(OXYZ)，OXYZ构成右手直角坐标系，在各加速度计与钻柱(杆)固定时，取Z轴与钻具的轴线方向一致，OXY所构成的坐标系平面与钻具轴向垂直。该坐标系初始时与地理坐标系——北东地坐标系(ONED)重合。加速度传感器被安装在钻柱(杆)壳体中，其中Z轴传感器与钻具轴线方向一致，X轴传感器与Y轴传感器处于工具轴垂直面，3轴相互正交，3个加速度计分别测量井下3个轴上的重力加速度分量，输出的信号通过低通滤波之后输入到ADC转换为数字信号，以进一步提供给数字信号处理单元进行数字信号处 理。

图4为井斜角和工具面角示意图。三轴加速度计按照OXYZ坐标系安装，假设测量的重力场的结果为[g_X g_Y g_Z]^T，而当地重力加速度g在地理坐标系ONED中为(0,0,1)^T，由几何关系可以得到

g_X＝-cosφsinθ

g_Y＝sinφsinθ

g_Z＝cosθ

其中，gx，gy，gz分别表示重力场沿着OX，OY，OZ三轴方向的分量。OZ表示井眼垂直时的方向，OZ1表示井眼倾斜时的方向。XOY是水平面，OXYZ表示井眼未倾斜时的坐标系，OX₁Y₁Z₁表示井眼发生倾斜时的坐标系。其中OA是重力高边，则井斜角θ是井眼中心线与垂线之间的夹角。井斜方位角(数值上等于重力工具面角)是垂直钻井中定位钻具倾斜方向的一个量，它是井斜铅垂面与井眼垂直截面交线(高边)顺时针旋至参考轴(X轴)所转过的角度，即常规定义的井斜铅垂面与造斜工具面之间的夹角，记为

图5是示出本发明自动垂直钻井系统所采用的信号采集单元示意图。

如图5所示，信号采集单元主要由传感器、低通滤波器，采样模块构成。所述传感器采用加速度传感器，加速度传感器输出的信号首先通过一个-3dB截止频率为400kHz的4阶低通模拟滤波器，这样就可以在高频分量到达ADC之前将其在模拟通路中滤除，以减少可能存在的频率混叠。所述采样模块采用24bit的Δ-Σ模数转换器，内置过采样结构和随奈奎斯特频率自动调整的数字低通滤波器。当确定采样频率，系统能够自动调节，多次反复对信号进行采样，然后通过高性能的滤波器滤除噪声，提取有用的信号，从而确保即使在恶劣环境中也能够作为一种提取有效的弱信号的一种非常有效的手段，从而能够提高信噪比及保真度。

其中，所述加速度传感器即加速度计检测出的信号包括有效信号和干扰信号(如振动冲击等)两部分信号，在小井斜条件下，重力加速度在工具轴垂直面上的投影分量很小，例如振动信号等干扰信号对其影响很严重。利用有效信号属于缓变信号的特征，其变化频率远低于振动信号的频率，所以要得到有效信号可以首先采用低通滤波的方式，之后通过处理单元对 其进行处理从而得到所需信息。除了使用低通滤波，为了进一步得到稳定的信号输出，还采用自相关检测的方法来计算相应加速度计输出值。另一方面，确定性的信号在不同时刻取值一般都具有较强的相关性，而对于干扰噪声，因为其随机性较强，不同时刻取值的相关性一般较弱，利用这一差异可以把确定性信号和干扰噪声区分开来。具体而言，对于叠加了噪声的信号，当自相关函数的时延较大时，随机噪声对自相关函数的贡献很小，此时该函数就表现为确定性信号的一些特征，例如直流分量等。

图6是示出本发明自动垂直钻井系统中的自相关恢复信号示意图；

如图6所示，传感器信号包含有用(有效)信号和噪声(干扰)信号(振动和冲击信号)，其中振动信号的随机性比较强。观测到的信号可以表示为x(t)＝s(t)+n(t)，其中s(t)是有用信号，n(t)是噪声信号，对观测到的信号x(t)做自相关运算，得

R_x(τ)＝E[x(t)x(t-τ)]＝R_s(τ)+R_n(τ)+R_sn(τ)+R_ns(τ)

当n(t)和s(t)不相关时，R_sn(τ)＝R_ns(τ)＝0，此时有

R_x(τ)＝R_s(τ)+R_n(τ)

其中，Rx,Rs,Rn分别表示观测到的信号，有用信号和噪声信号的自相关函数，t表示信号的时间轴，τ用来描述不同时间信息函数值的相关性。对于带宽较宽的零均值噪声n(t)，其自相关函数主要反映在τ＝0附近，当τ较大时，R_x(τ)只反映R_s(τ)的情况。如果s(t)是周期性函数，则R_s(τ)仍为周期性函数，这样就可以有τ较大时的R_x(τ)测量出s(t)的幅度。因此，对存在振动冲击干扰的加速度计信号采用自相关处理，能够较好地提取出其中的加速度计分量。

图7是示出本发明自动垂直钻井系统所采用的数字信号处理单元算法概念示意图。

如图7所示，首先，对信号采集单元输入的信号进行存储，并取一定长度的信号序列作为滑动时间窗内的数据，经过限幅滤波器将异常的序列段去除，从而滤除冲击信号的干扰影响。之后将信号序列通过低通滤波器以去除高频噪声信号。低通滤波器采用传统的巴特沃斯低通数字滤波器， 该滤波器的设计思想是基于傅立叶变换算法，将信号在时间域和频率域之间相互转换，从看似复杂的数据中找出一些直观的信息，再对它进行分析。该滤波器的特点是在通频带内频率响应曲线最大限度平坦，能够较好的保留信号中的有效成分。信号经过滤波后，再采用自相关检测的方法进行处理，即对滑动窗的信号序列做自相关运算，得到测量信号的幅度信息，从而提取当前的加速度值。其中滑动窗的大小选取决定了信号序列的长度，对测量结果的精度和实时性有很大的影响，在实际应用中，可以根据仿真试验来确定滑动窗的大小，在精度和实时性两者之间进行权衡。

通过上述算法流程输出准确稳定的3轴加速度值，将这3个轴的加速度值代入下列公式可以计算得到所需的井斜和工具面角参数。在小井斜条件下，考虑到3轴加速度计输出受到干扰，尤其是工具轴垂直面两个轴输出值较小，更易受到干扰的影响，实际选取的计算公式中，采用3轴信息即X、Y和Z轴加速度计的输出计算井斜角θ，为

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{\sqrt{g_x^2+g_y^2}}{g_z}$

计算井斜方位角φ，需要用到X轴和Y轴的加速度计输出，为

$\mathrm{\φ}=\arctan \frac{g_y}{-g_x}$

经过处理的3轴加速度值通过井斜工具面角计算模块，最终完成参数的计算和显示。

根据本发明，通过将开钻状态下测量的加速度计信号进行限幅和低通滤波处理，同时采用自相关检测手段计算相应加速度计输出值，能够有效降低井下强振动信号和冲击的干扰带来的不利影响，从而得到准确的加速度信号并得到相应的井斜和工具面角参数，为自动垂直钻井的自动纠斜闭环控制提供准确的依据。

尽管上文结合具体实施方式对本发明进行了阐述，但是以上说明只是例示性的，本领域技术人员可以按照上述说明对本发明作出各种变更和修饰，只要不脱离本发明精神和宗旨，这些修改和变更均应视为本发明的一 部分而落入本发明保护范围之内，本发明保护范围由所附权利要求书及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种适用于小井斜条件下井斜工具面角动态测量的装置，其特征在于，该装置主要包括：

信号采集单元，用于采集加速度信号，并将所述加速度信号通过采样和滤波等方式转换成数字信号以作后续处理。

数字信号处理单元，用于将所述信号采集单元输入的信号进行处理，根据所述加速度信号输出井斜和工具面的参数。

2.根据权利要求1所述的小井斜条件下井斜工具面角动态测量的装置，其特征在于，所述的信号采集单元包括：

传感器模块，用于采集所述3轴加速度信号；

低通滤波器模块，用于滤除加速度信号中的高频噪声；

采样模块，用于对加速度信号进行采样转换为数字信号。

3.根据权利要求1所述的小井斜条件下井斜工具面角动态测量的装置，其特征在于，所述的数字信号处理单元包括：

滑动窗处理模块，用于通过限幅滤波、低通滤波和自相关检测对所述加速度值输入进行处理，输出稳定准确的加速度值；

井斜计算模块，用于读取所述加速度值进行计算，确定对应的井斜角；

工具面角计算模块，用于读取所述加速度值进行计算，确定对应的工具面角；

输出模块，用于输出所述井斜和工具面角。

4.根据权利要求1所述的小井斜条件下井斜工具面角动态测量的装置，其特征在于，所述的井斜和工具面角动态测量装置还包括：

微处理器控制单元，用于控制所述的信号采集单元和所述的数字信号处理单元。

5.根据权利要求1所述的小井斜条件下井斜工具面角动态测量的装置，其特征在于，所述的井斜和工具面角动态测量装置还包括：

电源供电单元，用于为所述井斜和工具面角动态测量装置正常运行提供电力支持。

6.一种适用于小井斜条件下井斜工具面角动态测量方法，利用如权利要求1-5任一项所述小井斜条件下井斜工具面角动态测量的装置进行测量，通过实时采样开钻状态下加速度计的输出，将其存储后通过一系列滤波和相关检测等后续信号处理方式，去除振动和冲击信号带来的干扰，从而得到准确的加速度计输出以及相应的井斜和工具面角。